Сведения из теории.

В процессе поверхностной закалки на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. Цель поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхностного слоя изделия при сохранении вязкой сердцевины, способной воспринимать ударные нагрузки. Поверхностную закалку можно проводить двумя способами. В первом случае нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. Во втором случае нагревают всю деталь, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью выше критической. Основные способы поверхностной закалки: с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ), газопламенная, с использованием лазерного излучения.

Закалка с индукционного нагрева (ТВЧ). Индукционный нагрев для термической обработки был впервые предложен в 1935 г. В. П. Вологдиным. В 1937 г. этот процесс был применен на ЗИЛе для упрочнения деталей автомобиля. Способ закалки с нагревом ТВЧ заключается в следующем. В переменное электромагнитное поле, создаваемое электрическим током высокой частоты, помещают металлическую деталь. В поверхностном слое детали индуцируются вторичные вихревые токи Фуко, вызывающие нагрев поверхностного слоя детали.

Рисунок 1 – Индукционный нагрев: а – схема индукционного нагрева; б – закалка; I – при одновременном нагреве всей поверхности; II – закалка при непрерывно-последовательном нагреве; 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – спрейер; 4 – силовые линии магнитного поля.

Индуктор (соленоид) представляет собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины. Закалку осуществляют с помощью душевого устройства (спрейера), часто совмещаемого с индуктором.

Плотность индуктированного переменного тока, по сечению проводника (нагреваемого изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около 90% теплоты выделяется в слое толщиной x, которая находится в следующей зависимости от частоты тока f (Гц), магнитной проницаемости μ (Гн/м) и электросопротивления ρ (Ом·см) нагреваемого металла:

.

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри (768°С), вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при установлении режима нагрева. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений (A₁ – А₃) для доэвтектоидной стали составляет ~30 – 300°С/с.

Для получения слоя, толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока составляет 50000 – 60000 Гц, для слоя толщиной 2 мм ~ 15000 Гц и для слоя толщиной 4 мм всего ~ 4000 Гц.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5–3,0 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки 4 – 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10–15 мм и выше. Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20% всего сечения.

Источником электропитания служат чаще всего машинные и реже, ламповые генераторы. Когда глубина закалки 1-3 мм и более, применяют машинный генератор, имеющий диапазон рабочих частот 500 – 8000 Гц и мощность 12 – 500 кВт. Для нагрева деталей машин, требующих малую глубину закалки (десятые доли миллиметра), используют ламповые генераторы с частотой до 450000 Гц и мощностью 10–200 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ производят на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5 –3,0°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенитизации и получения при охлаждении оптимальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости. (например, при печном нагреве стали с 0,4% С температура закалки 840-860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250°С/с – 880-920°С, а со скоростью 500°С/с – 980-1020°С).

При выполнении индукционного нагрева следует учитывать эффект близости. В системе из двух проводников, по которым течет переменный ток разного направления, наибольшая плотность тока создается в тех частях, которые ближе расположены друг к другу. В связи с этим, для получения закаленного слоя равномерной толщины расстояние от индуктора до поверхности детали должно быть одинаковым, а форма индуктора симметричной нагреваемой поверхности детали.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200 °С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4–0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.) которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50 – 60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость HRC больше на 3 – 5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью охлаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки. После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита мельче (балл 10 – 12), чем при обычной закалке с печным нагревом (балл 7 – 8). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

Предварительное улучшение или нормализация, при которых можно получить мелкодисперсную исходную структуру, и использование высоких скоростей нагрева (500 – 1000°С/с) при аустенитизации позволяют получить особо мелкое зерно аустенита (балл 14 – 15) и очень тонкий мартенсит. Сталь с таким зерном обладает высокой прочностью (σ_в ≤ 250 кгс/мм²) и пластичностью (ψ ≤ 20%). При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости (при испытании образца с надрезом) для стали с 0,4% С после нормализации составляет 15 кгс/мм² (100%), а после поверхностной закалки 42 кгс/мм² (285%). Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия (50 – 60 кгс/мм²) (При знакопеременной нагрузке трещины усталости, как правило, возникают на поверхности под влиянием растягивающих напряжений. При образовании на поверхности остаточных напряжений сжатия они уменьшают растягивающие напряжения, возникающие от внешней нагрузки, и поэтому повышается предел выносливости).

Поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве (объемно-поверхностная закалка). Глубина нагрева до надкритических температур больше, чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение, нагреваются насквозь. Глубина закалки определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемостью стали, поэтому для поверхностной закалки применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит (HRC ~ 60), а в сердцевине, поскольку здесь скорость охлаждения меньше критической – сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее (HRC 30 – 40, σ_в = 120 – 130 кгс/мм²). Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной или регламентированной прокаливаемости. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости (55ПП), содержащие 0,55 – 0,63% С и менее 0,5% примесей Si, Mn, Cr, Ni и Сu и регламентированной прокаливаемости (47 ГТ), содержащие 0,44-0,51% С; 0,9 – 1,2% Мn; 0,06 – 0,12% Ti.

Преимущества высокочастотного нагрева: а) высокая производительность; б) отсутствие выгорания углерода и других элементов, отсутствие заметного окисления и образования окалины; в) минимальное коробление; г) глубина закаленного слоя может точно регулироваться.

Закалка с газопламенным нагревом. Применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400 – 3150°С). Вследствие подвода значительного количества теплоты поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм, а его твердость для стали с 0,45 – 0,5% С, HRC 50 – 56. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

Закалка с использованием лазерного излучения.Лазерное поверхностное упрочнение позволяет снизить общие затраты энергии более чем в 3 раза в сравнении с закалкой ТВЧ, и более чем в 20 раз в сравнении с объемной закалкой в печи.

Для поверхностной закалки чаще всего применяют газовые СО₂ – лазеры непрерывного действия или импульсные твердотельные лазеры мощностью 0,5 – 10 кВт. Кратковременное воздействие лазерного излучения (10^-3 – 10^-8 с) вызывает разогрев небольшого объема металла (до 4 мм в диаметре и до 1 мм глубиной), который закаливается вследствие быстрого отвода теплоты в металл. В случае нагрева до оплавления возможно образование аморфного металла. (В аморфном состоянии отсутствует дальний порядок в расположении атомов а, следовательно, кристаллическая анизотропия и дефекты кристаллического строения, такие как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и дефекты упаковки. Для аморфного состояния присуща как идеальная атомно-структурная однородность, обусловленная отсутствием перечисленных дефектов с высоколокализованной избыточной энергией, так и идеальная фазовая (химическая) однородность. Аморфные сплавы, независимо от концентрации компонентов представляют собой однофазную систему, состоящую из пересыщенного твердого раствора, атомная структура которого аналогична атомной структуре переохлажденного расплава. Аморфные сплавы обладают высокой микро- и макрооднородностью – отсутствуют источники фазовой неоднородности, как избыточные фазы, ликвация, различного рода сегрегации, т.е. сильно отличающиеся по атомному строению и химическому составу объемы.

При аморфизации модуль упругости снижается приблизительно на 30 % (силы межатомной связи уменьшаются), твердость и прочность резко возрастают. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные сплавы (~3000МПа).)

Обычно след воздействия луча лазера состоит из последовательно расположенных округлых пятен, каждое из которых имеет две термические зоны: центральную и периферийную. Микроструктура стали в пятне (от периферии к сердцевине): белая зона – нетравящийся мелкодисперсный мартенсит, затем крупноигольчатый мартенсит и мартенситно – ферритная смесь неполной закалки.

Лазерная обработка применяется для упрочнения углеродистых и легированных конструкционных и легированных сталей (40, 45, У10, Х12, ХВГ, Р18, ШХ15), серых, ковких и высокопрочных чугунов.