Что такое нормализация металла

Отжиг.

Отжиг – это первичная операция термической обработки, при которой стали нагревают до определенных температур, выдерживают при этих температурах и затем медленно охлаждают вместе с печью.

Цель и назначение отжига так же разнообразны, как и выполнение. Отжиг применяют для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств металла, улучшения обрабатываемости режущим инструментом, снижения твердости и для подготовки структуры к дальнейшей термической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и назначения различают следующие виды отжига: полный, неполный, отжиг на зернистый перлит, изотермический, диффузионный и т. д.

Полный отжиг.

Полный отжиг осуществляется главным образом после горячей механической обработки и литья углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна, смягчение металла для улучшения его обработки режущим инструментом и устранение вну­ренних напряжений. Это достигается нагревом, не превышающим 20-40°С верхней критической точки А_Сз, и медленным охлаждением.

Температуру нагрева для деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния, а для легированных сталей – по положению их критической точки А_Сз, имеющейся в справочных таблицах.

Время выдержки при температуре отжига обычно складывается из времени, необходимого для полного прогрева всей массы деталей, и времени, нужного для окончания структурных превращений. После отжига сталь медленно охлаждают вместе с печью. Детали, изготовленные из углеродистой стали, охлаждают со скоростью 180-200°С в час, из низколегированных сталей – со скоростью 90-100°С в час, из высоколегированных – со скоростью примерно 50°С в час. Высоколегированные стали целесообразнее подвергать изотермическому отжигу.

В результате полного отжига деталей, изготовленных из доэвтектоидной углеродистой стали, получается пластинчатый перлит, а зерна феррита располагаются в виде разорванной сетки.

Структура фасонных литых деталей, изготовленных из стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,45%, обычно неоднородна, т. е. состоит из очень крупных и мелких зерен, а механические свойства такой стали неудовлетворительны. Поэтому для повышения механических свойств, измельчения зерна и снятия внутренних напряжений литые детали нужно обязательно подвергать полному отжигу.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали была удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, то целесообразнее применять неполный отжиг. Детали при таком отжиге нагревают при температуре, немного превышающей точку A_Cl. Неполный отжиг изменяет структуру перлита, однако, структура феррита может оставаться неизменной. Внутренние напряжения снимаются полностью, и сталь получает пониженную твердость и хорошо обрабатывается механически.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация). Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит.

Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь нагревают немного выше A_Cl с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Поэтому для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760-780°С, после небольшой выдержки охлаждают имеете с печью до 680 – 700°С и затем снова повторяют весь цикл несколько раз.

Изотермический отжиг. Этот вид отжига заключается в нагреве стали на 30-50°С выше точки А_с3, охлаждении до температуры несколько ниже точки А_r1, изотермической выдержке при этой температуре для полного превращения аустенита и последующем охлаждении на воздухе. Изотермический отжиг позволяет сокращать продолжительность циклов, используемых при обычном отжиге высоколегированной стали, с 15-30 до 4-7 час. и дает однородную структуру. Такой отжиг особенно необходим для высокохромистых сталей с устойчивым аустенитом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он производится для устранения или уменьшения химической неоднородности, получаемой при затвердевании стальных слитков (дендритная ликвация). Выравнивание химического состава стали и уничтожение дендритной ликвации осуществляется путем диффузии (перемещения) атомов примесей из мест с высокой концентрацией в места с низкой концентрацией. Для обеспечения хороших условий диффузии атомов диффузионный отжиг стали, проводят при высоких температурах (1100-1200°С), с длительной выдержкой (от 10 до 15 час.) и медленным охлаждением.

Длительная выдержка при высокой температуре приводит к укрупнению зерен. Для измельчения зерен после диффузионного отжига часто применяют обыкновенный отжиг. Такому отжигу подвергают слитки хромоникелевых, марганцовистых и других высококачественных сталей.

Рекристаллизационный (разупрочняющий) отжиг. При деформации стали в холодном состоянии происходит ее наклеп. Зерна феррита и перлита вытягиваются по направлению деформации. Вследствие этого наклепа искажается кристаллическая решетка, сталь становится более жесткой, твердой и пластичность ее резко падает. Для восстановления пластичности и устранения наклепа деформированную сталь (обычно листовую) подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг обычно производят при температуре 650-680°С, в результате чего вместо старых вытянутых зерен в исходной структуре образуются новые, равноосные зерна и сталь становится мягкой и вязкой.

Для сохранения чистой и блестящей поверхности холоднокатаных стальных листов и ленты рекристаллизационный отжиг производят в печах с нейтральной (не окисляющей) атмосферой.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры 30-50°С выше верхних критических точек А_Сз и А_ст, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.

Нормализацией устраняют внутренние напряжения и наклеп, повышают механические свойства и подготовляют структуру стали для окончательной термической обработки.

При нормализации превращение аустенита происходит с большей степенью переохлаждения, чем при отжиге, поэтому перлит имеет более тонкую структуру. В результате нормализации сталь получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. При нормализации среднеуглеродистых и малолегированных сталей образуется структура сорбитообразного перлита или сорбита и свободного феррита. При этом прочность и ударная вязкость нормализованной стали значительно выше, чем отожженной. Например, у хромистой стали 40Х после отжига σ_ь = 65,5 кгс/мм 2 , δ = 21%, а_к=5,6 кгсм/см 2 , а после нормализации σ_ь =75,4 кгс/мм 2 ; δ = 20,9%; а_к = 7,8 кгсм/см 2 . Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые стали целесообразнее нормализовать, а не отжигать.

Дефекты и брак при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации может возникать неисправимый и исправимый брак (дефекты). Наиболее распространенными видами дефектов и брака являются: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог стали.

Окисление. При нагреве в пламенных или электрических печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина. С повышением температуры и времени, выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла, но и искажает геометрическую форму деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют или травлением в серной кислоте, или очисткой в дробеструйных установках.

Обезуглероживание. Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, всегда происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали.

Кроме того, детали с обезуглероженной поверхностью, склонны к закалочным (трещинам и короблению. Особенно большое обезуглероживание наблюдается при нагреве металла в электрических печах.

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно и от обезуглероживания, в процессе отжига, нормализации и закалки применяют неокисляющие (контролируемые) атмосферы.

Для защиты деталей и заготовок от окисления и обезуглероживания при высоких температурах в рабочее пространство печи вводят защитные газы. Можно также создать защитную (контролируемую) атмосферу, которая может быть науглероживающей.

Контролируемые атмосферы обычно вводят при отжиге или закалке в рабочее пространство печи. В зависимости от химического состава контролируемые атмосферы могут быть нейтральными, восстановительными или науглероживающими.

Контролируемые атмосферы получают различными методами: разложением аммиака на азот (25%) и водород (75%), газификацией древесного угля, осветительного керосина и т. п.

Наиболее универсальной и эффективной газовой средой является эндотермическая, получаемая в результате переработки природного газа в специальных установках-эндотермических генераторах.

Под эндотермической понимается атмосфера, получаемая в генераторах, где реакции протекают с поглощением тепла.

Эндотермическая атмосфера имеет следующий состав:

Она может быть использована почти для всех термических и химико-термических операций, причем состав ее можно регулировать по точке росы.

Перегрев. Сталь перегревается при очень высокой температуре отжига и нормализации, а также при большой выдержке. При перегреве зерна в стали укрупняются, что ведет к снижению прочности, вязкости и образованию закалочных трещин. Такой дефект стали устраняют повторным правильным отжигом или нормализацией.

Пережог. При нагреве до высоких температур получается пережог стали, выражающийся в оплавлении поверхности деталей и окислении зерен. При высокой температуре нагрева кислород из окружающей печной атмосферы проникает внутрь нагретой стали, при этом границы зерен сильно окисляются. Сталь теряет пластические свойства, прочность и становится настолько хрупкой, что при малейших ударах разрушается. Пережженную сталь, исправить термической обработкой невозможно, поэтому она идет на переплавку.

Большая часть операций, связанных с термической обработкой подразумевает один и тоже алгоритм действий:

• нагрев изделия до определенных температур;
• выдержку под действием набранной температуру в течение заданного времени;
• охлаждение, которое может быть проведено в разных средах и с разной скоростью.

Термообработка деталей может выступать и как промежуточный технологический процесс, и как финишный. В первом случае, через неё проходят те детали, которые еще будут обрабатываться, например, сверла или лопатки авиационных турбин. Второй случай подразумевает то, что после термообработки, готовая деталь получит новые свойства.

Нормализация стали – это один из видов термической обработки металла с последующим его охлаждением на воздухе. Результатом этой операции становится формирование нормализованной структуры стали. Кстати, отсюда и пошло название. Операцию применяют по отношению к поковкам, отливкам и пр. Нормализацию используют для минимизации зерен в структуре стали, образованного сварочным швом.

Суть процесса

Процедура нормализации выглядит следующим образом. Деталь разогревают до температур, которые превышает максимально допустимые параметры (Ас1, Ас3) на 30 – 50 градусов Цельсия, затем, какое-то время ее выдерживают под воздействием этой температуры, после чего ее охлаждают.

Подбор температуры выполняют, руководствуясь маркой стали. Так, сплавы содержащие 0,8 % углерода так называемые заэвтектоидные, обрабатывают при температурах, лежащих между критическими точками Ас1 и Ас3.

Что такое критические точки – так называют температуры, при которых происходят фазовые изменения и структуры сплава при его нагреве или охлаждении.

Результатом этого становиться то, что в твердый раствор попадает некоторый объем углерода и закрепляется аустенита. То есть, на свет появляется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Именно цементит приводит к росту стойкости к износу и твердости. Нагрев высокоуглеродистой стали свыше ас3 приводит к тому, что увеличиваются внутренние напряжения. Это происходит из-за того, что растет количество аустенита, в следствии роста концентрации углерода.

Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве свыше критической точки Ас3 приобретает повышенную вязкость. Это происходит потому что в стали этого типа появляется аустенит (мелкозернистый), переходящий в мартенсит (мелкозернистый).

Доэвтектоидная сталь не обрабатывают при температурах, расположенных в диапазоне Ас1 – Ас3. Так как в этом случае появляются феррит, который снижает параметры твердости.

Время необходимое для выполнения операции

Для получения однородной структуры сплава, при определенной температуре, требуется какое-то время. Это время и будет определено как время выдержки стали при нормализации. Опытным путем определено, что слой металла толщиной в 25 мм через час становится однородным. Таким образом. и определяют время нормализации.

Завершающий этап – охлаждение

Скорость охлаждения играет существенную роль в образовании объема перлита и размера его пластин. Многочисленные исследования показали, что высокая интенсивность охлаждения увеличивает количество перлита и сталь получает повышенную твердость и прочность. Малая интенсивность охлаждения приводит к тому, что сталь теряет твердость и прочность.

При обработке деталей с существенными перепадами размеров, например. валов, целесообразно убрать напряжения, возникающие под воздействием колебания температур. Для этого их предварительно нагревают в емкости, заполненной разными солями. При понижении температуры допускается ускорить этот процесс помещая горячие детали в воду или специально подобранное масло.

Другими словами, нормализация стали устраняет напряжения внутри детали, минимизирует ее структуру. То есть она оказывает прямое влияние на изменение микроструктуры стальных сплавов.

Использование нормализации

Эту форму термической обработки применяют для достижения разных целей. Так применение нормализации может повысить или снизить твердость стального сплава, вязкость и прочностные характеристики. Этот способ термической обработки используют тогда, когда надо улучшить обрабатываемость стали разными методами – резание, штамповка и пр.

Детали, получаемые методом литья проходят нормализацию в целях получения гомогенизированной структуры и устранению внутренних напряжений. То же самое можно и сказать о деталях, полученных после обработки ковкой. То есть нормализация служит для получения однородной структуры металла и устранению внутренних напряжений. Кроме того, этот процесс может быть использован, как замена закаливания изделий со сложным профилем. Кроме, названных результатов процесса нормализации можно добавить и такие как минимизация зерен в структуре сплава, удаление вторичного цементита, повышения обрабатываемости стали.

Близкие по сути процессы термообработки

В перечень термообработки сталей, помимо нормализации, можно внести операции:

• отжиг;
• отпуск;
• закаливание;
• криогенная обработка и несколько других.

Операция отжига обеспечивает качественную, более тонкую структуру перлита, это происходит потому, что охлаждения деталей применяют печи. Назначение этой операции — понижение неоднородности структуры, удаления напряжений, повышение обрабатываемости.

Основы, заложенные в операцию закаливания, идентичны принципам нормализации, но существуют некоторые различия. Например, при закаливании применяют температуры куда как выше и высокие скорости охлаждения. Закаливание проводит к улучшению прочностных характеристик, твердости и пр. Но, нередко заготовки прошедшие через закаливание отличает сниженная вязкость и высокая хрупкость.

Отпуск деталей применяют после операции закаливания. Отпуск снижает хрупкость и внутренние напряжения. При этом диапазон температур ниже, чем тот, который используют в нормализации. Охлаждение деталей проводят на воздухе. При повышении температуры снижается предел прочности, твердость и в то же время растет ударная вязкость.

Криогенная обработка стали приводит к получению равномерной структуры металла и повышенной твердость. Эту технологию обработки применяют в отношении прошедшей закаливание углеродистой стали.

Нормализация и её применение в практической деятельности

При назначении способа термообработки технолог должен учитывать концентрацию углерода. Стали, в которых содержание углерода не превышает 0,4%, могут быть обработаны и нормализацией и отжигом. Нормализация минимизирует размер зерен в структуре и повышает прочностные характеристики.

Сравнивая затраты времени между нормализацией и другими методами можно сделать вывод, что обработка другими способами, длится больше времени.

За счет скорости выполнения операции, охват большого количества сталей, качеством получаемых параметров (твердость, прочность и пр.), именно поэтому нормализацию широко применяют в машиностроении.

Нормализа́ция (нормализацио́нный о́тжиг) — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем охлаждении. Данный вид применяется преимущественно при термообработке стали. Также применяется при термообработке чугуна, сплавов меди и некоторых других сплавов.

При нормализации доэвтектоидные стали нагреваются до температуры на 50 °C выше критической точки завершения превращения избыточного феррита в аустенит A_C3, а заэвтектоидные до температуры на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит A_cm. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится на воздухе в цехе. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Твердость, прочность стали после нормализации выше на 10-15 %, чем после отжига [1] .

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали — сорбитная. В некоторых случаях нормализация может заменить для низкоуглеродистой стали отжиг, а для высокоуглеродистой — улучшение (закалку с высоким отпуском). Часто нормализацию используют для подготовки стали к закалке. Нормализация обеспечивает большую производительность и лучшее качество поверхности при обработке резанием [1] .