Поверхностная закалка

Эта операция сопровождает химико-термическую обработку, а также имеет и самостоятельное значение. В самостоятельном виде она применяется для образования твердого износостойкого слоя на поверхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов. Ей предшествует объемная термообработка: нормализация или объемная закалка и высокий отпуск. Она состоит из двух операций: нагрева поверхностного слоя и быстрого его охлаждения. По способу нагрева различают следующие методы поверхностной закалки: высокочастотный, контактный, плазменный, при нагреве в электролите, лазерный.

Наиболее распространенным и эффективным является высокочастотный метод нагрева. К генератору высокой частоты подключается охлаждаемая катушка из нескольких витков. Внутри катушки возникает высокочастотное электромагнитное поле, в которое помещают деталь. Вследствие явления электромагнитной индукции в детали возникают вихревые токи (токи Фуко), которые текут лишь в тонком поверхностном слое, где и выделяется вся образующаяся теплота. Поверхностный слой разогревается до температуры закалки за очень короткое время, недостаточное для того, чтобы тепло распространилось вглубь детали. Затем нагретая поверхность резко охлаждается потоком жидкости (обычно воды). В результате закаливается тонкий поверхностный слой, основа же при этом остается вязкой, что предохраняет деталь от хрупкого излома при циклическом действии нагрузки.

Поверхностная закалка с электроконтактным нагревом осуществляется путем пропускания переменного тока через контакт детали с электродом в виде катящегося по поверхности детали ролика. Применяется ток промышленной частоты низкого напряжения. Источником тока является однофазный сварочный трансформатор. Из-за высокого электросопротивления в месте контакта ролика с деталью выделяется большое количество теплоты, и зона контакта разогревается до температуры закалки. Нагретая поверхность охлаждается струей воды.

Плазменные методы предусматривают нагрев поверхности за счет обработки струей низкотемпературной плазмы. Плазма получается двумя способами. Первый способ заключается с использовании обычных газовых горелок, применяемых для резки и сварки металлов. В качестве сгорающей газовой среды используется смесь кислорода с ацетиленом либо другими углеводородами. Другой способ предусматривает использование разогретой струи инертного газа, продуваемого через зону дугового разряда. Устройство, генерирующее струю такой плазмы, называется плазмотроном. В качестве источника плазмы обычно используют аргон.

Нагрев в электролите осуществляется путем помещения детали в ванну с раствором кальцинированной соды или поташа. Ванну подключают к положительному полюсу источника постоянного тока, а деталь - к отрицательному. При достаточно большой силе тока поверхность детали быстро нагревается за счет того, что выделяющийся в результате электролиза водород образует на поверхности оболочку, обладающую высоким электросопротивлением. Эта оболочка является одновременно тепловым экраном, предотвращающим рассеивание тепла в электролит. Таким методом закаливают штанги толкателей и стержни клапанов газораспределительного механизма ДВС и ряд других деталей.

В последние годы все большее распространение получают лазерные технологии. Они отличаются высокой культурой производства и эффективностью. Лазерное излучение в инфракрасном диапазоне, сфокусированное в пятно диаметром порядка десятка микрометров, совершает пилообразное движение (сканирование) по поверхности детали, покрывая весь выделенный под закалку участок. Скорость нагрева микрообъемов детали, взаимодействующих с лучом, и последующего охлаждения достигает 10⁶ К/с. Это обеспечивает закалку поверхностного слоя, глубина которого регулируется за счет изменения скорости сканирования. Сканирование производится путем перемещения детали по заданной программе специальными механическими устройствами. Используются как твердотельные лазеры, работающие в импульсном режиме, так и газовые с непрерывным процессом излучения. Лазерная закалка обеспечивает получение однородной мелкокристаллической поверхностной структуры, обладающей повышенной твердостью и износостойкостью. После термообработки лазерным лучом не происходит коробление элементов рельефа детали, не наблюдается заметное ухудшение качества поверхности. Из-за высокой стоимости процесса лазерной закалке подвергаются самые дорогостоящие и ответственные детали, например коленвалы ДВС.

Эффективным методом повышения износостойкости деталей является лазерное легирование с одновременной закалкой поверхностного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается тонким слоем вещества, содержащего легирующие элементы. Так же, как и при лазерной закалке, луч сканирует по поверхности детали. Однако режим сканирования подбирается таким, чтобы температура в микрообъемах поверхности обеспечивала плавление. Таким образом проплавляется весь поверхностный слой. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую решетку материала детали. Замечательным является то, что из-за высокой скорости нагрева и последующего охлаждения, помимо твердых растворов легирующих элементов, в материале детали возникают метастабильные структуры с избыточным по сравнению с твердым раствором содержанием легирующего элемента. Таким образом, возникает возможность внедрения в кристаллическую решетку даже такого элемента, с которым вещество детали вообще не может образовать твердого раствора. Такие метастабильные структуры, будучи прочно связаны с основой, обладая при этом сверхвысокой твердостью, обеспечивают резкое повышение износостойкости.

В качестве примера приведем способ резкого упрочнения алюминиевых сплавов. Упрочняющим элементом преимущественно является кремний. Для образования твердого раствора в алюминий можно вводить не более 12% кремния. Избыточный кремний выпадает в виде крупных вкраплений и не вызывает роста твердости материала. Лазерный метод позволяет вводить в алюминий до 40% кремния и выше. Избыточный кремний образует мелкодисперсную равномерно распределенную в объеме фазу, резко упрочняющую материал. При этом твердость поверхностного слоя становится сравнима с твердостью закаленной стали. Одновременно снижается свойственная алюминию адгезионная активность и резко улучшаются эксплуатационные свойства деталей из алюминиевых сплавов. Таким способом повышают износостойкость поршней ДВС, цилиндровых гильз.