В этой статье речь пойдет об индукционной закалке — одном из видов термической обработки металлов, обеспечивающем возможность протекания фазовых превращений, то есть превращение перлита в аустенит. Стальные детали, благодаря индукционной закалке, приобретают более высокие механические свойства, ибо качество стали значительно повышается вследствие такой обработки.
Итак, для термической обработки металлов, с целью их поверхностной закалки, применяют индукционный нагрев. Технология позволяет выбрать различную глубину закаленного слоя, к тому же процесс легко автоматизируется, поэтому данный метод относится к прогрессивным. Возможна закалка деталей различной формы.
Поверхностная индукционная закалка бывает двух видов: поверхностная и объемно-поверхностная.
Поверхностная закалка при поверхностном нагреве приводит к прогреванию детали до температуры закалки на глубину закаленного слоя, а сердцевина остается нетронутой. Время нагрева составляет от 1,5 до 20 секунд, скорость нагрева — от 30 до 300 °С за секунду.
Для объемно-поверхностной закалки характерен прогрев слоя большего, чем слой с мартенситной структурой, это глубинный нагрев. Сталь прокаливается на меньшую глубину, чем толщина нагретого слоя, что определяется прокаливаемостью стали.
В глубоких участках, глубже мартенситной структуры, которые прогреваются до температуры закалки, формируются упрочненные зоны со структурой сорбита или троостита закалки. Время закалки увеличивается до 20-100 секунд, скорость прогрева снижается до 2-10 °С за секунду по сравнению с поверхностной закалкой.
Объемно-поверхностной закалке подвергают тяжелонагнуженные оси, шестерни, крестовины и т. п. Главное отличие индукционного нагрева от других способов нагрева — выделение тепла непосредственно внутри объема детали.
Принципиально процесс происходит следующим образом. В индуктор, который питается переменным током, помещают закаливаемую деталь. Переменное магнитное поле наводит ЭДС в поверхностном слое детали, возникают вихревые токи, нагревающие деталь. Те участки, на которые действует переменное магнитное поле, нагреваются до высокой температуры.
Скорость нагрева высока, и имеется возможность для местного нагрева. Плотность тока больше у поверхности детали вследствие поверхностного эффекта, поэтому возможен нагрев лишь на требуемую глубину. Сердцевина нагревается незначительно. 87% мощности, передаваемой вихревыми токами детали, приходится на глубину проникновения.
Так как при разной температуре металла глубина проникновения тока различна, процесс протекает в несколько стадий. В первую очередь быстро прогревается поверхностный слой холодного металла, затем нагревается слой глубже, причем первый слой дальше не нагревается так быстро, затем прогревается третий слой.
В процессе нагрева каждого из слоев, скорость прогрева каждого слоя снижается с потерей соответствующим слоем магнитных свойств. То есть тепло распространяется в связи с изменением магнитных свойств металла от слоя к слою. Это активный нагрев током, он длится буквально секунды.
Индукционный нагрев, по распределению температуры в сечении детали, отличается от нагрева путем теплопроводности. В пределах нагретого слоя температура значительно выше, чем в центре, имеете место крутой перепад, поскольку в центральной части детали магнитные свойства еще не теряются в то время, как снаружи активный ток уже перегрел металл. Варьируя частоту тока и длительность нагрева, добиваются прогрева детали на необходимую глубину.
Конструкция индуктора, как правило, определяет качество закалки детали. Индуктор изготавливается из медных трубок, по которым пропускается вода с целью его охлаждения. Между индуктором и деталью выдерживается определенное расстояние, измеряемое единицами миллиметров, и одинаковое со всех сторон.
Закалку осуществляют различными путями, в зависимости от формы и размеров детали, а также от требований к закалке. Небольшие детали сначала нагревают, затем охлаждают. При душевом охлаждении, через отверстия в индукторе подается закалочная среда, например вода. Если деталь длинная, то индуктор перемещается в процессе закалки вдоль нее, а вода подается через душевые отверстия вслед за его движением. Это непрерывно-последовательный способ закалки.
При непрерывно-последовательной закалке индуктор движется со скоростью от 3 до 30 мм в секунду, и участки детали попадают поочередно в его магнитное поле. В итоге деталь последовательно, участок за участком, нагревается и охлаждается. Так можно закалить и отдельные части детали, если потребуется, например шейки коленвала или зубцы крупного зубчатого колеса. Средства автоматизации позволяют выставить деталь ровно и перемещать индуктор с высокой точностью.
В зависимости от марки стали и режима ее предварительной обработки, свойства после закалки получаются разными. Режимы индукционного нагрева, охлаждения и низкого отпуска также влияют на результаты.
В отличие от обычной закалки, индукционная закалка делает сталь более твердой 1-2 HRC, прочной, меньше снижается вязкость, повышается предел выносливости. Это связано с измельчением аустенитных зерен.
Высокая скорость нагрева приводит к росту центров перлито-аустенитного превращения. Начальное зерно аустенита получается мелким, роста не происходит из-за высокой скорости нагрева и отсутствия выдержки.
Кристаллы мартенсита получаются меньше. Зерно аустенита оказывается 12-15 баллов. При применении сталей мало склонных к росту аустенитных зерен, получается мелкое зерно. Детали обладающие малодисперсной исходной структурой получаются более качественными в итоге.
В результате распределения остаточных напряжений повышается предел выносливости. Остаточные напряжения сжатия присутствуют в закаленном слое, а напряжения растяжения — за его пределами. Усталостные разрушения связаны с растягивающими напряжениями. Напряжения сжатия будут ослаблять разрушительные растягивающие под действием внешних сил при работе детали. Вот почему в результате индукционной закалки повышается предел выносливости.
Определяющее значение при индукционной закалке имеют: скорость нагрева, скорость охлаждения, режим низкотемпературного отпуска.