3.2.4. 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.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработ­ки, заключающийся в нагреве поверхностного слоя изделия до темпе­ратуры выше Ас} для доэвтектоидных и Асх для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью получения структуры мартен­сита в поверхностном слое (рис. 3.11).

Наиболее распространены следующие методы поверхностной за­калки: с индукционным нагревателем (нагрев токами высокой час­тоты - ТВЧ), газоплазменная поверхностная и в электролите. Все способы поверхностной закалки основаны на быстром нагреве по­верхностного слоя выше точек фазовых превращений и последующем охлаждении, приводящем к тому, что слой I, нагретый выше темпера­туры Асъ, 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.

Рис. 3.11. Кривые распределения температуры и твердости после закалки по сечению изделия (а) и схема индукционного нагрева (б)

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.

Призакалке ТВЧ изделия помещают в специальный индуктор (ка­тушку), состоящий из одного или нескольких витков медной трубки (рис. 3.11, б). Для равномерного нагрева поверхности изделий раз­личной формы применяют индукторы, по форме и размерам соответствующие деталям. Через индуктор 1 пропускают переменный ток высокойчастоты(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 HRC, выше, 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...60 HRC3), сопротивляемость из­нашиванию и не склонны 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. .