Закалка, отпуск, цементация, азотирование: зачем нужны и каким деталям

Зачем вообще термообработка

Деталь из проката имеет те свойства, которые дал металлургический завод. Их хватает для кронштейна или фланца, но не для вала, который крутит шестерню, и не для зуба, который трётся о соседний зуб миллионы раз. Термообработка меняет структуру стали и даёт нужное сочетание твёрдости, прочности и вязкости. Иногда во всём сечении, иногда только на поверхности.

Есть две большие группы операций. Объёмная обработка (закалка, отпуск, нормализация, отжиг) меняет свойства всей детали. Поверхностная (закалка ТВЧ) или химико-термическая (цементация, азотирование) упрочняет только наружный слой, а сердцевина остаётся вязкой. Выбор определяют материал, нагрузка и то, что деталь должна выдерживать: удар, износ, усталость или всё вместе.

Закалка и три вида отпуска

После закалки в стали остаются большие внутренние напряжения, и деталь может треснуть даже на складе. Поэтому сразу за закалкой идёт отпуск: повторный нагрев до температуры ниже критической и охлаждение. От температуры отпуска зависит, что получит деталь.

Температурные диапазоны взяты по учебнику Лахтина и Леонтьевой «Материаловедение». Конкретный режим для марки задаёт её ГОСТ или марочник.

Например, 40Х по ГОСТ 4543-2016 закаливают с 860 °C в масло и отпускают при 500 °C. Предел прочности после этого не ниже 980 МПа. Для стали 45 ГОСТ 1050-2013 гарантирует твёрдость после закалки не меньше 46 HRC, если это оговорено в заказе. После улучшения сталь 45 в каталогах японского производителя шестерён KHK обозначена твёрдостью 225–260 HB для близкой по составу стали S45C.

Сталь 45 нагревают до 830–860 °C и закаливают в воде (годится и 10-процентный рассол), после чего отпускают; нагрев до 650 °C закалки не даёт. Углеродистую У8 греют до 780–800 °C и отпускают при 160–220 °C. Сталь 40Х в масле на толстом сечении берёт лишь 33–45 HRC, поэтому для ответственного вала делают пробный образец. 65Г плохо прокаливается и на крупных деталях и цангах уступает 9ХС. Закаливаемую нержавейку 40Х13 греют до 1000–1050 °C, закаливают в масле и отпускают при 200 °C, получая около 52 HRC; отпуска при 550–650 °C избегают.

Закалка ТВЧ: твёрдая поверхность на вязкой сердцевине

ТВЧ — закалка токами высокой частоты. Деталь помещают в индуктор, переменное магнитное поле наводит в металле вихревые токи, и поверхностный слой за секунды разогревается до температуры закалки. Сразу за этим его охлаждают душем из воды или полимерного раствора. Сердцевина не успевает прогреться и сохраняет свойства, полученные при улучшении.

Глубина закалённого слоя зависит от частоты тока: чем ниже частота, тем глубже. Промышленные установки работают на частотах от 1 до 400 кГц, а глубина слоя может доходить до 8 мм. Лучше всего под ТВЧ подходят стали с 0,40–0,45 % углерода, то есть сталь 45 и 40Х. По каталогу KHK после ТВЧ поверхность стали S45C имеет 45–55 HRC, хромомолибденовой стали SCM440 — 45–60 HRC.

Кроме твёрдости, ТВЧ даёт полезные напряжения: в закалённом слое остаются сжимающие, и они повышают усталостную прочность. Поэтому так закаливают шейки валов под подшипники и уплотнения, шлицы, зубья шестерён и звёздочек, кулачки. Подробнее о том, где на валу ставят закалку, — в статье о том, как изготавливают валы.

Цементация: углерод в поверхность

Малоуглеродистая сталь почти не закаливается: углерода не хватает для мартенсита. Цементация решает это так: поверхность насыщают углеродом, а потом закаливают всю деталь. Поверхность становится твёрдой, сердцевина остаётся вязкой.

Цементируют стали с содержанием углерода обычно до 0,25 %: 20, 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А. Твёрдый карбюризатор (древесный уголь с активизаторами) работает при 900–950 °C, газовую цементацию ведут при близких температурах, в зависимости от источника — от 850 до 950 °C. Процесс медленный: в твёрдом карбюризаторе на каждые 0,1 мм слоя нужен примерно час выдержки, на слой 1 мм — около 10 часов.

После цементации деталь закаливают и проводят низкий отпуск при 180–200 °C. Поверхность 20Х и 18ХГТ получает 57–63 HRC по марочнику Зубченко. KHK для своих цементованных шестерён из стали SCM415 указывает 55–60 HRC и глубину слоя около 1 мм, которую увеличивают при росте нагрузки.

18ХГТ — классическая сталь для шестерён коробок передач. Титан не даёт зерну вырасти за долгие часы цементации, и сердцевина зуба остаётся мелкозернистой и вязкой. Материалы для шестерён и их термообработка подробно разобраны в статье о том, как изготавливают шестерни.

Азотирование: твёрдость почти без поводки

Главное отличие от цементации — температура. Азотирование ведут ниже температуры последнего отпуска, поэтому деталь не теряет свойств, полученных при улучшении, и почти не коробится. Отсюда порядок операций: улучшение, окончательная механообработка, азотирование. После азотирования снимают минимум металла, иначе тонкий твёрдый слой уйдёт в стружку. Плазменное азотирование работает в широком диапазоне от 260 до более чем 600 °C.

Лучше всего азотируются стали с нитридообразующими элементами: алюминием, хромом, молибденом, титаном. Классическая отечественная азотируемая сталь — 38Х2МЮА с хромом, молибденом и алюминием. Азотируют и 40Х, и инструментальные стали для пресс-форм. В соляных ваннах получают слой толщиной от 0,01 до 0,6 мм с твёрдостью поверхности 400–1200 HV, итог зависит от стали и режима.

Типичные азотированные детали — шестерни, коленчатые и распределительные валы, шнеки экструдеров, детали клапанов, инструмент для литья под давлением и пресс-формы для пластмасс.

Что выбрать: сталь, обработка, твёрдость

Термообработка и размеры детали

Любой нагрев с закалкой меняет размеры: структура перестраивается, объём металла немного растёт, длинную деталь ведёт. Поэтому термообработку ставят в техпроцессе так, чтобы точные размеры получались после неё.

У цементованной шестерни маршрут похож: зубья нарезают до термообработки, после цементации и закалки их шлифуют. Азотированную деталь обрабатывают начисто до азотирования и после него почти не трогают. Закалённую поверхность твёрже 45–50 HRC обычно шлифуют или точат инструментом из кубического нитрида бора и керамики, а сверлить и нарезать резьбу в ней не пытаются.

Конструктору стоит учесть ещё несколько вещей. Резьбу в детали под закалку нарезают до термообработки с припуском, а точные отверстия разворачивают после. Тонкая деталь, например диск 4 мм, при закалке сворачивается, поэтому её закаливают в оправке и шлифуют после. Отверстия ближе 10–12 мм к краю повышают риск трещины.

Сварка и термообработка тоже связаны. Тепло дуги отпускает закалённый металл рядом со швом, а цементованный слой при сварке трескается. Поэтому сварные узлы термообрабатывают после сварки целиком или собирают так, чтобы швы не попадали на упрочнённые поверхности. Какой способ сварки выбрать для разных сталей, разобрано в статье о видах сварки.