Поверхностная закалка стали (при поверхностном нагреве)

Скорость высокочастотного индукционного нагрева может доходить до 300-500 К/с, что на 2-4 порядка больше скорости обычного печного нагрева. Высокая скорость индукционного нагрева обусловливает важные особенности фазовых превращений и получающейся структуры.

На рис. 11 видно, что с повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода,. в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит.

Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве, и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливают с температур 840- 860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250 К/с - с 880-920°С, а при скорости нагрева 400 К/с - с 930- 980°С. Высокочастотной закалке желательно подвергать сталь с измельченной исходной структурой, для чего можно использовать нормализацию, а в отдель ных случаях и улучшение, т. е. обычную сквозную закалку с высоким отпуском на сорбит. С увеличением степени перегрева скорость зарожде-

Рис. 11. Диаграмма изотермического образования аустенита в доэвтектоидной стали с 0,45% С при исходной феррито-перлитной структуре

ния центров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А₁ и А₃ и отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно. Его размер может находиться в интервале 2-7 мкм (до № 14 по ГОСТу), в то время как при печном нагреве под закалку обычно образуются аустенитные зерна размером более 10 мкм (№ 7- 10).

Из-за большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при максимальной температуре цикла диффузионные процессы оказываются незавершенными, и углерод распределен неоднородно в микрообъемах аустенита. Например, в стали 40 могут образоваться микроучастки аустенита, содержащие 1,7% С.

Очень мелкое зерно, т. е. большая протяженность межзеренных границ, и неоднородность в распределении углерода делают аустенит менее устойчивым при перлитном превращении. Поэтому после индукционного нагрева требуется интенсивное закалочное охлаждение.

В микрообъемах аустенита с разной концентрацией углерода образуются кристаллы мартенсита, также различающиеся по составу. В участках аустенита с низкой концентрацией углерода точка М_н высокая (см. рис. 12) и могут выделяться дисперсные карбиды при охлаждении мартенситных кристаллов в интервале от

Мн до комнатной температуры. Аустенит с очень мелким зерном превращается в очень мелкие кристаллы мартенсита. Указанные выше особенности строения мартенсита в стали после индукционного нагрева обусловливают повышенное сопротивление хрупкому разрушению и даже несколько большую твердость (на 4-6 ед. НRС выше, чем при закалке с печным нагревом). Закалку с высокочастотным индукционным нагревом, отличающуюся большой производительностью, широко применяют для повышения твердости поверхности изделий, увеличения сопротивления изнашиванию и усталости. Повышению предела выносливости способствуют остаточные сжимающие напряжения в поверхностных слоях.

Рис. 12. Зависимость температуры равенства энергии Гиббса аустенита и мартенсита одинакового состава (То) и температуры Мн от содержания углерода в системе Fe-С

Так как глубина проникновения тока обычно не превышает глубины прокаливаемости углеродистых сталей, то не требуется использовать легированные стали с повышенной прокаливаемостью. Высокочастотную закалку широко применяют к деталям из дешевых углеродистых сталей, содержащих 0,4% С и более.

Для каждой конфигурации детали необходимо изготовить свой индуктор и подобрать свой режим обработки. Поэтому поверхностная закалка с индукционным нагревом рентабельна при серийном производстве однотипных деталей, как, например, в автомобильной промышленности.

При поверхностной закалке мартенситную структуру имеют только поверхностные слои, нагретые до температуры закалки. Большинство деталей, подвергающихся поверхностной индукционной закалке, изготовляют из среднеуглеродистых сталей (марок 40, 45) с суженными пределами по углероду. В автомобилестроении, тракторостроении, сельскохозяйственном машиностроении применяют легированные среднеуглеродистые стали (марок 40Х, 50Г и др.) Для изготовления режущего и измерительного инструмента, проходящего индукционную закалку, используют стали У7, У8, У10, У12, 9Х и др. Поверхностной индукционной закалке подвергают также детали из серых и ковких чугунов (преимущественно с перлитной и перлитно-ферритной металлической основой). Толщина закаленного слоя составляет 0,5-8 мм.

Микроструктура доэвтектоидной стали характеризуется следующим распределением структурных составляющих (от периферии к центру): мартенсит (зона 1); мартенсит, феррит и троостит (зона II); феррит и перлит (зонаIII) (рис. 13). Наличие в переходном слое феррита указывает на более низкую температуру в этой зоне, при которой часть избыточного феррита не превратилась в аустенит.

Характеру распределения структур по сечению закаленной детали соответствует распределение твердости. Твердость поверхностного слоя с мартенситной структурой составляет HRС 60-65. Обеспечение высоких твердости, прочности и пластичности детали зависит от глубины закаленного и переходного слоев. Рекомендуемая толщина закаленного слоя хк = (0,1н-0,15) D, где D - диаметр детали, мм. Переходный слой должен составлять 25-30% толщины закаленного слоя; чем крупнее деталь, тем больше должна быть толщина закаленного слоя.

Рис. 13. Зависимость структуры и твердости закаленной детали, изготовленной из стали 45, от распределения температур по толщине нагретого слоя: t - распределение температуры; HRС - распределение твердости; зона I нагревается выше температуры в точке АC3; зона II - выше температуры в точке АC1 зона III - ниже температуры в точке АC1.

Дата добавления: 2014-01-04