Ступенчатая закалка

Ступенчатая закалка - это такой вид термообработки, при котором сталь после нагрева до температуры закалки быстро охлаждают в горячей среде, имеющей температуру несколько выше точки мартенситного превращения М_п (обычно 180—250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе или в холодном масле.

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.

Процессы в ходе ступенчатой закалки

В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по всему сечению изделия, но эта выдержка должна быть ограничена и не должна вызывать превращения аустенита с образованием бейнита. Мартенситное превращение протекает  при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются: объёмные изменения вследствие присутствия большего количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита; коробление в результате того, что мартенситное превращение протекает почти одновременно во всех участках изделия; опасность появления трещин. Во время мартенситного превращения снижается прочность стали и повышается пластичность.

Это своеобразное разупрочнение, наблюдающееся в момент мартенситного превращения, используется при ступенчатой закалке для правки изделий, склонных к короблению. Правка выполняется чаще под прессом, в период охлаждения на воздухе после извлечения их из закалочной среды.

Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, но при температуре несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя.

Параметры нагрева и охлаждения при ступенчатой закалке

Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») выбирают вблизи точки мартенситного превращения (на 20—50°С выше неё) в области высокой устойчивости переохлаждённого аустенита. Выдержку проводят при температуре несколько выше точки мартенситного превращения. Время выдержки в горячей среде (длина «ступеньки») должно быть меньше инкубационного периода при соответствующей температуре.

Для сталей, имеющих устойчивую область переохлаждённого аустенита, этот диапазон находится между первой и второй ступенями распада (для быстрорежущих сталей при 500—550 °С). При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей.

Применение ступенчатой закалки

Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8—10 мм. Скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше точки мартенситного превращения М_п  оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад на не мартенситные продукты превращения. Поэтому для более крупных изделий (диаметром 15—40 мм) из углеродистых сталей применяют закалочные среды, имеющие температуру ниже точки мартенситного превращения М_п (160—110 °С), что обеспечивает большую скорость охлаждения (горячая закалка). В этом случае деформация также меньше, но правка изделия затрудняется, так как при охлаждении до указанной температуры охлаждающей среды образуется значительное количество мартенсита.

Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются 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, т. е. горячая закалка — не требуется.

Преимущества и недостатки ступенчатой закалки

Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закалка через воду в масло, и дает более стабильные результаты. Другое важное преимущество ступенчатой закалки — выравнивание температуры по сечению изделия при выдержке в горячей среде. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, в результате чего уменьшаются закалочные напряжения. Наконец, весьма существенное преимущество — то, что сталь при температуре «ступеньки» находится в аустенитном состоянии.

После извлечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления. Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже в горячей среде неизбежно коробление. Часто используют правку вручную, но наилучшие результаты дает правка под прессом. Правка может продолжаться при охлаждении ниже точки М_п, так как непосредственно в момент мартенситного превращения (но не после его окончания) пластичность повышена.

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). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Другим недостатком является ограничение размера деталей. Максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, составляет 10 мм, легированных – 20-30 мм.

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 счет 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.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Ступенчатая закалка», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Ступенчатая_закалка» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».