Нормализация стали

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 05 Мая 2024

Нормализация стали является специфическим видом отжига, процесс которого включает нагрев до аустенитного состояния, длительную выдержку и остывание на открытом воздухе. При содержании углерода меньше 0,8% в доэвтектоидных сталях, структура с миксом перлита и феррита считается нормализованной.

Стали с содержанием углерода больше 0,8% (заэвтектоидные стали) после процесса нормализации имеют структуру состоящую из пористого вида перлита, известного как сорбит. Этот тип термической обработки используется для устранения имеющихся дефектов в структуре и подготовки стали к резке. Очень часто этот процесс заменяет операции закалки и отпуска с целью увеличения качества стального отливка. Отжиг нормализации наиболее востребован для сталей среднего и высокого углеродистого содержания, низколегированных и инструментальных марок.

Этапы процесса нормализации стали

Процесс нормализационного отжига включает в себя несколько стадий. Данные манипуляции происходят на предприятиях металлургической и металлообработки, которые оборудованы термопечами разнообразного вида и дополнительным целевым инвентарем.

Нагрев

В процессе нормализации, доэвтектоидные стали подвергаются нагреванию до температур, превышающих точку Ас3 на 40 … 50 °C. Что касается заэвтектоидных сталей, для них используется ниже температура нагрева, что помогает предотвратить увеличение размеров аустенитных зерен и образование грубой сетки во время нормализации. Специфическая температура зависит от содержания углерода и присутствия или отсутствия легирующих элементов.

Обычно используют изотермические и термокинетические диаграммы для установления наилучшего температурного режима. Теоретически вычисленные значения для недавно разработанных сортов стали подтверждаются на практике. Номенклатура и количество аллелирующих компонентов определяет стадии фазовых изменений. Как правило, для нелегированных и малолегированных сталей временной режим устанавливается как 1,5 минуты нагрева на каждый миллиметр толщины изделий.

Выдержка

Выдержка – это промежуток времени, в течение которого изделие должно пребывать в греющей камере при определенной температуре. Этот процесс необходим для того, чтобы обеспечить глубокий и равномерный прогрев материала, а также завершение фазовых превращений. Длительность выдержки зависит от таких факторов как: марка стали, размеры изделия, температура нагрева. Для изделий небольших размеров и простой формы достаточно прогревать металл при заданной температуре примерно 15 минут, чтобы они прогрелись по всему объему.

Охлаждение

Процесс охлаждения в основном происходит в спокойном атмосферном воздухе, иногда с применением воздушного обдува. Аустенит разрушается на пониженной температуре при ускоренном охлаждении, что способствует формированию дисперсной ферритно-цементитной структуры. Нормализованные стали со средним и высоким содержанием углерода отличаются более высокими показателями прочности и твердости по сравнению с отожженными. Степень и скорость охлаждения оказывают значительное влияние на образующуюся структуру и другие характеристики. Стали, которые подвергались нагреву до одинаковой температуры, но охлаждались по-разному, обладают различными характеристиками.

В местах аренды оборудования, процесс нормализации, в соответствии с вышеуказанной схемой, может заменяться нормализационной прокаткой. Такой процесс происходит на прокатном стане с использованием тепла, к которому металлический прокат подвергается перед прокаткой. Этот метод позволяет получить структуру стали, аналогичную нормализованной (измельченной, с равномерными механическими свойствами по всему объему), но при значительно меньших затратах энергии и труда.

Задачи, решаемые нормализацией углеродистых и легированных сталей

Процесс нормализационного отжига, применяемый к отливкам, поковкам, металлопрокату, разнообразным полуфабрикатам и изделиям из металла, обеспечивает следующие эффекты:

• полный процесс перекристаллизации фазы стали;
• Получение измельченной структуры стали со сплошными зернами происходит при воздействии силы, таком как прокатка, ковка или штамповка.
• Уменьшение полосатости после процесса прокатки и неровности размеров зерен в изделиях из кованого металла.
• Рост устойчивости к хрупкому разрушению, выражающийся в уменьшении показателя хладоломкости и расширении объема работы по образованию трещин.
• Удаление дефектов после прокатки, а также остаточного внутреннего напряжения;
• если тепловое укрепление станет необходимым, то осуществление предварительной подготовки структуры перед этими операциями.
• Оптимизация процесса обработки резанием.

Нормализационный отжиг применяется к стальным отливкам в целях гомогенизации дендритного строения, снижения резидуальных напряжений, увеличения доступности для следующих процедур тепловой обработки.

Для деталей сложной формы или содержащих резкие изменения сечения, процедуру закалки с высоким отпуском заменяют на нормализацию. Это действие помогает предотвратить негативные эффекты, такие как образование трещин, искривление и высокие тепловые напряжения.

Особенности нормализационного отжига для сталей с различным содержанием углерода

Зависимость целей и специфики нормализации от характеристик стали:

Нормализация является эффективной альтернативой отжигу для марок со низким содержанием углерода, обеспечивая повышенную твердость, улучшение обработки резанием и получение более чистой поверхности.

• Нормализация с высоким отпуском становится альтернативой закалке с высоким отпуском для отливок изделий из сталей со средним содержанием углерода. Этот подход обладает преимуществами, такими как снижение деформационных напряжений в деталях и, как результат, более низкий риск образования трещин.
• В случае с некоторыми дополнительно легированными сортами стали, нормализация с последующим охлаждением на воздухе становится заменой для процесса закалки с отпуском, что позволяет снизить затраты при проведении одного этапа термообработки (нормализация), вместо двух (закалка и отпуск).

Оборудование и расходные материалы, используемые при осуществлении нормализационного отжига

Заданный температурный режим нормировки стали и ее охлаждение гарантируют:

• Камеры для нагрева с плоско-факельными горелками функционируют на основе принципов прямого или косвенного нагрева. Современные разновидности включают в себя рекуперационные и регенерационные модели таких горелок.
• Управление режимом нагрева осуществляется автоматически. В печах, где применяется метод косвенного нагрева, для контроля мощности применяются тиристорные устройства.
• Материалы для теплоизоляции.

В нормализационных печах, работающих в среде защитного газа, выполняется обработка мелких деталей посредством конвейера. Отверстия для загрузки и выгрузки находятся ниже рабочего пространства камеры. Тамбуры для загрузки и выгрузки смещены и установлены под некоторым углом. Конвейер состоит из нихромовой сетки с толщиной проволоки 3 мм. В выгрузочной зоне печи производится охлаждение деталей. Коридор, где расположен конвейер, оборудован двойными стенками, между которыми циркулирует холодная вода. Защитный газ находится во всем обьеме печи, включая зоны загрузки и выгрузки деталей.

На конвейере компоненты устанавливаются в один ряд, что позволяет равномерно и быстро нагревать и охлаждать изделия. После прохождения через разгрузочную зону температура деталей не должна превысить +50 градусов Цельсия. При более высоких температурах на поверхности металлических изделий могут образоваться оксидные слои. Скорость транспортной ленты достигает до 20 сантиметров в минуту.

Такие технологии термообработки, как нормализация, использующиеся для обработки отливок, металлопроката, полуфабрикатов и металлоизделий, могут служить либо промежуточным, либо конечным шагом. В основном, нормализующий отжиг применяется как промежуточная стадия. Отметим, что нормализация применяется в качестве завершающего этапа в процессе производства фасонного металлопроката, такого как тавр, двутавр или швеллер.