Дефекты отжига и нормализации.

Дефекты отжига и нормализации возникают вследствие нарушения режимов нагрева и охлаждения, а также из-за отрицательного влияния атмосферы в рабочем пространстве печи. К этим дефектам относятся перегрев и пережог (см. выше), а также окалинообразование и обезуглероживание поверхности стали, или напротив, ее науглероживание. Чаще всего эти дефекты возникают при использовании для термообработки устаревшего печного оборудования. В то же время использование современных автоматизированных камерных печей с регулировкой режимов нагрева и охлаждения, а также с непрерывным контролем и регулировкой печной атмосферы практически полностью исключают возможность образования указанных дефектов термообработки.

Закалка.

При объемной термообработке применяют два вида закалки: закалку без полиморфного превращения и закалку с полиморфным превращением. При закалке без полиморфного превращения не происходит сильное упрочнение и резкое снижение пластичности. Основное назначение этого вида закалки – получение пересыщенного твердого раствора без перестройки его кристаллической решетки. При последующем старении за счет частичного распада этой фазы происходит упрочнение сплава. Закалке и старению подвергают дюралюмины, силумины, малоуглеродистые стали, магниевые сплавы.

Главной особенностью закалки с полиморфным превращением является перестройка кристаллической решетки и образование мартенсита, как в сталях, так и в ряде других сплавов. При закалке стали аустенит – твердый раствор углерода в Fe_γ превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_α. При этом превращении происходит перестройка кристаллической решетки Fe_γв решетку Fe_α, и такую закалку называют также закалкой на мартенсит. Этот вид закалки является основным методом упрочняющей обработки стальных деталей машин и инструментов. В результате их закалки на мартенсит происходит сильное упрочнение с одновременным резким снижением пластичности. Сразу после закалки проводят тот или иной вид отпуска.

Основными параметрами закалки являются температура нагрева, время выдержки, и скорость охлаждения. В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали. Полной закалке подвергают доэвтектоидные конструкционные стали, а неполной – заэвтектоидные инструментальные. Температура нагрева при полной закалке выше A_С3на 30…50°С, а при неполной выше A_С1 на 30…50°С (рис.24).

Рис.24.	Температуры ( )нагрева при закалке доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

Целью нагрева стали до указанных температур является аустенитизация – образование аустенитной структуры, которая после выдержки и охлаждения со скоростью больше критической (V_ОХЛ≥V_КР) превращается в мартенсит закалки.

Скорость нагрева зависит от химического состава стали, формы и размеров деталей. Нагрев стали с повышенным содержанием углерода и легирующих добавок должен вестись с пониженной скоростью, также как и нагрев под закалку крупных изделий сложной формы. Это необходимо, чтобы избежать при нагреве возникновения значительных тепловых напряжений, которые могут вызвать коробление и даже растрескивание изделий.

Время нагрева определяют в зависимости от массы закаливаемых изделий, их размеров, а также типа печи. При нагреве в электропечах время нагрева определяют из соотношения 1мин/1мм сечения детали, при нагреве в соляных ваннах из расчета 15сек/1мм сечения, а при нагреве в расплавленном металле (свинце) – 7сек/1мм сечения. По достижении заданной температуры нагрева проводят выдержку для полного прогрева деталей по сечению, завершения фазовых превращений и выравнивания химического состава аустенита по объему детали. Время выдержки устанавливают равным 20% от времени нагрева.

После выдержки проводят охлаждение изделий в закалочной среде для получения мартенситной структуры. Скорость охлаждения должна быть не меньшей, чем критическая скорость закалки для данной стали (V_ОХЛ≥V_КР.ЗАК). Критическая скорость закалки углеродистых сталей весьма велика и может достигать несколько сотен °С/сек. Поэтому для охлаждения этих сталей при закалке используют холодную воду или водные растворы (соляные, щелочные, полимерные), которые обеспечивают требуемую скорость охлаждения. Критическая скорость закалки легированных сталей значительно меньше по сравнению с углеродистыми: от нескольких °С/сек до нескольких десятков °С/сек. Поэтому в качестве охлаждающих сред при закалке изделий из легированных сталей используют минеральные масла. Их охлаждающая способность значительно меньше, чем у воды, но достаточна, чтобы обеспечить требуемую скорость охлаждения.

Закалочные среды должны обеспечивать высокую скорость охлаждения при температурах минимальной устойчивости переохлажденного относительно А₁ аустенита (650…500°С) (рис.25), чтобы исключить его превращение в перлит. В то же время в интервале температур мартенситного превращения (М_Н…М_К) целесообразным является замедленное охлаждение, чтобы снизить внутренние напряжения (тепловые и структурные) во избежание деформации и растрескивания изделий. Главный недостаток воды – большая скорость охлаждения в мартенситном интервале, поэтому охлаждение в воде производят при закалке деталей простой конфигурации из углеродистых и низколегированных сталей, после чего сразу проводят отпуск.

Минеральные масла медленно охлаждают в мартенситном интервале (главное преимущество), и также медленно в перлитном (основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки легированных сталей с хорошей прокаливаемостью, что подразумевает высокую устойчивость аустенита в интервале температур 650…500°С.

Таким образом, универсальной закалочной жидкости, быстро охлаждающей в перлитном интервале, но медленно в мартенситном, нет. Поэтому в большинстве случаев применяют закалку в одной среде – воде или масле (рис.26, линия1), в зависимости от критической скорости закалки стали и ее прокаливаемости. Но для ряда деталей машин и инструментов применяют комбинированные способы охлаждения при закалке. В связи с этим различают: закалку в двух охлаждающих средах (прерывистую), ступенчатую и изотермическую закалку (рис.24).

Рис.25	1 – непрерывная закалка (в одной среде); 2 – прерывистая (в двух средах); 3 – ступенчатая; 4 – изотермическая; - область перлитного превращения; - область промежуточного (бейнитного) превращения; - область мартенситного превращения.

При комбинированных способах реализуются высокая скорость охлаждения в перлитном интервале и замедленная в мартенситном. При прерывистой закалке (линия2) деталь вначале погружают в воду и после короткой выдержки переносят в масло. Быстрое охлаждение в воде предотвращает перлитное превращение, а охлаждение в масле снижает внутренние напряжения в мартенситном интервале. Такое охлаждение применяют при закалке режущего инструмента из углеродистой стали с небольшой прокаливаемостью.

При ступенчатой закалке (линия 3) нагретое до закалочной температуры изделие помещают в емкость с горячей средой, температура которой на 20…30°С выше точки М_Н, и после выдержки при этой температуре охлаждают либо на воздухе, либо в холодном (20°С) минеральном масле. Горячей средой, в которой производят выдержку, может быть минеральное масло, расплав щелочи или селитры. Мартенситное превращение происходит одновременно по всему сечению изделия, т.к. при выдержке в горячей среде температура по сечению изделия выравнивается. Ступенчатой закалке чаще подвергают изделия сечением до 30мм из легированных сталей, например шарикоподшипниковых (ШХ-15) или инструментальных (ХВГ, 9ХС). Применение ступенчатой закалки для углеродистых сталей ограничено изделиями сечением не более 8…10мм из-за малой устойчивости к перлитному распаду аустенита в интервале температур 650…500°С.

Изотермической закалке подвергают легированные стали (например, 30ХГС). Ее проводят также, как и ступенчатую, с той лишь разницей, что за время более продолжительной выдержки происходит превращение аустенита в бейнит (линия4, рис.25). Структура стали после такой закалки состоит из нижнего бейнита, который по свойствам близок к мартенситу, и остаточного аустенита (до 20%), в результате сталь приобретает повышенную прочность (σ_{в до 1650МПа}), сочетающуюся с высокой ударной вязкостью (до 60-70Дж/см²) и низкой чувствительностью к надрезам. Значительно уменьшается деформация изделий из-за резкого снижения в них внутренних напряжений.

Дефекты закалки.

При закалке в изделиях внутренние закалочные напряжения, которые условно делят на тепловые и структурные. Тепловые напряжения возникают вследствие неодновременного охлаждения поверхности и сердцевины изделия при закалке. Структурные напряжения обусловлены неодновременным превращением аустенита в мартенсит по сечению детали и увеличением объема стали. Наибольшее увеличение объема наблюдается у эвтектоидной стали (1,13%), поэтому она наиболее склонна к короблению и растрескиванию при закалке.

Тепловые и структурные напряжения возникают и проявляются при закалке одновременно, и их действия необходимо суммировать. Если тепловые напряжения превышают структурные, то в поверхностных слоях изделия преобладают сжимающие напряжения. Однако чаще структурные напряжения превышают тепловые, и в результате преобладают растягивающие напряжения. Если их величина превышает значение предела текучести σ_0,2, то возникает дефект закалки, называемый короблением. Если величина растягивающих напряжений превышает значение предела прочности σ_вр, то происходит образование закалочных трещин. Следовательно, для предупреждения коробления и закалочных трещин нужно уменьшить структурные напряжения путем снижения температуры закалки и скорости охлаждения в мартенситном температурном интервале. Кроме того, при конструировании детали следует минимизировать по возможности количество конструкционных концентраторов напряжений: резких переходов от толстого сечения к тонкому, отверстий, пазов, канавок и т.п.

Окисление и обезуглероживание поверхности изделий происходит при нагреве стали в пламенных или электрических печах без защитных газовых сред. Для предотвращения этих дефектов закалки следует использовать современное печное оборудование с защитными газовыми средами, а также вакуумные печи или соляные печи – ванны.

Еще одним дефектом закалки является недостаточная поверхностная твердость после закалки. Причинами возникновения этого дефекта являются нарушения технологии закалки: либо недостаточная температура нагрева (недогрев), либо заниженная скорость охлаждения. При нагреве до температуры ниже A_С1 не происходит аустенитизация, вследствие чего при любой скорости охлаждения мартенсит не образуется. При нагреве доэвтектоидных сталей до температуры вышеA_С1, но ниже A_С3 в структуре сталей наряду с аустенитом будет феррит, который не закаливается на мартенсит. Его наличие в структуре стали после закалки заметно снижает ее твердость. Для того, чтобы исключить недогрев или перегрев при закалке, следует применять современные печи с автоматической регулировкой и контролем температуры нагрева.

Заниженная скорость охлаждения при закалке (V_ОХЛ<V_КР.ЗАК) обусловливает образование немартенситных структур – тростита или сорбита, которые резко снижают твердость стали. Для устранения указанной технологической погрешности следует использовать закалочные баки достаточной емкости с интенсивным перемешиванием охлаждающей жидкости. При исчерпании ресурса охлаждающей жидкости ее следует заменять.