Поверхностная закалка стали

Назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки 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 вызыващего разогрев изделия.

Особенностью индуцированного 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

где: ρ - электросопротивление, μ - магнитная проницаемость;

f – частота тока.

Чем меньше частота тока, тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применить ток промышленной частоты, то индуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызывать сквозной нагрев.

Скорость нагрева ТВЧ может доходить до 500^о/сек (при печном до 3^о/сек). Обычно нагрев до температуры закалки осуществляется за 2…10 с. Глубина – 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.

Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840…860 С., при индукционном нагреве со скоростью 250^о/с – 880…920, а со скоростью 500^о/с – 980…1000^о/с.

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

Различают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности;

непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение (применяется для закалки длинных валов, осей и т.д.);

последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков (шеек коленчатых валов, кулачков распределительных валов и т.п.).

При закалке с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160…200^о С, иногда – самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающий закаленный слой до температуры отпуска.

Закалке ТВЧ применяют стали с содержанием углерода 0,4…0,5%, которые после закалки имеют твердость (HRC 50-60), хорошую сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

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

При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали. (Так, для стали 40 после нормализации он составляет 150 МПа, а для 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.