Поверхностная закалка стали


Исследуя металлические орудия, найденные при раскопках древних поселений человека, ученые сделали интересные выводы. Оказалось, что уже около шести тысяч лет назад, еще на заре железного века, людям были известны многие свойства металлов, например, что чистое железо с самой незначительной примесью углерода (мельчайших частей графита) дает сплав, обладающий замечательным свойством: нагретый до определенной температуры и затем быстро охлажденный, он становится необычайно твердым. Этот сплав называется сталью, а самый процесс придания ему высокой твердости — закалкой.

В песках возле пирамиды Хеопса археологи нашли много стальных изделий, сделанных древними египтянами несколько тысяч лет назад. Также давно известно изготовление стали в Китае и в Индии. На стенах древних индийских зданий сохранились изображения плоских тиглей для выплавки стали.

Техника закалки стали с древних времен до наших дней прошла несколько этапов.
Около 1700 лет назад город Дамаск славился мастерами, владевшими искусством варки стали («булата»).

Из дамасским буланом соперничала сталь, изготовлявшаяся в X в. в городе Толедо в Испании. Однако толедские мастера все же не достигли такого совершенства, как их арабские предшественники. Тайна крепости булата была открыта лишь немногим более ста лет назад русским горным инженером П. П. Аносовым. Он впервые в мировой практике применил микроскоп для исследования строения стали и благодаря этому сумел решить многие задачи.

Глубокие исследования свойств стали провел выдающийся русский ученый Д. К. Чернов, которого справедливо называют «отцом науки о металлах». Его исследования внесли ясность в понимание процессов, происходящих в стали при нагреве и особенно при закалке. Он дал исчерпывающее объяснение причин и условий, при которых сталь приобретает высокую твердость.

Для чего же нужно, чтобы сталь обладала такой твердостью? Как известно, основная причина износа большинства стальных изделий — это истирание. Если шейка коленчатого вала или зубцы шестерни стирается всего на несколько долей миллиметра, т. е. лишь на тысячную долю процента своего веса, то и это незаметное для глаза изменение может стать причиной поломки целого сложного агрегата.

На изготовление запасных частей для замены стирающихся деталей машин, станков, моторов ежегодно расходуются сотни тысяч тонн стали. Понятно, почему ученые всего мира напряженно ищут способы увеличить срок службы, удлинить «Жизнь» стальных изделий. А повысить их стойкость против истирания можно, увеличив твердость стали, улучшив качество закалки, т. е. термической (тепловой) обработки.

Стальные детали изготовляют обычно из сравнительно мягкой и вязкой, так называемой «сырой» стали. Но после закалки вместе с твердостью они приобретают еще одно новое свойство, делаются хрупкими. Насквозь закаленный молот может разлететься на куски при первом Же ударе, закаленные стальные штампы часто трескаются и выкрашиваются при работе.

Таким образом получается неразрешимая на первый взгляд задача, заколдованный круг. Детали из не закаленной, мягкой стали сотрутся в первые Же минуты работы, а насквозь прокаленные детали слишком хрупки и поэтому быстро выходят из строя.

Выход из положения можно найти в том. чтобы закаливать поверхности только тех частей стальных изделий, которые стираются во время работы. Если такую рабочую поверхность нагреть на глубину от двух до пяти миллиметров, а потом закалить, то сердцевина изделия останется «сырой». Она будет служить своеобразное подушкой, смягчающей удары. Но здесь опять встретилась трудность. В обычной нагревательной печи невозможно поднять температуру только поверхности изделия, оно прогревается целиком.

Совместно с членом-корреспондентом Академии Наук СССР В. П. Вологдиныы и доктором технических наук Г. И. Бабатом мы нашли метод получения нужного нам нагрева для поверхностной закалки металла: мы применили электрические токи высокой частоты.
Около 90 лет назад французский ученый Леоа Фуко сделал важное открытие.

Помещая металлические предметы возле провода, по которому протекал переменный ток, он заметил, что участки металла, лежащие близко к проводу, нагреваются, хотя сам провод при этом остается холодным. Дальнейшие исследования показали, что металл нагревается тем теплом, которое создается в нем электрическими токами, возникающими в ближайших к проводу участках. Эти токи были названы «токами Фуко», но чаще их называли «паразитными токами».

Нагревая металлические детали оборудования они тем самым вызывали напрасные, «паразитные» потери при передаче электрической энергии. Немало усилий пришлось затратить в борьбе с паразитными токами. Например, для уменьшения потерь, получающихся из-за токов Фуко, сердечники трансформаторов и электрических моторов приходится делать из тонких листов специальной стали; в сильноточной аппаратуре необходимо удалять металлические части от шин и проводов несущих ток.

Но в начале нашего столетия паразитные токи неожиданно нашли успешное применение. Оказалось, что тепло, которое они создают, можно использовать для плавки металлов. Так впервые появились индукционные печи для плавки, и с тех пор токи Фуко поставили на службу технике, и в ряде случаев они перестали быть «паразитными».

Чем выше частота тока, тем меньше глубина, на которую прогревается металл. Если применить для нагрева стали ток из обычной осветительной сети с частотой, имеющей всего 50 периодоз в секунду, то тепло пройдет на глубину в 90 миллиметров. Если Же пропустить ток с частотой в 100 000 периодов, то почти все тепло соберется в слое толщиной всего около 2 миллиметров.
Нагреваемый участок изделия помещается внутри спирали или кольца (называемого индуктором), по которому пропускается ток.

Индуктор представляет собой медную трубку диаметром 8—10 миллиметров, изогнутую так, чтобы она как можно теснее окружала нагреваемую деталь, нигде, однако, не касаясь ее. Этот воздушный промежуток между трубкой и нагреваемой поверхностью изделия составляет обычно 2—3—5 миллиметров. Во время работы индуктор необходимо охлаждать. Для этого по медной трубке (индуктору) во время работы пропускается вода. На рис. 1 показан высокочастотный нагрев на воздухе поверхности фрезы 1, укрепленной на оправке 2 и помещенной в электромагнитное поле индуктора 3, охлаждаемого при работе проточной водой. Бак 4, для закалки нагретого слоя на фрезе, расположен под индуктором.

После окончания процесса нагрева фреза быстро перемещается в охлаждающую жидкость в бакс (воду, масло, эмульсию) для закалки.

Чтобы токи высокой частоты нагрели поверхность стального изделия, достаточно нескольких секунд. Поэтому производительность высокочастотных закалочных установок достигает сотен изделий в час. В основном она зависит только от степени механизации подачи деталей в зону нагрева. Если при старых способах нагрева в пс чах на закалку зубьев шестерни уходило не меньше часа, то теперь на что требуется всего около 4 секунд, т. е. почти в 90П раз меньше.

Новая техника нагрева создала возможность полной автоматизации всего процесса закалки, а только при автоматизации можно добиться высокого и однородного качества изделий. Этот ответственный процесс перестает зависеть от квалификации и внимания калильщика.
Применение высокочастотного метода нагрева и закалки дает огромную экономию времени и материалов.

Например, Московский Станкостроительный завод, где директором товарищ Ошеров, после перехода на этот метод сократил ежемесячный расход нефти на 1000 т, в 3 раза ускорил весь процесс производства и почти в 100 раз снизил брак по тепловой обработке. Число таких примеров в практике наших заводов все растет.

Высокое качество инструментов, изготовляемых из стали и закаливаемых по новому способу, сразу благоприятно отразилось на производительности труда, в особенности на предприятиях машиностроительной промышленности. Случаи поломки инструмента становятся все более редкими.

Новый метод поверхностной закалки быстро завоевал популярность. Но в то Же время в мою лабораторию на заводе «Светлана» в Ленинграде посыпались письма с других заводов. Писем было много, но в них содержался все тот Же вопрос: как нагреть и закалить внутренние поверхности колец и втулок? Как можно обработать узкие щели в штампах?


Оказалось, что поверхностной закалке токами высокой частоты можно было подвергать далеко не все изделия. Технически невозможно было нагреть высокочастотным методом внутреннюю поверхность очень небольшого отверстия кольца, втулки или обработать узкие щели и выемки сложной формы в различных деталях.

Все это заставляло меня задуматься над теми недоработанными вопросами, которые на первых этапах развития новой техники поверхностной закалки стали оставались в тени. Было ясно, что при существовавшей технологии некоторые участки деталей многих типов нагревать не удается. Нельзя изготовить такую медную трубку-индуктор, которая поместилась бы в узкую зону нагрева и притом еще нигде не касаясь металла.

Проблема закалки сложных изделий оказалась очень актуальной. Ведь на некоторых завесах около половины всех деталей, подвергающихся поверхностной закалке, имеют небольшие отверстия или узкие щелевые участки.

Сначала мы попытались нагревать эти изделия индукторами, которые бы не охлаждались. Из тонкой медной проволоки нам легко удавалось изготовлять миниатюрные индукторы, которые целиком помещались в зону нагрева. Но все эти опыты кончались неудачами: при включении тока индуктор, нагревшись, почти мгновенно расплавлялся.

Как-то в дни этих попыток мне в руки попал Журнал, в котором описывался ремонт морских судов. Сварка стальных днищ производилась под водой кислородно-ацетиленовыми горелками. Мне и пришла мысль нагреть стальные детали под водой токами высокой частоты. Ведь вода плохо проводит ток, значит, потери электроэнергии в воде будут минимальными, а проволочный индуктор в воде будет хорошо охлаждаться.

Через несколько часов после начала опыта впервые в нашей практике мы не только нагрели, но даже расплавили в воде стальную втулку. Это было в 1941 г. За время войны в Институте металлургии Академии Наук СССР мы детально разработали технологию поверхностной закалки под водой различных стальных изделий.


Для подводного нагрева индукторы изготовляют теперь либо из медной проволоки, либо из узких полосок листовой меди. При этом индукторам можно придать столь малые размеры, что некоторые свободно умещаются в спичечной коробке.

Обрабатываемая деталь помещается в бак с водой. Там же, на расстоянии 1—2 миллиметров от тех частей детали, которые требуется закалить, устанавливается индуктор. Включается ток. Вокруг индуктора возникает магнитное поле. Вода — не преграда для магнитных силовых линий, и поэтому они свободно проходят через нее к ближайшим частям детали, которые подвергаются закалке.

Эти части начинают быстро нагреваться. По мере нагрева в зоне действия индуктора на поверхности изделия появляется слой пара, образующий своеобразную паровую рубашку. Пар плохо проводит тепло, поэтому он предохраняет накаляемую поверхность металла от больших потерь тепла. Когда нагрев заканчивается, ток выключается и нагретый слой стали закаливается той же водой, в которой он находится.

Обрабатываемое кольцо устанавливается в оправке. Последняя соединяется с шпинделем сверлильного станка и может перемещаться вверх и вниз (для съема закаленного изделия и установки следующего, подлежащего обработке). Кроме того, оправка приводится во вращение со скоростью около 150—200 оборотов в минуту.

Вращение нужно для обеспечения равномерной толщины нагретого слоя даже при неточной установке изделия относительно проволок индуктора.
Бак снабжен в верхней части вырезом и сливной системой, обеспечивающей постоянство уровня воды. После окончания цикла нагрева по трубе при помощи электромагнитного крана внутрь бака подается струя воды, смывающая паровую рубашку на внутренней поверхности изделия и закаливающая нагретый слой стали.

Новый способ подводного нагрева значительно расширяет область применения высокочастотной стали.

Добавить комментарий