Поверхностная закалка стали

Поверхностная закалка ТВЧ

Закалка сталей токами высокой частоты (ТВЧ) — это один из распространенных методов поверхностной термической обработки, который позволяет повысить твердость поверхности заготовок. Применяется для деталей из углеродистых и конструкционных сталей или чугуна. Индукционная закалка ТВЧ являет собой один из самых экономичных и технологичных способов упрочнения. Она дает возможность закалить всю поверхность детали или отдельные ее элементы или зоны, которые испытывают основную нагрузку.

При этом под закаленной твердой наружной поверхностью заготовки остаются незакаленные вязкие слои металла. Такая структура уменьшает хрупкость, повышает стойкость и надежность всего изделия, а также снижает энергозатраты на нагрев всей детали.

Технология высокочастотной закалки

Поверхностная закалка ТВЧ — это процесс термообработки для повышения прочностных характеристик и твердости заготовки.

Основные этапы поверхностной закалки ТВЧ — индукционный нагрев до высокой температуры, выдержка при ней, затем быстрое охлаждение. Нагревание при закалке ТВЧ производят с помощью специальной индукционной установки. Охлаждение осуществляют в ванне с охлаждающей жидкостью (водой, маслом или эмульсией) либо разбрызгиванием ее на деталь из специальных душирующих установок.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

• После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
• Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
• При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
• Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
• Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
• Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
• Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Поверхностная закалка. Характеристики, способы, область применения

Во многих случаях изделия должны обладать главным образом высокой твёрдостью поверхностного слоя. При этом сердцевина изделия остается вязкой. Достигается это быстрым нагревом поверхностного слоя выше точки фазовых превращений и быстрое последующее охлаждение.

Слой 1 нагревают выше точки А_с3 и он закаляется полностью. Слой 2 закаляется частично. Слой 3 остается незакаленным. l – расстояние от пов-ти вглубь образца.

Состояние высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью сердцевины обеспечивает высокую износостойкость изделия и одновременно с этим стойкость к динамическим нагрузкам, что очень важно для деталей подвижных соединений машин.

Способы поверхностной закалки:

1-й – С индукционным нагревом (закалка током высокой частоты — ТВЧ) используется при массовой обработке стальных изделий. Глубина закалки определяется условием работы детали и составляет 1,5…3 мм при усталостном изнашивании и до 15 мм при высоких контактных нагрузках.

2-й – Газопламенная – применяется для единичных крупных изделий или небольших партий. Напр., прокатные валы, коленвалы.

3-й – В электролите – при пропускании тока через электролит на катоде (закаливаемая деталь) образуется газовая рубашка водорода, при этом ток сильно возрастает и деталь нагревается. После отключения тока деталь можно сразу же закалить в электролите.

4-й – Лазерная закалка – высокоскоростной разогрев поверхностного слоя под действием лазерного луча.Преимущество: можно закаливать в различных режимах как тонкие, так и толстые слои, как на небольших участках детали, так и на большой пов-ти.

Часто используется для закалки режущих кромок инстр-та. Длительность нагрева не превышает 10 -6 С. Это позволяет широко варьировать глубину прогрева и степень фазовых превращений в стали.

46. Отпуск стали— термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение с целью получения заданного комплекса мех. свойств, а также полного или частичного устранения закалочных напряжений.

— низкий – прим. для углеродистых и низколегированных сталей (реж. и мерит. инстр-т). Включают нагрев изделия до 150…200ºС → выдержка (время выдержки зависит от размеров) → охлаждение. Твердость почти не меняется (58…63 HRC), а прочность и вязкость повышается. Часто прим. после поверх. закалки или ХТО;

— средний – исп. для углеродистых и легиров. сталей при изгот. пружин, рессор, инстр-та по обр. давлен. Нагрев до 350…500ºС → выдержка 1…8 ч. (в зависим от массы) → охлаждение на спокойном воздухе;

— высокий – прим. для среднеуглер. сталей, проводится после закалки и дает наилучшее сочетание прочности и вязкости. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Нагрев до 500-680ºС → выдержка 1…8 ч. → охлаждение на воздухе. Легир. стали охлаждаются в воде или масле.

Старение — это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной стр-ры и заданного уровня свойств.

Схема процесса: нагрев 120-150ºС, выдержка от 10 до 35 часов при этой температуре. Выдержка позволяет не снижая твердости закал. стали стабилизировать состояние углерода в его стр-ре за счет выделения его в виде дисперсных карбидов.

47. Термомеханическая обработка (ТМО) стали — совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500 . 700°С) аустенита (НТМО). Такой вид обработки позволяет получить сталь высокой прочности (до 270 МПа). Формирование структуры стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций. Окончательными операциями ТМО являются немедленная закалка во избежание развития рекристаллизации и низкотемпературный (Т=100. 300оС) отпуск.

Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском позволяют получить очень высокую прочность (s= 2200. 3000 МПа) при хорошей пластичности (d = 6. 8%, y= 50. 60%) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распространения трещин, а также сниженные критическую температуру хрупкости, чувствительность к концентраторам напряжений и необратимую отпускную хрупкость. ВТМО осуществляется в цехах прокатного производства на металлургических заводах, например, при упрочнении прутков для штанг, рессорных полос, труб и пружин.

48. Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.) при высоких температурах. Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но и химический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину, выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износостойкость. Из существующих способов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерской можно выполнять только цементацию. Цементация — это науглероживание поверхности стали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей, содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности, не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

В-ва, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долговечность.

Цементация

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает твердость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим в-вом (карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. При температуре процесса (900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО₂ т.к. процесс идет при недостаточном кол-ве кислорода. При контакте окиси углерода с металлической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО₂+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд. 2СО₂->СО₂+С

поверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов. Это связанно с тем, что значительная часть времени тратится на прогрев ящика до заданной температуры т.к. карбюризатор является не теплопроводным веществом.

Эффективнее способ газовой цементации.

В этом случае и/з камеру замещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды (метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще всего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН₄. При цементации тщательно регламентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже А_С1 т.к. феррит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше А_С3, а именно при темп. 900–930 ºС. После цементации стр-ра по сечению детали неоднородна. По ковкости стр-ра соответствует стр-ре заэвтектоидной стали. Далее стр-ра эвтектоидной стали (перлит), а затем стр-ра доэтектоидной стали (Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны. Окончательные св-ва формируются после термич. обр. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементной сетки.

Термообработка заключ. в закалке с температурой 820–840ºС и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в стр-ре остаточного аустенита, для устранения которого после закалки иногда проводят обработку холодом.

Для цементирования применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.

Поверхностная закалка

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка стали показана для деталей изготовленных из низкоуглеродной нелегированной стали. Использование подобного материала позволяет снизить затраты на производство, без критического падения качества за счет поверхностной закалки деталей.

Толщина поверхностного закаленного слоя может составлять от одного до четырёх-пяти миллиметров, в зависимости от применяемой технологии и требований к дальнейшей эксплуатации деталей. Цена процедуры также напрямую зависит от технологии закалки и объема работ по закалке.

От интенсивности нагрева во время закалки детали, зависят её основные характеристики — эластичность и прочность. Чем сильнее нагрета деталь, тем больше шансов, что при неконтролируемом остывании на ней появятся трещины, повреждения, произойдет деформация. Это вызвано тем, что при закалке значительно увеличивается внутреннее напряжение детали. Чтобы избежать брака, на производстве после закалки используют отпуск стали.

Отпуском называется контроль температуры нагрева детали и времени остывания после закалки. В зависимости от температуры закалки, он бывает:

высоким (от 680 градусов по Цельсию);

средним (от 350 до 500 градусов);

низким (до 250 градусов).

Высокий отпуск после закалки гарантирует высокую вязкость и пластичность изделия, низкий — повышенную износостойкость, но уязвимость к динамическим нагрузкам, средний — упругость и выносливость изделия к нагрузкам.

Тот или иной метод отпуска при закалке выбирают в зависимости от предназначения детали и сплава изготовления. Выбранный метод практически не сказывается на конечной цене детали.

Основные способы поверхностной закалки сталей

Наиболее популярными современными методами являются:

закалка токами высокой частоты;

Реже можно встретить лазерную закалку или закалку в электролите.

Закалка ТВЧ

В процессе закалки ТВЧ деталь помещают в индуктор и воздействуют на неё высокочастотным электрическим током. В силу разогрева поверхности детали до весьма высоких температур, поверхностный слой закаляется и меняет свои свойства.

Схематично индуктор можно изобразить в виде медной спиралевидной трубки снабженной системой водяного охлаждения, генератором переменного тока вч, конденсаторной батареей и средствами автоматического контроля процесса поверхностной закалки.

В основе такого процесса закалки лежит свойство переменного магнитного поля, вызывающего вихревые токи в поверхностных слоях изделия, из-за оно за короткий срок нагревается до температуры необходимой для поверхностной закалки.

Глубина закаленного слоя может достигать четырёх миллиметров, в то время как сердцевина сохраняет изначальную вязкость. Это настраиваемый параметр закалки, который можно менять манипулируя частотой тока: чем она выше, тем меньше будет толщина закалённого слоя.

После закалки деталь подвергается низкому отпуску, который снимает внутреннее напряжение металла детали без ущерба общей твердости поверхности. Иногда применяют метод самоотпуска, охлаждая изделие проточной водой.

Данный способ закалки имеет большой спектр преимуществ:

малую продолжительность процедуры закалки, что значительно повышает производительность метода;

возможность тонкой настройки толщины закалки;

равномерный нагрев изделия, гарантирующий одинаковый закалённый слой по всей площади;

автоматизация контроля процесса закалки;

значительное повышение износостойкости детали по сравнению с состоянием до закалки;

минимальная деформация деталей проходящих закалку;

гарантированное отсутствие закалочных трещин;

возможность закаливать избранные участки изделия, если это необходимо;

использование для изготовления деталей углеродистых сталей вместо легированных, что ведет к экономии на издержках производства;

возможность наладить закалку большого количества деталей поточным методом.

Газопламенная закалка

Технология газопламенной закалки имеет четыре основных метода:

закалка нагревом и последующим охлаждением выделенного фрагмента детали;

закалка небольших вращающихся деталей;

закалка последовательным нагревом поверхностного слоя и его охлаждением, когда вслед за пламенем подаётся охладитель;

комбинированный метод закалки, включающий в себя нагрев, охлаждение и вращение детали одновременно.

Топливом для этого типа закалки могут служить:

ацетилен и кислород;

Технически аппараты газопламенной закалки проще, чем индукторы ТВЧ и цена их меньше. Но недостатки существенны:

глубина закалённого слоя здесь практически не регулируется;

данная технология закалки не может гарантировать высочайшего качества закалки деталей;

способ закалки требует повышенных требований к обеспечению безопасности труда;

перегрев детали, в большинстве случаев, оборачивается браком.

Компания Терморесурс предлагает услуги по закалке и отпуску стальных изделий по цене от 26 руб/кг. Полный список услуг представлен в прайс-листе.

Наша линия закалки представлена двумя печами и установкой ТВЧ.

1. Электропечь закалочная камерная с выдвижным подом предназначена для закалки, нормализации, аустенизации:

• — максимальная температура печи: 1250 ˚C;
• — масса садки с оснасткой: не более 3000 кг;
• — масса садки с оснасткой на закалку не более 2000 кг;
• — размеры рабочего пространства (Д-Ш-В, мм): 1200 х 1470 х 800.

2. Электропечь отпускная камерная с выдвижным подом предназначена для отпуска, отжига, снятия сварных напряжений:

• — рабочая температура печи: 700 ˚C;
• — масса садки с оснасткой: не более 3000 кг;
• — размеры рабочего пространства (Д-Ш-В, мм): 1200 х 1470 х 800

3. Участок ТВЧ:

• — мощность установок от 60 до 160 кВт;
• — частота тока: от 7 до 70 кГц.

Сделать заказ, уточнить цены или задать вопрос можно заказав бесплатный обратный звонок на сайте.

Поверхностная закалка стали

Исследуя металлические орудия, найденные при раскопках древних поселений человека, ученые сделали интересные выводы. Оказалось, что уже около шести тысяч лет назад, еще на заре железного века, людям были известны многие свойства металлов, например, что чистое железо с самой незначительной примесью углерода (мельчайших частей графита) дает сплав, обладающий замечательным свойством: нагретый до определенной температуры и затем быстро охлажденный, он становится необычайно твердым. Этот сплав называется сталью, а самый процесс придания ему высокой твердости — закалкой.

В песках возле пирамиды Хеопса археологи нашли много стальных изделий, сделанных древними египтянами несколько тысяч лет назад. Также давно известно изготовление стали в Китае и в Индии. На стенах древних индийских зданий сохранились изображения плоских тиглей для выплавки стали.

Техника закалки стали с древних времен до наших дней прошла несколько этапов.
Около 1700 лет назад город Дамаск славился мастерами, владевшими искусством варки стали («булата»).

Из дамасским буланом соперничала сталь, изготовлявшаяся в X в. в городе Толедо в Испании. Однако толедские мастера все же не достигли такого совершенства, как их арабские предшественники. Тайна крепости булата была открыта лишь немногим более ста лет назад русским горным инженером П. П. Аносовым. Он впервые в мировой практике применил микроскоп для исследования строения стали и благодаря этому сумел решить многие задачи.

Глубокие исследования свойств стали провел выдающийся русский ученый Д. К. Чернов, которого справедливо называют «отцом науки о металлах». Его исследования внесли ясность в понимание процессов, происходящих в стали при нагреве и особенно при закалке. Он дал исчерпывающее объяснение причин и условий, при которых сталь приобретает высокую твердость.

Для чего же нужно, чтобы сталь обладала такой твердостью? Как известно, основная причина износа большинства стальных изделий — это истирание. Если шейка коленчатого вала или зубцы шестерни стирается всего на несколько долей миллиметра, т. е. лишь на тысячную долю процента своего веса, то и это незаметное для глаза изменение может стать причиной поломки целого сложного агрегата.

На изготовление запасных частей для замены стирающихся деталей машин, станков, моторов ежегодно расходуются сотни тысяч тонн стали. Понятно, почему ученые всего мира напряженно ищут способы увеличить срок службы, удлинить «Жизнь» стальных изделий. А повысить их стойкость против истирания можно, увеличив твердость стали, улучшив качество закалки, т. е. термической (тепловой) обработки.

Стальные детали изготовляют обычно из сравнительно мягкой и вязкой, так называемой «сырой» стали. Но после закалки вместе с твердостью они приобретают еще одно новое свойство, делаются хрупкими. Насквозь закаленный молот может разлететься на куски при первом Же ударе, закаленные стальные штампы часто трескаются и выкрашиваются при работе.

Таким образом получается неразрешимая на первый взгляд задача, заколдованный круг. Детали из не закаленной, мягкой стали сотрутся в первые Же минуты работы, а насквозь прокаленные детали слишком хрупки и поэтому быстро выходят из строя.

Выход из положения можно найти в том. чтобы закаливать поверхности только тех частей стальных изделий, которые стираются во время работы. Если такую рабочую поверхность нагреть на глубину от двух до пяти миллиметров, а потом закалить, то сердцевина изделия останется «сырой». Она будет служить своеобразное подушкой, смягчающей удары. Но здесь опять встретилась трудность. В обычной нагревательной печи невозможно поднять температуру только поверхности изделия, оно прогревается целиком.

Совместно с членом-корреспондентом Академии Наук СССР В. П. Вологдиныы и доктором технических наук Г. И. Бабатом мы нашли метод получения нужного нам нагрева для поверхностной закалки металла: мы применили электрические токи высокой частоты.
Около 90 лет назад французский ученый Леоа Фуко сделал важное открытие.

Помещая металлические предметы возле провода, по которому протекал переменный ток, он заметил, что участки металла, лежащие близко к проводу, нагреваются, хотя сам провод при этом остается холодным. Дальнейшие исследования показали, что металл нагревается тем теплом, которое создается в нем электрическими токами, возникающими в ближайших к проводу участках. Эти токи были названы «токами Фуко», но чаще их называли «паразитными токами».

Нагревая металлические детали оборудования они тем самым вызывали напрасные, «паразитные» потери при передаче электрической энергии. Немало усилий пришлось затратить в борьбе с паразитными токами. Например, для уменьшения потерь, получающихся из-за токов Фуко, сердечники трансформаторов и электрических моторов приходится делать из тонких листов специальной стали; в сильноточной аппаратуре необходимо удалять металлические части от шин и проводов несущих ток.

Но в начале нашего столетия паразитные токи неожиданно нашли успешное применение. Оказалось, что тепло, которое они создают, можно использовать для плавки металлов. Так впервые появились индукционные печи для плавки, и с тех пор токи Фуко поставили на службу технике, и в ряде случаев они перестали быть «паразитными».

Чем выше частота тока, тем меньше глубина, на которую прогревается металл. Если применить для нагрева стали ток из обычной осветительной сети с частотой, имеющей всего 50 периодоз в секунду, то тепло пройдет на глубину в 90 миллиметров. Если Же пропустить ток с частотой в 100 000 периодов, то почти все тепло соберется в слое толщиной всего около 2 миллиметров.
Нагреваемый участок изделия помещается внутри спирали или кольца (называемого индуктором), по которому пропускается ток.

Индуктор представляет собой медную трубку диаметром 8—10 миллиметров, изогнутую так, чтобы она как можно теснее окружала нагреваемую деталь, нигде, однако, не касаясь ее. Этот воздушный промежуток между трубкой и нагреваемой поверхностью изделия составляет обычно 2—3—5 миллиметров. Во время работы индуктор необходимо охлаждать. Для этого по медной трубке (индуктору) во время работы пропускается вода. На рис. 1 показан высокочастотный нагрев на воздухе поверхности фрезы 1, укрепленной на оправке 2 и помещенной в электромагнитное поле индуктора 3, охлаждаемого при работе проточной водой. Бак 4, для закалки нагретого слоя на фрезе, расположен под индуктором.

После окончания процесса нагрева фреза быстро перемещается в охлаждающую жидкость в бакс (воду, масло, эмульсию) для закалки.

Чтобы токи высокой частоты нагрели поверхность стального изделия, достаточно нескольких секунд. Поэтому производительность высокочастотных закалочных установок достигает сотен изделий в час. В основном она зависит только от степени механизации подачи деталей в зону нагрева. Если при старых способах нагрева в пс чах на закалку зубьев шестерни уходило не меньше часа, то теперь на что требуется всего около 4 секунд, т. е. почти в 90П раз меньше.

Новая техника нагрева создала возможность полной автоматизации всего процесса закалки, а только при автоматизации можно добиться высокого и однородного качества изделий. Этот ответственный процесс перестает зависеть от квалификации и внимания калильщика.
Применение высокочастотного метода нагрева и закалки дает огромную экономию времени и материалов.

Например, Московский Станкостроительный завод, где директором товарищ Ошеров, после перехода на этот метод сократил ежемесячный расход нефти на 1000 т, в 3 раза ускорил весь процесс производства и почти в 100 раз снизил брак по тепловой обработке. Число таких примеров в практике наших заводов все растет.

Высокое качество инструментов, изготовляемых из стали и закаливаемых по новому способу, сразу благоприятно отразилось на производительности труда, в особенности на предприятиях машиностроительной промышленности. Случаи поломки инструмента становятся все более редкими.

Новый метод поверхностной закалки быстро завоевал популярность. Но в то Же время в мою лабораторию на заводе «Светлана» в Ленинграде посыпались письма с других заводов. Писем было много, но в них содержался все тот Же вопрос: как нагреть и закалить внутренние поверхности колец и втулок? Как можно обработать узкие щели в штампах?

Оказалось, что поверхностной закалке токами высокой частоты можно было подвергать далеко не все изделия. Технически невозможно было нагреть высокочастотным методом внутреннюю поверхность очень небольшого отверстия кольца, втулки или обработать узкие щели и выемки сложной формы в различных деталях.

Все это заставляло меня задуматься над теми недоработанными вопросами, которые на первых этапах развития новой техники поверхностной закалки стали оставались в тени. Было ясно, что при существовавшей технологии некоторые участки деталей многих типов нагревать не удается. Нельзя изготовить такую медную трубку-индуктор, которая поместилась бы в узкую зону нагрева и притом еще нигде не касаясь металла.

Проблема закалки сложных изделий оказалась очень актуальной. Ведь на некоторых завесах около половины всех деталей, подвергающихся поверхностной закалке, имеют небольшие отверстия или узкие щелевые участки.

Сначала мы попытались нагревать эти изделия индукторами, которые бы не охлаждались. Из тонкой медной проволоки нам легко удавалось изготовлять миниатюрные индукторы, которые целиком помещались в зону нагрева. Но все эти опыты кончались неудачами: при включении тока индуктор, нагревшись, почти мгновенно расплавлялся.

Как-то в дни этих попыток мне в руки попал Журнал, в котором описывался ремонт морских судов. Сварка стальных днищ производилась под водой кислородно-ацетиленовыми горелками. Мне и пришла мысль нагреть стальные детали под водой токами высокой частоты. Ведь вода плохо проводит ток, значит, потери электроэнергии в воде будут минимальными, а проволочный индуктор в воде будет хорошо охлаждаться.

Через несколько часов после начала опыта впервые в нашей практике мы не только нагрели, но даже расплавили в воде стальную втулку. Это было в 1941 г. За время войны в Институте металлургии Академии Наук СССР мы детально разработали технологию поверхностной закалки под водой различных стальных изделий.

Для подводного нагрева индукторы изготовляют теперь либо из медной проволоки, либо из узких полосок листовой меди. При этом индукторам можно придать столь малые размеры, что некоторые свободно умещаются в спичечной коробке.

Обрабатываемая деталь помещается в бак с водой. Там же, на расстоянии 1—2 миллиметров от тех частей детали, которые требуется закалить, устанавливается индуктор. Включается ток. Вокруг индуктора возникает магнитное поле. Вода — не преграда для магнитных силовых линий, и поэтому они свободно проходят через нее к ближайшим частям детали, которые подвергаются закалке.

Эти части начинают быстро нагреваться. По мере нагрева в зоне действия индуктора на поверхности изделия появляется слой пара, образующий своеобразную паровую рубашку. Пар плохо проводит тепло, поэтому он предохраняет накаляемую поверхность металла от больших потерь тепла. Когда нагрев заканчивается, ток выключается и нагретый слой стали закаливается той же водой, в которой он находится.

Обрабатываемое кольцо устанавливается в оправке. Последняя соединяется с шпинделем сверлильного станка и может перемещаться вверх и вниз (для съема закаленного изделия и установки следующего, подлежащего обработке). Кроме того, оправка приводится во вращение со скоростью около 150—200 оборотов в минуту.

Вращение нужно для обеспечения равномерной толщины нагретого слоя даже при неточной установке изделия относительно проволок индуктора.
Бак снабжен в верхней части вырезом и сливной системой, обеспечивающей постоянство уровня воды. После окончания цикла нагрева по трубе при помощи электромагнитного крана внутрь бака подается струя воды, смывающая паровую рубашку на внутренней поверхности изделия и закаливающая нагретый слой стали.

Новый способ подводного нагрева значительно расширяет область применения высокочастотной стали.

Что такое поверхностная закалка стали? Для чего применяется поверхностная закалка?

Искусство термической обработки металлов известно человечеству давно. Им мастера, занимавшиеся изготовлением инструментов, а в особенности оружия, овладевали самостоятельно, либо обучались долгие годы у других специалистов, более опытных. Секреты хранились в тайне, что, конечно, снижало скорость распространений технологий, но повышало конкурентоспособность конкретного производителя продукции специфического назначения. Одним из приемов средневековых оружейников была поверхностная закалка, придающая режущим кромкам и остриям мечей и сабель особую твердость в сочетании с гибкостью клинка. Сегодня такими свойствами уже никого не удивить, технологии стали массовыми и получили всеобщее распространение.

Для чего все это знать обычному человеку?

Эта статья специалистам по термической металлообработке покажется, скорее всего, набором банальностей и всем известных фактов. К тому же они, возможно, найдут и некоторые неточности в терминологии. Представляемая информация предназначена не для них, она адресуется людям, далеким от металлургии, дилетантам, интересующимся, чем отличается по прочности от хорошего лезвия обычный столовый или складной нож, поверхностная закалка от объемной и тому подобными вопросами. Покупая тот или иной нужный в хозяйстве предмет, потребитель сталкивается с существенной ценовой разницей. Продавец не всегда может квалифицированно и понятно объяснить, почему один инструмент (гаечный ключ, например) стоит намного дороже другого при общей внешней схожести. Он, скорее всего, попытается «запудрить мозги» малопонятными для обычного обывателя понятиями и терминами. В переводе на обычный язык эти пояснения будут означать, что разводной ключ не сломается или прослужит дольше, а заточка будет требоваться намного реже (если клиент желает приобрести нож). «Поверхностная закалка!» — загадочно укажет причину продавец, закатив от воображаемого восторга глаза. Что же это такое?

Противоположные свойства в одном изделии

Как ясно из словосочетания, термической обработке в этом случае подвергается только внешний тонкий слой изделия. О том, что сталь требует закалки, смутно догадываются все, даже те, кто вообще не знает, что это такое. Именно этим она отличается от обычной «железяки», мягкой и ломкой. Но почему таким почетом пользуется именно поверхностная? Закалка применяется для изменения свойств металла, а не ради какого-то улучшения, как это декларируется очень часто. Качество, полезное в одних случаях, становится вредным в других. Напильник тверд, потому им легко обрабатывать железо, алюминий или бронзу, но если его попробовать изогнуть или ударить по нему молотком, то он треснет. Это же касается ножовочного полотна, часто ломающегося при неправильном угле распила. Для того чтобы придать твердость в сочетании с гибкостью или пластичностью, применяется поверхностная закалка. После нее свойства изделия могут сочетать в себе качества, иногда противоположные, характерные для разных кристаллических структур. Теперь нужно углубиться в некоторые материаловедческие подробности.

Простейшие представления о полиморфности металлов

Один и тот же металл может, в зависимости от формы кристаллической решетки, обладать различными физическими свойствами (твердостью, вязкостью, тягучестью, гибкостью, упругостью и т. д.) Эта способность менять механические параметры носит название полиморфности. Очень давно, изготовляя примитивные образцы оружия, люди заметили, что тот или иной меч или тесак получился удачнее, он дольше сохраняет остроту и при этом не ломается. Разумеется, наши пращуры не были знакомы с молекулярными структурами металла, до всего они доходили интуитивно и эмпирически. Так, опытным путем они открыли, что если нагреть острие, то от оттенков свечения зависит его температура. При быстром охлаждении в металле что-то меняется, он становится либо тверже, либо приобретает гибкость. Если его повторно нагреть, он снова становится таким, как был, а иногда и хуже. К тому времени сформировались вполне конкретные представления о том, каким должен быть, например, идеальный охотничий нож. Поверхностная закалка тоже применялась уже тогда, но чаще использовалась так называемая местная, то есть такая, при которой твердым было острие, гибким — середина лезвия, а часть клинка, примыкающая к рукояти – пластичной (пусть лучше немного согнется, но не ломается).

Что происходит внутри

Не вдаваясь в особые подробности, следует отметить, что структура закаленной стали бывает трех основных видов: мартенситной, трооститной и сорбитной. От соотношения этих кристаллических образований и зависят механические характеристики. В данном случае неважно, какое из них и каким образом влияет на твердость. Результат зависит от того, насколько прогрет металл и как быстро он охлажден. Таким образом, поверхностная закалка может возникать при повышении температуры верхнего слоя и последующим охлаждением либо в результате отдачи тепла внешней среде (жидкости, чаще всего маслу, воде и рассолу, воздуху или другим агентам), либо за счет частичного ухода его внутрь изделия. При этом полиморфные превращения происходят послойно, в зависимости от степени достижения критической температуры, влияющей на формирование новой кристаллической структуры.

В итоге происходит изменение по следующим зонам:

— Верхняя, подвергшаяся упрочнению.

— Промежуточная, закаленная частично. Ее еще называют зоной термического влияния.

— Область пониженной твердости.

— Внутренняя часть, не подвергшаяся изменениям.

Методы поверхностной закалки

Создать верхний слой, обладающий повышенной твердостью, можно несколькими способами. Железнодорожные вагонные рессорные пружины просто обстреливаются мелкими металлическими шариками (дробью), создающими уплотнение поверхности, при этом внутренний объем металла остается достаточно пластичным, чтобы выдерживать длительные механические нагрузки. Наиболее древним считается способ быстрого нагрева предмета на открытом огне, сопровождающегося обрызгиванием или струйным обтеканием. Именно по такой технологии изготовляется традиционный восточный кривой нож (керамбит). Поверхностная закалка может производиться и посредством интенсивного охлаждения. Известны также газово-плазменный, индукционный, лазерный и другие способы. На некоторых из них стоит остановиться подробнее.

В середине 30-х годов советский ученый В. П. Вологдин изобрел метод придания заданно-неравномерной молекулярной структуры крупным деталям с помощью токов высокой частоты. Машиностроение развивалось стремительно, промышленности требовались технологии, обеспечивающие массовое производство без ущерба для качества. Поверхностная закалка ТВЧ основана на явлении индукции. Особенность метода заключается в зависимости толщины прогреваемого слоя от частоты и величины тока в излучающей рамке. При этом результат с высокой степенью вероятности прогнозируем, следовательно, контроль качества существенно упрощается. К тому же метод применим для обработки габаритных изделий и узлов, наподобие коленвалов и других крупных предметов, которые можно перемещать по индуктору, последовательно подвергая воздействию всю длину. По этой технологии трудно подобрать параметры, чтобы обработать небольшие и плоские предметы, например, нож. Поверхностная закалка токами высокой частоты применима к изделиям относительно объемным, прочность и износостойкость которых зависит от механических свойств верхнего слоя.

Особенности применения метода ТВЧ

Метод разрабатывался в условиях быстрого развития машиностроительной отрасли, главной для оборонного потенциала СССР, что нашло проявление в специфике его применения. Самые важные детали тракторов, танков, автомобилей или самолетов имеют размеры, не позволяющие помещать их в рамку компактного индуктора, изготовлять оборудование для каждой из них было слишком дорого, а если его делать в расчете на наибольшие габариты, то затраты энергии становились огромными. Однако индукционная поверхностная закалка применяется для любых изделий, от относительно небольших до огромных. Например, шестерни подвергаются воздействию ТВЧ последовательно, проворачиваясь «зуб за зубом». Непрерывно-последовательно прогреваются элементы коленчатых и карданных валов, перемещаясь внутри неподвижной рамки индуктора, при этом охладитель (спрейер) включен в технологический процесс сразу же после него. В оконечном узле установки производится немедленное орошение обрабатываемой детали брызгами воды (отсюда и название, созвучное со «спрей»).

Ну а изделия с небольшой поверхностью закалки помещаются в индуктор целиком и охлаждаются так же.

Это устройство, в наше время используемое достаточно широко в самых разных областях человеческой деятельности, нашло применение и в металлообработке. Метод не требует последующего охлаждения, поскольку воздействие луча кратковременно и влияет оно на самый верхний слой металла, вызывая желательные изменения кристаллической структуры. «Лазерная заточка» действительно обеспечивает длительно отсутствие потребности острить режущий инструмент (в основном для них и применяется), если при изготовлении его действительно применен этот метод. Однако следует учитывать, что в наш контрафактный век надпись на изделии не всегда соответствует истине. Иногда таким клеймом украшен и продающийся на уличном ларьке какой-нибудь дешевый нож-«бабочка». Поверхностная закалка лучом лазера – технология недешевая, она доступна лишь ведущим производителям инструмента.

Физической основой метода стало открытие явления повышения твердости стали в результате перехода аустенитной структуры в мартенситную при глубоком замораживании. Производится такая поверхностная закалка по методу, разработанному А. П. Гуляевым, Н. А. Минкевичем и С. С. Штенбергом в СССР. Применим он для углеродистой (содержащей свыше 0.5 процента С) и легированной стали специального назначения, например, произведенной для изготовления скоростных резцов и других особых инструментальных изделий.

Электронагрев

В общем и целом он построен на таком же принципе, как и индукционная закалка, с той лишь разницей, что нагрев производится резистивно, за счет проходящего тока больших значений и сопротивления детали. Частота подводимого напряжения точно так же влияет на глубину прогреваемого слоя, и чем она выше, тем он тоньше. Поверхность повышенной твердости может составлять от долей миллиметра до нескольких его единиц. Это зависит от требований, предъявляемых к изделию и его размеров. По сравнению с ТВЧ у электрорезистивного метода более широкий диапазон токов, температур и глубин слоев. С помощью его может изготовляться, например, столь массовый и требующий особого качества предмет, как солдатский штык-нож. Поверхностная закалка электронагревом требует технологически выверенного режима охлаждения в масле, воде или других теплопринимающих агентах.

Итак, основной задачей поверхностной закалки является такое распределение кристаллической структуры внутри изделия, при котором внутри него остаются разновидности сорбита или троостита, а снаружи образуется слой мартенсита. Добиться этого можно нескольким методами, от простейших и древнейших до самых технологичных и современных. В любом случае качественная закалка стали требует высокой квалификации и точности соблюдения производственных регламентов. Изделие, изготовленное по всем правилам, дешевым быть не может. По этой причине стоит дорого и хороший кухонный нож, и керамбит. Поверхностная закалка лучом лазера наиболее распространена как раз для режущих инструментов.