2.4 Поверхневе зміцнення

2.4.1 Загальні положення

Усі деталі, які зміцнюються термічною обробкою, можна розподілити на дві основні групи.

До першої групи відносяться деталі, які працюють головним чином на знос. У цьому випадку зміцнююча термічна обробка повинна забезпечити тільки необхідні властивості поверхневого шару (твердість, зносостійкість і т. п.).

До другої групи відносять деталі, які під час експлуатації випробовують різноманітні навантаження: розтягуючи, стискаючі, згинаючі, крутні, контактні і т.  д.

Якщо деталь працює тільки під дією навантажень від розтягування або стиснення, то напруги розподіляються за перетином деталі достатньо рівномірно. Для цих деталей застосовують зміцнюючу термічну обробку з об'ємним нагрівом (нормалізацію або гарт з подальшим відпуском).

Поширенішою є експлуатація деталей під дією згинальних, крутних і контактних навантажень, при цьому найвищі напруги виникають на поверхні деталі, а в центрі – мінімальні. У таких випадках потрібно забезпечити високі значення твердості, зносостійкості, втомної і контактної міцностей поверхневого шару деталі, а за всім її перетином межа текучості б_0,2 повинна перевищувати напруги, що виникають від робочих навантажень.

Таким чином, для деталей, що працюють на вигин, кручення або в умовах високих контактних навантажень доцільнішим є поверхневе, а не об'ємне зміцнення.

Розрізняють наступні види поверхневого зміцнення:

- поверхневе гартування;

- хіміко-термічна обробка;

- поверхнево-пластична деформування.

Необхідно відзначити, що при всіх методах поверхневого зміцнення формуються стискуючі залишкові напруги на поверхні, а при об'ємному зміцненні характерна їх відсутність або навіть поява розтягуючих напруг. Відомо, що стискуючі залишкові напруги істотно підвищують втомну і контактну міцність деталей і зменшують їх чутливість до концентраторів напруг.

2.4.2 Поверхневе гартування

Поверхневе гартування полягає в нагріванні поверхневих шарів виробів до аустенітного стану і подальшого швидкого охолоджування і застосовується для підвищення твердості, зносостійкості і межі витривалості поверхні при збереженні в'язкої серцевини. Для досягнення вказаного розподілу твердості деталь після відпалу, нормалізації або поліпшення необхідно піддати поверхневому гартуванню, а потім низькотемпературному відпуску.

Поверхневому гартуванню можуть піддаватися всі вуглецеві і леговані сталі, які містять більш 0,4%С (для вуглецевих сталей) і більше 0,35 %С (для легованих сталей). Структура поверхневого шару після поверхневого гартування складається з трьох шарів: шару, нагрітого вище А_С3; шару, нагрітого до температур між А_С3 і А_С1; шару, нагрітого нижче А_С1.

Залежно від джерел нагріву розрізняють наступні способи поверхневого гартування:

- гартування з індукційним нагрівом;

- гартування з нагрівом газокисневим полум'ям;

- гартування з нагрівом в електролітах;

- гартування з нагрівом лазерним випромінюванням.

2.4.2.1 Гартування з індукційним нагрівом

Це найпоширеніший спосіб поверхневого гартування. Нагрівання деталі відбувається за допомогою струмів високої частоти (СВЧ) і засноване на використовуванні явищ електромагнітної індукції і поверхневого розподілу індукційного струму.

Деталь встановлюється в індуктор, який включає один або декілька витків порожнистої мідної водоохолоджуваної трубки. При пропусканні через індуктор змінного струму високої частоти створюється магнітне поле. У поверхневих шарах деталі наводиться індукційний струм тієї ж частоти, але протилежного напряму. Цей струм нагріває деталь, при цьому глибина нагріву залежить від частоти струму згідно з наступною залежністю:

δ = 4,46·10⁵ ,

де δ – глибина нагріву, м;

 – питомий електроопір, Ом·м;

 – магнітна проникність, Гн/м;

f – частота струму, Гц;

З аналізу цієї формули виходить, що чим більше частота струму, тим менше глибина нагріву і, відповідно, товщина загартованого шару. Для сталі 45 глибина проникнення струму для частот 1000; 10000; 1000000 Гц складає, відповідно, 10; 6; 0,6 мм.

Для нагрівання використовують машинні і лампові генератори. Перші виробляють струм частотою до 10  000 Гц, а другі – понад 10  000 Гц. У машинних генераторах гартують деталі діаметром 5…50  мм на глибину від 1 до 10мм. Лампові генератори застосовують для гартування дрібніших деталей з товщиною загартованого шару до 1  мм.

Швидкість нагрівання ТВЧ складає 50...500^оС/с, а при нагріванні в газовій або електричній печі швидкість не перевищує 5^оС/с. Великі швидкості нагріву призводять до того, що утворення аустеніту і, відповідно, температура нагріву для гартування зміщуються в область вищих температур. Наприклад, при пічному нагріві сталі 40 температура гартування складає 840...860^оС, а при нагріві із швидкістю 500^оС/с – 980 ...1020^оС. Після такого швидкісного нагріву утворюється дрібне зерно аустеніту (10…12 бал), а після пічного нагріву зерно значно крупніше (8 бал).

Охолоджуючу рідину (воду, водоповітряні суміші, водяні розчини полімерів) для гартування подають через спрейєр (душовий пристрій). Швидкості охолоджування при гартуванні після індукційного нагріву значно перевищують ті, які досягаються при об'ємному гартуванні. Це пояснюється малою товщиною нагрітого шару порівняно із загальним об'ємом деталі і додатковим відведенням тепла в її центральні зони. Внаслідок цього структура загартованого поверхневого шару складається з дрібногольчатого мартенситу з твердістю на 3...6 HRC вище, ніж при пічному нагріві.

Існують наступні способи індукційного гартування:

- одночасне нагрівання і охолоджування всієї поверхні;

- безперервно-послідовне нагрівання і охолоджування;

- послідовне нагрівання і охолоджування окремих ділянок.

Перший спосіб застосовується для виробів, які мають невелику поверхню зміцнення, зокрема, для інструменту, валів, і т.  п.; другої – для довгих валів і осей; а третій – для шийок колінчастих валів, кулачків розподільних валів.

Після гартування з індукційним нагрівом вироби піддають низькому відпуску при 160...200^оС, а іноді і самовідпуску.

Для поверхневого гартування з індукційним нагрівом застосовують сталі із змістом вуглецю 0,4...0,5% (40, 45, 40Х, 45Х та ін.). Леговані сталі практично не застосовуються, оскільки немає необхідності в глибокій прогартовуваності, що досягається легуванням.

До переваг індукційного нагріву слід віднести високу продуктивність, а також практично повну відсутність зневуглецювання, окислення і деформації, що дозволяє в певних випадках зробити таку обробку фінішною операцією. Важливим достоїнством є наявність можливості для регулювання глибини загартованого шару.

Проте необхідно відзначити, що у зв'язку з високою вартістю устаткування і оснащення для індукційного гартування її застосування економічно доцільне тільки в умовах масового виробництва.

2.4.2.2 Гартування деталей з газополум'яним нагрівом

Гартування з нагрівом деталей газокисневим полум'ям – один з найдоцільніших методів поверхневого зміцнення в умовах індивідуального виробництва. Як горючі гази найчастіше використовують ацетилен, коксівний або природний газ. Для нагріву застосовують газовий пальник. Вода для охолоджування поверхні деталі подається за допомогою пристрою для душування.

Газополум'яний нагрів може здійснюватися при стаціонарному положенні деталі з поступовим переміщенням пальника або при стаціонарному положенні пальника із стрічним рухом деталі.

Товщина загартованого шару в більшості випадків складає 2...4 мм, а його твердість для сталі із змістом вуглецю 0,4...0,45 % складає 50...56 HRC. Загартовані деталі піддають відпуску в печі при 180...250^оС.

До недоліків цього способу поверхневого гартування відносяться недостатнє регулювання температури і товщини загартованого шару, а також можливість перегріву окремих ділянок поверхні деталі.

Цих недоліків позбавлена єдина в Україні установка для поверхневого зміцнення прокатних валків діаметром до 1600мм, яка експлуатується на Новокраматорському машинобудівному заводі. Технологічний процес обробки передбачає попередній об'ємний нагрів валків до 400...500^оС. Далі валок передається на установку і піддається швидкісному газополум'яному нагріву до 900...950^оС. Товщина поверхневого шару, що нагрівається, досягає 150 мм. У процесі нагріву здійснюється контроль температури поверхні, на підставі даних якого відбувається автоматичне регулювання інтенсивності нагріву відповідно до розробленої технології. Після закінчення нагріву валок передається до спеціальної водно-повітряної охолоджувальної установки.