Нормализация стали: технология процесса

Нормализация стали – это процесс, направленный на придание сплаву новых механических свойств. Результат зависит от процентного содержания углерода в исходном материале. Обработанная таким образом сталь становится более твердой и менее пластичной.

В связи с тем, что при нормализации стали не требуется медленного охлаждения вместе с печью, операция по термообработке является более экономичной по сравнению с отжигом, поэтому и получила широкое распространение. Кроме этого, с помощью нормализации можно исправить структуру перегретой стали, горячедеформированных заготовок, устранить цементитную сетку в заэвтектоидной стали и т. д. Подробнее о целях и принципах нормализации стали читайте в нашем материале.

Цель нормализации стали

В процессе нормализации сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше верхней критической точки, после чего охлаждают. Данный процесс не входит в число основных методов термообработки, так как является разновидностью отжига или закалки в зависимости от марки сплава и габаритов заготовки.

Нормализация доэвтектоидных сталей позволяет сформировать однородную структуру с мелким зерном и иногда используется в малоуглеродистых сплавах вместо отжига. В случае с заэвтектоидными сталями данный процесс призван избавить металл от ценментитной сетки.

Нормализация необходима для изменения микроструктуры материала и используется для:

• снижения внутреннего напряжения;
• перекристаллизации крупного зерна в мелкое;
• доведения до необходимого состояния поковок или промежуточных заготовок, изготовленным методом пластической деформации;
• изменения свойств отливок посредством нормализации стали, то есть изделий, созданных при помощи заливки расплава в формы;
• получения новых характеристик материала сварных швов.

Нормализацией стали достигают разных, нередко даже противоположных целей. Посредством этого вида термообработки удается увеличить или снизить твердость, вязкость готового изделия или изменить прочностные характеристики. Конкретный эффект зависит от термических и механических свойств сплава.

После такой обработки отливки приобретают гомогенизированную структуру, в них уменьшаются остаточные напряжения, металл становится более подверженным термическому упрочнению. В изделиях, полученных воздействием давлением, наблюдается снижение полосчатости, упорядочивается размер зерна в структуре.

В сочетании с отпуском данная процедура позволяет отказаться от закаливания металла, чтобы избежать формирования зон с дефектами. Это наиболее значимо для изделий с резким изменением размеров сечения.

Данный подход позволяет добиться следующих целей:

• улучшить структуру металла перед закалкой;
• повысить обрабатываемость посредством резания;
• избавиться от вторичного цементита благодаря нормализации заэвтектоидной стали;
• подготовить металл к финальной термообработке.

Принципы нормализации стали

Метод обычно применяется как промежуточная стадия во время улучшения строения сплава. Он может использоваться на завершающем этапе при работе с таким сортовым прокатом, как узкие стальные брусья, укладываемые на железнодорожные шпалы, рельсы, металлические изделия с сечением в форме буквы «П», то есть швеллеры, пр.

При нормализации сталь нагревают до степени, которая превышает критические значения на 30–50 °С. Далее металл выдерживают и остужают.

Подбор температуры осуществляют в соответствии с типом сплава. Заэвтектоидные стали проходят нормализацию в промежутке между точками Ас1 и Ас3, а доэвтектоидные требуют нагрева выше Ас3. Металлам первого типа сообщается одинаковая твердость, поскольку равная доля углерода переходит в раствор. Таким образом, фиксируется одинаковое количество аустенита, а в структуре остаются только мартенсит и цемент. Второй компонент обеспечивает материалу дополнительную стойкость к износу, твердость.

При нормализации углеродистой стали с высоким содержанием углерода и ее нагреве до уровня выше Ас3 наблюдается повышение внутренних напряжений. Это вызывает увеличение аустенитных зерен и содержания данного компонента на фоне снижения температуры мартенситного превращения. Последнее происходит в результате роста доли углерода. Данные процессы вызывают снижение твердости, прочности металла.

Продолжительность выдержки влияет на уровень гомогенизации. В норме на эту операцию закладывают час на каждые 25 мм толщины металла.

Интенсивность охлаждения подбирают в соответствии с необходимым содержанием перлита и размерами его пластин. Из-за увеличения интенсивности повышается содержание перлита, при этом сокращаются промежутки между пластинами и их толщина. Так удается повысить твердость, прочность металла. А при низкой интенсивности охлаждения сплав характеризуется меньшей прочностью и твердостью.

В процессе нормализации стали заготовок, имеющих значительные перепады сечения, стараются сократить термические напряжения, чтобы металл не коробился, – таким образом поступают при нагреве и охлаждении. Прежде чем приступить к основному этапу обработки, температуру металла поднимают в соляной ванне.

При достижении температуры нижней критической точки изделие нередко остужают ускоренным способом, погрузив его в масло или воду.

После нормализации микроструктура стали претерпевает изменения, а именно снижаются внутренние напряжения, запускается процесс перекристаллизации, который влечет за собой уменьшение размера зерна.

Температура нормализации стали и выдержка

Таблица. Температура нормализации стали в зависимости от марки.

При нормализации стали продолжительность выдержки подбирают с учетом гомогенизации структуры: на 25 мм толщины (по правилам) необходимо выделить часовую выдержку. От скорости снижения температуры сплава зависит его состав, а именно доля перлита или смеси цементита с ферритом и размеры его пластин.

Нужно понимать, что при ускоренном охлаждении:

• формируется больше перлита;
• пластины получаются тоньше, при этом находятся на меньшем расстоянии друг от друга.

Указанные факторы приводят к тому, что после нормализации стали достигаются повышенные прочность и твердость. Медленное охлаждение приводит к снижению данных показателей.

Допускается остужать металл водой, маслом, чтобы уменьшить временные затраты на доведение температуры до нижней критической точки.

Микроструктура стали после нормализации

Структура стали после нормализации претерпевает значительные изменения. В микроструктуре отливок, прошедших данную процедуру при температуре от +800 °C, присутствуют следы литой структуры. Структура по сечению отливки не выравнивается, а включает в себя зерна феррита и пластинчатого перлита. Благодаря увеличению температуры нормализации до +900 °C удается выровнять структуру и изменить характеристики перлита – он становится сорбитообразным.

Увеличение скорости охлаждения и значительное переохлаждение вызывает распад аустенита. Это приводит к повышению дисперсности ферритно-карбидной структуры, увеличению доли эвтектоидной структуры. Таким образом стали сообщается большая прочность, чем у металла после отожига.

Возможные дефекты при нормализации стали

Нормализация имеет высокую сложность, так как может сопровождаться появлением дефектов у заготовок. Причинами проблем обычно являются нарушение условий этапов повышения и понижения температуры, указанных в технологической карте, и негативное воздействие горячих газов в печи.

К самым опасным дефектам при нормализации стали относятся:

Обезуглероживание

Подобная ситуация складывается, когда до высокой температуры доводят изделие, находящееся в среде с окислительными свойствами. В результате происходит выгорание углерода в приповерхностном слое металла.

Чтобы не допустить формирования данного дефекта, термообработку заготовки проводят в защитной или просто нейтральной среде газа, такого как аргон или гелий. Либо возможна работа в вакууме, например, при помощи индукционной установки.

Оксидирование

Данный дефект является следствием химической реакции железа с кислородом, которая протекает по формуле:

3Fе + 2О2 = FеО▪Fе2О3

Обычно подобная проблема встречается при нормализации стали в пламенных и электрических печах. Защитить металл от окалины, формирующей раковины, или окисления удается при помощи индукционного разогрева в защитной газовой среде.

Недогрев

Эта проблема чаще всего связана с такими факторами:

• малая продолжительность выдержки заготовки;
• недостаточный прогрев печи перед началом обработки.

В результате в изделии образуется сердцевина повышенной плотности с крупнозернистым строением. Исправить дефект удается благодаря повторному нагреву с соблюдением всех температурных режимов.

Перегрев

Возникает при превышении температуры, установленной технологической картой для термической обработки металла в печи. Перегретое изделие имеет низкое качество, крупнозернистую структуру. Дефект можно исправить посредством отжига или нормализации стали.

Пережог

Данная проблема связана с разогревом металла до температуры, близкой к плавлению в среде с окислительными свойствами, и ее невозможно устранить. На внешних гранях зерен формируются оксидные включения, снижающие пластичность, прочность металла. Чтобы не допустить пережога, важно соблюдать температуру, установленную для этапа разогрева заготовки.

При массовом промышленном производстве стальных изделий, например, метизов, нормализация стали выгодно выделяется на фоне других методов термообработки при небольшой продолжительности работ. Кроме того, она позволяет работать с разными марками стали и обеспечивает высокое качество продукции, сообщая ей необходимую прочность и твердость. Все названные факторы приводят к тому, что нормализация активно используется в машиностроении.