Закалка ТВЧ: индуктор, частота и глубина слоя, стали, запись на чертеже и контроль

Как работает закалка ТВЧ

Деталь помещают в переменное магнитное поле индуктора — обычно это виток или катушка из медной трубки, внутри которой течёт охлаждающая вода. В детали наводятся вихревые токи, и из-за поверхностного эффекта они текут в тонком слое у поверхности. Слой за секунды нагревается выше критической точки; по лекциям ТПУ нагрев длится 3–5 с. Затем деталь попадает под спрейер — душ, который резко охлаждает поверхность, и в слое образуется мартенсит.

Способы нагрева по Райцесу:

• одновременный — вся закаливаемая поверхность нагревается сразу; так закаливают втулки, пальцы, ролики, круглые детали при этом вращают;
• последовательный — поочерёдно отдельные участки: шейки коленчатого вала, зубья крупных шестерён;
• непрерывно-последовательный — индуктор со спрейером идут вдоль детали; так закаливают длинные валы и направляющие.

Главное отличие от объёмной закалки — греется только слой. Отсюда и преимущества, которые перечисляют лекции ТПУ: нет обезуглероживания и окисления поверхности, меньше брака по короблению и закалочным трещинам, можно закалить отдельный участок. Недостаток — дорогие установки и индукторы под каждую деталь, поэтому метод выгоден в серийном производстве.

Частота и глубина нагрева

Плотность вихревого тока убывает от поверхности вглубь по экспоненте. Расстояние, на котором она падает в e раз, называют глубиной проникновения тока δ. По Рудневу (Inductoheat) в слое толщиной δ сосредоточено около 63 % тока и 86 % наведённой мощности.

Холодная сталь магнитна, μr у неё велико, и ток идёт в очень тонком слое. После перехода через точку Кюри μr падает до единицы, сопротивление растёт — δ увеличивается в разы. Поэтому для расчёта частоты под закалку берут свойства горячей стали.

Пример. По таблице Шамова и Бодажкова у стали при 1000–1300 °C ρ = 130·10⁻⁶ Ом·см, то есть 1,3·10⁻⁶ Ом·м; μr = 1.

Нужен слой 2 мм. Руднев рекомендует частоту, при которой δ в 1,2–2 раза больше требуемой глубины, то есть δ = 2,4–4 мм. Выражаем частоту: f = ρ · (503 / δ)². При δ = 4 мм получаем около 21 кГц, при δ = 2,4 мм — около 57 кГц. Итог — диапазон примерно 20–60 кГц.

Это оценка, а не режим. Та же глубина достижима разными сочетаниями частоты, удельной мощности и времени нагрева. У самого Руднева есть пример: вал диаметром 36 мм закаливают на 2 мм при 10 кГц. При слишком высокой частоте поверхность перегревается, растёт зерно, появляются обезуглероживание и окалина. При слишком низкой — прогревается лишняя глубина, растут коробление и расход энергии. Режим подбирает цех под свою установку и индуктор на пробных деталях.

Какие стали закаливают ТВЧ и какую твёрдость ждать

По Демичеву близкая к максимальной твёрдость достигается при углероде около 0,6 %, а 0,45–0,50 % гарантируют не ниже 60 HRC после душевого водяного охлаждения. Стали с углеродом менее 0,30–0,35 % индукционной закалке не подвергают. Больше углерода — выше риск трещин.

Выбор марки по тому же источнику: при слое до 3–4 мм достаточно углеродистых сталей 35, 40, 45, 50; для более глубокой закалки и улучшенной сердцевины берут легированные — 40Х, 40ХС, 45ХН и другие.

Данные — таблица 1 Демичева. ГОСТ 21354-87 (расчёт зубчатых передач, таблица 17) для колёс из 40Х, 35ХМ, 40ХН, 40ХН2МА с закалкой ТВЧ даёт твёрдость поверхности 48…58 HRC при сердцевине 25…35 HRC. Условие стандарта — в структуре закалённого слоя не должно быть феррита.

Чем отличаются 45 и 40Х по прокаливаемости и когда какую брать — в статье «Стали 45 и 40Х». Перед ТВЧ деталь нормализуют или подвергают улучшению — так задаются свойства сердцевины.

Отпуск после ТВЧ

После закалки обязателен низкий отпуск. Райцес даёт три способа:

1. печной отпуск при 160–200 °C;
2. самоотпуск — спрейер отключают чуть раньше, и тепло, оставшееся в детали, нагревает слой до температуры низкого отпуска;
3. индукционный отпуск — нагрев той же установкой, но медленнее и на бо́льшую глубину; режим подбирают опытом.

Если на чертеже задана твёрдость ниже той, что сталь даёт после низкого отпуска, понадобится отдельный печной отпуск при более высокой температуре — Демичев прямо называет это дополнительной операцией. Пример: 40Х по его таблице даёт 54–56 HRC, а требование 48 … 52 HRC означает отпуск выше обычного.

Как указать на чертеже

По ГОСТ 2.310-2022 на чертеже задают показатели, которые получены обработкой, а не режим. Глубину обозначают буквой h, твёрдость — диапазоном со шкалой:

• поверхность, названная термином, — в технических требованиях: «Хвостовик h 0,8 … 1 мм; 48 … 52 HRC» — это пример из стандарта;
• участок на изображении отмечают штрихпунктирной утолщённой линией на расстоянии 0,8–1 мм от контура с размерами зоны, требования пишут на полке линии-выноски: «h 1,5 … 2; 48 … 52 HRC»;
• при необходимости в зоне показывают место испытания твёрдости.

Способ нагрева стандарт указывать не требует. Если важен именно индукционный нагрев, например из-за коробления, оговорите это в технических требованиях или в заказе.

Что ещё Демичев советует включить в технические условия на ТВЧ:

• размеры и расположение зоны с допусками;
• зоны у торцов, отверстий и переходов, где твёрдость не контролируется: у кромок и острых углов равномерный слой получить трудно;
• предварительную термообработку и твёрдость до закалки;
• выход границы слоя за пределы концентраторов — пазов, выточек, подрезок;
• расстояние от границы слоя до широкого бурта: на цилиндре её нельзя приблизить к бурту ближе 6–10 мм.

Шкала твёрдости должна подходить к толщине слоя: для тонкого слоя Роквелл C не годится. Как выбрать шкалу — в статье «Твёрдость HRC, HB, HV».

Как проверить глубину слоя

Твёрдость поверхности меряют на детали. Глубину слоя — только на поперечном шлифе контрольной детали по профилю микротвёрдости. Стандартов на это было три — ISO 2639, ISO 3754 и ISO 4970. В 2016 году их объединил ISO 18203, в январе 2026 года его заменила новая редакция ISO 18203:2026. Национального ГОСТ, идентичного ISO 18203, мы не нашли; метод контроля согласуйте с цехом в заказе.

Для поверхностной закалки ISO 18203 определяет SHD — расстояние от поверхности до слоя, где твёрдость равна пределу:

Пример. Требуется не менее 560 HV на поверхности: 0,8 · 560 = 448 HV. Рекомендуемая таблица стандарта для диапазона 550–575 HV даёт предел 450 HV. SHD — глубина, на которой профиль пересекает 450 HV. Если требование на чертеже задано в HRC, лаборатория пересчитывает его в HV по таблицам ISO 18265 — формулы для перевода нет.

Правила измерения по ISO 18203:2016:

• отпечатки Виккерса ставят по линии, перпендикулярной поверхности, в полосе шириной 1,5 мм;
• нагрузка — от 0,9807 до 9,807 Н, обычно 0,9807–2,942 Н (HV 0,1 … HV 0,3);
• центр первого отпечатка — не ближе 2,5 диагонали от поверхности, между отпечатками — не меньше трёх диагоналей, шаг по глубине — не более 0,1 мм;
• измеряют в двух полосах и более, места согласуют стороны.

SHD применяют, если на глубине 3 · SHD твёрдость ниже предела более чем на 100 HV. Иначе определение глубины согласуют отдельно.

Трещины и коробление

Причина трещин при ТВЧ — внутренние напряжения, как и при обычной закалке. Райцес объясняет механизм: тонкий горячий слой при охлаждении хочет сжаться, холодная сердцевина мешает, и в слое возникают растягивающие напряжения. Ниже примерно 500–600 °C пластичность металла падает, и напряжения могут дать трещины. При образовании мартенсита объём растёт, напряжения снижаются — поэтому трещины обычно остаются мелкими и часто уходят при шлифовании.

Что способствует трещинам:

• неравномерный душ — микротрещины повторяют расположение отверстий спрейера;
• высокий углерод и склонные к трещинам легированные стали при резком водяном охлаждении;
• концентраторы: пазы, выточки, отверстия, острые кромки в зоне закалки;
• дефекты литья — раковины и рыхлости сужают путь тока, металл перегревается вплоть до оплавления;
• перегрев поверхности — по Рудневу при завышенной частоте растёт зерно.

Что помогает: вращение детали, спрейеры с коническими отверстиями, для склонных к трещинам сталей и сложных деталей — охлаждение водными эмульсиями, раствором глицерина или масляным душем. Температуру воды Райцес советует держать в пределах 20–30 °C. Трещины после закалки выявляют магнитопорошковым контролем — о нём в статье «Магнитопорошковый и капиллярный контроль».

Коробление при ТВЧ меньше, чем при объёмной закалке, но есть. Причины — неравномерный зазор между индуктором и деталью, биение центров, неравномерный душ, односторонняя закалка нежёстких деталей. Райцес отмечает, что длинные цилиндрические детали при закалке могут укорачиваться — до 1 % от длины закалённого участка. Поэтому точные поверхности оставляют с припуском и шлифуют после ТВЧ и отпуска.