Поверхностная закалка стали

Поверхностная закалка: способы и технологии. Закалка металлов

Термическая обработка стали производится для улучшения ее характеристик (твердости, прочности, износостойкости). Основные требования к качеству преимущественно предъявляются к наружному слою изделий, который в наибольшей степени подвергается действию внешних нагрузок.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка деталей делается для достижения лучших характеристик наружного слоя, а в сердцевине металл остается вязким и пластичным. Таким образом удается изменить физико-механические свойства металла.

Чтобы уменьшить хрупкость и остаточные напряжения, металл затем подвергают отпуску, после чего его твердость несколько снижается, а свойства становятся более стабильными.

Температура закалки поверхности стали составляет 820-900 0 С. Ее можно различать по цвету.

Для получения необходимой глубины термической обработки после быстрого разогрева поверхность детали охлаждают воздухом или водой.

Газопламенная закалка

Температурные режимы, связанные с нагревом и охлаждением, могут быть непрерывными или цикличными. Поверхностная закалка выполняется четырьмя способами.

  1. Нагрев с охлаждением участка детали: закалка зубьев колес, концов рельсов, клапанов и др.
  2. Закалка небольших вращающихся тел с малой шириной обрабатываемого участка: цапфы осей и валов.
  3. Непрерывно-последовательный способ: перемещение по поверхности пламени, а за ним — охладителя. Производится последовательный нагрев и охлаждение водяными струями узких участков. Аналогично закаливаются поверхности деталей большого диаметра с медленным их вращением относительно неподвижных горелок и форсунок. На краях полос остаются зоны отпуска при вторичном нагреве от соседних участков.
  4. Комбинированный способ: перемещение вдоль образующей струй пламени, а за ними — охлаждающей среды при вращении цилиндрической детали. Технология применяется для закалки длинномерных изделий. Способ обеспечивает получение однородного твердого слоя на поверхности детали.

Технология газопламенной закалки

Поверхностная закалка производится на станках, где процессы перемещения нагревательно-охлаждающих приспособлений и деталей механизированы. Процесс широко применяется в промышленности. Для него требуются простые устройства. В качестве источника энергии применяется смесь ацетилена с кислородом, природный газ или керосин. Иногда газопламенный нагрев применять более выгодно, чем ТВЧ. Особенно это относится к крупногабаритным изделиям, для которых сложно изготовить индукторы. Способ часто применяют в мелкосерийном производстве, когда к качеству деталей не предъявляются высокие требования. Закалочные горелки инжекторного типа содержат сменные наконечники для регулирования мощности пламени. Мундштуки выполняются в соответствии с профилем обрабатываемых деталей. Их делают с большим количеством сопел или щелевыми. Разбрызгиватели струйного типа подают воду на охлаждение.

Механизмы для перемещений инструментов и деталей применяются специализированные или универсальные. Предприятия часто самостоятельно их изготавливают на базе металлоообрабатывающих станков.

Закалка металлов зависит от состава, а также от размеров и формы изделий.

Параметры процесса

Регулируемые параметры следующие.

  1. Мощность нагрева. Она зависит от расхода ацетилена и скорости перемещения пламени относительно изделия.
  2. Расстояние от центра факела до нагреваемой поверхности поддерживается на уровне от 2 до 3 мм.
  3. Продолжительность нагрева или скорость перемещения нагревателя. От этих характеристик, которые подбираются экспериментально, зависит глубина закалки и твердость поверхности.
  4. В качестве охладителя большей частью применяется вода с температурой 18-35 0 С, а расход составляет около 1 л/см 2 .
  5. Время между нагревом и охлаждением (5-10 сек) или расстояние между зонами нагрева с охлаждением (12-25 мм).

Технология закалки стали включает процессы нагрева металла, выдержку для выравнивания температуры с прохождением необходимых структурных превращений и охлаждение с заданной скоростью. Отличительной особенностью поверхностной закалки является быстрый нагрев.

Подготовка деталей перед закалкой заключается в сглаживании острых углов и очистке разными способами: пескоструйная, химическая, щетками вручную.

Поверхностная закалка при правильном режиме обеспечивает повышение стойкости деталей в 2-5 раз. Выбор режимов охлаждения позволяет плавно увеличивать твердость закаленного слоя до 700 HB. Процесс должен проходить быстро. На конечном этапе, когда температура составляет 200-300 0 С, скорость охлаждения замедляется. В результате уменьшается образование трещин и изделия не коробятся.

При перегреве легированных сталей твердость может уменьшиться, что рассматривается как брак. Здесь также отсутствует возможность точной регулировки толщины закаленного слоя. Кроме того, при работе с газом требуются дополнительные меры по обеспечению безопасных условий труда.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Высокочастотный нагрев является одним из наиболее эффективных способов упрочнения поверхности. Применение ТВЧ до 10 тыс. кГц существенно сокращает время термической обработки. Через водоохлаждаемый медный индуктор пропускается высокочастотный ток. Образующееся электромагнитное поле проникает в деталь из стали, образуя в ней вихревые токи, тем самым вызывая нагрев. Основная энергия сосредотачивается в поверхностных слоях. Глубина прогрева зависит от магнитной проницаемости стали, электросопротивления и частоты тока. Регулируя эти параметры, можно изменять величину закаленного слоя.

Достоинства индукционного метода

  • высокая производительность и экономичность нагрева, когда необходимо нагревать только отдельные участки деталей;
  • поверхность детали незначительно окисляется, отсутствует обезуглероживание;
  • изделия мало коробятся, меньше образуется трещин;
  • точно регулируется глубина закалки;
  • возможность автоматизации процесса.

К недостаткам метода закалки ТВЧ относится высокая стоимость и сложность изготовления индукционных устройств.

Медные индукторы изготавливаются с душирующими устройствами или без них.

Существуют следующие виды поверхностной закалки.

  1. Одновременный. После нагрева деталь охлаждается водой. Закаливаемая деталь нагревается внутри индуктора. Через заданное время электрический ток отключается и через отверстия нагревателя сильными струями подается вода на охлаждение изделия. Для закалки зубчатых колес применяются кольцевые индукторы, а для плоских деталей — петлевые или зигзагообразные.
  2. Непрерывно-последовательный. Вдоль неподвижной детали перемещается нагревающий индуктор, а за ним — душирующее устройство.

Нагрев ТВЧ позволяет создавать автоматизированные агрегаты в потоке цехов механической обработки. За счет этого нет необходимости в транспортировке деталей в термические цеха.

Другие способы поверхностной закалки стали

  1. Закалка в электролите. Если через водный раствор электролита пропускать электрический ток, где катодом является деталь, которая быстро нагревается. Способ удобен, поскольку после отключения электроэнергии деталь тут же закаливается. Ванна с электролитом одновременно выполняет функции нагревательной печи и закалочной емкости.
  2. Лазерная закалка. Излучение лазера разогревает поверхность металла до высокой температуры. Толщина упрочнения составляет менее 1 мм. Износостойкость деталей из чугуна возрастает в несколько раз, а предел выносливости стали — до 80 %. Способ часто применяется для упрочнения режущих кромок инструмента.

Отпуск после закалки

Закалка и отпуск — это 2 процесса, дополняющих друг друга и обеспечивающих получение качественных деталей. Назначение отпуска — заключительная операция после закалки, формирующая окончательные, более устойчивые свойства металла, обеспечивающая снятие внутренних напряжений. Изделие из стали определенной марки нагревают и выдерживают при соответствующей температуре, после чего охлаждают на воздухе.

  1. Низкий отпуск при 120-250 0 С — обработка инструмента и др. деталей. Металл имеет стабильную структуру, высокую износостойкость и твердость.
  2. Средний отпуск при 350-500 0 С — для штампов, пружин, рессор. Структура имеет хорошую пластичность, высокую упругость.
  3. Высокий отпуск при 500-680 0 С — среднеуглеродистые конструкционные стали. Обеспечивает высокую прочность, вязкость, пластичность.

Заключение

Закалка и отпуск металла требуют строгого выполнения технологии, которая подбирается для каждой марки стали. При правильном подходе закалка металлов может производиться в домашних условиях.

Учебные материалы

Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия, тогда как его сердцевина остается незакаленной (мягкой вязкой) и хорошо воспринимает ударную нагрузку.

Поверхностную закалку проводят индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ), газовым пламенем, нагревом лазерным лучом.

Закалка с индукционным нагревом. Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины (рисунок 43).

Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате индукции в поверхностном слое возникают вихревые точки и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулевой теплоты. Ток проходит в основном в поверхностном слое металла.

Около 90 % теплоты выделяется в слое толщиной Х (м):

где f- частота тока, Гц;
r — электрические сопротивления материала детали, Ом×м;
m — магнитная проницаемость, Г/м.

Для закалки применяют сравнительно большую мощность (0,1…2,0 кВт/см 2 ), и поэтому время нагрева составляет 2…50 с. Для получения слоя толщиной 1 мм частота тока 50…60 кГц, для слоя толщиной 2 мм — 15 кГц и для слоя толщиной 4 мм — 4 кГц. Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20 % всего сечения. После нагрева в индукторе деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство — спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость; иногда нагретые детали сбрасываются в закалочные баки.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур, поэтому температура закалки при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна быть выше, чем при объемной закалке.

Наиболее целесообразно использовать этот метод для нагрева изделий из углеродистых сталей, содержащих более 0,4 % С. Для легированных сталей ТВЧ, как правило, не применяют, так как одно из их преимуществ — глубокая прокаливаемость легированных сталей — при таком методе не используется.

Преимущество метода ТВЧ — высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки, а также полной автоматизации всего процесса.

Недостаток — высокая стоимость индукционных установок и индукторов (для каждой детали свой индуктор), поэтому этот метод экономически целесообразно использовать только при массовом производстве однотипных деталей простой формы.

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, труб, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим температуру до 3150 0 С. В качестве горючих газов применяют ацетилен ,природный газ, керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно 2…4 мм, а его твердость для стали с 0,45…0,5 % С — 50…56 HRС. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

Читайте также  Отпуск стали виды и назначение отпуска

Поверхностная закалка при нагреве лазером. Является одним из широко применяемых видов лазерной обработки металлов и сплавов. Она основана на локальном нагреве участка поверхности световым лучом лазера и охлаждения этого участка со сверхкритической скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои металла. При этом не требуется применять охлаждающие среды, что существенно упрощает технологию термоупрочнения. Толщина упрочненного слоя не превышает 1,5…2,0 мм.

Поверхностная закалка ТВЧ

Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.

При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

  • одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
  • петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
  • фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

  • одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
  • непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

  • После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
  • Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
  • При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
  • Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
  • Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
  • Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
  • Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Поверхностная закалка

Целью поверхностной закалки является повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стальных изделий. Это достигается нагревом на заданную глубину только поверхностного слоя, который при последующем охлаждении закаливается. Сердцевина изделия остается незакаленной, сохраняя достаточно высокие пластичность и вязкость, а следовательно, будет хорошо воспринимать динамические нагрузки.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Закалка ТВЧ наиболее широко применяется в промышленности и представляет собой закалку с индукционным нагревом поверхностного слоя изделий (деталей, инструментов) токами высокой частоты. Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуцируемого в изделии.

В основе индукционного нагрева лежит явление электромагнитной индукции. При прохождении переменного электрического тока через замкнутый токопроводящий контур возникает переменное магнитное поле. Этот контур называют индуктором, он представляет собой один или несколько витков медной полой трубки или шины. Если в переменное магнитное ноле поместить другой проводник – обрабатываемую деталь, то в ней индуцируется электрический ток той же частоты, что и ток в индукторе. В поверхностном слое изделия, помещенного в индуктор, возникают вихревые токи, вызывающие нагрев бесконтактным способом (рис. 5.27).

Читайте также  Сталь для топора какая лучше

Индуцированный ток течет в основном в поверхностных слоях. Чем выше частота тока, тем тоньше слой, по которому он течет, больше его плотность. В результате поверхностный слой изделия нагревается ТВЧ до значительно более высоких температур, чем центральная его часть. Изменяя частоту тока, можно регулировать толщину нагреваемого и, следовательно, закаливаемого слоя.

Чем меньше требуемая толщина прогреваемого слоя, тем выше должна быть частота тока.

Важной особенностью индукционного нагрева под за-

Рис. 5.27. Схема индуктивного нагрева ТВЧ:

1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – силовые линии магнитного поля

После нагрева ТВЧ производится охлаждение изделия двумя способами:

  • – окунанием в охлаждающую жидкость, находящуюся в закалочном баке;
  • – опрыскиванием охлаждающей жидкостью с помощью душевого устройства (спрейера). В качестве охлаждающей жидкости при закалке ТВЧ используют воду, подогретую до 30. 40 °С или эмульсию.

В зависимости от конструкции и размеров деталей применяются одновременный, непрерывно-последовательный и последовательный способы нагрева.

Одновременный способ применяется для закалки небольших деталей. Высота индуктора при этом должна быть не меньше длины (толщины) детали. Для получения одинаковой твердости по всей поверхности детали при нагреве и спрейерном охлаждении деталь должна непрерывно вращаться, так как в месте присоединения индуктора к токопроводящим шинам нагрев получается более слабым. Охлаждение, как правило, выполняется окунанием в охлаждающую среду.

Непрерывно-последовательный способ используется для закалки длинномерных деталей. При этом индуктор неподвижен, а деталь, охватываемая индуктором, имеет поступательное (протягивается через индуктор) и вращательное движение. Охлаждение в этом случае осуществляется спрейером.

Последовательный способ (поочередный) применяют в тех случаях, когда упрочнению подвергают лишь отдельные части детали (например, шейки вала под подшипники).

После закалки ТВЧ изделия подвергают низкому отпуску при температуре 150. 200 °С, который производится обычно так же, как и после объемной закалки, – в электрических или газовых печах. Реже используется отпуск с индукционным нагревом с применением переменных токов промышленной частоты. Нагрев в этом случае выполняется с меньшей скоростью (15. 20 °С/с), чем при ТВЧ.

Закалке ТВЧ подвергают детали, изготавливаемые в основном из конструкционных среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,4. 0,55%. Легированные стали используются редко, так как при поверхностной закалке нет необходимости в увеличении прокаливаемости. Структура поверхностного закаленного слоя этих сталей – мелкопластинчатый мартенсит. Вслед за закаленным слоем располагается переходный слой, который претерпевает неполную закалку, поскольку температура его нагрева лежит в интервале Асу и Асу́ он приобретает структуру мартенсита и феррита. Наличием переходного слоя объясняется плавное снижение твердости от поверхности к сердцевине деталей, имеющей исходную структуру феррита и перлита. Низкий отпуск, понижая закалочные напряжения, обеспечивает в поверхности структуру мартенсита отпуска и высокие твердость и прочность.

В результате закалки ТВЧ существенно (в 2. 2,5 раза) повышается предел выносливости. Эго связано с тем, что в результате быстрого нагрева и резкого охлаждения при закалке ТВЧ в поверхностном слое возникают большие сжимающие напряжения. Они уменьшают опасные рабочие растягивающие напряжения (возникающие в процессе эксплуатации) на поверхности детали. Сердцевина, имеющая ферритно-перлитную структуру, обеспечивает достаточно хорошую ударную вязкость и имеет более высокую прочность, чем в цементованных деталях. Последнее достигается тем, что для изготовления деталей, подвергаемых закалке ТВЧ, используются стали с большей концентрацией углерода (0,4% и выше), в структуре которых больше более прочного перлита, чем феррита. Кроме того, для упрочнения сердцевины перед закалкой ТВЧ иногда выполняют улучшение (закалку и высокий отпуск), после которого сталь приобретает структуру зернистого сорбита. Поэтому, а также из-за большей толщины упрочненного поверхностного слоя (по сравнению с цементацией и азотированием) он будет хорошо воспринимать большие контактные нагрузки (не будет продавливаться).

Закалка ТВЧ особенно эффективна для изготовления тяжслонагружснных деталей, работающих в условиях повышенных износа, динамических и знакопеременных нагрузок (зубчатые колеса, валы и т.п.)• Закалке ТВЧ подвергают некоторые режущие инструменты, изготавливаемые из углеродистых и легированных инструментальных сталей (напильники, ножовочные полотна). После закалки ТВЧ и низкого отпуска они приобретают структуру мартенсита и цементита вторичного и высокую твердость (62. 65 HRC), а сердцевина сохраняет структуру перлита и цементита вторичного.

Закалка с индукционным нагревом ТВЧ имеет следующие преимущества:

  • – высокая производительность из-за высокой скорости нагрева в условиях массового и крупносерийного производства и возможность автоматизации;
  • – возможность местного нагрева;
  • – отсутствие обезуглероживания; из-за малого времени нагрева (секунды) диффузионные процессы не развиваются. По этой же причине при нагреве, несмотря на более высокие температуры закалки, сохраняется мелкое зерно аустенита и при последующем охлаждении в поверхностном слое образуется мелкопластинчатый мартенсит;
  • – значительно меньшие, чем при объемной закалке, объемные изменения и деформации (коробление), так как мартенситное превращение, вызывающее увеличение объема (и, следовательно, размеров) и появление закалочных напряжений, происходит лишь в поверхностных слоях.

Недостаток технологии – трудность или невозможность применения для деталей сложной конфигурации, поскольку сложно изготовить индуктор, огибающий их профиль с постоянной величиной зазора.

Другие методы поверхностной закалки. Достаточно широко используются методы поверхностной закалки со следующими способами нагрева поверхностного слоя изделий: газопламенный нагрев, нагрев в электролите, лазерный нагрев.

Газопламенный нагрев поверхности осуществляется ацетилено-кислородным пламенем с помощью специальной горелки. За счет высокой температуры пламени (2400. 3100 °С) подводится значительное количество тепла и поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Толщина прогреваемого слоя может регулироваться скоростью перемещения горелки относительно нагреваемой детали и расходом сжигаемой газовой смеси. Обычно она составляет 2. 4 мм. После нагрева производят быстрое охлаждение окунанием или спрейером. Поверхность закаливается, приобретая структуру мартенсита с твердостью до 56 HRC в тонком поверхностном слое; структура нижележащих слоев – мартенсит и троостит. Сердцевина сохраняет исходную структуру (феррит и перлит). Поверхностная закалка с пламенным нагревом вызывает меньшие деформации, чем объемная, и сохраняет чистую поверхность без следов окисления. Газопламенный нагрев широко применяется для закалки крупных деталей, например металлургического оборудования (прокатных валков, валов, роликов для правки листов и т.п.), в ремонтном производстве.

Нагрев в электролите. Используется эффект нагрева катода при пропускании постоянного электрического тока напряжением 220. 250 В через электролит, представляющий собой 5. 10%-ный раствор кальцинированной соды. Катодом является деталь, которая погружается в электролит, анодом – корпус ванны.

Положительно заряженные ионы водорода, возникающие в результате диссоциации электролита, направляются к поверхности детали (катода) и образуют вокруг нее плотную водородную оболочку. Она обладает большим электросопротивлением и нагревается до высоких температур. Оболочка нагревает поверхность детали, которая затем охлаждается непосредственно в электролите при отключении тока. В результате закалки в поверхностном слое образуется мартенсит закалки, а в сердцевине – сорбитообразный перлит и феррит.

Лазерный нагрев осуществляется твердотельными (оптическими) и газовыми квантовыми генераторами (лазерами). Лазерное излучение распространяется очень узким пучком с высокой концентрацией световой энергии, которая на поверхности закаливаемой детали трансформируется в тепловую. Оптические лазеры позволяют вести импульсный нагрев; газовые – непрерывный. При импульсном излучении на поверхности деталей образуются «пятна» закалки диаметром до 5 мм; при непрерывном – полоса шириной до 3 мм. Для нагрева поверхности осуществляется сканирование лазерного луча по поверхности за счет перемещения детали. Упрочнение выполняется с взаимным перекрытием или без перекрытия упрочняемых зон. Под действием лазерного излучения поверхность детали очень быстро (10-3. 10-7 с) нагревается до высоких температур. Закалка нагретых участков происходит благодаря интенсивному отводу тепла вглубь металла. Принудительного охлаждения при лазерной закалке не требуется.

Лазеры непрерывного излучения обеспечивают высокую производительность, равномерность упрочнения и позволяют обрабатывать поверхности любой формы. Толщина упрочняемого слоя составляет 0,3. 1,0 мм. После закалки сталей, содержащих 0,35. 0,45% углерода, структура упрочненного слоя состоит из следующих зон:

  • – зоны частичного оплавления, состоящей из дентритных кристаллов мартенсита. При полном плавлении тончайшего поверхностного слоя после затвердевания может образоваться слой аморфного металла, обладающего высокой твердостью. При большой скорости перемещения луча оплавления не происходит и эта зона отсутствует;
  • – зоны закалки с температурой выше А3 и структурой мартенсита;
  • – зоны неполной закалки с температурой в интервале А1. А3 со структурой мартенсита и феррита (для доэвтектоидной стали);
  • – сердцевина сохраняет исходную структуру.

Лазерная закалка применяется для термического упрочнения отдельных поверхностей деталей, работоспособность которых определяется износостойкостью и усталостной прочностью, а поверхностное упрочнение другими способами затруднено.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ

При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (т.в.ч.), а для крупных деталей закалку с нагревом газовым пламенем.

ЗАКАЛКА С ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Индукционный нагрев для термической обработки был впервые предложен в 1935 г. В.П. Вологдиным.

Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.

Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (соленоид), представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины (рис. 96). Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате явления индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи, и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулева тепла. Плотность индуктированного переменного тока по сечению проводника (нагреваемого изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около 90% тепла выделяется в слое толщиной х, см, который находится в следующей зависимости от частоты тока/, Гц, магнитной проницаемости р, Гс/Э, и электросопротивления р, Ом х см, нагреваемого металла:

Читайте также  Можно ли закалить нержавеющую сталь

х = 5000^/рТм/»-

Рис. 96. Индукционный нагрев:

а — схема индукционного нагрева; б — закалка при одновременном нагреве всей поверхности; 1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер; 4 — силовые линии магнитного поля

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри (768°С), вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при установлении режима нагрева. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений < и А3 для доэвтектоидной стали) составляет 30—300°С/с.

Для закалки при поверхностном нагреве применяют сравнительно большую удельную мощность (5—20 МВт/м 2 ), и поэтому время нагрева незначительно: 2—50 с.

Для получения слоя толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока составляет 50 000-60 000 Гц, для слоя 2,0 мм

15 000 Гц и для слоя 4,0 мм

Однако уже на частотах звукового диапазона (2000-8000 Гц) можно проводить поверхностный нагрев и закалку на глубину 1—2 мм. Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше критической точки; глубинные слои детали нагреваются ниже критических точек и при охлаждении не упрочняются.

Так как металлургическое оборудование в основном состоит из крупногабаритных деталей, толщина закаленного слоя обычно составляет от 2—3 до 5—8 мм и более. Поэтому частоту тока чаще принимают 2,5—8 кГц. Слой толщиной до 3—5 мм можно получить и на радиочастотах путем удлинения цикла нагрева; в этом случае тепло поступает за счет теплопроводности.

Как источник электропитания используют машинные и, реже, ламповые генераторы. Машинные генераторы имеют частоту от 1000 до 10 000 Гц при мощности 60-1000 кВт, а ламповые генераторы — частоту до 100 000 Гц и мощность от 5 до 220 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ осуществляют на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур (см. рис. 68). Поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5—3,0°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенитизации и получения при охлаждении оптимальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости.

Так, при печном нагреве температура закалки стали с 0,4% С составляет 840-860°С, при индукционном нагреве со скоростью нагрева 250°С/с 880—920°С, а при 500°С/с 980-1020°С.

Охлаждающую жидкость (воду, эмульсию) для закалки обычно подают через душевое устройство — спрейер (рис. 96, б).

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160—200°С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество тепла, нагревающего закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4—0,5% С, которые после закалки имеют высокую твердость (HRC 55—60), сопротивляемость износу; они не склонны к хрупкому разрушению.

В последние годы в СССР получает распространение поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве. В этом случае глубина нагрева до надкритических температур больше, чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение, нагреваются насквозь. Глубина закалки, таким образом, определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемос- тью стали. Поэтому для поверхностной закалки применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит (HRC 60), а в сердцевине — сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее.

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной и регламентированной прокаливаемости (РП). Это достигается ограничением содержания примесей (Si, Mn, Cr, Ni и др.), получением мелкого и устойчивого зерна аустенита, наличием в стали нерастворимых частиц AIN, TiC и др. Применяют стали пониженной прокаливаемости (55ПП), содержащей 0,55-0,63% С и -0,5% примесей (Si, Mn, Cr, Ni и др.) и регламентированной прокаливаемости (47ГТ) (0,44—0,51 % С; 0,9-1,2% Мп; 0,06-0,12% Ti).

Необходимость нагрева на большую глубину требует невысокой концентрации энергии в зоне нагрева, поэтому удельная мощность составляет 0,05—0,2 кВт/cm 2 , что меньше, чем в случае поверхностной закалки при поверхностном нагреве. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений составляет 2—10°С/с, время нагрева 20-100 с. Частота тока 2500-10 000 Гц.

После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита значительно мельче (баллы 10—12), чем при обычной закалке с печным нагревом (баллы 7—8). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости повышается на 80—100% при испытании образцов с надрезом и на 25—30% при испытании гладких образцов.

Индукционный нагрев позволяет сократить длительность термической обработки, а следовательно, увеличить производительность труда; получить изделия без окалины, что снижает припуски на дальнейшую обработку, и уменьшить деформацию и коробление изделий в процессе термической обработки. Наряду с этим индукционная закалка создает условия для автоматизации процесса и обеспечивает возможность выполнения термической обработки непосредственно в поточной линии механической обработки без разрыва технологического цикла.

Закалка с индукционного нагрева находит широкое применение в промышленности. Более 500 наименований металлургического оборудования подвергается закалке при индукционном нагреве (например, различные шестерни, валики холодной прокатки, колеса и тормозные шкивы кранов, различные цилиндрические детали и т.д.).

Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400—3150°С). Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2—4 мм, а его твердость HRC 50—56. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Закалка при газопламенном нагреве достаточно широко применяется для упрочнения металлургического оборудования (валок коксовой дробилки, ролики для правки листов и шпунта, валки привода стана 500, шестерни рудного перегружателя и др.).

Поверхностная закалка при нагреве лазером. Лазеры — оптические квантовые генераторы — позволяют получить очень высокую концентрацию энергии. Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую. Закалка при нагреве лазером проводится при удельной мощности 10 8 —5х 10 4 Вт/см 3 при времени воздействия на поверхность 10 _2 с. Используются технологические лазеры импульсного и непрерывного действия При импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном — в полосе шириной до 3 мм.

Поэтому для обработки поверхности необходимо передвигать (скандировать) луч с взаимным перекрытием или без перекрытия предварительно упрочненных зон. Лазеры непрерывного излучения обеспечивают высокую производительность, равномерность упрочнения и позволяют обрабатывать любой профиль поверхности со скоростью 100-10 000 мм/мин. Толщина упрочненного слоя составляет 0,3—1,0 мм. Закалка нагретых участков осуществляется путем интенсивного отвода тепла в глубь обрабатываемого изделия (самозакалка). Скорость охлаждения при нагреве без оплавления (5—10) х 10 3 °С/с, а в зоне расплавления до 10 6 °С/с, что значительно больше скорости охлаждения при обычной закалке.

После закалки структура упрочненного слоя на стали с 0,35—0,45% С состоит из зоны плавления, представляющей собой дендритные кристаллы мартенсита (HV800—850);з о ны термического влияния (нагрев вышеЛ3), состоящий из мартенсита с твердостью HV800.

При нагреве без расплавления эта зона отсутствует. Нижняя граница слоя определяется зоной неполной закалки (нагрев в интервале температур Л—Аг со структурой мартенсита и феррита); зоны отпуска с пониженной твердостью НV 500-650 и далее следует сердцевина с исходной структурой.

Лазерная обработка успешно применяется для поверхностного упрочнения чугунов. Благодаря оплавлению поверхности и образованию ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя твердость на поверхности достигает HV 750—900.

Закалка при нагреве лазером — перспективный метод поверхностного упрочнения сложных изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и усталостной прочностью, когда закалка их другими методами затруднена.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

  • 1. В чем различие отжига I рода от отжига II рода?
  • 2. Когда применяют гомогенизацию?
  • 3. Что такое полный отжиг и когда его применяют? В каких случаях применяют изотермический отжиг?
  • 4. Как осуществляют процесс сфероидизации? Для каких сталей применяют этот вид отжига?
  • 5. Что такое флокены? Какую обработку применяют для предотвращения образования флокенов?
  • 6. Установить температуру нагрева под закалку стали, содержащей 0,45% С и 1,2% С.
  • 7. Какие охлаждающие среды применяют для закалки углеродистой и легированной стали?
  • 8. Что такое закаливаемость и прокаливаемость стали? Факторы, влияющие на них?
  • 9. Какие виды отпуска Вы знаете? Когда их применяют?
  • 10. Какие виды обработок применяют для упрочнения сортового проката?
  • 11. Какие преимущества перед обычной закалкой имеет термомеханическая обработка и почему?
  • 12. Для каких деталей рекомендуется поверхностная закалка при индукционном и лазерном нагреве?
  • 13. Почему после поверхностной закалки повышается предел выносливости?
  • 14. Почему температура под закалку при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печи? В каком случае будет более мелкое зерно аустенита? Как проводится и какие преимущества закалки при глубинном индукционном нагреве?