термическая обработка штамповок

Когда говорят про термическую обработку штамповок, многие представляют себе просто печь, куда загрузили деталь, выдержали и охладили. На деле это, пожалуй, самый критичный этап, где можно либо вытащить максимум из материала, либо безнадёжно испортить дорогостоящую поковку. Особенно это касается ответственных деталей, с которыми мы работаем на производстве. Тут любое отклонение от режима — не просто брак, а потенциальная авария у заказчика. Сам видел, как из-за неправильного отпуска после закалки штамп для горячей деформации пошёл трещинами уже на третьей сотне циклов, хотя по химии сталь была идеальная.

От теории к практике: где кроются подводные камни

В учебниках всё гладко: аустенизация, выдержка, охлаждение в масле или на воздухе. Но когда перед тобой реальная поковка весом в несколько центнеров, например, вал для бурового оборудования, всё меняется. Основная сложность — обеспечить равномерность прогрева по всему сечению. Если для мелких деталей это не столь критично, то для массивных штамповок, которые у нас часто идут, разница в температуре между поверхностью и сердцевиной в печи может достигать 50-70 градусов. И это при том, что для многих марок сталей интервал оптимальной температуры закалки довольно узкий.

У нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', для таких задач стоят печи с принудительной циркуляцией атмосферы. Но и это не панацея. Важно правильно уложить заготовки в печь, обеспечить зазоры для конвекции. Помню случай с крупногабаритной штамповкой из стали 40ХН2МА для пресса. Закалили, вроде бы по всем нормам, твёрдость по поверхности вышла в допуске. Но при механической обработке на горизонтальном токарном резец начал 'прыгать' на определённой глубине. Оказалось, внутри структура получилась неоднородной, местами троостит, местами сорбит. Причина — при выгрузке из печи подвесное устройство создало зону локального переохлаждения, и в массивной детали пошли внутренние напряжения. Пришлось отправлять на повторный отжиг, терять время.

Отсюда вывод: технологическая карта — это важно, но не менее важен человеческий фактор и понимание физики процесса. Оператор должен не просто смотреть на таймер и пирометр, а представлять, что в этот момент происходит внутри металла. Особенно при обработке легированных сталей, где от скорости охлаждения зависит формирование именно той структуры, которая нужна.

Оборудование и его 'характер'

Многое упирается в оснащение. На нашем сайте https://www.jyybdz.ru указано, что в парке есть нагревательные, отжигательные печи и печи для улучшения. Но за этими сухими строчками — годы настройки и понимания каждой единицы. Каждая печь, даже одной модели, имеет свой 'характер'. Одна может давать небольшой перегрев в левом заднем углу из-за износа нагревателей, другая — иметь инерционность при выходе на режим.

Например, наша электрическая печь для улучшения (отпуска) хороша для стабильности температуры, но для некоторых операций нормализации крупных поковок после ковки мы иногда используем и газовые печи — у них другой тепловой удар, иная динамика. Это не по ГОСТу, это уже из практики. Ключевое — добиться снятия внутренних напряжений от предшествующей деформации и подготовить структуру к финальной закалке. Если этот промежуточный этап термической обработки провести кое-как, то все последующие усилия могут пойти насмарку.

Важный момент — контроль среды. Для ответственных штамповок из инструментальных сталей мы стараемся проводить нагрев в защитной атмосфере или с применением паст, чтобы избежать обезуглероживания поверхности. Потеря всего 0.2 мм углерода на глубине может катастрофически снизить износостойкость штампа. Проверяли на деталях для горячего объёмного штампования — разница в стойкости между партиями с контролем атмосферы и без могла быть двукратной.

Конкретные стали и конкретные проблемы

Возьмём, к примеру, популярную для штампов холодной высадки сталь Х12МФ. Казалось бы, режимы расписаны везде: закалка с °C, охлаждение на воздухе или в масле, затем двух- или трёхкратный отпуск. Но нюанс в том, что после электрошлакового переплава, который мы также применяем для получения качественной заготовки, структура литого металла более однородна, но и склонность к росту зерна при перегреве выше. Один раз недоглядели, печь 'убежала' на 1060°C — и зерно пошло в рост. После закалки твёрдость вроде бы на месте, но ударная вязкость упала. Штамп при работе на кривошипном прессе раскололся по границам зёрен.

Или другой пример — термообработка штамповок из пресс-штемпельных сталей типа 5ХНМ, 5ХНВС. Здесь главная головная боль — коробление. Особенно для тонкостенных или протяжённых деталей. Приходится идти на хитрости: иногда используем ступенчатую закалку в горячих средах (селитра), иногда — строго вертикальную загрузку в печь и вертикальное охлаждение в специальных приспособлениях. Это не всегда прописано в ТУ, но без этого готовую деталь может 'повести' так, что её не возьмёт даже чистовая механическая обработка.

Для кованых валов из сталей 40Х, 38ХН3МФА, которые у нас тоже в обороте, акцент смещается на объёмную закалку с последующим высоким отпуском (улучшение). Здесь цель — получить структуру сорбита, обеспечивающую хорошее сочетание прочности и вязкости. Ошибка, которую часто допускают — недостаточная выдержка при температуре отпуска. Металл не успевает полностью снять закалочные напряжения и провести распад мартенсита. В результате при динамических нагрузках может проявиться хрупкость.

Контроль: не доверяй, а проверяй

После всего цикла термической обработки штамповок обязателен контроль. И не только твёрдости по Бринеллю или Роквеллу на поверхности. Для критичных деталей мы делаем контроль на твёрдость по сечению (на сколах или специальных технологических припусках), а в идеале — микроструктурный анализ. Бывало, что поверхностная твёрдость в норме, а на глубине 10-15 мм структура недозакалённая, с ферритом. Для штампа, работающего на смятие, это смертельно.

Сейчас много говорят про неразрушающие методы, типа вихретокового контроля или ультразвука. Для серийных однотипных деталей — отличное решение. Но в условиях единичного и мелкосерийного производства, как у нас, где каждый день в печь может зайти разная по форме и массе поковка, чаще полагаемся на выборочный разрушающий контроль и, что важно, на опыт технолога. Он по цвету побежалости после отпуска, по звуку при простукивании уже может многое сказать о качестве обработки.

Финишный этап — это снятие напряжений после механической обработки. Часто про него забывают. Деталь после токарного или фрезерного станка имеет новые внутренние напряжения. Для прецизионных штамповок мы обязательно проводим низкотемпературный отпуск (150-200°C) уже после чистовой обработки, чтобы стабилизировать геометрию. Иначе поставленный заказчику штамп через месяц может 'поплыть' и выйти из допусков.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, термическая обработка штамповок — это не отдельный цех и не пункт в техпроцессе. Это связующее звено между ковкой, литьём и финишной мехобработкой. От неё зависит, раскроет ли деталь заложенный в материал потенциал. В нашем деле, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', с его широким парком — от электрошлакового переплава до токарных станков, — именно термообработка часто становится тем 'узким горлом', где решается успех всего заказа.

Нет универсальных рецептов. То, что сработало для вала из 34ХН1М, может быть губительным для бойка из У10. Нужно постоянно сверяться со справочниками, но при этом понимать, что они дают базис, а тонкости рождаются в цеху у печи. Смотреть на фактуру, учитывать массу детали, её конфигурацию, условия будущей работы. Иногда стоит отступить от стандартного режима, добавить выдержку или, наоборот, ускорить охлаждение в определённом интервале температур.

Главное, о чём всегда говорю новым ребятам: металл — живой. Он не терпит шаблонов. Термичка — это диалог с материалом. И если ты его слушаешь, смотришь на него, а не только на графики на мониторе, то и результат будет соответствующий. А иначе — брак, переделки и недовольный заказчик. В условиях, когда компания производит тысячи тонн поковок в год, каждая такая ошибка бьёт по репутации. Поэтому здесь мелочей не бывает.