термическая обработка на воздухе

Когда говорят про термическую обработку на воздухе, многие, особенно новички, представляют себе просто остывание детали после нагрева где-нибудь в цеху или даже на открытой площадке. Сразу скажу — это одно из самых вредных упрощений. На самом деле, это полноценный, и довольно капризный, технологический процесс, где воздух — не пассивная среда, а активный фактор, влияющий на структуру и свойства металла. Скорость охлаждения, сечение изделия, химический состав стали — всё это крутится в голове, когда даёшь команду на 'воздух'. Вспоминается случай на одном из старых производств, где для крупной поковки из 40ХНМА назначили охлаждение на воздухе, но не учли, что деталь лежала на массивной плите-поддоне. Нижняя поверхность остывала медленнее, получился эффект 'закалки' — пошли трещины. Вот и вся 'простота'.

Суть процесса и где кроются подводные камни

Если отбросить академические формулировки, то термическая обработка на воздухе — это нагрев до заданной температуры (скажем, для улучшения — это выше точки Ac3) и последующее охлаждение в спокойном или слабо движущемся воздухе. Ключевое — 'спокойном'. Не сквозняк от ворот, не поток от вентилятора. Мы в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство для таких целей используем специальные пролёты или отгораживаем зоны, особенно зимой, когда перепады температур могут всё испортить.

Основная цель — получить структуру сорбита или троостита для средне- и высокоуглеродистых сталей, то есть повысить прочностные характеристики без излишней хрупкости, которую даёт, например, масляная закалка. Но здесь первый камень преткновения — сечение. Для мелких деталей, скажем, до 50 мм в диаметре, воздух может оказаться слишком 'быстрым' охладителем, и вместо сорбита получишь мартенсит с внутренними напряжениями. Приходится иногда даже искусственно замедлять процесс, укладывая изделия в бункеры с песком или мелкой стружкой. Это уже не по учебнику, но практика заставляет.

А вот для крупногабаритных поковок, которые как раз являются профилем для нашего предприятия с его гидравлическим прессом и годовым объёмом в 5000 тонн, воздух — часто единственный разумный вариант. Попробуй-ка закалить в масле вал длиной 4 метра и весом под две тонны — это и пожарная опасность, и неравномерность чудовищная. Но и здесь не без проблем: при охлаждении массивных поковок на поверхности может образоваться так называемая 'корка' — зона с более высокой твёрдостью, а внутри структура будет мягче. Для последующей токарной обработки это критично, резец может 'прыгать'. Поэтому график охлаждения, особенно этап от 600 до 300 градусов, мы строим очень внимательно, иногда эмпирически подбирая.

Оборудование и 'бытовые' условия процесса

Идеально, конечно, иметь климатизированные камеры с принудительной циркуляцией воздуха заданной температуры. Но в реальности, особенно на производствах полного цикла, как наше, где есть и электрошлаковый переплав, и ковка, и токарка, часто обходятся нагревательными печами и просто цеховым пространством. Наше основное оборудование — электрические печи для улучшения — как раз и служат для нагрева под последующее охлаждение на воздухе.

Важный нюанс, о котором редко пишут в учебниках, — состояние поверхности поковки перед нагревом. Окалина, остатки технологической смазки с ковки — всё это при нагреве в печи может привести к локальному обезуглероживанию или, наоборот, насыщению углеродом. А при последующем охлаждении на воздухе в этих местах свойства будут отличаться. Поэтому мы всегда стараемся проводить предварительную очистку, хотя это и добавляет время к циклу.

Ещё один практический момент — укладка изделий. Нельзя сваливать их в кучу, как дрова. Нужны стеллажи или поддоны, обеспечивающие доступ воздуха со всех сторон. Иначе в местах контакта останутся 'мягкие' пятна. При больших объёмах, как у нас, организация этого пространства — отдельная логистическая задача.

Материалы и их поведение на воздухе

Не всякая сталь хорошо переносит термическую обработку на воздухе. Углеродистые стали обыкновенного качества могут дать слишком грубую структуру. Мы чаще работаем с легированными сталями — 40Х, 35ХГСА, 38ХН3МФА. Для них воздушное охлаждение после аустенитизации — стандартная операция улучшения. Но даже здесь есть тонкости.

Возьмём, к примеру, сталь 35ХГСА (знаменитая 'хромансиль'). Она склонна к обратимой отпускной хрупкости. Так вот, если после охлаждения на воздухе мы попадём в опасный интервал температур (примерно 500-550°C) и будем там медленно остывать дальше — рискуем получить резкое падение ударной вязкости. Поэтому для ответственных деталей мы после воздушного охлаждения не оставляем их просто остывать до цеховой температуры, а проводим ускоренный охлаждение дальше, либо сразу отправляем на низкий отпуск.

А вот для инструментальных сталей типа Х12МФ воздушная закалка — это часто норма. Но опять же, скорость охлаждения в воздухе для них маловата для получения максимальной твёрдости, требуется изотермическая выдержка или ступенчатая закалка. Мы такие операции тоже проводим, но уже в других печах. Это к вопросу о том, что 'воздух' — не универсальный ответ.

Контроль качества и типичные дефекты

Как понять, что процесс прошёл правильно? Первое — визуальный осмотр. Отсутствие трещин, особенно в местах перехода сечений. Но трещины от неправильного воздушного охлаждения — редкость, это скорее удел закалочных сред. Чаще проблема в твёрдости. Замер по Бринеллю или Роквеллу в нескольких точках — обязателен. Если разброс большой, значит, охлаждение было неравномерным. Могли быть сквозняки или изделие лежало неправильно.

Более глубокая проверка — структура. Мы выборочно, особенно для новых номенклатур, делаем микрошлифы. Ждём сорбит отпуска. Если видим крупный игольчатый мартенсит — значит, для данного сечения воздух оказался слишком быстрым охладителем. Надо либо уменьшать скорость (скажем, укладывать в изолятор), либо менять марку стали. Если видим ферритно-перлитную структуру — охлаждение было слишком медленным, не прошла нужная диффузия. Надо либо увеличивать скорость (принудительный обдув), либо корректировать температуру нагрева.

Один из самых неприятных дефектов, который сложно увидеть сразу, — остаточные напряжения. Они могут проявиться позже, при механической обработке на наших горизонтальных токарных станках — деталь 'поведёт', геометрия собьётся. Для снятия таких напряжений иногда после основной термической обработки на воздухе приходится делать дополнительный низкотемпературный отжиг. Это увеличивает цикл, но экономит ресурсы на последующих этапах и предотвращает брак.

Экономика и логистика в контексте нашего производства

С точки зрения затрат, термическая обработка на воздухе — один из самых дешёвых процессов. Нет расходов на закалочные среды (масло, полимеры, соль), нет сложных систем охлаждения и очистки. Это важно для предприятия нашего масштаба, где нужно держать баланс между качеством и себестоимостью 5000 тонн поковок в год.

Но дешевизна — не самоцель. Иногда 'сэкономив' на правильной организации зоны охлаждения, можно получить партию с разбросом свойств и потерять больше на доводке или, не дай бог, на рекламациях. Поэтому мы выделили под этот процесс отдельную, защищённую от сквозняков зону в цеху, и отвели под неё персонал, который понимает, что он делает не просто 'выгрузку из печи', а управляет фазовыми превращениями в металле.

Логистически это тоже удобно. Нагрев в электрической печи для улучшения — охлаждение на воздухе в соседнем пролёте — транспортировка на участок токарной обработки. Всё в рамках одной площадки ООО Цзиюань Юйбэй. Минимизация перемещений снижает риски механических повреждений и ускоряет общий цикл изготовления детали.

Мысли вслух и вместо заключения

Часто кажется, что с приходом новых технологий, изотермических закалок, обработки в вакууме, такие 'дедовские' методы, как охлаждение на воздухе, должны уйти в прошлое. Но практика показывает обратное. Для массового, крупносерийного производства поковок и валов это часто оптимальный по совокупности факторов вариант. Да, он требует не слепого следования инструкции, а понимания, опыта и постоянного контроля.

В нашем деле, где 30 человек отвечают за весь цикл — от переплава до готовой механической обработки, — важно, чтобы мастер на участке термообработки сам 'чувствовал' металл. Видел по цвету, как он остывает, понимал, когда можно ускорить процесс, а когда лучше дать полежать подольше. Это не алгоритм, это ремесло, замешанное на знании металловедения.

Так что термическая обработка на воздухе — не атавизм, а живой и востребованный процесс. Его эффективность упирается не в сложность оборудования, а в головы и руки тех, кто его проводит. И в этом, пожалуй, его главная сложность и ценность одновременно. Для таких компаний, как наша, это не просто строка в технологической карте, а ежедневная практика, от которой зависит конечный результат.