8.4.2. 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 критических 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, т.к. позволяет более полно автоматизировать технологический процесс, проводя термическую обработку детали в общем потоке, без перемещения в термический цех.

Наибольшее распространение в промышленности получила технология нагрева токами высокой частоты.

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 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. 8.5). 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 (y,) определяется по формуле: y=4460·4π√ρ/μf [мм], где, ρ — удельное электрическое сопротивление, Ом×мм; μ — магнитная проницаемость, Гн/м; f — частота тока, Гц.

Из формулы видно, что чем выше частота тока, тем меньше толщина закаленного слоя. Частота тока определяется типом высокочастотного генератора. Полупроводниковые (тиристорные) и машинные генераторы обеспечивают получение тока частотой 500…10000 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 производиться 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.

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

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

Глубину закаленного слоя обычно назначают в пределах 0,8…1,2мм. Этот слой имеет высокую твердость. Сердцевина, имеющая ферритно-перлитную структуру, обеспечивает достаточно хорошую ударную вязкость. При необходимости упрочнения сердцевины перед закалкой ТВЧ производят улучшение (закалка и высокий отпуск).

Закалка с индукционным нагревом ТВЧ имеет следующие преимущества: высокая производительность из-за 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.