термической обработки цветных сплавов

Когда говорят про термическую обработку цветных сплавов, многие сразу представляют график: нагрели до такой-то температуры, выдержали, охладили. На бумаге всё просто. На практике же — десятки нюансов, из-за которых одна и та же марка сплава, скажем, алюминиевого АК8 или медного БрАЖ9-4, после, казалось бы, идентичного цикла в разных цехах показывает разный предел прочности и пластичность. И дело часто не в оборудовании, а в деталях, которые в учебниках мельком упоминают: подготовка поверхности перед нагревом, скорость нагрева в конкретной печи, реальная, а не паспортная точность поддержания температуры в рабочем пространстве, даже расположение заготовок на поддоне. Вот об этих ?мелочах?, которые и определяют результат, хочется порассуждать, исходя из того, что приходилось видеть и делать самому.

Отжиг: цель — не просто снять напряжения

Часто заказчики, да и некоторые технологи, считают отжиг чем-то второстепенным, дескать, главное — закалка и старение. Это опасное заблуждение. Возьмём поковки из деформируемых алюминиевых сплавов, которые у нас на производстве, в ООО 'Цзиюань Юйбэй', идут после ковки на гидравлическом прессе. Если не провести полный рекристаллизационный отжиг правильно, неоднородность структуры, полученная при деформации, аукнется позже — при финальной термичке появятся внутренние трещины или коробление. Важно не просто выдержать температуру, скажем, 350°C для Д16, а обеспечить нагрев с такой скоростью, чтобы зерно успело перестроиться равномерно по всему сечению поковки. В наших печах отжига это достигается за счёт особой циркуляции воздуха, но и тут есть подводные камни — при перегрузке печи массивными заготовками от одного края к другому может быть разброс в 15-20 градусов. Приходится экспериментировать с расстановкой.

Был случай с крупной поковкой из сплава АМг6 для судовой арматуры. После штатного отжига при механической обработке на горизонтальном токарном станке пошла вибрация, резец ?рвал? материал. Разобрались — в сердцевине заготовки остались остаточные напряжения из-за слишком быстрого нагрева. Печь-то греет по своему графику, но массивность изделия требовала коррекции. Ввели дополнительную ступень прогрева при более низкой температуре перед основным циклом. Проблема ушла. Это типичный пример, когда технологическая карта требует осмысления под конкретную деталь, а не слепого следования.

И ещё момент по отжигу — часто забывают про состояние поверхности перед загрузкой в печь. Окалина, остатки технологических смазок — всё это при нагреве может привести к локальному изменению состава поверхностного слоя, особенно у медных или титановых сплавов. Поэтому у нас предварительная очистка — обязательный этап, о котором почему-то многие умалчивают, говоря про термическую обработку.

Закалка: где кроется главный риск

С закалкой цветных сплавов ассоциация одна — быстрый переход из печи в закалочный бак. Но именно здесь процент брака самый высокий, если работать без понимания физики процесса. Для алюминиевых сплавов, например, критичен так называемый ?интервал закалочности? — время от извлечения из печи до начала интенсивного охлаждения. Превысил допустимые несколько секунд — пересыщенный твёрдый раствор не успеет зафиксироваться, и прочность после старения не достигнет нужных значений. В цеху это выглядит как суета, но суета должна быть организованной: чёткие маршруты, подготовленные ёмкости с охладителем (чаще всего водой или полимерными растворами определённой температуры).

У нас на площадке для термической обработки стоит несколько электрических печей для улучшения, которые мы адаптировали и под задачи закалки алюминиевых сплавов. Ключевая адаптация — максимальное сокращение пути до закалочной ванны. Но и с охладителем не всё просто. Вода при 20°C и при 40°C — это разная интенсивность охлаждения, а значит, и разная вероятность коробления или возникновения высоких термических напряжений. Мы ведём журнал температуры закалочной среды перед каждой партией. Кажется мелочью, но стабильность результатов повысилась.

С медными сплавами, такими как БрАЖН или БрХ, история другая. Там закалка — это, по сути, быстрое охлаждение с температуры растворения избыточных фаз. Но если охладить слишком быстро (резко в воду), трещина почти гарантирована. Нужна чаще всего закалка на воздухе или в масле. Подбор режима — это всегда компромисс между необходимостью получить пересыщенный раствор и не допустить трещинообразования. Помню, как для одной партии втулок из БрАЖ9-4 долго подбирали среду: пробовали воду — пошли микротрещины, масло — твёрдость после старения ниже нормы. Остановились на струе сжатого воздуха определённой интенсивности. Результат достигли, но время на эксперименты ушло приличное.

Старение (искусственное и естественное)

Вот уж где поле для импровизации и где чаще всего ошибаются те, кто считает, что выставил температуру в печи и забыл. Искусственное старение — это управляемый процесс выделения упрочняющих фаз. И ключевое слово — ?управляемый?. Для того же алюминиевого сплава Д16Т стандартный режим — старение при 190°C в течение 12-18 часов. Но если перед этим закалка была проведена неидеально (допустим, интервал закалочности чуть увеличен), то даже выдержав эти 18 часов, можно недобрать по твёрдости. Приходится иногда корректировать время, основываясь на данных входного контроля твёрдости после закалки. Это не по ГОСТу, конечно, но практика вынуждает.

Естественное старение — кажется, всё просто: пролежали детали при комнатной температуре 4-5 суток — и готово. Но в цеху температура не всегда ?комнатная?. Летом в помещении может быть +30°C, зимой +15°C. Скорость процессов диффузии разная. Поэтому для критичных изделий мы стараемся выдерживать их в помещении с кондиционированием, чтобы стабилизировать условия. Иначе разброс свойств в партии будет слишком велик.

Особняком стоит старение дисперсионно-твердеющих медных сплавов, например, БрХ1. Там процесс идёт при более низких температурах (450-500°C), но время выдержки критично до минуты. Перестарил — перерост выделившихся частиц, потеря и прочности, и электропроводности. Недодержал — недобор свойств. Требуется печь с очень точным и стабильным поддержанием температуры по всему объёму. Наше оборудование для улучшения, в принципе, позволяет это, но регулярная поверка термопар — святое дело.

Оборудование и его капризы

Любая теория разбивается о реальность печи. У нас в ООО 'Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство' для термической обработки задействованы нагревательные и отжигательные печи, а также электрические печи для улучшения. Каждая имеет свой характер. Например, печь с циркуляцией воздуха даёт более равномерный нагрев, но если забить воздуховоды окалиной (а она летит с поковок), эффективность циркуляции падает, появляются ?мёртвые? зоны. Регулярная чистка — обязательная процедура, о которой технолог должен напоминать, как о дыхании.

Гидравлический ковочный пресс, конечно, не для термички, но он определяет исходную структуру поковки, с которой мы потом работаем. Неравномерная деформация — гарантия проблем при последующем отжиге или закалке. Поэтому всегда есть обратная связь между кузнецами и термистами. Если видим на макрошлифе неоднородность, идём разбираться к ним — как клали заготовку, какова была температура конца ковки.

Или вот горизонтальные токарные станки. Казалось бы, они после термички. Но нет. Часто приходится снимать припуск после термической обработки, и если режимы резания подобраны неправильно (например, для состаренного до высокой твёрдости сплава), можно вызвать отпуск поверхностного слоя от нагрева стружкой и резцом, локально снизив его свойства. Это уже вопрос к обработчикам, но термист должен понимать такие взаимосвязи и давать рекомендации по механической обработке после своих операций.

Контроль: не доверяй, а проверяй

Самый важный, но часто недофинансируемый этап. После всей цепочки термической обработки цветных сплавов нужно не просто измерить твёрдость по Бринеллю или Роквеллу. Для ответственных изделий необходим контроль микроструктуры. Бывало, твёрдость в норме, а на микрошлифе виден пережог по границам зёрен или неполное растворение фаз при закалке. Это — скрытый брак, который проявится в эксплуатации. У нас пока нет своей полноценной металлографической лаборатории, поэтому для таких случаев работаем с приглашёнными специалистами или отдаём образцы в сторонние центры. Это тормозит процесс, но деваться некуда — ответственность выше.

Также важен контроль коробления. Для длинных валов или плит после закалки это бич. Используем правку в горячем состоянии (сразу после закалки, пока сплав ещё пластичен) или холодную правку под прессом с последующим отпуском для снятия напряжений от правки. Без этого последнего отпуска деталь может лопнуть в самом неожиданном месте уже у заказчика.

И, наконец, документация. Кажется бюрократией, но запись всех параметров каждой операции: реальные температуры, времена выдержки, данные по охлаждающим средам, результаты выборочного контроля — это единственная страховка и для нас, и для клиента. Когда возникает претензия, можно вернуться к журналу и понять, на каком этапе мог произойти сбой. Без этого — просто разговор ни о чём.

Вместо заключения: ремесло, а не магия

Так что, термическая обработка цветных сплавов — это не магия с графиками из справочника, а кропотливое ремесло, где нужно держать в голове десятки переменных и иметь чутьё на материал. Оборудование, подобное тому, что есть у нас на https://www.jyybdz.ru, — это хороший инструмент, но он не гарантирует результат сам по себе. Всё решает человек, который понимает, почему для массивной поковки из АК8 нужно чуть замедлить нагрев в отжигательной печи, а для тонкостенной штамповки из МА2 — сократить до секунд интервал перед закалкой. Это знание приходит с опытом, часто горьким, через брак и переделки. Но именно оно позволяет превратить просто сплав в деталь с точно заданными и, что главное, стабильными свойствами. И в этом, пожалуй, и заключается суть нашей работы на этом участке.