Технология ТВЧ

        При поверхностной закалке высокую твердость и прочность приобретает лишь небольшой, толщиной несколько миллиметров, поверхностный слой детали. Почему же такая закалка во многих случаях оказывается не менее, а иногда даже и более эффективной чем сквозная закалка по всему объему? Это объясняется двумя причинами. Во-первых, в условиях работы в подавляющем большинстве случаев максимальные напряжения возникают на поверхности деталей, поэтому, повышая твердость и прочность поверхности, мы тем самым повышаем и работоспособность всей детали в целом. Во-вторых, применение поверхностной закалки значительно снижает хрупкость детали, особенно, если она имеет сложную форму, поскольку наряду с прочной, твердой поверхностью сохраняется сравнительно вязкая, пластичная сердцевина детали, чего нельзя достичь при сквозной закалке. С помощью токов высокой частоты (ТВЧ) можно провести нагрев поверхностного слоя детали на глубину в несколько миллиметров. Как и почему нагревается поверхностный слой?

Представим себе проводник электрического тока, например в виде медной трубки, свернутой в незамкнутое кольцо. Внутрь такого кольца вставили металлический стержень так, чтобы он не касался трубки. Если теперь концы трубки включить в цепь переменного тока высокой частоты, то появится переменное электромагнитное поле такой же частоты. Силовые линии поля будут пронизывать стержень, благодаря чему в нем возникнет переменный ток высокой частоты. Это так называемые вихревые токи Фуко. Такой способ наведения переменного тока в проводнике без непосредственного включения его в электрическую цепь называется электромагнитной индукцией, а медная трубка, которая используется для нагрева, — индуктором. Индукция в переводе с английского значит наведение. Особенностью тока высокой частоты является то, что он проходит не по всему сечению проводника, а только у его поверхности. При этом, чем выше частота тока, тем меньше глубина его проникновения в поверхность. Прохождение тока по проводнику, как известно, сопровождается выделением теплоты. Роль такого проводника выполняет нагреваемая деталь. Поскольку ток проходит только по ее поверхности, то и нагревается не вся деталь, а лишь ее поверхность. Продолжительность нагрева поверхности до закалочной температуры очень небольшая, обычно 1—10 с. Во избежание нагрева индуктора внутри его циркулирует проточная вода.

Если нагретую до закалочной температуры поверхность детали быстро охладить, например, с помощью водяного душа, то произойдет поверхностная закалка. Таким образом, закалка ТВЧ, или, как ее иногда называют, индукционная закалка, это по существу поверхностная закалка, отличающаяся лишь способом нагрева деталей.

При поверхностной закалке ТВЧ нагрев проводится до более высокой температуры, чем при обычной объемной закалке. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, при очень большой скорости нагрева температуры критических точек, при которых происходит переход перлита в аустенит, повышаются, а во-вторых, нужно, чтобы это превращение успело завершиться за очень короткое время нагрева, а чем выше температура, тем быстрее оно происходит. Так, например, при печном нагреве со скоростью 2—3°С/с температура нагрева под закалку стали 45 составляет 840—860°С, при нагреве ТВЧ со скоростью 250°С/с — 880—920°С, а при скорости 500°С/с— 980—1020°С. Несмотря на то, что нагрев при высокочастотной закалке проводится до более высокой температуры, чем при обычной, перегрева металла не происходит. Это объясняется тем, что время высокочастотного нагрева очень короткое, и зерно в стали не успевает вырасти. С другой стороны, благодаря более высокой температуре нагрева и более интенсивному охлаждению твердость после закалки ТВЧ получается выше примерно на 2— 3 единицы по Роквеллу. Это обеспечивает более высокую прочность и износостойкость поверхности детали. Наряду с этим действует еще один важный фактор, способствующий повышению эксплуатационной прочности деталей, закаленных с помощью ТВЧ. Это появление на поверхности сжимающих напряжений благодаря образованию мартенситной структуры. Чем меньше глубина закаленного слоя, тем в большей мере проявляется действие таких напряжений. Кроме этого, высокочастотная закалка дает и другие важные преимущества: высокую производительность; легкость регулирования толщины закаленного слоя; минимальное коробление; почти полное отсутствие окалины; возможность полной автоматизации всего процесса; облегчение условий труда; возможность размещения закалочной установки в потоке механической обработки. Наиболее часто поверхностной высокочастотной закалке подвергают детали, изготовленные из углеродистой стали с содержанием 0,4—0,5% С. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC 55—60. При меньшем содержании углерода такая твердость уже не достигается, а при большем содержании возникает опасность появления трещин в условиях резкого охлаждения водяным душем. Наряду с углеродистыми применяются также низколегированные хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и другие стали. Во многих случаях высокочастотная закалка позволяет заменить легированные стали более дешевыми — углеродистыми. Объясняется это тем, что такие важные преимущества легированных сталей, как глубокая прокаливаемость и меньшая деформация, для ряда деталей утрачивают свое значение. Так, например, при закалке шестерен с мелким зубом глубокая прокаливаемость даже нежелательна, поскольку при этом может произойти сквозная закалка зубьев, что вызовет их хрупкость. В таких случаях целесообразно применение углеродистых сталей пониженной прокаливаемости. В обозначении таких сталей ставятся соответственно буквы ПП (например, сталь 55ПП). При закалке мелкомодульных шестерен из такой стали, хотя зуб и прогревается насквозь, однако закаливается он всего на глубину 1—2 мм. Более того, поскольку сердцевина зуба была нагрета до температуры критических точек, а охлаждение ее происходило с умеренной скоростью, примерно, как при нормализации, произойдет улучшение структуры сердцевины: она получится более однородной и мелкозернистой. Это, несомненно, будет способствовать повышению прочности зуба. Такой способ поверхностной закалки, при котором нагрев производится на большую глубину, чем необходимая глубина поверхностно-закаленного слоя, называют закалкой с глубинным нагревом. В ряде случаев он дает очень большой эффект.

           На заводе разработан и внедрен процесс глубинной закалки шкворня из стали 45. Благодаря этому упразднена операция предварительной нормализации, а сопротивление усталости шкворня повысилось более чем в 10 раз. После проведения поверхностной высокочастотной закалки детали подвергают низкому отпуску при температуре 160—200°С. Это способствует уменьшению хрупкости закаленного слоя. Отпуск проводится в электропечах. Можно также осуществить самоотпуск. С этой целью спрейер, подающий воду, отключается несколько раньше, и благодаря этому охлаждение происходит не полностью. В детали сохраняется теплота, которая обеспечивает нагрев закаленного слоя до температуры низкого отпуска. После закалки применяется также электроотпуск, при котором нагрев проводится с помощью высокочастотной установки. При этом для получения хороших результатов нагрев нужно осуществлять с меньшей скоростью, чем при закалке, и на большую глубину. Требуемый режим нагрева устанавливается опытным путем. Для повышения механических свойств сердцевины и общей прочности детали перед поверхностной закалкой проводят нормализацию или объемную закалку в сочетании с высоким отпуском. Наряду со многими преимуществами высокочастотная закалка имеет и недостатки: для некоторых деталей сложной формы изготовление индуктора затруднительно или даже невозможно, так же, на деталях, имеющих глубокие впадины, выступы, резкие переходы, острые углы и т. д., не удается получить равномерной толщины закаленного слоя. Хотя это ограничивает возможность применения высокочастотной закалки, тем не менее в массовом и крупносерийном производстве для таких деталей, как коленчатые валы, шестерни, втулки, шпиндели, борштанги, валки холодной прокатки и др., поверхностная закалка ТВЧ находит все большее применение.