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

Что такое поверхностная закалка

В основе технологии лежит нагрев стальной заготовки до температуры, которая превышает критическую отметку, с последующим охлаждением. Каждый из этапов термообработки выполняется быстро, поэтому воздействию подвергаются только наружные слои изделия.

Зерно аустенита за это время вырасти не успевает. Это позволяет избежать потери пластичности стального сплава, снизить порог его хладноломкости и склонность к разрушению. Результат — увеличение предела выносливости, твердости, износостойкости конструкции при сохранении пластичности ее сердцевины.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Перекристаллизация металла происходит при его нагреве с превышением критического уровня температуры на 30‑50 °С и дальнейшим охлаждением после достаточной выдержки времени. Она решает задачу по предотвращению преобразования аустенита в перлит. Особенность стальной детали после проведения закалки — неравновесная структура.

Перекристаллизация металла происходит после достаточной выдержки времени.

Чтобы смягчить этот эффект, снять остаточные напряжения, снизить хрупкость, металл отпускают, повторно нагревая его до температуры, которая не достигает критической отметки. Так удается добиться оптимального сочетания прочности и пластичности. Обработка помогает увеличить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение, удлинение стали при одинаковом химическом составе и твердости заготовок.

Классификация видов термической обработки

Для изменения свойств сплава, возникающих вследствие термической обработки, необходимо, чтобы в сплаве в ре­зультате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы.

Первая группа. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пласти­ческая деформация создает наклеп — искажение кристаллической решетки. При затвердевании — не успевают протекать диффузион­ные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказы­вается неоднород-

ным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упру­гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной темпера­туре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической ре­шетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных ско­ростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Если в сплавах при нагреве происходит фазовое превращение (аллотропическое превращение, растворение второй фазы и т. д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полное, и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых пре­вращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­ваетсяотжигом первого рода.

Если у сплава есть фазовое превра­щение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусло­вленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с после­дующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как
отжиг второго рода
или
фазовая пере­кристаллизация.
Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) пре­вращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.

Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состо­яние сплава, характерное для вы-

соких температур, фиксируется, называется истинной закалкой,

в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой тем­пературе, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной

(под закалку нагревают насквозь все изделие) и
поверхностной
(осуществляют местный, чаще поверхно­стный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница.При отжиге второго рода цель охлаждения — приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояниесплава от равно­весного.

Третья группа. Состояние закаленного сплава харак­теризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий под­вижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к равновес­ному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, нониже температурыравновесных фазовых превращений,называется отпуском.

И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после за­калки. Отпуск иногда называют
старением.
В одних случаях ста­рением называют длительный низкотемпературный нагрев, объеди­няя при этом отжиг 1 рода и отпуск, в других — нагрев закаленной стали называют отпуском, а нагрев закаленных сплавов цветных металлов — старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск — это нагрев закаленного сплава, имею­щего фазовые превращения; старение — это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закален­ное

состояние характеризуется пересыщением твердого раствора. Да­дим краткое определение основных видов термической обработки.

Отжиг

— термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка

— термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск —

термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь него, создавая поверх­ностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда серд­цевины. Такая обработка называется химико-термической обработ­кой

(ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс — удаление элементов путем подбора соот­ветствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) отлична от подвижности металлов, поэ­тому химико-термическую обработку подразделяют на диффузион­ное насыщение неметаллами и металлами.

В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и струк­турные превращения. Такая обработка получила название дефор­мационно-термическая.

В зависимости от того, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения, деформационно-термическую обработку разделяют на
термомеханическую обработку
ТМО (деформация осу­ществляется до превращения) и
механико-термическую обработку
МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким об­разом, к трем основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

химико-термическая обработка —

нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев:

деформационно-термическая обработка —

деформация и после­дующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

10.3. Основные виды термической обработки стали

Если основой при рассмотрении термической обработки сплавов является соответствующая диаграмма состояния, то, очевидно, что ос­новой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо — углерод. Поскольку мы рассматриваем термическую об­работку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2 % С и соответственно область на диаграмме железо—углерод с концентрацией углерода до 2 % (точнее до 2,14 % С).

Естественно, что верхней температурной границей при термиче­ской обработке является линия солидуса, поэтому процессы первич­ной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.

Участок диаграммы железо-углерод, который мы будем рассматривать, изображен на рис.48.

Приведем общепринятые обозначения критических точек.

Критические точки обозначаются буквой А.

Рис.48. «Стальной» участок диаграммы Fe-C

Нижняя критическая точка, обозначаемая А1,

лежит на линии
PSK
и соответствует превращению аустенит ↔ перлит. Верхняя кри­тическая точка
А3,
лежит на линии
GSЕ
и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой
А
ставят букву
с,
в первом случае и
r
— во втором.

Следовательно, критическая точка превращения аустенита в пер­лит обозначается Аr1,

а перлит в аустенит
Ас1,
начало выделения феррита из аустенита обозначается
Аr3;
конец растворения феррита в аустените
Ас3.
Начало выделения вторичного цементита из аусте­нита обозначается также
Аr3,
а конец растворения вторичного це­ментита в аустените —
Ас3
.

Ниже дана характеристика основных видов термической обработки стали в соответствии с выше приведенной классификацией.

Отжиг —

фазовая перекристаллизация, заключающаяся в на­греве выше
Ас3
с последующим медленным охлаждением. При на­греве выше
Ас1,
но ниже
Ас3
полная перекристаллизация не произой­дет; такая термическая обработка называется
неполным отжигом.
При отжиге состояние стали приближается к структуре равновес­ному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше Ас3

провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновес­ного структурного состояния. Такая термическая операция назы­вается
нормализацией.
Закалка

— нагрев выше критической точки
Ас3
с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит рас­падается на феррит + цементит при
Аr1
. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температу­рах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения
Аr1
становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлажде­ния была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в
мартенсит
(пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе).
Неполная закалка —
термическая операция, при которой нагрев про­водят до

температуры лежащей выше Ас1,

но ниже
Ас3
и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цемен­тит).

Отпуск

— нагрев закаленной стали ниже
Ас1
и последующее медленноеохлаждение.

Для стали возможны различные виды химико-термической об­работки

в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь. Насыщение стали углеродом называется
цементацией,
азотом —
азотированном,
алюминием —
алитированием,
хромом —
хроми­рованием
и т. д.

Термомеханическая обработка стали —

нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии — выше
Ас3
или в нестабильном переохлажденном состоянии) и окончательное охлаждение с проте­кающим при этом превращением наклепанного аустенита.

10.4. Четыре основных превращения в стали

При изучении кристаллизации мы видели, что этот процесс превращения жидкости в твердое вещество и наоборот совершается вследствие большей устойчивости одного или другого состояния.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также выз­ваны тем, что вследствие изменившихся условий, например темпера­туры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы, прежде всего, должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превра­щения.

Укажем эти структуры:

аустенит

(А) — твердый раствор углерода в
γ-железе
Feγ (С);

мартенсит

(М) — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе Feα (С);

перлит

(П) — эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Feα + Fe3С (ничтожно малой равновесной раст­воримостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки Ас1,

выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

Feα + Fe3С → Feγ (С) или П → А

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А1:

Feγ (С) → Feα + Fe3С или А →

П

III. Превращение аустенита в мартенсит:

Feγ (С) →

Feα (С) или А
→
М

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит—мартенсит (То). При То более устойчи­вой фазой является перлит, однако работа, необходимая для обра­зования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже То образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превра­щения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

Feα (С) → Feγ + Fe3С или М →П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех темпе­ратурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

10.5. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграм­мой состояния Fе—С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe—C.

Перенагретый выше критической точки перлит с различной ско­ростью в зависимости от степени перенагрева превращается в ау­стенит.

На рис. 49 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 %

С, при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

Например, при 780 °С превращение перлит + аустенит завер­шится за 2 мин. а при 740 °С — за 8 мин.

Рис. 49.Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной темпера­туре

Диаграмма, приведенная на рис. 49, дана в координатах темпе­ратура — время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной ско­ростью v2

. Он пересекает линии начала и конца превращения в то­чках
а»
и
b».
Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью
v2
мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале темпера­тур от точки
а»
до точки
b».
Если нагрев был более медленным, то луч
v1
пересекает кривые превращения при более низких температурах (точки
а’
и
b’
)
,
и превращение произойдет тоже при более низ­ких температурах.

Кривые начала и конца превращения, асимптотически прибли­жаясь к горизонтали А1

пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бес­конечно малой скоростью пересечет горизонталь
А1
в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превраще­ние перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при посто­янной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения — по диаграмме Fe—С. Реальные превращения, в от­личие от равновесных, протекают при температуре выше
А1
и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения характеризуется образова­нием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образо-­

вавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного це­ментита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где зале­гали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аусте­нит неоднороден.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени опре­деляется исходной структурой стали — степенью дисперсности це­ментита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следова­тельно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.

Полиморфность металлов

Явление образования нескольких разных по характеристикам простых веществ на базе одного химического элемента называют аллотропией. При этом возможно изменение структуры и свойств материала, состоящего из того же вида атомов (углеродсодержащие алмаз и графит имеют разную твердость, физическую структуру, цвет). Другое название этого явления — полиморфизм. У металлов он проявляется в основном при температурной обработке.

Происходит перестройка кристаллической решетки. Одновременно вещество приобретает новые свойства (изменяется электро- и теплопроводность, плотность, теплоемкость), переходя в новую модификацию. Аллотропия стальных сплавов применяется в промышленности для увеличения прочностных показателей.

Под действием температуры улучшаются характеристики урана, олова, железа, кобальта, бериллия, титана.

Что происходит внутри стали

Независимо от технологии поверхностной закалки металлической заготовки, в основе процесса лежит ее быстрый подогрев до более высокой температуры, чем точка фазового превращения для выбранного сплава. После этого деталь сразу остужают.

В основе процесса лежит подогрев металла.

В результате внутри стальной конструкции формируются такие зоны:

1. Полная закалка. Речь идет о поверхностных слоях металла с мартенситной структурой, на которые оказывается максимальное термическое воздействие. Их толщина зависит от особенностей дальнейшей эксплуатации детали: 1,5‑3 мм для конструкций, подвергаемых усталостному износу, 10‑15 мм для изделий, которые должны выдерживать повышенные контактные нагрузки.
2. Частичная закалка. Слои имеют феррито-мартенситную структуру. Твердость металла в этой зоне ниже, чем в поверхностной.
3. Отсутствие термической обработки, влияющей на кристаллическую решетку материала.

В сравнении со стандартной процедурой полного закаливания заготовок при поверхностном воздействии выбирают на 100‑200 °С более высокую температуру. Выдержка времени не нужна.

Холод

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.

Газопламенная закалка

Метод применяют при обработке крупных металлоконструкций: деталей станков, узлов электрических машин, прокатных роликов, валов, выполненных из чугуна, углеродистых, низколегированных сталей, материалов с низким содержанием углерода. Преимущества технологии — сохранение чистоты поверхности (на ней отсутствуют следы окислительных процессов) и сравнительно небольшая деформация с сохранением начальной геометрии заготовки.

Интересное: Гильотины для рубки металла

Газопламенной закалкой могут обрабатываться все углеродистые стали.

Технология

Газоплазменная закалка выполняется в ацетилено-кислородном пламени. Во время нагрева специальной горелкой температура поверхности растет с высокой скоростью. За счет этого сердцевина детали не меняет своих свойств. Толщину поверхностной обработки регулируют изменением скорости перемещения факела и интенсивности подачи газовой смеси. Охлаждение металла производится погружением в быстроохлаждающую жидкость или обработкой под душем.

Параметры процесса

Технология предусматривает использование ацетилено-кислородного пламени температурой +2400…+3100 °С. Глубина закалки чаще всего составляет 2‑4 мм. Твердость сформированного после термической обработки слоя составляет 56 HRC.

Его структура — мартенсит. В зоне неполного нагрева начальная структура сплава преобразуется в мартенситно-троститную.

Закалка стали

Закалка – способ термической обработки стали, в процессе которого производится нагрев металла приблизительно до 900˚C, определенной выдержки и последующего очень быстрого охлаждения. Благодаря такой технологии повышается прочность и износостойкость сплава, и улучшение его других физико-механических характеристик.

Для проведения успешной термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение.

Наиболее часто для проведения закалки используется:

• вода;
• солевые растворы;
• едкие щелочные материалы;
• технические масла.

Масло один из материалов используемый для закалки металла

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Технология широко распространена в промышленности из-за высокой производительности, возможности сохранения исходных геометрических параметров заготовки без объемных изменений металла. Нагревают его индукционно со скоростью 100‑1000 °С/с за счет возникновения в поверхностных слоях вихревых токов. Толщина обрабатываемого металла будет меньше при увеличении частоты (при этом его плотность растет).

Закалка токами высокой частоты широко распространена.

Сферы применения

Высокочастотная обработка эффективна при изготовлении деталей электрических машин, эксплуатация которых связана с интенсивным износом, частыми знакопеременными или динамическими нагрузками. Закалка ТВЧ поверхностей валов, режущих инструментов, зубчатых колес, выполненных из легированной или углеродистой стали, — оптимальное решение. Технология подходит также для конструкционных сплавов с 0,4‑0,55-процентным содержанием углерода.

Основные этапы

Работа оборудования может быть автоматизирована, когда все фазы выполняются в одной установке. В этом случае не потребуется организация отдельного цеха, транспортировка туда стальных заготовок, привлечение дополнительного обслуживающего персонала.

Независимо от особенностей организации производства выполняются такие этапы термообработки:

1. Поверхностная закалка индуцированным током высокой частоты с выдержкой времени.
2. Равномерное охлаждение под душем или в ванне путем погружения в подогретую до +30…+40 °С жидкость.
3. Низкотемпературный отпуск в печи при +200 °С. Избежать образования микротрещин и добиться нормализации поверхностных слоев помогает высокая скорость перехода между технологическими этапами.

Соответствие металлоконструкции после проведения термообработки заданным при проектировании параметрам зависит от правильного выбора температурного режима.

Преимущества и недостатки

Предел выносливости стальных конструкций при закалке ТВЧ увеличивается в 2‑2,5 раза. Это происходит за счет высокой скорости термообработки и минимального влияния рабочих растягивающих напряжений, которые возникнут в ходе эксплуатации в поверхностных слоях. Вязкость сердцевины при этом достаточна, чтобы выдерживать ударные контактные нагрузки.

Интересное: Виды оборудования для резки металла

При поверхностной закалке повышается предел выносливости стальных конструкций.

Дополнительные аргументы в пользу индукционного нагрева ТВЧ:

1. Высокая производительность. Технология — лучшее решение для автоматизированного, массового, крупносерийного производства.
2. Сжатые сроки окупаемости, энергоэффективность оборудования.
3. Возможность работы на ограниченном поле.
4. Отсутствие эффекта обезуглероживания. Из-за скорости термообработки удается исключить диффузионные процессы, что позволяет сохранить мелкое аустенитное зерно и мартенсит с мелкопластинчатой структурой.
5. Минимальная деформация заготовки.

Сложности в применении технологии возникают при обработке деталей сложной геометрии.

Это связано с необходимостью выдержки постоянного зазора между поверхностью и индуктором.

Конструкция современных установок

Закалка ТВЧ предусматривает использование специализированного оборудования, которое содержит высокочастотный генератор, индукторный контур и устройство, обеспечивающее равномерное перемещение заготовки.

На предприятиях применяют такие виды источников питания:

• полупроводниковые преобразователи (160‑800 кВт, 1‑4 кГц);
• электрические машины (50‑2500 кВт, 2,5‑10 кГц);
• электронные ламповые устройства (10‑160 кВт, 70‑400 кГц).

Для работы с деталями малых размеров (наконечниками пружин, иглами) используют микрогенераторные установки. Они нагревают металл за 0,01‑0,001 с при 50 МГц. Исходя из геометрии изделий, выбирают конструкцию индуктора. Для колес, валов, отверстий подходит кольцевой, для поверхностей большой площади — петлевой, для заготовок сложной конфигурации — фасонный контур.

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.

Другие методы поверхностной закалки

Широко используются на предприятиях узкоспециализированные технологии термообработки. Возможно упрочнение ограниченных участков деталей, их изготовление мелкими партиями, выпуск тестовых образцов.

Лазерная

Этот способ применяют при необходимости повышения усталостной прочности и стойкости к износу отдельных поверхностей металлоконструкций в случае, когда использование других методик технологически невозможно или затруднено. Закалка выполняется с помощью газового квантового или оптического (твердотельного) лазера.

Лазерная закалка повышает стойкость к износу.

Тепловая энергия генерируется из узкого светового пучка высокой концентрации. Скорость нагрева поверхности составляет 3‑7 секунд. Принудительное охлаждение заготовки при этом не нужно, что существенно снижает уровень сложности процесса обработки. Оборудование работает с высокой производительностью, толщина слоя увеличенной прочности составляет 0,3‑1 мм.

В электролите

В основу технологии заложен эффект нагрева катода, который происходит при пропускании постоянного тока 220‑250 В через раствор кальцинированной соды (его концентрация составляет 5‑10%), выступающий в роли электролита. В этой системе роль анода выполняет емкость, предназначенная для погружения в нее детали. Катод — само закаливаемое изделие. При использовании этой методики наружные слои приобретают мартенситную структуру, сердцевина — ферритную и сорбитообразную перлитную.

В процессе диссоциации раствора кальцинированной соды на поверхности металла образуется плотная оболочка из атомов водорода. Ее высокое электрическое сопротивление становится причиной увеличения температуры поверхности. При отключении системы от источника питания начинается охлаждение стальной заготовки без необходимости ее погружения в другую среду.

Закаливание в электролите

Изделие, выступающее катодом, помещается в электролит, где разведена кальцинированная сода (5-10%). На изделии формируется тончайший налет из пузырьков водорода после пропускания через раствор постоянного напряжения. Они создают высокое сопротивление, что увеличивает силу тока, и металл на изделии сильно разогревается. После отключения питания происходит закаливание металла самим электролитом.

Отпуск после закалки

Основная задача проведения процедуры повторного нагрева детали — снятие внутренних напряжений и приведение характеристик материала к требуемым показателям. Устраняется неравновесность внутренней структуры сплава. Более устойчивого состояния металла достигают при условии преобразования остаточного аустенита и распада тетрагонального мартенсита. Интенсивность внутренних процессов зависит от режима отпуска.

Интересное: Обзор лучших машин термической резки металла

При повторном нагреве детали происходит снятие внутренних напряжений.

Низкий

При работе с инструментальными сталями снять внутренние напряжения, снизить хрупкость материала, увеличить твердость и стойкость к истиранию можно при низкой температуре нагрева (до +150…+250 °С). Выдержка времени составляет 1‑3 часа.

Средний

При изготовлении деталей машин, для которых важна высокая упругость (рессор, пружин) термообработку выполняют при +250…+400 °С. В результате внутренняя структура преобразуется в тростит отпуска. Изделия обладают стойкостью к динамическим нагрузкам, твердостью.

Высокий

Для обработки конструкционных сталей рекомендуют температуру повторного нагрева +450…+680 °С в течение 1 часа. За счет этого формируется кристаллическая решетка, обладающая повышенной пластичностью, твердостью и вязкостью, что обеспечивает стойкость готовых изделий к динамическим, ударным, статическим нагрузкам.

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.

Распространенные дефекты, возникающие при термической обработке

Несоблюдение технологии поверхностной закалки приводит к появлению брака. При отсутствии внешних признаков это обнаруживается в процессе проведения испытаний (изделие не выдерживает нагрузки, теряет первоначальную форму, на нем появляются трещины).

Недостаточная твердость

Уровень прочности и ударной вязкости в зоне закалки может не соответствовать заданным при проектировании параметрам, если не соблюдается температурный режим или скорость охлаждения. Это приводит к увеличению хрупкости сплава с одновременным ростом зерна аустенита. Такие конструкции не выдерживают испытаний на излом и требуют повторной закалки.

Уровень прочности в зоне закалки может не соответствовать нужным параметрам.

Мягкие пятна

При неравномерном остывании заготовки, недостаточной очистке поверхности от загрязнений, нарушениях однородности структуры металла возможно образование локализованных участков малой прочности. После повторной термообработки брак устраняется.

Пережог и закалочные трещины

Превышение уровня нагрева до показателей, которые близки к температуре плавления, приводит к интенсивному образованию окислов в межзерновом пространстве. Внутренняя структура стального сплава нарушается, он теряет свои прочностные характеристики. Использовать металл в дальнейшем нельзя.

Трещины возникают при наличии концентраторов напряжения на поверхности (выступов, отверстий, углублений), при превышении сопротивления сплава отрыву уровня внутреннего напряжения растяжения. Их относят к дефектам, которые не поддаются устранению. Чтобы свести к минимуму вероятность появления трещин, рекомендуют проводить закалку при минимально возможных температурах, медленное охлаждение с отпуском.

Коробление и деформация

Причиной брака, который сопровождается изменением формы заготовки, часто становятся структурные и термические напряжения, которые возникают при неоднородном воздействии на металл. Чтобы свести к минимуму вероятность появления таких проблем, на производстве применяют прессы, штампы, позволяющие зажимать изделия на время их охлаждения.

Обезуглероживание и окисление поверхности

Отсутствие контролируемой атмосферы в пламенных или электропечах приводит к возникновению брака. Припуск на механическую обработку деталей при этом увеличивается. Минимизировать такие явления можно, если использовать соляные ванны или задействовать оборудование с искусственной рабочей средой.

Строгое соблюдение технологии поверхностной закалки, учет марки стали и особенностей будущей эксплуатации деталей обеспечивают стабильность их характеристик, длительный срок службы. У каждой из методик есть достоинства, сложности в применении, которые определяют сферу использования. Поэтому при выборе специалисты практикуют индивидуальный подход к решению производственных задач.

Методика индукционного нагрева ТВЧ

Этот эффективный и наиболее прогрессивный способ позволяет проводить закаливание изделий любой конфигурации. Возможность точной регулировки степени нагрева и автоматизации процесса позволяет повысить производительность данного метода. На металле не остается следов окалины или окислений после нагрева в поле высокочастотного индуктора. Также не выгорает углерод и другие легирующие элементы в сплаве.