Нормализация

Нормализацией называют процесс термической обработки стали, который заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 30 - 50 °С, заэвтектоидной выше Аст также на 30 - 50 °С, непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращении с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига для измельчения зерен. В тоже время за счет быстрого охлаждения по сравнению с отжигом строение перлита получается более дисперсным, а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими, особенно прочность и твердость. Кроме того для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства в этом случае будут ниже, но изделия будут подвергнуты меньшей деформации по сравнению с получаемой при закалке и вероятность появления трещин практически исключается.

Для высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали нормализацию применяют для устранения цементитной сетки (рис. 6а), которая может возникать при медленном охлаждении в интервале Аст - Аr₁ в процессе отжига. Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 – 650 °С) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность первых двух операций выше, чем одного отжига. Это обусловлено тем, что нормализация более дешевая термическая операция по сравнению с отжигом, так как печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации, а охлаждение осуществляется на воздухе, вне печи.

Закалка стали

Закалкой называют процесс термической обработки материалов, который заключается в их нагреве выше критических точек и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при медленном охлаждении. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

Инструментальную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности, вязкости (параметров вязкости разрушения), а для ряда деталей также и получения высокой износостойкости.

На результат закалки оказывают влияние следующие факторы: нагрев (температура нагрева при закалке и скорость нагрева до температуры закалки, выдержка при температуре закалки) и охлаждение от температуры закалки.

- Нагрев. Выбор температуры нагрева под закалку зависит от содержания углерода в сталях (рис. 8).

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше верхней критической точки Ас₃, т.е. выше линии GS диаграммы железо – цементит. При таком нагреве исходная феррито - перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. При этом под критической скоростью закалки (Vкр) понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит (см. рис. 5).

Рис. 8. Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше нижней критической точки Ac₁, т.е. выше линии SK диаграммы «железо – цементит». Так как эта линия горизонтальная и coответствует температуре 727 °С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760 - 790 °С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит. Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время пребывания стальных деталей в нагревающей среде, состоит из двух слагаемых: времени нагрева до заданной температуры и времени выдержки при температуре.

Время нагрева деталей до заданной температуры зависит от температуры нагрева, степени легированности стали, конфигурации деталей, мощности и типа печи, величины садки, способа укладки деталей и других факторов.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

Например, для нагрева, включая и выдержку, круглых деталей из углеродистых сталей при закалке рекомендуются следующие нормы времени: в пламенной печи - 1 мин на 1 мм сечения; в соляной ванне - 0,5 мин на 1 мм сечения. Время нагрева деталей из легированной стали увеличивается на 25 - 50%.

- Охлаждение. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Охлаждение при закалке должно обеспечивать получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической скорости закалки) в интервале температур Аr₁ – М_Н для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращения и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения М_Н - М_К. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к резкому увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. Особенно опасны растягивающие напряжения, которые в условиях временного снижения сопротивления пластическим деформациям стали в период превращения могут вызвать трещины. В то же время слишком медленное охлаждение в интервале температур М_Н - М_К. может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали. Обычно для закалки используют воду; водные растворы солей, кислот и щелочей; масла; воздух; расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном, среднем и конечном периодах охлаждения и подразделяется на три стадии: стадия пленочного кипения, стадия пузырчатого кипения, стадия конвективного теплообмена.

Стадия пленочного кипения характеризуется образованием вокруг охлаждаемом детали паровой пленки, отделяющей раскаленную поверхность от всей массы жидкости, и поэтому скорость охлаждения на данной стадии сравнительно невелика. Пленочное кипение устойчиво при высоких температурах охлаждаемой поверхности.

Стадия пузырчатого кипения наступает при более низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, создается непосредственный контакт жидкости с деталью; при кипении жидкости возникают многочисленные пузырьки пара, которые, отрываясь, уносят значительное количество тепла, в связи с чем охлаждение происходит с большой скоростью.

Стадия конвективного теплообмена наступает при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости. Скорость теплоотвода в этой стадии низка и охлаждение протекает с небольшой скоростью.

Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550 - 650 °С и в 28 раз быстрее при 200° С. Поэтому вода при меняется для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (детали из легированных сталей пли низкоуглеродистых сталей при тонких сечениях).

Основным недостатком воды как охладителя является высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. При нагреве воды ее закаливающая способность снижается в области высоких температур (550 - 650° С), а скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей и кислот значительно увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти полностью исключается стадия пленочного кипения). Положительным является также то, что эти растворы при низких температурах в мартенситном интервале охлаждают медленнее, чем вода.

В случае использования при закалке воды и водных растворов солей или щелочей во избежание появления на поверхности изделия зон с пониженной скоростью отвода тепла обычно создают либо циркуляцию этих охладителей, либо перемещают изделия относительно охладителя. Это разрушает паровую рубашку и ускоряет теплоотвод.

Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, в случае поверхностной закалки.

Как указано выше, масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается в том, что вследствие повышенной температуры кипения (250 - 300° С), более высокой температуры перехода от пузырчатого кипения к конвективному теплообмену оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, и поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Преимуществом масла является также то, что закаливающая способность не изменяется с повышение температуры масла (до 150 - 200 °С). Недостатки масла – это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть и закаливающая способность его понижается.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки за счет образования мартенситной структуры. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троостито - мартенситной структурой на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. При закалке стали в зависимости от сечения детали и критической скорости закалки получается различная структура от края к сердцевине.

Так как внутренние слои детали охлаждаются медленнее наружных, то в тех объемах, где скорость охлаждения меньше критической, образуется бейнит, троостит, сорбит или перлит. Если сердцевина охлаждается со скоростью, большей критической, то по всему сечению детали образуется мартенситная структура. В соответствии с изменением скорости охлаждения и структуры от края к сердцевине изменяется и твердость (рис. 9). Следовательно, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость, и наоборот, чем больше критическая скорость закалки, тем меньше прокаливаемость.

Характеристикой глубины прокаливаемости принято считать расстояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50 % мартенсита и 50 % троостита).

Рис. 9. Распределение твердости по сечению закаленного образца:

D - диаметр образца. h – толщина закаленной зоны

(глубина прокаливаемости)

Прокаливаемость зависит от химического состава стали, а каждая марка стали имеет минимум и максимум содержания входящих в нее элементов. Поэтому обычно прокаливаемость стали данной марки характеризуется не одной, а двумя кривыми: одна - для верхнего, а другая - для нижнего предела содержания элементов, и тогда получается так называемая полоса прокаливаемости (рис. 10).

Расстояние от охлаждаемого торца

Рис. 10. Полосы прокаливаемости сталей 40Х и 40

На прокаливаемость оказывают влияние скорость охлаждения, однородность структуры, температура нагрева, величина аустенитного зерна, исходная структура. С увеличением скорости охлаждения прокаливаемость увеличивается; при неоднородной структуре, например, не полностью растворившихся карбидах и неметаллических включениях, которые являются центрами кристаллизации, прокаливаемость снижается; повышение температуры нагрева приводит к росту зерна, получению более однородной структуры и в связи с этим к увеличению прокаливаемости.

Способы закалки. Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.

- Закалка в одном охладителе. (рис. 11, кривая 1) - наиболее простой способ. Нагретую до определенных температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. При этом для углеродистых сталей диаметром более 2 - 5 мм закалочной средой служит вода, а для меньших размеров и для многих легированных сталей закалочной средой является масло. Для более сложных деталей следует применять другие способы закалки.

Время, сек →

Рис. 11. Кривые охлаждения при различных способах закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита

- Прерывистая закалка (в двух средах) (рис. 11, кривая 2). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки М_Н, а затем быстро переносят в менее интенсивый охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. В результате охлаждения во второй закалочной среде уменьшаются внутренние напряжения которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения.

- Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают с тем, чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество тепла. Под действием теплообмена температура в более сильно охладившихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины - происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск). Нередко в сердцевине остается больший запас тепла, чем это требуется для самоотпуска. Тогда во избежание излишнего разогрева поверхности изделие вновь погружают в закалочную среду. Сердцевина в случае закалки с самоотпуском имеет более низкую твердость, чем поверхностные слои.

Закалку с самоотпуском применяют для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.

- Ступенчатая закалка (рис. 11, кривая 3). При выполнении закалки по этому способу сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_Н (обычно 180 - 250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по всему сечению изделия, но эта выдержка должна быть ограничена и не должна вызывать превращения аустенита с образованием бейнита. Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8 - 10 мм. Скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше точки М_Н оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад на немартенситные продукты превращения.

- Изотермическая закалка (рис. 11, кривая 4). В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки М_Н, столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита с образованием структуры бейнита. Обычно температура изотермического распада аустенита лежит в интервале 250 - 350 °С. В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью. Продолжительность выдержки в закалочной среде определяется временем превращения аустенита при данной температуре (её находят по диаграмме изотермического распада аустенита для данной стали).

- Закалка с обработкой холодом. Сущность этого метода обработки заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температуры ниже +20° С, но в интервале М_Н - М_К. для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Обработка холодом целесообразна только для тех стилей, у которых точка конца мартенситного превращения М_К расположена при температурах ниже комнатной. Для углеродистых сталей обработка холодом целесообразна для сталей при содержании углерода более 0,6%. Обработка холодом является частью общего цикла термической обработки и проводится - немедленно после закалки, так как перерыв в охлаждение стабилизирует аустенит и уменьшает эффект обработки. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры деталей. Наиболее распространенным охладителем является смесь из твердой углекислоты (сухой лед) с ацетоном ( -78 °С).