Главная  Высокочастотная термическая обработка 

[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

Высокочастотная термическая обработка

ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Одним из первых методов выеокочаетогной термической обработки была поверхностная закалка, которая полностью сохранила свое ведущее положение до настоящего времени. Высокочастотная поверхностная закалка применяется в промышленности для получения изделий 6 твердым износоустойчивым поверхностным слоем и сравнительно мягкой и вязкой сердцевиной. Сначала она заменяла объемную сквозную закалку или поверхностную химико-термическую обработку - цементацию, цианирование и азотирование. В дальнейшем высокочастотную поверхностную закалку стали предусматривать при конструировании деталей машин и механизмов.

Первым и основным преимуществом всякой закалки с поверхностным нагревом, в том числе и высокочастотной поверхностной закалки, по сравнению со сквозной закалкой является уменьше-,ние хрупкости деталей или изделий. Хрупкость уменьшается в результате образования пластической и вязкой сердцевины, а во многих случаях вследствие местного расположения закаленного слоя только на участках, твердость которых должна быть высокой.

Трещины и разрушения при перегрузке и ударах, а также при наличии выточек, отверстий, переходов сечений и пороков металла легче возникают в деталях со сквозной закалкой, чем в деталях с поверхностным твердым слоем. Возникшие в процессе производства или эксплуатации трещины в деталях со сквозной закалкой приводят к немедленному или очень быстрому разрушению. При поверхностном упрочнении трещины, возникшие в твердом слое, в большинстве случаев не распространяются в мягкую и вязкую сердцевину. Благодаря значительному понижению склонности к хрупким разрушениям, достигаемому при переходе от сквозной закалки к поверхностной, повышается допустимая твердость и, следовательно, сопротивление износу поверхностно закаленных деталей.

Вторым преимуществом закалки с поверхностным нагревом является существенное уменьшение деформаций во время нагрева и охлаждения, достигаемое за счет жесткости холодной сердцевины.

Третье преимущество - практически полное устранение окисления и обезуглероживания, что при уменьшении деформации позволяет в некоторых случаях производить закалку окончательно готовых деталей без шлифования.

ЧетвертБШ преимущевтвом являетвя уменьшение затрат энергии на нагрев: нагреваемый елой цо многих случаях составляет небольшую часть от масси детали.

В начале внедрения поверхностной закалки выбор метода поверхностного нагрева представлял значительные трудности. Высокочастотная поверхностная закалка была предложена и испытана проф. В. П. Вологдиным [31 почти одновременно с разработкой и началом внедрения поверхностной закалки с нагревом кислородно-ацетиленовым или кислородно-газовым пламенем (пламенная закалка), с разработкой методов контактной поверхностной закалки и поверхностной закалкн в электролитах. В настоящее время высокочастотная поверхностная закалка - наилучший способ закалки с поверхностным нагревом в серийном и массовом производстве, так как она обеспечивает высокое качество продукции и дает наиболее стабильные результаты по сравнению с другими методами поверхностной закалки.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве пламенная закалка имеет преимущества по сравнению с высокочастотной поверхностной закалкой вследствие простоты и дешевизны оборудования. Однако пламенную закалку трудно механизировать: она не дает достаточно стабильных результатов и требует высококвалифицированного обслуживания. При сравнении высокочастотной поверхностной закалки с методами обычной химико-термической обработки обращает на себя внимание в первую очередь колоссальный выигрыш в длительности и стоимости процессов.

При поверхностной закалке твердый слой толщиной в 1-2 мм может быть получен за несколько секунд, а при полной закалке детали непрерывно-последовательным методом или методом последовательной закалки отдельных участков требуется около 1- 2 мин. По имеющимся данным одного из заводов, стоимость цемен-та ции 1 т деталей в среднем составляет 150 руб., а стоимость высокочастотной поверхностной закалки 1 т деталей - 30 руб. При этом сохраняются преимущества высокочастотной поверхностной закалки: возможность включения ее в поток механической обработки; несравненно меньшая деформация деталей, чем при цементации и последующей закалке.

Наконец, весьма существенным преимуществом деталей с поверхностной закалкой является возможность изготовления их из более дешевой, в большинстве случаев углеродистой, стали, в то время как для обеспечения сочетания высокой твердости поверхности и достаточной прочности и вязкости сердцевины цементуемые детали чаще всего изготовляют из легированной стали марок 15Х, 20Х, 12ХНЗА, 18ХНВА и др.

Высокочастотная поверхностная закалка позволяет обеспечить свойства сердечника независимо от свойств твердого слоя. Сердечник может иметь структуру, полученную путем отжига, нормализации или закалки с высоким отпуском. Это часто приводит



к возможности замены углеродистыми сталями марок 40 и 45 обычно применяемых в таких случаях легированных сталей: хромистой или даже хромоникелевой.

На практике твердость цементованного слоя чаще всего находится в пределах 58-62 HRQ,. При поверхноетной закалке наиболее часто применяемых марок сталей 40 и 45 также возможно получение твердобти 58-62 HRCg. Однако колебания в составе стали, в режимах закалки, а также необходимость самоотпуска или отпуека для борьбы с трещинами приводят к тому, что нижняя допустимая граница твердости в практике заводов снижаетея до 50 HRCb для стали 40 и до 54 HRCb для стали 45.

Таким образом, твердоеть поверхноетноро елоя при поверхностной закалке ереднеуглеродистой стали получается, как правило, ниже, чем при цементации. Это обстоятельство, а также более низкое содержание углерода в поверхностном слое приводят к некоторому снижению контактной прочности и сопротивления изнашиванию деталей, изготовленных из ереднеуглеродистой стали и подвергнутых поверхностной закалке, по сравнению с цементованными деталями. Поэтому в тех случаях, когда деталь работает в тяжелых условиях контактной прочности, применяют сталь с повышенным содержанием углерода (У7, 65Г и т. п.), что создает определенные трудности при закалке изделий сложной формы и неизбежно снижает вязкость незакаленной сердцевины. Следует отметить, что контактная прочность в значительной степени зависит от характера контакта и от степени деформации поверхностного слоя при приложении внешних усилий. В некоторых случаях легче получить удовлетворительные свойства ереднеуглеродистой стали при поверхностной закалке, чем при цементации.

Твердость, сопротивление износу и контактная прочность азотированного слоя превышают соответствующие свойства цементованного слоя, вследствие чего они еще сильнее отличаются от свойств поверхностно закаленного слоя. Однако слой, полученный путем высокочастотной закалки, менее хрупок, чем цементованный или азотированный слой. Недостатком высокочастотной поверхностной закалки по сравнению с цементацией является трудность, а в отдельных случаях даже невозможность получения равномерного слоя закалки по контуру сложных деталей.

Оценка достоинств и недостатков метода высокочастотной поверхностной закалки по сравнению с химико-термической обработкой приводит к выводу о необходимости параллельного использования обоих методов. При этом поверхностная закалка имеет преимущества для получения более дешевых деталей массового производства, а цементация и другие методы химико-термической обработки - для получения деталей с повышенным сопротивлением изнашиванию, стоимость которых может быть сравнительно высокой.

В последние годы на ЗИЛе разработан и внедрен вповоб поверхностной высокочастотной закалки при глубоком нагреве [421. При этом способе определенная небольшая глубина закаленного слоя получается за счет применения стали пониженной прокали-ваемости. Кроме того, удается существенно повысить твердость и прочность зоны, расположенной под закаленным слоем, получающей при закалке структуру троостита; существенно уменьшить удельные мощности при нагреве и закалить детали сложной формы, у которых путем поверхностного высокочастотного нагрева трудно или невозможно получить равномерный закаленный слой. Применение глубокого высокочастотного нагрева и в этом случае дает преимущества по сравнению с объемнвш нагревом в печи благодаря простоте и низкой стоимости процесса. Целесообразность использования поверхностной закалки с глубоким нагревом должна определяться в соответствии с конкретными условиями работы изделия.

Высокочастотный метод может бить применен для поверхностного или местного нагрева при закалке и отпуске цементованных деталей. В настоящее время значительное число автомобильных и тракторных заводов успешно использует этот метод.

Высокочастотный нагрев для сквозной закалки, улучшения, нормализации, рекристаллизационного отжига применяется для изделий, термическая обработка которых в печах вызывает трудности, например, для длинных прутков, труб, листов, проволоки. Высокочастотный нагрев уменьшает окисление и обезуглероживание, легче включается в поток производства. При сквозной высокочастотной закалке и улучшении прутков из арматурной стали, труб и проката обеспечиваются более высокие и стабильные механические свойства, чем при других способах термического упрочнения. Это связано не только с быстрым и хорошо регулируемым нагревом, но также с весьма интенсивным и равномерным охлаждением при закалке. Высокочастотный нагрев применяют для цементации и других видов химико-термической обработки. В ряде случаев использование высокочастотного нагрева позволяет значительно сократить продолжительность процесса. Однако этот метод пока находит ограниченное применение из-за недостаточной era разработки.

1.2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ. ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ТВЧ

Химический состав, склонность к росту зерен и прокалива-емость сталей, применяемых длjl деталей, подвергаемых высокочастотной поверхностной закалке, должны обеспечивать получение

1 Примененный авторами работы 142] термин «глубинный» использован в теории индукционного нагрева, когда глубина прогрева ие выходит за пределы глубины проникновения тока в горячий металл. Поэтому здесь применен термин «глубокий», что и по существу более правильно.



желательных ввойвтв как в поверхноетном елое, так и в еердце-вине изделий.

При выборе втали для каждого конкретного требования в отношении глубины, твердоети, сопротивления изнашиванию и хрупкости закаленного слоя, а также прочности, пластичности и вязкости сердцевины могут быть различными. Вследствие этого желательно иметь довтаточное число марок стали для выбора.

При выборе марки стали в первую очередь следует определить необходимое количество углерода в стали. В практике высокочастотной поверхностной закалкн чаще применяют стали со средним содержанием углерода (0,40-0,50%), которые позволяют получить достаточно высокую твердость и сопротивление изнашиванию поверхности и не обладают чрезмерной хрупкостью. Стали с более высоким содержанием углерода имеют значительные твердость и сопротивление изнашиванию, но склонны к образованию трещин или к хрупким разрушениям в условиях эксплуатации. Стали G более низким содержанием углерода (0,30- 0,40%) применяют в тех случаях, когда приходится сознательно идти на снижение твердости и сопротивление изнашиванию с целью уменьшения хрупкости поверхностно закаленного слоя и новы шения вязкости всего изделия, а также для снижения склонностг; к образованию закалочных трещин.

Применение легированной стали для наделяй, подвергаемых высокочастотной поверхностной закалке, должно быть ограничено и может быть оправдано лишь при больших размерах изделия и особо высоких требованиях, предъявляемых к мех,!-ьическим свойствам сердцевины и;!и изде.71ия в целом.

Для поверхностной закалки ж*.;..аге."ьно применение таких марок стали, которые менее чувствительны к колебаниям темге-ратуры нагрева при закалке. Однако многие легирующие элементы, ограничивающие рост зерен ауетенита, повышают мини мальную температуру нагрева для поверхностной закалки и не всегда дают ожидаемые результаты. В табл. 1.1 и 1.2 приведен перечень основных марок углеродистой и легированной сталей, применяемых в СССР для изделий е высокочастотной поверхностной закалкой.

Подавляющее большинство деталей, подвергающихся высокочастотной поверхностной закалке, изготовляются из сталей ма рок 45 и 40, причем в ряде случаев применяется сталь с несколько суженными пределами по углероду (45с, 40с, 45А).

В автомобильной промышленности из стали 45 изготовляют коленчатые валы и кулачковые валы, оси, пальцы, стержни, вилки, штоки и многие другие детали. Из стали 40 выполняется меньшее число деталей, среди которых карданные валы, муфты, шайбы, ободья маховиков. Из стали 35 изготовляются детали, вязкость которых должна быть повышена: толкатели, клапаны, вилки включения сцепления и т. п.

Углцродистые стали, прт

СССР

Таблица 1.1

для высокочастотной закаджн

Марка стала

Химический состав, %

Твердость вакалениого слой после отпуска HRCj

Достижимая глуби на слоя, им

0,32-0,40

0,17-0,37

0,50-0,80

50-55

40 45 50 1 60 ! 70

0,37-0,45 0,42-0,50 0,47-0,55 0,55-0,65 0,65-0,75

53-58 55-60 57-62 59-63 60-64

35Г2 i 40Г2 45Г2

0,30-0,40 0,35-0,45 0,40-0,50

1,40-1,80

53-58 54-59 56-61

; 50Г

j 65Г

0,45-0,55 0,60-0,70

0,70-1,00 0,90-1,20

57-62 59-63

У7 У8

0,65-0,74 0,75-0,84

0,15-0,35

0,20-0.40

60-64

У10 У 12

0,9.5-1,04 1,15-1,24

0,15-0,35

В автомобилестпоекпи высокочастотную поверхностную за-, ;„>i..V используют д.-,я деталей, изготовленных из легированных

дл, п;;омежу"-оч-иых и пазовых ва.лов, полуосей, пальцев, • 1 fo.i тилкателек, jjtukgb ь других до га лей оталь 40 X; для вала скг.и " я:;ей b:i;;c;i ст.-;.и , (ЗХ; ;/!>; tinaiiua кардана, впуск-mas .iiiou стлль К>4 Н-А.Л Орли с повышенным содержанием •р.анца (36Г2, Ш2, 45Г2, 501) применяют в тракторостроении сельскохозяйственном машиностроении.

Стали марок У7. У8, УК), У12 используются для режущего л мерительного инструмента, проходящего поверхностную или -квозную высокочастотную закалку; сталь 9Х - для валков чо.юдной прокатки, проходящих высокочастотную поверхностную

За границей для изделий, подвергаемых высокочастотной поверхностной закалке, йСпользуют стали, по составу и свойствам блиакие к сталям, применяемым в СССР (табл. 1.3 и 1.4).

Для деталей, подвергаемых поверхностной закалке, при глубоком нагреве применяют стали пониженной и регламентированной прокаливаемости [42]. Химический состав этих сталей приведен в табл. 1.5.

Поверхностная закалка мо4ет применяться для деталей из серых и ковких чугунов с перлитной или перлитно-ферритной металлической основой. Превращение перлита в аустенит в этих чугунах происходит достаточно быстро, вследствие чего удается получить твердые и достаточно тонкие закаленные слои. Чугуны



[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

0.0008