термическая обработка вала

Когда говорят про термическую обработку вала, многие сразу представляют себе просто закалку — нагрел, выдержал, в воду или масло. Но на практике, особенно с ответственными валами для тяжелого машиностроения, всё куда тоньше. Основная ошибка — считать, что главная цель это просто высокая твёрдость. На деле, часто важнее получить определённое сочетание прочности, вязкости и остаточных напряжений по сечению, чтобы вал не пошёл трещинами под переменной нагрузкой. У нас в цеху, бывало, привозили валы после сторонней обработки — поверхность как стекло, а внутри перегрев или недогрев, и после первых же циклов нагружения появляются проблемы.

От материала и конструкции — к технологии

Всё начинается не с печи, а с чертежа и марки стали. Допустим, вал ротора или прокатного стана. Часто идёт сталь 34ХН1М, 40ХН2МА или что-то подобное, легированная. Первый момент — а была ли предварительная термическая обработка самой поковки? У нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', мы этот этап контролируем сами — от ковки на гидравлическом прессе до отжига в печи. Это критично, потому что если в заготовке остались крупные карбиды или ликвация, то последующая закалка шейки вала ничего не исправит, структура будет неоднородной.

Вот, к примеру, для крупногабаритных валов мы часто применяем не сквозную закалку всего тела, а поверхностную индукционную, или же объёмную, но с особым режимом нагрева. Почему? Потому что массивная сердцевина и относительно тонкие шейки прогреваются с разной скоростью. Если гнать температуру быстро, чтобы середина набрала аустенит, поверхность перегреется. А если медленно — может произойти рост зерна в определённых зонах. Тут уже смотришь на возможности оборудования — электрические печи для улучшения дают более равномерный нагрев, но время цикла длиннее.

Иногда заказчик требует высокую твёрдость на шейках под подшипники, но при этом боится крутящих моментов на шлицах. Тогда идёт речь о дифференцированной обработке: одну часть вала закаливаем и низко отпускаем, другую, возможно, только улучшаем (закалка+высокий отпуск). Это уже высший пилотаж, требует точного позиционирования в печи и изготовления экранов, чтобы зоны нагрева не пересекались. Не всегда получается с первого раза, были случаи появления мягких пятен на переходе.

Печь, среда, охлаждающая жидкость — детали, которые решают

Оборудование — это отдельная песня. У нас в компании, как указано на сайте https://www.jyybdz.ru, есть нагревательные и отжигательные печи, электрические печи для улучшения. Для ответственных валов мы стараемся использовать печи с защитной атмосферой или ведём нагрев в солевых ваннах, если позволяет сечение. Это чтобы избежать обезуглероживания поверхности. Потеря всего 0.2 мм углерода на глубине — и твёрдость после закалки не выйдет, шейка будет быстро изнашиваться.

А вот с охлаждением вообще масса нюансов. Масло или полимер? Масло даёт более резкий градиент, но риск коробления и трещин выше, особенно при резких рёбрах или отверстиях в теле вала. Полимерная среда охлаждает мягче, её концентрацию можно подбирать под нужную скорость. Но тут нужно точно знать, как она себя поведёт с конкретной маркой стали. Помню историю с валом из стали 38ХН3МФА — охлаждали в стандартном масле И-20, а на переходе от шейки к галтели пошла сетка мелких трещин. Пришлось переделывать, перешли на более 'мягкое' масло с присадками и изменили температуру закалочной среды.

Самое коварное — это время выдержки перед охлаждением. Теоретически — 1 минута на 1 мм сечения. Но для массивной поковки это не всегда работает. Если выдержать мало, аустенит в сердцевине не успеет homogenized, и после отпуска получится неравномерная твёрдость. Если передержать — зерно растёт, плюс возможен перегрев. Мы обычно делаем пробную обработку на образце-свидетеле, вырезанном из припуска той же поковки, и смотрим макро- и микроструктуру, прежде чем загружать основной вал.

Отпуск — это не формальность, а финальная настройка

Многие недооценивают этап отпуска после закалки, считая его чем-то второстепенным. Мол, главное закалить, а отпустить можно 'как обычно'. Это грубейшая ошибка. Отпуск — это именно тот процесс, где ты 'выставляешь' конечные механические свойства. Для валов, работающих на кручение и изгиб, часто нужен не низкий отпуск (150-200°C) для максимальной твёрдости, а средний или высокий (450-650°C) — так называемое улучшение.

Цель — получить сорбит отпуска. Это структура, которая даёт хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Но тут есть ловушка: некоторые легированные стали склонны к обратимой отпускной хрупкости. То есть, если после отпуска в диапазоне 500-550°C медленно охладить вал через эту зону, он становится хрупким. Поэтому для таких сталей мы применяем ускоренное охлаждение после отпуска (например, в воде или масле), что прописано в ТУ, но на практике часто забывается.

Контроль после отпуска — не только твёрдость по Бринеллю или Роквеллу. Обязательно делаем замеры на нескольких участках: шейки, середина, торцы. Разброс не должен превышать определённых значений. Бывало, из-за неравномерности нагрева в отпускной печи одна сторона вала была на 5-10 единиц HRC мягче. Пришлось разбираться с циркуляцией воздуха в печи. Это те самые практические мелочи, которых нет в учебниках.

Деформация и правка — неизбежное зло?

Любая объемная термическая обработка вала сопряжена с риском коробления. Идеально прямых валов после печи не бывает. Вопрос в том, насколько это отклонение укладывается в допуск на последующую механическую обработку. Мы всегда закладываем припуск не только на токарную обработку, но и на возможную правку.

Правка — это отдельное искусство. Холодная правка под прессом для закалённых валов рискованна — можно создать внутренние напряжения, которые позже приведут к поломке. Иногда применяют правку с нагревом (так называемую 'горячую правку') в процессе отпуска, когда металл более пластичен. Но тут нужен точный расчёт, чтобы не нарушить структуру в месте нагрева. На нашем горизонтальном токарном станке потом всегда проверяем биение, и если оно в пределах, но на верхней границе допуска, иногда принимаем решение о дополнительной чистовой обработке, чтобы снять поверхностный слой с остаточными напряжениями.

Один из самых сложных случаев — полые валы (с осевым отверстием). При закалке они ведут себя непредсказуемо, могут 'схлопнуться' или, наоборот, разойтись. Тут режимы нагрева и охлаждения подбираются с особой тщательностью, иногда охлаждают сначала внутреннюю полость, а потом наружную поверхность. Это уже штучная, почти ювелирная работа.

Контроль качества — чем и как проверяем

В идеале, после всей термической обработки хорошо бы сделать полный комплекс испытаний: УЗД на внутренние дефекты, контроль твёрдости по глубине (например, методом Шора), даже рентген на остаточные напряжения. Но в реалиях производства, особенно такого как наше (годовой объём 5000 тонн поковок), это не всегда экономически оправдано для каждой единицы. Поэтому идём по выборочному контролю и контролю критических параметров.

Обязательно — травление макрошлифов с концов вала или из технологических припусков. Смотрим глубину закалённого слоя, отсутствие перегрева, трещин. Часто по макроструктуре видно, была ли равномерная прокаливаемость. Ещё один практический метод — контроль склерометром по образцу-свидетелю, который проходит весь цикл вместе с валом. Его потом можно разрушить, посмотреть излом.

И конечно, финальный вердикт часто выносит механическая обработка. Если при точении резцом структура снимается равномерно, без рывков, не образуется 'рваная' поверхность — это хороший знак. Если же резец звенит, встречаются твёрдые включения или, наоборот, мягкие пятна — значит, где-то в цикле была ошибка. Вот такая обратная связь от токаря, который потом работает с валом на станке, порой ценнее любого лабораторного отчёта. В ООО 'Цзиюань Юйбэй' как раз такая схема работы — ковка, термообработка, токарная обработка в одном цикле — позволяет быстро эту связь отслеживать и корректировать процессы.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, если резюмировать, термическая обработка вала — это всегда компромисс и поиск баланса между требованиями чертежа, возможностями оборудования и свойствами конкретной плавки стали. Нет двух абсолютно одинаковых валов, даже из одной партии. Опыт как раз и заключается в том, чтобы, зная базовые принципы, уметь 'чувствовать' материал и вовремя заметить отклонение по искре, цвету побежалости при отпуске или звуку при закалке.

Технологическая карта — это основа, но слепо следовать ей, не глядя на реальное поведение заготовки в печи, нельзя. Иногда приходится вносить корректировки на ходу: увеличить время прогрева, если загрузка печи плотная, или изменить скорость охлаждения, если температура в цеху упала. Это и есть та самая практика, которая отличает просто оператора от специалиста.

И да, несмотря на все современные контроллеры и программируемые циклы, человеческий фактор и внимание к деталям остаются ключевыми. Потому что в конечном счёте, вал — это не просто деталь, это часто ось, на которой вращается вся система. И его надёжность закладывается именно здесь, в цеху, у печи, в моменте принятия решений по температуре и времени.