термическая обработка черных металлов

Когда говорят про термическую обработку черных металлов, многие, даже в цеху, представляют себе просто какую-то печь, куда загрузили деталь, потом вынули — и всё. На самом деле, это целая философия, и ошибка в паре градусов или в выдержке может превратить дорогостоящую поковку в металлолом. У нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', с этим сталкивались не раз. Особенно когда только налаживали процесс для ответственных деталей, например, для валов экскаваторов. Казалось бы, всё по ГОСТу сделали, а после токарки пошли микротрещины. Вот тогда и понимаешь, что теория из учебника и реальная заготовка, которая только что сошла с гидравлического пресса, — это две большие разницы.

Отжиг: снятие напряжений — это не формальность

Возьмем, к примеру, отжиг после ковки. В спецификациях часто пишут общий диапазон температур и время. Но если заготовка массивная, скажем, та же поковка для шестерни весом под тонну, то просто выдержать её в печи усредненное время — мало. В центре и на поверхности структура будет разной, внутренние напряжения снимутся неравномерно. У нас в ООО Цзиюань Юйбэй для таких случаев разработали ступенчатый режим. Сначала выдержка при температуре на 20-30°С ниже критической точки, потом очень медленный, контролируемый подъем до полной температуры отжига. Это требует времени и энергии, но зато мы практически свели к нулю брак по трещинам на последующих этапах токарной обработки.

Частая ошибка — экономия на этом этапе. Видел на других производствах: загрузили, быстро нагрели, выключили печь и пусть остывает вместе с ней. Результат предсказуем: при фрезеровке или шлифовке деталь 'ведет', снимается неравномерно. А потом удивляются, почему узел при сборке клинит. Наше основное оборудование — это печи с программируемыми контроллерами, что позволяет строить точные температурные кривые. Но даже с ними нужно постоянно сверяться с пирометром и термопарами, заложенными в пробные заготовки. Аппаратура может врать, а металл — нет.

Еще один нюанс — атмосфера в печи. Для некоторых марок стали, особенно будущих работать в агрессивных средах, важен защитный газ. У нас пока не все печи имеют такую опцию, поэтому для критичных деталей иногда используем метод упаковки в контейнеры с чугунной стружкой. Старый, дедовский способ, но работает безотказно, предотвращает обезуглероживание поверхности. Это тот самый случай, когда практика идет впереди красивых технологических карт.

Улучшение (закалка+отпуск): поиск баланса между твердостью и вязкостью

Вот здесь и кроется 90% всех проблем с термической обработкой. Все хотят максимальную твердость, забывая, что с ней растет и хрупкость. Закалка — это искусственно созданное напряженное состояние структуры. А отпуск — это уже искусство управления этим состоянием. Для деталей, работающих на ударную нагрузку (например, ковши экскаваторов), низкий отпуск после закалки — это путь к быстрому выкрашиванию. Нужен высокий отпуск, на грани получения сорбита.

Помню случай с партией пальцев для гусеничных траков. Материал — 40Х. Сделали по стандартной схеме: закалка 860°С, масло, отпуск при 200°С. Твердость получилась в норме, но в полевых условиях эти пальцы лопались, как спички. Стали разбираться. Оказалось, при ковке была неоднородность, которую отжиг не до конца снял, а низкий отпуск не дал необходимой пластичности. Изменили технологию: добавили нормализацию перед закалкой и подняли температуру отпуска до 450°С. Твердость, конечно, немного упала, но общая долговечность узла выросла в разы.

Оборудование для улучшения у нас — это электрические печи. Они хороши стабильностью, но нагрев в них идет медленнее, чем, скажем, в индукционных установках. Для тонкостенных деталей это плюс, меньше риск коробления. А для массивных поковок приходится увеличивать время выдержки, чтобы прогреть сердцевину. Контролируем результат не только по твердости, но и по макротравлению среза технологической пробы. Бывает, что по краям структура идеальная, а в центре — недозакал. Тогда пересматриваем весь цикл.

Особенности после ковки на гидравлическом прессе

Наша основная заготовка — это поковка, полученная на мощном гидравлическом прессе. И её состояние напрямую диктует последующую термическую обработку черных металлов. Ковка придает волокнистую структуру, повышающую прочность вдоль направления течения металла. Но она же создает и колоссальные остаточные напряжения. Если сразу после ковки, пока заготовка еще теплая, отправить её в печь для отжига — можно получить неоднородную крупнозернистую структуру. Нужно дать ей остыть до 400-500°С, но не полностью, а потом уже начинать нагрев для отжига. Этот промежуточный этап часто упускают из виду.

Еще момент — дефекты ковки. Недоштамповка, складки. При последующем нагреве под закалку в этих местах концентрация напряжений вырастает в геометрической прогрессии, и деталь трескается прямо в печи. Поэтому визуальный и ультразвуковой контроль поковки перед отправкой в термический цех — обязателен. Мы на своем опыте убедились, что лучше забраковать заготовку на раннем этапе, чем терять время и энергию на её бесполезную обработку.

Иногда для сложнопрофильных поковок применяем изотермический отжиг. Это когда после ковки заготовку быстро охлаждают (но не до конца) до температуры немного ниже точки перлитного превращения и выдерживают там долгое время. Структура получается более однородной, но процесс длительный и дорогой. Идем на это только для особо ответственных изделий, где важен гарантированный ресурс.

Взаимосвязь с электрошлаковым переплавом (ЭШП)

Наше производство начинается с электрошлакового переплава. Это дает нам ключевое преимущество — высокую чистоту исходного металла по вредным примесям и неметаллическим включениям. Казалось бы, какая связь с термической обработкой? Самая прямая. Чистый металл гораздо предсказуемее ведет себя при нагреве и охлаждении. Риск образования закалочных трещин из-за ликвации серы или фосфора снижается. Мы можем позволить себе более резкие режимы охлаждения (скажем, в воде вместо масла) для достижения высокой твердости в поверхностном слое без фатальных последствий.

Но и здесь есть подводные камни. Металл после ЭШП имеет плотную, однородную макроструктуру. Теплопроводность у него несколько иная, чем у обычной разливки. Поэтому стандартные табличные значения времени выдержки под прогрев иногда оказываются избыточными. Пришлось на практике, методом проб и ошибок, скорректировать эти параметры для наших самых ходовых марок стали. Сэкономили и время, и электроэнергию, не потеряв в качестве.

Для изделий, которые мы сами и переплавляем, и куем, и обрабатываем, у нас есть возможность вести полный паспорт. Мы точно знаем химический состав с точностью до сотых долей процента, знаем историю деформации при ковке. Это позволяет точечно, почти штучно, подбирать режим термической обработки. Не 'для стали 40Х', а 'для этой конкретной партии валов из нашей 40Х, выплавленной в таком-то месяце'. Это уже высший пилотаж, но к нему стоит стремиться.

Провалы и уроки: когда теория молчит

Не всё, конечно, было гладко. Был у нас заказ на крупные втулки из стали 35. Технологи предписали нормализацию. Сделали. При механической обработке резец буквально 'плыл' по поверхности, твердость была неоднородной. Оказалось, что из-за большого сечения и относительно простого химического состава в структуре после нормализации оставался крупный феррит, который и давал такую 'мягкую' обработку. Стандарты молчали. Пришлось заменить нормализацию на полный отжиг с очень медленным охлаждением. Структура измельчилась, обрабатываемость стала идеальной. Этот случай научил нас: для простых углеродистых сталей и массивных сечений нормализация не всегда панацея.

Другой урок связан с охлаждающими средами. Все знают про воду, масло, полимерные растворы. Но масло маслу рознь. Одно летнее, другое зимнее, у них разная вязкость и охлаждающая способность. Как-то зимой, при морозе в цеху, получили на партии деталей недопустимо высокую твердость и трещины. Винили печь, материал. А причина была в том, что масло в баке загустело, циркуляция замедлилась, и на первой стадии охлаждения (стадия парообразования) она прошла слишком интенсивно. Теперь строго следим за температурой охлаждающей среды, особенно в межсезонье.

И самый главный вывод, который, наверное, и есть суть всей термической обработки черных металлов: нельзя слепо доверять технологической карте. Нужно 'чувствовать' металл. Смотреть на искру при шлифовке пробника, на цвет побежалости при отпуске, на излом. Да, сейчас много автоматики, датчиков. Но окончательное решение — принимать человеку, который понимает, что происходит внутри этой серой на вид заготовки. И который несет ответственность за то, что после всех этих нагревов и охлаждений из неё получится надежная деталь, а не авария в готовом узле. В ООО 'Цзиюань Юйбэй' мы к этому и стремимся в каждом из наших направлений — от переплава до финишной токарной обработки.