Нормализация стали

Принцип большинства технологий термической обработки подразумевает нагрев и выдержку сталей и охлаждение, что изменяет их строение. Несмотря на один принцип и сходные цели, каждая из них имеет определенные температурные и временные режимы. Термообработка может служить и в качестве промежуточного этапа, и выполнять роль окончательного технологического процесса. В первом случае такие методы используются для подготовки материала к последующей обработке, а во втором данным способом придают новые свойства.

Нормализацией стали называют процесс нагрева, выдержки материала, его последующего охлаждения на воздухе.

В результате формируется нормализованная структура. Этим объясняется название данного способа обработки.

Нормализация применяется для разных сталей, а также отливок. К тому же данной операции подвергают для измельчения структуры материала сварные швы.

Суть процесса

Процедура нормализации выглядит следующим образом. Деталь разогревают до температур, которые превышает максимально допустимые параметры (Ас1, Ас3) на 30 – 50 градусов Цельсия, затем, какое-то время ее выдерживают под воздействием этой температуры, после чего ее охлаждают.

Подбор температуры выполняют, руководствуясь маркой стали. Так, сплавы содержащие 0,8 % углерода так называемые заэвтектоидные, обрабатывают при температурах, лежащих между критическими точками Ас1 и Ас3.

Что такое критические точки – так называют температуры, при которых происходят фазовые изменения и структуры сплава при его нагреве или охлаждении.

Результатом этого становиться то, что в твердый раствор попадает некоторый объем углерода и закрепляется аустенита. То есть, на свет появляется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Именно цементит приводит к росту стойкости к износу и твердости. Нагрев высокоуглеродистой стали свыше ас3 приводит к тому, что увеличиваются внутренние напряжения. Это происходит из-за того, что растет количество аустенита, в следствии роста концентрации углерода.

Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве свыше критической точки Ас3 приобретает повышенную вязкость. Это происходит потому что в стали этого типа появляется аустенит (мелкозернистый), переходящий в мартенсит (мелкозернистый).

Доэвтектоидная сталь не обрабатывают при температурах, расположенных в диапазоне Ас1 – Ас3. Так как в этом случае появляются феррит, который снижает параметры твердости.

Время необходимое для выполнения операции

Для получения однородной структуры сплава, при определенной температуре, требуется какое-то время. Это время и будет определено как время выдержки стали при нормализации. Опытным путем определено, что слой металла толщиной в 25 мм через час становится однородным. Таким образом. и определяют время нормализации.

Завершающий этап – охлаждение

Скорость охлаждения играет существенную роль в образовании объема перлита и размера его пластин. Многочисленные исследования показали, что высокая интенсивность охлаждения увеличивает количество перлита и сталь получает повышенную твердость и прочность. Малая интенсивность охлаждения приводит к тому, что сталь теряет твердость и прочность.

При обработке деталей с существенными перепадами размеров, например. валов, целесообразно убрать напряжения, возникающие под воздействием колебания температур. Для этого их предварительно нагревают в емкости, заполненной разными солями. При понижении температуры допускается ускорить этот процесс помещая горячие детали в воду или специально подобранное масло.

Другими словами, нормализация стали устраняет напряжения внутри детали, минимизирует ее структуру. То есть она оказывает прямое влияние на изменение микроструктуры стальных сплавов.

Нюансы и этапы нормализации

Есть несколько разновидностей термической обработки, но нормализацию используют чаще, так как она имеет гораздо больше преимуществ по сравнению с другими.

Оборудование и материалы

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

• герметичная камера, в которой находятся заготовки;
• нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
• запорно-регулирующие устройства;
• модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
• термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

Проведение процесса

При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали.

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Оборудование и материалы

В качестве оборудования для проведения нормализации применяют печи для закалки и отжига стали. В печном оборудовании может быть использован газовый нагрев. Такие системы содержат:

1. Камеру. Это специальный, герметично закрывающийся бокс, где располагают заготовки.
2. Нагревательные элементы в виде горелок. Предназначены для нагнетания температуры в камере печи. Горелки могут быть плоско-факельного типа, работать по принципу косвенного или прямого нагрева.
3. Устройства, выполняющие запорно-регулирующие функции.
4. Модули управления мощностью. Они могут быть комбинированного типа, пропорциональные или импульсные.
5. Теплоизоляционный материал.

Принцип нагрева внутренней камеры печи от газа может быть реализован через воздушное пространство, тогда горелку располагают в центре. Также могут применяться регенерационные и рекуперационные конструкции горелок.

В печах сопротивления, где используется косвенный метод нагрева, нагревательная система может быть выполнена по разным принципам. Чаще всего здесь используют тиристорные схемы для управления мощностью, которые в свою очередь контролируются при помощи микропроцессорных схем.

Уважаемые посетители сайта, все, кто разбирается в технологическом процессе выполнения операций по нормализации стали, оставьте свои дополнения к статье в комментариях!

Поиск записей с помощью фильтра:

Выдержка при температуре нормализации

Роль длительности выдержки при температуре нормализации заключается только в том, чтобы обеспечить гомогенизацию аустенитной структуры до начала охлаждения. Один час выдержки на каждые 25 мм толщины сечения является нормой.

Скорость охлаждения при нормализации значительно влияет на количество перлита, его размеры и толщину перлитных пластин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется перлита, а его пластины становятся тоньше и ближе друг к другу. Увеличение доли перлита в структуре и его измельчение дают повышение прочности и твердости стали. Более низкие скорости охлаждения означают менее прочную и твердую сталь.

После того, как изделия однородно охладились по своему сечению ниже нижней критической точки Аr1, их можно охлаждать в воде или масле для снижения общей длительности охлаждения.

Цели и назначение нормализации

Нормализация имеет несколько назначений – нельзя рассматривать ее только как способ увеличить твердость стали. В некоторых случаях с помощью этого процесса добиваются обратного эффекта по твердости, а также могут снижать прочность и ударную вязкость металла. Здесь важно понимать, что любая сталь имеет механическую и термическую историю.

Основной целью нормализации является достижение эффекта нивелирования напряжений, которые возникли в структуре материала по тем или иным причинам. В результате сталь легче обрабатывать разными способами, и она получает дополнительные характеристики в результате обработки.

Если взять, к примеру, стальные отливки, то обработка методом нормализации позволит получить гомогенизацию кристаллической структуры, снизить остаточные напряжения и повысить способность к термическому упрочнению.

Стальные предметы, которые были получены методом давления, после проведения прокатки и ковки подвергают нормализации с целью уменьшить полосчатость и разнозернистость структуры соответственно.

Еще одно свойство нормализации: она позволяет переводить крупнозернистую структуру металла в более мелкое состояние. Такая обработка улучшает способность к закалке, обработке при помощи резания, позволяет удалять сетку так называемого вторичного цемента в стали заэвтектоидной. Все это способствует подготовке изделия к термической обработке последнего этапа технологического процесса.

ТО стали позволяет придать материалу характерный набор свойств путем изменения его внутренней структуры. Кроме нормализации, термическая обработка стали может осуществляться и другими методами.

• Закалка. Металлопрокат прогревается до температур выше точек фазового превращения, а затем резко охлаждается в воде, масле, солевых и других растворах (в зависимости от состава стали и требуемой скорости охлаждения). Такая обработка придает материалу высокую прочность, твердость и хрупкость. Закалку проходят детали, работающие под статической нагрузкой и в условиях абразивного изнашивания, но без воздействия меняющихся колебаний.
• Отпуск стали. Его проходят некоторые заготовки после закалки, а также изделия, требующие снятия внутренних напряжений или корректировки микроструктуры. В этом случае нагрев выполняют до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением на воздухе либо ускоренно – в воде. При этом повышаются пластичность и ударная вязкость, снижается прочность и твердость стали.
• Отжиг. Осуществляется по технологии нагрева выше фазовых превращений с последующим плавным остыванием прямо в печи. После такой обработки сталь имеет наивысшую пластичность и наименьшую прочность. Нормализация является подвидом отжига, отличается только условиями охлаждения (часто ее называют нормализационным отжигом). За счет более быстрого остывания металла нормализация является более производительной.
• Термическая обработка в технологическом потоке прокатного стана. Наиболее перспективное направление развития технологий ТО, которое сокращает временные и материальные затраты, а также экологическую нагрузку. Самыми популярными на сегодняшний день являются способы термомеханической, нормализующей и контролируемой прокатки, а также прямая закалка с прокатного нагрева.

Выбор способа термической обработки осуществляется на основании химического состава и параметров стального изделия, уровня свойств, который требуется обеспечить, а также имеющегося набора оборудования для осуществления данных операций. Термическая обработка может применяться и как промежуточная операция при изготовлении металлоизделий, и как окончательная – придающая продукту конечный комплекс характеристик.

Чтобы обезопасить свое производство от форс-мажорных ситуаций, связанных с использованием деталей и конструкций из некачественного металла, приобретайте только сертифицированную продукцию и только у надежных поставщиков.

Если вы решили купить металлопрокат у нас, вы получаете дополнительно гарантию соответствия заявленной структуре и химическому составу. Нужна консультация? По любым вопросам обращайтесь на нашу контактную линию по телефону 0800-30-30-70 – оказываем консультативную поддержку бесплатно.

Нормализация стали

Нормализацию стали часто рассматривают с двух точек зрения — термической и микроструктурной.

В термическом смысле и классическом понимании, нормализация стали — это нагрев стали до аустенитного состояния с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Иногда к нормализации относят также и операции с охлаждением ускоренным воздухом.

Место температуры нормализации на диаграмме состояния железо-углерод показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Упрощенная диаграмма состояния железо-углерод.
Заштрихованная полоса – температура нормализации сталей

С точки зрения микроструктуры нормализованной структурой считают перлит для стали с содержанием углерода 0,8 %, а для сталей с меньшим содержанием углерода — доэвтектоидных сталей — смесь перлита и феррита .

Операцию нормализации применяют для большинства сталей и, в том числе стальных отливок. Очень часто сварные стальные швы нормализуют для измельчения структуры стали в зоне воздействия сварки.

• Цель нормализации стали
• Скорость охлаждения стали при нормализации
• Выдержка при температуре нормализации

Цель нормализации стали

Цели нормализации стали могут быть различными: например, как для увеличения, так и для снижения прочности и твердости в зависимости от термической и механической истории изделия.

Цели нормализации часто пересекается или даже путается с отжигом, термическим упрочнением и отпуском для снятия напряжений. Нормализацию применяют, например, для улучшения обрабатываемости детали резанием, измельчения зерна, гомогенизации зеренной структуры или снижения остаточных напряжений. Сравнение температурно-временных циклов для нормализации и отжига показано на рисунке 2.

Рисунок 2 ─ Сравнение температурно-временных циклов нормализации и полного отжига. Более медленное охлаждение при отжиге приводит к более высокой температуре феррито-перлитного превращения и более грубой микроструктуре, чем при нормализации.

Для стальных отливок нормализацию применяют для гомогенизации их дендритной структуры, снижения остаточных напряжений и большей восприимчивости к последующему термическому упрочнению.

Изделия, полученные обработкой давлением, могут подвергать нормализации для снижения полосчатости структуры после прокатки или разнозернистость после ковки.

Нормализацию с последующим отпуском применяют вместо обычной закалки, когда изделия имеют сложную форму или резкие изменения по сечению. Это делают, чтобы избежать образования трещин, коробления и чрезмерных термических напряжений.

Скорость охлаждения стали при нормализации

Скорость охлаждения при нормализации обычно не является критической величиной. Однако, когда изделие имеет большие различия по размерам сечения, принимают меры по снижению термических напряжений, чтобы избежать коробления.

Выдержка при температуре нормализации

Роль длительности выдержки при температуре нормализации заключается только в том, чтобы обеспечить гомогенизацию аустенитной структуры до начала охлаждения. Один час выдержки на каждые 25 мм толщины сечения является нормой.

Скорость охлаждения при нормализации значительно влияет на количество перлита, его размеры и толщину перлитных пластин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется перлита, а его пластины становятся тоньше и ближе друг к другу. Увеличение доли перлита в структуре и его измельчение дают повышение прочности и твердости стали. Более низкие скорости охлаждения означают менее прочную и твердую сталь.

После того, как изделия однородно охладились по своему сечению ниже нижней критической точки Аr₁, их можно охлаждать в воде или масле для снижения общей длительности охлаждения.

Нормализация

Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек А Сз и А ст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжига σ ь = 65,5 кгс/мм 2 , δ = 21%, а к = 5,6 кгсм/см 2 , а после нормализации σ ь = 75,4 кгс/мм 2 ; δ = 20,9%; а к = 7,8 кгсм/см 2 . Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые стали целесообразнее нормализовать, а не отжигать.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации может возникать неисправимый и исправимый брак (дефекты). Наиболее распространенными видами дефектов и брака являются: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог стали.

Исправление нарушенной структуры металлов и сплавов

Двухступенчатое охлаждение сталей позволяет преобразовать пластинки перлита в зерна. Нагрев происходит до температуры выше точки Ас1. Затем она снижается до 700 и выдерживается до 500 градусов. Далее на воздухе длительно остывает металл. Эта нормализация носит название сфероидизирующая. В результате изделие без труда поддается резанию. Так обрабатывают металлы, содержащие 0,65 % углерода.

Наклеп — это образование более прочных областей металла после холодной штамповки или волочения. Убирает этот дефект рекристаллизационный отжиг — хрупкость сталей устраняется за счёт нагрева до 700 градусов (ниже Ас1). В этот момент восстанавливается кристаллизационная решетка металлов. Структура становится мелкозернистой и однородной. Также может проводиться светлый отжиг, восстанавливающий свойства сталей после проката листового, чтобы сохранить блестящую поверхность.