Індукційне загартування валів: поверхневе загартування 1045 і 4140

Як це працює

Котушка індуктора, що несе високочастотний змінний струм, оточує вал. Струм індукує вихрові струми в поверхні сталі, нагріваючи тонку шкірку вище температури перетворення за секунди; негайне загартування розпиленням води або полімеру перетворює цю шкірку на твердий мартенсит. Основна маса вала ніколи не нагрівається, тому вона зберігає свої початкові — часто попередньо загартовані та відпущені — властивості.

Частота задає глибину шару

Індукований струм концентрується біля поверхні, а глибина нагрівання зменшується зі зростанням частоти. Це центральне конструктивне співвідношення процесу:

• Низькі частоти (кілька кілогерц, середньочастотні машини): глибокі шари, зазвичай класу 2–6 mm, для великих валів і важких шийок.
• Високі частоти (сотні кілогерц): неглибокі шари, від часток міліметра до приблизно 1.5 mm, для малих деталей і дрібних елементів.

На практиці глибину шару вказують до межі твердості (як і для цементації, часто 550 HV), а машину, частоту та час нагрівання обирають так, щоб досягти її з перехідною зоною, яка ніде в картині не пробивається до м’якої, незагартованої поверхні.

Сталі

Вказують середньовуглецеві сталі, оскільки твердість після загартування походить від вуглецю:

• 1045 / C45 — економічний стандарт; твердість поверхні зазвичай у межах середини 50 HRC, серцевина залишена в стані після прокатування або нормалізованою.
• 4140 / 42CrMo4 — використовується попередньо загартованою та відпущеною, коли серцевина має нести реальні навантаження; індукційний шар додає зносостійкість і опір втомі поверх міцної основи, а її вміст легуючих елементів розширює вікно процесу.

Вуглець нижче приблизно 0.35% дає розчаровуючу твердість поверхні; значно вище 0.6% підвищує ризик гартувальних тріщин.

Картини та м’які зони

Сканувальний індуктор гартує смугу під час руху вздовж вала, залишаючи зону виходу там, де сканування починається та зупиняється, а загартовані смуги на складних валах розділені м’якими зонами — біля уступів, підрізів і між сусідніми елементами, — оскільки котушка не може рівномірно нагріти гострий внутрішній кут, а перекривні сканування повторно відпустили б попередню смугу. Хороша конструкція трактує це як факти, а не дефекти:

• Тримайте контактні поверхні ущільнень і підшипників усередині загартованої картини, подалі від зон виходу.
• Розміщуйте м’які зони там, де напруження згину та зношування низькі.
• Стежте за елементами, чутливими до тріщин, — шпонкові пази, поперечні отвори та гострі галтелі всередині зони нагрівання потребують фасок і випробувань процесу.

Чому обирають саме його

Порівняно з цементацією, індукційне загартування швидке, локальне, легко автоматизується в лінії та застосовується після більшості механічної обробки. Воно обмінює глибокий, поступово градуйований шар цементації на швидкість і вибірковість — на валах це зазвичай правильний обмін.

Загартований шар також несе стискальні залишкові напруження, оскільки розширений шар мартенситу обмежений незмінною серцевиною. Це стиснення значною мірою пояснює, чому індукційно загартовані шийки та галтелі показують помітно кращу довговічність за згину та кручення, ніж наскрізно загартовані або необроблені аналоги, — за умови, що загартована картина справді покриває концентрацію напружень, а це конструктивне рішення, а не випадковість процесу.