термическая обработка после цементации

Когда говорят про термическую обработку после цементации, многие сразу представляют стандартный цикл: закалка, промывка, отпуск. Но если так подходить на практике, особенно с ответственными поковками, можно легко получить брак — либо пережог, либо недостаточную твёрдость сердцевины. Самый частый промах — не учитывать, что после длительной цементации структура поверхностного слоя уже не та, что у исходной заготовки. Насыщение углеродом меняет критические точки, и если греть под закалку по старому режиму, результат непредсказуем. У нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', через это проходили не раз, особенно когда осваивали новые марки сталей для тяжёлого машиностроения.

От теории к цеху: где кроется разрыв

В учебниках всё красиво: график, температуры, выдержки. В реальности, когда из печи цементации выгружаешь деталь — а у нас это часто крупные валы или шестерни из поковок собственного производства — первое, на что смотришь, это равномерность слоя и отсутствие сетки цементита. Если сетка есть, последующая термообработка уже не спасёт, только на переплавку. Поэтому перед тем, как отправлять в печь для термической обработки после цементации, у нас обязателен контроль образца-свидетеля на микроструктуру. Раньше пропускали этот этап, торопились, думали, сойдёт. Потом на механических испытаниях вылезала низкая ударная вязкость. Пришлось ввести жёсткое правило.

Ещё один нюанс — подготовка к закалке. Деталь после цементации горячая, но её нельзя сразу в закалочный бак. Нужно дать остыть до температуры предварительной обработки, иначе возникнут высокие термические напряжения. Но и остужать слишком медленно нельзя — может выпасть графит в поверхностном слое. Мы для поковок весом под тонну разработали свой режим охлаждения в изотермической печи, прежде чем начинать нагрев под закалку. Это не по ГОСТу, это опытным путём подобрали, чтобы минимизировать деформацию.

И само оборудование играет роль. У нас стоит электрическая печь для улучшения, но для закалки цементованного слоя её возможностей по точности поддержания температуры иногда недостаточно. Приходится использовать дополнительные экраны и тщательнее контролировать термопары. Помню случай с партией зубчатых колёс для привода конвейера: вроде бы всё по регламенту сделали, а твёрдость на разных зубьях плавала. Оказалось, неравномерный прогрев в печи из-за загрузки. Теперь загружаем меньше штук за раз, жертвуем производительностью, но качество стабильное.

Температурные нюансы и выбор среды

Температура закалки — это вообще отдельная тема. Для сердцевины из низкоуглеродистой или легированной стали (типа 20ХН3А, которую мы часто используем) нужна одна температура, а для насыщенного углеродом поверхностного слоя — другая, обычно ниже. Компромисс ищем в диапазоне 810-850°C, но не абсолютизируем. Смотрим на химический анализ конкретной плавки. Если в стали повышенное содержание марганца или хрома, смещаем диапазон. Слепое следование технологической карте без учёта химии — прямой путь к проблемам.

Среда закалки. Масло или полимер? Для цементованного слоя, который должен быть твёрдым, но не хрупким, резкое охлаждение в воде — это катастрофа, трещины гарантированы. Мы в основном используем быстрое масло марки И-20 или его аналоги. Но и тут не без сюрпризов. Масло стареет, загрязняется, его охлаждающая способность падает. Раз в квартал обязательно отправляем пробы на анализ в лабораторию. Было, что из-за старого масла не добивались нужной глубины закалённого слоя, думали, что проблема в режиме цементации, а оказалось — в закалке.

А вот отпуск после закалки — операция, которой часто не уделяют должного внимания. Мол, подержал при 160-180°C — и готово. Но именно отпуск снимает внутренние напряжения и стабилизирует структуру мартенсита. Мы для ответственных деталей, которые потом идут на чистовую токарную обработку на наших горизонтальных станках, делаем двойной отпуск. Первый — сразу после закалки, для снятия пиковых напряжений. Второй — после контроля твёрдости, иногда с небольшой коррекцией температуры. Это помогает избежать деформаций при дальнейшей механической обработке.

Контроль: не только твёрдость по Роквеллу

Главный показатель для многих — твёрдость HRC на поверхности. Достиг 58-62 HRC — отлично. Но это лишь верхушка айсберга. Гораздо важнее распределение твёрдости по глубине и состояние сердцевины. Мы делаем сколы на технологических образцах или (если позволяет конфигурация детали) на самом изделии, чтобы построить график твёрдости от поверхности к центру. Резкий обвал — признак неправильно проведённой закалки, пологий спад — норма. Это та информация, которая потом позволяет корректировать и время цементации, и режим последующего нагрева.

Обязательно смотрим на микроструктуру. Не только поверхностного слоя, но и переходной зоны. Наличие остаточного аустенита в поверхностном слое после термической обработки после цементации — обычное дело, но его должно быть не более 15-20%. Если больше — значит, температура закалки была завышена или охлаждение недостаточно интенсивное. Бороться с этим можно криогенной обработкой, но это уже для особых случаев, у нас такое редко применяется из-за сложности и стоимости.

И, конечно, контроль на наличие окисления и обезуглероживания при повторном нагреве под закалку. Если печь не имеет защитной атмосферы, поверхность может 'обгореть'. Мы для таких целей используем печи с подачей азота или endogas, особенно для деталей, которые не предполагают последующей шлифовки всей поверхности. Это дополнительные затраты, но они окупаются отсутствием брака.

Связь с другими процессами: ковка, отжиг, токарка

Термическая обработка после цементации — это не изолированный процесс. Её успех закладывается ещё на этапе ковки на нашем гидравлическом прессе. Неоднородная деформация, перегрев заготовки под ковку — всё это аукнется потом, при цементации и закалке, в виде неравномерного прокаливания или повышенной деформации. Поэтому мы всегда отслеживаем историю заготовки. После ковки идёт отжиг в печах для снятия напряжений и подготовки структуры. Если отжиг некачественный, с крупным зерном, то и цементированный слой ляжет плохо.

А после всей термообработки — токарная обработка. Здесь тоже свои требования. Режущий инструмент должен быть острым, режимы резания — щадящими, чтобы не вызвать отколов на закалённой поверхности. Мы на своём опыте, на производстве ООО 'Цзиюань Юйбэй', убедились, что идеально выдержанная термообработка может быть испорчена грубой механической обработкой. Поэтому технологи, отвечающие за токарные станки, всегда в курсе, какая деталь перед ними — цементованная или просто улучшенная. Подход разный.

Иногда, для особо сложных деталей, мы применяем так называемую 'окончательную' термическую обработку уже после черновой механической обработки. То есть: ковка -> отжиг -> черновая токарная -> цементация -> закалка и отпуск -> чистовая токарная. Это дольше, дороже, но позволяет минимизировать итоговые деформации и добиться высокой точности размеров. Для нас, как для предприятия с полным циклом от электрошлакового переплава до готовой детали, такая гибкость в технологической цепочке — ключевое преимущество.

Заключительные мысли: баланс между 'по науке' и 'по обстоятельствам'

В итоге, что можно сказать? Термическая обработка после цементации — это всегда поиск баланса. Баланса между твёрдостью поверхности и вязкостью сердцевины, между минимальной деформацией и достаточной глубиной прокаливания, между требованиями чертежа и реальными возможностями оборудования. Готовых рецептов нет. Есть общие принципы, которые нужно адаптировать под каждую конкретную деталь, под каждую партию стали.

Наш сайт, https://www.jyybdz.ru, отражает наши возможности: и электрошлаковый переплав, и ковка, и полный спектр термообработки. Но за этими строчками — именно вот эта ежедневная работа: подбор режимов, контроль, анализ брака, корректировка. Именно поэтому в описании компании мы указываем не только тоннаж поковок (5000 тонн в год) и количество сотрудников (30 человек), но и перечень процессов. Это не для красоты, это суть: мы контролируем цепочку, а значит, можем отвечать за конечное качество детали, прошедшей в том числе и цементацию с последующей термообработкой.

Поэтому, если резюмировать очень грубо: не доверяйте слепо технологическим картам из справочников. Смотрите на металл, на оборудование, на форму детали. Документируйте все отклонения и их результаты. И помните, что часто правильный ответ лежит не в увеличении температуры или времени, а в более тщательной подготовке и промежуточном контроле. Как говорится, семь раз отмерь — один раз закали.