Нормалізація сталі є різновидом відпалу, що полягає у нагріванні сталі до аустенітного стану, витримці при певній температурі та охолодженні на повітрі. Для доевтектоїдних сталей, що містять менше 0,8% вуглецю, нормалізованою вважається структура, яка являє собою суміш перліту та фериту.
У заевтектоїдних сталях (вміст вуглецю понад 0,8%) структура після нормалізації складається з сорбіту – високо дисперсної різновиди перліту. Цей вид термічної обробки використовується для усунення дефектів структури, підготовки її до операцій різання. Часто він застосовується для покращення якостей сталевих відливок замість операцій загартування і відпуску. Нормалізаційний відпал затребуваний в основному для середньо- та високовуглецевих, низьколегованих, інструментальних марок сталі.
Етапи процесу нормалізації сталі
Нормалізаційний відпал здійснюється в кілька етапів. Усі операції виконуються на металургійних та металообробних підприємствах, оснащених термічними печами різної конструкції та іншим спеціалізованим обладнанням.
- Нагрівання Доевтектоїдні сталі при нормалізації нагрівають до температур вище точки Ас3 на 40-50 °C. Для заевтектоїдних сталей обирається нижча температура нагрівання, що дозволяє уникнути зростання аустенітних зерен і формування грубої сітки. Конкретна температура залежить від вмісту вуглецю і легуючих елементів, якщо такі присутні.
Найчастіше для визначення оптимального температурного режиму використовуються ізотермічні та термокінетичні діаграми. Для нових марок сталі теоретично розраховані значення підтверджують дослідним шляхом. Період фазових перетворень визначається номенклатурою і кількістю легуючих компонентів. Для нелегованих і низьколегованих сталей зазвичай встановлюють 1,5 хвилини нагріву на кожен міліметр товщини виробів.
- Витримка – це час, протягом якого виріб повинен знаходитися в нагрівальній камері при заданій температурі. Цей етап необхідний для повного і рівномірного прогріву садки, завершення фазових перетворень. Час витримки залежить від марки сталі, габаритів виробу, температури нагрівання. Для некрупних деталей простих конфігурацій для прогріву по всьому об’єму достатньо витримати металопродукцію при заданій температурі протягом 15 хвилин.
- Охолодження здійснюється в основному на спокійному повітрі. Іноді використовується повітряний обдув. При прискореному охолодженні аустеніт розпадається при знижених температурах, що забезпечує появу дисперсної феритно-цементитної структури. Структура нормалізованих середньо- і високовуглецевих сталей відрізняється більшою міцністю і твердістю порівняно з відпаленим станом. Середовище і, відповідно, швидкість охолодження суттєво впливають на структуру і інші характеристики сталі. Сталь, нагріта до однакової температури, але охолоджена за різними режимами, матиме різні характеристики.
Задачі, які вирішуються нормалізацією вуглецевих та легованих сталей
Нормалізаційний відпал відливок, поковок, металопрокату, різних напівфабрикатів і металовиробів забезпечує:
- повну фазову перекристалізацію сталі;
- подрібнення крупнозернистої структури сталі, отриманої при обробці тиском – прокаткою, ковкою, штамповкою;
- зниження полосчатості після прокатних операцій і нерівномірності розмірів зерен у поковках;
- підвищення опору крихкому руйнуванню, тобто зниження порогу хладоломкості і збільшення роботи тріщиноутворення;
- усунення наклепу після прокатки, залишкових внутрішніх напружень;
- підготовку структури до наступних операцій термічного зміцнення, якщо такі будуть необхідні;
- поліпшення оброблюваності різанням.
Стальні відливки піддають нормалізаційному відпалу з метою гомогенізації дендритної структури, зменшення залишкових напружень, підвищення сприйнятливості до наступних операцій термічної обробки.
Особливості нормалізаційного відпалу для сталей з різним вмістом вуглецю
Цілі і особливості проведення нормалізації залежать від складу сталі:
- Для низьковуглецевих марок нормалізація ефективно замінює відпал, оскільки вона забезпечує поєднання підвищеної твердості з поліпшенням оброблюваності різанням і отриманням більш чистої поверхні.
- Для відливок із середньовуглецевих сталей нормалізація з високим відпуском замінює загартування з високим відпуском. Переваги першого варіанту – менші деформаційні зусилля в деталях, і, відповідно, знижена ймовірність появи тріщин.
- Для деяких високолегованих марок нормалізація з охолодженням на повітрі замінює загартування з відпуском, що забезпечує економію при проведенні однієї операції термообробки (нормалізації) замість двох (загартування+відпуск).
Обладнання та витратні матеріали, що використовуються при здійсненні нормалізаційного відпалу
Требуемий температурний режим нормалізації сталі і її охолодження забезпечують:
- Нагрівальні камери з пальниками плоско-факельного типу, що працюють за принципом прямого або непрямого нагріву. Сучасні варіанти – рекупераційні і регенераційні моделі пальників.
- Автоматика управління режимом нагрівання. У печах непрямого нагріву для управління потужністю використовуються тиристорні схеми.
- Теплоізоляційні матеріали.
Для нормалізації дрібних деталей в середовищі захисного газу використовуються конвеєрні нормалізаційні печі. Завантажувальні і розвантажувальні отвори розташовані нижче рівня робочої камери. Завантажувальний і розвантажувальний тамбури розташовані під нахилом. Конвеєр являє собою сітчасту конструкцію з нихромової дроту товщиною 3 мм. У розвантажувальній частині печі здійснюється охолодження деталей. Охолоджувальний коридор, через який проходить конвеєр, має подвійні стінки. Простір між ними заповнюється проточною холодною водою. Захисний газ присутній у всьому просторі печі, включаючи частини завантаження і розвантаження.
Деталі розміщують на конвеєрі в один шар, що забезпечує рівномірний нагрів і швидке охолодження виробів. При виході з розвантажувальної частини деталі повинні мати температуру, що не перевищує +50 °C. При вищих температурах на поверхні металовиробів з’являються оксидні плівки. Швидкість руху конвеєра – до 20 см на хвилину.
Нормалізація, як і інші технології термообробки відливок, металопрокату, напівфабрикатів і металовиробів, може бути проміжною або кінцевою операцією. У більшості випадків нормалізаційний відпал є проміжним процесом. Роль фінішної процедури нормалізація виконує при виробництві фасонного металопрокату – тавра, двутавра, швелера.
Таким чином, нормалізація сталі є важливою стадією термічної обробки, що дозволяє суттєво покращити механічні властивості металу, підготувати його до подальшої обробки та забезпечити надійність і довговічність готових виробів.