Способы закалки

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы закалки. На рис. 5 приведены кривые охлаждения, соответствующие разным способам закалки, нанесенные на диаграмму изотермического превращения аустенита.Закалку в одном охладителе применяют для деталей простой формы. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, которым может быть вода, масло и др. Недостаток этого способа закалки заключается в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения.Прерывистую закалку или закалку в двух средах (рис. 5, скорость V4) используют для деталей более сложной формы. В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем переносят для окончательного охлаждения в масло (закалка через воду — в масло). Уменьшая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, тем самым стремятся уменьшить структурные напряжения. Этот способ часто используют при закалке инструментов из углеродистой стали. Однако точное время пребывания детали в каждой из сред определить трудно.

Ступенчатая закалка  по сравнению с предыдущими способами является более совершенной. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, имеющий температуру на 30—50 °С выше мартенситной точки, и выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению изделия. Время изотермической выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре.После изотермической выдержки (в расплаве солей или металлов) деталь охлаждают с небольшой скоростью, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Этот способ применим только для закалки небольших деталей, имеющих диаметр 10— 30 мм.

Изотермическая закалка  Нагретую до закалочных температур деталь быстро переносят в закалочную среду, имеющую температуру несколько выше температуры начала мартенситного превращения (например, 250—300°С для углеродистых сталей), и выдерживают в течение времени, необхолимого для полного превращения переохлажденного аустенита. В результате получается структура нижнего бейнита.

Закалка с самоотпуском. Охлаждение проводят в одном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются, и таким образом происходит отпуск. Закалку с самоотпуском применяют для местной термической обработки в мелкосерийном производстве, а также при изготовлении зубил, кернов и других инструментов. Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. п. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева, прокаливаемость играет второстепенную роль или вообще не имеет значения.

Закалка токами высокой частоты (закалка ТВЧ). Использование ТВЧ для нагрева металлов впервые предложил В. П. Вологдин в 1923 г. Закалку стали с нагревом ТВЧ начали применять с 1935 г. Теоретические основы термической обработки с нагревом ТВЧ были разработаны в последующие годы И. Н. Кидиным, Н. В. Гевелингом, М. Г. Лозинским.Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Обычно в практике применяют машинные генераторы с частотой 500—15000 Гц и ламповые генераторы с частотой более 106 Гц (глубина закалки при таких частотах получается до 2 мм). Индукторы изготавливают из медных трубок, внутри которых непрерывно циркулирует вода, благодаря чему они сами не нагреваются. Форма индукторов соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо соблюдать постоянное расстояние между индуктором и поверхностью изделия. Каждая установка имеет комплект индукторов.Нагрев детали ТВЧ происходит за 3—5 с. После нагрева в индукторе деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство — спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (иногда нагретые детали сбрасываются в закалочные баки).Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Кроме того, вследствие непродолжительных выдержек диффузия углерода не успевает произойти и в образовавшемся аустените наблюдается неоднородность его распределения. Чтобы ускорить диффузионные процессы, повышают температуру нагрева. Поэтому температура закалки при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильном режиме получается мелкоигольчатый или бесструктурный мартенсит, имеющий меньшую хрупкость и повышенную прочность. Твердость повышается на 2—3 единицы по сравнению с обычной закалкой, а также возрастает износостой-кость и предел выносливости, который может увеличиваться в 1,5—2 раза. Поскольку при нагреве ТВЧ сердцевина изделия нагревается ниже Ас1 перед закалкой для улучшения свойств его подвергают нормализации. Наиболее целесообразно использовать этот метод для нагрева изделий из углеродистых сталей, содержащих более 0,40 % С. Для легированных сталей нагрев ТВЧ, как правило, редко применяют, так как одно из их преимуществ — глубокая прокаливаемость легированных сталей — при таком методе не используется.

Преимущества метода ТВЧ — высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки, а также полной автоматизации всего процесса. Закалочные агрегаты можно устанавливать непосредственно в поточной линии механического цеха. Поэтому закалку ТВЧ применяют для деталей массового производства (пальцы, валики, шестерни и др.). Чтобы избежать возможного хрупкого разрушения зубьев шестерен, их изготавливают из специальных углеродистых сталей пониженной прокаливаемости 55 ПП (0,55 %С), содержащих марганца < 0,2% и кремния 0,1—0,3%. Зубья шестерен прогревают насквозь, но закаливается только поверхностный слой толщиной 1—2 мм.

Нагрев ТВЧ позволяет проводить закалку отдельных участков деталей — шейки коленчатых валов, кулачков распределительных валов, головки рельсов и др. Недостатком является высокая стоимость индукционных установок и индукторов (для каждой детали свой индуктор), поэтому этот метод экономически целесообразно использовать только при массовом производстве однотипных деталей простой формы. Пламенную поверхностную закалку применяют главным образом для закалки изделий с большой поверхностью, при индивидуальном производстве и ремонте, иногда для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Нагрев изделий осуществляется пламенем газовых или кислородноацетиленовых горелок. При нагреве изделий с большой поверхностью горелки с охлаждающим устройством перемещаются вдоль изделия или изделие движется, а нагревательное устройство неподвижно.Толщина закаленного слоя при этом способе нагрева получается равной 2—4 мм. К недостаткам метода следует отнести сложность регулирования температуры нагрева, а отсюда возможность сильного перегрева.Нагрев изделий перед закалкой в расплавленных металлах или солях также является одним из способов поверхностной закалки. Этот способ применяют при закалке мелких деталей простой геометрической формы, изготовляемых в небольших количествах.