Нормализация

Нормализация – вид термической обработки, при которой сталь нагревается выше критических точек с последующим охлаждением до 20 ⁰С на спокойном воздухе (V₂, см. рис. 2). Охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при большем переохлаждении, чем при отжиге. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида и более мелкое эвтектоидное зерно, что вызывает повышение прочности стали. Нормализация – менее длительная и более дешевая операция, чем отжиг, т.к. термическая печь не занята под охлаждение.

Назначение нормализации. Нормализация горячекатаной стали измельчает зерно и повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Выбор температур нормализации. Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 3050⁰ С, а заэвтектоидной стали выше Ас_m также на 3050⁰ С (рис. 3), непродолжительной выдержки для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. У заэвтектоидных сталей ускоренное охлаждение на воздухе в межкритическом интервале (Ас_m – Ас₁) препятствует выделению сетки из вторичного цементита вокруг зерен аустенита, а следовательно, понижению свойств сплава.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, чем при отжиге, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры. После нормализации образуется мелкодисперсная феррито-цементитная смесь, называемая – сорбитом.

Скорость охлаждения при нормализации находится в пределах 20 – 50⁰С/мин.

Нормализация повышает на 10 – 15% прочность и твердость средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

При охлаждении стали в потоке воздуха (V₃, см. рис. 2), где скорость охлаждения достигает 80⁰ С/сек образуется самая дисперсная феррито-цементитная смесь – троостит. Чем дисперснее получаемая структура, тем выше ее прочность и твердость (перлит имеет твердость НВ 180230, сорбит – НВ 250350, троостит – НВ 350  500). Феррито-цементитные структуры (перлит, сорбит, троостит) получаемые прямым распадом переохлажденного аустенита имеют пластинчатое строение.

Закалка

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Скорость охлаждения при закалке должна быть достаточно велика (выше V_кр, см. рис. 2), чтобы при понижении температуры не произошел диффузионный распад аустенита. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Для получения требуемых механических свойств, сталь после закалки чаще всего подвергают отпуску.

Назначение закалки. Конструкционную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения прочности, твердости, вязкости, а для ряда деталей также и для высокой износостойкости. Инструментальную сталь закаливают для повышения твердости, прочности, износостойкости.

Выбор температур закалки. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку берется на 30 – 50⁰ С выше Ас₃, а для заэвтектоидных сталей на 30 – 50⁰ С выше Ас₁ (рис. 5). После выдержки стали, проводится быстрое охлаждение (30  200⁰ С/сек) до температур, при которых отсутствует диффузионный распад (V₄, см. рис. 2). Для закалки применяют следующие охлаждающие жидкости: воду, масла (минеральные), расплавленные соли и расплавленные металлы. В результате закалки аустенит превращается в мартенсит. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит характеризуется игольчатым, пакетным или пластинчатым строением (рис. 6), высокой твердостью (НВ 600  700), большой хрупкостью и наличием высоких внутренних напряжений.

Р исунок 5. Участок диаграммы железо – углерод с оптимальным интервалом температур нагрева под закалку углеродистых сталей

Рисунок 6. Микроструктура мартенсита

Нагрев доэвтектоидной стали выше Ас₁, но ниже Ас₃ сохраняет в закаленной стали феррит, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает ее механические свойства после отпуска. Поэтому неполная закалка, т.е. нагрев выше Ас₁, но ниже Ас₃ для доэвтектоидных сталей обычно не применяется.

Для заэвтектоидных сталей, наоборот, оптимальная температура закалки лежит в интервале Ас₁ – Ас_m, т.е. оптимальной является неполная закалка. Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях; например, включения избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас₃ опасен и не нужен, так как он не ведет к повышению твердости (твердость даже несколько падает за счет растворения избыточного цементита и увеличения количества остаточного аустенита). Кроме того, происходит рост зерна аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности.

Особенность кинетики мартенситного превращения состоит в том, что оно развивается лишь при непрерывном охлаждении в интервале температур М_Н – М_К (рис. 2). Каждой температуре в этом интервале отвечает определенная степень превращения. В высокоуглеродистых сталях мартенситное превращение не происходит до конца, поэтому в их структуре присутствует определенное количество остаточного аустенита. Таким образом, структура закаленной стали представляет собой: мартенсит + аустенит остаточный (рис. 6).