Нормализация стали является разновидностью отжига, который заключается в нагреве стали до аустенитного состояния, выдержке при определённой температуре и охлаждении на воздухе. Для доэвтектоидных сталей, содержащих менее 0,8% углерода, нормализованной считается структура, которая представляет собой смесь перлита и феррита.
В заэвтектоидных сталях (с содержанием углерода более 0,8%) структура после нормализации состоит из сорбита – высокодисперсной разновидности перлита. Этот вид термической обработки используется для устранения дефектов структуры и подготовки её к операциям резания. Часто он применяется для улучшения качеств стальных отливок вместо операций закалки и отпуска. Нормализационный отжиг востребован в основном для средне- и высокоуглеродистых, низколегированных, инструментальных марок стали.
Этапы процесса нормализации стали
Нормализационный отжиг осуществляется в несколько этапов. Все операции выполняются на металлургических и металлообрабатывающих предприятиях, оснащённых термическими печами различной конструкции и другим специализированным оборудованием.
- Нагрев Доэвтектоидные стали при нормализации нагревают до температур выше точки Ас3 на 40-50 °C. Для заэвтектоидных сталей выбирается более низкая температура нагрева, что позволяет исключить рост аустенитных зёрен и формирование грубой сетки. Конкретная температура зависит от содержания углерода и легирующих элементов, если такие присутствуют.
Чаще всего для определения оптимального температурного режима используются изотермические и термокинетические диаграммы. Для новых марок стали теоретически рассчитанные значения подтверждаются опытным путём. Период фазовых превращений определяется номенклатурой и количеством легирующих компонентов. Для нелегированных и низколегированных сталей обычно устанавливается 1,5 минуты нагрева на каждый миллиметр толщины изделий.
- Выдержка Выдержка – это время, в течение которого изделие должно находиться в нагревательной камере при заданной температуре. Этот этап необходим для полного и равномерного прогрева садки и завершения фазовых превращений. Время выдержки зависит от марки стали, габаритов изделия и температуры нагрева. Для некрупных деталей простых конфигураций достаточно выдержать металлопродукцию при заданной температуре в течение 15 минут.
- Охлаждение Охлаждение осуществляется в основном на спокойном воздухе. Иногда используется воздушный обдув. При ускоренном охлаждении аустенит распадается при пониженных температурах, что обеспечивает появление дисперсной ферритно-цементитной структуры. Структура нормализованных средне- и высокоуглеродистых сталей отличается более высокой прочностью и твёрдостью по сравнению с отожжённым состоянием. Среда и, следовательно, скорость охлаждения существенно влияют на структуру и другие характеристики стали. Одна сталь, нагретая до одинаковой температуры, но охлаждённая по разным режимам, будет иметь разные характеристики.
Задачи, решаемые нормализацией углеродистых и легированных сталей
Нормализационный отжиг отливок, поковок, металлопроката, различных полуфабрикатов и металлоизделий обеспечивает:
- полную фазовую перекристаллизацию стали;
- измельчение крупнозернистой структуры стали, полученной при обработке давлением – прокаткой, ковкой, штамповкой;
- снижение полосчатости после прокатных операций и неравномерности размеров зёрен в поковках;
- повышение сопротивления хрупкому разрушению, то есть снижение порога хладоломкости и увеличение работы трещинообразования;
- устранение наклёпа после прокатки, остаточных внутренних напряжений;
- подготовку структуры к последующим операциям термического упрочнения, если такие будут необходимы;
- улучшение обрабатываемости резанием.
Стальные отливки подвергают нормализационному отжигу с целью гомогенизации дендритной структуры, уменьшения остаточных напряжений, повышения восприимчивости к последующим операциям термической обработки.
Особенности нормализационного отжига для сталей с различным содержанием углерода
Цели и особенности проведения нормализации зависят от состава стали:
- Для низкоуглеродистых марок нормализация эффективно заменяет отжиг, поскольку она обеспечивает сочетание повышенной твёрдости с улучшением обрабатываемости резанием и получением более чистой поверхности.
- Для отливок из среднеуглеродистых сталей нормализация с высоким отпуском заменяет закалку с высоким отпуском. Преимущества первого варианта – меньшие деформационные усилия в деталях, и, следовательно, сниженная вероятность появления трещин.
- Для некоторых высоколегированных марок нормализация с охлаждением на воздухе заменяет закалку с отпуском, что обеспечивает экономию при проведении одной операции термообработки (нормализации) вместо двух (закалка+отпуск).
Оборудование и расходные материалы, используемые при осуществлении нормализационного отжига
Требуемый температурный режим нормализации стали и её охлаждения обеспечивают:
- Нагревательные камеры с горелками плоско-факельного типа, работающие по принципу прямого или косвенного нагрева. Современные варианты – рекуперационные и регенерационные модели горелок.
- Автоматика управления режимом нагрева. В печах косвенного нагрева для управления мощностью используются тиристорные схемы.
- Теплоизолирующие материалы.
Для нормализации мелких деталей в среде защитного газа используются конвейерные нормализационные печи. Загрузочное и разгрузочное отверстия расположены ниже уровня рабочей камеры. Загрузочный и разгрузочный тамбуры расположены под уклоном. Конвейер представляет собой сетчатую конструкцию из нихромовой проволоки толщиной 3 мм. В разгрузочной части печи осуществляется охлаждение деталей. Охлаждающий коридор, через который проходит конвейер, имеет двойные стенки. Пространство между ними заполняется проточной холодной водой. Защитный газ присутствует во всём пространстве печи, включая части погрузки и разгрузки.
Детали располагают на конвейере в один слой, что обеспечивает равномерный нагрев и быстрое охлаждение изделий. При выходе из разгрузочной части детали должны иметь температуру, не превышающую +50 °C. При более высоких температурах на поверхности металлоизделий появляются оксидные плёнки. Скорость движения конвейера – до 20 см в минуту.
Нормализация, как и другие технологии термообработки отливок, металлопроката, полуфабрикатов и металлоизделий, может быть промежуточной или конечной операцией. В большинстве случаев нормализационный отжиг является промежуточным процессом. Роль финишной процедуры нормализация выполняет при производстве фасонного металлопроката – тавра, двутавра, швеллера.
Таким образом, нормализация стали является важной стадией термической обработки, которая позволяет существенно улучшить механические свойства металла, подготовить его к дальнейшей обработке и обеспечить надёжность и долговечность готовых изделий.