Рубрика: Термическая обработка
Коробление — одна из самых частых проблем термической обработки и главная причина, по которой после закалки деталь не укладывается в допуски чертежа. Вал изгибается, плита выгибается «пропеллером», кольцо становится овальным, отверстия смещаются. Полностью избежать деформаций при закалке невозможно: они заложены в самой физике процесса. Но их можно предсказать, уменьшить до приемлемых значений и учесть в технологии. В статье разбираем, откуда берется коробление, какие факторы на него влияют и что могут сделать конструктор, технолог механической обработки и термист, чтобы деталь после термообработки осталась годной.
Деформации при термообработке возникают из-за внутренних напряжений, которые превышают предел текучести металла при данной температуре. Различают несколько источников этих напряжений.
При нагреве и особенно при охлаждении поверхность и сердцевина, тонкие и толстые участки детали имеют разную температуру. Металл расширяется и сжимается неравномерно, возникают напряжения. Чем выше скорость охлаждения и больше разница сечений, тем они сильнее. В горячем состоянии предел текучести стали низок, и даже умеренные напряжения вызывают пластическую деформацию, которая после остывания остается в детали.
Превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением удельного объема примерно на 1 %. Поскольку превращение идет не одновременно по сечению — сначала на поверхности и в тонких частях, потом в сердцевине и массивных участках, — возникают значительные напряжения. Именно они являются основной причиной коробления и трещин при закалке.
Прокат, ковка, сварка, правка и механическая обработка оставляют в детали собственные напряжения. При нагреве под закалку металл разупрочняется, эти напряжения релаксируют, и деталь меняет форму еще до охлаждения. Нередко именно они, а не сама закалка, дают основную часть коробления.
Длинные и тонкие детали при высокой температуре прогибаются от собственной массы, если лежат на опорах неправильно. Это особенно заметно при нагреве до 1000 °C и выше для высоколегированных сталей.
Важно различать два типа изменения геометрии, поскольку способы борьбы с ними разные.
| Фактор | Как влияет | Что можно сделать |
|---|---|---|
| Форма детали | Несимметричные сечения, тонкие стенки рядом с массивными элементами, длинные детали деформируются сильнее | Выравнивать сечения, вводить технологические ребра и перемычки, симметрировать пазы |
| Марка стали | Стали, закаливаемые в воде, коробятся сильнее масляных и воздушных | Выбирать стали с высокой прокаливаемостью для сложных деталей |
| Исходная структура | Полосчатость, крупное зерно, неоднородность дают неравномерные изменения | Нормализация или отжиг заготовки |
| Остаточные напряжения | Релаксируют при нагреве и меняют форму | Отжиг для снятия напряжений после черновой обработки |
| Скорость нагрева | Быстрый нагрев массивных деталей вызывает термические напряжения | Ступенчатый подогрев |
| Охлаждающая среда | Чем интенсивнее среда, тем больше деформации | Масло, полимеры, ступенчатая и изотермическая закалка, газ |
| Ориентация при погружении | Неравномерный контакт со средой | Погружать длинные детали вертикально, плоские — ребром |
| Укладка в печи | Прогиб под весом, неравномерный прогрев | Подвески, специальные приспособления, равномерная садка |
Значительная часть коробления закладывается на стадии проектирования детали. Несколько простых правил заметно снижают деформации:
Нормализация или отжиг выравнивают структуру и снимают напряжения от ковки и проката. Для ответственных деталей и оснастки это обязательное условие стабильности.
После черновой обработки, когда снят основной объем металла, выполняют отжиг для снятия напряжений при 600–650 °C или высокий отпуск. Деталь при этом «отпускает» внутренние напряжения и может немного изменить форму, но это компенсируется последующей чистовой обработкой. В результате к закалке деталь подходит практически без накопленных напряжений.
Снятие припуска с одной стороны плиты или вала вызывает перераспределение напряжений и изгиб еще до закалки. Обработку ведут поочередно с разных сторон.
Припуск должен перекрывать ожидаемое коробление, но не быть избыточным: на поверхностно упрочненных деталях лишний съем уменьшает глубину слоя. Ориентировочно для валов длиной до 500 мм оставляют 0,3–0,5 мм на диаметр, для плит — 0,2–0,4 мм на сторону, для длинных деталей — больше, по результатам опытной партии.
Крупные и сложные детали, а также высоколегированные стали нагревают с промежуточными выдержками — например, при 600–650 °C и 800–850 °C перед окончательной температурой. Это выравнивает температуру по сечению и снижает термические напряжения.
Длинные валы, оси, протяжки и штоки нагревают и охлаждают в вертикальном положении на подвесках. Плиты и диски укладывают на ровные поды без прогиба. Кольца для уменьшения овальности укладывают стопкой на ровную плиту или закаливают на оправке.
Деталь погружают в закалочную среду так, чтобы все поверхности охлаждались одновременно: длинные — строго вертикально, плоские — ребром, детали с глухими полостями — полостью вверх, чтобы не образовывались паровые пузыри. Движение детали в ванне должно быть возвратно-поступательным вдоль оси, а не боковым.
Замена воды на полимерный раствор или масло, ступенчатая закалка в соляных ваннах, изотермическая закалка на бейнит, закалка в газе под давлением в вакуумных печах — наиболее эффективные способы снижения коробления. Ступенчатая закалка выравнивает температуру по сечению перед мартенситным превращением, и оно идет практически одновременно во всем объеме.
Для тонких дисков, пил, колец, шестерен применяют закалочные прессы и фиксирующие приспособления: деталь охлаждается зажатой между охлаждаемыми плитами или на оправке и сохраняет форму.
Нагрев в вакууме идет равномерно излучением, а охлаждение в потоке азота регулируется по давлению. Для штампов, пресс-форм и инструмента из сталей с высокой прокаливаемостью это дает минимальные деформации и чистую поверхность.
| Деталь | Характер деформации | Основные меры |
|---|---|---|
| Длинный вал, ось | Изгиб, биение | Снятие напряжений перед чистовой обработкой, вертикальная подвеска, закалка ТВЧ вместо объемной, правка |
| Плита, планка | Выгиб, «пропеллер» | Симметричная обработка, отжиг после черновой обработки, нагрев на ровном поду, погружение ребром |
| Тонкое кольцо, втулка | Овальность, конусность | Закалка на оправке, стопкой, в прессе, ступенчатая закалка |
| Шестерня | Изменение размера по общей нормали, биение венца | Нормализация заготовки, нитроцементация вместо цементации, закалка в прессе |
| Матрица штампа | Изменение размеров окна, искажение контура | Сталь воздушной закалки, вакуумная закалка, учет изменения размеров, электроэрозия после термообработки |
| Деталь с пазом на одной стороне | Изгиб в сторону паза | Компенсирующий паз, местное упрочнение, правка |
Валы и оси правят на прессе. Закаленная деталь с твердостью выше 50 HRC может треснуть при холодной правке, поэтому ее выполняют сразу после закалки, пока остаточный аустенит еще не превратился, или в горячем состоянии при температуре отпуска. Для высокотвердых деталей используют также чеканку — точечные удары по вогнутой стороне, вызывающие местное удлинение поверхности.
Основной способ получения окончательных размеров. При этом важно, чтобы припуск перекрывал коробление, иначе на части поверхности останутся черновины. Наш участок шлифования выполняет доводку закаленных валов, плит и колец после термообработки.
Для матриц, пуансонов и пресс-форм сложного контура часто выбирают схему, при которой окончательный контур вырезается электроэрозией после закалки. Так коробление при термообработке вообще не влияет на точность рабочих поверхностей. Подробнее — на странице электроэрозионной обработки.
Коробление при термообработке вызывают термические и структурные напряжения, а также напряжения, накопленные при изготовлении заготовки и механической обработке. Полностью исключить деформации невозможно, но их можно существенно уменьшить на каждом этапе: симметричной конструкцией и выбором стали, подготовительной нормализацией и отжигом для снятия напряжений, равномерной механической обработкой, ступенчатым нагревом, правильной укладкой, мягкими закалочными средами и закалкой в приспособлениях. Оставшиеся отклонения устраняются правкой, шлифованием или электроэрозионной обработкой после закалки. Лучший результат дает совместная работа конструктора, технолога механической обработки и термиста еще до запуска детали в производство.
Если ваши детали коробятся после закалки или вы проектируете точную оснастку, пришлите чертеж — предложим маршрут обработки, при котором деформации будут минимальными, и выполним полный цикл от заготовки до готовой детали.
