термическая обработка металлических материалов

Когда говорят термическая обработка, многие сразу представляют себе просто печь и закалку. Но это как раз тот случай, где поверхностное понимание приводит к браку, а то и к серьёзным авариям на объекте. Самый частый миф — что это универсальный процесс, подходящий для любой стали. На деле же, без учёта конкретной марки, исходной структуры, даже способа предыдущей обработки (скажем, ковки или литья), можно легко получить пережог, недогрев или такие внутренние напряжения, что деталь треснет просто на складе. У нас на производстве, в ООО Цзиюань Юйбэй, с этим сталкивались не раз, особенно когда брали новые, неопробованные марки сплавов для ответственных поковок.

От теории к практике: почему график нагрева — это не формальность

В учебниках всё красиво: аустенизация, выдержка, охлаждение со скоростью такой-то. В цеху же начинаются нюансы. Возьмём, к примеру, крупные поковки из легированных сталей, которые мы часто делаем для тяжёлого машиностроения. Проблема номер один — температурный градиент по сечению. Если гнать температуру слишком быстро, поверхность уже в аустените, а сердцевина ещё нет. В итоге после закалки получаем неравномерную твёрдость и огромные структурные напряжения. Приходится выстраивать многоступенчатый график, с так называемыми ?стоянками? на определённых температурах, особенно в области фазовых превращений. Это не прихоть, а необходимость, выстраданная на нескольких партиях валов, у которых потом обнаруживались внутренние флокены.

И тут важно оборудование. У нас в компании для отжига и нагрева под закалку используются шахтные печи с принудительной циркуляцией атмосферы. Это не просто короб с нагревателями. Равномерность прогрева, точность поддержания температуры в зоне ±10°C — это критично. Помню случай с партией поковок для бурового оборудования: в одной печи термопара дала сбой, перегрели на 30 градусов. Вроде бы мелочь? Но это привело к росту зерна аустенита, и после закалки ударная вязкость упала ниже допустимого. Пришлось всё пускать в переплавку — убытки колоссальные. С тех пор калибровка и поверка термопар — святое дело.

Ещё один практический момент — подготовка поверхности. Окалина — не просто грязь. Она работает как изолятор, мешая равномерному охлаждению в закалочной среде. Если поковку после ковки не протравлировать как следует, под окалиной может получиться ?мягкое пятно?. Поэтому перед термической обработкой у нас всегда идёт пескоструйная обработка или травление. Кажется, мелочь, но без этого этапа вся последующая работа может пойти насмарку.

Закалка: не только вода и масло

Все знают про закалку в воде, масле, иногда в полимерах. Но выбор среды — это целая наука, основанная на С-образных диаграммах распада аустенита. Для сложнолегированных сталей, с которыми мы часто работаем после электрошлакового переплава, скорость охлаждения должна быть высокой, чтобы избежать образования промежуточных структур (типа бейнита), но не такой высокой, чтобы порвать деталь термическими напряжениями. Масло — наш частый выбор, но и оно бывает разным: быстрое, медленное, горячее.

Мы применяем закалку в горячем масле (температура 80-100°C) для изделий сложной конфигурации, чтобы снизить деформацию и риск коробления. Например, для крупных штампованных деталей прессового оборудования. А вот для более простых по форме, но требующих высокой поверхностной твёрдости деталей (например, некоторых осей), иногда идём на закалку в воде с последующим немедленным отпуском. Рискованно, но при точном расчёте времени выдержки в воде — работает. Главное — не передержать, иначе трещины неизбежны.

Ох, и намучились мы однажды с закалкой массивного кольца из стали 40ХН2МА. Закалили в масле, вроде всё по нормативу. Но после механической обработки на горизонтальном токарном станке обнаружили сетку мелких трещин. Причина? Оказалось, в самой поковке после ковки остались не снятые внутренние напряжения, которые наложились на термические. Теперь для таких ответственных деталей мы всегда делаем предварительный отжиг или высокий отпуск сразу после ковки, перед черновой мехобработкой. Дорого, дольше, но надёжно.

Отпуск: тот самый этап, который делает сталь ?сталью?

Многие заказчики, да и некоторые молодые технологи, считают отпуск чем-то второстепенным. Мол, главное — закалить до высокой твёрдости. Это опаснейшее заблуждение. Закалённая без отпуска сталь — хрупкая, как стекло. Отпуск — это управляемое снятие внутренних напряжений и формирование конечной структуры — троостита или сорбита отпуска, которые и дают оптимальное сочетание прочности и вязкости.

В нашем парке есть электрические печи для улучшения (так часто называют закалку с высоким отпуском). Температура отпуска — ключевой параметр. Для инструментальных сталей это 160-200°C для сохранения твёрдости, для конструкционных, типа 40Х или 35ХМ — 500-600°C для получения высокой ударной вязкости. Важно не только выдержать температуру, но и обеспечить равномерность по всей камере печи. Разброс в 20-30 градусов может привести к разной твёрдости в партии. Мы это контролируем пробниками и регулярными замерами твёрдости по сечению деталей.

Интересный практический нюанс — явление ?отпускной хрупкости? второго рода у некоторых легированных сталей. Если после отпуска в области 500-550°C медленно охладить деталь, она становится хрупкой. Поэтому для таких марок мы применяем ускоренное охлаждение после отпуска, часто на воздухе или даже в масле. Это не всегда прописано в стандартных картах, но знание таких особенностей приходит с опытом, иногда горьким.

Взаимосвязь с другими процессами: не изолированный остров

Термическая обработка у нас никогда не идёт сама по себе. Она — звено в цепочке. Возьмём электрошлаковый переплав (ЭШП), который мы активно используем. Полученный металл имеет плотную, однородную структуру без ликваций, но это не отменяет необходимости последующей термической обработки. Напротив, из-за высокой чистоты металла кинетика фазовых превращений может немного отличаться от обычной выплавки. Это нужно учитывать при разработке режимов.

Или ковка. Температура конца ковки напрямую влияет на структуру. Если закончить ковать при слишком низкой температуре, может возникнуть наклёп, который потом сложно снять отжигом. Мы всегда стараемся согласовать режимы ковки на нашем гидравлическом прессе и последующего отжига. Иногда для сложных поковок делаем так называемую изотермическую выдержку прямо под прессом, чтобы предотвратить образование видманштеттовой структуры в крупных сечениях.

И, конечно, механическая обработка. После термической обработки деталь идёт на токарные станки. Здесь важно понимать, что обрабатываемость закалённой и отпущенной стали отличается от состояния после отжига. Меняются скорости резания, стойкость инструмента. Мы на своём опыте подбираем режимы, иногда делая пробные проходы. И наоборот, иногда финишную мехобработку оставляем на после термообработки, но с минимальным припуском, чтобы снять обезуглероженный слой, который неизбежно образуется в печи, даже с защитной атмосферой.

Контроль качества: доверяй, но проверяй

Вся теория и опыт ничего не стоят без объективного контроля. У нас не лаборатория НИИ, но базовый набор есть всегда. Твёрдость по Бринеллю и Роквеллу — это первичный, быстрый тест. Но он не говорит о структуре. Поэтому для ответственных поковок мы обязательно делаем микрошлифы и смотрим структуру под микроскопом. Нужно убедиться, что нет остаточного аустенита после закалки, что структура отпуска — именно троостит, а не перегретый сорбит.

Для деталей, работающих на ударные нагрузки, иногда заказываем испытания на ударную вязкость (KCU) в сторонней лаборатории. Это дороже, но необходимо. Был прецедент с кованым крюком крана: твёрдость была в норме, а KCU оказалась ниже паспортной. Причина — недовыдержка при отпуске. Хорошо, что проверили до отгрузки.

И самый главный ?контролёр? — это время и эксплуатация. Те детали, которые мы поставляли годами и получаем обратную связь, формируют бесценную базу знаний. Где-то можно немного сдвинуть температуру отпуска в пользу пластичности, где-то, наоборот, добавить твёрдости. Термическая обработка — не статичная догма, а живой процесс, который постоянно требует осмысления и корректировки под конкретную задачу, конкретную партию металла и даже под конкретное состояние оборудования в цеху. Вот в этом, пожалуй, и заключается вся её сложность и интерес.