Индукционная закалка стали

Сталь и всё о стали

Ещё один сайт на WordPress

Свежие записи

Индукционный метод закалки токами высокой частоты

Сущность этого метода заключается в том, что в поверхностных слоях изделия, помещенного вблизи индуктора, т. е. проводника, по которому проходит переменный ток, индуктируется ток той же частоты. Этот (вихревой) ток вызывает быстрый разогрев металла до закалочной температуры. После быстрого охлаждения поверхностные слои изделия оказываются закаленными.

Глубина закаленного слоя зависит прежде всего от глубины проникновения в металл индуктированного тока, который в силу так называемого поверхностного эффекта концентрируется у поверхности, быстро спадая внутрь изделия. Глубина проникновения тока может быть определена по формуле

Действительно, если вести нагрев при большой удельной мощности электрического тока, то поверхностный слой нагревается до закалочной температуры очень быстро, и закалке подвергнется только слой,близкий к глубине проникновения тока в разогретый металл. При медленном нагреве тепло, генерируемое в поверхностных слоях, путем теплопроводности успеет распространиться в глубь изделия, и нагретым до закалочной температуры может быть слой, значительно превышающий глубину проникновения тока.

Регулируя частоту тока, температуру и скорость нагрева, можно получить прогрев на любую толщину от долей миллиметра до десятков миллиметров. Глубина закаленного слоя определяется как расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% »мартенсита в структуре).

Типичное распределение температуры по сечению изделия при индукционном нагреве приведено на фиг. 169, где показано, что при нагреве на глубину меньшую или равную глубине проникновения тока распределение температуры является благоприятным. В пределах нужной глубины температура меняется очень незначительно и, следовательно, после быстрого охлаждения закаленный слой будет иметь однородную структуру по всей глубине.

Если глубина проникновения мала по сравнению с требуемой глубиной закалки (частота тока слишком велика), температура в пределах нагретого слоя меняется резко, и поверхностные слои могут оказаться перегретыми . Перепад температур в пределах нагретого слоя может быть уменьшен за счет снижения скорости нагрева. Однако такой режим обычно энергетически не выгоден и не обеспечивает высокого качества закалки. Применение больших скоростей нагрева для термической обработки стали потребовало пересмотра температурных режимов нагрева.

Превращение перлита в аустенит, которое в условиях медленного нагрева должно начинаться и заканчиваться при постоянной температуре Асг, при быстром нагреве протекает в некотором интервале температур. Процесс начинается по-прежнему при на фигуре указывает глубину закаливаемого слоя.

близкой к равновесной, однако, протекая вначале интенсивно, затем затухает и заканчивается при температуре, превышающей точку Асх на 20-60* в зависимости от скорости нагрева и дисперсности цементита в перлите. Образование аустенита из мелкодисперсного перлита заканчивается быстрее.

В связи с этим температура закалки эвтектоидной и заэвтектоидной стали обычно устанавливается 760-800° . Особенно сильное влияние оказывает скорость нагрева на температуру закалки доэвтектоидной стали, так как для получения однородного аустенита необходимо добиться полного растворения избыточного феррита.

Чем больше в стали избыточного феррита, тем выше температура закалки при данной скорости нагрева. При всех режимах нагрева существует оптимальный интервал температур, обеспечивающий максимальные свойства закаленного слоя.

С увеличением скорости нагрева оптимальныйинтер-вал закалки смещается в область более.вы-соких температур. Если при печном нагреве режим закалки данной стали определяется только температурой нагрева, то при быстром индукционном нагреве оно определяется диаграммой, построенной в координатах температура — скорость нагрева, что требует постановки большого количества опытов.

В специальной литературе известны диаграммы разного вида, которыми пользуются в практике термической обработки. Однако в настоящее время достоверные данные имеются только для ограниченного числа марок стали. Технология поверхностной закалки с индукционным нагревом строится следующим образом.

Если поверхность относительно невелика, применяется способ одновременной закалки, когда вся закаливаемая поверхность охватывается индуктором и нагревается одновременно. Охлаждение может производиться водой, поступающей в виде душа непосредственно из индуктора, или погружением нагретой детали в бак с маслом. Метод одновременного нагрева применяется также в случае местной закалки, когда обрабатываются только рабочие участки детали сложной формы, например шейки коленчатых валов.

При закалке больших поверхностей применяется непрерывно-последовательная закалка. При этом методе индуктор с равномерной скоростью перемещается относительно детали. Перемещается и зона нагрева. За индуктором следует водяной душ, охлаждающий нагретый металл.

В настоящее время технологический процесс поверхностной закалки полностью автоматизируется и может осуществляться непосредственно в потоке механической обработки детали.

В изделиях, поверхностно-закаленных при индукционном нагреве, возникают большие остаточные напряжения. При правильной технологии на поверхности закаленного слоя имеются сжимающие остаточные напряжения, которые благоприятно влияют на прочность изделия.

Под слоем имеется зона растягивающих напряжений. Для сохранения прочности изделия зона растягивающих остаточных напряжений должна быть дальше от поверхности, что достигается увеличением глубины закаленного слоя.

В случае местной закалки на границе закаленного слоя расположена зона растягивающих остаточных напряжений, иногда достигающих значительной величины. Растягивающие остаточные напряжения снижают прочность, поэтому граница закаленного слоя не должна располагаться в местах, испытывающих наибольшие усилия со стороны внешних нагрузок.

Для снижения остаточных напряжений применяют отпуск или самоотпуск. При самоотпуске поверхностно-закаленный слой нагревается за счет тепла, сохранившегося в изделии после закалки. Температура самоотпуска регулируется режимом.

Индукционная — поверхностная закалка по сравнению с другими видами поверхностной закалки имеет ряд несомненных преимуществ, заключающихся в огромной производительности метода (нагрев изделия осуществляется за очень короткие промежутки времени порядка нескольких десятков секунд), хорошей регулируемости, точности и стабильности процесса, отсутствии обезуглероживания, малой стоимости обработки и большой чистоте рабочего места.

Недостаток метода заключается в необходимости применения относительно сложного электрического оборудования. Но, как показывает опыт, все затраты на создание установок вполне окупаются при массовом производстве. Метод индукционной поверхностной закалки находит широкое применение в промышленности. Он может служить заменителем трудоемкого способа цементации стали углеродом

Технология индукционной электротермической обработки

Технология индукционной электротермической обработки

М.О. РАБИН, А.Г. ОРЛОВСКИЙ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 6. 1963 г.

На нашем заводе впервые использовали индукционный нагрев для термической обработки автомобильных деталей. В 1937—1938 гг. совместно с лабораторией проф. В. П. Вологдина была освоена поверхностная закалка шеек коленчатого вала двигателя ЗИС-5 в поточной линии механообрабатывающего цеха на высокочастотном станке-полуавтомате. Удельный вес термической обработки с использованием индукционного нагрева для поверхностного упрочнения деталей на ЗИЛе по отношению к другим способам поверхностного упрочнения составляет более 61 % (автомобили ЗИЛ-164А и ЗИЛ157К).

Поверхностная закалка при поверхностном нагреве изделия. Это наиболее распространенный вид термической обработки с использованием индукционного нагрева.

Глубина закаленного слоя определяется глубиной слоя, нагретого до температуры закалки. Местной поверхностной закалке подвергают детали из сталей 45, 40Х, 40ХНМА и др. В большинстве случаев местную поверхностную закалку используют для повышения износостойкости деталей, у которых запасы прочности достаточно велики (распределительные и коленчатые валы, оси, стержни переключения, разжимные кулаки и др.).

Местную закалку в отдельных случаях используют также для упрочнения наиболее нагруженных участков деталей с целью повышения их общей прочности (например, упрочнение трубы полуоси автомобиля ЗИЛ-164А). Раньше трубу изготовляли из нормализованной стали 40Х или улучшенной (для автобусов), и за счет прочности мате-риала трубы обеспечивалась конструктивная прочность наиболее нагруженного участка.

После анализа распределения рабочих напряжений на трубе были упрочнены поверхностной закалкой места приложения наибольшего знакопеременного изгибающего момента. В результате прочность трубы из углеродистой стали 45, закаленной на глубину 2-4 мм при HRC 50-62, превысила прочность трубы из нормализованной или улучшенной стали 40Х. Внедрение процесса упрочнения трубы полуоси из стали 45 в 1959 г. дало 230 000 руб. экономии (в новом масштабе цен).

Использование местной закалки для повышения прочности деталей — одно из главных направлений в развитии индукционной термической обработки на заводе.

Поверхностная закалка при глубинном нагреве. При поверхностном индукционном нагреве под закалку требуются значительные генераторные мощности (0,8-2 кВт на 1 см 2 нагреваемой поверхности). Кроме потребности в значительных мощностях нагрева, в ряде случаев встречаются большие трудности в осуществлении поверхностного нагрева под закалку по обводу деталей сложного профиля (например, зубьев шестерен).

Применение двухчастотного нагрева для шестерен, при котором можно получать поверхностный нагрев по профилю зуба, требует использования весьма больших мощностей токов звуковых и радиочастот. Это ограничивает область применения индукционной закалки приповерхностном нагреве изделия.

На нашем заводе для закалки шестерен разработана и используется сталь пониженной прокаливаемости (критический диаметр 6-15 мм); глубина закалки обусловливается ограничением прокаливаемости стали [2]. Нагрев под закалку осуществляется при малых удельных мощностях (0,2-0,05 кВт/см 2 ).

Применение сравнительно небольших мощностей, отсутствие необходимости в концентрации этой мощности строго по заданной сложной поверхности детали делают использование этой стали при указанном глубинном нагреве полезной для термической обработки шестерен и других деталей с тонким сечением упрочняемого элемента.

Сталь пониженной прокаливаемости 55ПП при закалке после глубинного индукционного нагрева используется для изготовления и термической обработки ведомой цилиндрической шестерни заднего моста автомашины ЗИЛ-164 взамен стали ЗОХГТ после цементации и закалки [3]. Этот метод применяется также на Горьковском автозаводе [4].

На рис. 1 показана макроструктура закаленной шестерни из стали 55ПП после глубинного индукционного нагрева. Нагрев на частоте 2500 Гц, мощность 140-150 кВт, время нагрева 76 сек, время охлаждения 6 сек, темп выдачи детали 120 сек.

Рис.1. Макроструктура ведомой шестерни заднего моста ЗИЛ-164 из стали 55ПП после индукционной закалки.

Внедрение указанного процесса в 1961 г. в поток механической обработки дало экономию 172 000 руб. Применение стали с ограниченной И регулируемой прокаливаемостью открывает новые области применения индукционного нагрева для термической обработки не только шестерен, но и других массовых деталей.

Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна. Поверхностная закалка ковкого ферритного чугуна обеспечивает весьма выгодное сочетание свойств в чугунной отливке — высокой износостойкости закаленной поверхности в условиях сухого трения при сохранении высоких прочностных характеристик.

На нашем заводе впервые была освоена закалка ТВЧ деталей из ковкого ферритного чугуна, и этот процесс был внедрен в поточную линию механической обработки для тормозных колодок и распорных втулок [5].

При обычном поверхностном нагреве под закалку стальных деталей в ковких ферритных чугунах диффузионное растворение углерода по всему объему слоя не успевает завершиться. Для увеличения скорости диффузионного насыщения применяют высокую температуру нагрева 1000-1050 °С. Режим нагрева под поверхностную закалку разделяется на три стадии:
1) нагрев при малой удельной мощности до 600-700 °С;
2) форсирование нагрева за счет увеличения удельных мощностей нагрева до 1000-1050 °С;
3) выдержка при этой температуре.

Общее время нагрева под закалку составляет 80-130 сек. Как показал опыт, в качестве охлаждающей среды при закалке может быть использована вода.

Закалка ковкого ферритного чугуна расширяет область применения индукционного нагрева для термической обработки.

Вследствие возможности поверхностной закалки ковкого ферритного чугуна стальной кованый кронштейн задней дополнительной рессоры заменен чугунным литым кронштейном.

На рис. 2 показаны исходная и закаленная структуры ковкого ферритного чугуна.

Рис.2. Макроструктура ковкого ферритного чугуна:
а — исходная; ×100; б — закаленного слоя; ×250.

Отпуск при индукционной закалке. Необходимость проведения отпуска после закалки с индукционным нагревом означает разрыв технологического цикла в поточной линии обработки вследствие высокой длительности процесса обычного отпуска (1-1,5 ч). Сокращение длительности отпуска до длительности, соизмеримой по времени с операциями механической обработки и поверхностной закалки (1-2 мин), является одним из условий, обеспечивающих внедрение процесса индукционной термической обработки в поток механической обработки. Сокращается длительность процесса, главным образом вследствие повышения температуры отпуска.

Самоотпуск. При поверхностной закалке с индукционного нагрева лишь 50-80 % тепла, полученного деталью при нагреве, используется непосредственно на нагрев закаленного слоя. Остальное тепло аккумулируется в сердцевине детали и при ограничении времени принудительного охлаждения закаливаемой поверхности может быть использовано для самоотпуска. Исследования показали, что при самоотпуске, длительность которого не превышает 10-60 сек, а температура поверхности на 60-80 °С выше назначаемой температуры обычного печного отпуска, действие обычного отпуска и самоотпуска одинаковы. Большим преимуществом самоотпуска является возможность проведения его немедленно после закалки, что позволяет эффективно предотвращать закалочные трещины. В настоящее время при обработке более 80 % деталей, проходящих индукционную закалку, используется самоотпуск. Самоотпуск заменяет низкотемпературный печной отпуск.

Однако самоотпуск можно применять и для замены высокотемпературного отпуска (улучшение поршневого пальца для подготовки структуры под поверхностную закалку).

Поршневой палец изготовляют из нормализованной стали 45. Для обеспечения прочности пальца и главным образом для получения мелкодисперсной структуры, обеспечивающей возможность сокращения времени перевода нагреваемого под закалку слоя в аустенит в течение примерно 0,7 сек, поршневой палец предварительно улучшается. Улучшение пальца сводится к объемному индукционному нагреву его и затем к кратковременному охлаждению водяным душем поверхности с таким расчетом, чтобы при ограничении времени охлаждения структура сердцевины была сорбитной или троостосорбитной, с твердостью HRC 28-35, соответствующей структуре обычного улучшения. Подробное описание этого процесса дано в работе [6].

Электроотпуск. По условиям индукционного нагрева и охлаждения после закалки не всегда можно обеспечить самоотпуск, особенно на тонких сечениях деталей и деталях сложной формы. В таких случаях обычный отпуск целесообразно заменить электроотпуском при индукционном нагреве токами повышенной или промышленной частоты. При этом сокращение длительности отпуска достигается за счет повышения температуры отпуска, что может быть легко достигнуто равномерным прогревом изделия по сечению закаленного слоя.

Высокотемпературный электроотпуск на твердость HRC 23-35 после поверхностной закалки проводится на резьбовом конце полуосевой трубы из стали 45. Улучшение резьбы необходимо для повышения прочности на смятие и срез.

Электроотпуск осуществляется в том же индукторе, что и для нагрева под закалку. Во многих случаях для электроотпуска целесообразно использовать ток промышленной частоты.

В настоящее время на ЗИЛе изготовлен и испытывается индуктор для электроотпуска осей коромысел клапанов ЗИЛ-130, питаемый от сети 50 Гц через трансформатор. Такой нагреватель монтируется вместе с индукционным закалочным устройством и составляет единый агрегат для индукционной термической обработки.

Выбор частоты. Частота тока обусловливает выбор параметров индукционного нагрева и оборудования.

Рациональный выбор частоты тока связан с экономической эффективностью процесса. Для правильного выбора частоты в данном случае может быть использована таблица, составленная на основании производственною опыта.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве. Ее назначение, применяемые стали. Достоинства и недостатки метода.

При поверхностной закалке ТВЧ для нагрева поверхности детали ее помещают в индуктор, через который пропускают токи высокой частоты. За счет создаваемого переменного магнитного поля в поверхностном слое металла возникают вихревые токи, что и вызывает прогрев на определенную глубину. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, обычно она составляет от 1 до 4 мм.

Этот способ обеспечивает более высокие скорости нагрева и охлаждения, чем объемная печная закалка. Превращение перлита в аустенит происходит при более высоких температурах (880…980°C). Охлаждение детали производится путем распыления воды из форсунок. После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск при температуре 160…200°C или самоотпуск.

Закалке ТВЧ подвергают среднеуглеродистые стали (0,4…0,5%С). После закалки и низкого отпуска на поверхности образуется структура мартенсита отпуска с твердостью до 60 HRC, что на 3…5 единиц больше, чем при печном нагреве. Сердцевина остается незакаленной, для обеспечения ее вязкости проводят предварительную термообработку: улучшение (структура — сорбит зернистый) или нормализацию (структура сорбит пластинчатый+феррит).

Закалка ТВЧ применяется для таких деталей как коленчатые и распределительные валы, шаровые пальцы, шестерни, зубчатые колеса и др.

Образцы стали 45 имеют твердость 15HRC и 58HRС. Какую термическую обработку прошли образцы? Какая получена структура.

Сталь 45 с твердостью 58 :ТО нормализация. Структура Спл+Ф

Сталь 45 с твердостью 15 ТО закалка+высокий отпуск Сотп

Билет №27

1. Основные легирующие элементы, используемые в конструкционных сталях. Влияние легирующих элементов: на механические свойства сталей, прокаливаемость, диаграмму изотермического превращения аустенита, отпуск стали.

На механические свойства:

— ЛЭ, растворенные в Ф и А, повышают прочность. Обычно при упрочнении пластичность снижается. Ni увеличивая прочность, одновременно повышает пластичность, вязкость и снижает порог хладноломкости.

— Дисперсные карбиды и интерметаллиды, выделяясь из ТВ растворов, препятствуют движению дислокаций, вызывая дисперсное упрочнение.

— Фазы внедрения и бор, выделяясь по границам зёрен, препятствуют диффузии и сдерживают рост зёрен до 1100 град.

— ЛЭ, растворенные в А, замедляют диффузионные процессы, повышая его устойчивость, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость стали. Mo и W предупреждают обратимую отпускную хрупкость легированных сталей.

— ЛЭ придают сталям особые физические свойства: коррозионную стойкость, жаропрочность, износостойкость.

— ЛЭ, растворенные в А, смещая С-кривую вправо, повышают его устойчивость, критическая скорость снижается, прокаливамость увеличивается. Для повышения прокаливаемости добавляют хром, марганец, никель, молибден, вольфрам, малые добавки бора.

ЛЭ, находящиеся в виде карбидов, нитридов ( V, Ti, Nb ), уменьшают устойчивость А, снижая прокаливаемость.

ЛЭ влияют на точки полиморфного превращения железа ( А3,А4 ), изменяя области существования Ф и А. Различают 2 группы ЛЭ: альфа- и гамма-стабилизаторы.

К альфа-стабилизаторам относятся элементы с ОЦК-решёткой: Cr, Mo, W, V, Nb. Они повышают температуру А3 и понижают А4 расширяя область альфа-тв раствора. При концентрации альфа-стабилизатора больше Х сплавы Fe-ЛЭ не испытывают полиморфного превращения и имеют структуру легировнного Ф.

К гамма-стабтлизаторам относятся элементы с ГЦК-решёткой: Mn, Ni, Cu. Они пожаниют температуру А3 и повышают А4, расширяя область гамма-тв раствора. Сплавы, с концентрацией гамма-стаилизатора больше Y имеют структуру легированного А.

1. Виды и назначение отпуска. Получаемые структуры и свойства.

Заключается в нагреве закаленной стали до тем-ры ниже Ас1,выдерже при заданной тем-ре и послед охлаждении с определенной скоростью.Основан на превращениях М и Аост при нагреве.

низкий отпуск- Т 150-180С, сниж-ся закалочные напряжения,Мзак=>Мотп, улучшается вязкость без заметного снижения прочности и твердости.

Средний отпуск – Т 350-500С, структура стали после среднего отпуска- Т отп, обеспечивает высокий предел упругости,выносливости,релаксационной стойкости.

Высокий отпуск – Т 500-680С, структура – С отп, обладает повышенной ударной вязкостью.

Понижение ударной вязости при отпуске наз-ют отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость 1-го рода, Т 250-400С,наблюдается у всех конструкционных сталей.Хрупкость связывают с распадом М,когда карбиды образ-ся преимущественно по границам зерен и охрупчивают сталь.Хрупкость необратима:повторный отпуск не улучшает вязкости,хрупкость устраняется нагревом свыше 400С,снижающим твердость. Отпускная хрупкость 2-го рода – Т 500-550С наблюдается в некоторых легированных сталях.Причина хрупкости – обогащение границ зерен фосфором и др элементами внедрения,что способствует образованию межзеренных трещин. Хрупкость явл-ся обратимой,может быть устранена повтроным отпускомс послед быстрым охл-ем.

1. Медь и ее сплавы. Их состав, маркировка, свойства и области применения.

Кристаллическая решетка ГЦК

Высокая тепло- и электропроводность

Латуни – сплавы меди с цинком. Маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди. Например: ЛАН59-3-2 содержит 59%Cu, 3% Al, 2% Ni, остальное – Zn.

Латуни по структуре делят на 2 группы:

— однофазные со структурой альфа-тв раствора, содержат

Закалка стали ТВЧ

ТВЧ закалка — это упрочнение поверхности детали с помощью токов высокой частоты (ТВЧ).

Процедура необходима для повышения срока службы стальных конструкций за счет улучшения таких качеств как прочность и надежность. Такая термическая обработка применяется как к деталям, так и к их отдельным их частям. В процессе закалки ТВЧ происходит усиление узлов оборудования, либо закаливание инструментов. Рассмотрим особенности ТВЧ закалки подробнее.

Технология ТВЧ

Ранее мы пояснили, что ТВЧ — это токи высокой частоты. В процессе закалки детали электроток с переменной амплитудой проникает в ее поверхность с нагревом. От того, насколько высокой будет частота тока, зависит глубина его проникновения в поверхность детали (опыты показывают, что глубина уменьшается). Это дает возможность получать детали с минимальным слоем закалки.

Как происходит закалка ТВЧ?

Все начинается со специальной установки (высокочастотный генератор с индуктором), с помощью которой можно регулировать частоту тока в нужном диапазоне. Индуктор установки медный, по форме представляет собой катушку. Внутри него есть медная трубка и отверстия, через которые проходит вода для охлаждения уже без подачи тока. Принцип работы установки прост: электроток проходит через индуктор, в результате чего создается электромагнитное поле. Оно попадает в заготовку и влечет развитие вихревых токов. Далее эти токи проходят в поверхность детали и происходит нагрев.

Существуют различные модели индукторов. При выборе устройства нужно обращать внимание на заготовку, которую предстоит обработать. Но самое важное в процессе закалки ТВЧ — сохранять расстояние между индуктором и самим изделием. Это влияет на качество термообработки и на итоговый результат, конечно же.

Кроме того, на результат термообработки ТВЧ влияют:

1. Габариты и форма детали;
2. Материал;
3. Используемый индуктор.

Эффективней и экономичнее всего проводить закаливание меньших деталей, обладающих простой формой.

Способы закалки ТВЧ

1. Непрерывно-последовательный
   • При таком способе сама деталь статична, в то время как индуктор движется вдоль ее оси.
2. Одновременный
   • Противоположный первому способу — теперь индуктор статичен, а деталь движется.
3. Последовательный
   • Несколько частей одного изделия обрабатываются по очереди.

Параметры индукционного нагрева

1. Удельная мощность;
2. Время нагрева;
3. Частота электрического тока.

С помощью этих трех параметров меняется твердость, глубина и нагрев. Чем выше мощность, тем меньше времени уходит на нагрев изделия. Последнее можно охарактеризовать также общим количеством затраченного тепла и температурой. Мы уже уточнили, что частота тока определяет глубину его попадания в поверхность слоя. Увеличение частоты тока снижает массу нагретого материала.

Как только процесс закаливания ТВЧ завершен, деталь отправляется в лабораторию для дальнейшей проверки, в ходе которой исследуют твердость, структуру, глубину и плоскость слоя.

Так, при проведении закаливания поверхности, используют больший нагрев, чем обычно. Высокая скорость повышения температуры влечет увеличение числа критических точек. Высокочастотное закаливание проходит с высоким нагреванием.

Выбор температуры обработки зависит от стали, она бывает доэвтектоидная (углерод до 0,8%), либо заэвтектоидная (углерод более 0,8%). В первом случае материал нагревается чуть больше необходимого значения, после чего быстро охлаждается за счет диапазона преобразования перлита и феррит в аустенит от 800 до 850 градусов. Заэвтектоидная сталь нагревается в диапазоне от 750 до 800 градусов, из-за этого закалка неполная.

Плюсы и минусы закалки ТВЧ

1. Контроль режимов;
2. Замена легированной стали на углеродистую;
3. Равномерный прогрев детали;
4. Возможность термообработки отдельных частей детали;
5. Повышение прочности детали;
6. Отсутствует окисление и микротрещины;
7. Нет коробленных точек;
8. Процесс не требует много времени;
9. Использование ТВЧ установок в технологические линии.

Минусов у технологии закаливания токами высокой частотности гораздо меньше. В качестве основного недостатка выделяют стоимость установки. Поэтому применение технологии ТВЧ может быть оправдано на крупносерийном производстве. В домашних условиях такая закалка стали невозможна.

Услуги термообработки в любом городе России представлены в нашем каталоге.

Портал ПромМаркет тщательно проверяет компании, предоставляющие услуги по металлообработке. Мы со знанием дела отбираем надежных исполнителей, а Вы с помощью удобной формы на сайте сможете выбрать компанию по наиболее предпочтительным критериям.

Если же Вы сами занимаетесь металлообработкой, зарегистрируйтесь прямо сейчас.

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).

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.