Коротко
Термообработка решает главное противоречие нагруженной детали: поверхность должна быть твёрдой, чтобы не изнашиваться, а сердцевина вязкой, чтобы не ломаться. Выбор между ТВЧ, цементацией и улучшением зависит от марки стали, нагрузки и того, какая точность нужна после закалки.
- Закалка ТВЧ шеек, зубьев, шлицев и кулачков — 45–55 HRC, слой 1–5 мм.
- Цементация с закалкой — 56–62 HRC, слой 0,8–2 мм, вязкая сердцевина.
- Улучшение, нормализация, отжиг, объёмная закалка с отпуском.
- Подбор режима по марке стали и чертежу, контроль твёрдости.
- Шлифовка после закалки и термообработка деталей заказчика.
Зачем детали термообработка
Сталь 45 без термообработки имеет твёрдость около 170–200 HB. Вал из такой стали в подшипнике скольжения, палец в проушине или шестерня в редукторе быстро изнашиваются: металл мягкий, на поверхности появляются задиры и выработка.
- Износостойкость — твёрдая поверхность шейки, зуба, шлица служит в разы дольше.
- Прочность и выносливость — улучшенная сталь лучше держит переменные нагрузки.
- Вязкая сердцевина — деталь не ломается хрупко при ударе, даже если поверхность твёрдая.
- Снятие напряжений — после сварки, ковки и черновой обработки, чтобы деталь не повело.
- Обрабатываемость — отжиг делает металл мягче перед сложной механообработкой.
Теория процессов разобрана в статье основы термической обработки металлов. Здесь — практика: что заказывать под конкретную деталь.
Виды термообработки деталей
| Вид | Суть | Результат | Для чего |
|---|---|---|---|
| Отжиг | Нагрев и медленное охлаждение с печью | Мягкость, снятие напряжений | Перед обработкой, после сварки |
| Нормализация | Нагрев и охлаждение на воздухе | Мелкое зерно, однородная структура | Поковки, заготовки валов |
| Улучшение | Закалка и высокий отпуск 550–650 °C | 230–300 HB, прочность и вязкость | Валы, оси, шестерни, крепёж |
| Объёмная закалка и низкий отпуск | Закалка и отпуск 150–250 °C | 50–62 HRC по сечению | Инструмент, ножи, мелкие детали |
| Закалка и средний отпуск | Отпуск 350–500 °C | 40–48 HRC, упругость | Пружины, упругие элементы |
| Закалка ТВЧ | Индукционный нагрев поверхности | 45–55 HRC, слой 1–5 мм | Шейки, зубья, шлицы, пальцы |
| Цементация и закалка | Насыщение поверхности углеродом | 56–62 HRC, слой 0,8–2 мм | Шестерни, пальцы, втулки |
| Азотирование | Насыщение поверхности азотом | Очень твёрдый тонкий слой, минимальная поводка | Прецизионные валы и детали |
Какая сталь под какую термообработку
| Сталь | Типовая обработка | Твёрдость |
|---|---|---|
| 45 | Улучшение, закалка ТВЧ | 45–50 HRC по слою ТВЧ |
| 40Х, 40ХН | Улучшение и ТВЧ | 48–53 HRC |
| 40ХН2МА, 38ХН3МФА | Улучшение, ТВЧ | 48–52 HRC, прочная сердцевина |
| 20, 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А | Цементация и закалка | 56–62 HRC |
| 65Г, 60С2А | Закалка и средний отпуск | 42–48 HRC |
| У8, 9ХС, Х12МФ | Закалка и низкий отпуск | 56–62 HRC |
| 38Х2МЮА | Улучшение и азотирование | Твёрдый слой при минимальной поводке |
| 40Х13, 95Х18 | Закалка и низкий отпуск | 48–56 HRC |
| 12Х18Н10Т, 08Х18Н10 | Не закаливаются | Упрочнение только наклёпом |
!
Частая ошибка в чертежах — «сталь 20, закалка ТВЧ 50 HRC». В стали 20 слишком мало углерода, закалка ТВЧ такую твёрдость не даст. Либо меняют сталь на 45 или 40Х, либо вид обработки на цементацию.
Закалка ТВЧ: быстро, локально, с малой поводкой
- Сталь — с содержанием углерода от 0,4 %: 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА.
- Глубина слоя — от 1 до 5 мм, задаётся режимом нагрева и скоростью подачи индуктора.
- Локальность — калятся только нужные зоны: шейки под подшипники и уплотнения, зубья, шлицы, кулачки. Резьбы и места под сварку остаются сырыми.
- Поводка — минимальная среди видов закалки, потому что греется только поверхность.
- Отпуск — низкий, сразу после закалки, чтобы снять напряжения и исключить трещины.
- Основа — лучше всего ТВЧ ложится на улучшенную сталь: сердцевина прочная, переходный слой плавный.
!
Шпоночный паз, поперечные отверстия и острые галтели в зоне закалки ТВЧ — частая причина трещин. Паз выводят из зоны закалки или делают с закруглёнными кромками, галтели — с радиусом по чертежу.
Оборудование и режимы участка — термообработка металла.
Цементация: самый твёрдый слой при вязкой сердцевине
- Сталь — малоуглеродистая: 20, 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А. После цементации поверхность содержит около 0,8–1 % углерода, а сердцевина остаётся вязкой.
- Глубина слоя — обычно 0,8–2 мм. Процесс идёт часами: чем глубже слой, тем дольше цикл.
- Закалка — обязательна после цементации, затем низкий отпуск. Без закалки цементованный слой твёрдости не даёт.
- Защита мест — резьбы и зоны, которые должны остаться мягкими, защищают покрытием или оставляют припуск, который снимают перед закалкой.
- Поводка — больше, чем при ТВЧ: деталь греется целиком и долго. Припуск под шлифовку закладывают больше.
Цементация — выбор для шестерён, пальцев, втулок и кулачков, где нужны максимальная износостойкость и стойкость к контактным нагрузкам.
Улучшение: прочность и вязкость по всему сечению
- Что это — закалка с высоким отпуском при 550–650 °C.
- Результат — твёрдость порядка 230–300 HB, высокая прочность и ударная вязкость одновременно.
- Когда делают — после черновой обработки и до чистовой: улучшенная сталь хорошо режется, а размеры после неё выводятся точно.
- Где нужно — валы, оси, шпиндели, шестерни средней нагрузки, крепёж, буровые переводники.
- Как основа — улучшение перед закалкой ТВЧ даёт прочную сердцевину под твёрдым слоем.
Место термообработки в маршруте и припуски
1
Заготовка
Нормализация или отжиг при необходимости
2
Черновая и улучшение
Съём основного металла, затем улучшение
3
Получистовая
Размеры с припуском под шлифовку
4
Закалка и шлифовка
ТВЧ или цементация, затем размер в допуск
| Операция | Припуск под шлифовку на диаметр |
|---|---|
| Закалка ТВЧ, короткие детали | 0,3–0,4 мм |
| Закалка ТВЧ, длинные валы | 0,4–0,6 мм и правка |
| Цементация и закалка | 0,4–0,6 мм |
| Объёмная закалка | 0,4–0,8 мм в зависимости от размеров |
Чистовая шлифовка после закалки — шлифовка металла.
Поводка и трещины: откуда берутся
- Длинные тонкие валы — изгибаются при неравномерном нагреве. Калят с вращением или в вертикальном положении, после — правка.
- Несимметричные сечения — лыски, пазы с одной стороны, фланцы на конце вала тянут деталь при охлаждении.
- Резкие переходы сечений и острые кромки — места концентрации напряжений, откуда начинаются закалочные трещины.
- Неизвестная марка стали — режим подобран «на глаз», и легированная сталь трескается при закалке в воде.
- Повторная закалка без промежуточного отжига — рост зерна и хрупкость.
i
Поводку нельзя убрать полностью, но её можно заложить в технологию: припуск под шлифовку, правка после закалки, симметричная обработка перед термообработкой. Поэтому деталь дешевле и надёжнее калить у того же производителя, который её точит.
Как указать термообработку в чертеже
| Что указать | Пример |
|---|---|
| Вид обработки | Закалка ТВЧ; цементация и закалка; улучшение |
| Твёрдость — диапазоном | HRC 48…53 или 240…280 HB |
| Глубина слоя | h 1,5…2,5 мм |
| Зона закалки | Шейки Ø60 h6 на длине 80 мм |
| Места без закалки | Резьба М24, шпоночный паз |
| Твёрдость сердцевины | При необходимости: 240…280 HB |
Контроль твёрдости ведём твердомером по Роквеллу и Бринеллю, по требованию оформляем протокол. Если в чертеже твёрдость указана одним числом или без глубины слоя, согласуем параметры до начала работы.
Типовые детали с термообработкой
- Валы — улучшение и ТВЧ шеек: изготовление валов.
- Оси и пальцы — ТВЧ или цементация рабочей поверхности: оси и пальцы.
- Шестерни — ТВЧ зубьев или цементация: изготовление шестерён.
- Звёздочки — ТВЧ по зубу при вязкой ступице: изготовление звёздочек.
- Штоки — ТВЧ под хромирование: штоки и поршни.
- Ножи и оснастка — объёмная закалка и низкий отпуск: промышленные ножи.
Что нужно для заказа
- Чертёж с требованиями — вид обработки, твёрдость, глубина слоя, зона.
- Марка стали и сертификат, если детали ваши.
- Припуск под шлифовку — есть или нет: от этого зависит, кто выводит размер.
- Количество — от одной детали до партии в одной садке.
- Нужен ли протокол контроля твёрдости.
Сроки и стоимость
| Работа | Цена от | Срок |
|---|---|---|
| Контроль твёрдости с протоколом | 500 ₽ | — |
| Закалка ТВЧ шейки или участка вала | 800 ₽ | 1–3 дня |
| Закалка ТВЧ зубьев шестерни или звёздочки | 2 500 ₽ | 2–4 дня |
| Улучшение | по расчёту | 2–3 дня |
| Объёмная закалка и отпуск | по расчёту | 2–3 дня |
| Цементация с закалкой | по расчёту | 5–8 дней |
| Отжиг, нормализация | по расчёту | 1–3 дня |
| Правка вала после закалки | 700 ₽ | 1 день |
| Шлифовка после термообработки | по расчёту | 1–3 дня |
Стоимость объёмных видов термообработки зависит от массы садки, ТВЧ — от длины и числа зон закалки. При изготовлении детали у нас термообработка включается в общий расчёт. Отвечаем в течение двух часов. Производство — Москва, Казань, Набережные Челны, отправка по России.
Вопросы и ответы
Чем закалка ТВЧ отличается от цементации?
+
ТВЧ калит только поверхностный слой стали с содержанием углерода от 0,4 %: быстро, локально, с малой поводкой, твёрдость 45–55 HRC. Цементация сначала насыщает поверхность малоуглеродистой стали углеродом, затем деталь закаливают: слой твёрже — 58–62 HRC, сердцевина вязкая, но процесс долгий и поводка больше.
Какую твёрдость указывать в чертеже?
+
Диапазон, а не одно число, плюс глубину и зону. Например: закалка ТВЧ, HRC 48…53, глубина слоя 1,5…2,5 мм, зона — шейки Ø60. Одно значение без допуска выдержать нельзя, а без глубины и зоны режим за конструктора будет выбирать термист.
Почему после закалки деталь нужно шлифовать?
+
При нагреве и охлаждении деталь поводит, появляется окалина, размеры меняются на сотые и десятые доли миллиметра. Поэтому точные поверхности оставляют с припуском 0,3–0,5 мм на диаметр и выводят в размер шлифовкой уже после термообработки.
Можно закалить готовую деталь заказчика?
+
Да, если известна марка стали. Если марка неизвестна, сначала проверяем твёрдость и реакцию металла. Деталь, выточенную в чистовой размер без припуска под шлифовку, закаливают с риском выхода размеров из допуска — об этом предупреждаем до начала работы.
Какую сталь выбрать под закалку ТВЧ?
+
Среднеуглеродистые стали 45, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА: они дают твёрдый поверхностный слой и сохраняют вязкую сердцевину. Малоуглеродистые стали 20, 20Х, Ст3 ТВЧ почти не калятся — для них применяют цементацию.
Что такое улучшение стали и зачем оно?
+
Улучшение — закалка с высоким отпуском при 550–650 °C. Сталь получает твёрдость порядка 230–300 HB и лучшее сочетание прочности и вязкости. Его делают для валов, осей и шестерён перед чистовой обработкой, а также как подготовку под закалку ТВЧ.
Нужна деталь с закалкой или цементацией?
Пришлите чертёж — проверим, подходит ли сталь под заданную твёрдость, заложим припуски и изготовим деталь полностью: точение, термообработка, шлифовка в размер.
