Поверхностную закалку применяют для деталей машин, испытывающих в работе изгиб, кручение и контактные напряжения, т.е. в тех случаях, когда рабочие напряжения максимальны на поверхности. Чаще закалка при индукционном нагреве применяется для валов, коленчатых валов мало- и средненагруженных зубчатых колес и многих других деталей машин.

Индукционная поверхностная и объемно-поверхностная закалка стали по оптимальным режимам и правильный выбор стали значительно повышают предел выносливости, предел контактной выносливости на 50-70%, долговечность в 2-5 раза и сопротивление фреттинг-коррозии в 2-5 раз. В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего концентраторы напряжений (галтели, выточки и др.), образуются остаточные растягивающие напряжения, снижающие долговечность). Эти места нужно упрочнять ППД.

Разработка методов поверхностной закалки при глубинном индукционном нагреве позволила использовать его комплексный способ упрочнения, одновременно повышающий сопротивление статическим и усталостным нагрузкам при изгибе при высоком уровне контактной усталости и сопротивления износу.

Поверхностная закалка при индукционном нагреве по сравнению с химико-термической обработкой менее трудоемка и во многих случаях не уступает цементации (нитроцементации).

Недостатком этого метода упрочнения является трудность его унификации. Для каждой детали конструкции индуктора, охлаждающих устройств и установок в целом разрабатываются отдельно. Поэтому применение для поверхностной закалки индукционного нагрева при единичном и мелкосерийном производстве должно быть технически и экономически обосновано с учетом как затрат непосредственно на термическую обработку, так и эффекта от повышения работоспособности изделий.

В табл. 6 приведены примеры использования поверхностной закалки при индукционном нагреве для упрочнения деталей металлорежущих станков и автомобилей. Некоторые шестерни заднего моста автомобиля (например, коническая ведомая и ведущая шестерни редукторов заднего моста) изготовляют из стали 55ПП и упрочняют поверхностной закалкой при глубинном индукционном нагреве (автомобили ГАЗ, ЗИЛ).

Таблица 7

Типовые детали машин, упрочняемые закалкой при индукционном нагреве

В зависимости от модуля колеса m рекомендуется применять стали 55ПП с критическим диаметром по прокаливаемости (в сердцевине заготовки полумартенситная структура), равным 6,5-9,0 мм для m = 3,5-5; 9-13 мм для m = 4,5-7 и 13 мм и более для m > 7.

После закалки твердость на поверхности зуба 58-62 HRC, а в сердцевине 30-40 HRC. Толщина упрочненного слоя 1-2мм. Сталь 55ПП после поверхностной закалки обладает высокой прочностью, а также достаточной вязкостью, поэтому она может быть рекомендована для колес с m = 4-6мм, для которых контактные напряжения не очень велики. Применение стали 55ПП дает большой, экономический эффект вследствие перехода от длительных процессов химико-технической обработки к закалке при индукционном нагреве и замены легированных сталей.

В тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, если к зубчатым колесам не предъявляется высоких требований по износостойкости, их изготовляют из сталей 40, 45, 40Х, 40ХС и упрочняют закалкой с высоким отпуском и последующей поверхностной закалкой при индукционном нагреве на глубину 1,5-2.5 мм и твердость 54 HRC.

В станкостроении поверхностной закалке при индукционном нагреве подвергают только мало-средненагруженные зубчатые колеса чаще не переключаемые на ходу. Этот метод упрочнения часто используют для шестерен малых и средних размеров, работающих с колесами, подвергнутыми упрочнению, ввиду хорошей их взаимной прирабатываемости. Однако колеса для поверхностной закалки изготовляют из стали 40Х и закаливают на глубину 0,2-0,25m, но не более 1,4-1,8 мм. Закалка венца зубчатых колес (d > 300мм и m = 1-3) проводится насквозь и при том глубже их впадины на 1,5-3,0 мм Для обеспечения высокой износостойкости и прочности твердость на поверхности должна быть на уровне 48-52 HRC. При этом закалка должна быть контурной без перерыва этого упрочненного слоя.

В станкостроении чугунные (СЧ 20, СЧ 28) базовые детали, колонны (стойки) токарных станков-полуавтоматов, радиально-сверлильных и других станков подвергают закалке с индукционным нагревом на толщину упрочненного слоя 0,8-1,8 мм и твердость 48-50 HRC. Для изготовления коленчатых валов сложной формы с большими фланцами и отверстиями наряду со сталью применяют высокопрочные магниевые чугуны (ВЧ 50, ВЧ 60 и др.). Пониженная прочность чугун­ных валов компенсируется малой чувствительностью чугуна к концентраторам напряжений, в многоопорных валах меньшим смещением опор и снижением опасности резонансных колебаний благодаря повышенной демпфирующей способности.

Чугунные валы весьма разнообразны, начиная от небольших (для двигателей автомобилей ВАЗ, ГАЗ, ЗАЗ) до весьма крупных (массой до 700-1300 кг, длиной 2-3,5 м и диаметром 200-250мм). Коленчатые валы отливают в оболочковые формы и шейки валов автомобильных двигателей упрочняют поверхностной закалкой при индукционном нагреве на твердость 47-52HRC. После закалки валы подвергаются низкому отпуску при 180-200 ^оС 2-3 ч. Перед поверхностной закалкой валы проходят нормализацию с последующей сфероидизацией. Толщина упрочненного слоя 2-3 мм.

Таблица 8

Детали металлорежущих станков, упрочняемых цементацией

Таблица 9

Детали трансмиссии и двигателя автомобиля, подвергаемые химико-термической обработке

Стали и методы упрочнения зубчатых колес, применяемые в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, можно классифицировать по степени нагруженности этих деталей.

1. Мало- и средненагруженные зубчатые колеса (шестерни ведущие и ведомые коробки передач, шестерни главной передачи ведомые и др.)изготовляют из безникелевых (18ХГТ, 25ХГТ) и малоникелевых (20ХГНР, 20ХНР) сталей с упрочнением цементацией на толщину 1,2-1,8мм или нитроцементацией на толщину 0,8-1,2мм. Твердость на поверхности 56-65 HRC. Твердость сердцевины зубьев 25-40 HRC.

2. Тяжело нагруженные зубчатые колеса изготовляют из малоникелевых цементуемых (нитроцементуемых) сталей 20ХГНР, 20ХНР и хромоникелевой 20ХНЗА. При этом толщина упрочненного слоя и нормы его твердости остаются такими же, как и для малонагруженных зубчатых колес. Однако твердость сердцевины несколько выше - 30-45 HRC.

Цементацию применяют для подшипников массовых типов с наружным диаметром 40-150 мм и крупногабаритных подшипников диаметром до 2 м, испытывающих в процессе эксплуатации значительные ударные и контактные нагрузки. Наружные кольца с диаметром менее 60мм из стали 18ХГТ после холодной штамповки подвергают цементации при 960°С на толщину слоя 1,1-1,7 мм, а диаметром более 60мм на толщину 1,4-2 мм. После цементации следует закалка от 820°С в масле температурой ЗО-6О°С и отпуск при 150-110°С 4-5 часов. Твердость цементованного слоя 60 HRC. Крупногабаритные подшипники изготовляют из стали 20Х2Н4А и цементируют при 580-600°С, нагреваются до 790-800°С с последующим охлаждением в масле и отпускаются при 160° С 7-12ч. Толщина слоя до 10мм и твердость 58-60HRC.

Для деталей, склонных к короблению (деформациям), работающих на износ и испытывающих небольшие контактные нагрузки, рекомендуется азотирование. Азотированию могут подвергаться практически все легированные стали.

Азотирование повышает износостойкость деталей машин в 5-10 раз, предел выносливости при изгибе на 30-60% и сопротивление коррозии. Твердость колеблется в широких пределах 650-1200 HV в зависимости от состава стали и режима обработки.

В станкостроении для повышения предела выносливости и износостойкости, а также сопротивления схватыванию наиболее нагруженные детали станков (например, шпиндели обрабатывающих центров) после улучшения подвергаются азотированию. Азотирование используют для поверхностного упрочнения гильз (ЗОХЗМФ и 38Х2МЮА), массивных накладных направляющих (ЗОХЗМФ) валов, планок, ходовых винтов (16ХЗНВФМВ, 40ХН2МА), шпинделей для опор скольжения (38Х2МЮА) и др.

Азотирование применяют и для мало- и средненагруженных колес сложной конфигурации, например, с внутренними зубьями, шлифование которых трудно осуществить. В этом случае зубчатые колеса изготовляют из стали 40Х (конические) или 40ХФА (цилиндрические). После азотирования на глубину 0,1-0,13m (но не более 0,6 мм), в результате которого обеспечивается минимальная деформация, проводится только притирка или хонингование зубьев. Азотированные колеса при большом числе циклов нагружений не уступают по контактной прочности (сопротивлению выкрашиванию) цементованному (нит-роцементованному), но вследствие малой толщины слоя для них должна быть меньше контактная нагрузка.

Широко применяется азотирование деталей топливной аппаратуры и клапанов дизельных двигателей, деталей турбин из высокохромистых сталей (20X13, 30X13, 40X13), а также штоков клапанов паровых турбин, гильз цилиндров, игл форсунок, тарелок букс, распылителей, пальцев, плунжеров, шестерен из стали 38Х2МЮА.

Азотирование используют для упрочнения как крупных высоко-нагруженных коленчатых валов, например тепловозных двигателей (диаметром шейки 150-300 мм) из стали 18Х2Н4МА, 38ХНЗВА и 38ХНЗМА и других, так и небольших коленчатых валов из стали 45ХФ. После азотирования коленчатые валы обладают высокой износостойкостью и сопротивлением усталости при их незначительной деформации. Крупные коленчатые валы перед азотированием проходят сложную термическую обработку (предварительную нормализацию поковок с последующим высоким отпуском после механической обработки, улучшение и термическую стабилизацию). Крупные валы азотируют на толщину слоя 0,7-0,8 мм, валы меньшего размера азотируют после улучшения на толщину 0,35-0,4 мм. Твердость после азотирования 700-750 HV.

Азотированию на толщину слоя 0,7 мм подвергают и коленчатые валы тепловозов, отлитые из высокопрочного магниевого чугуна, для повышения сопротивления износу и предела выносливости. Твердость на поверхности 40 HRC. После азотирования шейки валов шлифуют, а галтели полируют.

Лекция 5.