Нормализация металла при термической обработке

Нормализация стали — описание процесса и его суть

Большая часть операций, связанных с термической обработкой подразумевает один и тоже алгоритм действий:

  • нагрев изделия до определенных температур;
  • выдержку под действием набранной температуру в течение заданного времени;
  • охлаждение, которое может быть проведено в разных средах и с разной скоростью.

Термообработка деталей может выступать и как промежуточный технологический процесс, и как финишный. В первом случае, через неё проходят те детали, которые еще будут обрабатываться, например, сверла или лопатки авиационных турбин. Второй случай подразумевает то, что после термообработки, готовая деталь получит новые свойства.

Нормализация стали – это один из видов термической обработки металла с последующим его охлаждением на воздухе. Результатом этой операции становится формирование нормализованной структуры стали. Кстати, отсюда и пошло название. Операцию применяют по отношению к поковкам, отливкам и пр. Нормализацию используют для минимизации зерен в структуре стали, образованного сварочным швом.

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.

Использование нормализации

Эту форму термической обработки применяют для достижения разных целей. Так применение нормализации может повысить или снизить твердость стального сплава, вязкость и прочностные характеристики. Этот способ термической обработки используют тогда, когда надо улучшить обрабатываемость стали разными методами – резание, штамповка и пр.

Детали, получаемые методом литья проходят нормализацию в целях получения гомогенизированной структуры и устранению внутренних напряжений. То же самое можно и сказать о деталях, полученных после обработки ковкой. То есть нормализация служит для получения однородной структуры металла и устранению внутренних напряжений. Кроме того, этот процесс может быть использован, как замена закаливания изделий со сложным профилем. Кроме, названных результатов процесса нормализации можно добавить и такие как минимизация зерен в структуре сплава, удаление вторичного цементита, повышения обрабатываемости стали.

Близкие по сути процессы термообработки

В перечень термообработки сталей, помимо нормализации, можно внести операции:

  • отжиг;
  • отпуск;
  • закаливание;
  • криогенная обработка и несколько других.

Операция отжига обеспечивает качественную, более тонкую структуру перлита, это происходит потому, что охлаждения деталей применяют печи. Назначение этой операции — понижение неоднородности структуры, удаления напряжений, повышение обрабатываемости.

Основы, заложенные в операцию закаливания, идентичны принципам нормализации, но существуют некоторые различия. Например, при закаливании применяют температуры куда как выше и высокие скорости охлаждения. Закаливание проводит к улучшению прочностных характеристик, твердости и пр. Но, нередко заготовки прошедшие через закаливание отличает сниженная вязкость и высокая хрупкость.

Отпуск деталей применяют после операции закаливания. Отпуск снижает хрупкость и внутренние напряжения. При этом диапазон температур ниже, чем тот, который используют в нормализации. Охлаждение деталей проводят на воздухе. При повышении температуры снижается предел прочности, твердость и в то же время растет ударная вязкость.

Криогенная обработка стали приводит к получению равномерной структуры металла и повышенной твердость. Эту технологию обработки применяют в отношении прошедшей закаливание углеродистой стали.

Нормализация и её применение в практической деятельности

При назначении способа термообработки технолог должен учитывать концентрацию углерода. Стали, в которых содержание углерода не превышает 0,4%, могут быть обработаны и нормализацией и отжигом. Нормализация минимизирует размер зерен в структуре и повышает прочностные характеристики.

Сравнивая затраты времени между нормализацией и другими методами можно сделать вывод, что обработка другими способами, длится больше времени.

За счет скорости выполнения операции, охват большого количества сталей, качеством получаемых параметров (твердость, прочность и пр.), именно поэтому нормализацию широко применяют в машиностроении.

Нормализация стали: описание и характеристики

Часто в производственных целях возникает необходимость изменить параметры стали, одним из способов это выполнить является термообработка. По своему принципу большинство технологий термообработки предусматривают изменение строения сталей посредством нагрева, выдержки и охлаждения.

  • Принципы нормализации
  • Назначение процесса
  • Сталь марки 45 и ее особенности
  • Другие методы термической обработки
  • Выбор способа термообработки для стали

Несмотря на то что все эти технологии имеют одинаковые цели и принцип работы, все они отличаются по температурным и временным режимам. Термическая обработка может быть как промежуточным, так и окончательным технологическим процессом во время производства. В первом случае материал так готовится к последующей обработке, а во втором ему придают новые свойства.

Одной из таких технологий является нормализация стали. Так называют термообработку, при которой материал прогревается до температуры на 30−50 градусов выше Аст или Ас3, а затем его охлаждают на спокойном воздухе.

Принципы нормализации

Как и другие технологии термообработки, нормализация может быть как промежуточной, так и окончательной операцией по улучшению структуры стали. Чаще всего она используется в первом случае, в качестве окончательной процедуры нормализация преимущественно используется при производстве сортового проката вроде рельс, швеллеров и не только.

Ключевая особенность нормализации заключается в том, что сталь нагревается до температуры, которая на 30−50 градусов превышает верхние критические показатели, а также производят выдержку и охлаждение материала.

Та или иная температура выбирается в зависимости от типа материала. Заэвтектоидные материалы нормализуются при температуре между точками Ас 1 и Ас 3, а вот доэвтектоидные — при температуре выше Ас 3. В итоге материалы первого типа получают одинаковую твердость, поскольку в раствор переходит углерод в одинаковом количестве, также в одинаковом количестве фиксирует аустенит. Структура включает в себя цемент и мартенсит.

Благодаря такому составу увеличивается износостойкость и твердость заэвтектоидного материала. Если высокоуглеродистая сталь нагреется больше Ас 3, то увеличится рост зерен аустенита и, соответственно, повысятся внутренние напряжения. Также увеличится концентрация углерода, в итоге температура мартенситного превращения снизится. В итоге материал становится менее прочным и твердым и поддается изменению.

А доэвтектоидная сталь при нагреве свыше критического показателя становится очень вязкой. Это объясняется тем, что в низкоуглеродистой стали образуется мелкозернистый аустенит. Этот компонент после охлаждения преобразуется в мелкокристаллический мартенсит. Температурные показатели в промежутке между Ас 1 и Ас 3 нельзя применять для обработки, поскольку в таком случае структура доэвтектоидной стали получает феррит, что снижает после нормализации ее твердость, а после отпуска — и механические свойства.

От степени гомогенизации структуры материала зависит время выдержки. Нормативным показателем является час выдержки из расчета на 25 мм толщины. Интенсивность охлаждения в той или иной мере определяет размеры пластин и количество перлита.

Эти величины — взаимозависимы. Еще больше перлита будет формироваться с повышением интенсивности охлаждения, сокращается расстояние между пластинами и их толщина. Все это повышает твердость и прочность нормализованного материала. Вследствие низкой интенсивности охлаждения образуется материал с меньшей твердостью и прочностью.

Если обрабатываются предметы с большими перепадами сечения, то нужно снижать термическое напряжение, чтобы не допустить коробления во время нагрева или охлаждения. Также перед началом работы их следует нагреть в соляной ванне.

Во время снижения температуры изделия до нижней критической точки можно охлаждение ускорять посредством помещения его в воду или масло.

Назначение процесса

Нормализация призвана менять микроструктуру стали, она выполняет следующее:

  • снижает внутренние напряжения;
  • посредством перекристаллизации измельчает крупнозернистую структуру сварных швов, отливок или поковок.

Цели нормализации могут быть совершенно разные. С помощью такого процесса твердость стали можно повысить или снизить, это же касается прочности материала и его ударной вязкости. Все зависит от механических и термических характеристик стали. С помощью данной технологии можно как сократить остаточные напряжения, так и улучшить степень обрабатываемости стали с помощью того или иного метода.

Читайте также  Обработка титана в домашних условиях

Стальные отливки такой обработке подвергают в следующих целях:

  • для гомогенизации их структуры;
  • чтобы увеличить подверженность термическому упрочнению;
  • чтобы снизить остаточные напряжения.

Изделия, полученные посредством обработки давлением, подвергают нормализации после ковки и прокатки, чтобы сократить разнозернистость структуры и ее полосчатость.

Нормализация вместе с отпуском нужна для замены закалки изделий сложной формы или же с резкими перепадами по сечению. Она позволит не допустить дефектов.

Еще эта технология применяется, чтобы улучшить структуру изделия перед закалкой, повысить его обрабатываемость посредством резки, устранить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, а также подготовить сталь к завершающей термической обработке.

Сталь марки 45 и ее особенности

Даная сталь является сплавом железа и углерода. Стать марки 45 благодаря своей твердости пользуется традиционным высоким спросом в разных промышленных отраслях. В данном сплаве доля железа составляет порядка 45 процентов. Свойства материала непосредственно связаны с его легирующими элементами и количеством углерода, что очень важно при производстве изделий для металлопроката. Тот или иной температурный режим обработки позволяет получить прочное изделие. После нормализации твердость марки 45 непосредственно связана с температурой во время работы.

Данная сталь — углеродистая конструкционная. Нормализацию следует проводить на улице, а не в специальной печке, в отличие от других этапов обработки. Марка 45 просто и быстро поддается механическим видам обработки, в частности:

  • сверлению;
  • точению;
  • фрезеровке.

На основе этой стали производят такие изделия:

  • бандажи;
  • кулачки;
  • цилиндры;
  • шестерни;
  • коленчатые и распределительные валы;
  • вал-шестерни;
  • шпиндели.

Другие методы термической обработки

Кроме нормализации, термическая обработка стали включает в себя такие процессы:

  • отжиг;
  • закалка;
  • отпуск;
  • обработка криогенным способом;
  • дисперсионное твердение.

Принцип выполнения и цели у каждой технологии одинаковые, однако, каждая имеет свои отличительные особенности:

  • отжиг — благодаря ему структура перлита будет максимально тонкой, поскольку охлаждение происходит в печи. Отжиг позволяет снизить структурную неоднородность, а также напряжение после обработки посредством литья или под давлением, придать структуре мелкозернистость или улучшить обработку резанием;
  • закалка — принцип технологии такой же, но температуры более высокие по сравнению с нормализацией и скорость охлаждения тоже выше. Процесс происходит в жидкостях. Благодаря закалке повышается прочность и твердость материала, а детали в итоге будут иметь низкую ударную вязкость и хрупкость;
  • отпуск — отпуск, выполняемый после закалки, снижает напряжение и хрупкость. С этой целью материал прогревается до малой температуры и охлаждается на улице. На фоне повышения температуры предел прочности и твердость падают, и повышается ударная вязкость;
  • криогенная обработка — благодаря ей материал будет иметь равномерную структуру и твердость, эта технология максимально подходит для закаленной углеродистой стали;
  • дисперсионное твердение — окончательная обработка, в ходе которой дисперсные частицы выделяются в твердом растворе после закалки при малом нагреве для придания материалу прочности.

Для выполнения термической обработки потребуется следующее:

  • баки с водой и маслом;
  • бумага шлифовальная;
  • микроскоп металлографический;
  • печь с термоэлектрическим пирометром;
  • твердомеры по Роквеллу;
  • наборы микрошлифов (сорбит, мартенсит, феррит-мартенсит и т. д. ).

Выбор способа термообработки для стали

Нормализацию или другой способ термической обработки стали выбирают в зависимости от концентрации в ней углерода. Если материал содержит его в количестве до 0,2%, то наиболее приемлемым способом является нормализация. Если углерода присутствует 0,3−0,4%, то подойдет как нормализация, так и отжиг.

Выбирать тот или иной способ обработки также следует в зависимости от требуемых свойств. Например, нормализация придаст изделию мелкозернистую структуру, а по сравнению с отжигом — большую твердость и прочность.

Во многих случаях нормализация является наиболее предпочтительным методом обработки материалов, поскольку имеет немало преимуществ по сравнению с другими. Во многих отраслях, в частности, машиностроении, его используют для термообработки чаще всего.

Нормализация стали — процесс, температура, режимы, время

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.

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.

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.

Процесс нормализации и основные принципы

С точки зрения физики процесса нормализация стали представляет собой обработку металла термическим образом, при котором его нагревают выше верхнего критического порога Асm и Ас3 на величину в 30–50 градусов по Цельсию. На этом уровне происходит выдержка металла, а далее его охлаждение при обычных температурных условиях окружающей среды.

После достижения точки Ас3 наблюдается завершение фазы, когда происходит преобразование в аустенит феррита с одновременной нормализацией структуры полученного вещества. За преодолением порога Асm следует процесс, где уже из аустенита начинает выделяться цементит вторичный (если температура идет в сторону уменьшения) и прекращается его растворение в аустените (при увеличении температуры относительно этой точки).

Если сталь была слишком перегрета и из-за этого произошло укрупнение зерна решетки, для уменьшения этого размера изделие подвергают такой обработке, где температуру нормализации стали повышают на 100–150 градусов по Цельсию относительно точки ACj.

Не стоит путать нормализацию с отжигом: у каждого процесса есть свои особенности. При нормализации стали охлаждение происходит в два раза быстрее. С экономической точки зрения такой процесс более рентабелен, так как не требует применения печи для постепенного охлаждения.

Метод нормализации стали не всегда можно применять по отношению к некоторым маркам стали, потому что после такой обработки у них остается повышенная твердость, которая не во всех случаях нужна. Это касается тех металлов, где содержание углерода превышает показатель в 0.4 %. В низкоуглеродистых сталях этот эффект, как правило, не наблюдается. Выходом из ситуации может быть применение высокого отпуска после нормализации при температурном режиме в 650–700 градусов по Цельсию.

Читайте также  Обработка внутренних цилиндрических поверхностей на токарном станке

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.

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.

Другие методы термической обработки

Кроме нормализации, термическая обработка стали включает в себя такие процессы:

  • отжиг;
  • закалка;
  • отпуск;
  • обработка криогенным способом;
  • дисперсионное твердение.

Принцип выполнения и цели у каждой технологии одинаковые, однако, каждая имеет свои отличительные особенности:

  • отжиг — благодаря ему структура перлита будет максимально тонкой, поскольку охлаждение происходит в печи. Отжиг позволяет снизить структурную неоднородность, а также напряжение после обработки посредством литья или под давлением, придать структуре мелкозернистость или улучшить обработку резанием;
  • закалка — принцип технологии такой же, но температуры более высокие по сравнению с нормализацией и скорость охлаждения тоже выше. Процесс происходит в жидкостях. Благодаря закалке повышается прочность и твердость материала, а детали в итоге будут иметь низкую ударную вязкость и хрупкость;
  • отпуск — отпуск, выполняемый после закалки, снижает напряжение и хрупкость. С этой целью материал прогревается до малой температуры и охлаждается на улице. На фоне повышения температуры предел прочности и твердость падают, и повышается ударная вязкость;
  • криогенная обработка — благодаря ей материал будет иметь равномерную структуру и твердость, эта технология максимально подходит для закаленной углеродистой стали;
  • дисперсионное твердение — окончательная обработка, в ходе которой дисперсные частицы выделяются в твердом растворе после закалки при малом нагреве для придания материалу прочности.

Для выполнения термической обработки потребуется следующее:

  • баки с водой и маслом;
  • бумага шлифовальная;
  • микроскоп металлографический;
  • печь с термоэлектрическим пирометром;
  • твердомеры по Роквеллу;
  • наборы микрошлифов (сорбит, мартенсит, феррит-мартенсит и т. д. ).

Нормализация стали

Нормализация стали – разновидность отжига, которая заключается в нагреве до аустенитного состояния, выдержке в течение определенного времени и охлаждении на воздухе. Для доэвтектоидных сталей, содержащих менее 0,8% углерода, нормализованной считают структуру, которая представляет собой смесь перлита и феррита.

В заэвтектоидных сталях (С более 0,8%) структура после нормализации состоит из сорбита – высокодисперсной разновидности перлита. Этот вид термической обработки используют с целью устранения дефектов структуры, ее подготовки к операциям резания. Часто он применяется для улучшения качеств стальных отливок вместо операций закалки и отпуска. Нормализационный отжиг востребован в основном для средне- и высокоуглеродистых, низколегированных, инструментальных марок стали.

Этапы процесса нормализации стали

Нормализационный отжиг осуществляется в несколько этапов. Все операции выполняются на металлургических и металлообрабатывающих предприятиях, оснащенных термическими печами различной конструкции и другим специализированным оборудованием.

Нагрев

Доэвтектоидные стали при нормализации нагревают до температур выше точки Ас3 на 40…50 °C. Для заэвтектоидных сталей выбирается более низкая температура нагрева, позволяющая исключить при нормализации рост аустенитных зерен и формирование грубой сетки. Конкретная температура зависит от содержания углерода и легирующих элементов, если такие присутствуют.

Чаще всего для определения оптимального температурного режима используются изотермические и термокинетические диаграммы. Для вновь разработанных марок стали теоретически рассчитанные значения подтверждают опытным путем. Период фазовых превращений определяется номенклатурой и количеством легирующих компонентов. Для нелегированных и низколегированных сталей обычно устанавливают 1,5 минуты нагрева на каждый миллиметр толщины изделий.

Выдержка

Выдержка – это время, которое изделие должно находиться в нагревательной камере при заданной температуре. Этот этап необходим для полного и равномерного прогрева садки, завершения фазовых превращений. Время выдержки зависит от марки стали, габаритов изделия, температуры нагрева. Для некрупных деталей простых конфигураций для прогрева по всему объему достаточно выдержать металлопродукцию при заданной температуре в течение 15 минут.

Охлаждение

Охлаждение осуществляется в основном на спокойном воздухе. Иногда используется воздушный обдув. При ускоренном охлаждении аустенит распадается при пониженных температурах, что обеспечивает появление дисперсной ферритно-цементитной структуры. Структура нормализованных средне- и высокоуглеродистых сталей отличается более высокой прочностью и твердостью, по сравнению с отожженным состоянием. Среда и, следовательно, скорость охлаждения существенно влияют на структуру и другие характеристики. Одна сталь, нагретая до одинаковой температуры, но охлажденная по разным режимам, имеет разные характеристики.

В прокатных цехах нормализация по описанной выше схеме может заменяться нормализационной прокаткой. Эта операция осуществляется на прокатном стане с применением тепла нагрева, которому подвергают металлопрокат перед прокаткой. Такая технология позволяет получить структуру стального проката, аналогичную нормализованному состоянию (мелкозернистую, с равномерными механическими характеристиками по всему объему), но при гораздо меньших энергетических и трудовых затратах.

Задачи, решаемые нормализацией углеродистых и легированных сталей

Нормализационный отжиг отливок, поковок, металлопроката, различных полуфабрикатов и металлоизделий обеспечивает:

  • полную фазовую перекристаллизацию стали;
  • измельчение крупнозернистой структуры стали, получаемой при обработке давлением, – прокаткой, ковкой, штамповкой;
  • снижение полосчатости после прокатных операций и неравномерности размеров зерен в поковках;
  • повышение сопротивления хрупкому разрушению, то есть снижение порога хладоломкости и увеличение работы трещинообразования;
  • устранение наклепа после прокатки, остаточных внутренних напряжений;
  • подготовку структуры к последующим операциям термического упрочнения, если такие будут необходимы;
  • улучшение обрабатываемости резанием.

Стальные отливки подвергают нормализационному отжигу с целью гомогенизации дендритной структуры, уменьшения остаточных напряжений, повышения восприимчивости к последующим операциям термической обработки.

Закалку с высоким отпуском заменяют нормализацией для изделий сложной конфигурации и/или имеющих резкие перепады сечения. Эта мера позволяет избежать таких негативных последствий, как: трещинообразование, коробление, высокие термические напряжения.

Особенности нормализационного отжига для сталей с различным содержанием углерода

Цели и особенности проведения нормализации зависят от состава стали:

Для низкоуглеродистых марок нормализация эффективно заменяет отжиг, поскольку она обеспечивает сочетание повышенной твердости с улучшением обрабатываемости резанием и получением более чистой поверхности.

  • Для отливок из среднеуглеродистых сталей нормализация с высоким отпуском заменяет закалку с высоким отпуском. Преимущества первого варианта – меньшие деформационные усилия в деталях, и, следовательно, сниженная вероятность появления трещин.
  • Для некоторых высоколегированных марок нормализация с охлаждением на воздухе заменяет закалку с отпуском, что обеспечивает экономию при проведении одной операции термообработки (нормализации) вместо двух (закалка+отпуск).

Оборудование и расходные материалы, используемые при осуществлении нормализационного отжига

Требуемый температурный режим нормализации стали и ее охлаждения обеспечивают:

  • Нагревательные камеры с горелками плоско-факельного типа, работающие по принципу прямого или косвенного нагрева. Современные варианты – рекуперационные и регенерационные модели горелок.
  • Автоматика управления режимом нагрева. В печах косвенного нагрева для управления мощностью используются тиристорные схемы.
  • Теплоизолирующие материалы.

Для нормализации мелких деталей в среде защитного газа используются конвейерные нормализационные печи. Загрузочное и разгрузочное отверстия расположены ниже уровня рабочей камеры. Загрузочный и разгрузочный тамбуры расположены под уклоном. Конвейер представляет собой сетчатую конструкцию из нихромовой проволоки толщиной 3 мм. В разгрузочной части печи осуществляется охлаждение деталей. Охладительный коридор, через который проходит конвейер, имеет двойные стенки. Пространство между ними заполняется проточной холодной водой. Защитный газ присутствует во всем пространстве печи, включая части погрузки и разгрузки.

Детали располагают на конвейере в один слой, что обеспечивает равномерный нагрев и быстрое охлаждение изделий. При выходе из разгрузочной части детали должны иметь температуру, не превышающую +50 °C. При более высоких температурах на поверхности металлоизделий появляются оксидные пленки. Скорость движения конвейера – до 20 см в минуту.

Нормализация, как и другие технологии термообработки отливок, металлопроката, полуфабрикатов и металлоизделий, может быть промежуточной или конечной операцией. В большинстве случаев нормализационный отжиг является промежуточным процессом. Роль финишной процедуры нормализация выполняет при производстве фасонного металлопроката – тавра, двутавра, швеллера.

Читайте также  Обработка листового металла гибка рубка

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалости Температура, °С Инструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый 210
Светло-желтый 220 Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый 230 Тоже
Темно-желтый 240 Чеканы для чеканки по литью
Коричневый 255
Коричнево-красный 265 Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый 285 Зубила для обработки стали
Темно-синий 300 Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий 325
Серый 330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время