Нормализация (н)

заключается в нагревании до температуры на 30—50 °С выше линии GSE, непродолжительной выдержке для прогревания и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе с целью получения мелкого зерна и равномерного распределения структурных составляющих.

Н — более экономичная операция т/ о по сравнению с полным отжигом, так как скорость охлаждения выше.

Чаще применяют как промежуточную операцию для устранения пороков строения и общего улучше­ния структуры перед закалкой, а также для смягчения стали пе­ред обработкой резанием. Таким образом, цели ее близки к це­лям отжига.

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллиза­цию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Прочность стали после нормализации получается более высокой, чем прочность после отжига, так как ускоренное охлаждение на воздухе, по сравнению с охлаждением в печи, приводит к распаду аустенита при более низких температурах.

Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

2.5.4. Закалка и отпуск стали

Закалка — термическая обработка, направленная на получе­ние в сплаве максимально неравновесной структуры и, соответ­ственно, аномальных свойств. Любая закалка включает в себя нагревание до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое охлаждение.

Отпуск — термическая операция, заключающаяся в нагрева­нии закаленного сплава ниже температуры превращения для по­лучения более устойчивого структурного состояния сплава. Цель закалки и отпуска — повышение твердости и прочности сплава.

Для доэвтектоидной стали проводится полная закалка, при которой нагревание осуществляется выше Ас_у Недогрев до тем­пературы Ас_ъ приводит к сохранению в структуре кристаллитов доэвтектоидного феррита, что при некотором уменьшении проч­ности повышает пластичность закаленной стали.

Неполной закалке подвергают заэвтектоидные стали, причем их нагревают выше температуры Ас1_г Затем и при полной закал­ке, и при неполной следует выдержка, а далее — охлаждение со скоростью, превышающей критическую, с целью получения пре­имущественно структуры мартенсита.

Неполную закалку доэвтектоидных сталей используют при термообработке только листовой низколегированной низкоугле­родистой стали для получения ферритной структуры с неболь­шими включениями мартенсита (20—30 %), что обеспечивает хо­рошую штампуемость стали.

Для заэвтектоидных сталей неполную закалку применяют из-за того, что неполное растворение цементита упрочняет сталь. Структура такой стали содержит цементит и мартенсит, а цементит тверже мартенсита.

Закаливаемость — повышение твердости стали при закалке. Твердость определяется содержанием в стали углерода. Чем больше в образующемся мартенсите углерода, тем он тверже.

Закалочные (охлаждающие) среды выбирают таким образом, чтобы обеспечить скорость охлаждения выше критической, т. е. предотвратить распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы получить заданную структуру стали. Таким образом, закалка до той или иной структуры зависит от скорости охлаждения, которая в свою очередь определяется видом и температурой охлаждающей среды.

Для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость охлаждения, применяют воду и различные водные рас­творы. Для легированных сталей, имеющих небольшую критиче­скую скорость охлаждения, — масло и воздух. Различают три по­следовательные стадии охлаждения в жидкой среде:

• пленочное кипение, когда между охлаждающей средой и ох­лаждаемой деталью возникает паровая рубашка, через ко­торую осуществляется теплопередача;

• пузырьковое кипение, когда паровая рубашка разрушается и закалочная среда вступает в непосредственный контакт с нагретой деталью. На этой стадии скорость охлаждения максимальная;

• конвективный теплоотвод, когда охлаждение происходит ниже температуры кипения закалочной среды вследствие конвекции. На этой стадии скорость охлаждения мини­мальна.

Характеристики некоторых закалочных сред приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Характеристика охлаждающих сред

Охлаждающая среда; температура, "С	Температурный ин­тервал пузырькового кипения, "С	Относительная интенсивность охлаждения в середине интер- j вала пузырькового кипения
Вода; 20	400-100	1
Вода; 40	35-100	0,7
Вода; 80	250-100	0,2
Водный 10%-ный раствор NaCl; 20	650-100	3,0
Водный 50%-ный раствор NaOH; 20	650-100	1,0
Минеральное масло; 20—200	500-250	0,3

Критическая скорость охлаждения определяет такое свойство стали, как прокаливаемость, т. е. толщину закаленного слоя с мартенситной или троостито-мартенситной структурой.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая ско­рость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита. Меньшую критическую скорость имеют легированные стали.

В результате неравномерности охлаждения при закалке воз­никают термические напряжения, которые могут вызвать короб­ление и трещины в заготовке. Уменьшить эти напряжения мож­но, регулируя скорость охлаждения. Для этого подбирают одну или две охлаждающие среды.

Существуют следующие виды закалки:

• непрерывная;

• прерывистая;

• объемная;

• поверхностная;

• ступенчатая;

• изотермическая

• (с самоотпуском;

• с обработкой холодом.

Непрерывной называют закалку с непрерывным охлаждением в одной среде.

Закалку стали с охлаждением в двух средах называют преры­вистой. Ее используют для получения структуры мартенсита и уменьшения остаточных напряжений. Сначала выполняют за­калку в среде с большей, а затем — с меньшей охлаждающей способностью.

В зависимости от того, какую часть детали подвергают закал­ке, она может быть объемной или поверхностной.

Объемной называют закалку, при которой происходят нагрев и превращения по всему объему материала.

При поверхностной закалке нагревание (превращение) проис­ходит в поверхностном слое материала. После такой закалки за­готовки имеют твердый поверхностный слой и вязкую сердцеви­ну, в результате чего заготовки почти свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.

Ступенчатой называют закалку стали с охлаждением в среде с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения, выдержкой без превращения аустенита для выравнивания температуры по всему сечению детали и после­дующим охлаждением для получения структуры мартенсита и уменьшения остаточных напряжений.

Изотермической) называют закалку стали с охла­ждением в среде с температурой выше начала мартенситного превращения, изотермической выдержкой до полного или не­полного превращения аустенита и последующим охлаждением для получения тонкопластинчатой структуры бейнита или бейнита с мартенситом. Структура бейнита по твердости близка к мартенситу, но более вязкая.

Закалка с самоотпуском — закалка стали с охлаждением только поверхности или части изделия и отпуском вследствие остаточной внутренней теплоты для получения мартенсита от­пуска или структуры продуктов распада мартенсита.

Закалка с обработкой холодом — закалка стали с продолже­нием охлаждения до температуры ниже 0°С для дополнительно­го превращения аустенита в мартенсит.

Увеличение количества мартенсита приводит к следующему:

• повышает твердость;

• увеличивает объем;

• превышает магнитные характеристики;

• стабилизирует размеры.

Нередко для обработки холодом деталь погружают в жидкий азот (температура кипения минус 196 °С). Обработку холодом производят для углеродистых и легированных сталей для получе­ния максимальной твердости.

В промышленности нашел широкое распространение такой высокопроизводительный способ закалки, как закалка токами высокой частоты. В заготовке создается электрическое поле, причем у поверхности детали его плотность наибольшая. По­верхностный слой быстро нагревается, и его сразу же подверга­ют охлаждению водой. Изменяя силу тока и время выдержки, можно регулировать толщину нагреваемого участка от долей до нескольких миллиметров.

Отпуск является конечной операцией термической обработ­ки, которую выполняют после закалки для уменьшения внутрен­них напряжений и получения более устойчивой структуры мате­риала.. Для этого заготовку нагревают до температуры ниже критической. В зависимости от температуры можно получить структуру мартенсита, троостита или сорбита.

Чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются на­пряжения в деталях. Скорость охлаждения также влияет на уровень остаточных напряжений — ее уменьшение ведет к сниже­нию остаточных напряжений. Для охлаждения после отпуска ис­пользуют воду, масло или охлажденный воздух.

Отпуск стали бывает трех видов: высокий, средний и низкий.

Высоким называют отпуск стали в интервале температур 500—680°С для получения (в зависимости от состава стали) структуры сорбита отпуска (смягчающий отпуск) или мартенси­та отпуска, характеризующегося вторичным твердением (упроч­няющий отпуск).

Сочетание операций закалки и высокого отпуска называют улучшением стали. Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляют высокие требо­вания по прочности, вязкости и пластичности.

Средний отпуск — отпуск стали в интервале температур 250—500°С для получения дисперсных продуктов распада мар­тенсита и уменьшения остаточных напряжений. Данный отпуск применяют при изготовлении пружин, рессор, штампов. Он обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости.

Низкий отпуск — отпуск стали при температуре ниже 250°С для получения мартенсита отпуска и уменьшения остаточных напряжений. При этом отпуске изменяется решетка мартенсита в результате выделения карбида железа. Твердость стали при этом не снижается, а внутренние напряжения уменьшаются, по­вышаются ударная вязкость и пластичность.

При низком отпуске заготовки выдерживают в течение опре­деленного времени в масляных или соляных ваннах.

Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и изме­рительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или хими­ко-термической обработки.

С понижением температуры отпуска твердость и прочность повышаются, а пластичность снижается.

.2.6. Поверхностное упрочнение стали

В автомобилестроении нередко требуются детали с вязкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем. Для этого приме­няют поверхностное упрочнение материала.

Способы поверхностного упрочнения:

• поверхностная закалка;

• химико-термическая обработка;

• пластическое деформирование;

• диффузионная металлизация.