Защита металла закаливанием

Можно и иначе защитить поверхность металла — закалить тонкий наружный слой, оставив сердцевину более мягкой. Тогда деталь будет хорошо переносить нагрузки — не будет хрупкой, а твердый закаленный слой предохранит ее от износа. Но, чтобы закалить ее с поверхности, нужно не дать теплу проникнуть глубоко в толщу металла.

Поверхность часто нагревают пламенем. Деталь вращают около горелки, которая движется вдоль детали; при этом металл насквозь прогреться не успевает. Затем его охлаждают водой. Слой в несколько миллиметров после нагрева и охлаждения становится твердым.

Закалка деталей токами высокой частоты

Широко применяется и другой способ закалки — с помощью токов высокой частоты. Если поместить металлическую деталь в переменное магнитное поле, то в ней появится ток, который распространится лишь по поверхности и нагреет ее. В несколько секунд поверхностный слой нагреется и после охлаждения закалится.

Закалочное устройство имеет индуктор — один или несколько витков медной трубки. По нему проходит ток высокой частоты, возбуждающий переменное магнитное поле. Внутри индуктора и помещают деталь. Меняя частоту тока, можно изменять толщину закаливаемого слоя от долей миллиметра до сантиметра. Индукторы разных форм позволяют закаливать самые разнообразные изделия — плоские, цилиндрические и т. п.

Токами высокой частоты закаливают множество деталей — от швейных игл, маленьких сверл и винтиков до больших коленчатых валов и осей. Можно закаливать не всю деталь, а только отдельные ее части — зубья шестерен, шейки валов, концы рельсов. Закалка рельсов увеличивает срок их службы, что позволяет экономить миллионы тонн металла. Поверхностная закалка коленчатых валов тракторов увеличивает их стойкость к износу почти вдвое.

Существуют закалочные установки-автоматы, например для закалки шеек коленчатых валов автомобильных двигателей. Автомат может за сутки закалить 350 тыс. швейных иголок. Игла за время падения внутри индуктора успевает нагреться и сразу же попадает в охлаждающее масло. Весь процесс занимает 0,03 сек.

Токи высокой частоты, помимо поверхностной закалки, применяют еще для упрочнения деталей другим путем. При работе машины в частях ее возникают напряжения. Они распределяются неравномерно: в то время как отдельные слои металла перегружены, другие, наоборот, почти не испытывают усилий. Поэтому деталь быстрее выходит из строя, перегруженные участки сильнее изнашиваются. Нагревая местами деталь, можно вызвать в ней искусственно напряжения, противоположные тем, которые возникают в работающих частях металла. Складываясь, оба напряжения в результате уменьшают общее усилие, действующее на деталь.

Электричество помогает упрочнять металл и другим способом — электроискровой обработкой. Деталь включается в цепь и служит электродом. Между ней и другим электродом, когда они сближаются, происходит электрический разряд. При этом мельчайшие частички металла переносятся с электрода-инструмента на электрод-деталь, и поверхность детали постепенно покрывается тончайшим слоем металла. Таким путем можно насытить поверхностный слой и углеродом, если сделать электрод из графита. Электрической искрой можно наносить покрытия и из твердых сплавов.

СКОЛЬКО ЛЕТ «ЖИВЕТ» ЖЕЛЕЗО? Странный вопрос: ведь железо неживое, как же можно говорить о сроке его жизни? Оказывается, можно! Само железо не «умирает». Но железные детали машин, стальные инструменты, стальные строительные конструкции, рельсы рано или поздно выходят из строя. Их приходится заменять новыми. Выяснилось, что в настоящее время средний срок жизни железных изделий равен 35 годам. И это считается огромным достижением металлургов, так как в прошлые века железо «умирало» гораздо быстрее. В последние годы части машин начали изготовлять из титана. Исследования показали, что титан намного долговечнее железа: он «живет» сто и больше лет.

Стойкость к износу трущихся поверхностей после электроискрового упрочнения увеличивается в десятки раз. Это происходит потому, что металл с поверхности насыщается частицами твердых соединений, а высокая температура при разряде (до 10000°) обеспечивает быструю закалку. Твердость упрочненного слоя получается втрое большей, чем у самой лучшей стали.

Изношенные детали наплавляют металлом, который образует на ней твердый защитный слой. Для этого пользуются электрической дугой, возникающей между деталью и проволокой-электродом. Расплавленные частички проволоки привариваются к детали, покрывая ее слоем металла.

Защитным покрытием может служить не один только металл. Детали, которые должны выдерживать высокие температуры, покрываются керамикой, содержащей окислы алюминия, титана, магния, хрома, циркония и других металлов. Так защищают от прогорания детали реактивных двигателей, турбинные лопатки, нагреватели электропечей, трубопроводы. Керамику наносят большей частью распылением. Получается очень твердый, стойкий против всевозможных химических воздействий тонкий слой, который прочно соединен с металлом.

Металл часто приходится предохранять от разъедания и ржавчины — коррозии, особенно когда он работает во влажном воздухе, в воде, соприкасается с вредно действующими на него газами и жидкостями. Ржавчина, из-за которой погибает металл, приносит огромный ущерб. Подсчитано, что каждый год она уносит треть всех выплавленных металлов и сплавов. Металл поэтому стремятся защитить от непосредственного соприкосновения с влагой и воздухом. Все знают о никелированной, луженой, эмалированной посуде, оцинкованном железе крыш, о лаках и красках, которыми покрывают металлические изделия.

Способы защиты металла от коррозии

Часто на металл наносят защитную окисную пленку. Тогда тонкий слой уже окислившегося металла предохраняет от дальнейшего разрушения. Бывает, что металл защищают другим металлом — оловом, цинком, никелем, хромом, алюминием. Что касается алюминия, то он сам защищает себя: на его поверхности образуется на воздухе тонкий прочный слой окислов.

Сплавы делают нержавеющими, добавляя в них различные элементы, которые хорошо сопротивляются ржавлению. Например, если в сталь добавить немного хрома, никеля, вольфрама, молибдена, то она становится не только прочной, но и не ржавеющей.

Теперь применяют еще одно средство защиты — в тех случаях, когда нужно, например, хранить детали долгое время на складе. Химики нашли составы, которые предохраняют металл от ржавчины, — ингибиторы. В пропитанной таким составом бумаге можно хранить изделия, не опасаясь их порчи.

Трудно представить себе теперь, что было бы, если бы мы не могли упрочнять металл, защищать его от внешних воздействий. Пропадали бы миллионы тонн металла. Оказалось бы невозможным создание ряда современных машин — от реактивного самолета до угольного комбайна, от ракеты, уносящей на орбиту спутник Земли или летящей к Луне, до автомобиля. Металл нужно не только получить, обработать, но и сделать прочным, чтобы продлить жизнь машин.