Нормализация и закалка стали. Закалочные напряжения. Способы охлаждения при закалке.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры можно получить только в том случае, если в сплавах имеются превращения в твёрдом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твёрдых растворов, распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектоидной реакции. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения (особенно – с эвтектоидным превращением). Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо из-за понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящей к измельчению зёрен, образующих эвтектоидную смесь.

Нормализация (термообработка) — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве её выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе с целью придания металлу однородной мелкозернистой структуры (не достигнутой при предыдущих процессах — литьё, ковке или прокатке) и как следствие — повышение его механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений. [1]

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях возрастает перепад температур по сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений. [2]

Хотя закалочные напряжения действительно существуют, трудно предположить, что они могут вызвать увеличение предела текучести в семь раз. [3]

Формирование временных и остаточных закалочных напряжений в детали происходит под действием температурных полей, изменяющихся в процессе закалки. Поэтому для исследования напряжений необходимо уметь рассчитывать температуру в любой точке детали для любого момента времени. [4]

Отпуск снижает закалочные напряжения. После отпуска следует охлаждение на воздухе, в период которого происходит превращение в мартенсит той части аустенита, которая сохранилась в стали в результате прерванного охлаждения. [5]

Охлаждение при закалке может производиться различными способами. Наиболее широко применяется охлаждение в масле. Для уменьшения опасности появления закалочных трещин перед погружением инструмента в масло рекомендуется произвести его подстуживание до температур 900 - 1000°. Обычно инструмент охлаждают в масле до температур 150 - 200°, а затем - на спокойном воздухе. Температуру инструмента при извлечении его из масла можно определить по внешним признакам: если масло на поверхности инструмента слегка дымится, значит он имеет температуру 200°; если же масло дымится сильно, это значит, что температура инструмента превышает 200° и его нужно снова погрузить в масло. Необходимую твердость и красностойкость инструмента из быстрорежущей стали можно получить и при охлаждении его на воздухе. Однако, как показывает практика, режущие свойства инструмента в этом случае хуже, чем при закалке в масле.

Хорошие результаты в смысле уменьшения деформации инструмента дает ступенчатая закалка. При этом способе обработки изделия охлаждают в течение 10-20 мин. в селитровой ванне, нагретой до температур 450 - 550°, и затем окончательно охлаждают в масле или на спокойном воздухе. Этот способ применяют для инструментов небольших сечений, а также сложной формы. На рижском заводе «Автоэлектроприбор» резцы и дисковые фрезы из стали Р18 подвергались термической обработке по следующему режиму: нагревались до температуры 1270°, охлаждались 10-15 мин. в селитровой ванне при температуре 530° и затем на воздухе после закалки применялся двукратный отпуск. В результате указанной обработки твердость инструмента составляла HR = 62 - 66. Как резцы, так и дисковые фрезы показали большую стойкость в работе.

Применяется также изотермическая закалка инструментов из быстрорежущей стали. При этом изделия охлаждаются в течение 20 - 60 мин. в соляной ванне температурой 200 - 300° и затем на воздухе. После закалки структура быстрорежущей стали содержит около 50% легированного мартенсита, 30 - 40% легированного остаточного аустенита и некоторое количество карбидов, которые при нагреве не перешли в аустенит. Твердость быстрорежущей стали после правильной закалки должна быть Нд = 60 - 63. Более высокая твердость чаще всего является результатом недогрева инструмента при закалке. Для проверки этого инструмент подвергают дополнительному отпуску при температуре 560°. Если действительно имел место недогрев, то твердость инструмента после отпуска значительно снизится.