Показатели технологии индукционной закалки

Науглероживание и закалка создают на поверхности детали высокоуглеродистый мартенситный слой с высокой твердостью и содержанием углерода, обеспечивающий превосходную износостойкость. Сердечник состоит из низкоуглеродистой мартенситной ткани, что приводит к высокому поверхностному напряжению и общей прочности. Это делает цементацию и закалку широко используемыми для таких деталей, как шестерни, которые требуют высокой износостойкости, усталостной прочности и контактной усталостной прочности.

Индукционная закалка характеризуется быстрым нагревом и охлаждением, в результате чего достигается значительно меньший размер зерен и более высокая ударная вязкость, а также достигается сверхвысокая твердость.

Износостойкость индукционной закалки

Превосходная износостойкость науглероженных деталей обусловлена их высокой твердостью поверхности и содержанием углерода. Индукционная закалка позволяет достичь высокой твердости при более низком уровне углерода, а износостойкость также зависит от микроструктуры.

Стандартные образцы для испытаний на износ были изготовлены из науглероженных деталей 20CrMnTiH3 и 45 деталей из стали, подвергнутых индукционной закалке, с твердостью в диапазоне 62-62,5 HRC. При испытаниях на изнашивателе М-200 с изнашиваемой деталью, подвергнутой закалке Т10, науглероженные образцы потеряли 4,0 мг, а образцы, подвергнутые индукционной закалке, потеряли 2,1 мг после 1,6 миллиона циклов износа. Представляет интерес изучить механизм повышения износостойкости образцов, подвергнутых индукционной закалке.

Прочность индукционной закалки

Обычно считается, что прочность связана с твердостью, и одна и та же твердость должна давать одинаковую прочность.

Какие факторы влияют на конкретные детали? Мы испытали стандартные гантельные образцы на растяжение, изготовленные из науглероженных деталей 20CrMnTiH3, деталей из стали 45, деталей индукционной закалки 40CrH и 40MnBH с эффективным диаметром детали 20 мм. Измерения прочности на растяжение составили 819 МПа, 1184 МПа, 1364 МПа и 1369 МПа соответственно, при этом детали, подвергнутые индукционной закалке, имели значительно более высокую прочность, чем науглероженные детали.

Сравнивая два процесса, науглероженные образцы имеют высокоуглеродистый мартенситный поверхностный слой глубиной 1,25 мм и твердостью 62-63HRC, а также низкоуглеродистую мартенситную сердцевину с твердостью 32HRC. Образцы, подвергнутые индукционной закалке, имеют среднеуглеродистый мартенситный поверхностный слой толщиной 3,6 мм и твердостью 62HRC, а также закаленное сорбитовое ядро твердостью 26HRC. Видно, что два метода обработки приводят к существенно разной глубине слоя поверхностной закалки, при этом индукционная закалка обеспечивает более глубокий закалочный слой и, следовательно, большую прочность детали. Поэтому при обсуждении того, какой процесс укрепления лучше, необходимо анализировать не только с микро-, но и с макро-перспективы.

Усталостная прочность индукционной закалки

Как цементация, так и индукционная закалка позволяют эффективно укрепить и создать значительные остаточные сжимающие напряжения на поверхности деталей, что приводит к высокой усталостной прочности.

Исследовалась деталь шестерни с модулем 2,5 с использованием цементации 20CrMnTiH3 глубиной 1,2 мм, индукционной закалки стали 45 и 42CrMo с глубиной закалки 2,0 мм. Все твердости составляли 61-63HRC, и они были обработаны после термообработки.

Предел выносливости трех различных материалов и термообработанных зубьев шестерен составил 18,50 кН, 20,30 кН и 28,88 кН соответственно. Усталостная прочность шестерни из 42CrMo, подвергнутой индукционной закалке, была на 56% выше, чем у науглероженной шестерни из 20CrMnTiH3, что свидетельствует о значительном преимуществе. Чтобы проанализировать его механизм, нам необходимо начать со структуры закаленного слоя, уровня поверхностного сжимающего напряжения, структуры ядра и твердости.

Контактная усталостная прочность при индукционной закалке

Для деталей зубчатых колес контактно-усталостное разрушение поверхности зуба также является основной формой разрушения. Зубчатые передачи для легких нагрузок имеют относительно низкие требования к контактной усталости, в то время как вопрос о том, может ли индукционная закалка заменить цементацию на конкретных передачах для тяжелых нагрузок, является важной областью, которую необходимо изучить.

Деформация, вызванная индукционной закалкой

Процесс цементации имеет высокую температуру и большую продолжительность, что приводит к значительной закалочной деформации. Последующие операции шлифования приведут к утончению поверхностного слоя с наибольшей прочностью и максимальным сжимающим напряжением, что приведет к снижению прочности детали. При цементации зубчатых колес все чаще используются методы закалки под давлением для уменьшения закалочной деформации. Индукционная закалка приводит к относительно небольшой деформации, а из-за большей глубины закалки шлифование оказывает меньшее влияние на глубину закалки.