Порядок выполнения работы

Сведения из теории.

В процессе поверхностной закалки на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. Цель поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхностного слоя изделия при сохранении вязкой сердцевины, способной воспринимать ударные нагрузки. Поверхностную закалку можно проводить двумя способами. В первом случае нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. Во втором случае нагревают всю деталь, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью выше критической. Основные способы поверхностной закалки: с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ), газопламенная, с использованием лазерного излучения.

Закалка с индукционного нагрева (ТВЧ). Индукционный нагрев для термической обработки был впервые предложен в 1935 г. В. П. Вологдиным. В 1937 г. этот процесс был применен на ЗИЛе для упрочнения деталей автомобиля. Способ закалки с нагревом ТВЧ заключается в следующем. В переменное электромагнитное поле, создаваемое электрическим током высокой частоты, помещают металлическую деталь. В поверхностном слое детали индуцируются вторичные вихревые токи Фуко, вызывающие нагрев поверхностного слоя детали.

Рисунок 1 – Индукционный нагрев: а – схема индукционного нагрева; б – закалка; I – при одновременном нагреве всей поверхности; II – закалка при непрерывно-последовательном нагреве; 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – спрейер; 4 – силовые линии магнитного поля.

Индуктор (соленоид) представляет собой один или несколько витков пустотелой водоохлаждаемой медной трубки или шины. Закалку осуществляют с помощью душевого устройства (спрейера), часто совмещаемого с индуктором.

Плотность индуктированного переменного тока, по сечению проводника (нагреваемого изделия) неодинакова. Ток проходит в основном в поверхностном слое проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Около 90% теплоты выделяется в слое толщиной x, которая находится в следующей зависимости от частоты тока f (Гц), магнитной проницаемости μ (Гн/м) и электросопротивления ρ (Ом·см) нагреваемого металла:

.

Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри (768°С), вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при переходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Одновременно уменьшается скорость нагрева, что нужно учитывать при установлении режима нагрева. Скорость нагрева в области температур фазовых превращений (A₁ – А₃) для доэвтектоидной стали составляет ~30 – 300°С/с.

Для получения слоя, толщиной 1,0 мм оптимальная частота тока составляет 50000 – 60000 Гц, для слоя толщиной 2 мм ~ 15000 Гц и для слоя толщиной 4 мм всего ~ 4000 Гц.

Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5–3,0 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки 4 – 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10–15 мм и выше. Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20% всего сечения.

Источником электропитания служат чаще всего машинные и реже, ламповые генераторы. Когда глубина закалки 1-3 мм и более, применяют машинный генератор, имеющий диапазон рабочих частот 500 – 8000 Гц и мощность 12 – 500 кВт. Для нагрева деталей машин, требующих малую глубину закалки (десятые доли миллиметра), используют ламповые генераторы с частотой до 450000 Гц и мощностью 10–200 кВт. Закалку при нагреве ТВЧ производят на специальных установках, которые обычно механизированы и автоматизированы.

При больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5 –3,0°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенитизации и получения при охлаждении оптимальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твердости. (например, при печном нагреве стали с 0,4% С температура закалки 840-860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250°С/с – 880-920°С, а со скоростью 500°С/с – 980-1020°С).

При выполнении индукционного нагрева следует учитывать эффект близости. В системе из двух проводников, по которым течет переменный ток разного направления, наибольшая плотность тока создается в тех частях, которые ближе расположены друг к другу. В связи с этим, для получения закаленного слоя равномерной толщины расстояние от индуктора до поверхности детали должно быть одинаковым, а форма индуктора симметричной нагреваемой поверхности детали.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200 °С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца, и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4–0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.) которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50 – 60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева можно получить твердость HRC больше на 3 – 5 единиц, чем при закалке после нагрева в печи. Это явление часто объясняют высокой скоростью охлаждения при поверхностной закалке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность отпуска в процессе закалки. После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита мельче (балл 10 – 12), чем при обычной закалке с печным нагревом (балл 7 – 8). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве.

Предварительное улучшение или нормализация, при которых можно получить мелкодисперсную исходную структуру, и использование высоких скоростей нагрева (500 – 1000°С/с) при аустенитизации позволяют получить особо мелкое зерно аустенита (балл 14 – 15) и очень тонкий мартенсит. Сталь с таким зерном обладает высокой прочностью (σ_в ≤ 250 кгс/мм²) и пластичностью (ψ ≤ 20%). При поверхностной закалке, в том числе и с глубинным нагревом, сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Предел выносливости (при испытании образца с надрезом) для стали с 0,4% С после нормализации составляет 15 кгс/мм² (100%), а после поверхностной закалки 42 кгс/мм² (285%). Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия (50 – 60 кгс/мм²) (При знакопеременной нагрузке трещины усталости, как правило, возникают на поверхности под влиянием растягивающих напряжений. При образовании на поверхности остаточных напряжений сжатия они уменьшают растягивающие напряжения, возникающие от внешней нагрузки, и поэтому повышается предел выносливости).

Поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве (объемно-поверхностная закалка). Глубина нагрева до надкритических температур больше, чем глубина закалки (прокаливаемость). Детали, имеющие тонкое сечение, нагреваются насквозь. Глубина закалки определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемостью стали, поэтому для поверхностной закалки применяемая сталь должна прокаливаться на меньшую глубину, чем глубина нагрева. После закалки на поверхности образуется мартенсит (HRC ~ 60), а в сердцевине, поскольку здесь скорость охлаждения меньше критической – сорбит или троостит, что значительно упрочняет ее (HRC 30 – 40, σ_в = 120 – 130 кгс/мм²). Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали пониженной или регламентированной прокаливаемости. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемости (55ПП), содержащие 0,55 – 0,63% С и менее 0,5% примесей Si, Mn, Cr, Ni и Сu и регламентированной прокаливаемости (47 ГТ), содержащие 0,44-0,51% С; 0,9 – 1,2% Мn; 0,06 – 0,12% Ti.

Преимущества высокочастотного нагрева: а) высокая производительность; б) отсутствие выгорания углерода и других элементов, отсутствие заметного окисления и образования окалины; в) минимальное коробление; г) глубина закаленного слоя может точно регулироваться.

Закалка с газопламенным нагревом. Применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т. д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400 – 3150°С). Вследствие подвода значительного количества теплоты поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм, а его твердость для стали с 0,45 – 0,5% С, HRC 50 – 56. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.

Закалка с использованием лазерного излучения. Лазерное поверхностное упрочнение позволяет снизить общие затраты энергии более чем в 3 раза в сравнении с закалкой ТВЧ, и более чем в 20 раз в сравнении с объемной закалкой в печи.

Для поверхностной закалки чаще всего применяют газовые СО₂ – лазеры непрерывного действия или импульсные твердотельные лазеры мощностью 0,5 – 10 кВт. Кратковременное воздействие лазерного излучения (10^-3 – 10^-8 с) вызывает разогрев небольшого объема металла (до 4 мм в диаметре и до 1 мм глубиной), который закаливается вследствие быстрого отвода теплоты в металл. В случае нагрева до оплавления возможно образование аморфного металла. (В аморфном состоянии отсутствует дальний порядок в расположении атомов а, следовательно, кристаллическая анизотропия и дефекты кристаллического строения, такие как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и дефекты упаковки. Для аморфного состояния присуща как идеальная атомно-структурная однородность, обусловленная отсутствием перечисленных дефектов с высоколокализованной избыточной энергией, так и идеальная фазовая (химическая) однородность. Аморфные сплавы, независимо от концентрации компонентов представляют собой однофазную систему, состоящую из пересыщенного твердого раствора, атомная структура которого аналогична атомной структуре переохлажденного расплава. Аморфные сплавы обладают высокой микро- и макрооднородностью – отсутствуют источники фазовой неоднородности, как избыточные фазы, ликвация, различного рода сегрегации, т.е. сильно отличающиеся по атомному строению и химическому составу объемы.

При аморфизации модуль упругости снижается приблизительно на 30 % (силы межатомной связи уменьшаются), твердость и прочность резко возрастают. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные сплавы (~3000МПа).)

Обычно след воздействия луча лазера состоит из последовательно расположенных округлых пятен, каждое из которых имеет две термические зоны: центральную и периферийную. Микроструктура стали в пятне (от периферии к сердцевине): белая зона – нетравящийся мелкодисперсный мартенсит, затем крупноигольчатый мартенсит и мартенситно – ферритная смесь неполной закалки.

Лазерная обработка применяется для упрочнения углеродистых и легированных конструкционных и легированных сталей (40, 45, У10, Х12, ХВГ, Р18, ШХ15), серых, ковких и высокопрочных чугунов.

Можно получить закаленный поверхностный слой и при сквозном нагреве детали, если она изготовлена из стали ограниченной прокаливаемости (55ПП, 47РП).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомится с теорией проведения поверхностной закалки;

2. Провести лазерную поверхностную закалку стальных образцов;

3. С помощью твердомера ПМТ-3 установить влияние режимов закалки на твердость стали.

4. Сделать выводы.

Содержание отчета

1. Краткие сведения из теории.

2. Режимы поверхностной закалки с использованием лазерного излучения;

3. Результаты измерения твердости;

4. Выводы по работе.

Если мы возьмем металлический цилиндрик или ленту, состоящую из нескольких крупных кристаллов, видимых простым глазом, и начнем этот цилиндрик или ленту растягивать, то будем наблюдать следующие явления: цилиндрик будет растягиваться, удлиняться не по всей длине равномерно, а преимущественно в нескольких сечениях. При внимательном рассмотрении оказывается, что пластические деформации захватили преимущественно средние части отдельных кристаллов; те же части, в которых находятся стыки двух соседних кристаллов, меньше поддались пластической деформации – они оказали ей более значительное сопротивление (рис. 2).

Рисунок 2 – Схема деформации при растяжении крупнокристаллического образца; зависимость твердости от величины зерна Cu.

Таким образом, стыки, или границы между двумя соседними кристаллами, оказывают большее сопротивление пластической деформации, чем внутренние части кристалла. Этого и следовало ожидать, так как на границе между двумя соседними кристаллическими зернами встречаются две кристаллических решетки с различной ориентировкой их осей. Следовательно, на этой границе атомные силы не расположены в равновесную систему пространственной кристаллической решетки. В этих местах пространственная решетка должна претерпеть своего рода деформацию; правильность ее нарушена, а такая решетка, как мы видели выше, оказывает большее сопротивление пластической деформации, имеет более высокий предел упругости.

На основании этих наблюдений можно сделать следующие выводы: 1) крупнозернистые металлы должны иметь меньший предел текучести, чем мелкозернистые, и в особенности это должно сказываться по сравнению с очень мелкозернистыми металлами; 2) крупнозернистые металлы менее пластичны. При течении металла каждое зерно имеет тенденцию деформироваться как отдельный кристалл, т. е. в определенном кристаллографическом направлении, и при этом оно меняет свою форму. Вследствие этого обстоятельства, между двумя соседними кристаллами с различной ориентировкой во время их пластической деформации должны образоваться натяжения и трещины. В маленьких кристаллах эта тенденция, вызванная неравномерным изменением формы зерна, настолько ничтожна, что не превышает сил сцепления. В крупнозернистых металлах деформация отдельного зерна настолько неравномерна, а силы, вызванные этой неравномерностью деформации, настолько велики, что могут повести к разрывам между отдельными зернами. Поэтому в тех металлах, которые должны выдерживать в холодном виде значительную пластическую деформацию, нужно стремиться получить мелкозернистую структуру, несмотря на то, что она будет иметь более высокий предел упругости, чем крупнозернистая. Крупнозернистые металлы хрупки. Хрупкость, как известно, обнаруживается при динамической (ударной) пробе. Особенность ударной пробы состоит в том, что: а) действует не постоянная сила, а некоторый запас живой кинетической энергии, который должен поглотиться работой упругой и главным образом пластической деформации образца; б) действие удара продолжается очень короткое время, и поэтому пластическая деформация не имеет времени захватить большой объем образца. Хрупкость металла обратно пропорциональна работе пластической деформации, которая имеет место с начала удара до начала излома (разрушения) образца. Работа же пропорциональна, главным образом, объему пластически деформированного участка. Объем пластически деформированного участка, при одинаковых свойствах металла, пропорционален равномерности распространения упругой и пластической деформации: чем она равномернее распространяется, чем больше объем пластической деформации, тем больше обнаруживается вязкость металла, и наоборот. Поэтому все обстоятельства, способствующие неравномерности распространения упругой и пластической деформации, способствуют хрупкости металла. Одним из таких обстоятельств является надрез на поверхности бруска, около которого сосредоточиваются упругая деформация и упругие силы. Крупнокристалличность является другим таким фактором. Так как всякое кристаллическое зерно деформируется неравномерно по различным направлениям, то в некоторых плоскостях и точках зерна возникают упругие силы, значительно превосходящие свою среднюю величину, которые и вызывают разрыв металла в этой точке. Начавшийся разрыв играет роль надреза, т. е. еще в большей степени способствует в данном месте сосредоточению упругих сил и деформаций.