39 Поверхностная закалка сталей (с нагревом твч, с применени-ем сталей пониженной прокаливаемости). Назначение, особенно-сти нагрева, получаемые свойства.

При поверхностной закалке на заданную глубину прокаливается только поверхностный слой. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Чаще всего в практике применяют поверхностную закалку с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Для нагрева изделие помещают в индуктор, представляющий собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки круглого или прямоугольного сечения. Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В поверхностном слое возникают вихревые токи, нагревающие металл. Глубина нагреваемого слоя  зависит от частоты тока f (гц), магнитной проницаемости  (Гс/Э) и электросопротивления  (Омсм) нагреваемого металла:  = 5000; Для получения слоя глубиной 1 мм оптимальная частота тока сос-тавляет 50-60 тыс. герц, для слоя 2 мм ~15 тыс. герц, для слоя 4 мм ~4 тыс. герц. Выбор оптимальной глубины упрочненного слоя определяется усло-виями работы детали. Если она работает только на износ, глубину упрочненного слоя принимают 1,5-3 мм, в условиях больших контактных нагрузок – 4-5 мм, для особо высоких контактных нагрузок – 10-15 мм. При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенитсдвигается в область более высоких температур. Например, при печном нагреве стали с 0,4%С температура закалки 840-860^оС, а при индукционном нагреве со скоростью 250^оС/сек – 880-920^оС, при скорости 500^оС/сек – 980-1020^оС. После закалки ТВЧ детали подвергают низкому отпуску при 160-200^оС. При этом структура поверхностного слоя состоит из отпущенного мартенсита с высокой твердостью (55-60HRC в зависимости от марки стали). Далее следует троосто мартенситная зона, плавно переходя-щая в структуру сердцевины. Эффект поверхностной закалки может быть получен и при сквозном или глубинном нагреве детали, если она изготовлена из стали пониженной прокаливаемости типа 58(55пп). Глубина закаленной зоны этой стали после закалки с 850-890^оС с отпуском 200-210^оС составляет 1,5-2 мм, предел прочности закаленной зоны равен 2100-2300 МПа при относительном удлинении 3-5% и относительном сужении 25-30%. Малая глубина закалки объясняется ограниченным содержанием элементов, увеличивающих прокаливаемость – Si, Mn, Cr, Ni (не более 0,1-0,2% по каждому элементу). Поверхностная закалка применяется для зубчатых колес, валов, шпинделей, крестовин и других деталей, работающих в условиях трения, контактных и динамических нагрузок.

40 Цементация. Сущность процесса, получаемые свойства, назначение.

Цементация – процесс диффузионного насыщения стали углеродом. Температура цементации находится в пределах 910-950˚С.

Различают цементацию в твердом карбюризаторе (древесный уголь + BaCO₃) и газовую цементацию (с использованием природного газа, пропана, бутана).

При цементации в твердом карбюризаторе насыщающей средой является древесный уголь в зернах размером 3,5-10мм. Для ускорения

процесса к древесному углю добавляют активизатор – BaCO₃ (иногда с содой Na₂CO₃) в количестве 10-40% от массы угля. Цементацию ведут в стальных коробках с карбюризатором, укладывая детали таким образом, чтобы карбюризатор окружал их со всех сторон. Коробки закрывают крышкой и для герметичности зазоры промазывают огнеупорной глиной. Цементацию ведут в камерной электропечи. Процесс длится в зависимости от требуемой глубины слоя и марки стали от 5 до 15 часов. Внутри коробки кислород воздуха взаимодействует с углеродом карбюризатора: 2С + О₂ → 2СО

После цементации коробки охлаждают до 500-400˚С и затем открывают.

Газовую цементацию осуществляют в герметичных (обычно шахтных) электропечах, снабженных вентилятором для создания однородной атмосферы в рабочем пространстве печи. В печь подается через трубопровод природный газ, состоящий почти полностью из метана СН₄. При отсутствии природного газа используют пропан, бутан, а чаще – жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), которые подаются в печь через специальную капельницу. В результате диссоциации углеводородов образуется атомарный углерод и водород: СН₄ → 2Н₂ + С_ат

Окончательные свойства цементованных деталей достигаются путем термической обработки, выполняемой после цементации.

Для получения качественных изделий проводят двойную термообработку: вначале нормализацию или закалку с нагревом выше Ас₃ для исправления крупнозернистой структуры сердцевины, а затем закалку с нагревом выше Ас₁ и низкий отпуск для придания необходимых свойств поверхностному слою. В результате получается вязкая мелкозернистая сердцевина и твердый поверхностный слой, состоящий из мелкоигольчатого мартенсита. Твердость слоя 60-64HRC. Оптимальная твердость сердцевины 30-40HRC. Наличие высокой твердости поверхности, плавный переход к вязкой сердцевине обеспечивают высокие эксплуатационные свойства цементованных деталей. Глубина слоя – 0,5-2,5 мм.

Цементацию обычно применяют для высоконагруженных деталей, работающих в условиях динамических нагрузок при температуре не выше 200˚С (не выше температуры низкого отпуска): для нагруженных шестерен, шеек валов, пальцев, осей, деталей храповых механизмов и др.