термическая обработка литья

Когда говорят про термическую обработку литья, многие представляют себе что-то вроде кухонной духовки — засунул деталь, выдержал, достал, готово. На деле же это целая философия, где одно неверное движение — и вместо прочной ответственной детали получаешь хрупкий сувенир, годный разве что на полку. Особенно это касается крупногабаритного литья, с которым мы работаем. Тут не до шаблонов, каждый раз приходится думать заново.

От чего на самом деле зависит результат

Главный миф — что достаточно просто соблюсти температурный режим из справочника. На бумаге-то всё гладко. Берёшь, скажем, сталь 35ХМЛ, смотришь таблицу — отжиг при 860-880°C. Но если литьё массивное, с резкими перепадами толщин стенок, то в печи оно прогреется неравномерно. Тонкие участки уже перегрелись, а сердцевина массивного узла ещё даже не достигла нужной температуры. И вот тут начинается самое интересное. Контроль по термопарам на кожухе печи — это одно, а реальная температура в трёх разных точках отливки — это совсем другое. Приходится играть и со скоростью нагрева, и с выдержкой, иногда интуитивно.

У нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', с этим сталкивались не раз. Например, при обработке крупной стойки для горно-шахтного оборудования. Отливка весом под тонну, сложной конфигурации. По технологии — нормализация с высоким отпуском. Загрузили в печь, прогнали по стандартному циклу. А после механической обработки на токарном станке проявились локальные зоны с повышенной твёрдостью, почти что закалённые островки. Резак просто сгорал. В чём дело? Оказалось, в тех самых массивных рёбрах жёсткости, которые из-за особенностей формы сырой отливки имели более мелкозернистую структуру. Они и реагировали на нагриф иначе, быстрее воспринимали температуру. Пришлось для таких зон вносить поправку, искусственно замедлять нагрев на определённом участке цикла. Это не по учебнику, это уже из области личного опыта и проб.

Или другой нюанс — подготовка перед самой термообработкой. Часто литьё идёт на операцию с остаточными литейными напряжениями. Если их не снять предварительным низкотемпературным отжигом, то при быстром нагреве под закалку или нормализацию можно получить трещину. Прямо в печи. Звук такой тихий щелчок, а потом — брак. Мы на своей шкуре это прочувствовали, когда работали с высокомарганцовистой сталью Г13Л. Материал капризный, литейные напряжения огромные. Сначала делали по классике, сразу в высокотемпературную печь. Результат — 30% отходов по трещинам. Потом ввели обязательную 'успокаивающую' выдержку при 300-350°C перед основным циклом. Потери упали до минимума. Но в техпроцессе этого шага изначально не было, пришлось доходить самим.

Оборудование: печь печи рознь

Всё упирается в возможности печи. У нас в цеху стоят камерные электрические печи сопротивления и муфельные. Для большинства операций — отжига, отпуска — их вполне хватает. Но когда речь заходит о равномерности прогрева крупногабаритной отливки, скажем, для последующей термической обработки с целью улучшения, начинаются сложности. Конвекция в электрической печи слабовата. Приходится использовать специальные рассекатели, укладывать детали на поддоны с зазором, иногда даже в процессе выдержки переворачивать массивные заготовки краном. Это не прописано ни в одном руководстве, но без этого не добиться однородности свойств по всему сечению.

А вот для операций закалки, особенно в масло или полимер, у нас отдельная история. Нет у нас пока огромных закалочных баков с мешалками и охлаждением. Поэтому на такие заказы смотрим очень избирательно. Была попытка закалить в масло вал-шестерню из стали 40Х из собственного литья. Отливка получилась качественная, механическая обработка на горизонтальном токарном прошла идеально. А на этапе закалки пошли микротрещины. Не из-за режима, а из-за невозможности обеспечить идеально равномерное и быстрое погружение всей сложной поверхности в охлаждающую среду. Охлаждение шло ступенчато, отсюда и напряжения. Пришлось пересматривать техзадание с заказчиком и переходить на нормализацию с высоким отпуском. Механические свойства, конечно, получились чуть ниже, но деталь осталась целой и работоспособной. Это был ценный урок о пределах собственных технологических возможностей.

Сейчас для ответственных деталей, где требуется глубокая и стабильная закалка, мы часто используем вариант с электрошлаковым переплавом (ЭШП) — это одно из наших ключевых направлений. Металл после ЭШП получается плотнее, чище, с более однородной структурой. И вот его уже гораздо сподручнее подвергать последующей термической обработке. Отклик материала предсказуемее, меньше рисков с неоднородностью прогрева и охлаждения. По сути, мы часть проблем с термообработкой литья решаем на этапе подготовки самого металла. Это системный подход.

Контроль: как понять, что всё сделано правильно?

Самая большая головная боль — это контроль результата. Нельзя же каждую отливку пилить на образцы для испытаний на разрывной машине. Поэтому работаешь по косвенным признакам. Первое — твёрдость. Замеряешь по Бринеллю или Роквеллу в нескольких точках, особенно в самых массивных и самых тонких местах. Если разброс в пределах допуска — уже хорошо. Но твёрдость — это не всё. Бывает, твёрдость в норме, а структура не та. Например, вместо сорбита отпуска остались островки троостита или даже мартенсита. Это под микроскопом видно.

Поэтому у нас на производстве заведено правило: для каждой новой номенклатуры или при изменении технологии из первой партии обязательно вырезаем технологический припуск и отправляем в лабораторию на металлографический анализ. Да, это время и деньги. Но это единственный способ быть уверенным, что весь цикл термической обработки литья прошёл как надо. Особенно это важно для деталей, которые потом идут на улучшение (объёмную закалку с высоким отпуском). Если исходная структура перед улучшением неоднородна, то и после улучшения свойства будут 'пятнистыми'.

Ещё один практический момент — цвет побежалости. Для многих операций отпуска это хороший, быстрый индикатор. Научишься на глаз определять — уже полдела. Но опять же, только для открытых поверхностей. Если деталь массивная, то по поверхности она может уже иметь синий цвет (температура отпуска ~300°C), а внутри ещё идёт процесс превращения. Поэтому полагаться только на цвет нельзя, это вспомогательный инструмент для опытного мастера, который уже знает поведение конкретной отливки в конкретной печи.

Взаимосвязь с другими процессами

Термическая обработка в нашем цеху — это не изолированный остров. Это звено в цепочке: плавка (или ЭШП) -> литьё -> предварительная механическая обработка (снятие облоя, грубая токарка) -> термообработка -> чистовая мехобработка. И здесь масса подводных камней. Например, та же чистовая токарная обработка. Если после отжига или нормализации не снять достаточный припуск, можно оставить на поверхности детали обезуглероженный слой. Он мягкий, и под нагрузкой может начать 'сминаться', инициируя усталостную трещину. Мы всегда закладываем припуск не менее 2-3 мм на сторону после основных операций термообработки, именно для гарантированного удаления этого слоя.

И наоборот, если деталь после чистовой обработки требует какого-то финишного низкотемпературного отпуска для снятия напряжений от точения или шлифовки, то тут температура и время должны быть выверены до секунды, чтобы не повлиять на уже достигнутые механические свойства и, что важно, на точность размеров. Микро-деформации при нагреве даже до 200°C могут быть критичны для прецизионных узлов.

Поэтому технологи наших направлений — литейщики, кузнецы, термисты и механики — работают в постоянном диалоге. Техкарта на деталь — это не догма, а живой документ. Часто после обсуждения с токарями, которые видят, как ведёт себя металл под резцом, мы вносим корректировки в режимы отжига или отпуска. Скажем, делаем температуру отпуска на 10-15 градусов выше, чтобы структура стала чуть мягче и пластичнее, облегчив тем самым финишную обработку без ущерба для прочности. Это и есть та самая практика, которая не пишется в учебниках.

Мысли вслух о будущем процесса

Куда двигаться? Очевидно, что ручное управление печами по графикам — это прошлый век. Хочется внедрить систему автоматического регулирования с возможностью программирования сложных циклов нагрева-выдержки-охлаждения, с записью реальных термограмм по нескольким точкам печи и, в идеале, самой детали. Это дало бы не только стабильность, но и бесценную базу данных. Можно было бы анализировать: вот при таком режиме для этой конфигурации отливки получилась идеальная структура, а вот при таком — пошли проблемы. Сейчас эта информация в головах мастеров и в разрозненных журналах.

Ещё один момент — это неразрушающий контроль. Внедрение, например, ультразвукового контроля твёрдости или даже структуры прямо на конвейере. Чтобы не вырезать образцы, а сканировать готовую деталь. Пока это звучит как фантастика для среднего предприятия вроде нашего, но технологии не стоят на месте.

В конечном счёте, термическая обработка литья — это ремесло, основанное на глубоком понимании физики процессов, подкреплённое опытом, часто горьким. Это не просто этап в техпроцессе, это ключевой момент, где литая заготовка окончательно превращается в надёжную деталь. И главный принцип здесь — не бояться отступать от шаблона, думать, экспериментировать (в разумных пределах) и постоянно учиться у металла. Он всегда подскажет, если что-то идёт не так. Надо только уметь его слушать. А для этого нужны не только приборы, но и набитые шишки, вроде тех, что мы собрали за годы работы на нашем производственном участке.