Поверхневе загартування, Навчальні матеріали
Поверхневе загартування є одним із способів збільшення твердості поверхневих шарів виробу, тоді як його серцевина залишається незагартованою (м'якою в'язкою) і добре сприймає ударне навантаження.
Поверхневе загартування проводять індукційним нагріванням струмом високої частоти (ТВЧ), газовим полум'ям, нагріванням лазерним променем.
Загартування з індукційним нагріванням. Індукційне нагрівання відбувається внаслідок теплової дії струму, що індукується у виробі, поміщеному в змінне магнітне поле.
Для нагрівання виріб встановлюють в індуктор (соленоїд), що являє собою один або кілька витків пустотілої водоохолоджуваної мідної трубки або шини (рисунок 43).
Змінний струм, протікаючи через індуктор, створює змінне магнітне поле. В результаті індукції в поверхневому шарі виникають вихрові точки і в шарі виробу виробляється відбувається виділення джоулевої теплоти. Струм проходить в основному в поверхневому шарі металу.
Близько 90 % теплоти виділяється у шарі завтовшки Х (м):
де f-Частота струму, Гц; r - електричні опори матеріалу деталі, Омм; m - магнітна проникність, Г/м.
Для загартування застосовують порівняно велику потужність (0,1…2,0 кВт/см 2 ), тому час нагріву становить 2…50 з. Для отримання шару завтовшки 1 мм частота струму 50...60 кГц, для шару завтовшки 2 мм - 15 кГц і для шару завтовшки 4 мм - 4 кГц. Зазвичай вважають, що площа перерізу загартованого шару має бути не більше 20% всього перерізу. Після нагрівання в індукторі деталь швидко переміщається в спеціальний охолодний пристрій - спрейєр, через отвори якого на нагріту поверхню розбризкується загартована рідина; іноді нагріті деталі скидаються у загартовані баки.
Високашвидкість нагрівання зміщує фазові перетворення в область вищих температур, тому температура загартування при нагріванні ТВЧ для однієї і тієї ж сталі повинна бути вищою, ніж при об'ємному загартуванні.
Найбільш доцільно використовувати цей метод для нагрівання виробів з вуглецевих сталей, що містять більше 0,4 % С. Для легованих сталей ТВЧ, як правило, не застосовують, оскільки одна з їх переваг - глибока прожарювання легованих сталей - при такому методі не використовується.
Перевага методу ТВЧ — висока продуктивність, відсутність обезуглерожування та окислення поверхні деталі, можливість регулювання та контролю режиму термічної обробки, а також повної автоматизації всього процесу.
Недолік - висока вартість індукційних установок та індукторів (для кожної деталі свій індуктор), тому цей метод економічно доцільно використовувати лише за масового виробництва однотипних деталей простої форми.
Загартування з газополум'яним нагріванням. Цей спосіб загартування застосовують для великих виробів (прокатних валків, труб, валів тощо). Поверхню деталі нагрівають газовим полум'ям, що має температуру до 3150 0 С. Як горючі гази застосовують ацетилен, природний газ, гас. Для нагрівання використовують щілинні пальники (що мають один отвір у формі щілини) та багатополум'яні.
Товщина загартованого шару зазвичай 2…4 мм, яке твердість для сталі з 0,45…0,5 % З — 50…56 HRС. Процес газополум'яного загартування можна автоматизувати та включити до загального потоку механічної обробки. Для великих деталей цей спосіб загартування часто більш рентабельний, ніж загартування з індукційним нагріванням.
Поверхневе загартування при нагріванні лазером. Є одним із широко застосовуваних видів лазерної обробки металів та сплавів. Вона заснована на локальномунагрівання ділянки поверхні світловим променем лазера та охолодження цієї ділянки з надкритичною швидкістю за рахунок тепловідведення у внутрішні шари металу. При цьому не потрібно застосовувати охолоджуючі середовища, що суттєво полегшує технологію термозміцнення. Товщина зміцненого шару вбирається у 1,5…2,0 мм.