Сегодня я устрою небольшой экскурс в материаловедение, рассмотрим один из его практических аспектов. Поговорим о таком явлении как обезуглероживание стали, связанные с ним эффекты, методы борьбы, а на десерт опишу методику продажи напильников по цене кованого ламината.
Дисклеймер. Все изложенное ниже основано на личном опыте и подготовке, полученной в вузе. Я в курсе, что по сути описываю советские технологии и сейчас существует более совершенное и разнообразное оборудование. Однако что видел – то видел, другого к сожалению не завезли. Опять же как показывает личный опыт – не так уж много мест, где уровень технологической подготовки сильно выше советского, а много где он с трудом и до советского дотягивает.
Итак обезуглероживание. В заводской практике оно преследует термистов, контролеров и технологов практически на каждом шагу и приносит массу хлопот. Оно поражает и крупные детали, которые приходится перемещать кран-балкой, и мелкие упругие элементы, и всевозможные валы, шестерни и т.д.. Оно снижает ресурс детали и искажает результаты контроля термообработки и не редко служит причиной холиваров между контролерами и технологами. Оно же является в некотором роде двигателем прогресса, заставляя изгаляться над изобретением печей с различными атмосферами, совершенствовать методы нанесения гальванических покрытий и придумывать прочие разные методы борьбы с ним.
Что же такое обезуглероживание (обезуглерожка на заводском и ремесленном сленге)? При нагреве под закалку (это порядка 800-900 градусов по цельсию в зависимости от стали) в обычной воздушной среде начинается активное взаимодействие кислорода воздуха с поверхностью детали. Образуется окалина, состоящая главным образом из Fe3O4, а также вместе с окислением железа начинает выгорать углерод. При таких температурах углерод в стали весьма подвижен и, по мере его выгорания на поверхности, углерод из более глубоких слоев стремится занять освободившееся место. И так происходит до тех пор, пока деталь не остынет.
Толщина обезуглероженного слоя зависит от времени выдержки и может составлять несколько сотых долей миллиметра при минимальной выдержке в 15-20 минут до 1-2 целых миллиметра, если выдержка длилась сутки или более, правда это скорее всего уже будет брак так как размеры детали уплывут за все мыслимые допуски чисто за счет выгорания самого железа. Также скорость обезуглероживания сильно зависит от того, сколько углерода в стали. У высокоуглеродистых сталей обезуглероживание происходит значительно быстрее, чем у низкоуглеродистых. В среднем для наиболее распространенных конструкционных сталей типа 40Х или 30ХГСА на деталях средней же толщины в 20-30 мм обезуглерожка колеблется где-то в интервале 0,1-0,2 мм.
На что влияет обезуглерожка? Прежде всего на результаты контроля термообработки. Когда после термички вы измеряете твердость, то видите не ту твердость, которую на самом деле получили, а значительно меньше, т.к. поверхность детали в тонком слое мягче, чем основной металл. Иной раз можно выбрать на детали участок и зачистить (просто вручную болгаркой с лепестковым диском), а затем вновь провести измерение, но такое обращение допускается не со всеми деталями. Если так сделать и убедиться в наличии обезуглероженного слоя нельзя, то возникает вопрос – почему же не получилась твердость? А причин помимо обезуглерожки может быть масса: несоответствие состава стали марочному или состав на нижней границе марочного состава, ошибка пирометриста и неправильные показания температуры печи, ошибка технолога – не те режимы, ошибка термиста и всевозможные сочетания этих факторов. С этого момента работа технолога превращается в натуральный квест с детективным уклоном, причем даже аналог лаборатории с криминалистами имеется – своя заводская лаборатория с микроскопами, твердомерами, электроискровыми аппаратами определения химсостава и всем остальным прочим, на что хватило денег у конкретного предприятия.
Обезуглероженный слой вреден тем, что снижает ресурс детали. Вообще состояние поверхности для циклически нагружаемых деталей очень важно – чем меньше дефектов, тем меньше вероятность зарождения микротрещины и тем дольше может прослужить деталь. Энергетически зародиться трещине сложнее, чем развиваться. Если же поверхность мягкая, то микротрещины на ней зарождаются быстро и затем развиваются в основной металл, снижая ресурс детали. Это относится ко всевозможным валам (вращение под статической радиальной нагрузкой – классический пример циклического нагружения), осям, шестерням, кронштейнам и корпусам, которые работают в условиях вибрации и прочим подобным деталям. Причем толщина стенок/самой детали здесь практически не играет роли, т.к. усталостные трещины растут под действием нагрузок, значительно меньших, чем разрушающие или пластически деформирующие. Какой бы запас прочности вы не заложили, выход из строя все равно произойдет. А обезуглероживание существенно приблизит этот момент.
В случае с тонкими упругими элементами помимо снижения твердости и ресурса обезуглерожка существенно влияет еще и на упругость. Если у вас пружинка имеет толщину 0,5-0,8 мм из которых по 0,1 мм с каждой стороны не упругие, а пластичные и мягкие, то это плохая пружинка. Причем здесь не спасает даже минимальная выдержка в 10-15 минут (меньше никак – вы открываете печь, чем неизбежно ее выстуживаете, плюс нагрев оснастки, которая наверняка массивнее деталей), т.к. в упругих элементах более высокое содержание углерода, не 0,3-0,4% как в конструкционных, а 0,6-0,7% для пружинных, соответственно обезуглероживание происходит быстрее.
Борются с обезуглероживанием разными методами. Самый надежный – вакуумная обработка и обработка в среде с науглероживающим потенциалом. Есть еще вариант обработки в инертной среде, а также защитное гальваническое покрытие медью, но как показывает практика, их эффективность от случая к случаю разная. Опытные термисты еще бывает добавляют в печь уголь вместе с садкой (прям лопатой, как кочегары в позапрошлом веке), но это скорее для самоуспокоения.
Рассмотрим методы борьбы по порядку.
Вакуумная обработка
Самая чистая, беспроблемная в плане постобработки поверхности и геометрии и самая дорогая методика. Вакуумные печи – очень недешевое удовольствие, требующее помимо самой печи еще множество вспомогательного оборудования (вакуумные насосы, своя система охлаждения и т.д.). Сами печи достаточно нежные, не любят грязи и пыли, которых в термичке обычно с избытком. И еще вакуумные печи по-хорошему должны обслуживать специально обученные квалифицированные люди, с которым обычно напряжно. Помимо дороговизны процесса вакуумная обработка подходит не для всех сталей и вот почему.
При закалке стали требуется достаточно интенсивное охлаждение, которое как правило обеспечивают жидкие среды вроде воды, масла, мыльного раствора и т.д. Эти жидкости в вакууме закипят и испортят нам весь вакуум (и заодно печку, загрязнив ее собой). У термистов ходит байка о том, как нагадить соседу с вакуумным оборудованием – закинуть кусочек серы в садку. Вся прелесть в том, что отмывать печь от испарившейся и осевшей где только можно серы придется долго и скрупулезно, причем наверняка вместе с вакуумными насосами. Попахивает терроризмом, правда? Поэтому еще к вакуумной печи обязательно прилагается ультразвуковая ванная для очистки деталей от СОЖа, смазки и любой другой цеховой грязи. Процесс вакуумирования и развакуумирования печи – достаточно долгий, чтобы разогретая деталь остыла и при извлечении уже ни о какой закалке речи и идти не могло. Запустив же воздух в разогретую печь, мы сведем все плюсы вакуумирования к нулю – тут же появится окалина и все прочие прелести (вместе с целым букетом возможных поломок нашей дорогостоящей печи, которая не рассчитана на такие манипуляции). Значит охлаждать деталь мы можем только внутри самой печи. А охлаждение в вакууме возможно только излучением и имеет свои ограничения по скорости. На практике в вакуумной печи обычно обрабатывают детали из высоколегированных нержавеющих и жаропрочных сталей с жесткими требованиями по геометрии и допускам размеров. Такие стали способны закаливаться на воздухе и вакуум им самое то, что надо.
Защитные газы с науглероживающим потенциалом
Для этих целей применяются различные газы и их смеси, в том числе и эндогаз. Эндогаз – это продукт неполного окисления метана воздухом, состоит из азота, водорода и угарного газа. Первые два хорошо защищают поверхность детали от окисления, последний отвечает непосредственно за науглероживание. Печи с эндогазом – тоже довольно дорогие и сложные, оснащены генератором эндогаза с возможностью регулировки состава эндогаза, но все-таки проще и дешевле вакуумных, а также менее требовательны к чистоте в цеху. За этими печами обычно пристально следят, потому что нарушение режима работы генератора эндогаза может привести к взрыву (соответствующие требования даже в техпроцессах на термичку бывает прописывают). Дополнительный плюс этой печи – можно не только защищать поверхность детали, но и науглероживать.
Выглядит процесс термообработки в эндогазе красиво – в крышке печи предусмотрено отверстие для снятия избыточного давления эндогаза, из которого поднимается красновато-синий язычок пламени. Когда вы открываете крышку печи, то она несильно пыхает таким же красновато-синим пламенем – это выходит эндогаз из реторты печи. Используют эти печи для обработки массивных деталей из конструкционных сталей, выдержка которых длится часы и в обычных печах даст толстый обезуглероженный слой.
Использование инертных газов
Теоретически этот метод должен быть проще, безопаснее, дешевле и потому лучше, чем обработка с эндогазом. Но на практике все обстоит несколько иначе. Специальные печи с защитной средой как и печи с эногазом дорогие и весьма сложные, не редко требуют массу вспомогательного оборудования (например азотная станция, которая из воздуха получает азот и затем подает его в печь. Самой азотной станции в свою очередь требуется чиллер для охлаждения). По этому часто с молчаливого согласия производителя аргоном дооснащают печи, которые изначально на это не были рассчитаны, например камерные печи с боковой дверцей. Герметичность такой печи крайне низка, особенно в месте примыкания дверцы к стенкам, поду и своду. Соответственно для достижения какого-либо внятного эффекта задувать в такую печь аргона нужно очень много, что дорого и вообще-то не очень полезно для здоровья. Аргон – тяжелый газ и скапливается в нишах и приямках цеха, которых в термичке хватает (печи большие, утоплены в пол, всякие сервисные углубления и т.д.) и есть риск получить несчастный случай с каким-нибудь механиком, задохнувшимся в приямке, где скопился аргон.
По причине низкой герметичности же плохо работает и заброс угля вместе с садкой. В теории уголь при дефеците кислорода горит с выделением угарного газа, который должен защитить деталь. Но на практике вместо этого он просто сгорает. Может получиться даже хуже – углекислый газ, который получается при обычном сгорании угля, окисляет сталь еще сильнее, чем воздух.
Гальванические покрытия
Здесь все сильно зависит от того, какая гальваника на предприятии. Если гальваника слабая – это как правило не работает. Обычно для защиты используют меднение – покрытие тонким слоем меди. На практике медь бывает слезает, сильно окисляется сама или просто слишком пористая и пропускает кислород к поверхности стали. Еще возможен вариант с никелированием. Никелевое покрытие держится и защищает деталь значительно лучше.
Изменение припуска при финальной обработке
Это строго говоря не термический метод, но тоже рабочий. Если вы при разработке техпроцесса изготовления детали заложите припуск на финишную обработку больше, чем обезуглероженный слой, получаемый в термичке, то в финале обезуглерожка будет механически удалена и не повлияет на деталь. Но это точно прибавит работы слесарям в термичке на зачистку детали перед контролем. Ведь прежде чем деталь выпустят из термички, контролеры должны убедиться в ее надлежащей твердости.
Ну что же, дело к концу – можно переходить к десерту.
Интересно то, что сталь с низким и высоким содержанием углерода травится по-разному. Что такое травление? Это обработка отшлифованной (в идеале отполированной) поверхности стали кислотами. Применяется для изучения микроструктуры под микроскопом. Разница заключается в том, что чем больше углерода, тем темнее сталь после травления (разница в фазовом составе и травимости различных фаз, но это другая история). Если у вас травленый шлиф образца с обезуглероживанием, то для определения последнего не нужно даже микроскопа – его легко увидеть по светлой кайме у поверхностного слоя (шлиф обычно делают на сечении детали, а не на ее поверхности). Для того, чтобы это увидеть не обязательно шлиф полировать, оно и на шлифованной поверхности видно будет. Как этим можно воспользоваться? Берем заготовку из высокоуглеродистой стали (например У10, т.е. вполне подойдет обычный советский ржавый напильник) и закидываем его на сутки в печь с температурой 850 градусов. За это время наш напильник сильно обезуглеродится на глубину где-то 1-2 мм, что нам и нужно. Спустя сутки извлекаем, даем остыть и дальше – на слесарку. При вытачивании клинка получается срез внешних обезуглероженных и внутренних высокоуглеродистых слоев. Дальнейшее травление даст рисунок, весьма похожий на тот, что можно получить, сварив ковкой пакет из малоуглеродистых обкладок и высокоуглеродистой начинки – оно и понятно, по сути то же строение клинка, только получено иным путем (если не брать во внимание размер зерна, цементитную сетку и кристаллографическую ориентацию волокон в стали, которая получается при ковке. Но кто это сможет определить на глаз, хе-хе?) Разница заключается главным образом в четкости границ между слоями – в случае с обезуглерожкой она более размытая и опытный юзер/мастер может понять, что дело не чисто. Еще вас может выдать отсутствие непроваров, которые в кованом ламинате не такое уж редкое явление. Придется косплеить очень опытного кузнеца, путать всякими терминами про многослойную ковку (в трехслойном ламинате, ага) и т.д. Дальше все зависит от того, как в целом хорошо вы выполнили слесарку изделия и от того, как хорошо подвешен ваш язык. На сколько я знаю (за рынком давно не слежу) кованый ламинат в 2-3-10-20 раз дороже обычной черняхи (сильно зависит от имени мастера, качества слесарки и наглости продавца). Можно просто таким незатейливым способом получать различный рисунок на клинке, особенно если поиграться с какими-нибудь обмазками (а такие есть) или еще чем-нибудь, не пытаясь косить под кузнеца. К сожалению тогда вам придется исправлять структуру заготовки, полученной столь долгой выдержкой, а это довольно затратный процесс. Или не исправлять, но тогда ваше изделие будет годиться только для хранения на полке.
На этой жизнерадостной ноте ваш покорный слуга откланивается и благодарит за внимание!
Автор: Андрей Ножовский
