2. Нормализация

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей выше А_с3 , а заэвтектоидных выше А_cm на 50…60 ⁰С (рис. 6.1), выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, горячей прокатке, ковке и штамповке. После нормализации структура сильно зависит от толщины стенки изделия. Для изделий средних размеров получаем следующие структуры.

Доэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и избыточный феррит. Причем с увеличением углерода в стали количество избыточного феррита становиться все меньше, а в сталях 0,6% углерода и выше его совсем не будет, то есть получим квазиэвтектоид, и твердость при этом на 10…15% повышается.

Эвтектоидная сталь – сорбит пластинчатый.

Заэвтектоидные стали – сорбит пластинчатый и вторичный цементит. Но этот цементит хрупкую сетку по границам зерен не дает, так как охлаждение по сравнению с отжигом ускоренно, то есть не в печи, а на воздухе.

Нормализация по сравнению с отжигом обеспечивает более высокую твердость и прочность, а, вследствие измельчения зерна, сохраняет достаточную пластичность и вязкость. Поэтому нормализация очень широко применяется в машиностроении как окончательный вид термообработки.

Применение. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) – (у них в структуре много мягкого феррита, а перлита или сорбита очень мало) нормализация применяется вместо полного отжига. Это дешевле и проще, так как охлаждение проходит на воздухе. При этом твердость будет немного выше, но поверхность при обработке резанием будет чище. Для высокоуглеродистых сталей применять нормализацию вместо полного отжига нельзя, так как будет слишком много сорбита и обработка резанием будет затруднена;

Для среднеуглеродистых сталей (0,3…0,5% С) нормализацию применяют вместо улучшения, когда получают структуру сорбит отпуска зернистый с повышенной ударной вязкостью. Улучшение – это дорогой вид обработки, и применяется для ответственных деталей автомобиля, работающих с высокими ударными нагрузками (шатун, коленчатый вал и др.). Если же деталь работает с невысокими ударными нагрузками, то дешевле применять нормализацию (охлаждение на воздухе), но при этом получают сорбит пластинчатый, у которого вязкость ниже.

Для заэвтектоидных сталей нормализация применяется для разрушения хрупкой сетки вторичного цементита перед закалкой и неполным отжигом.

3. Закалка

Закалка – самый распространенный и в то же время наиболее сложный вид термообработки. Доэвтектоидные стали нагревают выше линии А_с3, заэвтектоидные – выше А_с1 на 30…50 ⁰С (рис. 6.1), выдерживают и затем быстро охлаждают со скоростью выше , например для углеродистой стали – в воде, а для легированной – в масле.

Углеродистые стали. Вода в качестве охлаждающей среды обеспечивает охлаждения детали со скоростью выше критической скорости закалки , и при этом получаем структуру, состоящую из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (рис. 6.3). При охлаждении же изделий в масле часть аустенита переходит в троостит, а нераспавшийся аустенит при дальнейшем охлаждении переходит в мартенсит. В результате получим структуру мартенсита и нежелательного более мягкого троостита. Это неполная закалка, так как охлаждение было со скоростью ниже .

Легированные стали. Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают диффузию. При этом уменьшается и скорость охлаждения в масле будет выше , т.е. имеет место полная закалка.

Цель закалки – повысить твердость, то есть получить структуру мартенсит, чтобы повысить износостойкость детали.

Выбор температуры под закалку. Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали и в первую очередь от содержания углерода. Доэвтектоидные стали надо нагревать до температур выше A_с3 на 30…50 ⁰С, при этом сталь приобретает структуру аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью выше превращается в мартенсит.

Рис. 6.3. Микроструктура мартенсита (светлый фон – остаточный аустенит)

В доэвтектоидных сталях, нагретых под закалку до температур выше А_с1, но ниже А_с3, после закалки наряду с мартенситом сохраняется избыточный феррит. Присутствие этого феррита снижает твердость стали после закалки, что нежелательно. Поэтому такая неполная закалка для доэвтектоидных сталей, как правило, не применяется.

Нагрев доэвтектоидных сталей до температур значительно выше А_с3 приводит к росту зерна аустенита. Поэтому после закалки мы получим крупноигольчатый мартенсит с низкой ударной вязкостью, что нежелательно.

Заэвтектоидные стали нагревают под закалку до температур выше A_с1 на 30…50 ⁰С, где находится аустенит и вторичный цементит. После закалки из аустенита мы получаем мартенсит, а цементит вторичный в виде хрупкой сетки по границам зерен сохраняется, что нежелательно, так как зерна по этой сетке в процессе эксплуатации изделий (это в основном режущий инструмент) выкрашиваются. Для устранения хрупкой сетки вторичного цементита перед закалкой проводят нормализацию.

Нагрев заэвтектоидных сталей под закалку до температур выше А_cm не применяю так как:

1) из крупного зерна аустенита получается крупноигольчатый мартенсит с очень низкой ударной вязкостью;

2) после закалки от этих температур получается много аустенита остаточного, что резко снижает твердость. Это связано с тем, что аустенит, переходящий в мартенсит, при закалке от температуры выше A_с1 или выше A_cm, содержит разное количество углерода. При закалке от температур выше A_с1 на 30…50 ⁰С, исходя из правила коноды, в аустените содержится около 0,8% углерода и соответственно остаточного аустенита будет мало. При закалке же, например, стали У12 (1,2% С) от температур выше A_cm аустенит будет содержать 1,2% углерода, а не ~ 0,8%, и поэтому аустенита остаточного будет больше – до 40%;

3) цементит вторичный тверже мартенсита (у мартенсита 65 HRC, а у цементита 70 HRC), поэтому нет смысла от него избавляться, особенно если его перед закалкой проведена нормализация для разрушения его хрупкой сетки.

Скорость нагрева под закалку определяется конфигурацией изделий и химическим составом стали.

Для высокоуглеродистых сталей, крупных изделий, изделий со сложной конфигурацией и высоколегированных сталей скорость нагрева должна быть небольшой, в противном случае возникают большие внутренние напряжения, приводящие к короблению и даже трещинообразованию. В этом случае изделия нагревают медленно, вместе с печью.

Для мелких изделий, особенно с простой конфигурацией, применяют ускоренный нагрев, то есть детали загружают в предварительно нагретую печь. Иногда используют нагрев в расплавленных солях.

При нагреве, особенно при температуре выше 550 ⁰С, сталь интенсивно окисляется и выгорает углерод с поверхности, что нежелательно. Поэтому нагрев ведут в защитных средах: расплавленных солях, газовых защитных смесях, в расплавленном свинце (в жидком состоянии низкая адгезия со сталью) или в вакууме.

Виды закалочных сред:

для углеродистых и малолегированных сталей – вода и водные растворы NaOH или NaCl

для средне- и высоколегированных сталей те же закалочные среды, а так же масло, воздух и расплавленные соли.

Способы закалки. В промышленности наиболее широко используется следующие способы закалки (рис.103): непрерывная, прерывистая, ступенчатая и изотермическая.

Непрерывная закалка – это закалка в одном охладителе. Преимущество: простота проведения закалки. Недостаток: в области температур мартенситного превращения скорость охлаждения большая и возникают большие внутренние напряжения при переходе аустенита в мартенсит. Применение: для небольших изделий простой фирмы (болты, гайки, муфты и т.п.), где не учитываются внутренние напряжения.

Прерывистая закалка – это закалка в двух средах. До 300…350 ⁰С ведут охлаждение в воде, а затем детали быстро перебрасывают в менее интенсивный охладитель, например в масло или на воздух. Преимущество: в области температур мартенситного превращения скорость охлаждения замедленна, и уменьшаются внутренние напряжения при переходе аустенита в мартенсит. Недостаток – нужна высокая квалификация термиста. Обычно используют метод пробных закалок на максимальную твердость с тем, чтобы определить время, когда надо перебрасывать детали из воды в масло. Применение: для изделий сложной конфигурации.

Ступенчатая закалка. Охлаждение до 250…300 ⁰С и выдержка в ванне из расплавленных солей или щелочей. Иногда охлаждения и выдержку проводят в горячем масле с температурой 150…180 ⁰С (для крупных деталей, чтобы увеличить охлаждающую способность закалочной среды и прокалить деталь насквозь).

Выдержку в ванне проводят с целью выровнять температуру на поверхности детали и в сердцевине, то есть снять внутренние термические напряжения, чтобы затем при замедленном охлаждении на воздухе мартенситное превращение пошло более или менее равномерно на поверхности и в сердцевине детали, и тем самым уменьшить напряжения, связанные с переходом аустенита в мартенсит.

Ступенчатая закалка применяется в основном для легированных сталей и для углеродистых сталей, но только для изделий небольшого размера (диаметром до 10…12 мм).

Изотермическая закалка. Проводится точно так же, как и ступенчатая закалка, но только выдержка в ванне дается большей. После такой закалки получают хороший комплекс механических свойств, то есть высокую твердость и прочность при хорошей пластичности и вязкости. Изотермическая закалка применяется только для легированных сталей.

Закалка не является окончательной термической обработкой. Чтобы уменьшить хрупкость и внутренние напряжение, вызванные закалкой за счет увеличения объема, а так же получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

4. Отпуск

Отпуск стали всегда следует после закалки. После отпуска сталь приобретает требуемые физико-механические свойства. Кроме того, чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются внутренние напряжения. Последующее охлаждение должно быть медленным, чтобы эти внутренние напряжения вновь не возникали.

Различают следующие виды отпуска (рис. 6.1):

Низкий отпуск 150…200 ⁰С. Получаем структуру мартенсит отпуска. Цель низкого отпуска: снять внутренние напряжения без снижения твердости. Такому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент, а также детали после цементации и поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ).

Средний отпуск 350…500 ⁰С. После такого отпуска получаем структуру троостит отпуска. Цель среднего отпуска – повысить предел упругости. Такому отпуску подвергаются рессоры и пружины. После среднего отпуска получаем твердость 40…50HRC.

Высокий отпуск 550…650 ⁰С. После высокого отпуска получаем структуру сорбит отпуска, который имеет зернистое строение и характеризуется повышенной ударной вязкостью.

Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением, так как улучшается ударная вязкость.