Поверхностная закалка | ТМ 1940-04

Инж. Д. РУДЕНКО

Ответственные части машин, от которых требуется большая прочность, изготовляются обычно из стали. Сталь обладает большой упругостью, сравнительно высокой вязкостью и значительным сопротивлением разрывающим усилиям. Если поверхность детали подвергается трению, то от стали, из которой изготовлена эта деталь, требуется, кроме того, и твёрдость. Но твёрдость и вязкость практически два противоположных свойства: чем больше твердость стали, тем меньше её вязкость, и наоборот. Твердая сталь обычно бывает хрупкой, а вязкая сталь отличается мягкостью.

Чтобы сделать сталь более твердой, её закаливают, т. е. нагревают до температуры 800—900° и затем быстро охлаждают. Закалкой придают высокую твердость при сравнительно плохой вязкости. Для того чтобы сталь наряду с повышенной твердостью имела достаточную вязкость, закаленную сталь приходится снова нагревать до температуры 200—600° (в зависимости от марки стали), т. е. подвергать её отпуску, добиваясь этим возрастания вязкости при неизбежном снижении твёрдости.

Но можно использовать оба эти свойства стали и полностью. Для этого необходимо закалить не всю деталь, а лишь её трущуюся поверхность на некоторую глубину, оставив всю остальную часть незакаленной. Тогда сердцевина изделия сохранит свою первоначальную высокую вязкость и в то же время приобретёт очень твёрдую поверхность, мало поддающуюся износу. Такая закалка металла называется поверхностной.

Существует несколько способов поверхностной закалки стали. Простейшим прибором для этой цели служит кислородно-ацетиленовая горелка. Деталь медленно вращают перед пламенем горелки, а затем охлаждают нагретые участки водой. Благодаря высокой температуре кислородно-ацетиленового пламени деталь накаляется с поверхности настолько быстро, что остальная её часть не успевает нагреться путём теплопередачи.

Для поверхностной закалки используют также электричество. Этот метод основан на том, что электрический ток нагревает проводник, по которому он проходит. Электрический ток обычно подводят к медному ролику, который катят по поверхности детали. В месте контакта вследствие значительного электросопротивления выделяется большое количество тепла, за счёт которого деталь снаружи нагревается до температуры, превышающей 800°, после чего её быстро охлаждают.

Оба эти способа не лишены недостатков. Так как при автогене нагревание детали происходит с поверхности, то металл накаляется неравномерно. В тот момент, когда он прогреется на нужную глубину, поверхностные слои нередко оказываются перегретыми.

Лаборатория проф. В. П. Вологдина в Ленинградском электротехническом институте имени Ленина разработала новый, более совершенный способ поверхностной электрозакалки металлических изделий. Он основан на индукционном действии токов высокой частоты.

Для того чтобы лучше разобраться в этом методе, припомним некоторые сведения из электротехники. Если по проводнику идёт постоянный ток, то он распределяется равномерно по всему сечению. У переменного тока, наоборот, существует тенденция идти ближе к поверхности проводника. Эта тенденция тем сильнее, чем больше перемен направления тока происходит в секунду, или, как говорят, чем выше частота переменного тока. При высоких частотах ток практически идёт только по поверхности проводника.

Второе, что следует вспомнить, это явление электромагнитной индукции. Как известно, оно заключается в том, что при прохождении переменного электрического тока по проводнику вокруг последнего создаётся переменное магнитное поле. Если близ этого проводника расположить другой проводник, то линии магнитного поля, пересекая второй проводник, индуктируют в нем электрический ток.

При прохождении переменного тока по проводнику вокруг последнего создаётся переменное магнитное поле.

На этих двух явлениях и основан новый метод поверхностной закалки стали. От генератора высокой частоты ток идёт в первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с индуктором. Так как количество витков вторичной обмотки трансформатора во много раз меньше, нежели в первичной, то во вторичной обмотке, а следовательно, и в индукторе возникает ток громадной силы. Закаливаемая деталь помещается внутри катушки индуктора. Магнитное поле индуктора пересекает поверхность закаливаемого предмета, и в наружном его слое индуктируется сильный электрический ток. Индуктированный ток нагревает поверхность стальной детали.

Металлический предмет, находящийся в сильном магнитном поле индуктора, нагревается.

Толщина нагреваемого слоя металла получается тем меньше, чем выше взята частота тока. Быстрота нагрева зависит от силы тока. При токе в несколько тысяч ампер стальная деталь раскаляется с поверхности в две-три секунды. Внутренняя часть детали за столь короткий срок не успевает ещё нагреться.

В лаборатории был проделан интересный опыт. Стальной стержень длиной в 20 сантиметров был помещён одним концом внутри индукционной катушки. Затем включили ток большой силы. Под действием индуктированного электрического тока конец стержня, находившийся внутри катушки, раскалился и даже начал плавиться, а рука, державшая стержень за другой конец, не ощущала ни малейшего нагрева металла.

При закалке путём индукции токов высокой частоты наружный слой детали нагревается равномерно по всей своей толщине на заданную глубину. По достижении нужной температуры в поверхностном слое ток выключается, и изделие охлаждается. Охлаждение происходит очень быстро, частично за счёт отвода тепла вовнутрь изделия, а главным образом за счёт поглощения тепла охладителями — водой или эмульсией, в которые погружается изделие после выключения тока. Метод, разработанный лабораторией проф. Вологдина, позволяет получить высокое качество закалённой поверхности стальных изделий.

На ряде крупных советских заводов сейчас монтируются установки для поверхностной закалки, действующие по этому принципу. На Автозаводе имени Сталина в Москве уже закаливают токами высокой частоты коленчатые валы автомобилей.

Для испытания качества закалки был проделан интересный опыт. Несколько автомобилей были снабжены коленчатыми валами, закалёнными разными способами — кислородноацетиленовым пламенем, методом улучшения стали, принятым на заводе, и токами высокой частоты. Валы, закалённые кислородно-ацетиленовым пламенем, пришли в негодность уже после пробега в 30 тыс. километров. Более выносливыми оказались валы, подвергшиеся улучшению обычным заводским путём, но и у них обнаружился значительный износ после пробега в 40 тыс. километров. В самом лучшем состоянии после испытания были валы, закалённые по методу лаборатории проф. Вологдина.

Лаборатория разработала методику поверхностной закалки рельсов, шестерён, подковных шипов, машинных цапф, валиков для текстильных машин и других стальных деталей и изделий.

Если деталь небольшая, то она целиком помещается в катушке индуктора. Вся поверхность детали нагревается одновременно, после чего она быстро охлаждается водой.

В тех случаях, когда закаливаемый предмет имеет значительную длину, он подвергается нагреву последовательно. Так, например, при закалке поверхности рельса индуктор движется вдоль него. Скорость движения индуктора и сила подводимого электротока рассчитываются таким образом, что когда задний край индуктора сходит с определенной точки рельса, в этом месте металл оказывается нагретым как раз до нужной температуры. Непосредственно вслед за катушкой индуктора движется струя воды, которая охлаждает накалённую поверхность рельса.

Схема поверхностной закалки индукционным методом: 1) закаливаемый рельс, 2) индуктор, 3) трансформатор, 4) генератор токов высокой частоты.

За последние годы лаборатория проф. Вологдина оснастилась мощными и разнообразными электроприборами. Лаборатория является сейчас единственной в мире по богатству и полноте оборудования, предназначенного для работы индукционным методом с токами высокой частоты.