4.7.2. Поверхностная закалка стали

Для повышения твердости, износостойкости поверхности и предела выносливости изделий широко используют поверхностную закалку. Для поверхностной закалки детали необходимо нагреть под закалку только поверхностный слой заданной толщины. Нагрев должен быть быстрым для предотвращения прогрева сердцевины до закалочных температур. Методы поверхностной закалки различаются способами нагрева.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при поверхностном нагреве токами высокой частоты (ТВЧ). При на­греве ТВЧ в специальном индукторе используется явление индукции и поверхностного распределения индуцированного тока в детали.

Изменяя частоту тока, можно изменять глубину нагреваемого слоя. Индукционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагрева

-50...500 °С/с (при печном нагреве они не превышают 1,5 3 °С/с).

Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2... 10 с. Глубина нагреваемого слоя обычно составляет 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 должна быть выше, чем при нагреве в печах. При индукционном нагреве зерно ау­стенита получается значительно мельче, чем при обычном печном на­греве. Мелкое зерно образуется вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. В процессе закалки из мелкозер- 120 нистого аустенита образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердо­стью на 3-6 единиц HRC выше, чем при печном нагреве.

Для закалки обычно используют спрейерное охлаждение (водой или водными растворами полимеров).

Различают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

• одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности (для из­делий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность: инструмен­тов, валиков, пальцев);

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

• последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков (для закалки шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), кулачков распределительных валов и т.д.).

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низ­кому отпуску при 160...200 °С или самоотпуску. Для обеспечения са- моотпуска охлаждение при закалке проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Закалку ТВЧ применяют для изделий из углеродистых сталей, со­держащих 0,4...0,5 % С, которые после закалки должны иметь высо­кую твердость (55...62 HRC), сопротивляемость износу и не должны иметь склонность к хрупкому разрушению, реже - для легированных сталей (40Х, 45Х, 40ХН и др.).

Структура на поверхности изделий представляет собой мартенсит от­пуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработа­на, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для обеспечения более высокого комплекса механических свойств сердцевины изделий перед за­калкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

Поверхностная закалка с индукционным нагревом рентабельна только при массовом производстве однотипных деталей, так как для каждой конфигурации детали необходимо изготовить соответствую­щий ей индуктор и подобрать определенный режим обработки.

Другой метод - поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве (объемно-поверхностная закачка). В этом случае глубина нагрева под закалку может быть больше, чем глубина закалки (прокаливаемость), - тонкие детали нагреваются насквозь. При этом глубина закаленного слоя зависит не от толщины прогретого слоя, а от прокаливаемости стали.

Для такого вида закалки используют специально разработанные стали пониженной (1111) или регламентированной прокаливаемости (РП). Необ­ходимый уровень прокаливаемости достигается ограничением содержания примесей (Mn, Si, Cr, Ni и др.), модифицированием Al, Ti, V, Zr, Nb для получения мелкого зерна аустенита (и снижения прокаливаемости), а так­же получением нерастворимых частиц AIN, TiC и др.

Например, сталь пониженной прокаливаемости 55ПП содержит

1. 55...0,63 % С и менее 0,5 % примесей (Si, Mn, Сг и Си), глубина за­каленного слоя менее 2...3 мм; сталь регламентированной прокали­ваемости 47РП содержит 0,44...0,51 % С, 1... 1,2 % Мп (задает глуби­ну слоя) и 0,06...0,12 % Ti (обеспечивает мелкое зерно), глубина зака­ленного слоя 7...8 мм.