Технологии термообработки материалов

Если честно, каждый раз морщусь, когда слышу про 'современные технологии термообработки' — половина поставщиков уверяет, что у них 'европейские стандарты', а по факту в отгрузке идёт сталь с непротравленными обезуглероженными участками. Особенно это касается ответственных узлов для нефтехимии — там ведь не просто ГОСТы, а конкретные ТУ на каждый узел. Вот, например, для задвижек 30ХМЛ, которые мы поставляли для Арктик СПГ, пришлось трижды переделывать нормализацию — не учли, что при толщине стенки 120 мм и скорости охлаждения 80°C/ч в сердечнике остаются остаточные напряжения. В итоге при механической обработке повело седла.

О чём молчат технологические карты

В нашей практике на технологии термообработки материалов всегда влияют три фактора, которых нет в учебниках: человеческий (оператор устал и недодержал), оборудованиеный (печь СШО-8.10.10/85 с неравномерным прогревом ±15°C) и логистический (детали для портовых кранов простаивали на -25°C перед закалкой). Как-то раз для ковша экскаватора Hitachi делали закалку 40ХНМ — вроде бы по регламенту: нагрев до 850°C, выдержка 3 часа, охлаждение в масле И-20. Но забыли, что партия была с машинной резкой — на кромках пошли трещины глубиной до 2 мм. Пришлось пускать под списание 12 тонн поковок.

С нержавеющими марками ещё сложнее — возьмём 12Х18Н10Т для судовых насосов. Все знают про отпуск после закалки, но мало кто проверяет реальную скорость охлаждения в сечении. Мы как-то получили жёсткость 38 HRC вместо требуемых 22-25 — оказалось, термопара в печи давала погрешность +20°C, и сталь прошла интервал карбидообразования слишком медленно. Теперь всегда ставим контрольные образцы-свидетели в 'мёртвые зоны' печи.

Особенно обидно, когда проблемы возникают на, казалось бы, простых операциях. Для дорожной техники часто используем 110Г13Л — знаменитую 'сталь Гадфильда'. Её закалка — это вообще отдельная история: надо греть до °C с последующей резкой охлаждением в воде. Но если передержать хотя бы на 10-15 минут — зерно растёт так, что ударная вязкость падает в разы. Проверили на зубьях ковша — ресурс с 8000 часов упал до 2000.

Практика против ГОСТов

В ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье давно отказались от слепого следования стандартам — для жаропрочных сталей типа 20Х23Н18 иногда применяем ступенчатый отпуск, хотя в ТУ этого нет. Особенно для печной арматуры металлургического оборудования — там, где температуры циклически меняются от 200 до 650°C. Стандартный отпуск при 750°C даёт твёрдость 180-200 HB, но при термоциклировании появляются микротрещины. А если сделать предварительный отпуск при 350°C — пластичность сохраняется, и ресурс увеличивается на 30-40%.

С высокохромистыми чугунами для насосных частей — отдельная головная боль. Марка ЧХ16 — в теории после отжига должна иметь твёрдость 42-48 HRC. Но если скорость нагрева выше 100°C/ч — карбиды хрома не успевают раствориться, и на поверхности остаются участки с твёрдостью до 55 HRC. Механообработка потом встаёт втрое дороже. Пришлось разрабатывать собственный регламент — нагрев до 600°C со скоростью 50°C/ч, выдержка 2 часа, потом довод до 980°C.

Кстати, про углеродистые стали — многие недооценивают влияние обезуглероживания. Для валов лесозаготовительной техники из стали 45 мы специально внедрили защитные атмосферы — раньше после закалки ТВЧ на поверхности оставался слой 0.3-0.5 мм с твёрдостью на 10-15% ниже нормы. Ресурс шестерён падал катастрофически — особенно при работе в условиях Севера.

Оборудование как ограничивающий фактор

На нашем производстве до сих пор работает печь Ц-105 1987 года выпуска — для нормализации крупногабаритных отливок до 5 тонн. Её главная проблема — зоны прогрева отличаются на 40-50°C между верхом и низом. Приходится идти на хитрости — например, для ступиц крановых колес (материал 35Л) размещаем заготовки под углом 30 градусов, а термопары ставим в трёх точках. Да, это увеличивает время термообработки на 15-20%, зато брак по твёрдости упал с 12% до 1.5%.

Современное оборудование — не всегда панацея. Пытались внедрить вакуумную печь для термообработки материалов из жаропрочной стали — для клапанов АЭС. Технология вроде бы идеальная: нагрев в вакууме 10?3 Па, охлаждение в азоте. Но столкнулись с парадоксом — при слишком 'чистой' поверхности детали теряли прокаливаемость — не хватало центров кристаллизации. Пришлось добавлять 3-5% водорода в атмосферу — и сразу пошла стабильная структура.

Самое сложное — это комбинированные технологии. Например, для рабочих колёс дизельных насосов делаем цементацию на глубину 1.2-1.5 мм с последующей закалкой ТВЧ. Если не выдержать температуру закалки 820-840°C — вместо мартенсита получается троостит, и износ увеличивается в разы. Причём видно это только после 200-300 часов работы — когда появляется выкрашивание по кромкам.

Металлографика как индикатор проблем

У нас в лаборатории висит коллекция микрошлифов — лучший учебник по технологиям термообработки. Вот, например, структура 40Х после неправильного отпуска — видны иглы мартенсита там, где должен быть сорбит. Это деталь от гидроцилиндра портового крана — проработала 8 месяцев и лопнула. А всё потому, что отпуск сделали при 300°C вместо 550°C — решили 'сэкономить' на электроэнергии.

Или другой пример — сталь 110Г13Л для зубьев ковшей. В идеале после закалки должна иметь аустенитную структуру с дисперсными карбидами. Но если охлаждение было медленным — появляется сетка вторичных карбидов по границам зёрен. Такие детли при ударном нагружении дают трещины уже после 1000 циклов.

Сейчас внедряем контроль по доле остаточного аустенита — для подшипниковых узлов из ШХ15 это критично. Если после закалки остаётся больше 12-15% — сталь нестабильна, при работе появляются микрообъёмные изменения. Пришлось разработать трёхступенчатый отпуск: 160°C → -70°C (холодная обработка) → 120°C. Ресурс увеличился в 1.8 раз.

Экономика против качества

Всегда есть соблазн упростить технологию термообработки материалов — особенно когда идёт большой заказ. Помню, для партии крекинговых труб (сталь 20Х23Н18) пытались сократить время гомогенизации с 8 до 5 часов — вроде бы структура по УЗК нормальная. Но через 3 месяца работы в печи пиролиза пошли продольные трещины — не успели раствориться карбиды хрома.

Другая распространённая ошибка — экономия на термообработке вспомогательных элементов. Для рамы бульдозера из стали 35ХГСЛ делали только нормализацию, без отпуска — мол, 'неответственная деталь'. А она работает на кручение — появились усталостные трещины в зонах концентраторов напряжений. В итоге затраты на замену в 20 раз превысили экономию на термообработке.

Сейчас на ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье для каждого типа деталей составляем карты технологического аудита — учитываем не только марку стали, но и способ литья, механической обработки, условия эксплуатации. Например, для деталей нефтехимического оборудования, работающих в сероводородной среде, дополнительно вводим низкотемпературный отпуск для снятия водородной хрупкости.

Выводы, которые не пишут в учебниках

Главный урок за 15 лет работы — не бывает универсальных решений в термообработке. То, что идеально для углеродистой стали 45, губительно для легированной 40ХНМ. Даже в рамках одной марки — отливка и поковка требуют разных режимов. Сейчас мы для ответственных деталей всегда делаем пробные термообработки на образцах-свидетелях — пусть дороже, но надёжнее.

Современные тенденции — это не столько новые технологии, сколько точный контроль и учёт всех параметров. Наш сайт https://www.xszgsteel.ru сейчас обновляем — добавим раздел с реальными микроструктурами и рекомендациями по термообработке для конкретных условий эксплуатации. Может, хоть это поможет клиентам понять — хорошая термообработка стоит своих денег.

И да — никогда не экономьте на термообработке. Сэкономленные 1000 рублей на отпуске могут обернуться миллионными убытками от простоя техники. Проверено на собственном опыте — к сожалению, неоднократно.