2.9.2. Нормализация.

Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева (на 30 – 50° выше линии GSE, рис. 2.11) и охлаждение на спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены специфическими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05 – 0,25% С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельчение зерна у литых и кованых заготовок.

Так как охлаждение на воздухе обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, то продукты его распада оказываются более дисперсными, а плотность генерируемых дислокаций приближается к 10⁸см ^-2. Вследствие этого нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами.

В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Ас_m – Аr₁) нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.

Нормализация – метод термической обработки стали, при котором сталь нагревают на 30 – 50° выше линии GSE диаграммы состояния системы железо – цементит и охлаждают на спокойном воздухе, что приводит к измельчению зерна у литых и кованых заготовок.

2.9.3. Закалка.

В общем понимании закалка – метод термической обработки, включающий нагрев до температуры более высокой, чем температура фазового превращения, выдержка при заданной температуре и быстрое охлаждение, после которого фиксируется состояние сплава, соответствующее более высокой температуре.

В отношении сталей исторически сложившееся понятие закалка предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что, прежде всего, выражается в повышении твердости стали. К закалке можно отнести термообработку на сорбит, , бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу.

Закалку на мартенсит принято считать истинной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

В связи с этим истинная закалка по сравнению с другими ее видами получила более широкое применение как предварительная обработка перед следующим за ней отпуском. Режим истинной закалки включает нагрев до температуры на 30 – 50° выше линии GSK (рис. 2.11) и охлаждение со скоростью не ниже критической.

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т. е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше величина критической скорости закалки, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка, поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличения расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении может оказаться меньше критической скорости закалки. Критическая скорость закалки зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенных в нем углерода и легирующих элементов. Введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость.

Прокаливаемость принято оценивать с помощью специальных цилиндрических образцов по глубине залегания в них полумартенситного слоя при охлаждении торца нагретого образца струей холодной воды. Полумартенситным принято считать слой стали, содержащий 50 % мартенсита (М) и 50 % тростита (Т).

Поскольку изменение скорости охлаждения от поверхности вглубь детали зависит от температуры и рода охлаждающей среды, то при оценке прокаливаемости следует учитывать и эти факторы.

Одной из целей легирования конструкционных сталей является уменьшение критической скорости закалки и получение сквозной прокаливаемости изготовленных из них деталей при закалке не только в воде, но и в более мягких охлаждающих средах: масле, теплой воде, на воздухе. От резкости охлаждающей среды зависит уровень термических и фазовых напряжений и вероятность образования трещин в детали или ее коробления. При закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды.

При закалке режущего инструмента из высокоуглеродистой стали с целью уменьшения внутренних напряжений применяют охлаждение в двух средах. При этом кратковременным в течение нескольких секунд охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше точки М_Н. Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде, например в минеральном масле, вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений. Такую закалку принято называть прерывистой или закалкой в двух средах.

Обработка холодом. При закалке в обычных охлаждающих средах в стали наряду с мартенситом сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем большее, чем ниже точка М_К.

У высокоуглеродистых сталей и, особенно, у сталей с достаточно высоким содержанием легирующих элементов точка М_К лежит ниже комнатной температуры, а зачастую и ниже 0°С. В связи с этим при обычной закалке в них сохраняется много остаточного аустенита. Его наличие снижает твердость закаленной стали и ее теплопроводность, что для режущего инструмента является особенно нежелательным.

В течение определенного времени остаточный аустенит претерпевает фазовые превращения, приводящие к изменению размеров изделия. Это недопустимо для мерительного инструмента, такого как скобы, пробки, шаблоны.

Сущность обработки холодом состоит в том, что для устранения остаточного аустенита после обычной закалки изделие помещают в холодильную камеру с температурой, равной или близкой к точке М_К обрабатываемой стали (обычно около -80 °С). При этом продолжается мартенситное превращение, и она приобретает структуру мартенсита с минимальным количеством неизбежно сохраняющегося остаточного аустенита.

Таким образом, суть обработки холодом состоит в продолжение мартенситного превращения в стали после обычной закалки. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры изделия, что очень важно для режущего и мерительного инструмента.

Закалка стали (на мартенсит) – метод термической обработки стали, при котором сталь нагревается до температуры на 30 – 50° выше линии GSK диаграммы состояния железо - цементит и охлаждается со скоростью не ниже критической, что позволяет получить мартенситную структуру стали.

Рис. 2.12 Фотографии процессов закалки деталей на воздухе (слева) и опусканием в масло (справа).