Термообработка стальных отливок из сплавов

Если говорить о термообработке стальных отливок, многие сразу представляют себе строгие графики из учебников: нагрев до такой-то температуры, выдержка, охлаждение с определенной скоростью. На бумаге всё гладко, но в реальности, особенно когда дело касается ответственных отливок для тяжелых условий работы — как те же износостойкие шары или футеровки для мельниц, — теория часто расходится с практикой. Главное заблуждение — считать, что достаточно выдержать температуру, и всё получится. На самом деле, здесь куча нюансов: и химический состав плавки, который может ?гулять?, и геометрия самой отливки, влияющая на прогрев и коробление, и даже способ загрузки в печь. Сразу вспоминается случай на одном из производств, связанных с энергетикой, где после стандартного отпуска футеровка пошла трещинами — оказалось, не учли остаточные напряжения после литья. Вот об этих подводных камнях и хочется порассуждать, опираясь на то, с чем приходилось сталкиваться.

Химия сплава — это не просто цифры в паспорте

Когда мы в ООО ?Нинго Люйша Стройматериалы? работаем над износостойкими шарами или поковками, первое, с чего начинаем, — это не слепое следование режиму, а анализ фактического химсостава партии. Допустим, в сплаве для шаров, помимо углерода и хрома, есть легирующие добавки. Их отклонение даже на несколько десятых процента может сместить критические точки. Бывало, приходит металл, вроде бы по стандарту, а Ac3 оказывается на 20-30 градусов выше ожидаемого. Если греть по ?книжному? режиму, недополучишь нужной аустенитизации, и после закалки твердость будет неравномерной. Поэтому у нас на сайте https://www.nglsjc.ru мы всегда акцентируем, что контроль начинается с шихты. Это не для галочки — без этого любая последующая термообработка отливок теряет смысл.

Особенно капризны в этом плане стали для футеровок мельниц, работающих в энергетике. Там нужна и износостойкость, и ударная вязкость. Часто идут по пути применения среднеуглеродистых сталей, легированных хромом и молибденом. Но молибден, например, сильно влияет на прокаливаемость. Если его содержание внизу допуска, а отливка массивная, сердцевина может остаться непрокаленной, с ферритно-перлитной структурой. В эксплуатации это выльется в преждевременный износ, а то и выкрашивание. Приходится подбирать температуру и время выдержки практически под каждую плавку, иногда идти на более высокий нагрев, но тогда следить, чтобы не пошел рост зерна. Здесь нет универсального рецепта.

Еще один момент, о котором редко пишут в методичках, — это влияние остаточных элементов, вроде меди или олова, которые могут попасть из шихты. Они не указаны в основном составе, но при высоком отпуске могут вызывать отпускную хрупкость. Сталкивались с этим, когда партия шаров после закалки и, казалось бы, правильного отпуска показывала низкую ударную вязкость при испытаниях. Разбирались долго — в итоге виновата оказалась партия лома с повышенным содержанием меди. Теперь на это смотрим в первую очередь, особенно для продукции, которая, как у нас, идет на ответственные объекты энергетики.

Печь — не просто ?ящик с нагревом?

Оборудование — это отдельная история. Идеально равномерного температурного поля не существует, особенно в старых камерных печах. Когда загружаешь, например, крупногабаритную футеровку или плотный пакет шаров, разница температур между изделиями у стенок и в центре садки может достигать 50 градусов и больше. Если не учитывать эту неравномерность при расчете времени выдержки, получится, что одни изделия уже перегрелись, а другие недодержались. Мы для своих поковок и отливок давно перешли на методику термопаспортизации печей — составляем карты температурных полей для разных типов загрузки. Это позволяет вносить поправки в режимы. Просто сказать ?выдержать 2 часа? — это непрофессионально.

Атмосфера в печи — еще один критичный фактор. Для многих углеродистых и низколегированных сталей нагрев в окислительной атмосфере приводит к обезуглероживанию поверхностного слоя. Для износостойкого шара это смерть — поверхность становится мягкой, и он быстро теряет массу. Пробовали разные способы: и упаковку в чугунную стружку, и использование защитных атмосфер на основе азота. Для серийного производства шаров, которое ведет наша компания, оптимальным оказался нагрев в печах с регулируемой атмосферой, что позволяет минимизировать потери углерода. Но это, конечно, удорожает процесс, зато на выходе — стабильное качество, о котором мы заявляем на https://www.nglsjc.ru.

Скорость нагрева — особенно для сложных отливок с резкими перепадами сечений — часто недооценивают. Быстрый нагрев может привести к термическим напряжениям и трещинам. Помню, как-то раз при термообработке крупной отливки ковша поставили слишком высокую скорость нагрева на первом этапе. Вроде бы, по всем канонам, для такой толщины можно. Но в отливке была внутренняя раковина (брак литья, который не выявили), которая сработала как концентратор напряжения. Результат — трещина. Теперь для ответственных деталей, особенно после ремонта или для энергетики, всегда используем ступенчатый нагрев с выдержками в областях фазовых превращений, чтобы выровнять температуру по сечению.

Закалка: между твердостью и трещиной

Самое ответственное — это, конечно, закалка. Тут выбор охлаждающей среды решает всё. Для массивных стальных отливок из сплавов с высокой прокаливаемостью часто используют масло, чтобы снизить термические напряжения. Но для тонкостенных или имеющих острые кромки изделий даже масло может быть слишком резким. Для наших стальных шаров, где нужна высокая и однородная твердость по всему сечению, после долгих проб остановились на закалке в быстроциркулирующем масле определенной температуры. Ключевое слово — ?определенной?. Если масло перегрето, скорость охлаждения падает, и может пойти троостит, твердость недобор. Если холодное — риски трещин растут. Контролируем это строго.

А вот с футеровками из высокохромистых сталей история другая. Они часто имеют воздушную прокаливаемость. Казалось бы, проще — охлаждай на воздухе. Но и тут подвох: на воздухе охлаждение всё же медленнее, чем в масле, и если сечение большое, можно недополучить мартенсит, а получить промежуточные структуры. Плюс, на воздухе сильнее влияние сквозняков в цеху, что ведет к неравномерности. Пришлось организовывать зону спокойного воздуха, практически без движения. Это та самая ?мелочь?, которую в нормативных документах не прописывают, но которая сильно влияет на результат.

Самая большая головная боль после закалки — это коробление. Для поковок и отливок сложной формы, которые после механической обработки не предполагается выпрямлять, это критично. Приходится использовать специальные приспособления для закалки — кондукторы, которые фиксируют изделие в нужном положении во время нагрева и охлаждения. Иногда, если позволяет состав стали, применяем изотермическую закалку в горячей среде (типа нитритно-нитратных солей). Это уменьшает коробление и напряжения, но требует точного контроля времени выдержки в солевой ванне, чтобы не пошли продукты распада, ухудшающие свойства.

Отпуск — финальный штрих, от которого зависит всё

Многие относятся к отпуску как к формальности: ?погрели, чтобы снять напряжения?. На деле, это ключевая операция, формирующая итоговую структуру и комплекс свойств. Температура отпуска для износостойких сталей, которые используем мы в ООО ?Нинго Люйша Стройматериалы?, подбирается в жестком компромиссе между твердостью и вязкостью. Слишком низкий отпуск — остаются высокие закалочные напряжения, риск хрупкого разрушения. Слишком высокий — теряем твердость, а значит, и сопротивляемость износу. Для шаров мелющих, например, мы эмпирическим путем, через множество испытаний на истирание, вышли на определенный интервал температур отпуска, который дает оптимальный баланс. Эта информация — часть нашей ноу-хау.

Очень важен контроль времени. Особенно для крупных сечений. Недоотпуск по глубине — классическая ошибка. Сердцевина массивной отливки может просто не прогреться до нужной температуры за стандартное время. Поэтому для футеровок большой толщины мы считаем время отпуска не от момента достижения температурой печи заданного значения, а от момента прогрева контрольной термопары, установленной в сердцевине самой массивной детали в садке. Это удлиняет цикл, но гарантирует результат. На нашем сайте https://www.nglsjc.ru мы подчеркиваем важность полного цикла термообработки, потому что знаем, где экономят другие, и к чему это приводит в эксплуатации на электростанциях.

Есть еще такой нюанс, как ?отпускная хрупкость? второго рода. Для некоторых наших сталей, легированных хромом и марганцем, медленное охлаждение после высокого отпуска (в интервале 500-600°C) может быть опасно. Приходится после отпуска давать ускоренное охлаждение, часто в воде или масле. Но это снова термический удар! Поэтому важно точно выдерживать температуру отпуска, не заходя в опасный интервал, или, если это неизбежно, использовать ускоренное охлаждение под контролем, чтобы не создать новых трещин. Круг замкнулся, и снова всё упирается в точность контроля и понимание метаморфоз в стали.

Контроль — не для ОТК, а для корректировки процесса

Испытания на твердость — это хорошо, но они поверхностные. Для глубокого анализа, особенно после неудачных попыток, приходится резать образцы, смотреть макро- и микроструктуру. Сколько раз по твердости всё было в норме, а на шлифе виден остаточный аустенит или непрокарбиды, которые потом в работе приведут к аномальному износу. Мы обязательно делаем выборочный разрушающий контроль для новых партий сплава или при смене режимов. Это дорого, но дешевле, чем рекламации от клиента в энергетике, где простой стоит огромных денег.

Неразрушающий контроль — тоже палка о двух концах. Магнитопорошковый или ультразвуковой контроль хорош для выявления трещин. Но он не покажет мелкую сетку отпуска или недогрев. Поэтому мы его используем как финальный барьер, но не как показатель качества всей термообработки стальных отливок. Основная диагностика процесса — это контроль кривых нагрева и охлаждения, записанных самописцами с печи и с контрольных образцов. Их анализ часто дает больше, чем любое конечное испытание. Видишь, где была задержка, где скачок температуры — и сразу понимаешь, что могло пойти не так.

В итоге, что хочется сказать? Термообработка — это не ремесло, а скорее искусство, основанное на глубоком знании материаловедения и подкрепленное горьким опытом ошибок. Для компании, которая, как наша, поставляет ответственные изделия для энергетики, будь то шары, поковки или футеровки, стабильность этого процесса — это репутация. Нельзя слепо копировать режимы. Нужно понимать металл, с которым работаешь, знать свои печи, предвидеть последствия каждого решения. И всегда, всегда оставлять место для анализа и корректировки. Потому что сталь — материал живой, и каждый цикл нагрева и охлаждения — это новая история, которую нужно правильно прочитать.