Вопрос 3. Способы поверхностного упрочнения стали.

Долговечность работы машины зависит от того, как изнашиваются различные трущиеся поверхности, как возникают и развиваются трещины, особенно при знако-переменных нагрузках, т.е. долговечность зависит от качества поверхностного слоя де-тали. Поэтому в машиностроении широко используют не только методы объёмного упрочнения изделий, но и методы, обеспечивающие различное сочетание свойств в по-верхностном слое и внутреннем объёме деталей. Обычно к поверхностному слою дета-лей предъявляют более высокие требования по прочности, твёрдости, износостой-кости, коррозионной стойкости, трещиностойкости. В то же время в основном объёме детали материал должен обладать более высокой пластичностью и ударной вязкостью, что обеспечивается при пониженной твёрдости. При значительном изнашивании дета-лей требуется повышенная поверхностная твёрдость. Для деталей, работающих в узлах трения, необходимо обеспечить комплекс высоких антифрикционных свойств. Для улучшения трещиностойкости обработку поверхности проводят так, чтобы устранить нарушения сплошности, царапины, коррозионные пятна, снять неблагоприятные оста-точные напряжения и создать напряжённый поверхностный слой, характеризующийся действием сжимающих напряжений.

Наиболее распространёнными способами упрочняющей обработки поверхности деталей являются способы химико-термической, поверхностной термической, дефор-мационной и деформационно-термической обработки, поверхностного легирования (лазерного, электроискрового). Особенностью поверхностного упрочнения является создание в поверхностном слое напряжений сжатия. При удалении от поверхности напряжения сжатия уменьшаются и на определённом расстоянии меняют свой знак. В сердцевине возникают напряжения растяжения. Желательно, чтобы напряжения растя-жения были минимальны и по значению, и по объёму изделия. Поверхностный упроч-нённый слой должен иметь хорошее сцепление с внутренней частью изделия. Поэтому он не должен резко отличаться по химическому составу. Например, наплавка другим составом не всегда пригодна для упрочнения сильно нагруженных изделий.

К методам упрочняющей обработки, не вызывающим существенного изменения химического состава поверхностного слоя, относятся методы поверхностной закалки и деформационного упрочнения поверхности деталей.

Поверхностная закалка.

Основное назначение поверхностной закалки — повышение твёрдости, износо-стойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остаётся вязкой и хорошо воспринимает ударные нагрузки. При поверхностной закалке обеспе-чивается упрочнение поверхностного слоя без изменения его химического состава. По-этому поверхностный слой имеет обычно хорошее сцепление с внутренними слоями и менее хрупок по сравнению со слоями, получаемыми другими методами.

Методы поверхностной закалки различают по способу нагрева:

- индукционный токами высокой частоты (закалка ТВЧ);

- электроконтактный;

- газопламенный;

- концентрированными потоками энергии (лазерный, электронно-лучевой).

Нагрев поверхности при закалке проводят до разных температур:

- для сталей обеспечивая закалку с температур аустенитного состояния;

- для чугунов возможны два варианта: закалка поверхности от температур аустенитного состояния (как и для сталей) и закалка поверхности от температур жид-кого или твердожидкого состояния (закалка с оплавлением).

К особенностям поверхностной закалки относят высокие скорости нагрева; крат-ковременное пребывание в нагретом состоянии и высокие скорости охлаждения. Бла-годаря этим особенностям изделия, подвергнутые поверхностной закалке, получают более высокую твёрдость (на 2–3 ед. HRC), чем при объёмной закалке. При поверх-ностной закалке на поверхности возникают большие внутренние напряжения сжатия (700–800 МПа), а в сердцевине — растягивающие (300–400 МПа). Сжимающие напря-жения на поверхности обеспечивают её высокое сопротивление усталости и снижают чувствительность к концентраторам напряжений.

В практике наиболее часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом ТВЧ.

Закалка с индукционным нагревом. Индукционный нагрев происходит вслед-ствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещённом в переменное магнитное поле. Переменный ток, протекая через индуктор, создаёт переменное маг-нитное поле. В результате в поверхностном слое возникают вихревые токи, и происхо-дит выделение теплоты. Оптимальная толщина закалённого слоя определяется усло-виями работы детали. Когда изделие работает только в условиях изнашивания или ус-талости, толщину закалённого слоя чаще принимают 1,5–3,0 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки — 4–5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок толщина закалённого слоя составляет 10‑15 мм и выше. Обычно считают, что площадь сечения закалённого слоя должна быть не более 20% всего се-чения. Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через душевое устройство (спрейер).

Существуют следующие способы закалки с индукционным нагревом:

- одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; применяют для изде-лий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (пальцы, валики, осевые инстру-менты);

- последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; используют при закалке шеек коленчатых валов, зубчатых колёс с модулем более 6, кулачков распре-делительных валов и т.д.;

- непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; применяют для закалки длинных валов, осей и т.д.; при этом методе изделие перемещается относительно не-подвижных индуктора и спрейера (или наоборот).

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200 С, нередко и самоотпуску. При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твёрдость на 3–5 ед. HRC больше, чем при объёмной закалке, что объясняется высокой скоростью охлаждения при поверхност-ной закалке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность само-отпуска в процессе закалки.

Для поверхностной индукционной закалки применяют среднеуглеродистые ста-ли 40; 45; 40Х; 45Х; 40ХН и другие, которые после закалки имеют высокие твёрдость, износостойкость и не склонны к хрупкому разрушению.

Когда требуется получение закалённого слоя большой глубины, используют по-верхностную закалку с глубинным индукционным нагревом (объёмно-поверхностную закалку). В этом случае глубина закалки определяется не глубиной нагрева, а прокали-ваемостью стали. Для глубинного нагрева используют стали пониженной (55ПП, 110ПП) или регламентированной (47ГТ, ШХ4РП) прокаливаемости. Сталь 55ПП ис-пользуют для деталей, у которых глубина закалённого слоя должна быть до 3 мм. В стали регламентированной прокаливаемости получение закалённого слоя глубиной 7–8 мм обеспечивают легирующие элементы.

Закалка ТВЧ имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с объёмной закалкой. К ним относят:

- сравнительно низкую трудоёмкость, высокую производительность, возмож-ность механизации и автоматизации процесса;

- отсутствие выгорания углерода, окисления и образования окалины;

- минимальные деформации и коробление;

- возможность точного регулирования глубины закалённого слоя;

- возможность использования сравнительно дешёвых сталей.

В то же время этот метод экономически нерентабелен при закалке единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и по-добрать режим обработки.

Впервые метод закалки ТВЧ был применён в 1935 г. для термической обработки автомобильных деталей В. П. Вологдиным.

Закалку с газопламенным нагревом применяют для крупных изделий (прокат-ных валков, валов и т.д.). Поверхность деталей нагревают газовым пламенем, имею-щим высокую температуру (2 400–3 150 °С). Вследствие подвода значительного коли-чества теплоты поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тог-да как сердцевина деталей не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Толщина закалённого слоя обычно равна 2–4 мм. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объёмная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в об-щий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

Поверхностную лазерную закалку осуществляют при кратковременном (от де-сятых до миллионных долей секунды) нагреве изделия концентрированным потоком энергии лазерного пучка и быстрого охлаждения. Для этого используют как газовые СО₂-лазеры непрерывного действия, так и твердотельные лазеры импульсного и им-пульсно-периодического действия. Нагрев осуществляется как с расплавлением метал-ла, так и без него. Наибольшая толщина слоя без оплавления стали не превышает 2,0 мм, а чугуна — 1,5 мм. При обработке с оплавлением толщина упрочнённого слоя больше. Лазерную обработку с оплавлением поверхности успешно применяют для уп-рочнения литых изделий из перлитного серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Поверхностная закалка при нагреве лазером без оплавления повышает в 2–4 раза изно-состойкость, на 70–80% предел выносливости при изгибе и на 60–70% предел кон-тактной выносливости. Лазерная термическая обработка обеспечивает высокую произ-водительность и возможность автоматизации процесса. Возможность менять направле-ние лазерного пучка с помощью оптических систем позволяет вести обработку строго определённых участков и контуров деталей сложной формы. Регулируя режим лазер-ной обработки, можно формировать в поверхностных слоях различную дисперсность структуры и различную плотность дефектов. При лазерной обработке можно формиро-вать как более прочные слои, так и более вязкие, а также комбинировать структуру слоёв, обеспечивая композиционный характер поверхности.