Термическая обработка рабочих поверхностей деталей

Поверхностную закалку применяют главным образом для образования твердого износостойкого слоя на определенных участках деталей, изготовленных из средне- и высокоуглероди­стых сталей, а также из перлитных, ковкого, серого и высоко­прочных чугунов с содержанием не менее 0,6% связанного угле­рода.

Предварительная термическая обработка — нормализация или объемная закалка и высокий отпуск на сорбит — необходи­мые условия удовлетворительной поверхностной закалки.

Поверхностная закалка состоит из двух операций: нагрева слоя под закалку и быстрого его охлаждения до комнатной тем­пературы. По способу нагрева различают следующие методы поверхностной закалки: пламенный, контактный, высокочастот­ный и метод нагрева в электролите;

Глубиной закалки условно называют расстояние от поверх­ности до той зоны, где в структуре содержание мартенсита сни­зилось до 50%. Глубину закалки назначают не менее 1,5—2,0 мм для деталей, поверхность которых подвергается изнашиванию; глубину увеличивают, если предполагается шлифование при ре­монтах. При больших контактных давлениях для предупрежде­ния продавливания закаленного слоя глубину закалки назнача­ют 4—5 мм и более. Закалку для увеличения сопротивления

Рис. 12.2. Схема распределения оста­точных кольцевых и осевых напряже­ний по поверхности цилиндрического изделия при местной закалке усталости следует производить на глубину 10—15% диаметра детали.

Неравномерность температуры по сечению, а нередко к по длине детали при нагревании под поверхностную закалку и при охлаждении и структурные превращения в ограниченном объеме поверхностного слоя являются причиной образования временных и остаточных напряжений.

При правильном выборе температурного режима закалки образуются остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, под которым располагается зона напряжений растяжения. Если закалке подвергается часть поверхности, то у мест обрыва закаленного слоя на поверхность выходит зона с напряжениями растяжения (рис. 10.4). Наличие этих напряжений, достигающих 150—200 МПа при ухудшении исходной структуры около зака­ленного слоя в результате нагрева, понижает сопротивление усталости деталей. Для уменьшения вредного влияния остаточ­ных напряжений растяжения на поверхности, а также для сни­жения общей величины остаточных напряжений применяют от­пуск закаленных изделий при температуре 120—200°С в случае газопламенной закалки и при 180—240 °С — при высокочастот­ной закалке. Отпуск в 2 раза и более снижает остаточные напря­жения при уменьшении твердости закаленного слоя примерно на НКС 3—5.

Снижение прочности в области, примыкающей к месту обры­ва закаленного слоя, должно учитываться при выполнении по­верхностной закалки. Так, если закалку шейки коленчатого вала производят с целью упрочнения, то, принимая во внимание, что наибольшие рабочие напряжения возможны в галтелях, необхо­димо подвергнуть закалке шейку и галтели с прилегающими к ним участками щек. Если же закалку производят для повышения износостойкости, то в связи с некоторой сложностью совместной закалки шейки с галтелями закаливают шейку на такой длине, чтобы закаленный слой не доходил до галтели на 5—8 мм.

Другим примером может служить высокочастотная закалка зубьев шестерен (рис. 12.3). Лучшей формой закаленного слоя является слой по обводу (рис. 12,3, а). Однако такая закалка для шестерен с зубьями большого модуля затруднительна из-за необходимости большой электрической мощности. В таких слу­чаях ограничиваются закалкой рабочих поверхностей зубьев (рис. 12.3, в). Схема закалки, показанная на рис. 12.3, б, сни­жает прочность зубьев, так как область действия остаточных напряжений растяжения в поверхностном слое совпадает с зоной наибольших напряжений растяжения от рабочей нагрузки. Такой метод закалки допустим, если напряжения изгиба не лимитиру­ют нагрузочную способность передачи. В противном случае необ­ходимо упрочнить и переходную часть зуба в корне, что достига­ется способом закалки по впадине (см. рис. 12,4, в). Восстано­вить прочность в зоне обрыва закаленного слоя или даже сде­лать ее выше исходной можно, применив механическую упроч­няющую технологию.

Пламенная поверхностная закалка (ППЗ). При этом способе закалки детали нагревают пламенем смеси горючих газов и кис­лорода: используют также керосиново-кислородное пламя. Фор­ма пламени должна соответствовать форме закаливаемой по­верхности. Для охлаждения изделия после нагрева применяют в зависимости от содержания углерода в стали воду комнатной температуры или подогретую, эмульсию и сжатый воздух.

В зависимости от формы и размеров закаливаемой поверх­ности и программы выпуска изделий закалку осуществляют цик­лическими и непрерывными способами (рис. 12.3).

Циклические способы разделяются на стационарный и быст­рого вращения. Стационарный способ применяют при закалке кулачков, токарных центров, зубил, метчиков, сверл, зажимных губок, зубьев звездочек и конических колес, торцов толкателей, пуансонов и т. д. Способ быстрого вращения применяют при за­калке цилиндрических поверхностей диаметром не свыше 150 мм и длиной не свыше двух диаметров — шеек прямых и коленча­тых валов, осей, внутренних отверстий и т. п., а также при за­калке цилиндров диаметром до 450 мм при длине до 100 мм, опорных катков, роликов и т. п. При больших диаметрах изде­лия его вращают вокруг вертикальной оси, а нагрев производят несколькими горелками. По этому способу закаливают также зубья колес с модулем до 8 мм. Способ быстрого вращения обес­печивает равномерность закалки по твердости и глубине.

К непрерывным способам относятся непрерывно-последова­тельный, комбинированный кольцевой и комбинированный спи­ральный.

Рис. 12.3. Форма закаленно­го при высокочастотном на­греве слоя на шестернях: а — по обводу; 6 — по боковой поверхности зуба; в — по впа­дине

Непрерывно-последовательным способом закаливают детали призматической и цилиндрической форм. Этим способом закали­вают плоские стальные накладные направляющие различных станков длиной до 2 м и более, опорные поверхности шаботов, прямозубые колеса с модулем более 8 мм. Способ используют также при ППЗ шеек крупных коленчатых валов, обойм круп­ных подшипников, ходовых колес кранов, опорных катков и ро­ликов, бандажей, тормозных барабанов и т. д. Недостаток непре­рывно-последовательного способа применительно к цилиндриче­ским поверхностям заключается в том, что начальный участок, совпадающий с концевым участком закаленной поверхности, от­пускается на некоторой дуге и имеет пониженную твердость.

Комбинированный кольцевой способ применяют при закалке валов, осей, шпинделей, валков станов холодной прокатки, штанг, трубчатых направляющих, плунжеров, внутренних ци­линдрических поверхностей и т. д. По спиральному способу зака­ливают валы, оси, шпиндели, шнеки, канатные барабаны и т. п. Недостаток способа состоит в наличии на границе пламени спи­ральной плоскости пониженной твердости.

Комбинированный и циклические способы при быстром вра­щении детали обеспечивают равную глубину закалки и твердость всей закаливаемой поверхности.

Рис. 12.4. Схемы способов пламенной поверхностной закалки:

а - стационарный; б - быстрого вращения; в - непрерывно-последовательный; г-ком­бинированный кольцевой; д - комбинированный спиральный; 1-изделие; 2 -горелка, 3 — разбрызгиватель

Поверхно ст ная закалка с ко нт актным нагрев о м электриче­ским то к о м. При этом способе закалки для нагрева используют переменный ток промышленной частоты. С помощью электрода, выполненного в виде ролика, катящегося по поверхности сталь­ной детали, к ней подводится ток от понижающего однофазного трансформатора, обычно сварочного. Для лучшего контакта ро­лик прижимают к обрабатываемой поверхности; при протекании тока в контакте выделяется теплота. Нагретый под закалку объ­ем металла охлаждается эмульсией или водой, подогретой до 25—60 °С; крупные массивные детали не требуют искусственного охлаждения, так как непрогретая масса детали сама является охлаждающей средой.

При данном способе нагрева поверхностный слой металла толщиной 0,05—0,2 мм остается незакаленным, так как его тем­пература не достигает требуемой вследствие интенсивного охлаждения роликом, температура которого для обеспечения его стойкости не должна превышать 400—450 °С. Незакаленный слой удаляется при шлифовании. Этого слоя может не быть, если при­менять ролик из медно-вольфрамового сплава, допускающий высокий нагрев.

Способов поверхностной закалки с контактным нагревом электрическим током два: закалка по всей ширине обрабатывае­мой поверхности и ленточная закалка. По всей ширине поверх­ности (роликом шириной до 100 мм) закаливают рельсы, бан­дажи колес, шейки валов, направляющие станин и т.п. Ленточ­ную закалку используют для закалки длинных цилиндрических поверхностей. В связи с наличием продольной подачи ролика закаленные слои частично перекрывают друг друга. В зоне пере­крытия металл подвергается повторной закалке, а в некоторой части — отпуску; в результате этого твердость по длине получа­ется неоднородной.

Высокоча сто тная закалка — это поверхностная закалка при нагреве металла индуктируемым в нем переменным током высо­кой частоты. Глубина нагреваемого слоя тем меньше, чем выше частота тока. Для высокочастотной закалки используют спосо­бы: одновременной закалки, последовательный и непрерывно-последовательный.

Способ одновременной закалки применяют для многих изде­лий: швейных игл, винтов, сверл, метчиков, осей, прямых и коленчатых валов, кулачковых и шлицевых валов, шестерен, рычагов переключения коробок передач и т. д. Если площадь закали­ваемой поверхности значительна и одновременная закалка не­возможна или экономически невыгодна, то применяют другие способы.

При последовательном способе закалки поочередно нагрева­ют и закаливают отдельные участки. Так, например, закалива­ют шестерни большого модуля, каждый зуб в отдельности.

Непрерывно-последовательным способом закаливают валки станов холодной прокатки, правильные валки, шейки крупных валов, оси, гильзы рабочих цилиндров двигателей, крупногаба­ритные кольца поршней, станины станков, гусеничные траки (по беговым дорожкам), лемеха плугов и т. д.

П о верхн ост ная закалка с эл е к т рона г рев о м в элек т р о ли т е. Сущность этого способа закалки состоит в следующем. Если ме­таллическую ванну, наполненную электролитом в виде раствора кальцинированной соды или поташа, подключить к положитель­ному полюсу, а стальной стержень, погруженный в электролит, присоединить к отрицательному полюсу, то при большой силе тока стержень быстро нагреется до высокой температуры. Это объясняется в основном тем, что выделяющийся на катоде водо­род образует на погруженной поверхности стержня нечто вроде оболочки с большим электрическим сопротивлением; одновре­менно оболочка служит тепловым экраном, предохраняющим стержень от охлаждения электролитом. Если необходимо предо­хранить кромки торца от перегрева, то торец экранируют, изо­лируя его, например магнезитовым кирпичом. Вращая вал, мож­но равномерно нагреть шейки. Нагрев же кулачков происходит неравномерно по глубине. Для устранения этого применяют автоматическое устройство, регулирующее силу тока на отдель­ных участках рабочей поверхности.

Описанный метод закалки используют для закалки штанг толкателей, стержней клапанов, поводковых пальцев, штифтов, торцов винтов и т. д.

Сравнен и е ме тод ов п о верхн ост н о й закалки. Высокочастот­ная закалка имеет следующие преимущества: большая гиб­кость процесса, можно закаливать слои толщиной от сотых до­лей миллиметра до 10 мм и более; самая высокая производи­тельность; обеспечение благоприятных условий труда; возмож­ность автоматизации процесса и включения его в поточную или автоматическую линии.

Высокочастотная закалка получила широкое распростране­ние для поверхностного упрочнения стальных изделий при мас­совом или крупносерийном производстве.

Так как распространение теплоты в глубь изделия при на­греве пламенем, т. е. при ППЗ, происходит благодаря тепло­проводности материала, то для быстрой передачи теплоты внутрь изделия его поверхность прихо­дится нагревать значительно выше, чем при индукционном нагреве (рис. 10.7). В результате этого после закалки в при­поверхностной зоне может образоваться крупноигольчатый мартенсит при нали­чии значительного количества остаточно­го аустенита. Преимуществами ППЗ яв­ляются: простота оборудования и аппа­ратуры; стоимость установки для закалки ориентировочно в 10—15 раз меньше, чем для закалки с на­гревом ТВЧ. ППЗ можно подвергать крупные детали без пе­ремещения их к установке. ППЗ экономически эффективнее вы­сокочастотной закалки

Рис. 12.5. График распределения температур I по сечению детали, нагретой под поверхностную за­калку:

1— нагрев автогенным пламенем; 2 — индукционный на­грев; 3 — контактный электронагрев

в мелкосерийном производстве, а также при ремонте оборудования.

Контактная закалка, для выполнения которой требуется про­стое и сравнительно недорогое оборудование, может быть ис­пользована в единичном и серийном производстве, а также в ремонтных цехах для поверхностной закалки круглоцилиндри-ческих и плоских деталей.

Закалка с нагревом в электролите не требует сложного обо­рудования. Недостатками ее являются: невозможность контро­ля нагрева закаливаемой поверхности, ограниченный сортамент деталей, которые можно обработать по этому методу, и опас­ность коррозии поверхности на участках нагрева.