Индукционный и лазерный методы поверхностной закалки

Поверхностная закалка сталей

Конструкционная прочность многих изделий зависит от структуры поверхностных слоев. Так для деталей, рабо­тающих в условиях истирания (валы, шестерни), срок службы зависит именно от прочности его поверхностных слоев. Поэтому повышению поверхностной прочности стали следует уделять особое внимание. Одним из мето­дов упрочнения является поверхностная закалка.

Имеется много способов поверхностной закалки. Ос­новным из них можно считать индукционный, при кото­ром нагрев деталей осуществляют токами высокой час­тоты (ТВЧ). Используют также различные виды лучево­го нагрева - электроннолучевой, лазерный, световой. Существуют и менее эффективные, но более просто организуе­мые методы газопламенного нагрева и закалки.

Суть всех упомянутых методов заключается в том, что исполь­зуется поверхностный нагрев, обусловленный относи­тельно малыми теплопроводностью и временем воздей­ствия.

Распределение температуры в поверхностном слое имеет вид, представленный на рис. 93. При электроннолучевом нагреве в большей степени нагреваются внутренние слои металла.

Метод индукционной закалки, т.е. токами высокой частоты (ТВЧ) был разработан в СССР В.П.Вологдиным.

При индукционной закалке скорость нагрева определяется интенсивностью подвода тепла. Глубина (l, мм) прогреваемого слоя определяется выражением

l = 5030 , (44)

где r - удельное электросопротивление нагреваемого металла, Ом^.м;

m - магнитная проницаемость нагреваемого металла, Гс;

f - частота тока, с^-1.

Оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств изделий диаметром d достигается, если глубина нагреваемого слоя составляет 0,15d. Практически набор размеров деталей лучше обеспечивается машинными генераторами, хотя управление ламповыми проще. Дело в том, что характерные частоты машинных генераторов составляют 500…15000 с^-1.

Рис. 93. Распределение температур в поверхностном слое

при различных способах поверхностной закалки:

1 - лазерная; 2 - индукционная; 3 - электроннолучевая

Эти частоты соответствуют вариациям глубин нагретого слоя от 10 до 2 мм. Такой набор толщин соответствует наиболее часто применяемому набору размеров деталей (от 13 до 65 мм). Время нагрева до температур закалки колеблется от 1 до 10 с. Закалка с использованием ТВЧ легко поддается автоматизации, и, кроме того, ей могут подвергаться именно те участки деталей, для которых закалка необходима.

Поверхностную закалку легированных сталей следует проводить на более высоких частотах, так как прокаливаемость большинства таких сталей выше прокаливаемости простых углеродистых сталей. Здесь во многих случаях вместо поверхностной закалки получается сплошная, поэтому лучше использовать ламповые генераторы.

Организация метода закалки ТВЧ характеризуется рядом затруднений. Так, при индукционном нагреве наблюдается окисление поверхности. Поэтому в зону нагрева целесообразно подавать защитные или инертные газы (азот или аргон).

Лазерная закалка осуществляется в результате кратковременного (от десятых до миллионных долей секунды) нагрева изделия концентрированным потоком энергии лазерного луча и быстрого со скоростью от 10³ до 10^{6 0} К/с охлаждения.

Для лазерной термической обработки используют как газовые СО₂ - лазеры непрерывного действия, так и твердотельные (на неодимовых стеклах) лазеры импульсно-периодического действия.

Глубина термически обработанного поверхностного слоя регулируется плотностью мощности лазерного луча и временем его взаимодействия с изделием и может изменяться от 0,1…0,2 мм до 1…2 мм.

Преимущества метода лазерной термической обработки перед другими традиционно используемыми методами поверхностной обработки заключается в высокой производительности, возможности автоматизации процесса.

Возможность менять направление лазерного луча с помощью оптических систем обеспечивает обработку строго определенных участков и контуров деталей сложной формы.

Подбор режимов лазерной обработки позволяет формировать в поверхностных слоях различную дисперсность частиц карбидов, мартенситных и других фаз, а также различную плотность дефектов структуры, и кроме того, снижает коробление и деформацию изделий.

При лазерной термической обработке в поверхностно обработанных слоях можно формировать как более проч­ные слои (за счет измельчения структуры), так и более вязкие, если при очень быстром охлаждении фиксировать в поверхностном слое высокое содержание остаточного аустенита.

Дата добавления: 2014-01-05