2. Поверхностное упрочнение стальных деталей термической и химико-термической обработкой
Таким деталям, как, например, шестерни, требуется высокая твёрдость на поверхности и вязкая сердцевина. Эти детали изготавливают из малоуглеродистых незакаливающихся сталей или легированных сталей с содержанием углерода не более 0,3% (например, 18ХГТ, 12Х2Н4А и др.), склонных незначительно упрочняться при закалке.
Условия цементации: детали нагревают до t = 900 – 950 ºС в углеродсодержащей среде, которая называется карбюризатором. Выдержка при этой температуре из расчета на толщину цементированного слоя 0,5 - 2,0 мм и скорости цементации 0,1 мм/час, при твердой цементации (карбюризатор – гранулы древесного угля); 0,15 мм/час при газовой (газ типа Cn Н2n, Cn Н2n+1), 0,3 - 1,0 мм/час при жидкой (расплав солей). Температура нагрева выбрана не случайно, т. к. при такой температуре стали состоят из аустенита, который способен растворить большое количество углерода, (рис. 1). Обычно на поверхности детали содержание углерода после цементации составляет около 1,0%, рисунок 10.
Рисунок 10 - Микроструктура цементованного слоя: 1 – зона заэвтектоидной стали; 2 – зона эвтектоидной стали; 3 – зона доэвтектоидной стали; 4 – зона с исходной структурой
После цементации проводят термообработку детали – закалку и низкий отпуск при t = 150 - 200°С. Закалку проводят по одному из следующих режимов:
а) после газовой или жидкой цементации детали подстуживают до t = 780 - 800°С и затем закаливают. Этот режим применяют для наследственно мелкозернистых сталей;
б) остывшие после цементации детали нагревают до t=850-900°С и закаливают;
в) двойная закалка – первая с температуры нагрева t=850-900, вторая с t=760-800°С. Назначение первой – измельчить структуру сердцевины детали и разрушить цементитную сетку на поверхности, второй – измельчить структуру поверхности, добиться шаровидной формы цементита на поверхности.
Структура цементованного слоя после термообработки показана на рисунке 11 и 12.
Рисунок 11 - Микроструктура цементованного слоя легированной стали после термообработки: полная закалка + низкий отпуск
Рисунок 12 - Микроструктура цементованного слоя легированной и углеродистой стали после термообработки: неполная закалка + низкий отпуск
Детали, требующие местного упрочнения части поверхности, изготавливают из среднеуглеродистых сталей с 0,4…0,6%С (40, 45, 40Х, 40ХНМ и др.). Как правило для таких сталей вначале делается нормализация или улучшение, а затем закалка поверхностного слоя токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 3…5 мм (шейки коленчатого вала, кулачки распредвалов и др.) рабочей части детали (лапа культиватора, нож сенокосилки) с последующим охлаждением в закалочной среде. Затем делается низкий отпуск. Твёрдость поверхности – 58…65 НRC.
Режим высокочастотного нагрева определяется частотой тока, удельной мощностью, сообщаемой изделию, и временем нагрева. От правильного выбора частоты тока зависит эффективность применения высокочастотного нагрева.
Необходимую частоту тока f в зависимости от глубины закаленного слоя b в мм определяют по следующим формулам:
|
для деталей простой конфигурации |
f=(5·104)/b2, Гц |
|
для деталей сложной конфигурации |
f=(5·105)/b2, Гц |
|
для зубчатых колес с модулем т |
f=(2·106)/m2, Гц |
При повышении частоты тока (против подсчитанных по этим формулам) удлиняется время нагрева (уменьшается глубина проникновения тока) и резко снижается КПД.
Таблица 1. Глубина закалки токами различных частот.
|
Частота тока, Гц |
250000 |
8000 |
2500 |
1000 |
500 | |
|
Глубина закаленного слоя в мм. |
наименьшая |
0,3 |
1,3 |
2,4 |
3,6 |
5,5 |
|
наибольшая |
2,5 |
5,5 |
10 |
16 |
22 | |
|
оптимальная |
3,0 |
2,7 |
5 |
8 |
11 | |
В табл. 1 приведены значения наиболее выгодной (оптимальной) глубины закаленного слоя и возможные пределы ее изменения для различных частот.
Необходимая частота тока зависит также от диаметра изделия и определяется по следующим формулам:
-
для КПД индуктора >= 0,8
fmin >= 250000 / D2
для КПД индуктора >= 0,7
fmin >= 30000 / D2
Для определения режимов нагрева при поверхностной закалке можно пользоваться графиками, приведенными на рисунке 13, отражающими зависимость сообщаемой изделию удельной мощности Р0 и времени нагрева от диаметра нагреваемого изделия для различных глубин закаленного слоя при частотах тока 250 000, 8000 и 2500 гц.
δ,см
а
δ,см
б
δ,см
в
Рисунок 13 -. Графики зависимости времени нагрева t (сплошные линии) и сообщаемой детали удельной мощности Р0 (пунктирные линии) от диаметра D нагреваемого цилиндра для различных глубин закаленного слоя при различных частотах токах:: а 250000 Гц; б 8000 Гц; в 2500 Гц.
Графиками нужно пользоваться следующим образом. Предположим, необходимо закалить вал диаметром 60 мм на глубину 4 мм. По табл. 1 определяем, что закалку на глубину 4 мм следует производить при нагреве током частотой 2500 гц. Следовательно, нужно пользоваться графиком, приведенным на рис. 1, в. По графику находим, что для получения закаленного слоя 0,4 см на вале диаметром 6 см необходим нагрев в течение 5.5—6,0 сек при удельной мощности, передаваемой изделию 0,9 квт/см2.