Что такое поверхностная закалка

От свойств верхних слоев металлических заготовок зависит их конструкционная прочность, устойчивость к износу, предел выносливости, срок эксплуатации. Изгибающие циклические нагрузки, интенсивное трение и механическое воздействие детали выдерживают при поверхностной закалке материала. Вязкость сердцевины обрабатываемого изделия при этом сохраняется.

Целью поверхностной закалки является повышение твердости.

Что такое поверхностная закалка

В основе технологии лежит нагрев стальной заготовки до температуры, которая превышает критическую отметку, с последующим охлаждением. Каждый из этапов термообработки выполняется быстро, поэтому воздействию подвергаются только наружные слои изделия.

Зерно аустенита за это время вырасти не успевает. Это позволяет избежать потери пластичности стального сплава, снизить порог его хладноломкости и склонность к разрушению. Результат — увеличение предела выносливости, твердости, износостойкости конструкции при сохранении пластичности ее сердцевины.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Перекристаллизация металла происходит при его нагреве с превышением критического уровня температуры на 30‑50 °С и дальнейшим охлаждением после достаточной выдержки времени. Она решает задачу по предотвращению преобразования аустенита в перлит. Особенность стальной детали после проведения закалки — неравновесная структура.

Перекристаллизация металла происходит после достаточной выдержки времени.

Чтобы смягчить этот эффект, снять остаточные напряжения, снизить хрупкость, металл отпускают, повторно нагревая его до температуры, которая не достигает критической отметки. Так удается добиться оптимального сочетания прочности и пластичности. Обработка помогает увеличить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение, удлинение стали при одинаковом химическом составе и твердости заготовок.

Полиморфность металлов

Явление образования нескольких разных по характеристикам простых веществ на базе одного химического элемента называют аллотропией. При этом возможно изменение структуры и свойств материала, состоящего из того же вида атомов (углеродсодержащие алмаз и графит имеют разную твердость, физическую структуру, цвет). Другое название этого явления — полиморфизм. У металлов он проявляется в основном при температурной обработке.

Происходит перестройка кристаллической решетки. Одновременно вещество приобретает новые свойства (изменяется электро- и теплопроводность, плотность, теплоемкость), переходя в новую модификацию. Аллотропия стальных сплавов применяется в промышленности для увеличения прочностных показателей.

Под действием температуры улучшаются характеристики урана, олова, железа, кобальта, бериллия, титана.

Что происходит внутри стали

Независимо от технологии поверхностной закалки металлической заготовки, в основе процесса лежит ее быстрый подогрев до более высокой температуры, чем точка фазового превращения для выбранного сплава. После этого деталь сразу остужают.

В основе процесса лежит подогрев металла.

В результате внутри стальной конструкции формируются такие зоны:

  1. Полная закалка. Речь идет о поверхностных слоях металла с мартенситной структурой, на которые оказывается максимальное термическое воздействие. Их толщина зависит от особенностей дальнейшей эксплуатации детали: 1,5‑3 мм для конструкций, подвергаемых усталостному износу, 10‑15 мм для изделий, которые должны выдерживать повышенные контактные нагрузки.
  2. Частичная закалка. Слои имеют феррито-мартенситную структуру. Твердость металла в этой зоне ниже, чем в поверхностной.
  3. Отсутствие термической обработки, влияющей на кристаллическую решетку материала.

В сравнении со стандартной процедурой полного закаливания заготовок при поверхностном воздействии выбирают на 100‑200 °С более высокую температуру. Выдержка времени не нужна.

Газопламенная закалка

Метод применяют при обработке крупных металлоконструкций: деталей станков, узлов электрических машин, прокатных роликов, валов, выполненных из чугуна, углеродистых, низколегированных сталей, материалов с низким содержанием углерода. Преимущества технологии — сохранение чистоты поверхности (на ней отсутствуют следы окислительных процессов) и сравнительно небольшая деформация с сохранением начальной геометрии заготовки.

Газопламенной закалкой могут обрабатываться все углеродистые стали.

Технология

Газоплазменная закалка выполняется в ацетилено-кислородном пламени. Во время нагрева специальной горелкой температура поверхности растет с высокой скоростью. За счет этого сердцевина детали не меняет своих свойств. Толщину поверхностной обработки регулируют изменением скорости перемещения факела и интенсивности подачи газовой смеси. Охлаждение металла производится погружением в быстроохлаждающую жидкость или обработкой под душем.

Параметры процесса

Технология предусматривает использование ацетилено-кислородного пламени температурой +2400…+3100 °С. Глубина закалки чаще всего составляет 2‑4 мм. Твердость сформированного после термической обработки слоя составляет 56 HRC.

Его структура — мартенсит. В зоне неполного нагрева начальная структура сплава преобразуется в мартенситно-троститную.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Технология широко распространена в промышленности из-за высокой производительности, возможности сохранения исходных геометрических параметров заготовки без объемных изменений металла. Нагревают его индукционно со скоростью 100‑1000 °С/с за счет возникновения в поверхностных слоях вихревых токов. Толщина обрабатываемого металла будет меньше при увеличении частоты (при этом его плотность растет).

Закалка токами высокой частоты широко распространена.

Сферы применения

Высокочастотная обработка эффективна при изготовлении деталей электрических машин, эксплуатация которых связана с интенсивным износом, частыми знакопеременными или динамическими нагрузками. Закалка ТВЧ поверхностей валов, режущих инструментов, зубчатых колес, выполненных из легированной или углеродистой стали, — оптимальное решение. Технология подходит также для конструкционных сплавов с 0,4‑0,55-процентным содержанием углерода.

Основные этапы

Работа оборудования может быть автоматизирована, когда все фазы выполняются в одной установке. В этом случае не потребуется организация отдельного цеха, транспортировка туда стальных заготовок, привлечение дополнительного обслуживающего персонала.

Независимо от особенностей организации производства выполняются такие этапы термообработки:

  1. Поверхностная закалка индуцированным током высокой частоты с выдержкой времени.
  2. Равномерное охлаждение под душем или в ванне путем погружения в подогретую до +30…+40 °С жидкость.
  3. Низкотемпературный отпуск в печи при +200 °С. Избежать образования микротрещин и добиться нормализации поверхностных слоев помогает высокая скорость перехода между технологическими этапами.

Соответствие металлоконструкции после проведения термообработки заданным при проектировании параметрам зависит от правильного выбора температурного режима.

Интенсивность нагрева — от содержания углерода в сплаве.

Преимущества и недостатки

Предел выносливости стальных конструкций при закалке ТВЧ увеличивается в 2‑2,5 раза. Это происходит за счет высокой скорости термообработки и минимального влияния рабочих растягивающих напряжений, которые возникнут в ходе эксплуатации в поверхностных слоях. Вязкость сердцевины при этом достаточна, чтобы выдерживать ударные контактные нагрузки.

При поверхностной закалке повышается предел выносливости стальных конструкций.

Дополнительные аргументы в пользу индукционного нагрева ТВЧ:

  1. Высокая производительность. Технология — лучшее решение для автоматизированного, массового, крупносерийного производства.
  2. Сжатые сроки окупаемости, энергоэффективность оборудования.
  3. Возможность работы на ограниченном поле.
  4. Отсутствие эффекта обезуглероживания. Из-за скорости термообработки удается исключить диффузионные процессы, что позволяет сохранить мелкое аустенитное зерно и мартенсит с мелкопластинчатой структурой.
  5. Минимальная деформация заготовки.

Сложности в применении технологии возникают при обработке деталей сложной геометрии.

Это связано с необходимостью выдержки постоянного зазора между поверхностью и индуктором.

Конструкция современных установок

Закалка ТВЧ предусматривает использование специализированного оборудования, которое содержит высокочастотный генератор, индукторный контур и устройство, обеспечивающее равномерное перемещение заготовки.

На предприятиях применяют такие виды источников питания:

  • полупроводниковые преобразователи (160‑800 кВт, 1‑4 кГц);
  • электрические машины (50‑2500 кВт, 2,5‑10 кГц);
  • электронные ламповые устройства (10‑160 кВт, 70‑400 кГц).

Для работы с деталями малых размеров (наконечниками пружин, иглами) используют микрогенераторные установки. Они нагревают металл за 0,01‑0,001 с при 50 МГц. Исходя из геометрии изделий, выбирают конструкцию индуктора. Для колес, валов, отверстий подходит кольцевой, для поверхностей большой площади — петлевой, для заготовок сложной конфигурации — фасонный контур.

Другие методы поверхностной закалки

Широко используются на предприятиях узкоспециализированные технологии термообработки. Возможно упрочнение ограниченных участков деталей, их изготовление мелкими партиями, выпуск тестовых образцов.

Лазерная

Этот способ применяют при необходимости повышения усталостной прочности и стойкости к износу отдельных поверхностей металлоконструкций в случае, когда использование других методик технологически невозможно или затруднено. Закалка выполняется с помощью газового квантового или оптического (твердотельного) лазера.

Лазерная закалка повышает стойкость к износу.

Тепловая энергия генерируется из узкого светового пучка высокой концентрации. Скорость нагрева поверхности составляет 3‑7 секунд. Принудительное охлаждение заготовки при этом не нужно, что существенно снижает уровень сложности процесса обработки. Оборудование работает с высокой производительностью, толщина слоя увеличенной прочности составляет 0,3‑1 мм.

В электролите

В основу технологии заложен эффект нагрева катода, который происходит при пропускании постоянного тока 220‑250 В через раствор кальцинированной соды (его концентрация составляет 5‑10%), выступающий в роли электролита. В этой системе роль анода выполняет емкость, предназначенная для погружения в нее детали. Катод — само закаливаемое изделие. При использовании этой методики наружные слои приобретают мартенситную структуру, сердцевина — ферритную и сорбитообразную перлитную.

В процессе диссоциации раствора кальцинированной соды на поверхности металла образуется плотная оболочка из атомов водорода. Ее высокое электрическое сопротивление становится причиной увеличения температуры поверхности. При отключении системы от источника питания начинается охлаждение стальной заготовки без необходимости ее погружения в другую среду.

Отпуск после закалки

Основная задача проведения процедуры повторного нагрева детали — снятие внутренних напряжений и приведение характеристик материала к требуемым показателям. Устраняется неравновесность внутренней структуры сплава. Более устойчивого состояния металла достигают при условии преобразования остаточного аустенита и распада тетрагонального мартенсита. Интенсивность внутренних процессов зависит от режима отпуска.

При повторном нагреве детали происходит снятие внутренних напряжений.

Низкий

При работе с инструментальными сталями снять внутренние напряжения, снизить хрупкость материала, увеличить твердость и стойкость к истиранию можно при низкой температуре нагрева (до +150…+250 °С). Выдержка времени составляет 1‑3 часа.

Средний

При изготовлении деталей машин, для которых важна высокая упругость (рессор, пружин) термообработку выполняют при +250…+400 °С. В результате внутренняя структура преобразуется в тростит отпуска. Изделия обладают стойкостью к динамическим нагрузкам, твердостью.

Высокий

Для обработки конструкционных сталей рекомендуют температуру повторного нагрева +450…+680 °С в течение 1 часа. За счет этого формируется кристаллическая решетка, обладающая повышенной пластичностью, твердостью и вязкостью, что обеспечивает стойкость готовых изделий к динамическим, ударным, статическим нагрузкам.

Распространенные дефекты, возникающие при термической обработке

Несоблюдение технологии поверхностной закалки приводит к появлению брака. При отсутствии внешних признаков это обнаруживается в процессе проведения испытаний (изделие не выдерживает нагрузки, теряет первоначальную форму, на нем появляются трещины).

Недостаточная твердость

Уровень прочности и ударной вязкости в зоне закалки может не соответствовать заданным при проектировании параметрам, если не соблюдается температурный режим или скорость охлаждения. Это приводит к увеличению хрупкости сплава с одновременным ростом зерна аустенита. Такие конструкции не выдерживают испытаний на излом и требуют повторной закалки.

Уровень прочности в зоне закалки может не соответствовать нужным параметрам.

Мягкие пятна

При неравномерном остывании заготовки, недостаточной очистке поверхности от загрязнений, нарушениях однородности структуры металла возможно образование локализованных участков малой прочности. После повторной термообработки брак устраняется.

Пережог и закалочные трещины

Превышение уровня нагрева до показателей, которые близки к температуре плавления, приводит к интенсивному образованию окислов в межзерновом пространстве. Внутренняя структура стального сплава нарушается, он теряет свои прочностные характеристики. Использовать металл в дальнейшем нельзя.

Трещины возникают при наличии концентраторов напряжения на поверхности (выступов, отверстий, углублений), при превышении сопротивления сплава отрыву уровня внутреннего напряжения растяжения. Их относят к дефектам, которые не поддаются устранению. Чтобы свести к минимуму вероятность появления трещин, рекомендуют проводить закалку при минимально возможных температурах, медленное охлаждение с отпуском.

Коробление и деформация

Причиной брака, который сопровождается изменением формы заготовки, часто становятся структурные и термические напряжения, которые возникают при неоднородном воздействии на металл. Чтобы свести к минимуму вероятность появления таких проблем, на производстве применяют прессы, штампы, позволяющие зажимать изделия на время их охлаждения.

Обезуглероживание и окисление поверхности

Отсутствие контролируемой атмосферы в пламенных или электропечах приводит к возникновению брака. Припуск на механическую обработку деталей при этом увеличивается. Минимизировать такие явления можно, если использовать соляные ванны или задействовать оборудование с искусственной рабочей средой.

Строгое соблюдение технологии поверхностной закалки, учет марки стали и особенностей будущей эксплуатации деталей обеспечивают стабильность их характеристик, длительный срок службы. У каждой из методик есть достоинства, сложности в применении, которые определяют сферу использования. Поэтому при выборе специалисты практикуют индивидуальный подход к решению производственных задач.

Оставить свой отзыв

©2013-2020    Копирование материалов запрещено
Рекламодателям
Авторские права
Пользовательское соглашение
Персональные данные
Политика конфиденциальности
Содержание    //    Вверх
Adblock
detector
","snd":"","res_of":"∞","res_to":"720"}]},{"how":{"outgoing":{"cross":"true","timer":"false","timer_count":"0","cookie":"true","whence":"3","indent":"0","after":"1500","px_s":"px","close_window":"false"}},"ID":"4212","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"1024","res_to":"∞"}]},{"how":{"onсe":{"direction":"top_to_bottom","before_after":"after","N":"1","selector":".flat_pm_start~p","search_all":"false"}},"ID":"4213","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"1024","res_to":"∞"}]},{"how":{"iterable":{"direction":"top_to_bottom","before_after":"before","N":"10","selector":"p","search_all":"false"}},"ID":"4214","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"1024","res_to":"∞"}]},{"how":{"simple":{"position":"3"}},"ID":"4215","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n\n\n\n<\/ins>\n","snd":"","res_of":"1024","res_to":"∞"}]},{"how":{"onсe":{"direction":"top_to_bottom","before_after":"after","N":"1","selector":".flat_pm_start~p","search_all":"false"}},"ID":"4216","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"∞","res_to":"720"}]},{"how":{"iterable":{"direction":"top_to_bottom","before_after":"before","N":"8","selector":"p","search_all":"false"}},"ID":"4217","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"∞","res_to":"720"}]},{"how":{"simple":{"position":"3"}},"ID":"4218","html":[{"fst":"\n
<\/div>\n","snd":"","res_of":"∞","res_to":"720"}]}];