>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Слесарное дело

§ 4. Закалка

При закалке конструкционные стали нагревают на 20—40°С выше линии GS (точки Лс₃), а инструментальные стали — на 30—50°С выше линии PSK (точки Ас₁), выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению детали и быстро охлаждают.

Цель закалки — получение высокой прочности и твердости. Пластические свойства и ударная вязкость после закалки низкие.

В качестве закалочных сред чаще всего используют 5—10%- ный раствор едкого натра или поваренной соли, расплавленные соли с низкой температурой плавления, воду, минеральное масло.

В практике применяют следующие основные способы закалки.

1. Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода — для углеродистых сталей, масло — для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

   Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

2. Закалка в двух средах или прерывистая закалка состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 200—300°С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5—6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.
3. Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым — металлургом Д. К. Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 150—300°С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

   Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, требующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и растрескивания деталей.

   Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

4. Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали приведен до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

   Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки Аг₃ для конструкционных сталей и ниже точки Аг₁ — для инструментальных. Цель этого способа закалки — уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

5. Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость.

   В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста.

   Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 200—300°С.

6. Изотермическая закалка — наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20—30°С выше линии GSK (точка Ас₃), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250—300°С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

1. количество охлаждающей жидкости должно быть достаточным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей;
2. перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнивания температуры;
3. для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;
4. тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя охлаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои металла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис. 24. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно обрабатывать.

Рис. 24. Приемы погружения деталей при закалке

Угольник с прямым углом при закалке также дает трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Например, зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердцевины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Поверхностная закалка

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, высокочастотная закалка токами высокой частоты (ТВЧ), закалка в электролитах.

Пламенная закалка. Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву кислородно-ацетиленовым пламенем или более дешевым газокислородным.

Для пламенной закалки поверхности применяются самые разнообразные устройства от простой ручной горелки, до сложных автоматов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, поэтому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие из большого количества сопел, или же горелки, имеющие смесительную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют в смеси с кислородом.

Охлаждающим средством служит вода. Если только закаливаемая деталь не слишком тонка или не имеет сложной конфигурации, то нет опасности образования трещин, поскольку одновременно закаливаются обычно малые поверхности.

Качество пламенной закалки поверхности зависит прежде всего от температуры пламени и правильного охлаждения струей воды. Глубина и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

На рис. 25 приведена схема пламенной закалки. Горелку 1 перемещают вдоль поверхности нагреваемого изделия со скоростью 120—200 мм/мин. При такой скорости поверхностный слой металла нагревается до температуры 850°.

Рис. 25. Схема установки горелки и охлаждающей трубки при нагреве поверхности металла для закалки

Расстояние пламени горелки до поверхности изделия зависит от мощности горелки, обычно оно составляет 8—15 мм. Охлаждается нагретый слей изделия водой из трубки 2, следующей за горелкой с такой же скоростью. Глубина закаленного слоя 3 обычно равна 2,5—4,5 мм.

Достоинствами этого способа закалки являются: возможность включения термической обработки в общий поток изготовления деталей, почти полное отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности, простота практического осуществления; недостатками: трудность регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

Закалка в электролите. При этом способе, предложенном советским инженером И. 3. Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (50%-ный раствор Na₂SО₃). Корпус 5 (рис. 26) ванны является анодом, деталь I служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 250—350 в и плотностью 3— 4 а/см² выделяется водород, который осаждается на поверхности детали. Оседание пузырьков 2 водорода резк повышает электросопротивляемость изделия и поверхность детали сильно нагревается. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

Рис. 26. Схема закалки в электролите

Закалка в электролите проста по устройству, позволяет нагревать отдельные места детали, например торцы, дает возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся ограниченное число деталей, поддающихся закалке и необходимости предохранения их от коррозии.

Высокочастотная закалка токами высокой частоты. Высокочастотной закалкой называется процесс, при котором поверхность изделия нагревается индуктированным электрическим током, после чего охлаждают водяной струей.

В зависимости от частоты применяемого тока и продолжительности его действия металл может расплавиться (индукционная плавка), или деталь лишь прогреется по всему сечению (для ковки), или же нагреется только поверхность, которую требуется закалить. Для поверхностного нагрева изделие 2 помещают внутрь катушки индуктора (рис. 27, а), представляющего собой один или несколько витков медной трубки 1, охлаждаемой изнутри водой.

Рис. 27. Схема индукционного нагрева (а), формы индукторов (б)

Через индуктор пропускается ток большой силы и высокой частоты — до 10 тыс. гц от машинного или до 400 тыс. гц лампового генераторов. Нагрев поверхности изделия происходит в течение нескольких секунд за счет теплового действия вихревых токов, возбуждающихся в зоне индуктора, после чего деталь сразу же охлаждается водой, пропускаемой через трубки.

В зависимости от конфигурации закаливаемых изделий индукторы имеют самую различную форму, только тогда изделие закалится на одну и ту же глубину по всему сечению (рис. 27,б).

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: высокая производительность и большая экономичность, более высокая твердость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закаленного слоя, отсутствие окалины и меньшее коробление закаленных деталей, возможность автоматизации процесса и включения его в общий технологический поток изготовления изделий, улучшение условий труда рабочих и др.

Недостатками этого способа закалки являются: необходимость изготовления специального индуктора для каждой отличающейся формой детали, сложность наладки режима нагрева и охлаждения и сравнительно высокая стоимость оборудования, что не позволяет применять индукционный нагрев в индивидуальном производстве.

Обработка холодом

Обработка холодом заключается в том, что детали после закалки подвергают охлаждению до отрицательных температур (ниже нуля). Ее в основном производят для сталей как углеродистых, так и легированных, содержащих более 0,6—0,7 углерода и предназначенных для изготовления режущих инструментов с целью повышения красностойкости и твердости, а также для измерительных инструментов, подшипников и других деталей с Целью стабилизации размеров.

Обработку холодом осуществляют в специальных холодильных установках, создающих отрицательную температуру в пределах от —70 до —195° С.

После обработки холодом стойкость режущего инструмента повышается на 20—40%.