Indukční kalení hřídelů: povrchové kalení 1045 a 4140

Jak to funguje

Indukční cívka nesoucí vysokofrekvenční střídavý proud obklopuje hřídel. Proud indukuje v povrchu oceli vířivé proudy, které během sekund ohřejí tenkou povrchovou vrstvu nad teplotu přeměny; okamžité ochlazení postřikem vody nebo polymeru přemění tuto vrstvu na tvrdý martenzit. Většina hřídele se nikdy nezahřeje, takže si zachovává své původní — často předem zakalené a popouštěné — vlastnosti.

Frekvence určuje hloubku vrstvy

Indukovaný proud se koncentruje blízko povrchu a ohřátá hloubka klesá s rostoucí frekvencí. To je ústřední konstrukční vztah tohoto procesu:

• Nízké frekvence (několik kHz, středofrekvenční stroje): hluboké vrstvy, zhruba třídy 2–6 mm, pro velké hřídele a těžké čepy.
• Vysoké frekvence (stovky kHz): mělké vrstvy, zlomky milimetru až zhruba 1.5 mm, pro malé díly a jemné prvky.

V praxi se hloubka vrstvy předepisuje k limitu tvrdosti (stejně jako u cementování, často 550 HV) a stroj, frekvence a doba ohřevu se volí tak, aby ho dosáhly s přechodovou zónou, která nikde ve vzoru nepronikne do měkkého, nezakaleného povrchu.

Oceli

Předepisují se středně uhlíkové oceli, protože tvrdost v zakaleném stavu pochází z uhlíku:

• 1045 / C45 — ekonomický standard; povrchová tvrdost obvykle v polovině padesátých hodnot HRC (tedy mírně nad 50 HRC), jádro ponechané ve stavu po válcování nebo po normalizaci.
• 4140 / 42CrMo4 — používá se předem zakalená a popouštěná, když jádro musí nést skutečná zatížení; indukční vrstva přidává odolnost proti opotřebení a únavě na pevném substrátu a její obsah legur rozšiřuje procesní okno.

Uhlík pod zhruba 0.35% dává zklamávající povrchovou tvrdost; výrazně nad 0.6% zvyšuje riziko kalicích trhlin.

Vzory a měkké zóny

Skenující induktor kalí pás, jak postupuje podél hřídele, a zanechává výběhovou zónu tam, kde skenování začíná a končí, a zakalené pásy na složitých hřídelích jsou odděleny měkkými zónami — u osazení, zápichů a mezi sousedními prvky — protože cívka nemůže ostrý vnitřní roh ohřát rovnoměrně a překrývající se skeny by předchozí pás znovu popustily. Dobrá konstrukce s nimi zachází jako s fakty, nikoli vadami:

• Držte těsnicí a ložiskové kontaktní plochy uvnitř zakaleného vzoru, mimo výběhy.
• Měkké zóny umisťujte tam, kde je ohybové napětí a opotřebení nízké.
• Sledujte prvky citlivé na trhliny — drážky pro pera, příčné otvory a ostrá zaoblení uvnitř ohřívané zóny potřebují sražení hran a procesní zkoušky.

Proč jej zvolit

Ve srovnání s cementováním je indukční kalení rychlé, lokální, snadno automatizovatelné v lince a použitelné po většině obrábění. Vyměňuje hlubokou, pozvolna odstupňovanou vrstvu cementování za rychlost a selektivitu — u hřídelů je to obvykle správná výměna.

Zakalená vrstva také nese tlakové zbytkové pnutí, protože expandovaná martenzitická vrstva je omezována nezměněným jádrem. Toto tlakové pnutí je velkou částí důvodu, proč indukčně kalené čepy a zaoblení vykazují výrazně lepší ohybovou a torzní únavovou životnost než prokalené nebo neošetřené ekvivalenty — za předpokladu, že zakalený vzor skutečně pokrývá koncentraci napětí, což je konstrukční rozhodnutí, nikoli procesní náhoda.