закалка прутка

Когда говорят о закалке прутка, многие представляют себе довольно прямолинейный процесс: нагрел до аустенита, резко охладил — и готово. На практике же, особенно с поковками из конструкционных сталей, которые идут у нас на переделку, всё куда капризнее. Ошибка в выборе режима, скажем, для вала из 40Х или 35ХМ, может вылезти не сразу, а через месяц обработки у заказчика — в виде трещин или недопустимых деформаций. И ладно если пруток небольшого сечения, а вот с заготовками под дальнейшую механическую обработку, которые мы часто делаем для тяжёлого машиностроения, промахнуться дорого. У нас в ООО Цзиюань Юйбэй, где годовой объём поковок переваливает за 5000 тонн, к этому этапу относятся без всякой шаблонности.

От исходника до печи: что часто упускают

Всё начинается не с печи, а с понимания, что именно пришло в цех. Электрошлаковый переплав, который мы применяем, даёт хорошую плотную структуру, но это не отменяет необходимости анализировать химию плавки. Допустим, пришла партия прутков из 38ХН3МФА. Мало знать стандартный режим. Важно проверить реальное содержание углерода и легирующих — даже небольшие отклонения от сертификата требуют корректировки температуры закалки. Мы как-то получили ?сюрприз?: вроде бы стандартная сталь, а при закалке с 860°С пошла повышенная зернистость. Оказалось, марганец на верхнем пределе, и температуру пришлось сбавить на 15 градусов.

Ещё один момент — состояние поверхности перед нагревом. Грубые риски от резки или следы окалины с предыдущих операций становятся центрами напряжений. Перед загрузкой в электрическую печь для улучшения мы обязательно проводим визуальный контроль и, если нужно, шабрение. Это не по ТУ, это по опыту: лишний час на подготовку экономит дни на исправление брака.

Сама загрузка в печь — тоже искусство. Прутки, особенно длинные, нельзя просто свалить в корзину. Неравномерный прогрев по сечению гарантирован. Мы используем специальные поддоны с прокладками, чтобы обеспечить циркуляцию среды. Да, это замедляет процесс, но зато после закалки твёрдость по длине прутка и в сердцевине укладывается в допуск.

Сердце процесса: нагрев и выдержка

Тут собственно и начинается закалка прутка. Температура — это догма? Ни в коем случае. Паспорт печи — одно, а реальная термопара возле заготовки — другое. Мы давно привыкли ставить контрольные термопары прямо в центр штабеля прутков. Разброс может достигать 20-25°С, и если ориентироваться только на показания печи, можно недогреть или перегреть.

Выдержка. Старое правило ?один час на дюйм сечения? — слишком грубое для ответственных поковок. Для легированных сталей мы считаем не только от сечения, но и от степени легирования. Чем больше в стали хрома, молибдена, ванадия, тем медленнее идут диффузионные процессы. Для прутка диаметром 120 мм из стали 35ХМ выдержка может быть не 4 часа, а все 5.5. Перестраховка? Нет. Это гарантия того, что аустенит гомогенизировался полностью, и после охлаждения мы получим равномерный мартенсит без остаточного феррита.

Атмосфера в печи. Открытый нагрев — это почти гарантированная обезуглероживание поверхностного слоя. Для последующей токарной обработки это может быть и не критично, если припуск большой. Но если пруток идёт на готовую деталь с минимальным припуском, как часто бывает в нашем цехе токарной обработки, то потеря углерода на 0.2-0.3 мм вглубь — это потеря твёрдости и износостойкости. Мы стараемся по возможности использовать печи с защитной атмосферой или применять ингибиторы.

Момент истины: охлаждение

Самая ответственная и стрессовая часть. В теории: быстро охладить, чтобы избежать перлитного превращения. На практике: как быстро? Масло, вода, полимер? Для большинства наших сталей — масло, марки МЗЗ или И-20. Но и масло маслу рознь. Его температура, чистота, степень старения — всё влияет на скорость охлаждения. Холодное масло (40-50°С) охлаждает резче, может увеличить риск трещин. Перегретое (выше 90°С) — слишком медленно, рискуешь получить троостит в сердцевине толстого прутка.

Техника охлаждения. Просто бросить в бак — путь к короблению. Пруток, особенно длинный и тонкий, должен погружаться в направлении, минимизирующем термические напряжения. Мы практикуем вертикальное погружение с перемешиванием среды. Была история с партией прутков для валов экскаватора: из-за горизонтального погружения в спешке получили ?бананы? с прогибом до 5 мм на метр. Пришлось править под прессом, а это лишняя операция и риск.

Контроль на этом этапе — тактильный и визуальный. После извлечения из бака смотрим на цвет побежалости, проверяем, нет ли резких ?звонов? при постукивании (признак грубых напряжений). Сразу в отпуск, не откладывая.

После закалки: неочевидные последствия

Казалось бы, пруток закалён, твёрдость в норме — можно сдавать. Но закалка прутка — это только полдела. Отпуск — это вторая, не менее важная фаза. И его режим напрямую зависит от того, как прошла закалка. Если в структуре остался остаточный аустенит (что бывает при недогреве или слишком мягком охлаждении), то стандартный отпуск при 550°С может не дать нужного комплекса свойств.

Деформация. Даже при правильном охлаждении пруток ?ведёт?. Для ответственных деталей, которые потом будут обрабатываться на наших горизонтальных токарных станках, мы закладываем технологический припуск не только на механическую обработку, но и на правку. Иногда проще провести правку в тёплом состоянии сразу после закалки, чем бороться с твёрдым прутком позже.

Контроль качества. Твёрдость по Бринеллю или Роквеллу — это обязательный, но недостаточный минимум. Для критичных деталей мы выборочно делаем микрошлифы. Смотреть структуру — мартенсит ли получился, нет ли сетки карбидов по границам зёрен (признак перегрева), однородна ли структура по сечению. Это та самая точка, где теория встречается с практикой цеха.

Оборудование и его капризы

Наше основное оборудование — электрические печи для улучшения — требует постоянного внимания. График калибровки термопар — святое. Но есть нюансы, которых нет в инструкциях. Например, износ нагревателей. Со временем печь начинает хуже ?держать? температуру, появляются зоны с разным тепловым потоком. Это напрямую влияет на равномерность прогрева прутков. Приходится чаще перекладывать заготовки в процессе выдержки или корректировать положение в рабочем пространстве.

Гидравлический ковочный пресс, который стоит у нас до участка термообработки, тоже накладывает отпечаток. Волокна в поковке после ковки расположены определённым образом. И направление охлаждения при закалке относительно этих волокон может влиять на итоговые механические свойства, особенно ударную вязкость. Стараемся это учитывать при планировании технологии.

Система охлаждения. Масляные баки должны быть оснащены не только теплообменниками, но и хорошими фильтрами. Нагар, окалина, грязь — всё это оседает в масле и меняет его охлаждающую способность. Регулярная замена и очистка — не статья экономии, а статья сохранения качества. Помним случай, когда из-за старого, закоксованного масла партия прутков диаметром 80 мм получила твёрдость ?пятнами?: снаружи 50 HRC, а в сердцевине — едва 35.

Вместо заключения: мысль по ходу дела

Так что, закалка прутка — это не операция из учебника. Это цепь взаимосвязанных решений, где нужно держать в голове и химию стали, и геометрию заготовки, и состояние оборудования, и конечные требования чертежа. В ООО Цзиюань Юйбэй, с нашим масштабом и разнообразием заказов (а в 30 человек нужно быть универсалами), выработался подход, который можно назвать ?вдумчивой стандартизацией?. Есть базовые режимы, прописанные в ТП, но нет страха отойти от них на 10 градусов или изменить время выдержки, если того требует конкретная партия материала или конкретная деталь. Потому что итог — это не просто пруток с паспортной твёрдостью, а заготовка, которая без проблем пройдёт всю дальнейшую механическую обработку и отработает свой срок в узле машины. А это, в конечном счёте, и есть главный критерий.