Как сделать нормализацию стали

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 04.10.2024

Принцип большинства технологий термической обработки подразумевает нагрев и выдержку сталей и охлаждение, что изменяет их строение. Несмотря на один принцип и сходные цели, каждая из них имеет определенные температурные и временные режимы. Термообработка может служить и в качестве промежуточного этапа, и выполнять роль окончательного технологического процесса. В первом случае такие методы используются для подготовки материала к последующей обработке, а во втором данным способом придают новые свойства.

Нормализацией стали называют процесс нагрева, выдержки материала, его последующего охлаждения на воздухе.

В результате формируется нормализованная структура. Этим объясняется название данного способа обработки.

Нормализация применяется для разных сталей, а также отливок. К тому же данной операции подвергают для измельчения структуры материала сварные швы.

Цели и принципы нормализации стали

Качество стали определяется структурой ее кристаллической решетки. В процессе термической обработки в некоторых случаях однородность зерна металла может нарушаться, возникают пороки и внутренние напряжения. Чем больше таких негативных моментов, тем сорт материала будет ниже. Чтобы повысить сортовые характеристики (сделать металл более прочным и твердым), применяют процесс под названием нормализация стали. Этот вид обработки тоже относится к термическим.
Чаще всего такой вид обработки в технологической цепочке занимает промежуточное положение, но иногда для получения сортового проката его применяют на окончательном этапе. Нормализации можно подвергать высокоуглеродистые, среднеуглеродистые и малоуглеродистые стали, а также инструментальные материалы и изделия из низколегированного металла. В каждом конкретном случае нормализацией достигают того или иного изменения, связанного с улучшением параметров.

Принципы

Суть нормализации состоит в нагреве стали до температуры, превышающей верхние критические значения температуры на 30 — 50°С , выдержке и охлаждении.

Температуру подбирают на основе типа материала. Так, заэвтектоидные варианты следует нормализовать в температурном интервале между точками Ас1 и Ас3, в то время как для доэвтектоидной стали используют температуры более Ас3. В результате все материалы первого типа приобретают одинаковую твердость ввиду того, что в раствор переходит одинаковое количество углерода, и фиксируется одинаковое количество аустенита. Получается состоящая из мартенсита и цемента структура.

Второй компонент способствует повышению износостойкости и твердости материала. Нагрев высокоуглеродистой стали более Ас3 ведет к увеличению внутренних напряжений вследствие роста зерен аустенита и повышению его количества за счет возрастания концентрации углерода в нем, приводящей к снижению температуры мартенситного превращения. Из-за этого сокращаются твердость и прочность.

Что касается доэвтектоидной стали, при нагреве более Ас3 она получает повышенную вязкость. Это обусловлено тем, что в низкоуглеродистой стали при этом образуется мелкозернистый аустенит, который после охлаждения переходит в мелкокристаллический мартенсит. Температуры между Ас1 и Ас3 не используют для обработки таких материалов, так как структура доэвтектоидной стали в данном случае получает феррит, снижающий ее твердость после нормализации и механические свойства после отпуска.

Оптимальные температуры нагрева при различных видах термообработки

Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным показателем считают час выдержки на 25 мм толщины.

Интенсивность охлаждения в существенной степени определяет количество перлита и размеры пластин.

Так, существует прямая зависимость между данными величинами. То есть с повышением интенсивности охлаждения формируется больше перлита, расстояние между пластинами и их толщина сокращаются. Это увеличивает твердость и прочность нормализованной стали. Следовательно, низкая интенсивность охлаждения способствует образованию материала меньшей прочности и твердости.

К тому же при обработке предметов с большими перепадами сечения стремятся снизить термические напряжения во избежание коробления, причем и при нагреве, и при охлаждении. Так, перед началом работ их нагревают в соляной ванне.

При снижении температуры обрабатываемого изделия до нижней критической точки допустимо ускорение охлаждения путем помещения его в масло или воду.

Таким образом, нормализация сокращает внутренние напряжения, измельчает крупнозернистую структуру поковок, отливок, сварных швов путем перекристаллизации. То есть изменяется микроструктура стали.

Процесс нормализации и основные принципы

С точки зрения физики процесса нормализация стали представляет собой обработку металла термическим образом, при котором его нагревают выше верхнего критического порога Асm и Ас3 на величину в 30–50 градусов по Цельсию. На этом уровне происходит выдержка металла, а далее его охлаждение при обычных температурных условиях окружающей среды.

После достижения точки Ас3 наблюдается завершение фазы, когда происходит преобразование в аустенит феррита с одновременной нормализацией структуры полученного вещества. За преодолением порога Асm следует процесс, где уже из аустенита начинает выделяться цементит вторичный (если температура идет в сторону уменьшения) и прекращается его растворение в аустените (при увеличении температуры относительно этой точки).

Назначение

Нормализацию используют в различных целях. Путем осуществления данных работ как повышают, так и наоборот снижают твердость стали, ударную вязкость и прочность. Это определяется термической и механической историей материала. Данную технологию применяют с целью сокращения остаточных напряжений либо улучшения степени обрабатываемости материала различными методами.

Стальные отливки подвергают такой обработке для гомогенизации структуры, повышения подверженности термическому упрочнению, сокращения остаточных напряжений.

Получаемые путем обработки давлением предметы нормализуют после ковки и прокатки для сокращения разнозернистости структуры и ее полосчатости соответственно.

Нормализация с отпуском служит в качестве замены закалки для предметов сложной формы либо с резкими перепадами по сечению. Данный способ позволяет избежать дефектов.

Процесс нормализации стали

Кроме того, нормализацию используют с целью измельчения крупнозернистой структуры, улучшения структуры перед закалкой, повышения обрабатываемости резанием, устранения сетки вторичного цемента в заэвтектоидной стали, подготовки к завершающей термической обработке стали после нормализации.

Нормализация стали

Нормализацию стали часто рассматривают с двух точек зрения — термической и микроструктурной.

В термическом смысле и классическом понимании, нормализация стали — это нагрев стали до аустенитного состояния с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Иногда к нормализации относят также и операции с охлаждением ускоренным воздухом.

Место температуры нормализации на диаграмме состояния железо-углерод показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Упрощенная диаграмма состояния железо-углерод. Заштрихованная полоса – температура нормализации сталей

С точки зрения микроструктуры нормализованной структурой считают перлит для стали с содержанием углерода 0,8 %, а для сталей с меньшим содержанием углерода — доэвтектоидных сталей — смесь перлита и феррита .

Операцию нормализации применяют для большинства сталей и, в том числе стальных отливок. Очень часто сварные стальные швы нормализуют для измельчения структуры стали в зоне воздействия сварки.

Цель нормализации стали

Цели нормализации стали могут быть различными: например, как для увеличения, так и для снижения прочности и твердости в зависимости от термической и механической истории изделия.

Цели нормализации часто пересекается или даже путается с отжигом, термическим упрочнением и отпуском для снятия напряжений. Нормализацию применяют, например, для улучшения обрабатываемости детали резанием, измельчения зерна, гомогенизации зеренной структуры или снижения остаточных напряжений. Сравнение температурно-временных циклов для нормализации и отжига показано на рисунке 2.

Рисунок 2 ─ Сравнение температурно-временных циклов нормализации и полного отжига. Более медленное охлаждение при отжиге приводит к более высокой температуре феррито-перлитного превращения и более грубой микроструктуре, чем при нормализации.

Для стальных отливок нормализацию применяют для гомогенизации их дендритной структуры, снижения остаточных напряжений и большей восприимчивости к последующему термическому упрочнению.

Изделия, полученные обработкой давлением, могут подвергать нормализации для снижения полосчатости структуры после прокатки или разнозернистость после ковки.

Нормализацию с последующим отпуском применяют вместо обычной закалки, когда изделия имеют сложную форму или резкие изменения по сечению. Это делают, чтобы избежать образования трещин, коробления и чрезмерных термических напряжений.

Скорость охлаждения стали при нормализации

Скорость охлаждения при нормализации обычно не является критической величиной. Однако, когда изделие имеет большие различия по размерам сечения, принимают меры по снижению термических напряжений, чтобы избежать коробления.

Выдержка при температуре нормализации

Роль длительности выдержки при температуре нормализации заключается только в том, чтобы обеспечить гомогенизацию аустенитной структуры до начала охлаждения. Один час выдержки на каждые 25 мм толщины сечения является нормой.

Скорость охлаждения при нормализации значительно влияет на количество перлита, его размеры и толщину перлитных пластин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется перлита, а его пластины становятся тоньше и ближе друг к другу. Увеличение доли перлита в структуре и его измельчение дают повышение прочности и твердости стали. Более низкие скорости охлаждения означают менее прочную и твердую сталь.

После того, как изделия однородно охладились по своему сечению ниже нижней критической точки Аr1, их можно охлаждать в воде или масле для снижения общей длительности охлаждения.

Близкие процессы

Термическая обработка стали, помимо нормализации, включает отжиг, отпуск, закалку, криогенную обработку, дисперсионное твердение. Цель нормализации, как и принцип осуществления, совпадает с названными технологиями. Поэтому далее проведено сравнение данных процессов.

Отжиг дает более тонкую структуру перлита, так как подразумевает охлаждение в печи. Его применяют в целях снижения структурной неоднородности, напряжения после обработки литьем или давлением, придания мелкозернистой структуры, улучшения обработки резанием.

Принцип закалки аналогичен, за исключением больших температур, чем при нормализации, и повышенной скорости охлаждения, благодаря тому, что его производят в жидкостях. Закалка повышает прочность и твердость, как и нормализация. Однако полученные таким способом детали отличаются хрупкостью и пониженной ударной вязкостью.

Отпуск используется после закалки для сокращения хрупкости и напряжений. Для этого материал нагревают до меньшей температуры и охлаждают на воздухе. С ростом температуры падают предел прочности и твердость, и увеличивается ударная вязкость.

Дисперсионное твердение, относящееся также к окончательной обработке, подразумевает выделение дисперсных частиц в твердом растворе после закалки при меньшем нагреве с целью упрочнения.

Благодаря криогенной обработке материал получает равномерную структуру и твердость. Такая технология особо актуальна для закаленной углеродистой стали.

Нормализация стали – описание процесса и его суть

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.

Применение

Выбор какого-либо из рассмотренных способов обработки определяется концентрацией в стали углерода. Для материалов с величиной данного показателя до 0,2% предпочтительнее использовать нормализацию. Стали с количеством углерода 0,3 — 0,4% обрабатывают и нормализацией, и отжигом. В таких случаях выбор способа осуществляют на основе требуемых свойств материала. Так, нормализация стали придает ей мелкозернистую структуру, большие прочность и твердость в сравнении с отжигом. Кроме того, данная технология является более производительным процессом. Следовательно, при прочих равных условиях она более предпочтительна. Закалке ее предпочитают ввиду хрупкости получаемых таким способом изделий и при обработке предметов с перепадами сечения во избежание дефектов.

Таким образом, нормализацию можно считать промежуточной технологией по отношению к ним: она дает материал большей твердости, чем отжиг, но менее хрупкий в сравнении с закалкой, улучшая структуру и сокращая напряжения. Ввиду этого нормализация получила в машиностроении более обширное распространение.

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.

Сталь марки 45 и ее особенности

Даная сталь является сплавом железа и углерода. Стать марки 45 благодаря своей твердости пользуется традиционным высоким спросом в разных промышленных отраслях. В данном сплаве доля железа составляет порядка 45 процентов. Свойства материала непосредственно связаны с его легирующими элементами и количеством углерода, что очень важно при производстве изделий для металлопроката. Тот или иной температурный режим обработки позволяет получить прочное изделие. После нормализации твердость марки 45 непосредственно связана с температурой во время работы.

Данная сталь — углеродистая конструкционная. Нормализацию следует проводить на улице, а не в специальной печке, в отличие от других этапов обработки. Марка 45 просто и быстро поддается механическим видам обработки, в частности:

На основе этой стали производят такие изделия:

бандажи;
кулачки;
цилиндры;
шестерни;
коленчатые и распределительные валы;
вал-шестерни;
шпиндели.

Исправление нарушенной структуры металлов и сплавов

Двухступенчатое охлаждение сталей позволяет преобразовать пластинки перлита в зерна. Нагрев происходит до температуры выше точки Ас1. Затем она снижается до 700 и выдерживается до 500 градусов. Далее на воздухе длительно остывает металл. Эта нормализация носит название сфероидизирующая. В результате изделие без труда поддается резанию. Так обрабатывают металлы, содержащие 0,65 % углерода.

Наклеп — это образование более прочных областей металла после холодной штамповки или волочения. Убирает этот дефект рекристаллизационный отжиг — хрупкость сталей устраняется за счёт нагрева до 700 градусов (ниже Ас1). В этот момент восстанавливается кристаллизационная решетка металлов. Структура становится мелкозернистой и однородной. Также может проводиться светлый отжиг, восстанавливающий свойства сталей после проката листового, чтобы сохранить блестящую поверхность.

Нормализация стали – разновидность отжига, которая заключается в нагреве до аустенитного состояния, выдержке в течение определенного времени и охлаждении на воздухе. Для доэвтектоидных сталей, содержащих менее 0,8% углерода, нормализованной считают структуру, которая представляет собой смесь перлита и феррита.

В заэвтектоидных сталях (С более 0,8%) структура после нормализации состоит из сорбита – высокодисперсной разновидности перлита. Этот вид термической обработки используют с целью устранения дефектов структуры, ее подготовки 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, оснащенных 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, позволяющая исключить при нормализации рост аустенитных зерен 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 вновь разработанных марок стали теоретически рассчитанные значения подтверждают опытным путем. Период фазовых превращений определяется номенклатурой и количеством легирующих компонентов. Для нелегированных и низколегированных сталей обычно устанавливают 1,5 минуты нагрева на каждый миллиметр толщины изделий.

Выдержка

Выдержка – это время, которое изделие должно находиться в нагревательной камере при заданной температуре. Этот этап необходим для полного и равномерного прогрева садки, завершения фазовых превращений. Время выдержки зависит от марки стали, габаритов изделия, температуры нагрева. Для некрупных деталей простых конфигураций для прогрева по всему объему 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 твердостью, по сравнению с отожженным состоянием. Среда и, следовательно, скорость охлаждения существенно влияют на структуру и другие характеристики. Одна сталь, нагретая до одинаковой температуры, но охлажденная по разным режимам, имеет разные характеристики.

В прокатных цехах нормализация по описанной выше схеме может заменяться нормализационной прокаткой. Эта операция осуществляется на прокатном стане с применением тепла нагрева, которому подвергают металлопрокат перед прокаткой. Такая технология позволяет получить структуру стального проката, аналогичную нормализованному состоянию (мелкозернистую, с равномерными механическими характеристиками по всему объему), но при гораздо меньших энергетических и трудовых затратах.

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, получаемой при обработке давлением, – прокаткой, ковкой, штамповкой;
снижение полосчатости после прокатных операций и неравномерности размеров зерен в поковках;
повышение сопротивления хрупкому разрушению, то есть снижение порога хладоломкости и увеличение работы трещинообразования;
устранение наклепа 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.

Закалку с высоким отпуском заменяют нормализацией для изделий сложной конфигурации и/или имеющих резкие перепады сечения. Эта мера позволяет избежать таких негативных последствий, как: трещинообразование, коробление, высокие термические напряжения.

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 твердости 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 ее 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. Охладительный коридор, через который проходит конвейер, имеет двойные стенки. Пространство между ними заполняется проточной холодной водой. Защитный газ присутствует во всем 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 пленки. 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.

Большая часть типов термической обработки металла проводятся по одному алгоритму – нагрев, выдержка и охлаждение. Эти методики позволяют изменить структуру и характеристики металла.

Термообработка металлов

Несмотря на схожесть процесса каждый из методов имеют разные временные и температурные показатели. Все виды воздействия на сталь при помощи перепада температур могут использовать как промежуточный этап технического процесса, так и заключительный.

Цель промежуточного этапа – подготовка стали к дальнейшей обработке, завершающего – добавить в свойства металла новые характеристики.

Нормализацию используют, чтобы минимизировать количество зерен в структуре металла, образованных сварочным швом. Температуру для этого вида обработки устанавливают основываясь на типе материала.

В результате нормализации материалы первого вида приобретают идентичную твердость, и закрепляется одинаковое количество аустенита. Выходит структура, в составе которой присутствуют цемент и мартенсит. Это повышает твердость и износостойкость металла.

Если нагревать заэвтектоидный металл при температурах более Ac3, то его прочность уменьшается, тогда как, структура доэвтектоидного становится более вязкой.

Время процесса определяется индексом норматива – 1 час выдержки на 25 мм толщины металла. Охлаждение зависит от размера листа и количества перлита.

Между этими величинами есть прямая зависимость. Так с увеличением силы охлаждения толщина пластин и промежуток между ними уменьшается, а перлита становится больше. Низкая сила охлаждения приводит к снижению твердости и прочности материала.

Чтобы не произошло коробление во время обработки предметов с большими (ступенчатыми) перепадами сечения, термические напряжения делают несколько ниже как при нагреве металла, так и при его охлаждении. Для этого такие предметы нагревают в соляной ванне.

При понижении температурных показателей детали до крайней нижней точки допускается ускоренное ее охлаждение в воде или масле.

При нормализации из-за сокращения внутренних напряжений структура стали меняется и получается мелкозернистой.

Суть технологии

Нормализация стали относится к термическому методу обработки. Существует несколько технологий нагрева металла, отличающихся по условиям:

Температура нагрева у металлов и сплавов различна.
Время выдержки в нагретом состоянии.
Вид охлаждения чаще длительный происходит за счет теплообмена с окружающей средой.

Именно медленное охлаждение даёт возможность получить однородный состав стали. Цель отжига — это однородная структура металла, стремление убрать раковины и пустоты, мелкие трещины.

Используются следующие разновидности отжига, распространенные для снижения локальных утолщений после горячего и холодного проката:

Диффузионный — изменяет химический состав.
Полный — влияет на всю структуру, помогает добиться однородности.
Рекристаллизационный — убирает наклеп сталей.
Неполный — делает сталь более податливой для металлообработки.
Изотермический — самый оптимальный способ снижения прочности стали.
Сфероидизирующий — преобразует плоские зерна перлита в сферические.

Назначение

Нормализация стали имеет разные функции кроме усиления ее твердости. В некоторых случаях нормализацию проводят с обратной целью для понижения прочности и ударной вязкости.

К основным целям нормализации металла относятся:

Получение результата нивелирования напряжений. После проработки у стали появляются дополнительные параметры, что позволяет легче обрабатывать ее разными способами.
Уменьшение разнозернистости и полосчатости структуры. В этом случае нормализации подвергаются предметы после ковки или проведения прокатки с использованием метода давления.
Снижение риска деформации деталей, имеющих перепады по сечению резкого характера или конфигурацию сложной формы.
Изменение крупнозернистой структуры стали на мелкозернистую. Нормализация помогает удалить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, улучшает ее способность к обработке и закалке.

Данная методика используется для подготовки металла к термической обработке завершающего этапа технологического процесса.

Нюансы и этапы нормализации

Термообработка металла
Есть несколько разновидностей термической обработки, но нормализацию используют чаще, так как она имеет гораздо больше преимуществ по сравнению с другими.

Оборудование и материалы

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

герметичная камера, в которой находятся заготовки;
нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
запорно-регулирующие устройства;
модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

Проведение процесса

Охлаждение стали
При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали.

Значимую роль в нормализации металла играет его правильное охлаждение. При этом интенсивность играет немаловажное значение. Быстрое охлаждение приводит к увеличению прочности и твердости металла, тогда как при медленном, он теряет эти характеристики.

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Для заэвтектоидных сталей

наиболее часто применяю
неполный отжиг
, который еще называют
сфероидизацией
, так как это – основной способ получения зернистого перлита. Он заключается в нагреве заэвтектоидной стали до температур не на много выше (на 10 – 300 С) критической точки Ас1, выдержке и последующим медленным охлаждением. После нагрева в интервал Ас1 – Ас3 в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (рис. 4, б). Сталь со структурой зернистого перлита обладает меньшей твердостью и прочностью, а, соответственно, более высокой пластичностью, она легче обрабатывается резанием. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной исходной структурой перед закалкой. Повышение температуры отжига до более высоких значений приводит при последующем охлаждении к образованию пластинчатого перлита и как следствие, к росту твердости. На зернистый перлит обрабатывают инструментальные и подшипниковые стали.

Полный отжиг

для заэвтектоидных сталей с нагревом выше Асm (линия ES) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита по границам зерен, что ухудшает механические свойства стили.

Нормализация

Нормализация – вид термической обработки, при которой сталь нагревается выше критических точек с последующим охлаждением до 20 0С на спокойном воздухе (V2, см. рис. 2). Охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при большем переохлаждении, чем при отжиге. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида и более мелкое эвтектоидное зерно, что вызывает повышение прочности стали. Нормализация – менее длительная и более дешевая операция, чем отжиг, т.к. термическая печь не занята под охлаждение.

Назначение нормализации. Нормализация горячекатаной стали измельчает зерно и повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и повышением работы развития трещины.

Выбор температур нормализации. Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 30¸500 С, а заэвтектоидной стали выше Асm также на 30¸500 С (рис. 3), непродолжительной выдержки для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. У заэвтектоидных сталей ускоренное охлаждение на воздухе в межкритическом интервале (Асm – Ас1) препятствует выделению сетки из вторичного цементита вокруг зерен аустенита, а следовательно, понижению свойств сплава.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, чем при отжиге, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры. После нормализации образуется мелкодисперсная феррито-цементитная смесь, называемая – сорбитом.

Скорость охлаждения при нормализации находится в пределах 20 – 500С/мин.

Нормализация повышает на 10 – 15% прочность и твердость средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

При охлаждении стали в потоке воздуха (V3, см. рис. 2), где скорость охлаждения достигает 800 С/сек образуется самая дисперсная феррито-цементитная смесь – троостит. Чем дисперснее получаемая структура, тем выше ее прочность и твердость (перлит имеет твердость НВ 180¸230

, сорбит –
НВ 250¸350
, троостит –
НВ 350 ¸ 500
). Феррито-цементитные структуры (перлит, сорбит, троостит) получаемые прямым распадом переохлажденного аустенита имеют пластинчатое строение.

Закалка

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. Скорость охлаждения при закалке должна быть достаточно велика (выше Vкр, см. рис. 2), чтобы при понижении температуры не произошел диффузионный распад аустенита. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Для получения требуемых механических свойств, сталь после закалки чаще всего подвергают отпуску.

Назначение закалки. Конструкционную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения прочности, твердости, вязкости, а для ряда деталей также и для высокой износостойкости. Инструментальную сталь закаливают для повышения твердости, прочности, износостойкости.

Выбор температур закалки. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку берется на 30 – 500 С выше Ас3, а для заэвтектоидных сталей на 30 – 500 С выше Ас1 (рис. 5). После выдержки стали, проводится быстрое охлаждение (30 ¸ 2000 С/сек) до температур, при которых отсутствует диффузионный распад (V4, см. рис. 2). Для закалки применяют следующие охлаждающие жидкости: воду, масла (минеральные), расплавленные соли и расплавленные металлы. В результате закалки аустенит превращается в мартенсит. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Мартенсит характеризуется игольчатым, пакетным или пластинчатым строением (рис. 6), высокой твердостью (НВ 600 ¸ 700

), большой хрупкостью и наличием высоких внутренних напряжений.

Рисунок 5. Участок диаграммы железо – углерод с оптимальным интервалом температур нагрева под закалку углеродистых сталей

Рисунок 6. Микроструктура мартенсита

Нагрев доэвтектоидной стали выше Ас1, но ниже Ас3 сохраняет в закаленной стали феррит, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает ее механические свойства после отпуска. Поэтому неполная закалка

, т.е. нагрев выше Ас1, но ниже Ас3 для доэвтектоидных сталей обычно не применяется.

Для заэвтектоидных сталей, наоборот, оптимальная температура закалки лежит в интервале Ас1 – Асm, т.е. оптимальной является неполная закалка. Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях; например, включения избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас3 опасен и не нужен, так как он не ведет к повышению твердости (твердость даже несколько падает за счет растворения избыточного цементита и увеличения количества остаточного аустенита). Кроме того, происходит рост зерна аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности.

Особенность кинетики мартенситного превращения состоит в том, что оно развивается лишь при непрерывном охлаждении в интервале температур МН – МК (рис. 2). Каждой температуре в этом интервале отвечает определенная степень превращения. В высокоуглеродистых сталях мартенситное превращение не происходит до конца, поэтому в их структуре присутствует определенное количество остаточного аустенита. Таким образом, структура закаленной стали представляет собой: мартенсит + аустенит остаточный (рис. 6).

Часть II

Отличия нормализации от классического полного отжига

Кроме классического отжига и нормализации используются другие виды термообработки металла:

Закалка, придает стали такие же характеристики, что и нормализация. Но детали, обработанные таким способом, отличаются пониженной ударной вязкостью и хрупкостью.
Отпуск применяется после предыдущего процесса с целью снижения напряжений и снижения хрупкости.
Дисперсионное твердение – заключительная обработка, применяющаяся для повышения прочности стали.
Криогенная обработка чаще всего используется для закаленной углеродистой стали. Благодаря ей структура металла получается равномерной и твердой.

Нормализация – это процесс, при котором сталь нагревается до аустенитного состояния при показателях температуры на 30-50 градусов больше Ac3. При этом процесс охлаждения происходит на открытом воздухе.

Классический полный отжиг стали более длительный процесс, при котором металл достаточно долго нагревают и медленно охлаждают. Этот способ обработки стали считается менее производительным и более затратным. Чаще всего используют при более 0,4% углерода в составе стали.

Нормализация происходит гораздо быстрее, что позволяет охватить большее количество деталей. При этом сталь становится более прочной и твердой, чем после полного отжига.

Исправление нарушенной структуры металлов и сплавов

По теме: Роза из холодного фарфора: мастер-класс для начинающих

Термообработка металлов

Улучшение и нормализация. Режимы. Получаемые структуры и свойства.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до тем-ры на 40-50С выше Ас3, заэвтек-ной – на 40-50С выше Асm, выдержке и охлаждении на воздухе. Норм-ция вызывает полную перекрис-цию стали, устраняет крупнозернистую структуру. Быстрое охлаждение на воздухе приводит к распаду А при более низких тем-рах, что повышает дисперсность ф-ц смеси. После нормализации получаются структуры: С+Ф – в доэв-ных сталях ; С- в эвтектоидных; С+Ц2 – в заэвт-ных.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Такая термообработка создает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали и применяется для деталей машин из среднеуглеродистых сталей, испытывающих статистические и особенно динамические или цилиндрические нагрузки(валы, шатуны, оси, крепежные детали). получаем Сотп.

Алюминиевые сплавы.ихклассификация,маркировка,структура и применение.

Алюминиевые сплавы. Характерной особенностью алюминия являются малый удельный вес (2,72 г/см3), низкая температура плавления (658°С), высокая пластичность (относительное удлинение 8 =40—60%), низкая прочность и твердость (твердость НВ=30 кг/мм2; предел прочности =80—100 МПа), высокая электро- и теплопроводность, высокая коррозионнная стойкость. Алюминий имеет кубическую гранецентрированную решетку (К12).

Классификация ал-х сплавов:

Сплавы,неупрочняемые то. Структура этих сплавов состоит из однородного твердого раствора элементов на основе алюминия.

Упрочнение в этих сплавах можно получить путем нагартовки (холодной обработки давлением). К этим сплавам, кроме чистого алюминия, относятся следующие марки АМЦ (А1—Мп); АМГ (Al—Mg). Предназначаются данные сплавы для изготовления деталей методом глубокой штамповки в холодном состоянии.применение:эти сплавы для изготовления строительных конс-ий(витражи,дври..),емкостей для жидкостей.

Сплавы, упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем, цинком, никелем, железом и другими элементами.

Дуралюмины после литья имеют структуру альфа+тета(II), причем частицы тета(II) залегают по границам зерен и охрупчивают сплав (рис 103а).

Термическая обработка дуралюминов заключается в закалке и старении.

Применение:для изготовления деталей и элементов конструкций среднего и вовышеннойпрочности,требующих долговечности при переменных нагрузках.Дюралюмин Д16 исп-т для изготовления обшивок,шпангоутов,лонжеронов самолетов)

3.порошковые-получаемые методами порошковойметалургии:

Спеченные ал. порошки –это сплавы ал-а-ал2о3.структура представляетсобой ал-ю матрицу с равномерно распределенными мелкодисперсными включениями ал2о3,кот обеспечивают дисперсионное упрочнение сплава.в зав-и от содержания оксида ал-ия(от 6 до 22%)различают 4 марки сплавов от сап-1 до сап-4.применяют:для деталей,работающих при температурах 300-500 град,от кот требуется высокая прочность и корозионная стойкость(штоки,лопатки компрессоров..)

Спеченные алюмин-е сплавы-это порошковые сплавы систем ал-си-ни(сас-1)и ал-си-фе(сас-2).сас-1 содержит 25-30%си,5-7%ни,остальное ал.сплав имеет структуру,содержащую дисперсные включения кремния и интерметалидов.применение-заменяют стали при изготовлении отд-х деталей приборов,работающих в паре со сталью.

Выбрать материал для пружины диаметром 3 и 20 мм. Подобрать режим термической обработки. Полученные структура и свойства.

для пружины диаметром 3 мм — 70

ТО – закалка + СО

свойства- высокий предел упругости, достаточная пластичность и вязкость.

Кремний повышает прокаливаемость, увеличивает предел текучести и упругости

Билет №3

Влияние пластической деформации на свойства сталей. Наклеп. Механизм пластической деформации: скольжение и двойникование.

Пластическая деформация – это деформация, которая сопровождается изменением формы и размеров образца. При этом изменяется структура и свойства.

Механизмы пл. деф.:

-скольжение(сдвиг)-сдвиг атомных плоскостей друг относительно друга под действием касательных напряжений, протекает по плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов в направлениях с минимальными межатомными расстояниями, где сопротивление сдвигу наименьшее

-двойникование – осуществляется путем переориентации одной части кристалла зеркально симметрично относительно другой.

Величину пластической деформации определяют степенью пластической деформации ε = (Н0 – Н)/ Н0;

где Н0 и Н размер образца до и после деформации.

С увеличением степени пл. деф. прочность, твердость повышаются, а пластичность, ударная вязкость понижаются

Наклеп (нагартовка) – упрочнение металла при пластической деформации.оно вызвано:

-увеличением плотности дислокаций

-искажением кристаллической решетки

перемещение дислокаций в плоскости скольжения через весь кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межатомное расстояние.(при скольжении)

На диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения при закалке, нормализации и отжиге. Опишите характерные особенности каждой термообработки, получаемые структуры и свойства.

Отжиг закл-сяв нагреве стали до определенной тем-ры,выдержке и послед-ем медленном охлаждении.Охлаждение происходит вместе с печью. Цель- получение равновесной структуры.

-Ф+П- в доэвтектоидных сталях(Ф+П)

-П- в эвтектоидных сталях(П)

-П+Ц2 – в заэвтектоидных сталях

Виды отжига 1-го рода:

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа и зак-ся в нагреве холоднодеформированной стали выше тем-ры рекристаллизации на 150-250С, выдержке и послед охлаждении. Снижение твердости и повышение пластичности. Отжиг для снятия напряжений примен-ся для отливок, деталей, сварных изделий после обработки резанием.

Диф-ный отжиг прим-ся для легир сталей с целью выравнивания хим.состава и уменьшения внутрикристаллической ликвации, кот повышает слонность стали к хрупкому разрушению, понижает пластичность и вязкость. Т нагрева до 1100-1200С. В рез-те получется структура Ф+П с крупным зерном.

Виды отжига 2-го рода:

Поный отжиг- нагрев доэв-ных сталей на 30-50 С выше тем-ры Ас3,выдержка и охлаждение вместе с печью.Цели- измельчение зерна, повышение ударной вязкости; улучшение обрабатываемости резанием за счет снижения твердости и повышения пластичности; снятие внутренних напряжений. Полный отжиг для заэвтектоидных сталей не применяется.

Неполный отжиг – нагрев до – и заэвтек-ных сталей выше тем-ры Ас1, выдержка, охлаждение в печи. Неполный отжиг доэв-ных сталей применяют вместо полного, если не требуется измельчение зерна. Заэв-ные стали подвергают только неполному отжигу, нагрев вызывает практически полную перекристаллизацию, проводится для получения структуры зернистого перлита. Сталь с зернистым перлитом имеет более низкие значения твердости и прочности, более высокую пластичность.

Изотермический отжиг – проводится для легир сталей и состоит в нагреве выше линии Ас3,быстром охлажд-и, изотремической выдержке в теч-е 3-6ч, послед охл-е на воздухе. Сокращает длительность процесса, получается более однородная ф-п структура.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до тем-ры на 40-50С выше Ас3, заэвтек-ной – на 40-50С выше Асm, выдержке и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную перекристаллизацию стали, устраняет крупнозернистую структуру. Быстрое охлаждение на воздухе приводит к распаду А при более низких тем-рах, что повышает дисперсность ф-ц смеси .После нормализации получаются структуры: С+Ф – в доэв-ных сталях ; С- в эвтектоидных; С+Ц2 – в заэвт-ных. . Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали: для низкоуглеродистых( до 0,3%)- нормализ-ю применяют вмсто отжига, она явл-ся более экономичной,т.к. меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Для среднеуглеродистых(0,3-0,5%)- нормализ-ю применяют вместо закалки и высокго отпуска(улучшения), снижается ударная вязкость. Для высокоуглеродистых(заэв-ных) – нормализ-ю применяют перед последующей термообработкой для устранения цементитной сетки. Для высоколегированных – нормализ-я может применяться вместо закалки, т.к. охл-е таких сталей на воздухе обеспечивает получение структуры М.

Закалка заключается в нагреве доэвт-ных сталей на 30-50С выше Ас3, заэв-ных на 20-30С выше Ас1,выдерже и послед охл-и со скоростью выше критической. Цель: получение структуры мартенстита. Закалка не явл-ся окончательной операцией, чтобы уменьшить хрупкость и напряжение, получить требуемые мех-киесво-ва, сталь после закалки подвергают отпуску

Назначение

К основным целям нормализации металла относятся:

Получение результата нивелирования напряжений. После проработки у стали появляются дополнительные параметры, что позволяет легче обрабатывать ее разными способами.
Уменьшение разнозернистости и полосчатости структуры. В этом случае нормализации подвергаются предметы после ковки или проведения прокатки с использованием метода давления.
Снижение риска деформации деталей, имеющих перепады по сечению резкого характера или конфигурацию сложной формы.
Изменение крупнозернистой структуры стали на мелкозернистую. Нормализация помогает удалить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, улучшает ее способность к обработке и закалке.

Нюансы и этапы нормализации

Оборудование и материалы

герметичная камера, в которой находятся заготовки;
нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
запорно-регулирующие устройства;
модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
термоизоляционная защита.

Проведение процесса

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Отличия нормализации от классического полного отжига

Кроме классического отжига и нормализации используются другие виды термообработки металла:

Закалка, придает стали такие же характеристики, что и нормализация. Но детали, обработанные таким способом, отличаются пониженной ударной вязкостью и хрупкостью.
Отпуск применяется после предыдущего процесса с целью снижения напряжений и снижения хрупкости.
Дисперсионное твердение – заключительная обработка, применяющаяся для повышения прочности стали.
Криогенная обработка чаще всего используется для закаленной углеродистой стали. Благодаря ей структура металла получается равномерной и твердой.

Термообработка стали – Закалка

Закалка – это вид высокотемпературной обработки металла, который основывается на перекристаллизации стали при ее нагреве до температуры, которая несколько выше критической. После выдержки изделия в тепловой среде, оно проходит процесс охлаждения. Чаще всего закалка производится в отношении изделий, требующих высокой прочности. Металл, прошедший закалку, становится более прочным на поверхности, но сохраняет вязкость внутри. В некоторых случаях закалка может сделать изделие наоборот очень вязким, например, если очень быстро охладить его – это производится для деформации металла. Закалка ТВЧ дает возможность получить необходимые результаты от закалки за короткий промежуток времени. Программное обеспечение индукционного оборудования может полностью контролировать весь закалочный процесс, соблюдая все заданные параметры (температура, время выдержки, способ охлаждения и т.п.).

Термообработка стали – Отпуск

Отпуск – это еще один вид высокотемпературной обработки стали, позволяющий уменьшить остаточное напряжение металла после закалки, повышая вязкость изделия и уменьшая хрупкость металла. Отпуск стали позволяет смягчить эффект закалки. Производится отпуск при помощи нагрева металлического изделия, закаленного на мартенсит. Во время отпуска, зависимо от температуры нагрева, есть возможность получения состояния мартенсита, сорбита или троостита. Отпуск может быть низким, средним или высоким – его уровень полностью зависит от температуры, до которой будет нагреваться изделие.

Термообработка стали – нормализация

Нормализация – это вид термообработки металла, проводящийся преимущественно по окончании обработки изделия для его финального нагрева и выравнивания напряжения по всей поверхности. После нормализации сталь, содержащая более 0,4% углерода, становится более прочной. На практике данный вид стали обрабатывают при помощи нормализации, а затем применяют отпуск в диапазоне температур 650-700°С, чтобы немного понизить уровень плотности. Индукционная установка отлично подходит для термообработки металлических изделий, позволяя производить ее быстро, качественно и с высокой точностью. Только при использовании программного обеспечения ТВЧ оборудования можно четко проконтролировать процесс нагрева изделия, время его выдержки, а также охлаждение.

Читайте также: