8.5. Поверхностная закалка
В большинстве случаев долговечность машин и механизмов зависит от износостойкости деталей подшипниковых узлов, зубчатых колес, кулачковых валов двигателей внутреннего сгорания и других деталей трущихся сочленений. Многие из этих деталей испытывают значительные знакопеременные ударные нагрузки. В этих случаях детали должны обладать главным образом высокой прочностью и твердостью поверхностного слоя, сочетающиеся с достаточной вязкостью сердцевины. Достичь этого можно применением различных способов поверхностного упрочнения. Одним из таких способов является поверхностная закалка.
Поверхностная закалка может быть достигнута за счет кратковременного нагрева поверхностного слоя металла до температуры закалки и последующего быстрого охлаждения. При этом скорость нагрева должна быть такой, чтобы тепло не успело распространиться в глубь детали, в противном случае произошла бы объемная закалка изделия.
Наибольшее распространение в технологии машиностроения получила индукционная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Сущность индукционного нагрева заключается в том, что при помещении детали в переменное магнитные поле высокой частоты (200…500 тыс. Гц) в поверхностном слое металла генерируются индукционные вихревые токи (токи Фуко), разогревающие поверхность со скоростью до 1000С/с. Толщина слоя, в котором генерируются токи и выделяется тепло, зависит от частоты тока и с ее увеличением уменьшается. Поэтому чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Однако вследствие теплопроводности глубина закаленного слоя несколько превышает глубину проникновения тока и составляет обычно 1…2 мм.
Режим высокочастотной закалки приводит к образованию в поверхностном закаленном слое мелкоигольчатого мартенсита с высокой твердостью и прочностью, что вызывает в поверхностном слое высокие остаточные напряжения. Поэтому после закалки ТВЧ все детали подвергаются обязательному низкотемпературному отпуску.
Схема установки для закалки ТВЧ при индукционном нагреве представлена на рис.30. Индуктор для нагрева выполняется из медный трубки, изогнутый по форме нагреваемой детали, со значительным воздушным зазором. В трубке для охлаждения циркулирует вода. Через индуктор пропускают ТВЧ большой силы. Возникающее при этом электромагнитное поле индуцирует вихревые токи, нагревающие поверхность детали.
Охлаждение поверхностного слоя детали производится или через полый индуктор с отверстиями, или с помощью душевой установки (рис.31,а). Некоторые виды индукторов для поверхностной закалки ТВЧ различных деталей показаны на рис.31,б. Длительность нагрева поверхности до закалочных температур составляет обычно 3…5 сек. Закалку с индукционным нагревом используют в основном для изделий из углеродистых сталей, содержащих 0,4…0,5% углерода.
Поверхностная закалка ТВЧ отличается высокой производительностью, хорошо поддается механизации и автоматизации и может быть легко встроена в общую технологическую линию изготовления детали. Кроме того, применение ТВЧ для нагрева улучшает санитарно-гигиенические условия труда. Однако высокая стоимость индукционных установок и необходимость изготовления для каждой детали собственного индуктора существенно удорожает процесс. Поэтому применение этого способа закалки экономически оправдано лишь в серийном и массовом производстве при изготовлении большого количества однотипных деталей сравнительно простой формы.
Вопросы для самопроверки
1. На каком явлении основана термическая обработка сталей?2. Назовите основные виды термической обработки сталей. В чем их сущность?
3. Можно ли применять стальное изделие сразу после закалки?
4. Какое изделие можно закалить – из стали с содержанием углерода 0,1% или 0,5 %? Почему?
5. Какое физическое явление лежит в основе нагрева детали ТВЧ? В чем сущность этого явления?
6. Для каких стальных деталей вы бы применили поверхностную закалку ТВЧ?
Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008
