2.2. Нормализация

Особенностями режима нормализации яв­ляются температура нагрева (на 30÷50° выше линии GSE) и охлажде-ние 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 10⁸ см^-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 А_ст – Аr₁ нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не об­разуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.

2.3. Закалка

Закалка предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. При полной закалке нагрев осуществляют на 30÷50°С выше Ас₃ или А_ст. После закалки получается мартенситная структура с некоторым количеством остаточного аустенита.

При неполной закалке сталь нагревают на 30÷50°С выше Ас₁, но ниже Ас₃ или А_ст. В этом случае в нагретом состоянии структу­ра доэвтектоидных сталей состоит из аустенита и феррита, а заэвтектоидных - из аустенита и вторичного цементита. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, твердость кото­рого зависит от содержания углерода в стали.

После неполной закалки в доэвтектоидных сталях структура состоит из мартенсита и включений зерен феррита, а в заэвтектоидных - из мартенсита и округлых включений вторичного цемен­тита. Наличие феррита в структуре закаленной доэвтектоидной стали снижает твердость, поэтому такая закалка применяется реже. Наличие избыточного цементита в структуре закаленной заэвтектоидной стали, наоборот, полезно.

Заэвтектоидные стали обычно используют для изго-товления инструмента. Важнейшим требованием, предъяв-ляемым к инст­рументальным сталям, является твердость. Твер-дость заэвтектоидных сталей после полной закалки снижается за счет значитель­ного увеличения количества остаточного аусте-нита в мартенситной структуре этих сталей. Ос­таточного аусте-нита тем больше, чем большее количество углеро­да переходит в твердый раствор при нагреве стали.

Округлые включения цементита не только не уменьшают, но даже увеличивают твердость, а следовательно, и износостойкость стали. Кроме того, поскольку нагрев ведется при температурах ниже А_ст, уменьшается рост зерна, снижаются термические на­пряжения при закалке и менее интенсивно обезуглероживается поверхность металлов.

Наиболее благоприятная структура заэвтектоидных сталей дос­тигается тогда, когда включения вторичного цементита имеют фор­му сфероидов - зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость стали. Поэтому закалке заэвтектоидных сталей должен предшест­вовать отжиг - сфероидизация. Таким образом, для доэвтектоидных сталей рационально приме­нять полную закалку, для заэвтектоидных - неполную (рис. 3.9).

Закаливаемость – это способность стали упрочняться в результате закалки. Стали, содержащие углерода менее 0,3 %, не закаливаются.

При закалке для достижения максимальной твердости стремятся получать мартенситную структуру. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превра­щения, называется критической скоростью закалки. Скорость охлажде­ния определяется видом охлаждаю­щей среды.

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 V_к, 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 V_к ). Критическая скорость закалки зависит от стабильно­сти аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством раство­ренных в нем углерода и легирующих элементов.

Рис. 3.9. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

.

Таким образом, введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость.

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).

При закалке режущего инструмента из высокоуглеро-дистой 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 - минеральном мас­ле, вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений. Такую закалку принято называть прерывистой или закалкой в двух средах.

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 крайне недо­пустимо для измерительного инструмента (скобы, пробки, шаблоны и т. д.).

Учитывая изложенные выше нежелательные явления, связанные с оста­точным аустенитом, А.П. Гуляев в 1937г. предложил обработку холодом. Сущность этой обработки 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 продолжении мартенситного превращения в стали после обычной закалки. В результате обра­ботки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры изделия, что очень важно для режущего и измерительного инструмента.

Прокаливаемость является важной характеристикой стали. При сквозной прокаливаемости по сечению изделия механические свой­ства одинаковы, при несквозной прока-ливаемости в сердцевине наблюдается снижение прочности, пластичности и вязкости ме­тала. Чем выше категория прочности, больше сечение и ответст­веннее деталь, тем большее значение имеет прокаливаемость.

При закалке в масле сквозная прокаливаемость дета­лей из среднеуглеродистой стали составляет всего лишь 3-4 мм, при закалке в воде до 10-15 мм. С увеличением размеров заго­товки прокаливаемость резко уменьшается. Так, в заготовке диа­метром до 40 мм из стали 45 при закалке в воде мартенситная структура достигается на глубине всего лишь 4 мм.

Прокаливаемость является одним из основных критериев и при выборе марки стали рассматривается наряду с ее механиче­скими свойствами, технологичностью и себесто-имостью.