термическая обработка в машиностроении

Когда говорят о термической обработке в машиностроении, многие представляют себе просто печь, где деталь греют и потом охлаждают. Но это, конечно, поверхностно. На деле это целая философия управления внутренней структурой металла, и от неё зависит, сломается ли вал под нагрузкой или проработает десятилетия. Часто сталкиваюсь с тем, что заказчики требуют просто ?закалить? деталь, не вдаваясь в подробности о марке стали, предыдущей механической обработке или конечных условиях эксплуатации. А потом удивляются, почему появились трещины или искривления. Вот об этих нюансах, которые не пишут в учебниках, а понимаешь только на практике, и хочется порассуждать.

Отжиг: не для мягкости, а для снятия напряжений

Возьмем, к примеру, отжиг. Казалось бы, базовая операция. Но в нашем цеху, когда к нам приходит поковка после гидравлического пресса, особенно крупногабаритная, в ней колоссальные внутренние напряжения. Если сразу пустить её на механическую обработку, резец может снять поверхностный слой, а напряжения перераспределятся — деталь поведёт, иногда даже расколет. Мы на своем опыте, на том же оборудовании, что и у ООО Цзиюань Юйбэй (их сайт https://www.jyybdz.ru хорошо описывает спектр работ), это проходили. У них, кстати, в направлениях деятельности прямо указаны и ковка, и отжиг, и улучшение — это логичная цепочка.

Так вот, отжиг — это не просто ?сделать металл мягче?. Это выдержка при строго определённой температуре, часто ниже критической точки, с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Скорость охлаждения тут ключевая. Быстро остудишь — напряжения останутся. Медленно — зерно может вырасти, что тоже не всегда хорошо. Приходится подбирать режим индивидуально под каждую партию стали, даже если марка одна и та же. Потому что история металла разная: где-то скорость ковки была выше, где-то исходная заготовка из электрошлакового переплава была неоднороднее.

Помню случай с фланцем для нефтегазового оборудования. Заказ был срочный, решили сократить время отжига, побыстрее прогнали. После токарной обработки деталь вроде бы прошла контроль, но при ультразвуковом контроле обнаружили сетку микротрещин в теле фланца. Пришлось всё списывать в брак и делать заново, уже с полным циклом. Потеряли и время, и деньги. Этот урок хорошо запомнился: экономия на правильно проведённой термической обработке всегда выходит боком.

Улучшение: поиск баланса между твёрдостью и вязкостью

А вот улучшение — это моя любимая тема. Закалка с высоким отпуском. Казалось бы, всё стандартно: нагрев до аустенитного состояния, быстрое охлаждение (чаще всего в масле, иногда в полимерных средах, для ответственных деталей), а затем отпуск для снятия закалочных напряжений и придания нужного комплекса свойств. Но дьявол, как всегда, в деталях.

Какое масло использовать? Температура масла в баке критична. Если оно перегрето от частого использования, скорость охлаждения падает, и можно недополучить нужную твёрдость, особенно в сердцевине массивной детали. Если слишком холодное — риск закалочных трещин возрастает. Мы ведём журнал температуры закалочных сред, это обязательно.

А сам отпуск? Температура и время. Для стали 40Х, например, один режим, для 34ХН1М — совершенно другой. И здесь недостаточно таблиц из справочника. Часто конечная твёрдость задаётся в определённом диапазоне, скажем, HRC 28-32. Чтобы её выдержать, приходится делать пробные отпуски на технологических образцах, вырезанных из той же плавки, что и деталь. Потому что химический состав от плавки к плавке может ?гулять?, особенно по содержанию углерода и легирующих. И если этого не учитывать, вся партия может уйти в переотпуск или недотпуск.

В описании ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство указано, что у них есть электрические печи для улучшения. Это хороший знак — электрические печи дают более точный и равномерный контроль температуры по сравнению с газовыми, меньше риск локального перегрева. Для ответственных поковок, которые они производят с объёмом до 5000 тонн в год, это важно.

Закалка: не всякая твёрдость полезна

Закалка — это самый рискованный этап. Цель — получить мартенсит, твёрдую и хрупкую структуру. Но если перегреть сталь всего на 20-30 градусов выше рекомендуемой температуры, происходит рост аустенитного зерна. После закалки это выльется в крупноигольчатый мартенсит, который резко снижает ударную вязкость. Деталь будет твёрдой, но при динамическом ударе расколется, как стекло.

Контроль температуры в печи — отдельная история. Термопары должны быть откалиброваны, печь должна иметь равномерную температурную зону. Мы раз в квартал обязательно проводим аттестацию печей, закладываем контрольные образцы в разные точки рабочего пространства. Бывало, что из-за вышедшей из строя одной из нагревательных спиралей в углу печи создавалась ?холодная? зона. Детали оттуда шли с недокалкой, и это вскрылось только при выборочном контроле твёрдости по сечению. Хорошо, что не на готовом изделии у заказчика.

И ещё про охлаждение. Для сложноконтурных деталей с резкими перепадами толщин стандартная закалка в одной среде — путь к короблению и трещинам. Приходится применять ступенчатую закалку, изотермическую, или даже такие уловки, как экранирование тонких рёбер фольгой, чтобы они не охлаждались слишком быстро. Это уже искусство, а не технология.

Термичка после мехобработки: исправление и стабилизация

Часто термическая обработка требуется и после токарной или фрезерной обработки. Например, для снятия напряжений, которые возникли при снятии стружки. Или для стабилизации размеров особо точных деталей (валы, шестерни). Проводится низкотемпературный отпуск, иногда многократный.

Упомянутая компания в своём описании перечисляет токарную обработку как одно из направлений. Логично предположить, что для них актуален вопрос финишной термической обработки готовых изделий. Допустим, выточили большой вал. В процессе резания в поверхностном слое возникли напряжения. Если их не снять, со временем вал может изогнуться на тысячные доли миллиметра, что для прецизионных механизмов недопустимо. Поэтому проводят стабилизирующий отпуск при 150-200°C с выдержкой несколько часов. Не всегда это прописано в чертеже, но грамотный технолог всегда заложит такую операцию для ответственных узлов.

Был у нас опыт с изготовлением штамповой оснастки. Матрицу после черновой мехобработки не отпустили. В процессе финишной шлифовки её ?повело?, пришлось снимать лишний припуск, почти на грани допуска. Еле спасли. С тех пор для любого сложного инструментального изделия промежуточный отпуск — обязательная строка в технологической карте.

Оборудование и его ?характер?

Любая теория упирается в оборудование. Гидравлический пресс, печи — у них всех есть свой ?характер?. Та же электрическая печь для отжига. Со временем футеровка выгорает, теплоотдача меняется. Если не следить, реальная температура в камере будет отличаться от показаний термопары. Приходится ?чувствовать? оборудование. Знать, что в этой конкретной печи для достижения 650°C нужно выставить на контроллере 670, потому что она немного ?недогревает? в левом заднем углу.

Оборудование, которое есть у ООО Цзиюань Юйбэй — электропечь для электрошлакового переплава, гидравлический ковочный пресс, нагревательные и отжигательные печи — это как раз тот набор, который позволяет контролировать весь цикл от выплавки до готовой поковки. Это серьёзное преимущество, потому что известна вся предыстория металла. Но и ответственность выше: все этапы должны быть выверены. Некачественный переплав даст неоднородную заготовку, и никакая, даже идеальная, последующая термическая обработка в машиностроении не исправит скрытые в ней дефекты типа флокенов или ликвации.

В итоге, термическая обработка — это не отдельный цех с печами. Это связующее звено между металлургией, обработкой давлением, резанием и конечной службой детали. Это постоянный диалог между технологом, металловедом и оборудованием. И главный вывод, который приходит с годами: лучше потратить лишний день на подбор и проверку режима, чем потом разбираться с последствиями отказа на объекте. В нашем деле надёжность, заложенная в структуру металла, — это то, что не видно глазу, но именно на этом всё и держится.