7. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

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 остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

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 (рис. 141, а). Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное

Рис. 141. Индукционный нагрев: а — схема индукционного нагрева; б — закалка; I — при одновременном нагреве всей обрабатываемой поверхности; II — при непрерывно последовательном нагреве; 1 — деталь; 2 - индуктор; 3 — спрейер; 4 — силовые линии магнитного поля

Рис. 142. Распределение температуры при индукционном нагреве и твердости после закалки по сечению изделия: А — аустенит; Ф — феррит; М — мартенсит; П — перлит

магнитное поле. В результате явления индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулевой теплоты. Плотность индуктированного переменного тока по сечению проводника (нагреваемого изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около теплоты выделяется в слое толщиной х, которая находится в следующей зависимости от частоты тока магнитной проницаемости и электрического сопротивления нагреваемого металла:

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Для закалки при поверхностном нагреве применяют сравнительно большую удельную мощность и поэтому время нагрева незначительно (2—50 с).

Для получения слоя толщиной 1 мм оптимальная частота тока составляет 50 000—60 000 Гц, для слоя толщиной 2 мм Гц и для слоя толщиной 4 мм — всего Гц.

Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше критической точки глубинные слои детали нагреваются ниже температур критических точек и при охлаждении не упрочняются (рис. 142). При необходимости повышения прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь подвергают нормализации.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки — 4—5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10—15 мм и выше.

Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20 % всего сечения. Для зубчатых колес толщина слоя составляет от их модуля.

Источником электропитания служат чаще всего машинные и реже ламповые генераторы. Когда глубина закалки 1—3 мм и более, применяют машинный генератор, имеющий диапазон рабочих частот 500—8000 Гц и мощность 12—500 кВт. Для нагрева деталей машин, требующих малую глубину закалки (десятые доли миллиметра), используют ламповые генераторы с частотой до 450 000 Гц и мощностью 10—200 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ проводят на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур (см. рис. 105), поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенитизации и получения при охлаждении нормальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости.

Так, например, при печном нагреве стали с 0,4 % С температура закалйи при индукционном нагреве со скоростью а со скоростью

Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через душевое устройство (спрейер).

Существуют следующие способы закалки с индукционным нагревом:

1) одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности, этот метод применяют для изделий (см. рис. 141, б, I), имеющих небольшую упрочняемую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

2) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т. д.;

3) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; метод применяют для закалки длинных валов, осей и т. д.; при этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера), или наоборот (рис. 141, б, II). По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие , которые

после закалки имеют высокие твердость сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

В последние годы в СССР получает распространение поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве (объемноповерхностная закалка). 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 прокаливаемостью стали, поэтому для поверхностной закалки применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит а в сердцевине, поскольку здесь скорость охлаждения меньше критической, — сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее

Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной или регламентированной прокаливаемости. Это достигается ограничением содержания примесей , получением мелкого и устойчивого зерна аустенита за счет наличия в стали нерастворимых частиц и др. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости содержащие и менее примесей и регламентированной прокаливаемости содержащие

Сталь используют для деталей, у которых глубина закаленного слоя должна быть . В стали регламентированной прокаливаемости получение закаленного слоя глубиной 7—8 мм обеспечивает марганец, а мелкое зерно — титан.

Эти стали можно использовать и при обычной поверхностной закалке. Необходимость нагрева на большую глубину требует невысокой концентрации энергии в зоне нагрева, и поэтому удельная мощность составляет что значительно меньше, чем в случае поверхностной закалки при поверхностном нагреве. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений составляет время нагрева , частота тока 2500—10 000 Гц.

При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость HRC, большую на 3—5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью охлаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита мельче (балл 11—12), чем при обычной закалке с печным нагревом (балл 7—10). Предварительное улучшение или нормализация, при которых можно получить мелкодисперсную исходную структуру, и использование высоких скоростей нагрева при аустенитизации позволяют получить особо

Рис. 143. Схема влияния остаточных напряжений на напряжения от внешней нагрузки: 1 - напряжения от внешней нагрузки; 2 — остаточные напряжения (заштрихованные); 3 - результирующие напряжения

мелкое зерно аустенита (балл 14—15) и мартенсита. Сталь с таким зерном обладает высокой прочностью и пластичностью

При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости (при испытании образца с надрезом) для стали с 0,4 % С после нормализации составляет а после поверхностной закалки — Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия

Большинство деталей машин (оси, валы и др.) работает на изгиб и кручение, когда максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях, где сосредоточены концентраторы напряжений (рис. 143).

При знакопеременной нагрузке трещины усталости, как правило, возникают на поверхности под влиянием растягивающих напряжений. При образовании на поверхности остаточных напряжений сжатия они уменьшают растягивающие напряжения, возникающие от внешней нагрузки, и поэтому повышается предел выносливости (см. рис. 143).

Индукционный нагрев сокращает длительность термической обработки и создает условия для автоматизации процесса и обеспечивает возможность выполнения термической обработки непосредственно в поточной линии механической обработки без разрыва технологического цикла.

Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства. В то же время он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки. Закалка с индукционного нагрева находит широкое применение в промышленности. Например, многие детали автомобилей и тракторов подвергают индукционной закалке (см. с. 335).

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 теплоты 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 2—4 мм, а его твердость для стали с 0,45-0,5 % С 50-56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троостомартенсит. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. 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.

Поверхностная закалка при нагреве лазером. Лазеры — это генераторы света (квантовые генераторы оптического диапазона). В основу их работы положено усиление электромагнитных колебаний с помощью индукционного излучения атомов (молекул). Лазерное излучение монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии. Для промышленных целей применяют наиболее часто -лазеры непрерывно-волнового типа мощностью кВт. Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую.

Под воздействием лазерного излучения за короткий промежуток времени поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур. Распространение теплоты в глубь металла осуществляется путем теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения происходит закалка нагретых участков, благодаря интенсивному отводу теплоты в глубь металла (самозакалка). Скорость охлаждения составляет

Нагрев лазером для термической обработки осуществляется при удельной мощности Для снижения отражательной способности поверхности металла и, следовательно, повышения эффективности лазерного нагрева на поверхность наносят пленки сульфидов фосфатов а также сажи, коллоидный раствор углерода в ацетоне и другие неметаллы и краски.

Нагрев может осуществляться лазерами импульсного и непрерывного излучения. При импульсном излучении зона лазерного воздействия имеет форму круга диаметром (рис. 144, а), а при непрерывном — полосу шириной до 3 мм (рис. 144, в, г). Для обработки поверхности необходимо сканировать луч с взаимным перекрытием (рис. 144, а) или без перекрытия зон упрочнения. При обработке с перекрытием пятен имеются зоны многократного нагрева и зоны отпуска (нагрев ниже с пониженной

Рис. 144. Схема нагрева лазером для поверхностной закалки: а — схема расположения зон термического воздействия (D — диаметр зоны лазерного воздействия, 5 — шаг обработки, х - толщина упрочненного слоя); б - схема строения зоны упрочнения: 1 — зона плавления; 2 — зона термического влияния; 3 — зона неполной закалки; 4 — исходная структура; в — схема упрочнения плоской поверхности непрерывными лазерами с периодическим смещением детали с шагом обработка цилиндрической детали с постоянной осевой подачей

твердостью. Толщина упрочненного слоя не превышает мм. Метод малопроизводительный.

Лазеры непрерывного излучения (рис. 144, в, г) более производительны и обеспечивают равномерность упрочнения. Скорость обработки поверхности составляет При перекрытии полос также образуются зоны отпуска, поэтому в некоторых случаях полосы наносятся на некотором расстоянии друг от друга.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения нагрев осуществляется как с расплавлением металла, так и без него. Критическая удельная мощность, выше которой происходит оплавление поверхности, составляет Чем выше мощность излучения, меньше диаметр пятна и скорость перемещения, тем больше толщина упрочненного слоя. Наибольшая толщина слоя без оплавления стали не превышает мм, а чугуна — мм. При обработке с оплавлением толщина упрочненного слоя больше.

Структура по толщине зоны лазерного воздействия на среднеуглеродистых сталях включает (рис. 144, б):

1) зону плавления, состоящую чаще из дендритных кристаллов мартенсита, —

2) зону термического влияния (нагрев до температуры выше состоящую из белого нетравящегося слоя азотисто-углеродистого мартенсита 1 с твердостью нижняя граница слоя

определяется зоной неполной закалки (нагрев в интервале температур ) со структурой мартенсит и феррит;

3) зону отпуска с пониженной твердостью

4) зону исходной структуры и твердости.

Твердость после обработки лазером высокоуглеродистых сталей достигает

Поверхностная закалка при нагреве лазером без оплавления повышает в 2—4 раза (в зависимости от стали) износостойкость, на предел выносливости при изгибе и на — предел контактной выносливости.

Лазерную обработку успешно применяют для поверхностного упрочнения отливок из перлитного серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Благодаря оплавлению поверхности и образованию ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя твердость на поверхности достигает Частичное оплавление ухудшает чистоту поверхности. При отсутствии оплавления твердость после нагрева лазером повышается в результате закалки тонкого поверхностного слоя.

Лазерная закалка — перспективный метод упрочнения сложных изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и сопротивлением усталости, когда их закалка другими методами затруднена.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)

(см. скан)