Поверхностная закалка стали

5 Поверхностная закалка стали

Для получения большой твёрдости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износостойкость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностную закалку.

Известно несколько способов быстрого нагрева поверхностного слоя (токами высокой частоты, лазером, электронно-лучевой, газо-плазменный и др.). Наибольшее применение нашёл индукционный нагрев ТВЧ.

Поверхностная закалка заключается в быстром нагреве поверхностного слоя обрабатываемой детали с последующим быстрым охлаждением. Быстрый нагрев создаёт резкий градиент температур: поверхность имеет температуру выше А_с3, а сердцевина – гораздо ниже.

После быстрого охлаждения поверхностные слои получают полную закалку, а сердцевина либо неполную, либо совсем не закаливается.

ТВЧ закалка легко поддаётся автоматизации, позволяет осуществлять нагрев со скоростями, в сотни и тысячи раз превышающими скорости нагрева в печах; поверхность не успевает окислиться и обезуглеродиться.

После поверхностной закалки и низкого отпуска поверхность изделий имеет твёрдость НRС 54…58 при высокой вязкости. Применяется для обработки коленчатых валов, шестерён, валков холодной прокатки и др.

6 Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – это технологический процесс насыщения поверхностного слоя изделия каким-либо элементом путём диффузии его из внешней среды.

Механизм насыщения металла представляет собой: а) адсорбцию атомов, подводимых к изделию; б) растворение адсорбированных атомов в металле; в) диффузию растворённого вещества в глубь изделия.

ХТО проводят при высоких температурах, когда скорость диффузии высока. В результате происходит поверхностное упрочнение металла, повышение коррозионной стойкости.

К наиболее распространённым методам ХТО относятся: цементация, азотирование, цианирование, нитроцементация, диффузионная металлизация.

Цементация

Это насыщение поверхностного слоя стали углеродом.

Различают цементацию твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию твёрдым карбюризатором проводят при 900-950˚С в металлическом ящике, наполненном карбюризатором (древесным углем с добавлением BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃). Ящик закрывают крышкой и обмазывают глиной для герметизации. Время процесса 8-14 часов.

Газовая цементация осуществляется в закрытых камерных печах, заполненных газовой смесью (СО, СН₄, С₃Н₈ и др.), при 930-950˚С в течение 6-12 часов. Процесс идёт быстрее. Механизм такой же:

2СО → СО₂ + С (атомарный)

СН₄ → 4Н + С (атомарный)

Цементированные изделия приобретают окончательные свойства после ТО: закалки и низкого отпуска.

Цементируют истирающиеся детали машин, от которых ещё требуется высокий предел выносливости при изгибе и кручении: зубчатые колёса, распределительные валы двигателей внутреннего сгорания.

Азотирование

Это процесс насыщения поверхности изделия азотом.

Наибольший эффект получают при образовании на поверхности специальных термически стойких и твёрдых карбонитридов Fe(CN) и нитридов MoN, CrN, AlN, позволяющих одновременно повысить коррозионную стойкость, твёрдость и износостойкость стали при комнатной и повышенных температурах.

Цианирование и нитроцементация стали

Процесс одновременного диффузионного насыщения поверхности стали углеродом и азотом в расплаве солей цианистоводородной кислоты (NaCN, KCN) называется цианированием, а в газовой среде (СО, СН₄, NH₃) – нитроцементацией.

В результате обработки увеличиваются твёрдость и износостойкость поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины. Обычно нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.

Процесс поверхностного насыщения стали различными металлами называют диффузионной металлизацией, а если насыщают и неметаллическими элементами, то поверхностным легированием.

В зависимости от насыщающего элемента различают хромирование (Cr), алитирование (Al), силицирование (Si), борирование (В) и др. Применяют также комплексное насыщение несколькими элементами сразу (например, бороалитирование).

7 Общая классификация сталей

Все виды сталей можно классифицировать по следующим признакам.

По химическому составу:

а) Углеродистые стали.

Углеродистыми сталями называются сплавы на. основе железа, содер­жащие менее 2,14% С и некоторое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, P).

По содержанию углерода углеродистые стали подразделяют на низ­коуглеродистые ( менее 0,З% С ), среднеуглеродистые ( 0,3 – 0,7% С), высокоуглеродистые ( более 0,7% С ).

б) Легированные стали.

Легированными сталями называются сплавы на основе железа, содер­жащие, кроме углерода, специально вводимые химические элементы ( Сr, Ni, Тi, W, Si, Mn и др ).

По суммарному содержанию легирующих элементов легированные ста­ли подразделяют на низколегированные ( менее 5%), среднелегированные (5-10%), высоколегированные ( более 10% ).

Поверхностная закалка

Как отмечалось выше, закалка повышает твердость, проч­ность, износостойкость стали, но снижает ее пластичность. Од­нако для многих деталей, работающих в условиях циклических нагрузок (валы, шестерни), требуется не только высокая изно­состойкость поверхности, но и высокая вязкость и пластичность внутренних слоев. Достичь этого можно применением поверх­ностной закалки.

Рис. 4.15. Кривые распределения температуры и твердости после закалки по сечению изделия (а) и схема индукционного нагрева (б)

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, заключающийся в нагреве поверхностного слоя из­делия до температуры выше Ас₃ для доэвтектоидных и Ас_х для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью полу­чения структуры мартенсита в поверхностном слое (рис. 4.15, а).

нагретый выше температуры Ас₃, закалится полностью, слой II — частично, а слой III останется незакаленным. В результате Обеспечивается высокая прочность и износостойкость поверхно­стных слоев в сочетании с пластичностью и вязкостью сердце­вины изделия.

Закалочные температуры для поверхностной закалки выби­раются более высокими (на 100. 200 °С), чем для обычной, так как при нагреве с высокими скоростями превращение перлита в аустенит происходит в области более высоких температур. По­скольку перегрев тонкого поверхностного слоя осуществляется с очень большой скоростью и выдержка при температуре закал­ки отсутствует, он не приводит к ухудшению структуры за счет роста зерна аустенита. Глубина закалки составляет 1,5. 15 мм и определяется условиями работы деталей. Так, детали, подвер­гающиеся усталостному изнашиванию, закаливаются на глу­бину 1,5. 3 мм, при особо высоких контактных нагрузках — 10. 15 мм.

При закалке ТВЧ изделия помещают в специальный индук­тор (катушку), состоящий из одного или нескольких витков мед­ной трубки (рис. 4.15, б). Для равномерного нагрева поверхности изделий различной формы применяют индукторы, по форме и размерам соответствующие деталям. Через индуктор 1 пропус­кают переменный ток высокой частоты (500. 15 000 Гц). При этом вокруг индуктора возникает магнитное поле, а в детали 2 генерируются вихревые токи, которые и нагревают поверхность детали до температуры закалки, после чего следует резкое охла­ждение водой и низкий отпуск.

Скорость нагрева колеблется от 100 до 1000 °С/с. Время нагре­ва зависит от скорости нагрева и находится в пределах 1,5. 40 с. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, которая оп­ределяет глубину проникновения индуцируемых в деталях вих­ревых токов. Закалка ТВЧ позволяет получить структуру стали с твердостью на 3. 5 HRC₃выше, чем при обычной закалке, с более мелким зерном (на 2. 4 балла) и меньшим браком по коробле­нию и образованию закалочных трещин. При нагреве ТВЧ не происходит окалинообразования и выгорания углерода. Кроме того, обеспечивается высокая производительность труда. Этот вид закалки используют для сталей, содержащих 0,4. 0,5 % углерода (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (50. 60HRCJ,сопротивляемость из­нашиванию и не ёклонны к хрупкому разрушению.

Газоплазменная поверхностная закалка заключается в на­греве поверхностного слоя детали пламенем сгорающего газа, имеющего температуру 2400. 3000 °С, и последующем охлаж­дении водой. Толщина закаленного слоя 2. 4 мм, твердость 50. ..56 HRC₃, структура состоит из мартенсита и феррита. При­меняется газоплазменная закалка в основном для крупных из­делий, таких как коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валы и т.п. При этом в крупных деталях создаются меньшие напряжения, чем при обычной объемной закалке.

Закалка в электролите основана на том, что при пропуска­нии тока через электролит (5. 10%-ный раствор кальцинирован­ной соды) на катоде, которым является закаливаемая деталь, образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно воз­растает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электролите. Способ применяется для закалки небольших деталей в условиях массового производства.

Отпуск сталей

Отпуском называют финишную термическую обработку, за­ключающуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас_и выдержке при заданной температуре и последующем охла­ждении с определенной скоростью (рис. 4.16, а). Отпуск проводят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от темпера­туры отпуск делят на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводят при нагреве до 250-°С, после чего следует выдержка в течение 1. 1.5 ч в зависимости от размеров детали и охлаждение. Применяют его для режущего и измери­тельного инструмента, деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации (более подробно см. гла­ву 5). После низкого отпуска снижаются закалочные напряже­ния, мартенсит закалки (рис. 4.16, б) превращается в мартенсит отпуска (рис. 4.16, в), повышается прочность и несколько — вязкость. Твердость остается высокой (58. 63 HRC₃) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.

Поверхностная закалка

Технологии поверхностной закалки применяют для получения высокой твердости поверхностного слоя детали при сохранении ее вязкой сердцевины. Эти технологии основаны на быстром нагреве поверхности детали до температур, значительно превышающих критические точки. Поскольку нагрев выполняется быстро, сердцевина не успевает нагреться до критических температур. Поэтому при охлаждении закаливаются только поверхностные слои. Несмотря на то, что поверхностные слои сталей нагреваются значительно выше Ас₃, зерно аустенита не успевает вырасти, так как скорость нагрева очень велика.

Поверхностная закалка весьма производительна, время нагрева не сравнимо меньше, чем при ХТО — секунды или минуты в зависимости от размеров детали. Продолжительность поверхностной закалки соизмерима с длительностью операций механической обработки. Это актуально для крупномасштабного производства, так как позволяет более полно автоматизировать технологический процесс, проводя термическую обработку детали в общем потоке, без перемещения в термический цех.

Для поверхностного нагрева используют: индукционный нагрев токами высокой и промышленной частоты, нагрев кислородно-ацетиленовым пламенем, нагрев в водном электролите при пропускании электрического тока, контактный нагрев электрическим током, лазерный нагрев. Наибольшее распространение получила технология нагрева токами высокой частоты, рассмотренная ниже.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) осуществляется за счет теплового воздействия тока, индуцируемого в детали, которую помещают в переменное магнитное поле. В основе индукционного нагрева лежит явление электромагнитной индукции. При прохождении переменного электрического тока через замкнутый токопроводящий контур возникает переменное магнитное поле. Если в переменное магнитное поле поместить другой проводник, то в нем индуцируется электрический ток той же частоты, что и в индукторе.

В промышленных установках контур представляет собой один или несколько витков медной полой трубки или шины. Его называют индуктором. Для нагрева деталь 1 (являющуюся массивным проводником) помещают в индуктор 2. При протекании по индуктору электрического тока высокой частоты создается переменное магнитное поле, силовые линии 3 которого пронизывают установленную в индуктор деталь (рис. 4.5). В результате в поверхностном слое детали возникают вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев этого слоя до высоких температур бесконтактным способом.

Плотность тока по сечению изделия неодинакова. В основном токи высокой частоты протекают в поверхностном слое. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерное распределение тока по сечению изделия приводит к неравномерному нагреву: поверхностные слои нагреваются очень быстро, а сердцевина либо совсем не нагревается, либо нагревается только за счет теплопередачи от нагретой поверхности.

Толщина закаленного слоя у, мм, определяется по формуле:

где р — удельное электрическое сопротивление, Ом-мм; р — магнитная проницаемость, Гн/м;/ — частота тока, Гц.

Из формулы следует, что чем выше частота тока, тем меньше толщина закаленного слоя. Для получения слоя толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока составляет примерно 60 000 Гц, для слоя 2,0 мм — около 15 000 Гц, для слоя 4,0 мм — 4000 Гц. Частота тока определяется типом высокочастотного генератора. Полупроводниковые (тиристорные) и машинные генераторы обеспечивают получение тока частотой 500. 10 000 Гц, ламповые — 60. 440 кГц. Особенностью индукционного нагрева под закалку является его высокая скорость— 100. 1000 °С/с.

Поверхностные слои детали после закалки ТВЧ получают большую твердость, чем деталь после обычной закалки. Так, твердость стали с 0,4 % С составляет не более 52-54 HRC после объемной закалки и 56-58 HRC после закалки ТВЧ.

Охлаждение при закалке ТВЧ производится либо окунанием в охлаждающую жидкость, находящуюся в закалочном баке, либо опрыскиванием охлаждающей жидкостью с помощью душевого устройства (спрейера). В качестве охлаждающей жидкости обычно используют подогретую воду (30.. .40 °С) или эмульсию.

В зависимости от конструкции и размеров деталей используют разные способы нагрева:

• • одновременный способ применяют для деталей небольших габаритных размеров (например, втулки небольшой высоты, мелкомодульные зубчатые колеса), индуктор при этом охватывает всю деталь; охлаждение — окунанием или с использованием спрейера;
• • последовательный способ (поочередный) применяют, когда необходимо упрочнить не всю деталь, а лишь отдельные ее участки (например, закалка посадочных шеек валов);
• • непрерывно-последовательный способ применяют для упрочнения длинномерных деталей. При этом деталь круглого сечения вращается вокруг собственной оси и перемещается (сверху вниз) относительно неподвижных индуктора и спрейера. Иногда, наоборот, индуктор и спрейер перемещаются относительно детали (закалка плоских направляющих станка). Скорость передвижения детали (или индуктора) составляет 0,3. 3,0 см/с. Непрерывно-последовательный способ применяют для упрочнения заготовок валов, осей, ходовых винтов и др.

После закалки с нагревом ТВЧ детали подвергают низкому отпуску при температуре 160. 200 °С для сохранения высокой твердости поверхности.

Закалке ТВЧ подвергают детали, изготавливаемые в основном из конструкционных среднеуглеродистых сталей с содержанием 0,4.. .0,55 % углерода. Легированные, более дорогие стали, обладающие большей прокаливаемостью, используются редко, так как при поверхностной закалке нет необходимости в увеличении прокаливаемое™.

Глубину закаленного слоя обычно назначают в пределах 2.. .5 мм. Этот слой обладает высокой твердостью. Сердцевина, имеющая ферритно-перлитную структуру, обеспечивает достаточно хорошую ударную вязкость. При необходимости упрочнения сердцевины перед закалкой ТВЧ производят улучшение (закалка и высокий отпуск).

Закалка ТВЧ особенно эффективна для изготовления нагруженных деталей, работающих в условиях повышенных износа, динамических и знакопеременных нагрузок (зубчатые колеса, валы и т. п.). Закалка ТВЧ в 2-2,5 раза повышает предел выносливости. Это связано с тем, что в поверхностном слое возникают большие сжимающие напряжения. Они уменьшают опасные рабочие растягивающие напряжения (возникающие в процессе эксплуатации) на поверхности детали.

Используя индукторы разной конструкции, можно осуществлять закалку ТВЧ цилиндрических (рис. 4.5) и плоских деталей (рис. 11.11). Закалка с индукционным нагревом ТВЧ имеет следующие преимущества: высокая производительность благодаря высокой скорости нагрева; возможность автоматизации процесса, что важно в условиях массового и крупносерийного производства; возможность местного нагрева. Основной недостаток — невозможность применения для деталей сложной конфигурации, а также дороговизна оснастки.

Рис. 11.11. Конструкции индуктора для закалки цилиндрических (а) и плоских (б) деталей:

1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — спрейер

Типичный технологический процесс изготовления деталей, упрочняемых закалкой ТВЧ:

• • заготовительная операция;
• • предварительная механическая обработка;
• • улучшение (закалка + высокий отпуск) — при необходимости;
• • получистовая механическая обработка (включая шлифование);
• • закалка ТВЧ (на глубину большую, чем в чертеже, с учетом припуска на шлифование);

• • низкий отпуск;
• • финишная обработка.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Поверхностная закалка – сталь

Поверхностная закалка стали производится путем поверхностного нагрева изделия и последующего охлаждения. [1]

Поверхностная закалка стали , применяемая для получения высокой твердости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали. [2]

Процесс поверхностной закалки стали представляет собой интересный пример образования соединении внедрения. По очному методу углерод и азот вводятся в поверхностные слом стали за счет выдерживания в расплавленной смеси ХаСХ, Na COs и NaCt при – 870 С. При таких способах обработки происходит введение и углерода, и азота. Несмотря на то что железо с молекулярным азотом не реагирует, поверхностная закалка некоторых сортов стали все же может быть произведена действием аммиака при температурах около 500 С. [3]

Из всех методов поверхностной закалки стали самым простым и доступным, особенно в единичном и мелкосерийном производстве, при ремонте и других работах является метод поверхностной закалки при нагреве газовым пламенем. Для крупногабаритных деталей нагрев пламенем является почти единственным методом закалки и находит все более широкое применение. [5]

Необходимость применения для поверхностной закалки стали со средним содержанием углерода ( 0 35 – 0 70 %) для обеспечения высокой поверхностной твердости видна из кривой на фиг. Схематическое распределение твердости по сечению поверхностного закаленного слоя стали 40 приведено на фиг. [6]

Необходимость применения для поверхностной закалки стали со средним содержанием углерода ( 0 35 – 0 70 %) дли обеспечения высокой поверхностной твердости видна из кривой на фиг. Схематическое распределение твердости по сечению поверхностного закаленного слоя стали 40 приведено на фиг. [7]

Необходимость применения для поверхностной закалки стали с средним содержанием углерода ( 0 40 – 0 55 / 0) для обеспечения высокой поверхностной твердости в пределах НБ 600 – г – 650 видна из кривой фиг. [8]

В табл. 7 приведена общая характеристика современных методов поверхностной закалки стали . [9]

В практике широко используется индукционный нагрев: Его применяют для поверхностной закалки сталей , нагрева, отжига и плавления металлов. Как известно, если поместить деталь в переменное магнитное поле, то в нем индуцируются ( наводятся) токи, называемые вихревыми. [10]

Это показывает, какую значительную роль в повышении усталостной прочности при поверхностной закалке сталей играют остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое. [11]

Наиболее хорошие результаты по твердости и повышению износоустойчивости деталей получаются при поверхностной закалке сталей с содержанием 0 35 – 0 7 % С ( фиг. Распределение твердости и микроструктуры по глубине закаленного слоя стали 40 приведено на фиг. [12]

Если хотят увеличить твердость и износостойкость только на поверхности детали, производят поверхностную закалку стали . [13]

Скин-эффект в сочетании с нагревом вихревыми токами в настоящее время используют с большим успехом для поверхностной закалки стали . В этом методе закаливаемые детали подвергают действию магнитного поля переменных токов, получаемых от специальных машин, и затем быстро охлаждают. Вследствие скин-эффекта разогрев и последующая закалка возникают только в поверхностном слое, а вся основная масса остается незакаленной. Это позволяет получить изделия с высокой стойкостью к истиранию поверхности, но не обладающие хрупкостью, как при обычной закалке. [14]

Скин-эффект в сочетании с нагревом вихревыми токами в настоящее время используют с большим успехом для поверхностной закалки стали , разработанной В. П. Вологдиным с сотрудниками. В этом методе закаливаемые детали подвергают действию магнитного поля переменных токов, получаемых от специальных машин, и затем быстро охлаждают. Вследствие скин-эффекта разогрев и последующая закалка возникают только в поверхностном слое, а вся основная масса остается незакаленной. Это позволяет получить изделия с высокой стойкостью к истиранию поверхности, но не обладающие хрупкостью, как при обычной закалке. [15]