Термическая обработка стали при индукционном нагреве

Кидин И.Н.

Металлургиздат, 1950 г.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ   ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИИ

Как правило, детали машин наибольшие усилия воспринимаютсвоими поверхностными слоями. И при статическом изгибе, и при динамической изгибающей нагрузке максимальные напряжения возникают в поверхностном слое изделия. Постепенно уменьшаясь по мере отдаления от поверхности, напряжения исчезают в средней части изделия.

Касательные напряжения, возникающие при кручении, на поверхности также имеют максимальные значения, а на нейтральной оси равны нулю.

При нагружении изделия знакопеременной нагрузкой разрушение от усталости начинается в поверхностном слое. И в данном случае средняя часть изделия совсем не участвует или мало участвует в восприятии внешней нагрузки.

В случае работы изделия на износ от трения изнашивается исключительно его поверхность.

Поэтому при подборе материала и термической обработки для большинства деталей нет необходимости придавать им одинаковые свойства по всему сечению, исходя из требований, которые предъявляются лишь к поверхностным слоям. В некоторых случаях применение равнопрочных изделий может оказаться не только нерациональным, но и вредным.

Приведем лишь один из многочисленных примеров, иллюстрирующих нецелесообразность применения равнопрочных изделий. Зуб шестерни, воспринимая внешние усилия, работает на статический изгиб и износ, в отдельных случаях — на динамический изгиб.

Чтобы зуб хорошо работал на изгиб, большую прочность Должны иметь лишь поверхностные слои металла  высокая прочность во внутренней части бесполезна. На износ работает только поверхность зуба,   следовательно,   только она должна иметь необходимую прочность и связанную с ней износоустойчивость. Надо добиваться, чтобы зуб по сечению имел большую твердость лишь на глубине, соответствующей максимально допустимому износу. При работе на ударную нагрузку высокая прочность внутренней части зуба не только бесполезна, но может принести вред, так как при большой прочности ударная вязкость металла, как правило, невысока и упругие свойства зуба снижаются, что может явиться причиной преждевременного его разрушения.

Наибольшая прочность поверхностных слоев при достаточно вязкой сердцевине и плавном переходе между ними — наиболее рациональное распределение свойств и для многих других изделий. Нередко такое распределение свойств является единственно правильным с точки зрения долговечности работы изделий. Именно поэтому техническую мысль последних десятилетий так живо интересует проблема поверхностного упрочнения изделий.

Все известные методы поверхностного упрочнения термической обработкой можно подразделить на три основные группы:

1) химико-термическая обработка,

2) поверхностная закалка при нагреве за счет внешнего источника тепла,

3) поверхностная закалка при нагреве за счет внутреннего источника тепла.

Также разделение методически наиболее целесообразно, так как каждая из указанных групп имеет принципиальные отличия от остальных.

При химико-термической обработке упрочнение достигается насыщением поверхностного слоя углеродом, азотом, хромом или другими элементами и последующей термической обработкой. В результате наружный слой получает значительно большую прочность, чем у той же стали, закаленной без насыщения поверхности. Сердцевина же сохраняет свои высокие пластические свойства, так как химический состав ее остается неизменным.

При химико-термической обработке во всех случаях производится сквозной прогрев изделия как для насыщения поверхности тем или иным элементом, так и при последующей закалке. Следовательно, предварительная обработка не определяет свойств сердцевины в полной мере. Некоторое регулирование свойств сердцевины и поверхностного слоя достигается двойной закалкой после цементации. Но и при таком условии каждый нагрев оказывает влияние на все сечение изделия. Поэтому возможность точного регулирования свойств поверхности и сердцевины крайне ограничена.

Свойства переходного слоя от насыщенной корки к ненасыщенной сердцевине точной регулировке также не поддаются. Во всяком случае, переход   получается,   как правило,   болеерезким, чем в случае поверхностной закалки. Это объясняется тем, что при поверхностной закалке в переходном слое происходят лишь структурные изменения, в цементованном же изделии в переходном слое изменяется также химический состав.

Степень плавности перехода от упрочненного поверхностного слоя к неупрочненной сердцевине оказывает большое влияние на эксплуатационные качества изделия. При резком переходе не достигается рассредоточение остаточных напряжений, возникающих в процессе упрочнения, а также надежная связь между сердцевиной и поверхностью, что нередко является причиной отслаивания насыщенного слоя даже при слабом нагружении изделия.

Производительность операций при упрочнении химико-термическим методом крайне низка. Цементация на глубину 1— 1,5 мм  требует примерно 10—15 час. Для получения насыщающих сред необходимы отдельное специальное оборудование и большая производственная площадь, что связано с значительной, затратой материальных средств и рабочей силы, повышающей стоимость изделий.

При упрочнении путем поверхностной закалки тепловому воздействию во время нагрева подвергается лишь упрочняемый слой. Сердцевина изделия не испытывает превращений ни при нагреве, ни при охлаждении, что дает возможность назначать, путем предварительной термообработки получать и при поверхностной закалке сохранять механические свойства сердцевины, наиболее желательные по условиям службы изделия.

При поверхностной закалке создается возможность более определенно регулировать степень плавности переходного слоя.

Переходный слой от закаленного поверхностного к незакаленным внутренним можно получить весьма плавным, благодаря чему рассредоточиваются остаточные напряжения.

Производительность операций поверхностного упрочнения по методам второй и третьей групп в сотни раз превосходит производительность химико-термической обработки, и кроме оборудования для нагрева и охлаждения никакого другого оборудования не требуется.

В результате получается большая экономия времени, рабочей силы и производственного оборудования, значительно снижается стоимость готовых изделий.

Естественно стремление во всех случаях, когда это допустимо, перейти от поверхностного упрочнения химико-термической обработкой к упрочнению закалкой.

Замена цементации поверхностной закалкой  в настоящее время все шире распространяется   на машиностроительных заводах в СССР и в других странах. В дальнейшем такая замена примет, надо полагать, еще большие размеры.

В разное время было предложено и нашло более или менее широкое применение несколько методов поверхностной закалки.

Чтобы правильно судить о методе поверхностного упрочнения высокочастотной закалкой вкратце изложим основные достоинства и недостатки других методов.