3. Нормализация

Нормализационный отжиг (нормализация) включает нагрев доэвтектоидной стали до температуры, на 30...50 °С превышающей Ас₃, а заэвтектоидной – на 30...50 °С превышающей Ас_ст, изотермическую выдержку и охлаждение на спокойном воздухе. Ускоренное охлаждение при нормализации позволяет получить более дисперсную (измельченную) структуру стали, что приводит к повышению ее твердости и прочности по сравнению со сталью, подвергнутой полному отжигу. Поскольку температуры нагрева под нормализацию весьма высоки, во избежание значительного роста зерна металла выдержка должна быть минимальной, но обеспечивающей равномерный нагрев изделия по всему сечению.

Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектойдных сталях при подготовке их к закалке. Учитывая более высокую производительность нормализации по сравнению с полным и неполным отжигом, их часто заменяют ей при подготовке углеродистых сталей к механической обработке.

4. Закалка

Закалка – термическая обработка, включающая нагрев стали выше критических температур, изотермическую выдержку и последующее охлаждение со скоростью выше критической (v_кр).

Критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждение, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали. Изменяя скорость охлаждения нагретых сталей, имеющих аустенитную структуру, и варьируя тем самым степень переохлаждения, можно получать стали с различными структурой и свойствами (рис. 2).

Так, при небольших скоростях охлаждения в интервале температур 720...550 °С из аустенита образуются пластинчатые ферритно-цементитные смеси (перлит, сорбит или троостит). По мере увеличения скорости охлаждения дисперсность смеси, неравновесность структуры стали, а следовательно, ее твердость и прочность возрастают. При охлаждении со скоростью выше критической из аустенита образуется мартенсит, представляющий собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в решетку α-Fe. На v_кр влияют также вид охлаждающей среды, размер зерна и легирующие элементы.

Рис. 2. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита с наложенными на нее кривыми охлаждения

По возрастанию интенсивности охлаждения применяемые в практике термической обработки охлаждающие среды можно расположить так:

• минеральные масла,

• вода,

• водные растворы солей, кислот, щелочей.

Для закалки углеродистых сталей предпочтительны вода или водные растворы солей. Идеальный охладитель при закалке такой, который не допускает распада аустенита на перлитные структуры, обеспечивая максимальную скорость охлаждения в интервале температур А_I - М_II и минимально допустимую в мартенситном интервале, что исключает появление значительных внутренних структурных и термических напряжений, коробления, трещин. Недостатки воды как охладителя: высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале и резкое падение охлаждающей способности при ее нагреве. Минеральные масла лишены этих недостатков, но характеризуются в несколько раз меньшей охлаждающей способностью. Поэтому их целесообразнее применять для охлаждения легированных сталей, критическая скорость закалки которых меньше, чем углеродистых.

При расчете продолжительности нагрева τ_н под термическую обработку можно руководствоваться табл. 1. Продолжительность изотермической выдержки (τ_в) принимают чаще всего равной 1/5 от общей продолжительности нагрева.

Закалку доэвтектоидных сталей, включающую нагрев до температур выше А_с3, т. е. в аустенитное состояние, называют полной. Для заэвтектоидных сталей используют неполную закалку, при которой сталь, нагретая до температуры, несколько превышающей A_c1 приобретает структуру А + Ц_II, при охлаждении претерпевает лишь превращение А→М, т.е. частичное (неполное) изменение структуры. Сохранение некоторой доли твердого и износоустойчивого цементита вторичного способствует повышению прочностных свойств стали. Полная закалка заэвтектоидных сталей с нагревом до температур, превышающих Ас_ст, приводит к повышению содержания в них аустенита остаточного и ухудшению свойств закаленных сталей.

Таблица 1

Ориентировочная продолжительность нагрева стальных изделий

Тип нагревательного устройства	Температура нагрева, °С	Продолжительность нагрева (с)на 1 мм диаметра изделия из стали
		углеродистой	легированной
Пламенная печь	800…900	60…70	65…80
Электропечь	770…820 820…880	60…65 50…55	70…75 60…65
Соляная ванна	770…820 820…880	12…14 10…12	18…20 16…18

Неполная закалка для доэвтектоидных сталей нежелательна, так как после нее наряду с твердым мартенситом сохраняется мягкий избыточный феррит. В промышленности в зависимости от характера охлаждения применяют различные способы закалки: в одном или двух охладителях, струйчатую, ступенчатую, изотермическую, с самоотпуском. Во избежание коробления или образования трещин вследствие высоких внутренних напряжений, возникших при закалке, в дальнейшем сталь подвергают отпуску.