Normalizace oceli – proces, teplota, mikrostruktura a aplikace

Normalizační ocel je jedním ze základních procesů tepelné zpracování oceliJejím hlavním cílem je dosáhnout rovnoměrnější a jemnozrnnější mikrostruktury, snížit účinky předchozích technologických procesů a připravit materiál pro další tepelné nebo mechanické zpracování. Normalizace může ovlivnit pevnost, tvrdost, rázovou houževnatost, tažnost a obrobitelnost oceli, ale rozsah těchto změn závisí především na obsahu uhlíku, legujících prvcích a počáteční struktuře materiálu.
Proces zahrnuje ohřev oceli na teplotu, která zajišťuje odpovídající stupeň austenitizace, ohřev materiálu na tuto teplotu a následné ochlazení na klidném vzduchu. Způsob ochlazování je jedním ze zásadních rozdílů mezi normalizací a úplným žíháním. Chlazení na vzduchu je rychlejší než chlazení v peci, což ovlivňuje velikost zrna a výslednou mikrostrukturu.
Normalizace se používá především pro nelegované a nízkolegované oceli. Může být provedena jako konečné tepelné zpracování součásti nebo jako meziproces předcházející dalším operacím, jako je kalení, tepelné zpracování nebo obrábění.

Co je normalizační ocel?

Během normalizace se ocel zahřívá na austenitické rozmezí odpovídající jejímu chemickému složení. Během procesu ohřevu dochází k transformacím, které vedou k tvorbě austenitu a homogenizaci struktury. Součást se poté vyjme z pece a ochladí na vzduchu.
Během ochlazování austenit podléhá transformacím, které vedou – v závislosti na složení oceli a rychlosti ochlazování – především k tvorbě feriticko-perlitických nebo perlitických struktur. U legovaných ocelí může být proces transformace složitější, protože legující prvky ovlivňují kalitelnost a kinetiku fázových přeměn.
Normalizace je obzvláště užitečná po procesech, které mohou vést k nehomogenní nebo hrubozrnné struktuře, jako je kování, válcování za tepla nebo odlévání.

Účel normalizace oceli

Normalizace může sloužit několika technologickým účelům. Přesný účel procesu závisí na jakosti oceli, stavu materiálu a jeho zamýšleném použití.
Mezi nejdůležitější cíle standardizace patří:

• zjemnění zrna – správně provedená austenitizace a následné ochlazení umožňují dosažení jemnějšší struktury,
• homogenizace mikrostruktury – zejména po kování, válcování, odlévání a dalších procesech za vysokých teplot,
• zlepšení mechanických vlastností – normalizace může zvýšit pevnost a tvrdost ve srovnání s plně žíhaným stavem, přičemž si zachovává užitečnou tažnost a rázovou houževnatost,
• omezení nežádoucích účinků předchozí léčby – včetně strukturálních nehomogenit a nadměrného růstu zrn,
• příprava oceli k dalšímu tepelnému zpracování – např. kalení nebo tepelné vylepšení,
• příprava materiálu pro obrábění – u některých ocelí může vhodná struktura po normalizaci zlepšit podmínky pro další zpracování,
• získání rovnoměrnějších vlastností v průřezu prvku – obzvláště důležité v případě výkovků, odlitků a polotovarů po tepelném zpracování.

Faktory ovlivňující účinek normalizační oceli

Konečné vlastnosti oceli po normalizaci závisí na celém cyklu tepelného zpracování. I při stejné teplotě mohou dva druhy oceli po ochlazení na vzduchu vyvinout různé mikrostruktury a vlastnosti.

Normalizační teplota oceli

Normalizační teplota není jednotná konstanta pro všechny druhy ocelí. Volí se na základě chemického složení materiálu a kritických teplot spojených s fázovými přeměnami.
U hypoeutektoidních ocelí, tj. ocelí obsahujících méně uhlíku než je eutektoidní složení, se normalizace obvykle provádí nad kritickou teplotou. Ac3V praxi je procesní teplota obvykle dostatečně vyšší než Ac3, aby byla zajištěna správná austenitizace materiálu.
V případě hypereutektoidních ocelí vyžadují pravidla pro výběr teploty zohlednění linie Př a očekávanou mikrostrukturu. Stanovení jediného rozsahu, např. 800–950 °C, pro všechny oceli je proto pouze hrubým zjednodušením.
Skutečná normalizační teplota by měla být stanovena pro konkrétní jakost oceli na základě jejích materiálových charakteristik, příslušné normy, technologické dokumentace nebo doporučení výrobce.

Normalizace oceli – postup procesu

Proces normalizace lze rozdělit do tří základních fází: ohřev, žíhání a chlazení.

1. Vytápění

Součást se zahřeje na normalizační teplotu vhodnou pro danou jakost oceli. Rychlost ohřevu by měla zohledňovat velikost součásti, geometrii, tloušťku průřezu a tepelnou vodivost materiálu. U velkých nebo složitých součástí může příliš rychlý ohřev způsobit značné teplotní gradienty a související tepelné namáhání.

2. Vytápění

Jakmile je dosaženo požadované teploty, materiál se zahřívá po dobu dostatečnou k vyrovnání teploty v celém průřezu a k provedení požadovaných strukturálních transformací. Doba ohřevu závisí na rozměrech, hmotnosti, jakosti oceli, způsobu ohřevu a typu pece.
Jednoduchý vztah mezi časem a milimetry tloušťky by neměl být považován za univerzální pravidlo pro všechny součásti. V průmyslové technologii by měly být parametry definovány pro specifické materiály a součásti.

3. Chlazení vzduchem

Po žíhání se součást ochladí vzduchem. Chlazení je rychlejší než při typickém úplném žíhání, při kterém materiál ochlazuje pomalu v peci. Tento rozdíl v rychlosti ochlazování ovlivňuje austenitickou transformaci a konečnou mikrostrukturu materiálu.
Roli hrají také chladicí podmínky. Velikost součástky, okolní teplota, proudění vzduchu a orientace součástky – to vše může ovlivnit skutečnou rychlost odvodu tepla.

Mikrostruktura oceli po normalizaci

Jedním z nejdůležitějších účinků normalizace je modifikace mikrostruktury oceli. U typických hypoeutektoidních ocelí vytváří správně provedený proces strukturu obsahující ferit a perlit. S rostoucím obsahem uhlíku se zvyšuje i obsah perlitu.
Ve srovnání s pomalým ochlazováním během úplného žíhání je struktura získaná během normalizace obvykle jemnější. Jemnější perlitická struktura a vhodná velikost zrna mohou vést ke zvýšení pevnosti a tvrdosti materiálu.
Konečná mikrostruktura však závisí nejen na normalizační teplotě, ale také na:

• obsah uhlíku,
• druh a obsah legujících prvků,
• velikost zrna austenitu,
• doba ohřevu,
• rozměry prvku,
• rychlosti chlazení,
• mikrostruktura materiálu před normalizací.

Vliv normalizace na mechanické vlastnosti oceli

Normalizace může významně ovlivnit mechanické vlastnosti oceli, ale rozsah těchto změn závisí na jejím složení a počátečním stavu. Tento proces by neměl být považován za univerzální metodu, která poskytuje stejné výsledky ve všech jakostech.

Pevnost v tahu

Jemnější mikrostruktura dosažená po normalizaci může vést ke zvýšení pevnosti v tahu ve srovnání s plně žíhanou ocelí. Tento efekt závisí mimo jiné na obsahu uhlíku a legujících prvcích.

Mez kluzu

Změny mikrostruktury a zjemnění zrna mohou také ovlivnit mez kluzu. Tato vlastnost je obzvláště důležitá u konstrukčních ocelí určených pro nosné komponenty.

Tvrdost

Normalizovaná ocel je obvykle tvrdší než plně žíhaná ocel, protože rychlejší ochlazování podporuje vývoj jemnější struktury. Normalizace však nedosahuje tvrdosti charakteristické pro správně kalenou martenzitickou ocel.

Rázová houževnatost a tažnost

Zjemnění zrna a strukturní homogenizace mohou pozitivně ovlivnit rázovou houževnatost a chování materiálu při zatížení. Konkrétní vliv však nelze určit bez zohlednění jakosti oceli a procesních parametrů.

Obrobitelnost

Vliv normalizace na obrobitelnost není u všech ocelí stejný. U nízkouhlíkových ocelí může určité zvýšení tvrdosti zlepšit tvorbu třísek a snížit nadměrnou tažnost materiálu. V jiných případech může být výhodnější žíhání na měkko nebo žíhání do kuliček před obráběním.

Normalizace vs. žíhání

Normalizace a žíhání jsou procesy, které zahrnují ohřev a řízené chlazení oceli, ale liší se především v podmínkách chlazení a výsledné mikrostruktuře.
Po normalizaci se ocel obvykle chladí na vzduchu, zatímco při úplném žíhání je chlazení mnohem pomalejší a obvykle probíhá ve spojení s pecí. V důsledku toho má normalizovaná ocel obvykle jemnější strukturu a vyšší tvrdost a pevnost než odpovídající plně žíhaný materiál.
Pokud je hlavním cílem snížení zbytkových napětí bez zásadní změny struktury materiálu, žíhání pro odlehčení pnutí.

Normalizace a kalení

Kalení oceli Od normalizace se liší především rychlostí ochlazování a požadovaným strukturním efektem. Během kalení je cílem ochlazovat austenit, aby se dosáhlo struktury s vysokou tvrdostí, nejčastěji s významným obsahem martenzitu.
Normalizace využívá pomalejší ochlazování vzduchem a nepoužívá se k vytvoření martenzitické struktury v typických uhlíkových ocelích. Může však být krokem při přípravě materiálu k následnému kalení nebo tepelnému zpracování.

Normalizace vs. nechat věcem volný průběh

Pustit jít je proces, který se obvykle provádí po kalení. Jeho účelem je modifikovat strukturu kalené oceli a dosáhnout požadované kombinace tvrdosti, pevnosti a tažnosti.
Normalizace na druhou stranu může být samostatným tepelným zpracováním nebo krokem přípravy materiálu pro následné procesy. Oba procesy mají proto odlišné technologické cíle.

Normalizační a žíhací proces pro odbourávání pnutí

Normalizace vede k austenitizaci oceli a následnému vytvoření nové mikrostruktury po ochlazení. Žíhání k odlehčení pnutí se naproti tomu provádí při nižší teplotě a jeho hlavním účelem je snížení zbytkových pnutí a zároveň minimalizace dopadu na základní mikrostrukturu a vlastnosti materiálu.

Normalizace a další metody tepelného zpracování oceli

Normalizace, žíhání, kalení a popouštění se liší procesní teplotou, způsobem chlazení a požadovaným účinkem. Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové rozdíly mezi těmito procesy.

Normalizace různých jakostí ocelí

Nelegované konstrukční oceli

Normalizace se široce používá pro nelegované konstrukční oceli. Tento proces lze použít po válcování, kování nebo odlévání k zjemnění a homogenizaci struktury a dosažení požadovaných mechanických vlastností.

Uhlíkové oceli

U uhlíkových ocelí je normalizační efekt silně úměrný obsahu uhlíku. S rostoucím obsahem uhlíku se zvyšuje obsah perlitu a mění se tvrdost, pevnost a tažnost materiálu. Skupina ocelí se zvýšeným obsahem uhlíku zahrnuje pružinové oceli C55S, C67S, C75S, C85S a C100S.

Nízkolegované oceli

U nízkolegovaných ocelí je třeba vzít v úvahu vliv chromu, molybdenu, niklu, manganu a dalších prvků na transformace probíhající během chlazení. Zvýšená prokalitelnost některých jakostí znamená, že chování oceli během chlazení na vzduchu se může výrazně lišit od chování běžné uhlíkové oceli.

Vysoce legované oceli

Koncept normalizace by se neměl automaticky aplikovat na všechny vysoce legované oceli. U nerezových ocelí, žáruvzdorných ocelí, nástrojových ocelí a dalších speciálních ocelí se používá tepelné zpracování odpovídající dané skupině a jakosti. Parametry by měly vždy vycházet z požadované mikrostruktury a materiálových vlastností.

Normalizační výkovky

Normalizace je obzvláště důležitá při výrobě kovaných dílů. Během kování je ocel vystavena vysokým teplotám a značné plastické deformaci a výsledná struktura může být nerovnoměrná.
Správně zvolená normalizace zjemňuje zrno a sjednocuje mikrostrukturu výkovku. V závislosti na druhu materiálu se může jednat o konečnou fázi tepelného zpracování nebo o přípravu pro kalení a popouštění.

Normalizace ocelových odlitků

U ocelových odlitků lze normalizaci použít k úpravě struktury vytvořené během tuhnutí a chlazení. Odlitky, zejména ty s velkými průřezy, mohou vykazovat značnou heterogenitu mikrostruktury a velikosti zrna.
Normalizace umožňuje jednotnější strukturu v příslušných jakostech a připravuje odlitek pro další technologické procesy.

Normalizace po kování a válcování

Podmínky během závěrečné fáze kování nebo válcování mají významný vliv na mikrostrukturu polotovaru. Pokud byla teplota vysoká nebo materiál nekontrolovaně chladl, může dojít k nadměrnému růstu zrn nebo strukturální nehomogenitě.
Normalizace může v takových případech sloužit jako přípravná úprava, která vede k předvídatelnější struktuře před dalším tepelným nebo mechanickým zpracováním.

Aplikace normalizace oceli

Normalizace se používá především tam, kde je nutné homogenizovat mikrostrukturu, zjemnit zrno nebo připravit materiál pro následné výrobní fáze.
Mezi typické aplikace patří:

• výkovky a kované prvky,
• ocelové odlitky,
• hřídele a nápravy,
• prvky strojů a zařízení,
• konstrukční části,
• polotovary po válcování za tepla,
• prvky připravené k kalení a popouštění,
• díly podrobené dalšímu obrábění.

Výhody normalizační oceli

• možnost drcení zrna,
• homogenizace mikrostruktury,
• zlepšení vybraných mechanických vlastností,
• schopnost připravit materiál pro následné procesy tepelného zpracování,
• relativně jednoduchý způsob chlazení vzduchem,
• lze použít po kování, válcování a odlévání,
• dosažení vyšší tvrdosti a pevnosti než po typickém úplném žíhání u mnoha uhlíkových ocelí.

Nevýhody a omezení normalizace

• proces není vhodný pro každý typ oceli,
• chlazení vzduchem může způsobit rozdíly v rychlosti chlazení u prvků s velkými nebo proměnnými průřezy,
• je možná deformace prvků se složitou geometrií,
• Normalizace neposkytuje tvrdost charakteristickou pro kalení,
• není procesem určeným primárně k maximálnímu odstranění zbytkových pnutí,
• U ocelí se zvýšenou prokalitelností může ochlazování na vzduchu vést k odlišným strukturám než u typických uhlíkových ocelí,
• Nesprávná teplota může vést k nadměrnému růstu zrn a zhoršení vlastností materiálu.

Na čem závisí správný normalizační efekt?

Účinnost normalizace závisí na správném výběru celého technologického cyklu, nejen na maximální teplotě. Je třeba zohlednit jakost oceli, její chemické složení, počáteční strukturu, rozměry a geometrii součásti, rychlost ohřevu, teplotu a dobu austenitizace a skutečné podmínky ochlazování.
Je obzvláště důležité vyhnout se nadměrně vysokým teplotám nebo příliš dlouhým dobám namáčení, protože ty mohou vést k růstu austenitových zrn. Naopak nedostatečné teploty nebo příliš krátké doby namáčení mohou zabránit dosažení požadované strukturální uniformity.
Normalizační ocel je proces tepelného zpracování zahrnující ohřev materiálu na vhodný austenitizační teplotní rozsah, žíhání a následné chlazení vzduchem. Tento proces se používá především k zjemnění zrna, homogenizaci mikrostruktury a získání vlastností vhodných pro další zpracování nebo použití.
Ve srovnání s plným žíháním využívá normalizace rychlejší ochlazování, a proto u mnoha uhlíkových ocelí vede k jemnější struktuře a větší tvrdosti a pevnosti. Není však náhradou za kalení, popouštění nebo žíhání k odlehčení pnutí – každý z těchto procesů sleduje jiný technologický cíl.

Metody tepelného a termochemického zpracování oceli

Změkčování je pouze jednou ze skupin procesů používaných k modifikaci mikrostruktury a vlastností oceli. V závislosti na požadovaném efektu se používá také normalizace, zmírňování pnutí, kalení, popouštění a termochemické procesy, jako je cementace a nitridace.

Metody tepelného zpracování oceli

• Normalizační ocel – zjemnění zrna a sjednocení mikrostruktury.
• Vyžadování odkladu – snížení zbytkových napětí.
• Měknutí oceli – snížení tvrdosti a zlepšení náchylnosti k dalšímu zpracování.
• Úplné žíhání – austenitizace a pomalé ochlazování.
• Izotermické žíhání – transformace prováděná za udržování při vhodně zvolené teplotě.
• Žíhání kuliček – sferoidizace – změna morfologie cementitu nebo jiných karbidů.
• Rekrystalizační žíhání – odstranění účinků drcení a obnovení plasticity.
• Homogenizační žíhání – snížení segregace a homogenizace složení materiálu.
• Kalení a tepelné zpracování – tvarování mikrostruktury a vlastností kalením a popouštěním.
• Popouštění oceli – řízená modifikace vlastností oceli po kalení.
• Indukční kalení – povrchový indukční ohřev a rychlé ochlazování.
• Kalení plamenem – povrchové zpevnění po lokálním ohřevu plamenem.
• Přesycení – získání přesyceného pevného roztoku vhodným tepelným cyklem.
• Stárnutí – řízená fázová separace vedoucí ke zpevnění materiálu.

Metody termochemického zpracování oceli

• Nitridace oceli – difuzní obohacení povrchové vrstvy dusíkem.
• Cementační ocel – difuzní obohacení povrchu uhlíkem.
• Karbonitridace – současné obohacení povrchové vrstvy uhlíkem a dusíkem.
• Nitrocementace / nitrocementace – obohacení vrstvy primárně dusíkem a uhlíkem.
• Vrtání – difuzní nasycení povrchu borem.
• Difuzní chromování – difuzní obohacení vrstvy chromem.
• Difuzní hliníkování – difuzní obohacení vrstvy v hliníku.