термическая обработка кремния

Когда говорят про термическую обработку кремния, многие сразу представляют графики в учебниках: нагрев до стольки-то градусов, выдержка, охлаждение. На деле, если бы всё было так линейно, половина специалистов сидела бы без работы. Главный подвох — это даже не сам кремний, а то, что с ним происходит до печи и после. Импульсные перегревы, которые не фиксирует стандартная КИП, локальные напряжения от предыдущих операций ковки — вот что чаще всего губит структуру. Мы в цехе часто шутим, что наш главный инструмент — не печь, а глаза и молоток: по звуку при загрузке и цвету окалины иногда больше понимаешь, чем по всем датчикам.

От шихты до загрузки: где закладываются проблемы

Возьмём, к примеру, заготовки для валков прокатных станов, которые мы часто делаем. Материал — сталь 9ХФ, но с повышенным содержанием кремния для износостойкости. Если перед термической обработкой кремний-содержащей стали не провести нормализацию после ковки, особенно на нашем гидравлическом прессе, — внутри останутся напряжения. Они потом, при закалке, вылезут трещинами. Был случай с партией для одного комбината: вроде бы и режим выдержали, и охлаждение в масле контролировали, а 30% заготовок пошли в брак. Разобрались — проблема была в неравномерной скорости ковки на одном из этапов, что привело к неоднородной структуре. Пришлось возвращаться к этапу отжига, фактически, переделывать всю партию.

Тут важно вот что: сам кремний, как элемент, сильно повышает прокаливаемость, это знают все. Но на практике он же делает сталь более чувствительной к скорости нагрева. Если в обычных углеродистках можно позволить себе относительно быстрый нагрев в электрической печи, то с нашими кремнистыми марками — нет. Иначе поверхность уже перегрета, а сердцевина ещё не достигла температуры фазового превращения. Особенно это критично для крупногабаритных поковок, тех же шестерён или валов, которые у нас в приоритете.

Поэтому у нас в ООО 'Цзиюань Юйбэй' перед тем, как отправить поковку на термическую обработку, её обязательно исследуют. Не просто ультразвуком, а часто делаем вырезку-образец от партии, особенно от первой плавки на электрошлаковом переплаве. Смотрим макроструктуру. Если видим полосчатость или неоднородность — корректируем режим предварительного отжига. Это, конечно, время и деньги, но дешевле, чем получить брак после закалки и отпуска.

Печь, атмосфера и человеческий фактор

Оборудование — отдельная тема. У нас стоят шахтные электрические печи для улучшения. На бумаге всё хорошо: выставил терморегулятор, и жди. В реальности — разница в температуре между верхней и нижней зоной даже в откалиброванной печи может достигать 15-20°C. Для большинства сталей это некритично, но когда работаешь с легированными сталями, где кремний играет ключевую роль в формировании карбидов, такая разница может сместить точку Ac1. Результат — неполная закалка или, наоборот, пережог.

Мы нашли для себя такой полуэмпирический метод: для каждой новой крупной партии или сложной конфигурации (например, фланцы с массивным центром и тонкими выступами) мы загружаем в печь не только заготовки, но и контрольные образцы-свидетели. Располагаем их в самых 'проблемных' зонах: у дверцы, у задней стенки, в центре. После обработки смотрим на них. Это даёт гораздо более точную картину, чем показания термопар. Кстати, о термопарах: их калибровку мы проводим чаще, чем требует стандарт. Особенно после обработки жаропрочных сталей, где в атмосфере печи могут быть следы кремния из предыдущих циклов — они оседают на защитных чехлах и искажают показания.

Атмосфера — ещё один камень преткновения. Идеальный вариант — вакуум или инертная среда. Но для цехового масштаба, как у нас, это часто экономически неоправданно. Поэтому работаем в воздушной атмосфере, но с контролем окисления. Образующаяся окалина — это не просто потеря металла. На сталях с кремнием она получается более плотной и тугоплавкой, может локально препятствовать диффузии углерода при цементации или азотировании, если это следующий этап. Приходится после нагрева под закалку иногда применять дробеструйную обработку, чтобы сбить окалину перед охлаждением в масле. Но здесь тоже важен баланс — не перегреть поверхность после очистки.

Охлаждение: самая недооценённая стадия

Вот где кроется 70% всех дефектов после термообработки. Все сосредоточены на нагреве, а охлаждение часто пускают на самотёк. С кремнием — особенно. Он, повышая прокаливаемость, как бы 'помогает' получить мартенсит даже при не очень интенсивном охлаждении. Но это же и ловушка: в массивных сечениях из-за этого может возникнуть огромная разница в структурных напряжениях между поверхностью и сердцевиной.

У нас был показательный инцидент с крупным валом из стали 35ХГС (как раз с высоким кремнием). Закалили, казалось бы, успешно. При отпуске услышали характерный щелчок — трещина. Вскрыли — внутренняя трещина, классический 'флокен'. Причина — слишком быстрое охлаждение в масле для такой массы. Масло 'застарело', его охлаждающая способность упала, и мы, пытаясь компенсировать, увеличили циркуляцию. В итоге поверхность охладилась слишком резко относительно ядра. Пришлось пересматривать протоколы охлаждения для всех крупногабаритных поковок. Теперь для каждой весовой категории и конфигурации у нас своя программа: сначала интенсивное охлаждение до ~300°C, потом замедление, иногда даже извлечение из бака для самоотогрева.

Сейчас мы для ответственных деталей, которые потом идут на токарную обработку в нашем же цехе, практикуем ступенчатый отпуск сразу после закалки. Не ждём, пока деталь остынет полностью до комнатной температуры. Это помогает снять пиковые напряжения. Конечно, это требует более точного планирования цепочки, но результат того стоит — брак по трещинам снизился в разы.

Контроль: не для отчёта, а для следующей плавки

У нас, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', с его 30 человеками коллектива и годовым объёмом в 5000 тонн, нет роскоши иметь отдельную металлографическую лабораторию. Но контроль есть. Он практический. После термической обработки кремний-содержащих сталей мы обязательно проверяем твёрдость не в трёх точках, а по сетке, особенно в местах перехода сечений. Часто используем переносной твердомер УЗИ, хотя знаем, что для легированных сталей его показания могут плавать. Поэтому всегда сверяем с эталоном и при любом сомнении — на пресс Роквелла, это наш арбитр.

Самая ценная информация — это данные, которые идут в обратную связь к плавильщикам и кузнецам. Если видим, что в партии от одной плавки ЭШП твёрдость после обработки 'пляшет', а от другой — стабильна, значит, дело в исходной шихте или в режиме переплава. Фиксируем это. У нас заведены журналы не только по режимам термообработки, но и по 'биографии' каждой крупной партии поковок: от какой плавки, на каком прессе ковали, какой был режим отжига. Это позволяет выстраивать причинно-следственные связи, а не гадать.

Часто именно термическая обработка выступает тем самым индикатором, который выявляет скрытые проблемы предыдущих переделов. Поэтому для нас это не заключительная операция, а скорее, ключевой диагностический этап всего цикла тяжёлого литейно-кузнечного производства.

Вместо заключения: практика против догмы

Так что, если резюмировать мой опыт, термическая обработка кремния (вернее, сталей, его содержащих) — это постоянная балансировка. Баланс между теорией фазовых диаграмм и реальным поведением металла в печи, которая немного 'дышит'. Баланс между стандартными режимами и необходимостью подстройки под конкретную конфигурацию детали, которая только что сошла с нашего токарного станка. Это понимание, что успех определяется не на этапе закалки, а ещё при планировании ковки и выборе шихты для электрошлакового переплава.

Никакие ГОСТы и ТУ не заменят необходимости 'чувствовать' материал. Иногда нужно отступить от инструкции, дать более длительный изотермический отжиг или, наоборот, рискнуть и применить ускоренный нагрев для мелких серийных деталей. Главное — фиксировать все эти отклонения и их результаты. Именно так, методом проб, ошибок и постоянного внимания к мелочам (вроде цвета дыма из печи или звука при опускании заготовки в масло), и рождается то, что можно назвать устойчивым качеством. А для предприятия нашего масштаба это — вопрос выживания на рынке.