Ваш город
Киев
smc@metinvestholding.com
Написать письмо
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Позвонить
0 800 30 30 70
Заказать звонок
Зарегистрируйтесь!

Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время

  1. Главная
  2. Статьи
  3. Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время
Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время
Что такое нормализация стали? Описание и суть процесса, температурные режимы выдержки и нормализации стали, основные методы термической обработки и нормализации металла
Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время
Метинвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/articles/normalizatsiya-stali-protsess-temperatura-rezhimy-vremya/
2020-01-16 14:42:08
Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время
18 Декабря 2019

Металл, используемый в производстве высокотехнологичных конструкций и деталей, должен быть мелкозернистым. Такие стали обладают более высокими механическими характеристиками по сравнению с материалом крупнозернистой структуры. Для получения требуемых механических свойств, изменения внутреннего строения используется термообработка стали. Она включает множество методов воздействия под определенной температурой.

Ключевые понятия – важная терминология

  • Диаграмма состояния железо/углерод – график зависимости фазового состояния сплавов железа с углеродом от их химического состава и температуры.
  • Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
  • Цементит – химическое соединение с формулой Fe3С (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
  • Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. На диаграмме состояния железо-углерод находится выше температуры перлитного превращения (727°С). Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.
  • Температура превращения Ас3 – нагрев, при котором заканчивается превращение феррита в аустенит.
  • Дендритная сегрегация – неоднородность химического состава, возникающая при его кристаллизации, в результате чего образуются кристаллы твердого раствора дендритного типа.
  • Ас, Ar – критические точки температуры фазовых преобразований. Ас – при нагреве, Аr – при охлаждении.

 

Что такое нормализация стали и зачем она нужна

Нормализация стали (НС) относится к циклическим процессам термообработки (ТО), при которых сталь нагревается до температур аустенитного состояния, выдерживается некоторое время и охлаждается на воздухе. То есть, нагрев происходит до температуры, превышающей верхние критические температурные параметры на 30-50°С, выдерживается и охлаждается.

Для каждого вида сплавов существует свой определенный режим обработки. В ходе процесса нормализации:

  • происходит полная фазовая перекристаллизация стали, при этом металлопрокат приобретает иную структуру: мелкозернистую, однородную;
  • усиливается прочность и твердость;
  • понижается порог хладноломкости.

Результат ТО описывается графиком с координатами «температура-время». Нормализация рассматривается с двух позиций:

  • термическая – нагрев до аустенитного состояния и последующее охлаждение на спокойном воздухе;
  • микроструктурная – перлит для металла, содержащего больше чем 0,8 % углерода, и состав из перлита и феррита в сталях с меньшим содержанием углерода.

Нормализация заэвтектоидной стали позволяет исправить ее структуру при условии, если цементит располагается в виде сетки по границе зерен, и тем самым существенно улучшить механические свойства металла. Также она используется в таких целях:

  • подготовка металла к закалке;
  • устранение остаточных внутренних напряжений;
  • увеличение \снижение прочности, твердости в зависимости от термической и механической истории изделия;
  • превращение структуры в мелкозернистую в отливках;
  • удаление наклепа;
  • подготовка к последующему термическому упрочнению.

Режимы нормализации стали – температура, время

При охлаждении на воздухе аустенит распадается в температурном промежутке перлитного превращения. Нагрев металла может осуществляться по нескольким режимам. Между собой они отличаются по условиям проведения процесса.

  • Время выдержки. Один час на каждые 25 мм толщины сечения металла или заготовок в нагретом состоянии считается нормой. Исправляются дефекты сплава, его химического состава. Нагреваясь до очень высокой температуры, атомы легирующих элементов равномерно распределяются по внутреннему пространству.
  • Температура нагрева. Она разная для металлов и сплавов. Подбирается опытным путем. 1100 градусов считаются оптимальными при ТО стали. Для ее диффузионной нормализации требуется 10-20 часов в нагретом состоянии и последующее медленное охлаждение.
  • Тип охлаждения. Чаще всего это продолжительный по времени теплообмен с наружной средой.
  • Скорость охлаждения. Зависит от характеристик – массы заготовки, отношения ее поверхности к объему. Чем скорость выше, тем больше образуется перлита. Его пластины утончаются и более тесно располагаются друг к другу, прочность материала повышается. Однородный по составу материал как раз и получается, благодаря медленному охлаждению.

В чем суть процесса нормализации стали?

Чтобы понять, для чего нужна нормализация стали, нужно разобраться в технологии.

Нормализация приводит к образованию более однородной структуры металла, формированию нормализованной структуры стали. Сам термический процесс выглядит так. Деталь или заготовка разогревается до превышающих максимальный допуск на 30-50°С температур (Ас1 и Ас3). Выдерживается заданное время в температурном поле, охлаждается при спокойном состоянии воздуха со скоростью 150—250 град/час. Температуры подбираются в соответствии с маркой металла. В результате в твердый раствор переходит какая-то часть углерода. Образуется новый состав из мартенсита и цементита. Последний усиливает стойкость к износу и твердость металла. Нагрев свыше Ас3 влечет рост аустенита и, как следствие, повышение внутренних напряжений.

Сталь (процентный состав углерода <0,8), нагреваясь выше критического показателя Ас3, приобретает повышенную вязкость, мелкозернистый аустенит, преходящий в мартенсит. Для доэвтектоидной стали обработка в диапазоне температур Ас1-Ас3 не проводится – здесь образуется феррит, понижающий характеристики твердости.

Выдержка и температура нормализации

Нормализованная сталь по структуре подразделяется на перлитный, мартенситный и аустенитный классы. Основными характеристиками процесса ТО металла являются:

  • максимальные температурные параметры нагрева;
  • период выдержки сплава при температуре нагрева;
  • скорость нагрева и охлаждения.

Общее время нагрева (Тоб.) состоит из продолжительности нагрева до заданной температуры (Тз.т.) и времени выдержки при этой температуре (Тв):

Тоб. = Тз.т. + Тв

Длительность выдержки важна для уменьшения степени неоднородности распределения химических веществ аустенитного состава до начала охлаждения. Нормальным показателем считается 1 час выдержки на каждые 2,5 см толщины сечения металла.

Нормализация доэвтектоидной стали проводится при температурах более Ас3. Это позволяет убрать грубую цементитную сетку. Она возникает при медленном охлаждении в интервале критических точек стали Аст – Аr (диаграмма состояния железо-углерод) при отжиге.

Заэвтектоидные металлы нужно нормализовать при температурах между точками Ас1 и Ас3.Тогда в растворе содержится одинаковое количество углерода и регистрируется одинаковое количество аустенита. Сталь принимает однородную твердость.

Охлаждение

Это важный элемент режима нормализации, особенно если нагрев превышал показатели фазовых преобразований. Охлаждение влияет на особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. При одинаковой его интенсивности, но разных составах стали, используются различные виды термической обработки. Выбор условий охлаждения зависит от цели достижения необходимых характеристик, как на поверхности, так и по сечению металлических изделий. Нормализация углеродистой стали напрямую зависит от среды охлаждения. Для разных операций она своя. Это может быть пространство печи, наружный воздух, специальные жидкости или газы.

Другие методы термической обработки

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

  • Закалка. Металл прогревается до нужных параметров, выдерживается при них установленное время. Для сохранения в целости структуры кристаллической решетки, быстро охлаждают в масляной или водной среде. Закалку проходят детали, работающие под статической нагрузкой, но без воздействия меняющихся колебаний.
  • Отпуск стали. Его проходят некоторые заготовки после закалки. Они во второй раз нагреваются до температуры ниже, чем температура закалки. Прогретый металл охлаждается на улице. Снижаются напряжения и пластичность. Повышается ударная вязкость. Создаются прочные межмолекулярные сопряжения железа и углерода.
  • Отжиг. Осуществляется по технологии нагрева с последующим плавным остыванием прямо в печи, поэтому строение перлита максимально тонкое. Нормализация углеродистой стали, если сравнивать ее с отжигом, считается менее продолжительной по времени, а значит, более производительной.
  • ТО глубоким холодом. Идеально подходит для закаленной углеродистой стали. После нее структура твердых сплавов становится мельче и плотнее. Металл приобретает дополнительную твердость.
  • Дисперсионное твердение. Финишная операция, в ходе которой материал становится более прочным. После закалки при малом нагреве рассеянные частицы выделяются в твердом составе.

Выбор способа термообработки для стали

Способ ТО сплава, в том числе и нормализация, выбирается в зависимости от требуемых свойств, а также концентрации в ней углерода. Закалка и нормализация стали используется для исправления внутренних неоднородностей после отливки.

  • Если углерод содержится в количестве до 0,2%, то самым оптимальным вариантом будет нормализация.
  • При значениях по углероду 0,3-0,4%, можно использовать, как нормализацию, так и отжиг.
  • Нормализация задействуется для устранения цементной сетки, а также измельчения зерна.
  • Если требования к изделию – износоустойчивость и твердость, назначается закалка и низкотемпературный отпуск или цементация.
  • При невысоких требованиях, предъявляемых к твердости изделия, прибегают к нормализации.

Как видно, в большинстве случаев именно она считается наиболее приемлемым методом ТО материалов. Для любого изделия разрабатывается конкретный режим для всех операций термообработки с точными параметрами: температуры и времени нагрева, периода выдержки, скорости и выбора охлаждения.

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 решили купить металл у нас, вы получаете дополнительно гарантию соответствия заявленной структуре и химическому составу. Нужна консультация? По любым вопросам обращайтесь на нашу контактную линию – оказываем консультативную поддержку бесплатно.