Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой.

Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до закалочных температур. Разновидности поверхностной закалки различаются способами нагрева.

В промышленности используют два основных способа поверхностного нагрева: токами высокой частоты (ТВЧ) и пламенем горелки.

Высокочастотная закалка имеет неоспоримые преимущества перед всеми другими методами поверхностной закалки. Она распространена наиболее широко.

Как известно, с увеличением частоты переменного тока возрастает неравномерность распределения его по сечению проводника.

При высоких частотах можно считать, что ток практически идет лишь в тонком поверхностном слое. На использовании поверхностного эффекта (скин-эффекта) основан индукционный высокочастотный нагрев для поверхностной закалки, предложенный в 1936 г. В. П. Волотдиным. Изделие помещают в индуктор с током высокой частоты. Практически считают, что индуцируемый в изделии ток сосредоточен в поверхностном слое толщиной

Формула

где: ρ — удельное электросопротивление, ом * см; μ— магнитная проницаемость; f — частота тока, Гц. Таким образом, глубина проникновения тока, а значит, и толщина закаленного слоя уменьшаются с увеличением частоты тока.

Эта зависимость иллюстрируется следующими данными:

Частота тока, Гц 0,5 — 102 2 * 103 104 105 106
Глубина проникновения тока в сталь 45 при 800 °С, мм 91,4 14,5 6,5 2,1 0,65

Одновитковый или многовитковый медный индуктор подбирают для каждой детали в соответствии с формой нагреваемой поверхности. Полый индуктор изнутри охлаждается водой. Расстояние между поверхностью изделия и индуктора должно быть строго определенным, так как от него зависит глубина закалки.

Это обусловлено эффектом близости, который заключается в том, что плотность индуцируемого тока зависит от расстояния между проводниками. При противоположном направлении тока в проводниках его плотность будет максимальной в наиболее близких между собой точках поверхности проводников. Если изделие круглое, то для получения равномерной глубины закалки целесообразно вращать его в период нагрева в индукторе.

Важным преимуществом высокочастотной закалки является чрезвычайно большая скорость нагрева всего закаливаемого слоя. Скорость нагрева внешним источником тепла, например пламенем газовой горелки, лимитируется теплопроводностью металла; чтобы провести нагрев с высокой скоростью, которая необходима при поверхностной закалке, приходится сильно перегревать поверхность изделия.

При высокочастотном нагреве теплота генерируется в самом металле и весь закаливаемый слой быстро нагревается до необходимой температуры. При одинаковой толщине закаленного слоя высокочастотный нагрев по сравнению с другими методами характеризуется меньшим перегревом поверхности и гораздо более равномерным распределением температуры в закаливаемом слое.

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает следующую важную особенность фазовых превращений.

На рисунке Схема диаграммы изотермического образования аустенита видно, что с повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит.

Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с температур 840 — 860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 град/с — с температур 880 — 920 °С, а при скорости нагрева 400 град/с — с 930 — 980 °С.

Желательно подвергать высокочастотной закалке сталь с измельченной исходной структурой, для чего можно использовать нормализацию, а в отдельных случаях и улучшение, т. е. обычную сквозную закалку с высоким отпуском на сорбит.

Основные параметры индукционного нагрева — температура закалки и скорость нагрева в районе фазовых превращений. Для данной плавки стали и исходной структуры в зависимости от скорости нагрева подбирают оптимальную температуру закалки.

С увеличением степени перегрева скорость зарождения центров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А1 и А3 и отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно.

Оптимальная температура закалки обеспечивает характерную для высокочастотного нагрева структуру безыгольчатого («бесструктурного») мартенсита в высокоуглеродистых сталях и мелкоигольчатого мартенсита в доэвтектоидных сталях. С увеличением температуры закалки выше оптимальной структура огрубляется и появляется крупноигольчатый мартенсит.

При недогреве до оптимальной температуры твердость понижена из-за неполноты аустенитизации, а при перегреве выше оптимальной температуры — из-за увеличенного количества остаточного аустенита и большей величины его зерна.


Зависимость твердости на поверхности стали У10

Зависимость твердости на поверхности стали У10

Зависимость твердости на поверхности стали У10 от температуры нагрева под закалку
при разных скоростях нагрева (И. Н. Кидин), град/с:
1 — 700; 2 — 400; 3 — 200.


Высокочастотная закалка повышает поверхностную твердость и износостойкость изделий. Здесь она с успехом заменяет менее производительную цементацию.

Важно также использование индукционной поверхностной закалки для повышения сопротивления усталости. Многочисленные детали машин, например валы и оси, работают на изгиб и кручение, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях. При знакопеременной нагрузке разрушение, как правило, начинается с поверхности изделия. Высокочастотная закалка, упрочняющая поверхностный слой и создающая в нем остаточные напряжения сжатия, значительно повышает предел выносливости, который может возрасти в 1,5 — 2 раза.

При поверхностной закалке глубина закаленного слоя обычно не превышает глубины прокаливаемости. Поэтому высокочастотную закалку широко используют для углеродистых сталей с небольшой прокаливаемостью, таких, как стали 40 и 45.

Легированные стали в ряде случаев с успехом заменяют углеродистыми или низколегированными, упрочняемыми поверхностной закалкой с индукционным нагревом.

Суммируя, можно отметить следующие преимущества закалки с высокочастотным нагревом: высокую производительность, повышение износостойкости и сопротивления усталости, отсутствие обезуглероживания, незначительное окисление, точную регулировку глубины закалки, возможность механизации и автоматизации процесса, а также организации поточных линий.

К недостаткам относятся высокая стоимость индукционной установки и нерентабельность закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки. При серийном производстве однотипных деталей эти недостатки отсутствуют и высокочастотная закалка рентабельна.

В настоящее время закалку с нагревом ТВЧ применяют к таким изделиям, как коленчатые и распределительные валы, шестерни, тормозные кулаки, пальцы кривошипа, валки холодной прокатки, рельсы (закаливают концы рельсов), фрезы, метчики, плашки, зубила, напильники и др.

Исследования, проведенные И. Н. Кидиным, К. 3. Шепеляковским и другими авторами, открывают все новые возможности использования электротермической обработки со скоростным нагревом.

Поверхностная закалка с нагревом пламенем горелки проводится следующим способом.

Горючий газ (например, ацетилен) и кислород смешиваются в специальной горелке и вытекают из закалочного наконечника. При сгорании в смеси с кислородом газообразного горючего образуется пламя с высокой температурой (2400 — 3000 °С). Пламя горелки направляют на участок поверхности закаливаемого изделия, где оно быстро разогревает слой толщиной 2 — 4 мм до температур выше точки Аc3. Затем на разогретый участок через отверстия в охлаждающей части закалочного наконечника под давлением выбрызгивают воду.

Основным преимуществом рассматриваемого способа закалки по сравнению с высокочастотной является простота оборудования для газопламенного нагрева.

Закалку с нагревом пламенем горелки целесообразно применять при индивидуальном производстве и ремонте, когда закалка ТВЧ нерентабельна, при закалке крупных изделий (прокатных валков), при работе в полевых условиях (закалка без демонтажа).

Недостатки газопламенной закалки — возможность сильного перегрева и менее точное регулирование толщины закаленного слоя.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…

Прокаливаемость сталей

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической. Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на…