ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ

Наиболее важной частью деталей машин и инструментов являются поверхностные слои, от качества которых зачастую зависит срок их службы. Существует 3 главных способа упрочнения поверхности стали:

1. Поверхностная закалка

2. Химико-термическая обработка

3. Поверхностный наклеп

Поверхностная закалка

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Поверхностной закалке подвергают обычно углеродистые стали с содержанием углерода 0,4% и выше (при меньшем содержании углерода поверхностный слой не получит необходимой твердости). Для легированных сталей поверхностную закалку применять, как правило, не следует, т.к. глубокая прокаливаемость, которая достигается легированием, здесь не нужна.

Сущность любого способа поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек, затем следует охлаждение со скоростью ≥ V кр. В результате, мартенситная структура получается только в поверхностном слое. Закаленный слой обязательно подвергается низкому отпуску.

Существует 2 главных вида поверхностной закалки в зависимости от способа нагрева:

1) Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ)

2) Газопламенный нагрев.

В последнее время стала применяться лазерная закалка.

Закалка ТВЧ

Для поверхностной закалки изделие устанавливают в индуктор (соленоид), по которому течет переменный ток. Индуктор представляет собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины (рис. 9.1). Внутри индуктора помещают нагреваемую деталь. Вокруг индуктора создается переменное магнитное поле. Которое индуктирует в детали вихревые токи, при этом распределение переменного тока по сечению проводника неравномерно. Практически, весь ток идет по поверхностному слою, глубина которого зависит от частоты:

где - частота тока, Гц;

- глубина проникновения тока,

- удельное электросопротивление, Ом. См;

- магнитная проницаемость, Гс/э.

Чем больше частота, тем меньше глубина закалки (нагрева). При индукционном нагреве проявляется также эффект близости: чем ближе деталь к индуктору, тем выше температура нагрева. После разогрева деталь охлаждается с помощью душирующего устройства (спрейера).

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. При глубине закалки до 1 мм используют ламповые генераторы с частотой до 450000 Гц и мощностью 10-200 кВт.

При индукционном нагреве скорость нагрева составляет 30-300⁰/с по сравнению с 1,5-3⁰/с при печном нагреве.

Такой скоростной нагрев приводит к особенностям фазовых превращений.

1.Критические точки, т.е. температуры закалки, смещаются вверх на 50÷150⁰ в зависимости от скорости нагрева.

2.При быстром нагреве возникает большое количество центров перекристаллизации, получается мелкое аустенитное зерно, которое не вырастает, т.к. продолжительность нагрева и выдержка очень малы. После закалки получается структура мелкоигольчатого или безигольчатого мартенсита.

3.Твердость мартенсита, полученного при закалке ТВЧ, на 3-6 HRC выше, чем после печной закалки.

При поверхностной закалке сильно повышается сопротивление усталостному разрушению, т.к. в закаленном слое образуются остаточные напряжения сжатия в связи с тем, что мартенситная структура в закаленном слое имеет самый большой удельный объем среди всех структур.

Преимущества высокочастотного нагрева: 1) Высокая роизводительность; 2) Отсутствие обезуглероживания и заметного окисления поверхности;

3) Минимальное коробление; 4) Возможность автоматизации; установки ТВЧ можно встраивать в автоматические поточные линии.

Отпуск часто делают также на установке ТВЧ, когда охлаждение в процессе закалки прерывают с таким расчетом, чтобы оставшееся в детали тепло нагрело закаленный слой до температуры отпуска (150-170⁰С), т.е. проводят самоотпуск.

Недостаток метода индукционного нагрева состоит в том, что для единичных деталей его применить нельзя, т.к. стоимость индуктора и подбор режимов в этом случае слишком удорожает процесс. Второй недостаток – значительная стоимость всей установки. Но в условиях массового и серийного производства эти недостатки отсутствуют.

Рис. 9.1 Одновитковый цилиндрический индуктор

1 – для нагрева наружной поверхности цилиндрических деталей;

2 – для нагрева внутренней поверхности деталей.