Химико – термическая обработка (ХТО).

 Химико-термической обработкой на­зывается процесс поверхностного насыщения стали различными элементами при высокой температуре.

ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационую и корррозионную стойкость и, создавая на поверхности изделия благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долглвечность.

Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий:

- диссоциации, которая заключается в распаде молекул и об­разовании активных атомов диффундирующего элемента. Напри­мер, диссоциации окиси углерода 2СО-СО₂ + С или аммиака 2NН₃-ЗН₂ + 2N;

- адсорбции, т. е. контактирования атомов диффундирующего эле­мента с поверхностью стального изделия и образования химичес­ких связей с атомами металла;

- диффузии, т. е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии (коэффициент диффузии) при проникнове­нии диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, Различают следующие виды химико-термической обработки: це­ментацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию) и т.д.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению из­носостойкости и предела выносливости.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (со­держание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.).

На цементацию детали поступают после механической обработ­ки с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Участки, не подлежа­щие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), наносимым электролитическим способом, или специальными об мазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбес­та, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах выше Ас_{ (900— 950 °С). Чем меньше углерода в стали, тем выше температура на­грева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь ме­талла. В результате цементации содержание углерода в поверхност­ном слое составляет 0,8—1,0%. Более высокая концентрация угле­рода способствует повышению хрупкости цементированного слоя.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию угле­рода по толщине, которая уменьшается от поверхности к сердцевине. За толщину цементированного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обыч­но толщина слоя для большинства сталей составляет 0,8—1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюри­затором.

Цементация в твердой среде. Карбюризатором является активи­рованный древесный уголь (дубовый или березовый), а также ка­менноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процес­са к древесному углю добавляют активизаторы — углекислый ба­рий (ВаСО₃), кальцинированную соду ,поташ в количестве 10—40% от массы угля.

Обычно рабочая смесь, применяемая для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65—75% отработанного.

Подготовленные для цементации изделия укладывают в металли­ческий ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризато­ра 20—30 см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10—15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбю­ризатором и на него укла­дывают следующий слой деталей и т.д. Последний слой засыпают карбюриза­тором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кладут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик поме­щают в печь с температурой 900-950 ºС, время нагрева до этом температуры определяют из расчета 7—9 мин на 1 см минимального размера ящика.

В ящике между кусочками угля имеется воздух, кислород которого взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с поверхностью деталей, окись углеро­да диссоциирует,выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь ме­талла. Добавление углекислых солей активизирует процесс цемен­тации.Продолжительность выдержки в печи при температуре цемента­ции зависит от требуемой толщины цементированного слоя. На прак­тике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5—10,4 ч.

Для контроля за протеканием процесса и толщины цементиро­ванного слоя в ящик вместе с деталями закладывают «свидетели» - круглые (квадратные) образцы диаметром 10—15 мм, изготов­ленные из той же марки стали, что и деталь.

Повышение температуры цементации до 950—1000°С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим лишь для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и потом раз­бирают.

После цементации детали подвергают нормализации для из­мельчания зерна, повторной закалке и низкотемпературному от­пуску. В результате такой обработки поверхностный слой приоб­ретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов, твердость 60—63 НКС.

Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закал­ки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных — из малоуглеродистого мартенсита.

Газовая цементация. В настоящее время газовая цементация яв­ляется основным процессом цементации на заводах массового про­изводства. При газовой цементации сокращается длительность про­цесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процес­са, упрощается последующая термическая обработка и, самое глав­ное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия.

При цементации в шахтных печах для получения науглерожива­ющей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т.д.

В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для по­лучения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применя­ют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода (эндотерми­ческие контролируемые атмосферы), например ПСО-06, ПСО-09 и т.д.. с добавкой углеводородов от 1 до 4%.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определен­ную концентрацию углерода на поверхности цементированного слоя. Для ускорения процесса углеродный, потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечи­вающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3—1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое опти­мального содержания углерода (0,8%).

С этой целью в первую зону, занимающую примерно 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного (10-15%) и эндотермического (90—85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной кон­центрацией углерода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диф­фузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности де­тали с эндотермической атмосферой концентрация углерода на по­верхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементированного слоя.

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160—180 ºС.

Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.

На состав и свойства цианированного слоя особое влияние ока­зывает температура процесса. Повышение температуры цианирова­ния ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижение температуры — к увеличению содержания азота.

Толщина цианированного слоя также зависит от температуры и продолжительности процесса.

Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% уг­лерода.

Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирова­ние называют еще нитроцементацией. Жидкое цианирование про­водят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCH.

Цианирование при температуре 820—850°С позволяет получить слой толщиной 0,15—0,35 мм за 30—90 мин. Для получения слоев большой тол­щины (0,5—2,0 мм) применяют глу­бокое цианирование при температуре 900—950°С, длительность 1,5—6,0 ч. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по срав­нению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и ко­робление; более высокое сопротивление износу и повышенная ус­талостная прочность.

После цианирования деталь охлаждают на воздухе, затем под­вергают закалке и низкотемпературному отпуску. Такая обработка необходима в связи с тем, что при температуре цианирования 900—950°С сильно вырастает зерно аустенита и необходима пере­кристаллизация для его измельчения. Структура цианированного слоя после закалки такая же, как после цементации.

Недостатком цианирования является токсичность цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.

Нитроцементацию осуществляют при температуре 840—860°С в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака. Продолжи­тельность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и со­ставляет 1 — 10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм.

Для нитроцементации рекомендуют применять контролируемые экзотермические атмосферы, в которые добавляют 5—15% необра­ботанного природного газа и 1-5% аммиака. Иногда применяют жидкий карбюризатор — триэтаноламин (С₂Н₅О)₃ N, который в виде капель вводят в рабочее пространство шахтной печи.

После нитроцементации изделия подвергают закалке и низко­температурному отпуску при температуре 160—180°С.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при темпе­ратуре 540—560°С в расплавленных цианистых слоях.

Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании, результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02—0,04 мм, твердостью 950—1100 НV. Длительность процесса 1—1,5 ч.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали зотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 80—650 ºС.

Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Сг, Мо, V, А1.

При азотировании легированных сталей азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость. Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает 1100—1200 НV. Типич­ная марка стали для азотирования 38Х2МЮА. Это легированная сталь, содержащая Сг, Мо, А1.

Перед азотированием детали подвергают термической обработ­ке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска (улуч­шения). Затем производят механическую обработку, включая шли­фование, придающую окончательные размеры изделию.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,001—0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверх­ности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Про­должительность процесса зависит от необходимой толщины слоя. Чем выше температура азотирования, тем меньше его продолжи­тельность. Однако более высокие температуры приводят к сниже-ию твердости азотированного слоя. Обычно процесс азотирования ведут при температуре 500-520 °С. этом случае получают ой толщиной до 0,5 мм за 4-90 ч.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500-520 °С, а затем температуру повышают до 580-600 ºС. Это ускоряет процесс в 1,5—2 раза при со­хранении высокой твердости азотированного слоя.

Размеры деталей в процессе азоти­рования изменяются за счет увеличе­ния объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров деталей.

Для повышения коррозионной стойкости изделий проводят азотиро­вание при температуре 600-700 °С и течение 15 мин для мелких деталей и 6—10 ч для крупных деталей.

Процесс жидкостного азотирова­ния осуществляют при температуре 570 °С в расплаве цианосодержащих солей. В ходе процесса расплав непре­рывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превра­щение цианида (КСN) в цианат (КСNО), являющийся поставщиком атомов углерода и азота.

Преимуществом жидкостного азо­тирования является резкое сокращение времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азотировани­ем (слой толщиной 0,10—0,20 мм по­лучают за 1,5—3 ч). Кроме того, отсут­ствие водорода в среде способствует повышению вязкости слоя.

Недостатком процесса является применение ядовитых солей.

 

Диффузионная металлизация — это процесс диффузионного на­сыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погруже­нием детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов (А1С1₃, СгС1₂, SiС1₄ и т. д.), образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах 700—1200 °С.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности ста­ли алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высо­кую окалиностойкость (до 850—900 °С) и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25—50%) или ферроалюминий (50-75%), окись алюминия (25-50%) и хлористый алюминий (-1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900-1000 °С в течение 3—12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплавленным алю­минием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюми­ний (92—94% А1 и 6—8% Ре). Железо добавляют для того, чтобы пре­дотвратить растворение обрабатываемых деталей в алюминии. Про­цесс проводят при температуре 700-800 °С в течение 45-90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алити­рования в порошкообразных смесях простотой метода, быстротой и более низкими температурами.

Основной недостаток процесса — налипание алюминия на по­верхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатываемую поверхность) с пос­ледующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000 °С в течение 1—3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузи­онного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из сереб­ристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хло­ристого алюминия (2%) и 20—25% от массы первых четырех со­ставляющих — жидкого стекла.

Алитирование стали с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.

Алитированный слой представляет собой твердый раствор алю­миния в а-железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30-40%. Толщина алитированного слоя 0,2—1,0 мм.

Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.

Хромирование (поверхностное насыщение хромом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости (до 850 °С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуг­леродистых сталей повышает твердость и износостойкость.

Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных сме­сях (50% металлического хрома или феррохрома, 49% окиси алю­миния и 1% хлористого аммония). Процесс осуществляется при температуре 1000-1050°С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома, в которых растворяется некоторое количество атомов железа (Ре,Сг) С (Ре,Сг)₂₃С₆. Карбидный слой имеет высокую твердость 1200—1300НV. Толщина хромированного слоя достигает 0,015— 0,020 мм при длительности процесса 6—15 ч.

Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.

Значительно реже применяется газовое хромирование. Процесс проводят в среде, содержащей пары СгС1₂. Пары СгС1₂ получают про­пусканием осушенных Н₂ и НС1 через феррохром или хром при тем­пературе 980 °С. За 3—5 ч получают слой толщиной 0,06—0,10 мм.

Иногда применяют хромирование в вакууме. Изделия засыпают кусочками хрома (диаметром 1—3 мм) в стальном или керамичес­ком тигле и помещают в вакуумную печь (разряжение 1,3—0,13 Па). При высокой температуре (960—1000 °С) хром испаряется и диф­фундирует в сталь.

Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапа­нов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.

Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного изно­са. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, твердость 1800-2000НV.

Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой (Nа₂В₂О₇). Температура процесса 900—950 °С, Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями (NаС1, ВаС1₂), в ко­торые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.

Применяют также и метод газового борирования. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана (В₂Н₆) в смеси с во­дородом при температуре 850—900 ºС.

Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т.д.

Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов (стали незначительно).

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в -железе. Силицированный слой, несмотря на низкую твердость (200—300 НV) и значительную пористость, после про­питки маслом при температуре 170—200 °С имеет повышенную износостойкость.

Силицирование можно проводить в порошкообразных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 39% окиси алюминия и 1% хло­ристого аммония, но наиболее часто применяют газовое силицирование. В печи засыпают детали и куски ферросилиция или карби­да кремния и пропускают хлор, который взаимодействует с крем­нием и образует SiС1₄.

В результате последующих химических реакций образуется ато­марный кремний, который адсорбируется на поверхности изделия и диффундирует в глубь металла.

При газовом силицировании при температуре 1000 °С в течение 2—4 ч образуется слой толщиной 0,5—1,0 мм.

Силицированию подвергают детали, применяемые в оборудо­вании химической, бумажной и нефтяной промышленности.

Разработаны процессы поверхностного насыщения металлов -титанирование (насыщение титаном) и цинкование (насыщение цинком).

 

Поверхностную закалку применяют с целью получения высокой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сер­дцевины.

Поверхностная закалка менее продолжительна, чем химико-термическая обработка. Если продолжительность поверхностной закалки равна или меньше длительности смежных операций ме­ханической обработки, то возможен перевод термической обра­ботки из термических цехов в общий поток механического цеха. Это позволяет более полно осуществить автоматизацию техноло­гического процесса.

Сущность способов поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается неравномерное распределение температуры по телу детали. Если нагрев прервать и провести быстрое ох­лаждение, то слой металла, нагретый выше Ас₃ (I зона), получит полную закалку; слой, нагретый выше Ас но ниже Ас_ъ (II зона), получит неполную закалку, а сердцевина (III зона) нагревается ниже Ас₁ и не претерпевает никаких превращений при охлаждении.

При поверхностной закалке поверхностные слои металла нагре­ваются значительно выше Ас_у однако это не приводит к перегре­ву, так как скорость нагрева очень велика.

Наиболее распространенными методами поверхностного нагре­ва являются: нагрев кислородно-ацетиленовым пламенем или га­зовой горелкой, нагрев в водном электролите при пропускании электрического тока, контактный нагрев электротоком, индукци­онный нагрев токами высокой и промышленной частоты.

Закалка в электролите. Метод основан на физическом явлении, называемом «эффектом нагрева катода».

Процесс закалки заключается в следующем. В ванну с электролитом (5—10%-й раствор кальцинированной соды) опускают закаливаемую деталь. Деталь присоединяют к отрица­тельному полюсу источника постоянного тока напряжением 220—250 В, а корпус ванны — к положительному полюсу. При пропускании электрического тока через электролит происходит диссоциация элек­тролита и положительно заряженные ионы водорода устремляются к поверхности де­тали, образуя водородную «рубашку». Сила и плотность тока зависят от глуби­ны погружения детали в электролит и от условий нагрева. Водородная оболочка об­ладает большим сопротивлением и нагре­вается до высоких температур при про­хождении электрического тока. От разог­ретой водородной оболочки нагревается до высоких температур поверхность дета­ли. После нагрева детали ток отключают и происходит охлаждение непосредственно в электролите.

При закалке в электролите темпера­тура плавно падает от поверхности дета­ли к сердцевине, что способствует сни­жению остаточных растягивающих напряжений и предотвращает образование закалочных трещин.

В результате закалки в поверхностном слое получают мартенсит, а в сердцевине - сорбитообразныи перлит и феррит.

Поверхностную закалку приме­няют для упрочнения клапанов, винтов, штанг, рычагов и других деталей тракторов.

Поверхностная закалка при кон­тактном нагреве. Сущность данно­го способа закалки заключается в следующем. Электрический ток на­пряжением от 2 до 8 В от транс­форматора подается к детали и к медному ролику  диаметром 200—300 мм шириной 10—15 мм. Нагрев поверхности осу­ществляется за счет теплоты, вы­деляемой в месте контакта медно­го ролика и детали. Плотность тока равна 5000-1500 А/мм (ширины ролика).

Обрабатываемая деталь вращается, а медный ролик перемеща­ется вдоль поверхности со скоростью 5—8 мм/с, оставляя за собой нагретый участок. Охлаждение нагретой поверхности осуществ­ляется из спрейера, который движется за роликом.

Если ширина закаливаемой поверхности превышает ширину медного ролика, то для закалки всей поверхности проводится пос­ледовательное или многократное прохождение ролика по детали. При этом каждая последующая закаленная полоса вызывает от­пуск соседней узкой зоны. В итоге твердость закаленной поверхно­сти полосок будет неравномерной: 56—63НRС зон с мартенситной структурой и значительно ниже (на 15—20 НRС) зон, подвергну­тых отпуску и имеющих сорбитную структуру.

Этот способ поверхностной закалки применим только для тел вращения, что существенно ограничивает его использование.

Закалка с газопламенным нагревом. Поверхность детали нагрева­ют ацетилено-кислородным пламенем, имеющим высокую темпе­ратуру (2400-3150 °С). В результате подвода большого количества теплоты поверхность детали быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Последующее быст­рое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

В качестве горючего используют главным образом ацетилен, а также природный газ, керосин и др.

При пламенной закалке применяют следующие способы: од­новременная закалка — стационарный и вращательный способы; непрерывная закалка — поступательный и комбинированный спо­собы.

Толщина закаленного слоя колеблется от 2 до 4 мм, а твердость НRС от 50 до 56.

В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в ниже­лежащих слоях структура состоит из мартенсита и троостита.

Основными факторами, влияющими на толщину закаленного слоя, являются: скорость передвижения закалочной горелки отно­сительно закаливаемой детали, расход горючего и кислорода.

В результате пламенной закалки получается чистая, без следов окисления и обезуглероживания поверхность, небольшая дефор­мация изделий.

Для получения высокого качества закалки необходимо изделия перед пламенной закалкой подвергать отжигу или нормализации.

Пламенная закалка широко применяется в мелкосерийном и ин­дивидуальном производстве.

Закалка при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ). Закалка при индукционном нагреве имеет ряд преимуществ по сравнению с обработкой при обычном нагреве. При ее использовании улучшает­ся качество изделий (уменьшается деформация, практически пол­ностью устраняются окисление и обезуглероживание) и значительно повышается производительность.

Нагрев ТВЧ осуществляется за счет теплового действия тока, индуцируемого в детали, которую помещают в переменное магнитное поле.

 Для нагрева деталь помещают в ин­дуктор , представляющий собой один или несколько витков медной трубки или шины. При протекании по индуктору электрического тока вы­сокой частоты создается переменное магнитное поле, силовые линии которого пронизывают установленную и индуктор деталь . В результате в повер­хностном слое детали возникают вихре вые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев этого слоя до высоких температур.

Плотность тока по сечению изделия неодинакова. В основном токи высокой частоты протекают в поверхностном слое. Это явле­ние называется поверхностным эффектом.

Неравномерное распределение токов по сечению изделия при­водит к неравномерному нагреву: поверхностные слои нагревают­ся очень быстро, а сердцевина либо совсем не нагревается, либо нагревается за счет теплопроводности стали.

Толщина слоя или глубина проникновения тока зависит от час­тоты переменного тока, удельного электросопротивления метал­ла.

С повышением температуры глубина проникновения тока уве­личивается и достигает максимального значения при температуре выше точки Кюри (768 °С) вследствие перехода стали из ферро­магнитного в парамагнитное состояние.

Токи высокой частоты получают с помощью машинных (до 10 000 Гц) или ламповых (свыше 10 000 Гц) генераторов.

Скорость нагрева токами высокой частоты во много раз превы­шает скорость нагрева в печах. Поэтому превращение перлита в аустенит сдвигается в область более высоких температур. Чем больше скорость нагрева в области фазовых превращений, тем выше должна быть температура закалки для получения оптимальной структуры и максимальной твердости. Например, при печном нагреве температура закалки ста­ли, содержащей 0,4% С, составляет 840-860 ºС, при нагреве ТВЧ со скоростью 250 град/с — 880-920 ºС, а при скорос­ти нагрева 500 град/с - 960-1020 ºС.

Несмотря на более высокие темпе­ратуры закалки при нагреве ТВЧ, дей­ствительный размер зерна аустенита меньше, чем при обычной закалке. Это объясняется высокой скоростью нагре­ва и отсутствием выдержки при темпе­ратуре нагрева.

После индукционной закалки мик­роструктура по сечению изделия различ­ная: структура закаленного слоя — мелкоигольчатый мартенсит, переходного слоя -- мартенсит и фер­рит, а сердцевина имеет исходную структуру.

После закалки с нагревом ТВЧ детали подвергают низкому от­пуску при 160-200 ºС. Сталь после закалки ТВЧ обладает большей твердостью, чем после обычной закалки. Например, сталь, содер­жащая 0,4% С, после обычной закалки имеет твердость 54-56 НRС, после закалки ТВЧ — 56-58 НRС. При этом повышается предел усталости.

Для индукционной закалки применяют среднеуглеродистые кон­струкционные стали 35, 45, 35Х, 40Х, ЗОХМ, 55ПП и т.д.

Перед закалкой ТВЧ стали подвергают предварительной терми­ческой обработке — нормализации или улучшению.

Существует три способа закалки с индукционным нагревом: 

одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности. Этом метод применяют для деталей, имеющих небольшую поверхность (пальцы, осевые инструменты и т.д.);

последовательный (поочередный) нагрев и охлаждение отдель­ных участков — состоят в том, что обрабатываемая поверхность детали нагревается и охлаждается по частям. Например, последова­тельный нагрев и закалка шеек коленчатого вала;

непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение. При этом способе деталь вращается вокруг собственной оси и перемещается (сверху вниз) относительно неподвижного индуктора и охлаждаю­щего устройства (спрейера). Иногда, наоборот, индуктор и спрей ер перемещаются относительно вращающейся детали. Скорость передвижения детали (или индуктора) составляет 0,3-3,0 см/с. Не­прерывно-последовательный способ закалки применяют для упрочнения валов, осей, шпилек и других длинных деталей.

Выполняя индукционную закалку, необходимо учитывать эф­фект близости, который проявляется в том, что при протекании токов в разных направлениях по двум проводникам наибольшая шотность тока будет в тех участках проводников, которые ближе эасположены друг к другу. Неодинаковая плотность тока по сечению приведет к неравномерному нагреву поверхности детали. По­этому для получения равномерной толщины закаленного слоя рас­стояние от индуктора до детали должно быть одинаковым и деталь должна вращаться.

Таким образом, особенностями поверхностной индукционной закалки являются:

глубина закалки примерно равна глубине нагрева выше критических температур; глубинные слои изделия в процессе индукци­онной закалки нагреваются ниже критических температур и поэто­му не упрочняются при охлаждении;

сталь прокаливается, как правило, на глубину, большую необ­ходимой;

концентрация тепловой энергии в зоне нагрева относительно ве­лика; удельная мощность обычно лежит в пределах 0,5—1,5 кВт/см², что определяет высокую скорость нагрева (от 30 до 300 град/с) и большие мощности индукционных установок.

Широкое применение получил способ поверхностной индук­ционной закалки при глубинном нагреве. Особенности этого спосо­ба состоят в следующем:

- глубина нагрева выше критических температур должна быть боль­шей, чем требуемая глубина закалки (при глубинном нагреве зубья зубчатых колес нагреваются насквозь);

- применяемая сталь способна прокаливаться на меньшую глуби­ну, чем глубина нагрева, поэтому глубина закалки на мартенсит определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемостью применя­емой стали; при этом слои, лежащие ниже слоя мартенсита, но нагретые выше критических температур, при охлаждении получа­ют структуру троостит или сорбит, т.е. упрочняются; используются стали пониженной прокаливаемое™ (55ПП);

- глубокий прогрев по сечению детали вынуждает применять отно­сительно низкую степень концентрации тепловой энергии в зоне нагрева; удельная мощность обычно составляет 0,05-0,2 кВт/см², скорость нагрева в области фазовых превращений находится в пределах 2-10 град/с, а время нагрева деталей от 20 до 100 с. Это определяет относительно небольшие мощности индукционных установок.

Недостаток закалки ТВЧ — высокая стоимость оборудования и нерентабельность его применения в единичном производстве.

На некоторых заводах поверхностную закалку осуществляют с помощью мощной лазерной техники. Лазерный луч позволяет про­вести локальный нагрев металла с высокой скоростью; охлаждение происходит за счет отвода тепла в металл.

 

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: