Критический диаметр прокаливаемости улучшаемых сталей

Поверхностная закалка. Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть твердая поверхность и вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразу проводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов поверхностей закалки:

1. Закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) (индукционная закалка). Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой
частоты. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к источнику тока высокой частоты. Источником электропитания служат чаще всего машинные и реже ламповые генераторы. Когда глубина закалки 1…3 мм и более, то применяют машинный генератор, имеющий диапазон рабочих частот 500…8000 Гц и мощность 12…500 кВт. Для нагрева деталей машин, требующих малую глубину закалки (десятые доли миллиметра), используют ламповые генераторы с частотой до 450000 Гц и мощностью 10…200 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ проводят на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева (50…350 °С/с) превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5…3,0 °С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенизации и получения при охлаждении нормальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости.

Так, например, при печном нагреве стали с 0,4 % С температура закалки 840…860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с – 880…920 °С, а со скоростью 500 °С/с – 980…1020 °С.

Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через душевое устройство - спрейер.

Существуют следующие способы закалки с индукционным нагревом:

· одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности. Этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

· последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков: данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом», кулачков, распределительных валов и т.д.);

· непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение: метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д.; при этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера), или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.

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 высокую твёрдость (HRC 45…55), сопротивление износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Преимущества метода ТВЧ: высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки, а также полной автоматизации всего процесса. Закалочные агрегаты можно устанавливать непосредственно в поточной линии механического цеха. Поэтому закалку ТВЧ применяют для деталей массового производства (пальцы, валики, шестерни и др.). Чтобы избежать возможного хрупкого разрушения зубьев шестерен, их изготавливают из специальных углеродистых сталей пониженной прокаливаемости 55 ПП (0,55 % С), содержащих марганца < 0,2% и кремния 0,1…0,3 %. Зубья шестерен прогревают насквозь, но закаливается только поверхностный слой толщиной 1…2 мм.

Нагрев ТВЧ позволяет проводить закалку отдельных участков деталей - шейки коленчатых валов, кулачков распределительных валов, головки рельсов и др.

2. Газопламенная закалка. Разогрев поверхности детали проводится за счет нагрева пламенем газовой горелки. Достоинство способа в его универсальности, недостаток - высокая температура пламени вызывает
перегрев поверхности и как следствие - крупное зерно, выгорание углерода,
легирующих элементов, резкий температурой градиент, возможно отслаивание закаленного слоя.

3. Закалка с нагревом поверхности лазерным лучом. При этом спосо-бе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течение нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода вглубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности, можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина закаленного слоя может меняться до десятков и сотен микрометров (см. раздел 3.8).