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
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 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