Термообработка стали — отжиг, нормализация, закалка, отпуск, ТВЧ, цементация и азотирование

Как устроена термообработка

Любая термообработка — это нагрев, выдержка и охлаждение. Результат зависит от температуры нагрева относительно критических точек стали и от скорости охлаждения. Для доэвтектоидных конструкционных сталей ключевые точки — Ac1 (начало превращения в аустенит) и Ac3 (конец превращения). По пособию ТПУ точка Ac1 у всех углеродистых сталей одна — 727 °C, а Ac3 зависит от содержания углерода.

Конкретную температуру для марки берут из стандарта или марочника. Например, ГОСТ 4543-2016 (таблица 8) нормирует свойства 40Х после закалки с 860 °C в масле и отпуска при 500 °C — подробнее в статье «Стали 45 и 40Х».

Отжиг и нормализация

Это подготовительные операции: их делают на заготовке или поковке до основной обработки.

Отжиг снижает твёрдость и улучшает обрабатываемость резанием. Нормализация производительнее и экономичнее, поэтому для доэвтектоидных сталей она часто заменяет полный отжиг. По лекциям ТПУ для среднеуглеродистых сталей нормализацию, иногда с высоким отпуском, применяют и вместо улучшения: свойства несколько ниже, зато меньше деформация и нет риска закалочных трещин.

Закалка и отпуск

При закалке доэвтектоидную сталь нагревают на 30–50 °C выше Ac3 и охлаждают быстрее критической скорости — в воде, масле или другой среде. Образуется мартенсит — самая твёрдая структура стали. Недогрев в интервал Ac1–Ac3 даёт мартенсит с ферритом и пониженные свойства.

Две разные характеристики:

• закаливаемость — какую максимальную твёрдость может получить сталь; зависит в основном от углерода;
• прокаливаемость — на какую глубину сталь закаливается; в крупном сечении сердцевина может остаться незакалённой.

После закалки сталь хрупкая и напряжённая, поэтому обязателен отпуск — нагрев ниже Ac1. Чем выше температура, тем ниже твёрдость и прочность и выше вязкость.

Границы в учебниках различаются — таблица показывает порядок величин. Режим для конкретной марки и твёрдости назначает термист.

Улучшение — закалка с высоким отпуском. По лекциям ТПУ она даёт оптимальное сочетание твёрдости и ударной вязкости, поэтому её применяют для деталей машин, работающих с ударными нагрузками.

Поверхностное упрочнение: ТВЧ, цементация, азотирование

Когда нужна износостойкая поверхность и вязкая сердцевина, упрочняют только слой.

Сама цементация закалённого слоя не даёт: свойства формирует последующая закалка с низким отпуском. Участки, которые науглероживать нельзя, защищают — например, гальваническим меднением.

Азотирование, по лекциям ТПУ, проводят на готовых деталях после окончательной механической обработки и улучшения. Сердцевина сохраняет структуру улучшения.

Как указать на чертеже и в заказе

ГОСТ 2.310-2022 требует указывать показатели свойств, полученные обработкой: твёрдость HRC, HRB, HRA, HB или HV, при необходимости прочность и ударную вязкость. Глубину обработки обозначают буквой h, значения дают диапазоном «от … до».

Примеры записи в технических требованиях по стандарту:

• вся деталь — «40 … 45 HRC»;
• цементация всей детали — «Цементировать h 0,7 … 0,9 мм; 58 … 62 HRC»;
• почти вся деталь — «40 … 45 HRC, кроме поверхности А»;
• участок, обозначенный буквой, — «Поверхность А — 45 … 50 HRC».

Отдельные упрочняемые участки отмечают на изображении штрихпунктирной утолщённой линией в 0,8–1 мм от поверхности, показатели пишут на полке линии-выноски. Место испытания твёрдости при необходимости показывают в зоне требуемой твёрдости. Отжиг и другие операции, результат которых не контролируют, можно указать словами — «Отжечь».

В заказе на термообработку, кроме требований чертежа, укажите:

1. марку стали и номер плавки или сертификат;
2. вид обработки и требования — твёрдость со шкалой, h, зоны;
3. места и количество замеров, нужен ли протокол;
4. что делать со сквозными отверстиями, резьбами и участками без упрочнения;
5. допустимое коробление, если оно критично.

Коробление и припуск

Коробление и трещины вызывают внутренние напряжения. Они возникают из-за разницы температур по сечению при охлаждении и из-за того, что удельный объём мартенсита больше, чем аустенита. Опаснее всего детали сложной формы, тонкие и длинные, с резкими переходами сечений.

Второй источник проблем — окалина и обезуглероживание при нагреве. Лекции ТПУ прямо указывают: окисление меняет размеры и требует увеличенных припусков на механическую обработку.

Что снижает риск:

• закалка ТВЧ: нагревается только слой, коробление и окисление минимальны;
• азотирование: низкая температура и нет закалки, поэтому его ведут на готовых деталях;
• черновая обработка до термообработки: основная масса металла снята заранее, а коробление после закалки выбирает чистовая обработка.

Величину припуска под обработку после термообработки назначает технолог по размеру детали, способу обработки и опыту термоучастка. Универсальной цифры нет — уточняйте у цеха.

Последовательность «черновая — ТО — чистовая»

Черновую обработку удобнее вести в отожжённом или нормализованном состоянии: твёрдость ниже, режимы выше. После закалки на высокую твёрдость окончательную обработку делают шлифованием или точением твёрдым инструментом — пластинами группы H по ISO 513, о них в статье «Токарные пластины». Как описать маршрут и термообработку в заявке, — в статье «Как составить заявку на механообработку».