1.5.3. Нормализация стали
При нормализации сталь нагревают до температуры А3, плюс 30 — 50°С или Ат плюс 30 — 50°С, выдерживают и затем охлаждают на спокойном воздухе. При нормализации из-за более быстрого охлаждения, чем при отжиге, происходит некоторое переохлаждение аустенита, в результате распада которого получается перлит тонкого строения, механические свойства, особенно ударная вязкость, повышаются. Для многих изделий из малоуглеродистых сталей нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. Интервалы рекомендуемых температур нагрева при различных видах отжига и нормализации приведены на рис. 1.5.2.
1.5.4.Закалка стали
Цель закалки — получение неравновесных структур и более высоких механических свойств — твердости, прочности, упругости, износостойкости. Закалку осуществляют нагревом стальных деталей до температур выше критических, выдерживанием при этих температурах и последующим быстрым охлаждением в воде, минеральном масле и других резких охлаждающих средах.
Охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры является определяющим при закалке. При охлаждении стали ниже температуры А1 происходит обратное полиморфное превращение, т.е. решетка аустенита (ГЦК) перестраивается в решетку феррита (ОЦК) и при этом растворимость углерода уменьшается в 40 раз (с 0,8 до 0,02). Если охлаждение происходит медленно, то “лишний” углерод успевает выйти из решетки феррита и образовать цементит. В результате формируется структура феррито-цементитной смеси. Если же охлаждение производится быстро, то после полиморфного превращения углерод остается вследствие подавления диффузионных процессов в решетке ОЦК. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе, который называется МАРТЕНСИТОМ. Перенасыщенность мартенсита углеродом создает в его решетке большие внутренние напряжения, которые приводят к искажению ее формы и превращению из кубической в тетрагональную.
Получить структуру мартенсита (или закалить сталь) можно только в том случае, если обеспечить скорость охлаждения больше или равную критической (Vкр),чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур.
КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ закалки или минимальная скорость охлаждения Vкр – это скорость, при которой аустенит переходит в мартенсит. Если же скорости охлаждения будут меньше Vкр, при распаде аустенита превращения протекают диффузионно с образованием перлитных продуктов различной дисперсности, то есть образуются феррито-цементитные смеси троостит, сорбит и перлит.
На рис.1.5.3 изображена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали с так называемыми С-образными кривыми. На этой диаграмме отражена зависимость образования различных структур эвтектоидной стали от скорости охлаждения.
Рис.1.5.3. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали со схемами микроструктур и их примерной твердостью: 1 – кривая начала диффузионного распада аустенита; 2 – кривая конца диффузионного распада аустенита; Мн – линия начала мартенситного превращения; Vкр – критическая скорость охлаждения.
Температура и скорость нагрева. Температура нагрева стали при закалке определяется главным образом содержанием в ней углерода.
Доэвтектоидные стали нагревают на 30—50° С выше АС3. При таком нагреве получается аустенитная структура, которая при последующем быстром охлаждении превращается в мартенсит. Такую закалку называют полной. При неполной закалке о нагревом стали до температур выше АС1, но ниже АСз конечная структура будет состоять из мартенсита и феррита. Последний снижает твердость закаленной стали, поэтому является нежелательным.
Для закалки заэвтектоидных сталей их нагревают на 20—30° С выше АС1; при такой температуре сталь имеет структуру, состоящую из аустенита и нерастворившихся полностью зерен цементита. При быстром охлаждении происходит А М превращение, а цементит в структуре сохранится. Следовательно, после закалки заэвтектоидные стали имеют структуру мартенсита с включением зерен цементитной фазы. Такую закалку называют неполной. Цементит тверже мартенсита, поэтому неполная закалка заэвтектоидных сталей обеспечивает максимальную твердость.
При полной закалке заэвтектоидных сталей с нагревом выше Ат в их структуре наряду с мартенситом будет остаточный аустенит, имеющий твердость значительно ниже твердости мартенсита.
Перегрев стали при закалке приводит к получению крупноигольчатого мартенсита пониженной твердости, к короблению деталей, образованию закалочных трещин и обезуглероживанию, т. е. к выгоранию углерода в поверхностных слоях деталей.
Нагрев необходимо вести с возможно большими скоростями и минимальной выдержкой при заданной температуре, обеспечивающей, однако выравнивание температуры по всему сечению закаливаемых изделий и завершение фазовых превращений. Чем меньше металл испытывает высокие температуры в процессе закалки, тем меньше поверхностное окисление, обезуглероживание и тем мельче структура мартенсита и выше свойства стали.