Химико-термическая обработка металлов:
цементация, азотирование, нитроцементация, ТВЧ

Зачем упрочняют поверхность, а не всю деталь

Сквозная закалка даёт одинаковую твёрдость по всему сечению. Для резца или пружины это нормально, для вала или шестерни почти всегда нет: твёрдая по всему объёму деталь плохо держит удар, трещина от концентратора идёт насквозь без сопротивления. Поверхностное упрочнение разделяет функции. Изнашивается и выкрашивается поверхностный слой, там нужны высокая твёрдость и сжимающие остаточные напряжения. Сердцевина остаётся пластичной и гасит изгиб, кручение и удар. Есть и денежная сторона: упрочнение поверхности позволяет взять дешёвую конструкционную сталь там, где иначе пришлось бы ставить легированную целиком.

Классификация видов: чем химико-термическая обработка металлов отличается от прочих

Термическая обработка меняет структуру металла нагревом и охлаждением, состав при этом не меняется. Химико-термическая обработка дополнительно насыщает поверхность другим элементом: углеродом, азотом, углеродом и азотом сразу. Отсюда простое деление.

Закалка ТВЧ формально не химико-термическая: состав стали она не трогает. Но задачу решает ту же, поэтому разбираем её здесь же. Цветные сплавы тоже проходят термообработку, но по другой логике: для алюминиевых это закалка на пересыщенный твёрдый раствор и старение, для бронз отжиг и снятие напряжений, марки подбираем под вашу деталь.

Отжиг, нормализация, закалка, отпуск: что делает каждая операция

Эти четыре операции идут фоном под любой химико-термической обработкой.

Отжиг и нормализация

Отжиг это нагрев, выдержка и медленное охлаждение вместе с печью. Снимает внутренние напряжения, выравнивает структуру после сварки или литья, снижает твёрдость и улучшает обрабатываемость резанием. Нормализация то же самое, но охлаждение на спокойном воздухе: структура мельче, твёрдость чуть выше.

Закалка и отпуск

Закалка это нагрев выше критической точки, выдержка и быстрое охлаждение в воде, масле или полимерной среде. Даёт мартенсит, то есть максимальную твёрдость и хрупкость заодно, поэтому закалка без отпуска почти всегда ошибка. Низкий отпуск 150-250 градусов снимает напряжения, почти не трогая твёрдость, его ставят после цементации и ТВЧ. Высокий отпуск 500-650 градусов вместе с закалкой даёт улучшение: сталь прочная и вязкая, но не твёрдая, и часто идёт основой под поверхностную закалку.

Цементация: глубина слоя, стали 20Х и 18ХГТ

Цементация это насыщение поверхности углеродом. Берут сталь с низким содержанием углерода, порядка 0,1-0,25 процента, и выдерживают в углеродсодержащей среде при температуре около 900-950 градусов. Углерод диффундирует внутрь, поверхностный слой становится высокоуглеродистым. Сам по себе он ещё не твёрдый: твёрдость появляется только после последующей закалки и низкого отпуска.

Среда бывает разная. Газовая цементация в шахтной или камерной печи это основной промышленный вариант. Твёрдый карбюризатор, то есть древесный уголь с добавками углекислых солей, засыпают в ящик с деталями и греют целиком: способ старый и медленный, но живой на единичных деталях. Цементация в расплаве солей греет быстро и равномерно, но требует отдельного хозяйства по соляным ваннам.

Ключевой параметр для конструктора это эффективная глубина слоя, обычно 0,3-2,0 мм. Чем глубже слой, тем дольше выдержка, и время растёт быстрее глубины.

Сердцевина остаётся в районе 30-45 HRC в зависимости от марки и сечения, и именно она держит изгиб. Если шестерня выкрашивается по рабочей поверхности зуба, обычно мало глубины слоя. Если зуб ломается у основания, дело чаще в сердцевине и геометрии галтели, а не в цементации.

Цементовать можно не всю деталь: участки, которые должны остаться мягкими, защищают омеднением либо оставляют припуск и снимают его потом вместе со слоем. Второй вариант надёжнее и дешевле, но требует, чтобы конструктор заранее договорился с технологом.

Азотирование: для каких деталей, деформации, твёрдость

Азотирование насыщает поверхность азотом при температуре около 500-560 градусов, то есть значительно ниже точки фазового превращения. Отсюда главный плюс: деталь почти не ведёт, нет закалки и резкого охлаждения. Поэтому азотируют детали, уже обработанные в размер: точные валы, шпиндели, гильзы, измерительный инструмент, детали пресс-форм. Второй плюс это твёрдость поверхности, на азотируемой стали 38Х2МЮА порядка 1000-1200 HV, заметно выше, чем даёт цементация.

Минусы тоже понятные. Слой тонкий, обычно 0,2-0,6 мм, и плохо работает на высокой контактной нагрузке: при большом удельном давлении он продавливается вместе с мягкой подложкой. Второй минус время: азотирование идёт часами, на глубокий слой нужны десятки часов выдержки.

Сталь 40Х азотируют, когда нужна не рекордная твёрдость, а стойкость к задиру при минимальных поводках. Твёрдость на 40Х ниже, чем на 38Х2МЮА, значения назначаем по документации на деталь.

Нитроцементация и цианирование

Нитроцементация это одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом в газовой среде. Температура ниже, чем при классической цементации, порядка 840-880 градусов, отсюда меньше поводки и расход энергии. Слой тоньше, обычно 0,2-0,8 мм, но с хорошей износостойкостью, и после него так же нужны закалка и низкий отпуск. Выбирают нитроцементацию для мелких и средних деталей: небольшие шестерни, втулки, шайбы, где глубокий слой не нужен, а коробление критично. На крупных тяжелонагруженных шестернях преимущество остаётся за цементацией.

Цианирование это то же насыщение углеродом и азотом, но в расплаве солей. Низкотемпературное ближе по результату к азотированию, высокотемпературное к цементации. Процесс быстрый и равномерный, но соляные ванны требуют отдельного участка, вытяжки и утилизации солей, поэтому применяют его реже газовых методов.

Закалка ТВЧ: шейки валов, зубья шестерён, локальное упрочнение

Закалка токами высокой частоты греет только поверхностный слой. Деталь помещают в индуктор, переменное поле наводит вихревые токи, они концентрируются у поверхности и разогревают её за секунды, дальше идёт душирование. Сердцевина прогреться не успевает.

Что это даёт цеху.

• Локальность. Можно закалить только шейку вала, только зубья шестерни, только рабочую дорожку, не трогая резьбу, шпоночный паз и посадочные места.
• Скорость. Обработка одной зоны это секунды и десятки секунд, а не часы, как в печи.
• Управляемая глубина: чем выше частота, тем тоньше слой.
• Меньшее коробление, потому что греется не вся деталь.

Главное ограничение: сталь должна содержать достаточно углерода, чтобы дать мартенсит. Сталь 20 закалкой ТВЧ упрочнить не выйдет, ей нужна цементация. Под ТВЧ идут стали 45, 40Х, 50 и чугуны с определённой структурой.

Глубина закалённого слоя при ТВЧ обычно лежит в единицах миллиметров и задаётся частотой установки и временем нагрева. Точный диапазон на своём оборудовании называем при расчёте конкретной детали, значения назначаем по документации на деталь.

Закалку ТВЧ по зубу шестерни делают разными схемами: по контуру зуба, по впадине, по венцу целиком. От схемы зависит, где лежат сжимающие напряжения и как ведёт себя зуб под нагрузкой. Подробнее на страницах изготовление шестерён на заказ и изготовление валов.

Выбор стали под нужную обработку

Логика подбора обратная привычной: сначала решают, какой вид упрочнения нужен, потом берут сталь под него. Поставить в чертёж сталь 20 и требование 58 HRC по шейке под ТВЧ нельзя.

Отсюда ответ на частый вопрос, какая сталь используется для изготовления валов. Универсального ответа нет, есть три сценария. Вал общего назначения без упрочнения поверхности делают из стали 45 в улучшенном состоянии. Вал с износостойкими шейками берут из 40Х и калят шейки ТВЧ. Вал с цементованными участками делают из 20Х или 18ХГТ. Коленчатые валы отдельная история: их делают и из стали, и литыми из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, марки подбираем под вашу деталь.

Литые заготовки из стали и нержавейки и корпуса из нержавеющей стали обсуждаем отдельно: литьё и механическая обработка отливок это своя цепочка со своими припусками.

Поводки и деформации: как их закладывают в припуск

Любой нагрев с быстрым охлаждением меняет размер и форму детали. Это не брак термички, это физика, и технолог закладывает её заранее. Мартенситное превращение идёт с ростом удельного объёма, деталь растёт. Неравномерное охлаждение даёт разные скорости превращения в разных местах, отсюда коробление. Внутренние напряжения от механической обработки при нагреве высвобождаются, и длинная деталь, снятая с фрезерного станка в напряжённом состоянии, уходит в дугу.

Что с этим делают в цеху.

• Оставляют припуск под финишную шлифовку после термообработки. Величина зависит от размера детали, вида обработки и требуемой точности.
• Ставят снятие напряжений между черновой и чистовой обработкой, особенно на длинных и тонкостенных деталях.
• Длинные валы охлаждают вертикально, чтобы собственный вес не помогал им гнуться.
• Планируют правку: для валов после закалки правка на прессе это штатная операция.
• Избегают резких переходов сечений и острых углов: там рвёт и ведёт в первую очередь.

Финишную геометрию и шероховатость после термички даёт шлифовка. Для направляющих поверхностей, где важны и твёрдость, и прямолинейность, логика та же, см. изготовление направляющих.

Контроль твёрдости и глубины слоя

Заявить твёрдость мало, её нужно померить правильным методом. Твёрдость по Роквеллу, шкала C, по ГОСТ 9013 это основной цеховой метод для закалённых сталей: контроль цементации, ТВЧ и объёмной закалки. Ограничение в том, что алмазный конус вдавливается на заметную глубину, и на тонком слое прибор показывает не слой, а подложку. Поэтому для азотирования и нитроцементации берут Виккерс по ГОСТ 2999 и микротвёрдость по ГОСТ 9450.

Глубину слоя определяют на образце-свидетеле или темплете: делают шлиф, травят, измеряют распределение твёрдости по глубине и находят точку, где она падает до заданного предела. Контроль разрушающий, поэтому образец-свидетель кладут в садку вместе с партией.

Смотрим также твёрдость сердцевины на поперечном темплете, трещины капиллярным или магнитопорошковым контролем, геометрию индикатором на призмах. Протокол по запросу, перечень средств измерения и порядок контроля подтверждаем по запросу.

Что мы делаем своими силами и что отдаём

Своими силами делаем термообработку, закалку ТВЧ и цементацию. Деталь не уезжает на сторону между механической обработкой и упрочнением: точим, калим, шлифуем и контролируем внутри одной цепочки. Это экономит дни на логистике и снимает вечный спор «кто испортил деталь». В том же контуре хромирование, хонингование, притирка, наплавка твёрдым сплавом, балансировка, обкатка и цинкование.

Механическая обработка идёт на своём парке: токарные HAAS ST-10 и DMG CTX 310, обрабатывающий центр HAAS VM3, станки PUMA. Плюс лазерная резка, гибка и опрессовка с протоколом. Что отдаём на сторону: азотирование и нитроцементацию в тех режимах, которых нет на своём участке, и специфические виды контроля, делаем сами либо через проверенную кооперацию, говорим об этом на расчёте.

Общая услуга описана на странице термообработка, готовые изделия на странице детали с термообработкой.

Как это влияет на срок и цену детали

Термичка редко бывает основной статьёй стоимости, но почти всегда определяет срок. Печь работает садками, и деталь ждёт, пока наберётся партия либо освободится оборудование. Азотирование добавляет к сроку больше всего, потому что выдержка измеряется часами и десятками часов.

Цену детали с упрочнением считаем по чертежу или по образцу. Без чертежа любая цифра будет выдумкой: стоимость зависит от марки стали, массы и габарита, глубины слоя, числа зон упрочнения и объёма финишной шлифовки.

Что спрашиваем перед расчётом: марка стали или аналог, чертёж с зонами упрочнения, твёрдость и глубина слоя с допуском, количество деталей, состояние заготовки, нужна ли шлифовка после и протокол контроля.

Вопросы и ответы