Ступенчатая закалка

Ступе́нчатая зака́лка — вид термообработки, при котором сталь после нагрева до температуры закалки быстро охлаждают в горячей среде, имеющей температуру несколько выше точки мартенситного превращения Мп (обычно 180—250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе или в холодном масле[1].

Впервые закалка в горячей среде была описана Д. К. Черновым. В 1885 г. в известном докладе «О приготовлении стальных бронепробивающих снарядов» Д. К. Чернов сообщил, что снарядная сталь при закалке в расплаве свинца с оловом приобретает такую же твёрдость, как и при закалке в холодной воде[2].

Процессы

В ходе процесса выдержки температура по всему поперечному сечению выравнивается, причём продолжительность этого процесса является фиксированной. При этом температура выдержки не должна приводить к аустенитному превращению и формированию бейнита. Зато в ходе воздушного охлаждения происходит мартенситное превращение, хотя и в меньшей степени, чем при непрерывной закалке. При этом доля остаточного аустенита возрастает. Ступенчатая закалка характеризуется меньшим короблением (это связано с почти одновременным протеканием мартенситного превращения по всему сечению изделия) и меньшей склонностью к трещинообразованию. Кроме того, в ходе мартенситного превращения наблюдается рост прочности стали и её пластичности[2].

Такое разупрочнение происходит во время мартенситного превращения и используется при последующей правке изделий. Такая правка выполняется, как правило, под прессом, в период охлаждения на воздухе после закалки[3].

Одним из частных случаев ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, но при температуре несколько ниже точки мартенситного превращения. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита ещё невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя[4].

Параметры нагрева и охлаждения

Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи точки мартенситного превращения (на 20—50°С выше неё) в области высокой устойчивости переохлаждённого аустенита, а выдержку осуществляют при температуре несколько выше этой точки[3]. Этот диапазон находится между первой и второй ступенями распада (например, для быстрорежущих сталей он составляет 500—550 °С). При ступенчатой закалке в качестве горячих сред используются минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей[5].

Применение

Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8—10 мм. Если изделия имеют более крупный размер, скорость охлаждения в среде с температурой выше точки мартенситного превращения будет ниже критической скорости закалки. В этом случае происходит распад аустенита на фазы, не содержащие мартенсит. Поэтому для изделий диаметром 15—40 мм из углеродистых сталей закалку ведут в средах с температурой ниже точки мартенситного превращения (160—110 °С). Этот процесс сопровождается более высокой скоростью охлаждения и образованием значительного количества мартенсита. Правка изделия при таком режиме обработки затруднена[2].

Ступенчатая закалка изделий из легированных сталей, которые характеризуются меньшей критической скоростью охлаждения, является более простым вариантом для таких материалов. Этот процесс, к примеру, широко применяется при обработке инструментов и деталей машин из шарикоподшипниковой и хромистой стали (ШХ15, ХВГ и 9ХС). Для крупных изделий из легированных сталей такое снижение температуры закалочной среды не требуется[3].

Преимущества и недостатки

Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закалка через воду в масло, и даёт более стабильные результаты. Мартенситное превращение в этом случае происходит одновременно по всему объёму и приводит к снижению закалочных напряжений, а также выравниванию температуры по сечению изделия. Ещё одно важное преимущество — поддержание аустенитной фазы в стали при температуре «ступеньки».

После завершения процесса ступенчатой закалки изделие временно сохраняет пластичность, которая может быть даже повышена в момент мартенситного превращения. В это время изделие может быть эффективно подвергнуто правке для устранения коробления, чаще всего под прессом, что весьма существенно для тонких и длинных изделий[3].

Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8—90 мм толщиной). При ступенчатой закалке изделий большего сечения процесс охлаждения в горячей среде идёт медленно, и происходит эвтектоидный распад аустенита. Реально максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, составляет 10 мм, легированных — 20—30 мм[4].

Примечания

  1. ↑ Лопухов Г. А., Цирульников В. А., Куманин В. И., Фонштейн Н. М., Глинков Г. М., Ковалева Л. А., Самаров В. Н., Крашенинников А. И. Толковый металлургический словарь. Основные термины. — М.: Русский язык, 1989. — С. 87. — 480 с.
  2. ↑ 1 2 3 Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1983. — С. 214. — 360 с.
  3. ↑ 1 2 3 4 Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986. — С. 273—274. — 400 с.
  4. ↑ 1 2 Афонин В. К., Ермаков Б. С., Лебедев Е. Л., Пряхин Е. И., Самойлов Н. С., Солнцев Ю. П., Шипша В. Г. Металлы и сплавы. Справочник. — СПб.: НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья», 2003. — С. 448—449. — 1090 с.
  5. ↑ Соколов К. Н., Коротич И. К. Технология термической обработки и проектирование термических цехов. — М.: Металлургия, 1988. — С. 40. — 384 с.

Литература

  • Большая российская энциклопедия. Статья «Закалка» / Отв. ред. С. Л. Кравец. — М.: Большая российская энциклопедия, 2014. — Т. 10. — 767 с.
  • Блантер М. С., Кершенбаум В. Я., Мухин Г. Г., Новиков В. Ю., Прусаков Б. А., Пучков Ю. А. Металлы. Строение. Свойства. Обработка (многоязычный толковый словарь) / Под научной редакцией В. Я. Кершенбаума и Б. А. Прусакова. — Москва: Наука и техника, 1999. — С. 361. — 712 с. — ISBN 5-900359-31-X.
  • Теплухин Г. Н., Гропянов А. В. Металловедение и термическая обработка. — СПб.: СПбГТУ РП, 2011. — С. 59. — 172 с.
  • Жадан В. Т., Полухин П. И., Нестеров А. Ф., Вишкарёв А. Ф., Гринберг Б. Г. Материаловедение и технология материалов. — М.: Металлургия, 1994. — С. 129. — 624 с.
  • Малинов Л. С. Повышение механических свойств сталей экологичной ступенчатой закалкой за счёт получения в структуре метастабильного остаточного аустенита. Металлургия машиностроения. 2020. № 1. С. 36—41.
  • Каблов Е. Н., Белов Е. В., Трапезников А. В., Леонов А. А., Зайцев Д. В. Особенности упрочнения и кинетика старения литейного алюминиевого высокопрочного сплава на основе системы Al-Si-Cu-Mg. Авиационные материалы и технологии. 2021. № 2 (63). С. 24—34.
  • Майсурадзе М. В., Куклина А. А., Юровских А. С., Назарова В. В,. Антаков Е. В. Особенности превращения переохлаждённого аустенита в высокопрочной стали при реализации ступенчатой закалки. Металлург. 2023. № 11. С. 66—74.