Поверхностная закалка стали

Назначение поверхностной закалки — повышение твердости, износо­стойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ). При нагреве ТВЧ используется явление индукции и поверхностного распределения индуцированного тока в детали. Деталь устанавливается в индуктор (соленоид), представляющий один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки. При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты созда­ется магнитное поле, вызывающее появление в обрабатываемом изделии индуцированного тока той же частоты, но обратного направления. Индуци­рованный ток вызывает разогрев изделия. Особенностью индуктивного тока является его неодинаковая плотность по сечению изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия. Толщина (м) закаленного слоя может быть подсчитана по формуле

, = 4,46.10'^,

где р — электросопротивление, Омм; ц — магнитная проницаемость, Гн/м; /— частота, Гц.

Чем меньше / (частота тока), тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применять ток малой частоты (промышленный), то индуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызывать сквозной нагрев. Индук­ционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагрева. Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от/ р, (д. составляет 50—500 °С/с, а при обычном печном нагреве она не превышает 1—3 °С/с. Нагрев до температуры закалки осуще­ствляется за 2—10 с. Глубина слоя 2—5 мм. Большие скорости нагрева при­водят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область бо­лее высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5—3 °С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше температура аустенизации и получения при охлаждении нормаль­ной структуры (мелкокристаллического мартенсита) и максимальной твер­дости. Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840—860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с —880—920 °С, а со скоростью 500 °С — 980—1020 °С.

Охлаждающую жидкость (вода, водные растворы полимеров) для закал­ки обычно подают через спрейер (душевое устройство). Различают следую­щие способы закалки с индукционным нагревом: 1) одновременный нагрев и

охлаждение всей поверхности; этот метод применяется для изделий, имею­щих небольшую упрочняемую поверхность (инструменты, валики, пальцы); 2) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; этот метод приме­няют для закалки длинных валов, осей и т. д.; 3) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке ше­ек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), кулачков распределительных валов и т. д.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160—200 °С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца и в детали сохраняется некоторое количе­ство теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержа­щие 0,4—0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50—60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура на поверхности — мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для улучшения механических характеристик перед закалкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10—12 баллов), чем при обычной закалке с печным нагре­вом (7—8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости на­грева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердостью на 3—6 ед. HRC выше, чем при печном нагреве.

При поверхностной закалке значительно повышается предел выносли­вости стали. Так, для стали 40 после нормализации он составляет 150 МПа, а после закалки с индукционным нагревом — 420 МПа. Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных на­пряжений сжатия. Это особенно важно для различных осей и валов, рабо­тающих на изгиб и кручение, у которых максимальные напряжения растяже­ния возникают в поверхностных слоях.