1.3.Нормализация стали.

При нормализации сталь нагревают выше температуры A_С3 или A_С1 на З0-50°С, рис. 15а. После выравнивания темпе­ратуры по всему сечению детали охлаждаются на спокойном воз­духе. Таким образом, по режиму нормализация является проме­жуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является получение мелкозернистой одно­родной структуры; устранение цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали; частично снятие внутренних напряжений и наклепа; для улучшения штампуемости и обрабатываемости резанием. Нормализация иногда является также предваритель­ной операцией перед окончательной термической обработкой. Низкоуглеродистая сталь после нормализации имеет мелкозер­нистую структуру феррита и перлита. Поэтому нормализация этих сталей обычно используется вместо отжига с фазовой пе­рекристаллизацией как более экономичная термическая обра­ботка. Структура среднеуглеродистой стали после нормализации состоит из феррита и сорбита, поэтому прочность и твердость её выше, чем после отжига этих сталей.

Таким образом, нормализация по режиму может быть предварительной, промежуточной и окончательной термической обработкой детали.

1.4.Закалка стали

Как было установлено ранее, при закалке сталь нагревается выше критической температуры и затем охлаждается со ско­ростью равной или выше критической, необходимой для полу­чения неравновесной структуры мартенсита закалки. Структура мартенсит закалки характеризуется повышенной концентрацией внутренних напряжений и высокой твердостью, значение которой зависит от количества углерода в стали. Эта опе­рация термической обработки является весьма распространен­ной и наиболее ответственной. В связи с этим необходимо уде­лить особое внимание правильному выбору основных парамет­ров технологии закалки.

Выбор температуры закалки производится в зависимости от температуры критических точек. При этом доэвтектоидные ста­ли нагреваются выше точки А_С3 на З0-40°С. Нагрев этих сталей выше точки Ас₁, но ниже А_С3 недопустим, ибо при после­дующем охлаждении со скоростью больше или равной критической образуется смесь структур мартенсита закалки и феррита. Из-за низкой твердости феррита (80 НВ) твердость стали после закалки будет существенно понижена. Для заэвтектоидных сталей является оптимальной температура нагрева выше точки Ас₁ на 50-70°С. После охлаждения со скоростью больше или равной критической образуется структура мартенсита закалки и вторичного цементита. При таком сочетании структурных составляющих обеспечивается максимальная твердость стали после закалки, так как твердость цементита (750 НВ) даже выше, чем твердость мартенсита высокоуглеродистой стали (700 НВ). Необходимо учитывать, что при нагреве выше Ас₁ заэвтектоидных сталей (при непол­ной закалке) оптимальные результаты будут получены только в том случае, если вторичный цементит имеет зер­нистую (сфероидальную) форму. Выделения цементита в виде сетки по границам зерен недопустимы, так как заэвтектоидная сталь после закалки в этом случае будет хрупкой. Поэтому заэвтектоидные стали для получения качественной исходной струк­туры перед закалкой обязательно подвергаются сфероидизирующему отжигу. Твердость мартенсита закалки зависит от содержания углерода (рис. 18).

Рис. 18 Изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1- нагрев выше Ас₃, 2- твердость мартенситной структуры (по А.П.Гуляеву), 3- нагрев выше Ас₁

Рис.19 – Оптимальный интервал закалочных температур для сталей с различным содержанием углерода на диаграмме состояния Fe-C

На рис. 19 приведены области оптимальных температур для закалки углеродистых сталей с разным количеством углерода.

Как видно из рис. 18 (3) твердость заэвтектоидной стали после неполной закалки с увеличением количества углерода несколь­ко повышается. Это объясняется тем, что увеличивается количе­ство очень твердого цементита в структуре после закалки.

Выбор температуры для закалки легированных сталей про­изводится по данным из справочников. Что касается скорости нагрева и нагревательных сред при закалке, то здесь необходимо руководствоваться данными, кото­рые были рассмотрены в начале этой главы.

Скорость охлаждения при закалке. Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью выше критической для получения структуры мартенсита. Критическая скорость закалки V_K для данной стали опреде­ляется по термокинетической диаграмме.

При больших скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению или растрескиванию деталей. Поэтому нужно иметь ясное пред­ставление о механизме образования внутренних напряжений, чтобы успешно их регулировать и предотвращать образование брака

Закалочные среды и способы закалки стали

Целью закалки является получение мартенситной структуры. Имея ввиду влияние режимов охлаждения на внутренние на­пряжения, необходимо сделать вывод, что оптимальным режи­мом охлаждения при закалке для стали с представленной на рис. 20 С-образной кривой превращения аустенита является режим 1.

Во избежание распада аустенита в области образования троостита скорость охлаждения в интервале температур 650-400°С должна быть высокой. Вместе с этим в интервале температур мартенситного превращения ниже Мн (300-200°С) скорость охлаждения должна быть низкой. Это необходимо для снижения фазовых напряжений и для предотвращения образования трещин от термических напряжений в хрупком мартен­сите.

Рис.20 Схема режимов охлаждения при различных способах закалки: 1- идеальный режим охлаждения; 2- непрерывная закалка в одном охладителе; 3- прерывистая закалка в двух средах; 4- ступенчатая закалка; 5- изотермическая закалка

Рассмотрим в какой степени наиболее распространенные охлаждающие среды (вода и масло) удовлетворяют поставлен­ным условиям.

Для жидкостей, температура кипения которых ниже темпе­ратуры охлаждаемого тела, при погружении в них нагретого тела различают три периода, которые характеризуются различ­ной интенсивностью охлаждения.

1. В первый период, после погружения нагретого тела в жидкость, вокруг него образуется паровая рубашка. Этот пе­риод называется пленочным кипением. Скорость охлаждения при пленочном кипении относительно мала.

2. Разрушение паровой рубашки создает контакт охлаждающей среды с металлом и интенсивное испарение жидкости, для чего затрачивается много тепла, и интенсивность охлаж­дения резко возрастает. Этот период пузырчатого кипения.

3. При охлаждении тела ниже температуры кипения жид­кости охлаждение осуществляется конвективным теплообменом, скорость охлаждения уменьшается.

Установлено, что пленочное кипение воды простирается на интервал температур 650-400°С и чистая вода охлаждает в этом интервале температур не с максимальной скоростью. Для ускорения охлаждения рекомендуется произ­водить перемещение изделия в воде, что улучшает теплообмен. При температурах 300-200°С происходит пузырчатое ки­пение и вода охлаждает слишком быстро. Установлено, что повышение температуры воды создает еще более неблагоприят­ные условия охлаждения при температурах 300-200°С. Небла­гоприятные условия при охлаждении в воде устраняются при использовании вод­ных растворов щелочей, солей и кислот. У этих жидкостей почти нет периода пленочного кипения, и скорость охлаждения при 300-200°С меньше, чем у чистой воды. Изменение темпе­ратуры водных растворов влияет на их охлаждающую способ­ность. Поэтому в ряде случаев рационально использовать в каче­стве закалочных сред не чистую воду, а водные растворы ще­лочей, солей или кислот.

Положительной особенностью масла является низкая ско­рость охлаждения при 300- 200°С. В ряде случаев (легиро­ванные стали) скорость охлаждении при закалке в масле при 650-400° С может быть достаточной для предотвращения рас­пада аустенита. Возможность использования масла при закалке обеспечивает уменьшение брака от трещин. Для углеродистых сталей скорость охлаждения в масле в интервале температур 650-400° С недостаточная для предотвращения распада аусте­нита.

Так как реальные охлаждающие жидкости имеют режимы охлаждения значительно отличающиеся от идеального режима (рис. 20,1) то приходится применять различные способы ох­лаждения стали при закалке, которые рассмотрены ниже.

1. Закалка в одном охладителе (простая не­прерывная закалка) режим 2, рис. 20. Этот метод наиболее прост и широко применяется. Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей большего диаметра из легированных сталей в качестве закалочной среды применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали в качестве закаливающей среды применяют воду или водные растворы щелочей. В качестве закалочных сред при этом способе рекомендуется: в инструмен­тальном производстве 5.. . 15% растворы NаС1 в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию рекомендуется 40...50%-ный раствор NаОН в воде. Эти растворы обеспечивают скорость охлаждения при температурах 750-550°С до 1400 град/сек. При температурах 300-200°С скорость их охлаждения приближается к скорости охлаждения в масле. 40-50% растворы NаОН рекомендуются для легированных сталей повышенной прокаливаемости³. Для сталей с пониженной прокаливаемоетью рекомендуются 5-15%-ные растворы NаОН.

Для крупных изделий сложной формы, изготовленных из сталей с большой устойчивостью аустенита (с высокой прокаливаемостью), типичными закалочными средами являются чи­стые минеральные масла или их смеси, например 50%-ная смесь индустриальных масел 12 и 20.

2. Закалка в двух средах (прерывистая за­калка) режим 3, рис. 20. Этот метод заключается в пред­варительном охлаждении детали в более резком охладителе (например в воде) до температуры ~ 300° С с последующим охлаждением в более мягкой среде (например в масле).

Прерывистая закалка в двух средах обеспечивает прибли­жение к оптимальному режиму охлаждения 1, рис. 20. Недо­статком прерывистой закалки является трудность установления момента переноса изделия из одной среды в другую для раз­личных изделий, имеющих, как правило, различную толщину по сечению.

3. Ступенчатая закалка. Режим 4, рис. 20. При этом способе деталь после нагрева переносят в среду с темпе­ратурой несколько выше точки температуры начала мартенситного превращения М_н, выдерживают в ней до вы­равнивания температуры по всему сечению и дальнейшее ох­лаждение осуществляют на воздухе. Средой при ступенчатой закалке при 180-200°С широко используются специальные масла, обладающие высокой температурой вспышки, и рас­плавы солей. При ступенчатой закалке превращение А→М, ввиду предварительного выравнивания температуры по сече­нию изделия, протекает по всему сечению практически одно­временно. Вследствие этого фазовые напряжения имеют ма­лую величину и уменьшается склонность к образованию трещин, снижается деформация при закалке. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: до 10- 12 мм для деталей из углеродистой стали и до 20-30 мм для деталей из легированных сталей.

4. Изотермическая закалка. Режим 5 рис. 20. Отличием этого вида закалки от ступенчатой является длитель­ность выдержки выше точки температуры начала мартенситного превращения М_н в нижней части области про­межуточного превращения. Время выдержки должно быть до­статочно для превращения аустенита в нижний бейнит. Превра­щение А→Б углеродистых сталей идет практически до конца, и в результате превращения образуется структура нижнего бейнита. При промежуточном превращении легированных сталей наряду с бейнитом сохраняется остаточный аустенит (10-20%). Такая структура обеспечивает высокую прочность, пла­стичность и вязкость стали, т. е. высокую конструктивную проч­ность. Вместе с этим значительно снижается деформация изде­лий вследствие ликвидации термических напряжений. Фазовые (структурные) напряжения также уменьшаются в связи с тем, что превращение аустенита в бейнит происходит постепенно в течение длительного времени. Поэтому для легированных сталей изотермическая закалка находит довольно широкое приме­нение.

Средой для охлаждения при изотермической закалке обычно являются расплавленные соли и щелочи разного состава. Ох­лаждение в расплавах щелочей (если нагрев под закалку про­изводить в хлористых солях) позволяет получить чистую по­верхность после термообработки. Такой способ закалки назы­вается «светлой закалкой».

5. Для закалки инструмента типа зубил, молотков, кернов, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость проводится закалка с самоотпуском.

Сущность этого способа закалки заключается в том, что изделия выдерживают в закалочной ванне до неполного ох­лаждения. Их извлекают из охладителя, когда внутренние слои еще достаточно нагреты. За счет внутреннего тепла происходит нагрев поверхностных слоев изделия до нужной температуры, т. е. самоотпуск закаливаемого изделия.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения М_к ниже 0°С. Поэтому после закалки в структуре стали наблюдается наряду с мар­тенситом остаточный аустенит, который снижает твердость и ряд других свойств стали. Для устранения остаточного аусте­нита проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур до температуры несколько ниже М_к стали. Обычно для этого используется сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом. Об­работку холодом необходимо проводить сразу после закалки, иначе аустенит стабилизируется и эффект обработки будет незначителен. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1- 4 единицы НRС. После обработки хо­лодом дают низкий отпуск.