3. Закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали получать максимальную твердость при закалке. Зависит от в основном от содержания углерода в стали, оценивается по твердости поверхности.

Прокаливаемость – глубина закаленного слоя с мартенситной или трооститно-мартенситной структурой. Оценивается расстоянием от поверхности изделия до слоя, в котором содержится не менее 50 % мартенсита.

Образование различных структур по сечению детали в зависимости от скорости охлаждения по сечению представлено на рис. 3.11, а. Скорости охлаждения отличаются вследствие разных условий теплоотвода на поверхности и в объеме прутка.

Рис. 3.11 Прокаливаемость сталей:

а – схема зависимости прокаливаемости деталей от скорости закалки; б – кривые изменения твердости и влияния легирующих элементов на прокаливаемость.

Из рис. 3.11, а на поверхности образца и на половине радиуса от нее будет образовываться преимущественно мартенситная структура, а центре – смесь перлита с бейнитом.

Диаметр заготовки, в центре которой после закалки образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром.

Для определения прокаливаемости применяется способ торцевой закалки, когда цилиндрический образец диаметром 0,025 м и длиной 0.1 м , нагретый до температуры закалки, охлаждают с торца струей воды на специальной установке, и после охлаждения измеряют твердость по образующей цилиндра (вдоль цилиндра, а не по радиусу) и строят график изменения твердости по длине образца (рис. 3.11, а).

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки V_кр , то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и изделие будет иметь сквозную прокаливаемость.

Увеличивают прокаливаемость:

а) Марганец, хром, молибден, никель, кремний;

б) увеличение скорости охлаждения.

Уменьшают прокаливаемость:

а) неоднородности структуры , т.к. нерастворившиеся карбиды и неметаллические включения являются центрами кристаллизации, облегчающими образование перлита ( а не мартенсита).

3. Поверхностная закалка.

Для многих деталей, работающих в условиях циклических нагрузок (валы, шестерни), требуется не только высокая износостойкость поверхности, но и высокая вязкость и пластичность внутренних слоев. Достичь этого можно применением поверхностной закалки.

Поверхностная закалка – процесс термической обработки, заключающийся в нагреве только поверхностного слоя изделия до температуры выше Ас₃ для доэвтектоидных и Ас₁ для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением с целью получения структуры мартенсита в поверхностном слое (рис.3.12).

Все способы поверхностной закалки основаны на быстром нагреве поверхностного слоя выше точек фазовых превращений и последующем охлаждении, приводящем к тому, что слой I (рис.3.12, а), нагретый выше температуры Ас₃ , закалится полностью, слой II – частично, а слой III останется незакаленным. В результате обеспечивается высокая прочность и износостойкость поверхностных слоев в сочетании с пластичностью и вязкостью сердцевины изделия.

Рис. 3.12 Кривые распределения температуры и твердости после закалки:

а – по сечению изделия, б – схема индукционного нагрева.

Закалочные температуры для поверхностной закалки выбираются более высокими (на 100…200 ⁰С), чем для обычной, т.к. при нагреве с высокими скоростями превращение перлита в аустенит происходит в области более высоких температур. Поскольку перегрев тонкого поверхностного слоя осуществляется с очень большой скоростью и выдержка при температуре закалки отсутствует. он не приводит к ухудшению структуры за счет роста зерна аустенита.

Глубина закалки – 1,5…15 мм:

а) детали, подвергающиеся усталостному изнашиванию – 1,5…3 мм;

б) при особо высоких контактных нагрузках – 10…15 мм.

Методы поверхностной закалки:

1. Индукционным нагревателем ТВЧ (токами высокой частоты) – изделия помещают в индуктор 1, состоящий из одного или нескольких витков медной трубки, через которую пропускают переменный ток высокой частоты (500…600000 Гц). При этом вокруг индуктора возникает магнитное поле, а детали 2 генерируются вихревые токи, которые и нагревают поверхность детали до температуры закалки, после чего следует резкое охлаждение водой и низкий отпуск. Скорость нагрева от 100 до 1000 ⁰С/с. Время нагрева зависит от скорости нагрева и находится в пределах 1,5…40 с. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, которая определяет глубину проникновения индуцируемых в деталях вихревых токов (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения тока).

Преимущества:

а) твердость на 3…5 HRCэ выше, чем при обычной закалке ;

б) более мелкое зерно (2…4 балла),

в) меньший брак по короблению и образованию закалочных трещин;

г) нет окалинообразования и выгорания углерода,

д) высокая производительность.

Применение:

а) для сталей, содержащих 0,4…0,5 % С (40, 45, 45Х, 40 ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (50…60 HRCэ), сопротивляемость изнашиванию, не склонны к хрупкому разрушению;

2. Газопламенная поверхностная закалка – нагрев поверхностного слоя детали пламенем сгорающего газа, имеющего температуру 2400…3000 ⁰С и охлаждение водой. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC_э , структура – мартенсит и феррит.

Преимущества:

а) меньшие напряжения, чем при обычной объемной закалке.

Применение:

а) для крупных изделий, таких как коленчатые валы особо мощных двигателей, прокатные валы и т.д.

3. Закалка в электролите – при пропускании тока через электролит (5…10% - ный раствор кальцинированной соды) на катоде, которым является закаливаемая деталь, образуется газовая рубашка водорода. Ток при этом сильно возрастает и деталь нагревается, после чего, отключив ток, можно сразу закалить ее в том же электролите.

Применение:

а) для небольших деталей в условиях массового производства.