Как избежать деформации при термообработке ответственных самодельных деталей: приемы закалки и отпуска

При нагреве заготовок для упрочнения их структуры всегда существует риск коробления. Наибольшая вероятность изгиба появляется у длинных и тонких деталей, а также у элементов с резкими перепадами сечения. Чтобы минимизировать изменения геометрии, нужно выбирать способ погружения и среду охлаждения, которые обеспечат равномерный отвод тепла.

В селитровых ваннах нагрев проводится при температуре 220–550 градусов в зависимости от требуемого отпуска. Состав ванны обычно включает смесь натриевой и калиевой селитры. Для равномерного прогрева необходимо поддерживать постоянное перемешивание. В случае с инструментом из углеродистой стали целесообразно нагрев при 240–280 градусов для удаления внутренних напряжений.

Чтобы избежать коробления в процессе закалки из селитровой среды, деталь вводят плавно, удерживая вертикальное положение. Ванна должна быть достаточно глубокой, чтобы исключить контакт с дном. При выходе из нее изделие охлаждают в масле или на воздухе в зависимости от толщины.

Свинцовые ванны применяют при температурах 350–550 градусов. Они удобны тем, что обеспечивают быстрый и равномерный прогрев даже деталей сложного профиля. Погружение производится медленно, чтобы исключить образование пузырьков. Для закалки пружинных элементов часто используют нагрев в свинце до 830–860 градусов с последующим охлаждением в масле.

Главное при работе со свинцовой средой — равномерное распределение температуры по объему. Перегретые участки провоцируют искривления после охлаждения. Чтобы этого не допустить, необходимо периодически перемешивать расплав железным стержнем. Детали небольшой толщины лучше прогревать недолго, чтобы избежать перегрева кромок.

Песчаные засыпки применяются для замедленного охлаждения и снятия остаточных напряжений. При отпуске длинных прутков их закладывают в нагретый песок и выдерживают до равномерного распределения тепла. Такой способ эффективен для снятия внутренних напряжений после резкой закалки в воде. Для тонких сверл применяют песчаную засыпку с температурой 180–220 градусов, что уменьшает хрупкость.

Чтобы минимизировать изгибы, используют прием симметричного нагрева. Детали с переменным сечением перед погружением в охлаждающую среду прогревают дольше в массивных местах. Это позволяет выровнять температурное поле и уменьшить внутренние напряжения. В случае с топорами или зубилами толстую часть выдерживают на огне дольше, чем режущую кромку.

Допустимые отклонения температуры нагрева зависят от марки стали. Для У8 или У10 диапазон закалки составляет 770–800 градусов. Для легированных инструментальных сталей, например ХВГ, требуется 820–850 градусов. Перегрев на 20–30 градусов вызывает рост зерна, что усиливает коробление при охлаждении.

При отпуске после закалки нужно выдерживать одинаковую скорость нагрева для всех элементов. Если разница превышает 50 градусов, появляются напряжения, провоцирующие трещины. Поэтому в селитровой ванне важно использовать термометр и регулярно перемешивать соль.

Толщина слоя охлаждающей среды тоже влияет на качество. При закалке мелких резцов в свинце глубина расплава должна быть не меньше 70 мм, а при обработке массивных матриц — от 120 мм. Для селитровой ванны минимальная высота столба — 80 мм, иначе дно будет охлаждать деталь неравномерно.

Нередки случаи, когда деталь изгибается уже на этапе нагрева. Чтобы этого избежать, применяют графитовые подставки или подвес на проволоке. В песчаной засыпке используют контейнеры из жаропрочной стали, которые исключают контакт с открытым пламенем и способствуют равномерному прогреву.

Если речь идет о мелком инструменте, допустимо сочетать разные среды. Так, резцы сначала прогревают в селитровой смеси до температуры отпуска, а затем для равномерного остывания помещают в сухой песок. Это снижает вероятность растрескивания при резком охлаждении.

Для валов или осей длиной более 200 мм часто применяют двойное охлаждение. Сначала их погружают в масло до температуры около 200 градусов, затем переносят в горячий песок. Такой прием уменьшает разницу температур по сечению и снижает остаточные напряжения.

Для контроля прямолинейности используют механическую фиксацию. Деталь закрепляют в направляющих, выдерживают в ванне и охлаждают в зажиме. Этот способ особенно эффективен при обработке пружинных пластин толщиной до 4 мм. При правильной фиксации вероятность изгиба снижается более чем в два раза.

При отпуске в селитровой среде практикуется выдержка не менее 30 минут для каждой 10 мм толщины. Так, для режущих вставок 20 мм требуется минимум час. Недостаточная выдержка приводит к неравномерной структуре и появлению изгиба при дальнейшей эксплуатации.

В песчаных засыпках полезно использовать кварцевый песок с зерном 0,3–0,5 мм. Он лучше удерживает температуру и равномерно распределяет тепло. Для ускорения прогрева контейнеры устанавливают в печь при 250–300 градусов и выдерживают до стабилизации температуры.

В свинцовых ваннах для уменьшения окисления поверхности иногда добавляют слой буры толщиной около 5 мм. Это позволяет сохранить чистоту поверхности и исключить образование окалины. Поверхность детали остается ровной, что снижает вероятность искривления.

При термообработке длинных лезвий применяют метод попеременного охлаждения. Заготовку погружают в охлаждающую среду частями, чередуя с выдержкой на воздухе. Такой прием снижает внутренние напряжения. В случае с ножами из стали 65Г кромку охлаждают быстрее, а обух выдерживают дольше в тепле.

Для деталей, где геометрическая точность особенно важна, целесообразно использовать песок с постепенным охлаждением после свинцовой ванны. При этом деталь нагревается до требуемой температуры в расплаве, затем сразу помещается в горячий песок с температурой около 200 градусов и остывает равномерно.

В кузнечной практике часто прибегают к локальному нагреву отдельных зон. Если нужно сохранить прямолинейность длинного стержня, центральную часть прогревают слабее, чем концы. Такой прием выравнивает напряжения. В случае с зубилами или пробойниками полезно нагревать ударную часть на 20–30 градусов выше, чем рабочую.

Общее правило — чем равномернее нагрев и охлаждение, тем меньше вероятность искривления. Поэтому ванны с расплавленными средами предпочтительнее открытого пламени. Селитра, свинец и песок обеспечивают устойчивый температурный фон, что особенно ценно для самодельных деталей, где запас прочности ограничен.