Индукционная закалка стального круглого стержня: частота, глубина слоя и места начала трещин

Индукционная закалка стального круглого стержня: частота, глубина слоя и места начала трещин

Чертеж вала поставляется с тремя линиями, важными для термообработки: «4140, Ø60, поверхность 55 HRC мин, толщина корпуса 2–3 мм». Покупатель предполагает, что эти строки завершены. Специалист по термообработке читает их и сразу же сталкивается с четырьмя вопросами, на которые чертеж не отвечает: определение глубины в каком случае, измерение до какого предела твердости, с какой частотой и что происходит в углу шпоночной канавки. Эти четыре вопроса определяют, выйдет ли деталь из закалки при твердости 57HRC или будет разделена на две части.

Эта статья посвящена индукционной закалке круглого прутка в том виде, в котором он фактически покупается и обрабатывается: какие марки реагируют на это, как частота и плотность мощности определяют корпус, как определяется и измеряется глубина, а также конкретные геометрические и металлургические условия, при которых корпус трескается. Ссылки приведены на ISO 2639, ISO 3754, ASTM A304, ASTM E384, ASTM E3 и ASTM A29, где номера взяты из стандарта. Если цифра соответствует практике магазина, а не стандартному значению, она помечается как таковая.

60-секундный ответ

Индукционная закалка нагревает поверхностный слой вихревыми токами, а затем закаливает его. Только оболочка превращается в мартенсит; ядро остается в том виде, в каком оно было поставлено. Глубина гильзы, которую вы получаете, задается частотой, удельной мощностью, временем нагрева и закаливаемостью стали — в том же порядке регулировки, но в обратном порядке важности. Хромомолибденовый стержень с содержанием С 0,40 % займет корпус толщиной 2 мм при частоте 10–20 кГц; стержень из мягкой стали с содержанием углерода 0,15 % не будет иметь полезной нагрузки ни при какой частоте, поскольку в нем недостаточно углерода для затвердевания.

Что катушка на самом деле делает со штангой

Индукционная катушка вокруг стержня представляет собой трансформатор с одновитковой первичной обмоткой и стержнем в качестве закороченной вторичной обмотки. Переменный ток в катушке индуцирует ток на поверхности стержня; сопротивление превращает этот ток в тепло. Таким образом, нагрев ограничивается слоем, по которому течет ток, и этот слой тонкий. Его толщина уменьшается с увеличением частоты, и именно поэтому этот процесс позволяет получить 0,5 мм мартенсита на стержне диаметром 20 мм и 4 мм на рулоне диаметром 200 мм.

В этой простой картине есть разрыв, и именно он привлекает людей, плохо знакомых с этим процессом. Ниже температуры Кюри сталь становится магнитной, проникновение тока неглубоким, а нагрев концентрируется в тонкой оболочке. Как только поверхность достигает температуры примерно 720–770 °C, она становится немагнитной, глубина проникновения резко возрастает, и тепло начинает поступать внутрь гораздо быстрее. Именно поэтому индукционный нагрев не является линейным во времени: первые секунды нагревают кожу, а последующие секунды проталкивают фронт аустенита внутрь. Рецепт, скопированный из аналогичной детали с другим источником питания, окажется в другом месте, потому что важна энергия, передаваемая на единицу площади в секунду, а не только частота.

Последствием для покупателя является то, что глубина гильзы является результатом процесса, а не внутренним свойством марки. Два поставщика, использующие один и тот же стержень 4140, могут поставить гильзы диаметром 1,8 мм и 3,2 мм, и оба они «правы» по расплывчатому чертежу. Если глубина имеет значение для усталостной долговечности или для последующего шлифования, она должна быть указана с допуском и определением и проверена на детали в сечении, а не на поверхности с помощью портативного твердомера.

Частота — это только половина настройки

Частота выбирает приблизительный уровень; плотность мощности и время размещения корпуса внутри него. Длительная работа источника питания с частотой 10 кГц на малой мощности дает неглубокий корпус с широкой зоной термического влияния под ним. Та же подача на большой мощности в течение двух секунд дает более резкий переход и меньший рост температуры ядра. Эта сделка — острый гильза с высоким остаточным напряжением или градуированная гильза с более низким напряжением — является реальным технологическим решением, и оно принимается на станке, а не в заказе на поставку.

В таблице ниже представлен наш собственный начальный диапазон для одновибрационных и сканирующих катушек на круглом стержне. Это производственная практика, а не стандарт, и цифры меняются в зависимости от зазора муфты катушки, диаметра прутка и прокаливаемости марки. Используйте его для проверки предложения поставщика, а не для написания спецификации.

Два практических правила выдерживают контакт с цехом. Во-первых, глубина гильзы и диаметр прутка связаны: гильза 4 мм на пруток 30 мм означает, что закаленный слой составляет более четверти радиуса, сердечник нагревается, и деталь теряет градиент вязкости, ради которого была выбрана индукционная закалка. Во-вторых, дело никогда не заканчивается внезапно. Под мартенситом находится переходная зона частично преобразованного материала, и в этой зоне траверсы твердости выглядят неопрятно и где возникают усталостные трещины, если переход находится на напряженном галтеле.

Какие учащиеся берутся за дело, а какие только притворяются

Твердость поверхности после индукционной закалки ограничивается углеродом. Твердость мартенсита после закалки возрастает с увеличением содержания углерода примерно до 0,6 %, а далее он выравнивается, в то время как риск закалочного растрескивания возрастает. Практичные потолки перед закалкой: марка C с содержанием 0,45 %, такая как 1045, достигает примерно 58–60 HRC; марка C 0,40 %, такая как круглый пруток 4140/42CrMo4, достигает высоких 50 с; марка подшипника с содержанием углерода 1,0 %, такая как 52100, достигает твердости 64–66 HRC. Марка науглероживания 0,20% C достигает максимума примерно в середине 40-х годов и никогда не обеспечит корпус с твердостью 55 HRC, независимо от того, как настроена катушка.

Закалка, а не только углерод, определяет, будет ли корпус закален на всю глубину. Хром и молибден расширяют диапазон превращений, поэтому более толстый слой превращается в мартенсит при данной закалке. Вот почему 4140 является индукционным классом по умолчанию для валов, а 1045 — дешевой альтернативой, используемой там, где сечение небольшое и стоимость доминирует. Никельсодержащий пруток 4340/1.6582 затвердевает еще глубже и сохраняет более прочную сердцевину, поэтому он появляется в сильно нагруженных валах, где деталь из 1045 скорее сломается, чем согнется.

Глубина регистра: три разные цифры на одном рисунке

«Глубина корпуса» сама по себе неоднозначна, и эта двусмысленность вызывает больше споров между покупателем и специалистом по термообработке, чем любая металлургическая проблема. В обращении находятся три определения, и на детали 4140 с поверхностью 55 HRC они могут отличаться почти на миллиметр на одном и том же образце.

ISO 2639 касается науглероженных и цементированных деталей и определяет глубину цементации как расстояние от поверхности до точки, в которой твердость падает до 550 HV1. Предел 550 HV1 составляет примерно 52–53 HRC, и он был выбран потому, что он соответствует структуре, которая больше не является преимущественно мартенситной. ISO 3754 охватывает детали, закаленные пламенем и индукцией, а предельную твердость оставляет согласовывать, но большинство чертежей наследуют соглашение 550 HV1 из ISO 2639, не говоря об этом. Затем идет общая глубина корпуса, измеренная до точки, где твердость достигает значения сердцевины — это число всегда больше, иногда на 40 %, и оно бесполезно для расчетов усталости.

Практическое исправление — это одно предложение на чертеже: «Эффективная глубина гильзы по ISO 3754, предел 550 HV1, 2,0–3,0 мм, измеренная на продольном сечении по середине длины». Это предложение устраняет три источника споров — определение, предельную твердость и место измерения. Без этого поставщик, измеряющий общую глубину поперечного сечения, может сообщить 3,5 мм для детали, которая не прошла проверку эффективной глубины на уровне 2,4 мм.

Закалка, самоотпуск и замедленное растрескивание

При закалке оболочка становится мартенситной и сохраняется большая часть остаточных напряжений. Вода обеспечивает самую высокую твердость поверхности и самый высокий риск растрескивания; полимерные растворы занимают промежуточное положение и являются обычным выбором для 4140; масло медленнее и безопаснее для марок сплавов с глубоким корпусом. Выбор обычно остается за термообработчиком, но это становится проблемой покупателя, когда чертеж требует твердости 58 HRC для детали 1045 со шпоночной канавкой.

Сразу после закалки деталь не является законченной. Поверхность твердая и хрупкая, а ядро ​​все еще удерживает тепло. С этим теплом можно сделать две вещи: дать корпусу закалиться изнутри (самозакалка, используется на простых валах, где можно отказаться от твердости поверхности 1–3 HRC) или полностью закалить деталь и отпустить в печи. Чего не должно случиться, так это части, сидящей на скамейке всю ночь. Неотпущенный мартенсит плюс остаточное напряжение плюс небольшое количество водорода — это хорошо известный рецепт замедленного растрескивания, причем трещина обычно появляется через несколько часов, при смене сечения, когда никто не наблюдает.

Для деталей, которые будут шлифоваться после закалки, отпуск не является обязательным. Отпуск при температуре 150–200 °C в течение одного часа на 25 мм сечения снимает достаточное напряжение, чтобы выдержать шлифовку без сети поверхностных трещин, и обходится гораздо дешевле, чем сдача готового вала в лом. Там, где приложение требует прочности корпуса, а также твердости (например, шлицы под ударной нагрузкой), температура отпуска повышается, а требования к твердости поверхности снижаются, и этот вопрос подлежит обсуждению до заказа, а не после первого отчета о твердости.

Где начинаются трещины

Индукционные трещины редко бывают случайными. По нашему опыту, они группируются в четырех местах, и все четыре можно увидеть до того, как часть достигнет катушки, если кто-то посмотрит.

Переходы разделов. Уступ, шпоночный паз или канавка концентрируют как тепловое воздействие, так и напряжение. Угол нагревается быстрее, потому что вокруг него меньше массы, поэтому он аустенизируется глубже, в то время как его соседи остаются холодными, и это последнее место, которое подвергается закалке сердечником. Измените радиус угла на 0,5 мм или более или переместите катушку так, чтобы корпус заканчивался перед переходом. Острый внутренний угол с гильзой 3 мм на валу 40 мм треснет, и никакая закалочная настройка его не спасет.

Бандинг и сегрегация в центре бара. Непрерывно отлитый или плохо пропитанный пруток может содержать полосы углерода и сплавов вдоль направления прокатки. Полосы высшего углерода трансформируются в другое время, чем их соседи, и граница между ними представляет собой путь трещины. Это видно на макротравле бруска перед термообработкой; это проблема приемки сырья, а не термической обработки, и это одна из причин, по которой мы запрашиваем маршрут плавления и, на критических деталях, результат макротравления.

Состояние поверхности входящего прутка. Обезуглероживание – самый тихий процесс. В обезуглероженном ободе горячекатаной стали 4140 содержится меньше углерода, чем в сердечнике, поэтому корпус не может достичь заданной твердости и, что еще хуже, переход между обезуглероженным и прочным материалом находится внутри закаленной зоны. Швы самые громкие: шов, который выдерживает поворот, раскрывается под действием закалки. Это основная причина, по которой детали с индукционной закалкой обычно изготавливаются из очищенного или шлифованного прутка, а не из горячекатаного прутка с окалиной..

Шлифование после закалки. Твердый корпус, отшлифованный слишком мягким кругом, или слишком бедная охлаждающая жидкость обжигает поверхность. Ожог представляет собой эффект закалки — тонкий слой, более мягкий, чем корпус под ним, находящийся под ним, — и выглядит как сеть мелких трещин после травления ниталом. Деталь проходит проверку на твердость при толщине 0,5 мм и не проходит проверку на наличие трещин на поверхности, что является наихудшим сочетанием для всех, кто находится на технологическом этапе.

Измерение результата

Единственный честный способ проверить дело – вырезать деталь. Измерение твердости на полированном поперечном сечении с использованием индентора Виккерса весом 1 кг или индентора Кнупа для тонких корпусов дает кривую; Ответом является глубина, на которой он пересекает согласованный предел. Испытание на микротвердость регламентируется ASTM E384 и ISO 6507-1, и подготовка образца имеет такое же значение, как и сам прибор: плохо отполированный участок кажется мягким, и вы столкнетесь с проблемой термообработки, которая на самом деле является проблемой металлографии. Методы разрезания и монтажа соответствуют стандарту ASTM E3.

Сама по себе твердость не позволяет четко определить границу корпуса на легированных сталях, поэтому стандартная сопутствующая проверка — это травление ниталом: 2–5 % азотной кислоты в спирте, несколько секунд, и закаленная зона темнеет на фоне сердцевины. При травлении также выявляются швы, обезуглероживание и шлифовальный прижог, поэтому его стоит делать, даже если твердость траверса выглядит приемлемой. В процессе производства мы разделяем одну деталь на партию и на установку; В первой статье мы разделяем диаметр наименьшего и наибольшего диаметра, потому что это две крайности, которые видит катушка.

Портативный датчик Лееба или ультразвуковой твердомер подходят для сортировки деталей на линии и бесполезны для измерения глубины корпуса. Он считывает средневзвешенное значение материала под зондом — для корпуса диаметром 1 мм это означает, что он частично считывает керн. Если поставщик предлагает портативное устройство для измерения глубины корпуса, попросите траверсу.

Состояние стержня перед размоткой

Три свойства входящего бара меняют результат, и все три можно записать в заказ на поставку.

Обезуглероживание. Укажите максимальную глубину или укажите очищенный или измельченный материал, если его не допускает рисунок. Для горячекатаных прутков из сплавов мы указываем глубину обезуглероживания по запросу в соответствии с ASTM E1077, а не указываем общие цифры, поскольку они варьируются в зависимости от размера и кампании прокатки.

Микроструктура. Для 52100 и других марок с высоким содержанием углерода обязательным условием является сфероидизирующий отжиг — перлитная структура не растворяется равномерно при двухсекундном нагреве, в результате чего образуется неоднородный слой с остатками карбида и мягкими пятнами. Для марок со средним содержанием углерода нормализованная структура дает более предсказуемый отклик, чем прокатанная с полосами.

Остаточные напряжения и прямолинейность. Холоднотянутый пруток несет в себе нагрузку при вытяжке. Индукционная закалка холоднотянутого вала без этапа снятия напряжений дает деталь, которая изгибается при трансформации корпуса, а после шлифовки проявляется дуга. Там, где прямолинейность после закалки имеет значение, начните с отожженной или очищенной и выпрямленной заготовки и так и скажите.

Запись этого в заказ на поставку

Приказ на пруток и приказ на термообработку — это два документа, и сбои происходят в промежутке между ними. Шесть строк закрывают большую часть этого разрыва:

Марка стандартного издания — «4140 по ASTM A29, действующее издание», а не «4140». Диаметр и класс допуска с условием — горячекатаный, лущенный или шлифованный. Предел обезуглероживания или «без декарбюрации». Прокаливаемость: если корпус должен быть надежным на глубине, заказывайте марку H в соответствии с ограничениями ASTM A304, а не стандартную марку, поскольку стандарт контролирует только химический состав, а две плавки с одинаковым химическим составом могут затвердевать на разную глубину. Качество поверхности и внутреннее качество: класс поверхности EN 10221 и, для сильно нагруженных валов, ультразвуковой контроль согласно EN 10228-3 с классом приемки. Документация: сертификат проверки согласно EN 10204 3.1, с указанием фактического химического состава плавки, из которой был изготовлен стержень.

Затем указываются отдельные и подробные спецификации термообработки: эффективная глубина гильзы с ее определением и предельная твердость, диапазон поверхностной твердости с глубиной, на которой она измеряется, максимальная твердость сердцевины, температура отпуска и метод контроля. Когда эти два документа согласуются, споры прекращаются.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли подвергнуть индукционной закалке пруток из нержавеющей стали 304 или 316?

Нет. Аустенитные марки не превращаются в мартенсит при охлаждении, поэтому не существует механизма закалки — нагрев и закалка сохраняют их примерно одинаковую твердость. Если детали требуется твердая поверхность и устойчивость к коррозии, следует использовать мартенситные марки: 410 и 420 для умеренной твердости, 440C, где требуется 58 HRC и выше. Ферритные марки, предназначенные для свободной обработки, такие как 430F, затвердевают еще меньше, и их выбирают из-за обрабатываемости, а не из-за износостойкости.

Насколько вырастет или исказится полоса?

Меньше, чем за счет закалки, поскольку трансформируется только оболочка, и это основная причина, по которой этот процесс используется на валах с готовой механической обработкой. Но «меньше» не означает «нет». Мартенситное превращение расширяет корпус, деталь немного увеличивается в диаметре и, если корпус несимметричен по сечению — одна сторона лыски, шпоночного паза — изгибается. Оставьте припуск на шлифование на диаметрах, которые должны выдерживать допуски, и ожидайте, что на длинных тонких деталях потребуется выпрямление. Любая цифра, указанная для роста, должна быть основана на собственных испытаниях термообработчика на вашей геометрии, а не на основе таблицы.

Можно ли впоследствии обработать вал индукционной закалки?

Только шлифовкой и только в пределах припуска. Точение или фрезерование корпуса с твердостью 55 HRC возможно с помощью керамического инструмента, но оно происходит медленно и имеет тенденцию оставлять на поверхности остаточное растягивающее напряжение. Практическая последовательность такова: черновая обработка, термообработка, шлифовка и, если позволяет чертеж, обработка любых мягких деталей перед закалкой или маскировка их с рулона.

Стоит ли переплачивать за слиток класса H?

Там, где глубина корпуса имеет решающее значение и деталь изготавливается в большом количестве, да. Стандартная плавка 4140 гарантируется только в отношении химии; его прокаливаемость может находиться в любом широком диапазоне, а две плавки могут привести к получению разной глубины гильзы в одном и том же приспособлении. Марка H, такая как 4140H, заказывается с учетом пределов прокаливаемости согласно ASTM A304, поэтому реакция на катушку повторяется от партии к партии. Для единичных деталей с большими допусками подойдет стандартный сплав.

Поиск адвоката по делу

Большинство проблем с индукцией, о которых нас спрашивают, оказываются проблемами стержня: обезуглероженная оболочка, шов, уцелевший при токарной обработке, полосатость в центре или марка, выбранная по цене, которая не достигает твердости, указанной на чертеже. Они решаются до того, как брусок будет отрезан, на этапе заказа.

Мы поставляем 4140, 4340, 1045, 52100 и мартенситные марки нержавеющей стали в виде горячекатаных, лущеных, холоднотянутых или шлифованных круглых прутков, химический состав которых соответствует стандарту EN 10204 3.1, глубина обезуглероживания по запросу и прокаливаемость класса H по заказу. Если вы работаете над требованиями к глубине гильзы, отправьте линию чертежа и конечный диаметр — сорт и состояние прутка обычно следуют из этих двух цифр. Запросы: enquiry@qilumetal.com.