твердобть на границе мартенеитноро елоя резко падает до исходной.

Образование нгольчатого мартенсита, вызванное чрезмерно высокой температурой нагрева, о6б1чно еопровождается появлением участков ауетенита, воередоточенных по границам графитовых включений. При нагреве до высоких температур графит частично растворяется в аустените, насыщая его до концентрации, превышающей концентрацию углерода в эвтектоиде, что способствует сохранению овтаточноро ауетенита. Поэтому в структуре желательно иметь некоторое количество феррита, сосредоточенного, как это обычно и наблюдается, по границам графитовых включений. В исходной структуре перлитного чугуна практически можно допустить 5-10% феррита. Такое количество феррита не требует специального повышения температуры нагрева для выравнивания концентрации углерода в аустените. Однако и в этом случае в закаленной структуре трудно избежать появления отдельных участков остаточного ауетенита, количество которых до 5-10% можно допустить без ущерба для качества закалки.

При наличии феррита больше 10% практически исключается возможность применения поверхностной закалки. Гомогенизация ауетенита у серого чугуна с такой структурой достигается при повышенной температуре, зависящей от скорости нагрева. Применение сравнительно больших скоростей нагрева неизбежно при поверхностной закалке, поэтому и температура нагрева должна быть высокой. Это приводит к опасности образования трещин. Последнее усугубляется еще тем, что в чугуне с повышенным количеством феррита часто наблюдается неблагоприятное распределение графитовых включений (междендритный или сетчатый графит), что, в свою очередь, способствует возникновению трещин при быстром нагреве и охлаждении. Нежелательной является также розеточная форма графита. Скопления графитных включений в виде розеток обычно располагаются на фоне феррита. При закалке в этих местах образуются мягкие пятна.

Так как структура серого чугуна в значительной мере зависит от размеров изделия и условий изготовления отливки, трудно заранее точно определить нужный химический состав. Для большинства деталей машиностроения, имеющих сравнительно небольшие размеры, суммарное содержание углерода и кремния должно быть в пределах 4,7-5,5%. В этом случае обеспечивается получение необходимой структуры металлической основы. Количество связанного углерода не должно быть меньше 0,6%.

Качество произведенной термической обработки характеризует распределение твердости по сечению закаленного слоя, полученное при замере микротвердости металлической основы. Усредненная твердость с учетом влияния графитовых включений значительно ниже: обычно она составляет 44-52 HRCg в зависимости от количества, формы и величины графитовых включений. Крупные хлопья графита наиболее сильно снижают значения усредненной твердости.

Структура высокопрочного чугуна отличается от структуры обычного серого чугуна характером графитовых включений, которые имеют глобулярную форму. Это обусловливает меньшую склонность такого чугуна к растрескиванию при термической обработке: допустимы более высокие температуры и большие скорости охлаждения, чем при закалке обычного литейного чугуна. Феррит в исходной структуре металлической основы высокопрочного чугуна окаймляет графитовые включения. При нагреве под закалку насыщение ферритных участков происходит не только за счет углерода ауетенита, но и за счет включений графита. В переходной зоне, где закалка неполная, включения графита окаймляются сначала слоем мартенсита, а затем феррита. В закаленном слое мартенсит имеет безыгольчатое или мелкоигольчатое строение. Усредненная твердость закаленного высокопрочного чугуна обычно находится в пределах 52-57 HRCg.

При закалке деталей сложной формы из серого и высокопрочного чугуна встречаются затруднения. Местные чрезмерные перегревы в выточках, вблизи отверстий, в тонких сечениях и т. п. неизбежно приводят к образованию трещин и даже к оплавлению кромок. Технология изготовления таких деталей строится с учетом этих особенностей.

Закалка ферритного и ферритно-перлитного чугуна. Из ферритных иферритно-перлитных чугунов закалке с применением высокочастотного нагрева подвергаются ковкий и высокопрочный чугун.

Для получения высокой твердости закаленного слоя в твердом растворе необходимо иметь около 0,45-0,6% С. Поэтому в процессе нагрева добиваются растворения свободного графита в аусте ните и образования в железе твердого раствора углерода нужной концентрации. Благодаря округленной и гнездообразной форме графита в высокопрочном и ковком чугуне снижается склонность к образованию трещин при закалке. Это дает возможность осуществлять закалку таких сортов чугуна от повышенных температур и позволяет иметь в исходной структуре металлической основы повышенное количество феррита. Отметим, что, несмотря на округленную форму графита, высокопрочный чугун все же склонен к образованию закалочных трещин. Наличие в структуре фосфидной эвтектики - твердой и хрупкой составляющей с низкой температурой плавления - повышает опасность образования трещин. Содержание фосфора свыше 0,2% следует считать недопустимым.

При поверхностной закалке ферритного чугуна для растворения необходимого количества графита требуются высокие температуры, близкие к температурам начала плавления чугуна. Такой нагрев неизбежно приводит к значительной неравномерности концентрации углерода в металлической основе и скоплению масс остаточного ауетенита возле включений графита. Для того чтобы уменьшить возмозйность образования структуры с большим количеством остаточного ауетенита, а значит, иметь равномерное распределение углерода в твердом растворе нужной концентрации, приходится

уменьшать екороеть наррева. Это, по еущеетву, приводит к невозможности получения у деталей из ферритного чугуна небольших слоев поверхноетной закалки - прогрев производится на относительно большую глубину.

2.3. ЗАКАЛКА ПРИ ГЛУБОКОМ ЙАГРЕВЕ

Поверхностная закалка может быть получена не только при нагреве слоя необходимой глубины, но и при более глубоком, в том числе и при сквозном, нагреве. Использование высокочастотного нагрева, вероятно, наиболее рационально для глубокого поверхностного или местного нагрева, хотя в отдельных случаях может оказаться целесообразным и сквозной индукционный нагрев всего изделия. В дальнейшем нагрев для поверхностной закалки на глубину, существенно большую, чем необходимая глубина твердого закаленного слоя, будем называть глубоким нагревом.

Эффект получения твердого закаленного слоя, толщина которого меньше глубины нагрева, получается, в частности, за счет неполной прокаливаемости стали. Для наиболее широко используемой для высокочастотной закалки стали марок 40 и 45 глубина прокаливаемости при охлаждении водяным душем достаточно велика и равна 3-6 мм до слоя с 50% мартенсита. Вследствие этого метод закалки с глубоким нагревом для этих сталей может быть использован лишь для изделий достаточно большого размера. Примерно такой же прокаливаемостью обладают и другие марки углеродистой стали. Для получения более тонких твердых слоев при глубоком нагреве разработаны особые стали пониженной, или регламентированной, прокаливаемости, что позволило создать новые технологические процессы и получить изделия, сочетающие высокую твердость поверхностного слоя е повышенной твердостью и прочностью подкоркового слоя [421.

В ряде случаев целесообразно применение глубокого нагрева для закалки цементованных изделий, у которых различие в твердости и других механических свойствах слоя и сердцевины достигается за счет различия в содержании углерода.

Закалка изделий из стали с ограниченной и регламентированной прокаливаемостью. Поверхностная за"калка с глубоким нагревом для изделий из стали с ограниченной прокаливаемостью в первую очередь применяется для шестерен малого модуля, поршневых пальцев и других изделий, обычная поверхностная высокочастотная закалка которых связана с трудностью равномерного нагрева закаливаемой поверхности. Главные особенности метода заключаются в следующем [42]. Для изготовления деталей используется сталь с 0,5-0,8% С, которая за счет минимального содержания кремния и марганца, а также введения небольших количеств титана имеет очень низкую прокаливаемость, дающую при глубоком или сквозном нагреве слой высокой твердости (1-2 мм). При высокочастотном нагреве упрочняемые элементы, например зубья шестерен, нагреваются насквозь до температуры закалки. 66 >

Такой нагрев требует значительно меньшей мощности, чем поверхностный нагрев. В зависимости от необходимой глубины прогрева применяют удельные мощности 0,05-0,2 кВт/см*. При закалке высокоинтенсивный душ обеспечивает быстрое и равномерное охлаждение поверхности, что позволяет в ряде случаев заменять цементацию поверхностной закалкой. При этом возможна замена дорогой легированной стали дешевой сталью пониженной прокаливаемости. Закалка с глубоким нагревом при условии мелкой исходной структуры и правильной температуры закалки позволяет получить особо мелкие зерна аустенита (балл 11-12) и, следовательно, очень мелкоирольчатый мартенсит. После низкого отпуска удается получить высокие механические свойства закаленного слоя и сердцевины.

К недостаткам метода следует отнести: трудности производства стали ограниченной прокаливаемости; существенное увеличение прокаливаемости стали при перегреве, что может быть причиной нестабильности результатов закалки; возможность получения мягких пятен при недостаточно резком охлаждении отдельных участков пдверхности (последнее существенно при закалке деталей сложной формы).

Состав стали пониженной прокаливаемости марки 55ПП был приведен в табл. 1.5.

Стали регламентированной прокаливаемости имеют значительно большую, чем сталь 55ПП, но определенную прокаливаемость. Сталь, названная 45РП (регламентированной прокаливаемости), соответствует заводским маркам 47ГТ и 45Г, применяется для деталей толщиной или диаметром 40-50 мм. Химический состав стали приведен в табл. 1.5.

При глубоком нагреве должны быть получены мелкие зерна аустенита для обеспечения как необходимой прокаливаемости, так и структуры мелкоигольчатого мартенсита. Скорость нагрева в "области фазовых превращений должна быть сравнительно низкой (2-10 °С/с), а скорость нагрева до температуры превращения может быть выше. В некоторых случаях целесообразна изотермическая выдержка. Разработаны и применяются программные регуляторы режима нагрева.

Охлаждение в процессе закалкд с глубоким нагревом является очень ответственным этапом. Охлаждение водяным душем или водяным потоком со скоростью около 10 м/с должно быть интенсивным и равномерным. Интенсивное охлаждение не только обеспечивает полную закалку поверхностного слоя, но и упрочняет сердцевину. Наличие упрочненной сердцевины со структурой троостита и сорбита закалки с твердостью 300-350 НВ, =1100-4-~- 1300 Н/мм*, а, = 800 900 Н/мм*, i) = 45 50% и KCU = = 60 -т- 70 Дж/см* для ряда деталей оказывается весьма полезным. Увеличение прочности сердцевины значительно повышает общую прочность поверхностно закаленных деталей при изгибе и кручении, а также их усталостную прочность.

о. 67

Однако условия работы изделий могут быть более сложными, чем условия испытаний на изгиб и выносливость, вследствие чего возможны случаи, когда для сердцевины более важным оказывается не повышение прочности, а высокие пластичность и вязкость. В этих условиях цементованные и правильно обработанные детали из легированной, в частности хромоникелевой, стали могут оказаться прочнее и надежнее, чем детали из стали с пониженной прокаливаемостью.

В настоящее время поверхностная закалка при глубоком нагреве успешно применяется на заводах машиностроения для шестерен среднего модуля, поршневых пальцев, полуосей и некоторых других деталей автомобилей. Новый метод обработки обеспечивает возможность поверхностной закалки шестерен модуля с /и = = 6,5 мм по контуру зуба. Твердость на поверхности 58-62 HRQ, твердость сердцевины зуба 30-40 HRQ. Успешно закаливают также полуоси автомобиля диаметром 48 мм из стали 45РП. Глубина слоя мартенсита составляет 7,0-7,5 мм. Полуоси после закалки проходят отпуск при 250 °С, после чего твердость поверхностного слоя составляет 52-55 HRQ, а твердость сердцевины 300-350 НВ.

Высокочастотная закалка цементованных изделий. В настоящее время ряд автомобильных и тракторных заводов используют индукционный метод нагрева для закалки деталей, изготовленных из углеродистой и легированной цементуемой стали и прошедших обычную цементацию в газах или твердых карбюризаторах.

При высокочастотной закалке цементованных деталей удается полностью избежать закалки зон детали, предназначенных для механической обработки, например внутренней части шестерен, а в ряде случаев существенно снизить деформацию при закалке.

Благодаря высокому содержанию углерода на поверхности цементованные детали по твердости и сопротивлению изнашиванию не уступают деталям после цементации и обычной закалки.

Выполнение операции поверхностного высокочастотного нагрева в этом случае значительно облегчается по сравнению с обычной поверхностной закалкой вследствие возможности применения нагрева на глубину, большую, чем цементованный слой, без риска охрупчивания изделий. После закалки высокую твердость приобретает лишь цементованный слой. Прогрев сердцевины или части сердцевины до температур закалки приводит к повышению твердости и прочности при закалке в ограниченных пределах, причем сохраняется достаточная пластичность и вязкость этих зон.

Хорошие результаты могут быть получены при нагреве на такую глубину, которая обеспечивает закалку всего цементованного слоя и подкалку части сердцевины. У шестерни, например, можно целиком прогревать весь зуб и прилегающую к зубу часть венца, не считаясь с неравномерностью прогрева по глубин*. Охлаждение деталей в этом случае может производиться в масляном баке, а также водяным или масляным душем. При сравнительно неглубо-

ком прогреве скорость охлаждения почти не влияет на деформацию и образование трещин.

Из автомобильных цементуемых деталей проходят высокочастотную закалку следующие: шестерни коробки скоростей (сталь 12Х2Н4А); шаровой палец (сталь 12ХНЗА); ось блока шестерен и ось паразитной шестерни (сталь 15Х); ось педали, кривошип регулятора, валик, распорная втулка (стали 15 и 20) и др.

Детали после цементации и высокочастотной поверхностной закалки обеспечивают получение высокой твердости - во многих случаях в пределах 58-62 HRQ, а также вполне удовлетворительную структуру и свойства цементованного слоя. В связи с местным характером нагрева при высокочастотной закалке возможно некоторое повышение температуры нагрева, в частности для устранения цементитной сетки.

Н. М. Бодяко показал возможность повышения качества цементованных деталей при замене обычной закалки на высокочастотную [0]. Изучено влияние на структуру и свойства скорости охлаждения после цементации дополнительной термической обработки и параметров высокочастотной закалки. Показано, что при соблюдении определенных условий и правильном выборе параметров высокочастотная закалка приводит к повышению ряда, свойств цементованных изделий по сравнению с закалкой при обычном нагреве в печах. В частности, возможно повышение ударной вязкости на образцах без надреза, а также повышение твердости, предела выносливости, предела прочности на изгиб.

2.4. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

Условия возникновения и существования внутренних напряжений. Внутренние напряжения в изделиях появляются при нагреве, охлаждении и некоторых видах обработки в результате неоднородного изменения объема смежных участков металла. "Благодаря сплошности металла и, следовательно, невозможности произвольного изменения объема эти участки претерпевают упру-1ую деформацию и оказываются напряженными, причем величина и знак напряжений зависят от величины упругих деформаций.

Для оценки влияния внутренних напряжений на поведение изделия особенно важно знать распределение напряжений в макрообъемах, т. е. знать знак и величину напряжений первого рода.

Действительное напряженное состояние элемента объема характеризуется группой действующих иа него векторов напряжений, которые могут быть сведены к трем главным векторам, расположенным взаимно перпендикулярно в трех плоскостях. Для цилиндрического изделия главными- напряжениями будут напряжения радиальные, осевые и тангенциальные. Исследование напряжений сводится к определению главных векторов напряжений.

В процессе термической обработки стальных изделий возникают два вида напряжений: 1) тепловые, или термические, вызваи-