Технологии термообработки

Каждый раз, глядя на новые партии отливок, вспоминаю, как лет десять назад мы в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье считали технологии термообработки чем-то вроде магии – загрузил деталь в печь, выдержал по ГОСТу и готово. Пока не столкнулись с трещинами в узлах портовых кранов после нормализации. Оказалось, что для жаропрочной стали 12Х1МФ скорость охлаждения критична не меньше температуры. Вот этот переход от 'прогрел-выдержал-остудил' к пониманию фазовых превращений – он и есть суть всего процесса.

Когда график не спасает от деформации

В прошлом квартале пришлось переделывать партию ковшей для металлургического оборудования. Технолог уверял, что выставил правильный режим отпуска – 650°C, три часа. А детали пошли 'корытом'. Разобрались – не учли массу стенки. Для отливок толщиной свыше 80 мм нужно было ступенчатое охлаждение, иначе остаточные напряжения не снимаются. Такие нюансы в справочниках часто не пишут, только в практике появляются.

Особенно сложно с комбинированными узлами – например, когда в судовых насосах сочетаются нержавейка 08Х18Н10Т и углеродистая сталь 35Л. Если гнаться за твердостью нержавейки, углеродистый узел может повести. Мы сейчас для таких случаев разрабатываем двухэтапный цикл: сначала высокий отпуск для всей сборки, потом локальная закалка ответственных поверхностей. Не идеально, но хотя бы не лопается по сварным швам.

Кстати, про сварные швы – это отдельная головная боль. Для лесозаготовительной техники часто делаем рамы из 40Х, после сварки обязательно нормализация при 880-900°C. Но если пропустить предварительный подогрев перед термообработкой, в зоне термического влияния появляются хрупкие структуры. Проверяли на спектрографе – содержание углерода в шве прыгает до 0.5% против исходных 0.38%.

Жаропрочные стали: между твёрдостью и пластичностью

С жаропрочными сталями типа 15Х5М для нефтехимии вообще отдельная история. Помню, заказчик требовал твёрдость 180-200 HB для арматуры печных систем. Сделали по стандартной схеме – закалка 1020°C, отпуск 720°C. Получили 175 HB, переделали с более низким отпуском – вышли на 195 HB, но ударная вязкость упала ниже техусловий. Пришлось объяснять, что для работы при 600°C важнее сопротивление ползучести, а не твёрдость по Бринеллю.

Сейчас для таких случаев используем изотермический отпуск с выдержкой при 550°C – структура сорбита получается более стабильной. Хотя и здесь есть подводные камни: если передержать, начинается коагуляция карбидов. Один раз перегрели партию задвижек для нефтепровода – через 2000 часов работы появились микротрещины. Хорошо, хоть испытания стендовые были.

Интересно, что для высокохромистых чугунов типа ЧХ16 термообработка вообще идёт вразрез с классическими подходами. Их нельзя закаливать как сталь – аустенизация при 1050°C с охлаждением на воздухе даёт оптимальное сочетание износостойкости и термостойкости. Мы это на шиберных заслонках для дорожно-строительной техники отрабатывали – при закалке в воде появлялись отбеленные участки с твердостью под 60 HRC, которые потом выкрашивались.

Оборудование: печи и человеческий фактор

Наша камерная печь СНЗ 6.12.1/10 – рабочая лошадка, но и она преподносит сюрпризы. В прошлом месяце заметили разброс температур по зонам в 40°C – термопары показали, что задняя часть камеры перегревается. Оказалось, футеровка осыпалась в одном углу. До этого три партии шестерён для металлургического оборудования ушли с неравномерной твёрдостью.

С газовыми печами сложнее – там точность регулировки ±15°C против ±5°C у электрических. Для легированных сталей это критично, особенно при отпуске. Приходится ставить дополнительные термопары непосредственно на детали. Кстати, это мы после случая с коленвалами для судовых дизелей начали делать – техкарта предписывала отпуск при 550±10°C, а по факту в центре массивной отливки температура не поднималась выше 520°C.

Самое неприятное – когда технологии термообработки нарушаются из-за 'оптимизации' времени. Как-то раз мастер сократил выдержку при отжиге литых корпусов насосов с 6 до 4 часов – мол, печь нужна для срочного заказа. В результате остаточные напряжения снялись не полностью, при механической обработке детали 'повело' на 0.8 мм вместо допустимых 0.2 мм. Переделывали в три раза дольше сэкономленного времени.

Контроль качества: от файлов до излома

Сейчас всё чаще требуют не просто протоколы термообработки, а полную прослеживаемость режимов. Мы в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье внедрили систему записи температурных кривых для ответственных деталей – например, для крюков портовых кранов. Интересно, что иногда при анализе этих графиков видишь странные всплески температуры – оказывается, это открывали дверцу печи для контроля.

Микроструктуру смотрим регулярно, но не на всех деталях – дорого. Выборочно проверяем на образцах-свидетелях, которые кладём в печь вместе с партией. Для нержавеющих сталей 12Х18Н9Т важно отсутствие карбидных сеток по границам зёрен – это верный признак перегрева. Один раз такой брак пропустили в партии фланцев для химического оборудования – пришлось делать полный переотжиг.

Старый добрый контроль по искре всё ещё выручает в цеху. По опыту, для углеродистых сталей 35Л и 45Л разница видна чётко – при содержании углерода выше 0.4% искровой веер становится короче и ярче. Конечно, для точного анализа это не годится, но для быстрой проверки марки перед термообработкой – незаменимо. Особенно когда в заготовках попадается пересорт.

Перспективы и тупиковые направления

Пробовали мы ионно-плазменную азотацию для деталей лесозаготовительной техники – износостойкость выросла втрое, но стоимость обработки оказалась неподъёмной для серийного производства. Оставили только для особых заказов.

А вот высокочастотная закалка ТВЧ для шеек валов себя оправдала полностью. Особенно для дорожно-строительной техники – там где нужна высокая твёрдость поверхности при вязкой сердцевине. Правда, пришлось повозиться с контурами индукторов – для фасонных отливок стандартные не подходят.

Сейчас изучаем возможности криогенной обработки после закалки – есть данные, что для высокохромистых чугунов это повышает стабильность аустенита. Но пока эксперименты на образцах не дали однозначного результата – то улучшение износостойкости на 15%, то никакого эффекта. Видимо, ещё не все параметры учли.

В целом, технологии термообработки – это постоянный компромисс между требованиями чертежа, возможностями оборудования и физикой материалов. И самое сложное здесь – не слепое следование инструкциям, а понимание того, что происходит в металле на каждом этапе. Как показывает практика, даже двадцатилетний опыт не гарантирует от ошибок, зато позволяет их быстрее находить и исправлять.