Поверхневий нагрівання під загартування - Загартування з поліморфним перетворенням - Загартування - Теорія
Багато виробів повинні мати високу поверхневу твердість, високу міцність поверхневого шару та в'язку серцевину. Таке поєднання властивостей на поверхні і всередині виробу досягається поверхневим загартуванням.
Для поверхневого гарту сталевого виробу необхідно нагріти вище точки Аc3 тільки поверхневий шар заданої товщини. Цей нагрів повинен здійснюватися швидко і інтенсивно, щоб серцевина внаслідок теплопровідності також не прогрілася до загартованих температур. Різновиди поверхневого гарту різняться методами нагрівання.
У промисловості використовують два основних способи поверхневого нагрівання: струмами високої частоти (ТВЧ) і полум'ям пальника.
Високочастотне загартування має незаперечні переваги перед усіма іншими методами поверхневого загартування. Вона поширена найширше.
Як відомо, із збільшенням частоти змінного струму зростає нерівномірність розподілу його за перерізом провідника.
За високих частот можна вважати, що струм практично йде лише в тонкому поверхневому шарі. На використанні поверхневого ефекту (скін-ефекту) заснований високочастотний індукційний нагрівання для поверхневого гарту, запропонований в 1936 р. В. П. Волотдіним. Виріб поміщають в індуктор зі струмом високої частоти. Практично вважають, що струм, що індукується у виробі, зосереджений у поверхневому шарі товщиною.
де: ρ - питомий електроопір, ом * см; μ-магнітна проникність; f - Частота струму, Гц. Отже, глибина проникнення струму, отже, і товщина загартованого шару зменшуються із збільшенням частоти струму.
Ця залежність ілюструється такими даними:
Одновитковий або багатовитковий мідний індуктор підбирають длякожної деталі відповідно до форми поверхні, що нагрівається. Порожнистий індуктор зсередини охолоджується водою. Відстань між поверхнею виробу та індуктора має бути строго визначеним, тому що від нього залежить глибина гарту.
Це зумовлено ефектом близькості, який полягає в тому, що щільність струму, що індукується, залежить від відстані між провідниками. При протилежному напрямі струму у провідниках його щільність буде максимальною у найближчих між собою точках поверхні провідників. Якщо виріб круглий, то для отримання рівномірної глибини гарту доцільно обертати його в період нагрівання в індукторі.
Важливою перевагою високочастотного загартування є надзвичайно велика швидкість нагрівання всього шару, що гартується. Швидкість нагрівання зовнішнім джерелом тепла, наприклад, полум'ям газового пальника, лімітується теплопровідністю металу; щоб провести нагрівання з високою швидкістю, яка необхідна при поверхневому загартуванні, доводиться сильно перегрівати поверхню виробу.
При високочастотному нагріванні теплота генерується в самому металі і весь шар, що гартується швидко нагрівається до необхідної температури. При однаковій товщині загартованого шару високочастотне нагрівання в порівнянні з іншими методами характеризується меншим перегрівом поверхні і набагато більш рівномірним розподілом температури в шарі, що гартується.
Висока швидкість високочастотного нагріву (сотні градусів за секунду) зумовлює таку важливу особливість фазових перетворень.
На малюнку Схема діаграми ізотермічного утворення аустеніту видно, що з підвищенням швидкості нагрівання фазові перетворення зміщуються в область більш високих температур. До цього слід додати, що в доевтектоїдних сталях підвищення температури приіндукційному нагріванні як би обганяє дифузію вуглецю, внаслідок чого надлишковий ферит перетворюється на маловуглецевий аустеніт.
Отже, температура високочастотного загартування повинна бути вищою за температуру загартування при звичайному пічному нагріванні і тим вище, чим більша швидкість нагрівання і грубіше виділення надлишкового фериту. Наприклад, сталь 40 при пічному нагріванні загартовують з температур 840 - 860 ° С, при індукційному нагріванні зі швидкістю 250 град / с - з температур 880 - 920 ° С, а при швидкості нагрівання 400 град / с - з 930 - 980 ° С.
Бажано піддавати високочастотному гарту сталь з подрібненою вихідною структурою, для чого можна використовувати нормалізацію, а в окремих випадках і поліпшення, тобто звичайне наскрізне гартування з високою відпусткою на сорбіт.
Основні параметри індукційного нагрівання - температура загартування та швидкість нагрівання в районі фазових перетворень. Для даної плавки сталі та вихідної структури в залежності від швидкості нагріву підбирають оптимальну температуру загартування.
Зі збільшенням ступеня перегріву швидкість зародження центрів аустеніту зростає швидше за лінійну швидкість їх зростання. Тому в умовах високочастотного нагріву, що відрізняються сильним перегрівом вище точок А1 і А3 і відсутністю витримки при максимальній температурі, утворюється дуже дрібне зерно.
При недогріві до оптимальної температури твердість знижена через неповноту аустенітизації, а при перегріві вище оптимальної температури через збільшення кількості залишкового аустеніту і більшої величини його зерна.
Залежність твердості на поверхні сталі У10
Залежність твердості на поверхні сталі У10 від температури нагрівання під загартування при різних швидкостях нагріву (І. Н. Кідін), град/с: 1 - 700; 2 - 400; 3 -200.
Високочастотне загартування підвищує поверхневу твердість та зносостійкість виробів. Тут вона успішно замінює менш продуктивну цементацію.
Важливо також використання індукційного поверхневого гарту для підвищення опору втоми. Численні деталі машин, наприклад вали та осі, працюють на вигин та кручення, при яких максимальні напруги виникають у поверхневих шарах. При знакозмінному навантаженні руйнування, як правило, починається з поверхні виробу. Високочастотне загартування, що зміцнює поверхневий шар і створює в ньому залишкові напруги стиснення, значно підвищує межу витривалості, яка може зрости в 1,5 - 2 рази.
При поверхневому загартуванні глибина загартованого шару зазвичай не перевищує глибини прожарювання. Тому високочастотне загартування широко використовують для вуглецевих сталей з невеликим прожарюванням, таких, як сталі 40 і 45.
Леговані сталі в ряді випадків з успіхом замінюють вуглецевими або низьколегованими, що зміцнюються поверхневим загартуванням з індукційним нагріванням.
Сумміруючи, можна відзначити такі переваги загартування з високочастотним нагріванням: високу продуктивність, підвищення зносостійкості та опору втоми, відсутність обезуглерожування, незначне окислення, точне регулювання глибини загартування, можливість механізації та автоматизації процесу, а також організації потокових ліній.
До недоліків відносяться висока вартість індукційної установки та нерентабельність гарту одиничних деталей, для кожної з яких потрібно виготовити власний індуктор та підібрати режим обробки. При серійному виробництві однотипних деталей ці недоліки відсутні і високочастотне загартування рентабельне.
В даний час загартуванняз нагріванням ТВЧ застосовують до таких виробів, як колінчасті та розподільні вали, шестірні, гальмові кулаки, пальці кривошипа, валки холодної прокатки, рейки (загартують кінці рейок), фрези, мітчики, плашки, зубила, напилки та ін.
Поверхневе загартування з нагріванням полум'ям пальника проводиться наступним способом.
Пальний газ (наприклад, ацетилен) і кисень змішуються в спеціальному пальнику і витікають із гартового наконечника. При згорянні у суміші з киснем газоподібного пального утворюється полум'я з високою температурою (2400 - 3000 ° С). Полум'я пальника направляють на ділянку поверхні виробу, що загартовується, де воно швидко розігріває шар товщиною 2 - 4 мм до температур вище точки Аc3. Потім на розігріту ділянку через отвори в охолоджувальній частині гартового наконечника під тиском вибризкують воду.
Основною перевагою аналізованого способу загартування в порівнянні з високочастотною є простота обладнання для газополум'яного нагріву.
Загартування з нагріванням полум'ям пальника доцільно застосовувати при індивідуальному виробництві та ремонті, коли гартування ТВЧ нерентабельне, при гартуванні великих виробів (прокатних валків), при роботі в польових умовах (загартування без демонтажу).
Недоліки газополум'яного гарту - можливість сильного перегріву і менш точне регулювання товщини загартованого шару.
«Теорія термічної обробки металів», І.І.Новіков
Режим охолодження при загартуванні повинен насамперед забезпечити необхідну глибину прожарювання. З іншого боку, режим охолодження повинен бути таким, щоб не виникали сильні загартовані напруги, що призводять до короблення виробу і утворення тріщин загартування. Гартувальні напруги складаються з термічних і структурних напруг. Призагартуванні завжди виникає перепад температур перерізу виробу. Різна величина термічного стиснення зовнішніх ...
Так як немає такого гартуючого середовища, яке давало б швидке охолодження в інтервалі температур 650 - 400 ° С і повільне охолодження вище і головним чином нижче цього інтервалу, то застосовують різні способи загартування, що забезпечують необхідний режим охолодження. Загартування через воду в масло Загартування через воду в масло (загартування у двох середовищах): 1 — нормальний режим;
Наскрізне нагрівання під загартування Перетворення сталі при нагріванні описані в Утворенні аустеніту при нагріванні. Температури нагрівання під загартування вуглецевих сталей можна вибрати за діаграмою стану. Доевтектоїдні сталі гартують із температур, що перевищують точку А3 на 30 - 50 °С. Спадково дрібнозерниста сталь допускає більш високе нагрівання. При перегріві спадково крупнозернистої сталі загартування дає структуру великогольчастого ...
