Normalizacja stali to rodzaj wyżarzania, który polega na podgrzaniu stali do stanu austenitycznego, utrzymaniu jej w określonej temperaturze, a następnie schłodzeniu na powietrzu. Dla stali podeutektoidalnych, zawierających mniej niż 0,8% węgla, znormalizowana struktura to mieszanina perlitu i ferrytu.
W stalach nadeutektoidalnych (zawierających ponad 0,8% węgla) struktura po normalizacji składa się z sorbitu – drobnoziarnistej odmiany perlitu. Ten rodzaj obróbki cieplnej stosuje się w celu eliminacji wad struktury oraz przygotowania jej do operacji cięcia. Często stosuje się go zamiast hartowania i odpuszczania, aby poprawić właściwości odlewów stalowych. Normalizacyjne wyżarzanie jest najczęściej stosowane dla stali średnio- i wysokowęglowych, niskostopowych oraz narzędziowych.
Etapy procesu normalizacji stali
Normalizacyjne wyżarzanie przebiega w kilku etapach. Wszystkie operacje wykonuje się w zakładach metalurgicznych i obróbki metali, wyposażonych w piece cieplne o różnych konstrukcjach oraz specjalistyczne urządzenia.
- Podgrzewanie: Stal podeutektoidalna jest podgrzewana do temperatur powyżej punktu Aс3 o 40-50°C. Dla stali nadeutektoidalnych wybiera się niższą temperaturę, aby uniknąć wzrostu ziaren austenitu i tworzenia się grubej siatki. Konkretna temperatura zależy od zawartości węgla i pierwiastków stopowych, jeśli występują.
- Utrzymanie temperatury: Jest to czas, w którym wyrób musi przebywać w komorze grzewczej, aby osiągnąć równomierne nagrzanie i zakończyć przemiany fazowe. Czas utrzymania zależy od gatunku stali, rozmiarów wyrobu i temperatury nagrzewania. Dla mniejszych detali o prostej konfiguracji wystarcza 15 minut w określonej temperaturze, aby nagrzać całą objętość.
- Chłodzenie: Przeprowadza się głównie na spokojnym powietrzu, czasem z wykorzystaniem nadmuchu powietrza. Przy przyspieszonym chłodzeniu austenit rozkłada się w niższych temperaturach, co sprzyja powstawaniu drobnoziarnistej struktury ferrytowo-cementytowej. Struktura znormalizowanych stali średnio- i wysokowęglowych charakteryzuje się większą wytrzymałością i twardością w porównaniu do wyżarzania. Szybkość chłodzenia wpływa na strukturę i właściwości stali.
Zadania rozwiązywane dzięki normalizacji stali węglowych i stopowych
Normalizacyjne wyżarzanie odlewów, odkuwek, prętów, półfabrykatów i wyrobów metalowych zapewnia:
- pełną rekrystalizację fazową stali;
- rozdrobnienie gruboziarnistej struktury powstałej w wyniku obróbki plastycznej;
- zmniejszenie warstwowości po walcowaniu i nierównomierności ziaren w odkuwkach;
- zwiększenie odporności na kruche pękanie;
- eliminację naprężeń wewnętrznych po walcowaniu;
- przygotowanie struktury do kolejnych operacji obróbki cieplnej;
- poprawę skrawalności.
Odlewy stalowe poddaje się normalizacyjnemu wyżarzaniu w celu homogenizacji struktury dendrytycznej, zmniejszenia naprężeń resztkowych oraz zwiększenia podatności na dalsze operacje obróbki cieplnej.
Specyfika normalizacyjnego wyżarzania stali o różnej zawartości węgla
Cele i specyfika normalizacji zależą od składu stali:
- Dla stali niskowęglowych normalizacja skutecznie zastępuje wyżarzanie, zapewniając jednocześnie większą twardość i poprawę skrawalności.
- Dla odlewów ze stali średniowęglowych normalizacja z wysokotemperaturowym odpuszczaniem zastępuje hartowanie i odpuszczanie.
- Dla niektórych stali wysokostopowych normalizacja z chłodzeniem na powietrzu zastępuje hartowanie z odpuszczaniem, co pozwala na oszczędność jednej operacji.
Wyposażenie i materiały stosowane przy normalizacji
Odpowiedni reżim temperaturowy normalizacji stali i jej chłodzenia zapewniają:
- komory grzewcze z palnikami płaskopłomieniowymi;
- automatyka sterowania reżimem nagrzewania;
- materiały izolacyjne.
Do normalizacji drobnych detali w gazie ochronnym stosuje się przenośnikowe piece normalizacyjne. Prędkość taśmy wynosi do 20 cm na minutę.
Normalizacja, jak inne technologie obróbki cieplnej odlewów, prętów, półfabrykatów i wyrobów metalowych, może być operacją pośrednią lub końcową. Normalizacja stali jest ważnym etapem obróbki cieplnej, który znacząco poprawia właściwości mechaniczne metalu, przygotowując go do dalszej obróbki oraz zapewniając niezawodność i trwałość gotowych wyrobów.