закалка ковкой

Когда говорят про закалку ковкой, многие сразу представляют себе кузнеца у горна — молот, наковальня, искры. Но в промышленных масштабах, особенно когда речь идёт о крупных поковках для ответственных узлов, всё это выглядит иначе и куда сложнее. Главное заблуждение — считать, что сама механическая деформация при ковке и есть закалка. Нет, это глубоко взаимосвязанные, но разные этапы. Закалка ковкой — это, по сути, управляемый процесс, где пластическая деформация в определённом температурном диапазоне задаёт будущую структуру металла, а последующая термичка её фиксирует и усиливает. Пропустишь нюанс — получишь либо недостаточную прочность, либо трещины.

От слитка до поковки: где рождается структура

Всё начинается с исходного материала. Мы, например, на ООО Цзиюань Юйбэй часто работаем с электрошлаковым переплавом (ЭШП) — это даёт хорошую чистоту металла, меньше неметаллических включений. Но даже качественный слиток — это неоднородная структура, крупные зерна. Задача ковки — эту структуру измельчить, сделать волокна вытянутыми вдоль силовых линий будущей детали. Вот тут и кроется первый ключ к правильной закалке ковкой: температура начала ковки и степень обжатия. Для каждой марки стали — свой интервал. Перегрел заготовку в печи — пошло чрезмерное рост зерна, который потом не исправишь. Недогрел — пойдут внутренние разрывы при деформации.

На нашем гидравлическом прессе в 2000 тонн мы ведём ковку крупных валов. Давление, в отличие от ударов молота, плавное и контролируемое. Это позволяет лучше ?продавить? сердцевину массивной поковки. В процессе постоянно следим за температурой поверхности пирометром, но знаем, что внутри она всегда выше. Поэтому выдерживаем паузы между проходами, чтобы тепло перераспределилось, но не слишком долго, чтобы не началась рекристаллизация в нежелательной фазе. Это не по учебнику, это уже чутьё, наработанное на браке. Как-то раз спешили с заказом, сократили межоперационные паузы — вроде бы всё в синих пределах термообработки. А потом при механической обработке на горизонтальном станке обнаружили анизотропию свойств: с одной стороны твёрдость по Шору была на 10 единиц ниже. Причина — неравномерное охлаждение после последней вытяжки, не успели структуру ?успокоить?.

Именно поэтому на нашем предприятии ковка, отжиг и последующее улучшение — это не изолированные цеха, а звенья одной цепи. Поковку после пресса сразу, пока она ещё в районе 500-600 градусов, часто отправляем в печь для отжига — снять остаточные напряжения. Иначе при остывании на воздухе до комнатной эти напряжения могут привести к короблению или, что хуже, к скрытым микротрещинам, которые всплывут только при финальной закалке ковкой.

Термический финиш: закалка и отпуск

Вот тут многие думают, что главное — быстро охладить. Всё верно, но если охлаждать в воде массивную поковку из легированной стали, получишь пучок трещин гарантированно. Наше основное оборудование для улучшения — камерные электрические печи с принудительной циркуляцией атмосферы. Важен не только нагрев до аустенитного состояния, но и выдержка. Для поковки сечением под 500 мм выдержка может доходить до нескольких часов, чтобы весь объём прогрелся равномерно. Иначе при закалке поверхность превратится в мартенсит, а сердцевина останется с перлитом — и прощай, однородность.

Охлаждаем чаще всего в масле, иногда для определённых марок используем полимерные растворы. Скорость охлаждения ниже, чем в воде, но достаточно для подавления распада аустенита. Ключевой момент — контроль температуры масла. Если оно перегрето от предыдущих операций, скорость охлаждения падает, и твёрдость не добирается. Приходится ставить теплообменники. После закалки — сразу, без промедления, отпуск. Это святое правило. Оставленная ?как есть? закалённая деталь может треснуть сама по себе из-за внутренних напряжений. Отпуск в печи при 300-650 градусов (зависит от марки) снимает эти напряжения, превращает хрупкий мартенсит в более вязкий троостит или сорбит.

Контролируем результат не только твёрдомерами, но и макро- и микрошлифами. Смотрим структуру под микроскопом. Хорошо проведённая закалка ковкой даёт однородную мелкоигольчатую структуру по всему сечению. Видел я образцы, где из-за неправильного режима ковки (малая степень обжатия) волокна остались крупными, и при закалке по границам этих волокон пошёл избыточный карбидный налёт — точки будущего разрушения под нагрузкой.

Практические ловушки и как их обходить

В теории всё гладко. На практике — масса подводных камней. Возьмём, к примеру, поковки сложной формы — с фланцами, ступенчатым изменением сечения. При ковке металл течёт неравномерно, в местах резкого перехода могут образовываться зоны с разной степенью деформации. А значит, и разной склонностью к закалке. Если такой переход потом попадает в зону высоких напряжений в изделии, это слабое место. Мы стараемся такие переходы по возможности делать более плавными ещё на этапе проектирования оснастки для ковки.

Другая частая проблема — обезуглероживание поверхности при длительном нагреве в печи перед закалкой. Металл теряет углерод с поверхности на пару миллиметров вглубь, и после закалки эта ?корка? получается мягкой. Бороться можно контролируемой атмосферой в печи или, что проще для нас, за счёт припуска на механическую обработку. Закладываем лишние 3-5 мм, которые потом снимаются на токарном станке, и получаем чистый металл с правильной твёрдостью. Но это, конечно, увеличивает расход материала и время на обработку — вечный компромисс между качеством и себестоимостью.

Иногда заказчик просит максимальную твёрдость. И вот тут важно вовремя остановиться и объяснить, что для ударной нагрузки, например, нужна не максимальная твёрдость, а хороший запас вязкости. Иначе деталь просто расколется. Подбираем компромиссный режим отпуска. Это и есть та самая профессиональная оценка, которая приходит с опытом, а не из ГОСТа.

Оборудование и его влияние на процесс

Многое упирается в возможности оборудования. Наша электропечь для ЭШП даёт хороший старт. Гидравлический пресс позволяет делать медленные, контролируемые обжатия — это важно для формирования правильной волокнистой структуры в крупных поковках. Если бы был молот, пришлось бы бить чаще и мельче, рискуя переохладить поверхность.

Печи для отжига и улучшения с программным управлением — это спасение. Можно записать сложный цикл: нагрев с определённой скоростью, выдержка, охлаждение с заданной скоростью до определённой температуры, повторный нагрев для отпуска. Повторяемость — залог стабильного качества. Раньше, на старых печах, всё держалось на мастере, который ?на глазок? прикидывал время. Результат плавал от партии к партии.

Но даже самое лучшее оборудование — не панацея. Все эти тонкости — температурные интервалы ковки для конкретной марки стали, скорость охлаждения при закалке, время отпуска — сначала берутся из справочников, а потом годами корректируются под конкретное производство, под особенности наших печей, нашего масла, даже под климат в цеху. Это знание, которое нигде не записано в полном объёме, оно в головах технологов и мастеров с 30-летним стажем.

Вместо заключения: мысль по итогам плановой проверки

Недавно сдавали партию поковок для бурового оборудования — валы-шестерни. Приёмка прошла, ультразвуковой контроль показал отсутствие внутренних дефектов. Но вот что я задумался, глядя на протоколы испытаний на ударную вязкость. Значения были хорошие, но в одном образце из десяти — чуть ниже, хотя в пределах допуска. Стал разбираться. Оказалось, та заготовка была с края слитка при ЭШП, где микронеоднородность химического состава чуть выше. Ковка её вроде бы исправила, но, видимо, режим закалки ковкой для такого незначительного отклонения в составе оказался не идеально подобран. Мелочь? В большинстве случаев — да. Но для детали, которая будет работать на глубине двух километров под землёй, где ремонт стоит космических денег, — нет. Значит, нужно ещё тоньше сегментировать партии по плавкам или корректировать режим для ?крайних? заготовок. Работа никогда не заканчивается. Цель — не просто сделать поковку, а сделать её с такой структурой, которая гарантированно отработает свой ресурс. И закалка ковкой здесь — не отдельная операция, а финальный аккорд в длинной и сложной симфонии передела металла.