Поверхностная закалка.

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твёрдую износостойкую поверхность, но чтобы её сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колёса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

Пламенная закалка. Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву ацетилено-кислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60ºС верхнюю критическую точку с последующим быстрым охлаждением водяным душем (струя воды).

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, проводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на её поверхности и значительно превышает количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остаётся незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твёрдость.

Для пламенной закалки поверхности применяются разнообразные устройства – от простой ручной горелки до сложных автоматов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, поэтому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие из большого количества сопел, или же горелки, имеющие смесительную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют в смеси с кислородом.

Охлаждающим средством служит вода. Если закаливаемая деталь не слишком тонка или не имеет сложной конфигурации, то нет опасности образования трещин, поскольку одновременно закаливаются обычно небольшие поверхности.

 

Рис11. Схема пламенной закалки: 1- горелка,2- трубка с водой, 3- закаленный слой

Качество пламенной закалки поверхности зависит прежде всего от температуры пламени и от того, насколько правильно охлаждение струёй воды. Глубина и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

На рис.11 приведена схема пламенной закалки. Горелку 1 перемещают вдоль поверхности нагреваемого изделия со скоростью 120-200 мм/мин. При такой скорости поверхностный слой металла нагревается до температуры 850ºС.

Расстояние от пламени горелки до поверхности изделия зависит от мощности горелки и обычно составляет 8-15 мм. Охлаждается нагретый слой изделия водой из трубки 2, следующей за горелкой с такой же скоростью. Глубина закалённого слоя 3 равна 2,5-4,5 мм.

Закалённый слой получает высокую твёрдость HRC 56-57 и остаётся чистым, без следов окисления и обезуглероживания. Переход структуры от поверхности к сердцевине плавный, что повышает эксплуатационную стойкость детали и полностью устраняет вредные явления – растрескивание и отслоение закалённых слоёв. Другим достоинством этого способа является простота и низкая стоимость оборудования, отсутствие обезуглероживания и окисления.

Недостатком ацетилено-кислородной закалки является трудность регулирования температуры нагрева и глубины закалённого слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

Закалка в электролите. При этом способе, предложенном советским инженером И. З. Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (5%-ный раствор Na2SO3). Корпус 5 (рис. 12) ванны является анодом, деталь 1 служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 220-380 В и плотностью 3-4 а/ выделяется водород, который осаждается на поверхности детали. Оседание пузырьков 2 водорода резко повышает электросопротивляемость изделия, и поверхность детали нагревается до 900-940ºС. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например торцы, даёт возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность регулирования температуры, низкая производительность, ограниченное число деталей, подающихся закалке, и необходимость предохранения их от коррозии.

Поверхностная закалка токами высокой частоты даёт возможность в короткое время получить на изделии хорошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В. П. Вологдиным. При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спирали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток создаёт вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изделии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности изделия и нагревают его на определённую глубину. Чтобы спираль первичного тока не нагревалась, её делают из медной трубки, через которую пропускают воду. Такие спирали называют индукторами.

 

Рис.12. Закалка в электролите: 1- деталь, 2- пузырьки,3- генератор, 4- электролит, 5- корпус.

Индукторы могут иметь несколько витков или один, охватывающий нагреваемое изделие. Форма индуктора должна соответствовать форме закаливаемого изделия.

Для получения тока высокой частоты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индуктором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляет 2-5 мм.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований различают три способа высокочастотной закалки.

Для закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки; вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключает индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Для закалки отдельных участков детали применяют способ последовательной закалки: поверхность нагревается и охлаждается по частям, например каждый зуб зубчатого колеса.

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: высокая производительность и большая экономичность, более высокая твёрдость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закалённого участка, отсутствие окалины и меньшее коробление закалённых деталей, возможность автоматизации процесса, улучшение условий труда рабочих и др.