В этой статье мы разберем процесс нормализации стали – важную операцию термической обработки, позволяющую скорректировать структуру металла и улучшить его эксплуатационные характеристики. Рассмотрим этапы проведения нормализации, задачи, которые она решает, а также особенности применения для различных марок стали. Разберем, какое оборудование необходимо для проведения этого процесса.
Нормализация представляет собой разновидность отжига, при которой сталь нагревается до аустенитного состояния, выдерживается при этой температуре, а затем охлаждается на воздухе. Если в стали содержание углерода менее 0,8% (доэвтектоидные стали), то после нормализации формируется структура из смеси перлита и феррита. Этот процесс позволяет получить более однородную и мелкозернистую структуру по сравнению с обычным отжигом.
Для сталей с содержанием углерода свыше 0,8% (заэвтектоидные стали) нормализация приводит к образованию структуры, состоящей из сорбита – разновидности перлита с высокой дисперсностью. Нормализацию используют для исправления дефектов структуры, возникших в процессе литья или обработки давлением, а также для подготовки стали к последующей механической обработке, например, резке. В некоторых случаях нормализация может заменить закалку и отпуск, обеспечивая необходимый комплекс свойств.
Этапы проведения нормализации стали
Процесс нормализации включает несколько последовательных этапов, которые осуществляются на специализированных предприятиях, оснащенных термопечами и другим необходимым оборудованием:
- Нагрев. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры, превышающей точку Ac3 (температура, при которой феррит полностью переходит в аустенит при нагреве) на 40-50 °C. Для заэвтектоидных сталей температура нагрева несколько ниже, что позволяет избежать излишнего роста зерен аустенита.
- Выдержка. После достижения заданной температуры сталь выдерживается в течение определенного времени, чтобы обеспечить равномерный прогрев и завершение фазовых превращений. Продолжительность выдержки зависит от марки стали, размеров изделия и температуры нагрева.
- Охлаждение. Охлаждение производится на воздухе, как правило, в спокойной атмосфере, иногда с использованием обдува. Более быстрое охлаждение способствует формированию более мелкой и дисперсной структуры ферритно-цементитной смеси.
Многие недооценивают важность правильного выбора температуры нагрева, особенно для легированных сталей. Небольшое отклонение может существенно повлиять на конечные свойства. Нужно обязательно учитывать рекомендации производителя стали.
Какие задачи решает нормализация стали?
Нормализация применяется к отливкам, поковкам, прокату и другим полуфабрикатам из стали для достижения следующих целей:
- Полная перекристаллизация структуры стали.
- Измельчение зерна для повышения прочности и пластичности. Этот эффект особенно важен для сталей, подвергающихся деформации.
- Уменьшение полосчатости, возникающей после прокатки, и выравнивание зерна в кованых изделиях.
- Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению. Нормализация увеличивает вязкость разрушения и снижает склонность к образованию трещин.
- Снятие остаточных напряжений, возникающих после механической обработки или сварки.
- Подготовка структуры стали к последующей термической обработке, такой как закалка или отпуск.
- Улучшение обрабатываемости резанием, что позволяет снизить затраты на механическую обработку.
Для стальных отливок нормализация способствует гомогенизации структуры, снижению внутренних напряжений и улучшению подготовки к последующим операциям.
В случаях, когда детали имеют сложную форму или резкие переходы сечений, нормализация может стать альтернативой закалке с высоким отпуском. Это помогает избежать возникновения трещин и деформаций, связанных с высокими термическими напряжениями.
Особенности нормализации для разных сталей
Выбор режима нормализации зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали:
- Для низкоуглеродистых сталей нормализация может заменить отжиг, обеспечивая повышенную твердость и улучшенную обрабатываемость.
- Для среднеуглеродистых сталей нормализация с высоким отпуском (нагрев до температуры нормализации с последующим отпуском при высокой температуре) является альтернативой закалке с высоким отпуском. Этот метод позволяет снизить деформации и риск трещинообразования в отливках.
- Для некоторых легированных сталей нормализация с охлаждением на воздухе может заменить закалку и отпуск, что позволяет упростить процесс термообработки и снизить затраты.
При выборе режима термообработки всегда нужно учитывать не только химический состав стали, но и условия эксплуатации будущей детали. Иногда небольшая корректировка режима нормализации позволяет существенно улучшить её характеристики.
Оборудование для нормализации
Для проведения нормализации необходимо следующее оборудование:
- Нагревательные печи с плоскофакельными горелками, работающими на принципе прямого или косвенного нагрева. Современные печи оснащаются рекуперативными и регенеративными горелками для повышения энергоэффективности.
- Автоматические системы управления температурным режимом. В печах с косвенным нагревом для регулировки мощности используются тиристорные устройства.
- Теплоизоляционные материалы для футеровки печей.
Для обработки небольших деталей в защитной атмосфере используют конвейерные печи. В таких печах детали перемещаются по конвейеру через зоны нагрева, выдержки и охлаждения. Охлаждение деталей осуществляется в специальном коридоре с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Защитный газ заполняет все пространство печи, включая зоны загрузки и выгрузки.
Расположение деталей на конвейере в один ряд обеспечивает равномерный нагрев и охлаждение. Важно, чтобы температура деталей после прохождения зоны охлаждения не превышала +50 °C. Более высокая температура может привести к образованию оксидной пленки на поверхности металла. Скорость конвейера может достигать 20 см/мин.
Нормализация стали, используемая для обработки отливок, металлопроката и полуфабрикатов, может быть как промежуточной, так и окончательной операцией. Чаще всего нормализацию применяют в качестве промежуточного этапа. Однако, в производстве фасонного проката, такого как швеллер, тавр и двутавр, нормализация может быть и завершающей стадией.
Заключение
Нормализация – это важный и востребованный процесс термической обработки стали, позволяющий улучшить её структуру и свойства. Правильный выбор режима нормализации, с учетом марки стали и условий эксплуатации, обеспечивает получение оптимальных характеристик и повышает ресурс готовых изделий. Понимание принципов и особенностей нормализации даёт возможность осознанно подходить к выбору технологических процессов при изготовлении металлоконструкций и деталей машин.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.