Нормалізація сталі: процес, температура, режими, час

• Ключові поняття – важлива термінологія
• Що таке нормалізація сталі та навіщо вона потрібна
• Нормалізація та подрібнення зерна
• У чому суть процесу нормалізації сталі?
• Режими нормалізації сталі – температура, час
• Охолодження
• Інші методи термічної обробки

Метал, який використовується у виробництві високотехнологічних конструкцій і деталей, частіше за все повинен бути однорідним та дрібнозернистим. Такі сталі володіють більш високими механічними характеристиками у порівнянні з матеріалом крупнозернистої структури. Для отримання необхідних механічних властивостей, зміни внутрішньої будови використовується термообробка сталі. Вона включає безліч методів температурного впливу.

Ключові поняття – важлива термінологія

• Діаграма стану залізо/вуглець – графік залежності фазового стану сплавів заліза з вуглецем від їх хімічного складу та температури.
• Мартенсит – пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі.
• Цементит – хімічна сполука з формулою Fe₃С (карбід заліза).
• Аустеніт – твердий розчин вуглецю в ƴ-залізі. На діаграмі стану залізо-вуглець аустеніт з'являється вище температури перлітного перетворення (727°С).
• Температура перетворення Ас3 – нагрів, при якому закінчується перетворення фериту в аустеніт. Для сталей з різним вмістом вуглецю температура Ас3 відрізняється.
• Дендритна ліквація – неоднорідність хімічного складу, характерна для сплавів, які тверднуть при нормальних умовах.
• Ас, Ar – критичні точки температури фазових перетворень. Ас – при нагріванні, Аr – при охолодженні.

Що таке нормалізація сталі та навіщо вона потрібна

Нормалізація сталі (НС) є різновидом відпалу й відноситься до процесів термічної обробки (ТО), при яких сплав нагрівається до аустенітного стану, витримується певний час та охолоджується. В даному випадку нагрів відбувається до температури, що перевищує критичну точку Ас3 на 30-50°С, при якій метал витримується, а потім охолоджується на повітрі.

Для кожного виду сплавів існує свій певний режим обробки. В ході процесу:

• усуваються дефекти внутрішньої структури;
• підвищується міцність;
• знижується межа холодноламкості;
• відбувається повна рекристалізація.

Процес нормалізації сталі

Результат ТО описується графіком з координатами «температура-час». Для доевтектоїдних (вміст вуглецю до 0,8%), евтектоїдних (0,8% вуглецю) й заевтектоїдних (понад 0,8% вуглецю) сталей температурний режим нормалізації й структурний та фазовий склад після термічної обробки будуть значно відрізнятися.

Нормалізація сталі використовується в таких цілях:

• усунення залишкових внутрішніх напружень;
• збільшення/зниження міцності, твердості в залежності від термічної й механічної історії виробу;
• зміна структурного складу в дрібнозернистий у виливках;
• видалення наклепу;
• підготовка до подальшого термічного зміцнення (загартування).

Нормалізація та подрібнення зерна

У доевтектоїдних сталях дрібнозернистої структури домагаються шляхом аустенізації при температурах, трохи вище за Ас₃, у заевтектоїдних – при температурах вище за Ас₁. При цьому зростання аустенітного зерна відзначається, коли температура відпалу вище за Ас₃ або коли збільшена його тривалість.

Крупнозернистий аустеніт незалежно від швидкості охолодження дає крупнозернисті перетворення. Так, у низьковуглецевих сталях виникають досить великі феритні зерна та великі острівці перліту, а у сталях з високим вмістом вуглецю – груба феритна сітка, оточена великими включеннями перліту. У крупнозернистих сталях відзначається менша кількість фериту, ніж у дрібнозернистих. А при високих швидкостях охолодження він може утворювати відманштеттову структуру. Через підвищення температури Ас₃ ймовірність утворення великих зерен збільшується із зменшенням вмісту вуглецю.

Застосування нормалізації дозволяє досягти подрібнення крупнозернистих структур: у перліті при переході через точку Ас₁ у великій кількості починають з'являтися зародки аустеніту, що в результаті викликає утворення дрібнозернистих перетворень. Висока швидкість охолодження сприяє подрібненню зерна перетвореної структури, адже підвищення переохолодження збільшує в аустеніті кількість зародків фериту та перліту. Цей процес вже не залежить від кількості вуглецю, фериту і перліту, що міститься в сталі. До того ж повторна термічна обробка дозволяє посилити ефект подрібнення зерна.

У чому суть процесу нормалізації сталі?

Щоб зрозуміти, для чого потрібна нормалізація сталі, потрібно розібратися в технології.

Для виконання даної обробки використовуються спеціалізовані ділянки металургійних та переробних підприємств, оснащені термічними печами та іншим допоміжним обладнанням. Тут метал нагрівають до температури аустенітизації, яка залежить від конкретної марки сталі. Після необхідної витримки сталевий виріб вивантажують з наступним охолодженням на спокійному повітрі (іноді може застосовуватися посилене повітряне обдування).

У прокатних цехах металургійних підприємств нормалізація за такою схемою може бути замінена нормалізуючою прокаткою, яка здійснюється в потоці стану з використанням тепла нагріву

Режими нормалізації сталі – температура, час

Ключовими параметрами будь-якої термічної обробки є:

• температура нагріву – вибирається залежно від виду ТО та марки сталі, з урахуванням вмісту вуглецю й основних легуючих елементів;
• час витримки – час, який проводить сталевий виріб в печі при заданій температурі для рівномірного прогріву й протікання структурних та фазових перетворень. Час вибирається, виходячи з габаритів виробу, його хімічного складу та температури нагріву. Чим товщі виріб, вище ступінь легування й менше температура – тим довше будуть протікати фазові процеси;
• вид, середа й швидкість охолодження безпосередньо впливають на формування остаточних структури та механічних характеристик. Зразки однієї марки сталі, нагріті до однієї й тієї ж температури, але охолоджені по різних режимах матимуть абсолютно різний комплекс властивостей.

Температуру нагріву сталі під нормалізацію вибирають з урахуванням її критичних точок. Найчастіше для цього використовують спеціальні ізотермічні та термокінетичні діаграми розпаду аустеніту. Для нових марок сталі значення критичних температур визначають дослідним шляхом.

Для доевтектоїдних сталей температура нагріву під нормалізацію зазвичай призначається на 30-50°С вище критичної точки Ас3. Заевтектоїдні сталі нагрівають до більш низьких температур в інтервалі Ас1-Ас3 (типовий режим – Ас1 +50°С) для виключення надмірного зростання зерна аустеніту й подальшого утворення грубої сітки цементиту.

Діаграма фазової рівноваги залізо-вуглець

Тривалість нагрівання під нормалізацію складається з двох основних елементів – часу прогріву виробу до заданої температури й часу фазових перетворень. Для малогабаритних виробів простої форми зазвичай для прогріву достатньо 15 хвилин. Час фазових перетворень залежить від ступеня легування сплаву: для вуглецевої сталі й низьколегованих марок призначають 1,5 хвилини на кожен міліметр товщини продукту, для високолегованих – 2-2,5 хв/мм.

Охолодження

Це важливий елемент термічної обробки, яка формує комплекс якісних та експлуатаційних характеристик виробу. Нормалізація сталі виконується з охолодженням на спокійному Іповітрі або із застосуванням прискореного обдування вентиляторами.

В результаті такої термообробки нормалізована сталь стає більш дрібнозернистою й рівномірною по механічних характеристиках у порівнянні з гарячекатаної.

Iнші методи термічної обробки

ТО сталі дозволяє надати матеріалу характерний набір властивостей шляхом зміни його внутрішньої структури. Крім нормалізації, термічна обробка сталі може здійснюватися й іншими методами.

• Загартування. Металопрокат прогрівається до температур вище точок фазового перетворення, а потім різко охолоджується у воді, маслі, сольових та інших розчинах (в залежності від складу сталі й необхідної швидкості охолодження). Така обробка надає матеріалу високу міцність, твердість та крихкість. Загартування проходять деталі, що працюють під статичним навантаженням й в умовах абразивного зношування, але без впливу мінливих коливань.
• Відпуск сталі. Його проходять деякі заготівлі після загартування, а також вироби, що вимагають зняття внутрішніх напружень або коригування мікроструктури. У цьому випадку нагрівання виконують до температур нижче фазових перетворень з подальшим охолодженням на повітрі або прискорено – у воді. При цьому підвищуються пластичність та ударна в'язкість, знижується міцність й твердість сталі.
• Відпал. Здійснюється за технологією нагріву вище фазових перетворень з подальшим плавним охолодженням прямо в печі. Після такої обробки сталь має найвищу пластичність й найменшу міцність. Нормалізація є підвидом відпалу, відрізняється тільки умовами охолодження (часто її називають нормалізаційним відпалом). За рахунок більш швидкого охолодження металу нормалізація є більш продуктивною.
• Термічна обробка в технологічному потоці прокатного стану. Найбільш перспективний напрямок розвитку технологій ТО, який скорочує тимчасові й матеріальні витрати, а також екологічне навантаження. Найпопулярнішими на сьогодні є способи термомеханічної, нормалізуючої та контрольованої прокатки, а також пряме загартування з прокатного нагріву.

Вибір способу термічної обробки здійснюється на підставі хімічного складу і параметрів сталевого виробу, рівня властивостей, який потрібно забезпечити, а також наявного набору обладнання для здійснення даних операцій. Термічна обробка може застосовуватися і як проміжна операція при виготовленні металовиробів, і як остаточна – що додає продукту кінцевий комплекс характеристик.

Якщо замість загартування грамотно застосовувати нормалізацію сталі, можна:

• уникнути утворення різних загартованих структур, короблення, тріщин та інших дефектів;
• зберегти правильну геометричну форму як у виробів простої, так і складної конфігурації;
• забезпечити досить високу якість металопродукції без істотного підвищення ціни.

Нормалізація сталі

Щоб убезпечити своє виробництво від форс-мажорних ситуацій, пов'язаних з використанням деталей та конструкцій з неякісного металу, придбайте тільки сертифіковану продукцію й тільки у надійних постачальників.

Якщо ви вирішили купити металопрокат у нас, ви отримуєте додатково гарантію відповідності заявленій структурі й хімічному складу. Потрібна консультація? З будь-яких питань звертайтеся на нашу контактну лінію за телефоном 0800-30-30-70 – надаємо консультативну підтримку безкоштовно.