Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время

• Ключевые понятия – важная терминология
• Что такое нормализация стали и зачем она нужна
• Нормализация и измельчение зерна
• В чем суть процесса нормализации стали?
• Режимы нормализации стали – температура, время
• Охлаждение
• Другие методы термической обработки

Металл, используемый в производстве высокотехнологичных конструкций и деталей, чаще всего должен быть однородным и 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 температурного воздействия.

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).
• Аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе. На диаграмме состояния железо-углерод аустенит появляется выше температуры перлитного превращения (727°С).
• Температура превращения Ас3 – нагрев, при котором заканчивается превращение феррита в аустенит. Для сталей с различным содержанием углерода температура Ас3 отличается.
• Дендритная ликвация – неоднородность химического состава, характерная для сплавов, твердеющих при нормальных условиях.
• Ас, Ar – критические точки температуры фазовых преобразований. Ас – при нагреве, Аr – при охлаждении.

Что такое нормализация стали и зачем она нужна

Нормализация стали (НС) является разновидностью отжига и относится к процессам термической обработки (ТО), при которых сплав нагревается до аустенитного состояния, выдерживается определенное время и охлаждается. В данном случае нагрев происходит до температуры, превышающей критическую точку Ас3 на 30-50°С, при которой металл выдерживается, а затем охлаждается на воздухе.

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

• устраняются дефекты внутренней структуры;
• повышается прочность;
• понижается порог хладноломкости;
• происходит полная рекристаллизация.

Процесс нормализации стали

Результат ТО описывается графиком с координатами «температура-время». Для доэвтектоидных (содержание углерода до 0,8%), эвтектоидных (0,8% углерода) и заэвтектоидных (свыше 0,8% углерода) сталей температурный режим нормализации и структурный и фазовый состав после термической обработки будут значительно отличаться.

Нормализация стали используется в таких целях:

• устранение остаточных внутренних напряжений;
• увеличение/снижение прочности, твердости в зависимости от термической и механической истории изделия;
• изменение структурного состава в мелкозернистый в отливках;
• удаление наклепа;
• подготовка к последующему термическому упрочнению (закалке).

Нормализация и измельчение зерна

В доэвтектоидных сталях мелкозернистой структуры добиваются путем аустенизации при температурах, немного выше Ас₃, в заэвтектоидных – при температурах выше Ас₁. При этом рост аустенитного зерна отмечается, когда температура отжига выше Ас₃ или когда увеличена его продолжительность.

Крупнозернистый аустенит вне зависимости от скорости охлаждения дает крупнозернистые превращения. Так, в низкоуглеродистых сталях возникают довольно большие ферритные зерна и крупные островки перлита, а в сталях с высоким содержанием углерода – грубая ферритная сетка, окруженная крупными включениями перлита. В крупнозернистых сталях отмечается меньшее количество феррита, чем в мелкозернистых. А при больших скоростях охлаждения он может образовывать видманштеттову структуру. Из-за повышения температуры Ас₃ вероятность образования крупных зерен увеличивается с уменьшением содержания углерода.

Применение нормализации позволяет добиться измельчения крупнозернистых структур: в перлите при переходе через точку Ас₁ в большом количестве начинают появляться зародыши аустенита, что в результате вызывает образование мелкозернистых превращений. Высокая скорость охлаждения способствует измельчению зерна превращенной структуры, ведь повышение переохлаждения увеличивает в аустените число зародышей феррита и перлита. Этот процесс уже не зависит от количества содержащегося в стали углерода, феррита и перлита. К тому же повторная термическая обработка позволяет усилить эффект измельчения зерна.

В чем суть процесса нормализации стали?

Чтобы понять, для чего нужна нормализация стали, нужно разобраться в технологии. Для выполнения данной обработки используются специализированные участки металлургических и перерабатывающих предприятий, оснащенные термическими печами и другим вспомогательным оборудованием. Здесь металл нагревают до температуры аустенитизации, которая зависит от конкретной марки стали. После необходимой выдержки стальное изделие выгружают с последующим остыванием на спокойном воздухе (иногда может применяться усиленный воздушный обдув).

В прокатных цехах метпредприятий нормализация по такой схеме может быть заменена нормализующей прокаткой, которая осуществляется в потоке стана с использованием тепла нагрева полуфабриката перед деформацией. Такая обработка позволяет получить структуру и свойства стального проката, аналогичные нормализованному состоянию, при гораздо меньших временных и энергетических затратах.

Режимы нормализации стали – температура, время

Ключевыми параметрами любой термической обработки являются:

• температура нагрева – выбирается в зависимости от вида ТО и марки стали, с учетом содержания углерода и основных легирующих элементов;
• время выдержки – время, которое проводит стальное изделие в печи при заданной температуре для равномерного прогрева и протекания структурных и фазовых превращений. Время выбирается, исходя из габаритов изделия, его химического состава и температуры нагрева. Чем толще изделие, выше степень легирования и меньше температура – тем дольше будут протекать фазовые процессы;
• вид, среда и скорость охлаждения оказывают непосредственное влияние на формирование окончательных структуры и механических характеристик. Образцы одной марки стали, нагретые до одной и той же температуры, но охлажденные по разным режимам будут иметь абсолютно разный комплекс свойств.

Температуру нагрева стали под нормализацию выбирают с учетом ее критических точек. Чаще всего для этого используют специальные изотермические и термокинетические диаграммы распада аустенита. Для новых марок стали значения критических температур определяют опытным путем.

Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под нормализацию обычно назначается на 30-50°С выше критической точки Ас3. Заэвтектоидные стали нагревают до более низких температур в интервале Ас1-Ас3 (типовой режим – Ас1 + 50°С) для исключения чрезмерного роста зерна аустенита и последующего образования грубой сетки цементита.

Диаграмма фазового равновесия железо-углерод

Длительность нагрева под нормализацию складывается из двух основных элементов – времени прогрева изделия до заданной температуры и времени фазовых превращений. Для некрупногабаритных изделий простой формы обычно для прогрева достаточно 15 минут. Время фазовых превращений зависит от степени легирования сплава: для углеродистой стали и низколегированных марок назначают 1,5 минуты на каждый миллиметр толщины продукта, для высоколегированных – 2-2,5 мин/мм.

Охлаждение

Это важный элемент термической обработки, формирующий комплекс качественных и эксплуатационных характеристик изделия. Нормализация стали выполнятся с охлаждением на спокойном воздухе либо с применением ускоренного обдува вентиляторами.

В результате такой термообработки нормализованная сталь становится более мелкозернистой и равномерной по механическим характеристикам в сравнении с горячекатаной.

Другие методы термической обработки

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

• Закалка. Металлопрокат прогревается до температур выше точек фазового превращения, а затем резко охлаждается в воде, масле, солевых и других растворах (в зависимости от состава стали и требуемой скорости охлаждения). Такая обработка придает материалу высокую прочность, твердость и хрупкость. Закалку проходят детали, работающие под статической нагрузкой и в условиях абразивного изнашивания, но без воздействия меняющихся колебаний.
• Отпуск стали. Его проходят некоторые заготовки после закалки, а также изделия, требующие снятия внутренних напряжений или корректировки микроструктуры. В этом случае нагрев выполняют до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением на воздухе либо ускоренно – в воде. При этом повышаются пластичность и ударная вязкость, снижается прочность и твердость стали.
• Отжиг. Осуществляется по технологии нагрева выше фазовых превращений с последующим плавным остыванием прямо в печи. После такой обработки сталь имеет наивысшую пластичность и наименьшую прочность. Нормализация является подвидом отжига, отличается только условиями охлаждения (часто ее называют нормализационным отжигом). За счет более быстрого остывания металла нормализация является более производительной.
• Термическая обработка в технологическом потоке прокатного стана. Наиболее перспективное направление развития технологий ТО, которое сокращает временные и материальные затраты, а также экологическую нагрузку. Самыми популярными на сегодняшний день являются способы термомеханической, нормализующей и контролируемой прокатки, а также прямая закалка с прокатного нагрева.

Выбор способа термической обработки осуществляется на основании химического состава и параметров стального изделия, уровня свойств, который требуется обеспечить, а также имеющегося набора оборудования для осуществления данных операций. Термическая обработка может применяться и как промежуточная операция при изготовлении металлоизделий, и как окончательная – придающая продукту конечный комплекс характеристик. 

Если вместо закали грамотно применять нормализацию стали, можно:

• избежать образования различных закалочных структур, коробления, трещин и прочих дефектов;
• сохранить правильную геометрическую форму как у изделий простой, так и сложной конфигурации;
• обеспечить достаточно высокое качество металлопродукции без существенного повышения цены.

Нормализация стали

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 вы решили купить металлопрокат у нас, вы получаете дополнительно гарантию соответствия заявленной структуре и химическому составу. Нужна консультация? По любым вопросам обращайтесь на нашу контактную линию по телефону 0800-30-30-70 – оказываем консультативную поддержку бесплатно.