Термическая обработка определяет, как деталь поведёт себя в работе: выдержит ли она ударную нагрузку, не износится ли за первые месяцы, не поведёт ли её после финишной шлифовки. На производственной площадке «ВМС» в Москве мы выполняем полный цикл термообработки стали, чугуна и цветных сплавов — от предварительного отжига заготовок до химико-термической обработки готовых деталей. Режимы подбираем под марку материала, геометрию и условия эксплуатации, а результат подтверждаем замерами твёрдости.
закалка, отпуск, отжиг, нормализация, улучшение, старение, цементация, азотирование, нитроцементация, стабилизирующий отпуск, обработка холодом
Одна и та же сталь после разных режимов нагрева и охлаждения может быть мягкой и пластичной, как проволока, или твёрдой и хрупкой, как напильник. Термообработка меняет структуру металла, не меняя его химический состав (кроме химико-термических процессов), и тем самым управляет механическими свойствами: прочностью, твёрдостью, ударной вязкостью, износостойкостью, обрабатываемостью резанием.
На практике термическая обработка решает несколько типовых задач. Перед механической обработкой она снимает внутренние напряжения в поковках и прокате и делает металл удобным для резания. После черновой обработки — стабилизирует размеры, чтобы деталь не «повело» на финишных операциях. На готовой детали — придаёт рабочую твёрдость поверхности и прочность сердцевине. Поэтому термообработку почти никогда не рассматривают в отрыве от технологического маршрута: мы встраиваем её между токарными, фрезерными и шлифовальными операциями так, чтобы получить нужные свойства без лишних переделок.
Закалка — нагрев стали выше критической температуры, выдержка и быстрое охлаждение в воде, масле, полимерной среде или на воздухе. В результате образуется мартенсит — твёрдая и прочная структура. Закалку применяют для валов, шестерён, осей, пальцев, инструмента, штампов, ножей и любых деталей, работающих на износ. Среду охлаждения выбираем по марке стали: углеродистые стали охлаждаем интенсивно, легированные — мягче, чтобы избежать трещин и коробления. Для поверхностного упрочнения отдельных зон используем закалку ТВЧ.
После закалки сталь обязательно отпускают — нагревают до температуры ниже критической и охлаждают. Отпуск снимает закалочные напряжения и снижает хрупкость. Низкий отпуск (150–250 °C) сохраняет высокую твёрдость и подходит для режущего и мерительного инструмента. Средний отпуск (350–500 °C) даёт упругость — так обрабатывают пружины и рессоры. Высокий отпуск (500–680 °C) обеспечивает лучшее сочетание прочности и вязкости для ответственных деталей машин.
Отжиг — нагрев с медленным охлаждением вместе с печью. Он снижает твёрдость, устраняет неоднородность структуры после литья, ковки или сварки, снимает остаточные напряжения. Мы выполняем полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий и низкотемпературный (рекристаллизационный) отжиг. Отжиг особенно востребован перед механической обработкой высокоуглеродистых и инструментальных сталей, которые в состоянии поставки режутся плохо.
Нормализация похожа на отжиг, но охлаждение идёт на спокойном воздухе. Структура получается мелкозернистой и однородной, прочность — несколько выше, чем после отжига. Нормализацию применяют для поковок, сварных узлов и проката из конструкционных сталей, а также как подготовительную операцию перед закалкой.
Улучшение — это закалка с последующим высоким отпуском. Режим даёт структуру сорбита отпуска и оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Улучшению подвергают валы, шатуны, оси, крепёж повышенной прочности, детали, которые работают под знакопеременной нагрузкой. Типичная твёрдость после улучшения — 28–36 HRC, что ещё позволяет обрабатывать деталь резцом и фрезой.
Старение применяют для алюминиевых, медных, титановых сплавов и мартенситно-стареющих сталей. После закалки на пересыщенный твёрдый раствор сплав выдерживают при умеренной температуре, и мелкодисперсные частицы упрочняют металл. Для стальных деталей высокой точности используем также искусственное старение — стабилизирующий отпуск, который снимает напряжения и предотвращает изменение размеров со временем.
Цементация — насыщение поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом с последующей закалкой и низким отпуском. Поверхность получает твёрдость 58–62 HRC, а сердцевина остаётся вязкой. Так обрабатывают шестерни, кулачки, поршневые пальцы, звёздочки, втулки — всё, что испытывает и износ, и удар. Глубину слоя задаём от 0,5 до 2 мм в зависимости от модуля зуба и нагрузки; участки, которые не должны насыщаться, защищаем.
Азотирование — насыщение поверхности азотом при 500–580 °C. Процесс идёт при низкой температуре, поэтому деталь практически не деформируется, и её можно азотировать после окончательной механической обработки. Азотированный слой обладает высокой твёрдостью, износостойкостью, сопротивлением усталости и задиру, а также повышенной коррозионной стойкостью. Азотирование применяют для гильз, плунжеров, шпинделей, ходовых винтов, деталей пресс-форм и штампов.
Стали 20, 35, 45, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 12ХН3А, 18ХГТ — улучшение, закалка, цементация, нормализация.
У8, У10, 9ХС, ХВГ, Х12МФ, Р6М5, 5ХНМ, 4Х5МФС — закалка с многократным отпуском, обработка холодом.
Стали 20Х13, 40Х13, 95Х18, алюминиевые сплавы Д16, АК6, бронзы — закалка, старение, отжиг.
Ниже — ориентировочные значения для распространённых марок. Точный режим зависит от сечения детали, требований чертежа и предыдущей обработки, поэтому перед запуском партии мы согласуем его с заказчиком.
| Марка стали | Вид обработки | Охлаждение | Твёрдость после обработки |
|---|---|---|---|
| Сталь 45 | Улучшение | Вода, затем высокий отпуск | 22–32 HRC |
| Сталь 45 | Закалка + низкий отпуск | Вода / полимер | 45–52 HRC |
| 40Х | Закалка + средний отпуск | Масло | 38–46 HRC |
| 20Х, 18ХГТ | Цементация + закалка + отпуск | Масло | 58–62 HRC на поверхности |
| 38Х2МЮА | Азотирование | С печью | Слой до 900 HV |
| У8, У10 | Закалка + низкий отпуск | Вода, затем масло | 56–62 HRC |
| 9ХС, ХВГ | Закалка + низкий отпуск | Масло | 59–63 HRC |
| Х12МФ | Закалка + отпуск | Масло / воздух | 58–62 HRC |
| Р6М5 | Закалка + трёхкратный отпуск | Масло / соляная ванна | 62–65 HRC |
| 65Г | Закалка + средний отпуск | Масло | 42–50 HRC |
Изучаем чертёж, марку материала, требования к твёрдости и глубине слоя. Если в документации указаны только условия работы детали, предлагаем подходящий режим сами.
Определяем температуру, время выдержки, среду охлаждения и параметры отпуска с учётом сечения и формы. Для сложных деталей планируем меры против коробления.
Очищаем детали, при необходимости защищаем зоны, не подлежащие упрочнению, оставляем припуски под последующую шлифовку.
Выполняем нагрев, выдержку и охлаждение по технологической карте, ведём контроль температуры на всех этапах.
Измеряем твёрдость, проверяем геометрию, при необходимости — глубину упрочнённого слоя на образце-свидетеле.
По желанию заказчика выполняем правку, дробеструйную очистку, шлифование и нанесение покрытий.
Главные риски закалки — деформация и закалочные трещины. Длинные валы, тонкостенные втулки, плоские пластины и детали с резкими перепадами сечения особенно чувствительны к неравномерному охлаждению. Мы снижаем эти риски несколькими способами: подвешиваем длинные детали вертикально, используем ступенчатую и изотермическую закалку, подбираем менее резкую охлаждающую среду, предварительно снимаем напряжения отжигом после черновой обработки. Для деталей, у которых важна геометрия, оставляем припуск под шлифование после термообработки.
Ещё один фактор — конструкция детали. Острые внутренние углы, резьба у края, глубокие пазы и отверстия рядом с поверхностью являются концентраторами напряжений. Если мы видим такие места на чертеже, обязательно сообщаем об этом заранее и предлагаем решения: скругления, защиту отверстий, изменение последовательности операций.
Чаще всего заказчики приходят к нам не за одной операцией, а за готовой деталью. В этом случае термическая обработка становится частью маршрута: заготовку точат на токарном участке, фрезеруют пазы и лыски на фрезерном, затем закаливают, шлифуют посадочные поверхности и при необходимости наносят защитное покрытие. Все операции выполняются на одной площадке, поэтому мы отвечаем за итоговый результат целиком и не тратим время на перевозку деталей между подрядчиками.
Мы также принимаем детали, изготовленные на стороне, — только на термообработку. В этом случае просим указать марку материала (лучше с сертификатом), требуемую твёрдость и состояние поверхности. Если марка неизвестна, можем провести пробную закалку образца и по результатам предложить режим.
Качество термообработки не видно глазом, поэтому контроль — обязательная часть процесса. Твёрдость измеряем по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу в зависимости от твёрдости и толщины слоя. Для цементованных и азотированных деталей проверяем глубину слоя на образцах-свидетелях из той же марки стали, которые проходят обработку вместе с партией. Геометрию контролируем после закалки и после правки. По запросу оформляем протокол замеров для каждой партии.
Да. Достаточно знать марку стали и требуемую твёрдость. Если марка неизвестна, мы определим её ориентировочно по искре и пробной закалке либо предложим изготовить новую деталь из подходящего материала.
Мы берём в работу и единичные детали, и серийные партии. Для единичных заказов стараемся объединять загрузку печи с другими деталями близкого режима, чтобы не увеличивать сроки.
Закалка с отпуском обычно занимает один-два рабочих дня. Цементация и азотирование — дольше, поскольку процесс насыщения идёт много часов. Точный срок называем после анализа задания.
Некоторая деформация возможна всегда, но её величину можно существенно снизить правильной подвеской, выбором среды охлаждения и ступенчатыми режимами. Для точных деталей мы оставляем припуск под шлифование.
Цементация даёт равномерный твёрдый слой на низкоуглеродистой стали и подходит для зубчатых колёс сложного профиля. Закалка ТВЧ быстрее, упрочняет только нужные зоны и применяется для сталей с содержанием углерода от 0,35 %. Мы поможем выбрать оптимальный вариант под вашу деталь.
Да, по запросу оформляем протокол с указанием режима и фактической твёрдости деталей партии.
Чтобы рассчитать стоимость и срок, отправьте чертёж или эскиз детали, укажите марку стали, количество и требования к твёрдости. Ориентиры по стоимости работ приведены на странице цен, ответы на частые вопросы — в разделе «Вопросы».
