Нормализация стали

Нормализация или нормализационный отжиг стали – термический процесс, придающий сплаву новые и улучшенные механические свойства. Он эффективно устраняет внутреннее напряжение, придавая структуре металла твердость, однородность и устойчивость. Нормализация считается одним из важнейших этапов в металлообработке, состоит из прогревания до определенной температуры, длительной выдержки и дальнейшего охлаждения материала. После нормализационного отжига структура стали очищается от крупнозернистых элементов, вызванных литьем, прокаткой, ковкой и штамповкой.

Для чего проводится нормализация

Для производства высокотехнологичных деталей и конструкций используется металл с однородной и мелкозернистой структурой. Такой стали присущи улучшенные механические характеристики относительно металла, имеющего крупнозернистое строение. Чтобы получить желаемые механические свойства и изменить исходную структуру, используется температурное воздействие на сталь – нормализация.

Нормализационный отжиг помогает устранить крупнозернистые элементы и изъяны на поверхности материала, которые могут возникнуть во время производства. Для этой цели проводится нагрев, выдержка и последующее охлаждение заготовки.

При нормализационном отжиге нет необходимости в медленном охлаждении, за счет чего такой вариант термообработки считается наиболее экономичным, что и обеспечило ему широкую востребованность.

Для чего нужна нормализация:

• устранение дефектов на поверхности металла;
• повышение прочности;
• увеличение или уменьшение твердости и вязкости готовой заготовки;
• снижение порога хладноломкости;
• исправление структуры перегретого сплава и горячедеформированной заготовки;
• устранение цементной сетки в заэвтектоидной стали;
• уменьшение внутреннего напряжения;
• перекристаллизация крупных зерен в мелкие;
• повышение обрабатываемости с помощью резания;
• получение новых характеристик сварного шва;
• подготовка сплава к финальной термической обработке.

Нормализационный отжиг помогает довести до требуемого состояния промежуточные заготовки и поковки, полученные с применением пластической деформации, изменить свойства отливок.

После проведения нормализации отливкам придается гомогенизированная структура, уровень остаточного напряжения, материал приобретает подверженность термическому упрочнению. Если изделие было получено в результате давления, в его структуре уменьшается полосчатость, а размер зерен становится более упорядоченным.

При проведении с отпуском нормализация позволила исключить закаливание сплава, предотвращая появление дефектных зон. Это особенно важно для заготовок с разными размерами сечения.

Основные этапы нормализации

Нормализационный отжиг чаще всего используют в качестве промежуточного этапа при улучшении строения металла. Его применяют на завершающей стадии работы с узкими стальными брусьями, рельсами, швеллерами и другими типами сортового проката.

Процесс нормализации состоит из нескольких пошаговых этапов, каждый из которых требует строгого контроля времени и соблюдения температурного режима.

Заготовку нагревают до отметки, которая превышает критическую точку на 40–50 °С. Точный терморежим подбирается с учетом марки и типа материала, но чаще всего варьируется в пределах 850–950°C. Для нагрева используется специальная печь, обеспечивающая постепенное повышение температуры.

Выдержка – металлическую заготовку выдерживают в выбранном температурном режиме на протяжении определенного времени, обеспечивающего равномерный прогресс и перераспределение углеродистых примесей в структуре. В зависимости от толщины заготовки средний период выдержки – до 2 минут для каждого мм.

Охлаждение – осуществляется после извлечения из печи на воздухе и занимает достаточно много времени. Это защищает сталь от внутреннего напряжения и растрескивания. Этот процесс может быть спокойным и протекать в стандартных условиях или же ускоренным. Для быстрого остывания металла применяют вентиляцию.

Процесс нормализационного отжига приводит к образованию перлитной структуры, состоящей из равномерного соотношения перлита с цементитом. Для нее характерна оптимальная пластичность и прочность, поэтому этот технологический процесс особенно важен для конструкционного сплава.

Выбор оптимального температурного режима зависит от типа материала. Заэвтектоидный требует термической обработки в пределах точек Ас1 и Ас3, а доэвтектоидный – более Ас3. В первом случае за счет перехода равной части углерода в раствор структура сплава приобретает одинаковую твердость. Во втором случае вязкость материала увеличивается за счет формирования мелкозернистого аустенита в низкоуглеродистом металле, а после уменьшения нагрева структура становится мелкокристаллической.

Охлаждение сплава может осуществляться с различной скоростью и интенсивностью с учетом количества перлита в составе и размеров его пластинок. Повышение силы охлаждения приводит к увеличению его концентрации, уменьшению толщины пластин и сокращению промежутков между ними. Слишком низкая интенсивность охлаждающего процесса провоцирует уменьшенную твердость и прочность материала.

Температурный режим нормализации

Температурный режим для нормализационного отжига тщательно подбирается в зависимости от марки сплава, так как именно от него зависят конечные механические характеристики материала. Слишком низкие показатели не дадут желаемого результата, а слишком высокие приведут к формированию крупных зерен в структуре и снижению прочности:

• углеродистая – нормализационный отжиг такой стали проводится при поддержании температуры 850–920 °C;
• легированная – требует температуры 800–950 °C в зависимости от особенностей состава.

Выдержка металла обусловлена гомогенизацией его структуры – согласно стандартам, на каждые 25 мм толщины требуется выдержка не менее 60 минут. Содержание стали с процентным соотношением перлита размерами его пластин зависит от того, с какой скоростью будет понижаться температура материала.

При этом важно учитывать, что ускоренный процесс охлаждения влечет за собой формирование большего количества перлита с более тонкими пластинами, расположенными на небольшом расстоянии между собой.

Для предотвращения коробления деталей с резкими перепадами конфигураций сечения важно сокращать термическое напряжение при понижении или повышении температурных показателей. Для получения желаемого эффекта заготовку разогревают, используя соляные ванны.

Для охлаждения материала также используют масло или воду. Это значительно сокращает время достижения нижней критический точки температурного режима.

Особенности микроструктуры после нормализационного отжига

После окончания нормализационного отжига структура металла кардинально изменяется. Отливки, прошедшие обработку при температуре в пределах +800 °C, характеризуются наличием следов литой структуры в исходном строении, а также зернами пластинчатого перлита и феррита в структуре по сечению. При повышении температурного режима до +900 °C структура выравнивается, а перлит в ее составе приобретает сорбитообразные характеристики.

Если скорость и интенсивность охлаждения материала будут повышены, аустенит распадается. Это повышает дисперсность ферритно-карбидной структуры и увеличивает содержание эвтектоидной микроструктуры. Результатом технологического процесса становится повышение прочности сплава.

Риск дефектов во время нормализации

Нормализационный отжиг – сложный технологический процесс, при проведении которого не исключено появление дефектов металла. Чаще всего их причинами становится повышение и понижение температурных показателей с нарушениями, несоблюдение условий и этапов обработки согласно технологической карте, а также агрессивное влияние горячего газа в печи.

Наиболее опасные дефекты:

Обезуглероживание – данный изъян чаще всего возникает в случае доведения до максимальных температурных показателей заготовки, находящейся в среде с окислительным действием. Это приводит к углеродному выгоранию внутри приповерхностного слоя материала. Для предотвращения обезуглероживания стали для термической обработки детали используют нейтральную или защитную газовую среду с гелием или аргоном. В некоторых случаях выбирают работу в вакуумной среде, используя специальное индукционное оборудование.

Оксидная пленка – основной причиной оксидирования металла считается химическая реакция материала с кислородом, которая чаще всего характерна для нормализационного отжига, протекающего в электрической или пламенной печи. Предотвратить окалину, окисление или формирующую раковину стали помогает индукционный разогрев в защитной среде.

Недостаточный прогрев – в большинстве случаев недогрев вызван недостаточно длительной выдержкой металлической детали или плохим прогреванием печи перед началом технологического процесса. Такие ошибки приводят к образованию чрезмерно плотной сердцевины в заготовке, имеющей крупнозернистое строение. Для устранения этого дефекта проводится повторное нагревание со строгим соблюдением всех правил и поддержанием правильного температурного режима.

Перегрев – проявляется на фоне чрезмерного повышения температуры во время термообработки металлической заготовки в печи. Температура должна соответствовать нормам, установленным технологической картой. Перегретый элемент отличается крупнозернистой структурой и низким качеством. Для устранения изъяна проводится отжиг.

Пережог – данный дефект может возникать в том случае, если металлическая заготовка была разогрета до температурной отметки, приближенной к плавлению в среде с окислительным действием. Это приводит к формированию оксидных включений на внешних зерновых гранях, уменьшению прочности и пластичности металла. Для предотвращения проблемы требуется строгое соблюдение необходимого температурного режима, соответствующего данному этапу разогрева материала.

Нормализационный отжиг – важный термический процесс, который имеет массу преимуществ перед другими методами в сфере производства изделий из стали. Он отличается незначительной продолжительностью обработки, универсальностью при работе с различными типами металла, положительным влиянием на твердость и прочность продукции, что обеспечивает ее высокое качество. Благодаря нормализации механические свойства металла улучшаются, способствуя увеличению срока службы стальных изделий и конструкций.