Преимущества поверхностной закалки

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.

 

Методы упрочнения поверхностей

 

В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:

 

1. Упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.
2. Упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

 

Преимущества поверхностной закалки

 

При поверхностной закалке нагревают и охлаждают только поверхностные слои детали, поэтому изменяется структура только этих слоев. В результате такой термической обработки получаем деталь, у которой поверхностные слои очень твердые, а сердцевина — пластичная и вязкая. Это основное преимущество поверхностной закалки по сравнению с закалкой при сквозном нагреве (вследствие пластичной сердцевины уменьшается хрупкость детали). При поверхностной закалке поверхность детали почти не окисляется, так как процесс осуществляется быстро и деформация детали уменьшается в связи с нагревом и охлаждением только наружных слоев.

При поверхностной закалке сокращается время обработки деталей, что увеличивает производительность оборудования. Появляется возможность включения операций закалки и отпуска в общий поток обработки на металлорежущих станках и полной или частичной механизации и автоматизации производственных процессов. Повышение долговечности при поверхностном упрочнении объясняется следующим: 

 

• в поверхностных упрочненных слоях создаются остаточные напряжения сжатия; 
• прочность металла различна по глубине (максимальная прочность на поверхности) и соответствует условиям работы деталей при изгибе и кручении; 
• поверхностные слои закаленных деталей, имея высокие твердость, прочность и износостойкость, обеспечивают достаточную прочность всей детали. 

Важным резервом экономии материальных и трудовых ресурсов является применение поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева (лазерным лучом, электронным лучом, плазменной струей), что позволяет значительно повысить срок службы изделий, улучшить их эксплуатационные характеристики, снизить стоимость изготовления и ремонта. Упрочнять и восстанавливать можно практически все изделия, подвергшиеся износу.

 

Особенность методов поверхностного упрочнения

 

Основной отличительной особенностью методов поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, на несколько порядков превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения, что способствует получению упрочненных слоев с недостижимым ранее уровнем эксплуатационных свойств.

В процессе многочисленных исследований установлено, что скорость охлаждения поверхностного слоя металла, структура и свойства упрочненной зоны определяются в первую очередь степенью локализации ввода тепла в обрабатываемое изделие (в пятно нагрева). От этого зависят важнейшие для практики факторы:

• величина остаточных напряжений и деформаций,
• необходимость применения дополнительных охлаждающих сред,
• производительность обработки,
• технико-экономические показатели.

В общем случае порядок величины скорости охлаждения (ºС/с) практически соответствует порядку величины концентрации тепловой мощности (Вт/см2 ) источника.

 

Основные характеристики локальных источников нагрева для поверхностного упрочнения

Основные технико-экономические характеристики источников нагрева:

Источник нагрева	Мощность, Вт		Плотность мощности, Вт/см2		Эффективный КПД нагрева
	min	max	min	max
Газовое пламя	102	104	2·102	6·102	0,55
Электрическая дуга	50	2·105	5·102	4·104	0,75
Сжатая дуга	102	105	5·102	106	0,80
Плазменная струя	103	105	5·102	105	0,80
Луч:       ионный	10	103	102	105	0,85
электронный	10	105	5·102	107	0,85
лазерный	10	2,5·104	102	1010	0,05

Из всех способов термообработки высококонцентрированными источниками нагрева наиболее экономически выгодным и производительным является плазменное поверхностное упрочнение. Метод характеризуется меньшей стоимостью, доступностью технологического оборудования и большими размерами упрочненной зоны.

 

Плазменное поверхностное упрочнение – эффективный метод для массового применения

 

Плазменное поверхностное упрочнение как один из методов упрочнения источниками нагрева с высокой плотностью мощности в настоящее время находит широкое и эффективное применение как в условиях мелкосерийного и единичного (в том числе ремонтного), так и крупносерийного и массового производства. Сущность его заключается в термических фазовых и структурных превращениях, происходящих при быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности детали плазменной струей (дугой) и теплоотводе в материал детали. 

Для генерирования плазменного источника нагрева широко используются плазмотроны с открытой дугой, или плазмотроны прямого действия. 
Скорость нагрева оказывает существенное влияние на размер рекристаллизованного зерна. Это приводит к измельчению зерна. Кратковременное пребывание стали в области закалочных температур и протекание фазовых превращений при температурах, превышающих равновесные, приводит к получению механических свойств, отличающихся от свойств стали, закаленной с помощью традиционных источников теплоты.

 Применение быстрого нагрева, способствующего получению более мелкой структуры закаленной стали, дает возможность получить более благоприятное сочетание свойств прочности и вязкости. Повышение уровня эксплуатационных свойств упрочняемой детали достигается за счет совершенствования технологии упрочнения. Нагретая зона охлаждается сразу при выходе из плазмы, в основном за счет отвода теплоты в тело массивной стальной детали, кондуктивного и радиационного теплоотвода с поверхности в атмосферу. Эти параметры можно регулировать в широком диапазоне. Особенностью такого процесса является «мягкий» прогрев с относительно небольшой скоростью нарастания температуры до начала аустенитизации стали. «Мягкий» прогрев плавно переходит в «жесткий», с высокой скоростью нарастания температуры в поверхностном слое для более полной аустенитизации, гомогенизации и растворения карбидов. 

 

Преимущества плазменной закалки поверхностей металлических деталей

 

Плазменная закалка по сравнению с аналогами – способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газопламенным способом, химико-термической обработкой, лазерным и электронно-лучевым упрочнением – обладает рядом преимуществ: 

 

• повышается работоспособность и износостойкость деталей и инструмента после поверхностного упрочнения;
• достигается большая глубина упрочненного слоя;
• наблюдается высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой (до 85 %, для сравнения, при лазерном упрочнении – 5 %); 
• существует возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред или вакуума;
• простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования; 
• возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.