Normalisering af stål – proces, temperatur, mikrostruktur og anvendelse

Normalisering af stål er en af ​​de grundlæggende processer varmebehandling af stålHovedformålet er at opnå en mere ensartet og finkornet mikrostruktur, reducere virkningerne af tidligere teknologiske processer og forberede materialet til yderligere termisk eller mekanisk behandling. Normalisering kan påvirke stålets styrke, hårdhed, slagstyrke, duktilitet og bearbejdelighed, men omfanget af disse ændringer afhænger primært af kulstofindholdet, legeringselementerne og materialets oprindelige struktur.
Processen involverer opvarmning af stålet til en temperatur, der sikrer den passende grad af austenitisering, opvarmning af materialet ved denne temperatur og derefter afkøling af det i stillestående luft. Kølemetoden er en af ​​de grundlæggende forskelle mellem normalisering og fuldstændig udglødning. Luftkøling er hurtigere end ovnkøling, hvilket påvirker kornstørrelsen og den resulterende mikrostruktur.
Normalisering anvendes primært til ulegeret og lavtlegeret stål. Det kan udføres som den endelige varmebehandling af en komponent eller som en mellemliggende proces forud for yderligere operationer såsom hærdning, varmebehandling eller bearbejdning.

Hvad er normalisering af stål?

Under normaliseringen opvarmes stål til det austenitiske område, der er passende for dets kemiske sammensætning. Under opvarmningsprocessen sker der transformationer, der fører til dannelsen af ​​austenit og en homogenisering af strukturen. Komponenten fjernes derefter fra ovnen og afkøles i luft.
Under afkøling undergår austenit transformationer, der – afhængigt af stålets sammensætning og afkølingshastighed – primært fører til dannelsen af ​​ferritisk-perlitiske eller perlitiske strukturer. I legeret stål kan transformationsprocessen være mere kompleks, da legeringselementer påvirker hærdbarheden og kinetikken af ​​fasetransformationer.
Normalisering er særligt nyttig efter processer, der kan resultere i en inhomogen eller grovkornet struktur, såsom smedning, varmvalsning eller støbning.

Formålet med normalisering af stål

Normalisering kan tjene flere teknologiske formål. Det præcise formål med processen afhænger af stålkvaliteten, materialets tilstand og dets tilsigtede anvendelse.
De vigtigste mål med standardisering omfatter:

• kornforfinelse – korrekt udført austenisering og efterfølgende afkøling muliggør opnåelse af en finere struktur,
• homogenisering af mikrostrukturen – især efter smedning, valsning, støbning og andre højtemperaturprocesser,
• forbedring af mekaniske egenskaber – normalisering kan øge styrke og hårdhed sammenlignet med den fuldt udglødede tilstand, samtidig med at nyttig duktilitet og slagstyrke opretholdes,
• begrænsning af bivirkningerne af tidligere behandling – herunder strukturelle uoverensstemmelser og overdreven kornvækst,
• forberedelse af stål til videre varmebehandling – f.eks. hærdning eller termisk forbedring,
• forberedelse af materiale til bearbejdning – i nogle ståltyper kan den passende struktur efter normalisering forbedre betingelserne for videre forarbejdning,
• opnåelse af mere ensartede egenskaber i elementets tværsnit – især vigtigt i tilfælde af smedegods, støbegods og halvfabrikata efter varmforarbejdning.

Faktorer der påvirker effekten af ​​normalisering af stål

Stålets endelige egenskaber efter normalisering afhænger af hele varmebehandlingscyklussen. Selv ved samme temperatur kan to stålkvaliteter udvikle forskellige mikrostrukturer og egenskaber ved luftkøling.

Normalisering af ståltemperatur

Normaliseringstemperaturen er ikke en konstant for alle stålkvaliteter. Den vælges ud fra materialets kemiske sammensætning og kritiske temperaturer forbundet med fasetransformationer.
For hypoeutektoide stål, dvs. stål, der indeholder mindre kulstof end den eutektoide sammensætning, udføres normalisering generelt over den kritiske temperatur. Ac3I praksis er procestemperaturen normalt tilstrækkeligt højere end Ac3 til at sikre korrekt austenisering af materialet.
I tilfælde af hypereutektoid stål kræver temperaturvalgsreglerne, at der tages hensyn til linjen Acm og den forventede mikrostruktur. Derfor er det kun en grov forenkling at specificere et enkelt interval, f.eks. 800-950 °C, for alle ståltyper.
Den faktiske normaliseringstemperatur bør bestemmes for en specifik stålkvalitet baseret på dens materialegenskaber, den relevante standard, teknologisk dokumentation eller producentens anbefalinger.

Normalisering af stål – procesflow

Normaliseringsprocessen kan opdeles i tre grundlæggende faser: opvarmning, udglødning og afkøling.

1. Opvarmning

Komponenten opvarmes til den normaliseringstemperatur, der er passende for den givne stålkvalitet. Opvarmningshastigheden bør tage højde for komponentens størrelse, geometri, tværsnitstykkelse og materialets varmeledningsevne. For store eller komplekse dele kan for hurtig opvarmning forårsage betydelige temperaturgradienter og tilhørende termiske spændinger.

2. Opvarmning

Når den ønskede temperatur er nået, opvarmes materialet i et tilstrækkeligt tidsrum til at udjævne temperaturen i hele tværsnittet og muliggøre de nødvendige strukturelle transformationer. Opvarmningstiden afhænger af komponentens dimensioner, masse, stålkvalitet, opvarmningsmetode og ovntype.
Det simple forhold mellem tid og millimetertykkelse bør ikke betragtes som en universel regel for alle komponenter. Inden for industriel teknologi bør parametre defineres for specifikke materialer og dele.

3. Luftkøling

Efter udglødning luftkøles komponenten. Afkølingen er hurtigere end under typisk fuldstændig udglødning, hvor materialet afkøles langsomt med ovnen. Denne forskel i afkølingshastighed påvirker austenittransformationen og materialets endelige mikrostruktur.
Køleforhold spiller også en rolle. Komponentstørrelse, omgivelsestemperatur, luftbevægelse og komponentorientering kan alle påvirke den faktiske varmeafledningshastighed.

Mikrostruktur af stål efter normalisering

En af de vigtigste effekter ved normalisering er ændringen af ​​stålets mikrostruktur. I typiske hypoeutektoide ståltyper producerer en korrekt udført proces en struktur indeholdende ferrit og perlit. Når kulstofindholdet stiger, stiger perlitindholdet.
Sammenlignet med den langsomme afkøling under fuldstændig udglødning er den struktur, der opnås under normalisering, typisk finere. En finere perlitisk struktur og passende kornstørrelse kan føre til øget styrke og hårdhed af materialet.
Den endelige mikrostruktur afhænger dog ikke kun af normaliseringstemperaturen, men også af:

• kulstofindhold,
• type og indhold af legeringselementer,
• austenit kornstørrelse,
• opvarmningstid,
• elementets dimensioner,
• kølehastigheder,
• materialets mikrostruktur før normalisering.

Effekten af ​​normalisering på ståls mekaniske egenskaber

Normalisering kan påvirke stålets mekaniske egenskaber betydeligt, men størrelsen af ​​disse ændringer afhænger af dets sammensætning og udgangstilstand. Processen bør ikke betragtes som en universel metode, der giver identiske resultater i alle kvaliteter.

Trækstyrke

Den finere mikrostruktur, der opnås efter normalisering, kan føre til en øget trækstyrke sammenlignet med fuldt udglødet stål. Effekten afhænger blandt andet af kulstofindholdet og legeringselementerne.

Flydegrænse

Mikrostrukturelle ændringer og kornforfining kan også påvirke flydespændingen. Denne egenskab er især vigtig for konstruktionsstål beregnet til bærende komponenter.

Hårdhed

Normaliseret stål er typisk hårdere end fuldt udglødet stål, fordi hurtigere afkøling fremmer udviklingen af ​​en finere struktur. Normalisering opnår dog ikke den hårdhed, der er karakteristisk for korrekt hærdet martensitisk stål.

Slagstyrke og duktilitet

Kornforfining og strukturel homogenisering kan have en positiv indflydelse på slagstyrken og materialets opførsel under belastning. Den specifikke effekt kan dog ikke bestemmes uden at tage stålkvaliteten og procesparametrene i betragtning.

Maskinbearbejdningsevne

Effekten af ​​normalisering på bearbejdeligheden er ikke den samme for alle ståltyper. I lavkulstofstål kan en vis stigning i hårdhed forbedre spåndannelsen og reducere overdreven materialeduktilitet. I andre tilfælde kan blødglødning eller sfæroidiseringsglødning før bearbejdning være mere fordelagtig.

Normalisering vs. udglødning

Normalisering og udglødning er processer, der involverer opvarmning og kontrolleret afkøling af stål, men de adskiller sig primært i køleforholdene og den resulterende mikrostruktur.
Efter normalisering afkøles stål generelt i luft, hvorimod afkølingen under fuldstændig udglødning er meget langsommere og normalt sker i forbindelse med ovnen. Som følge heraf har normaliseret stål typisk en finere struktur og højere hårdhed og styrke end det tilsvarende fuldt udglødede materiale.
Hvis hovedmålet er at reducere restspændinger uden fundamentalt at ændre materialestrukturen, spændingsaflastningsglødning.

Normalisering og hærdning

Stålhærdning Det adskiller sig fra normalisering primært i afkølingshastigheden og den ønskede strukturelle effekt. Under hærdning er målet at afkøle austenitten for at opnå en struktur med høj hårdhed, oftest med et betydeligt martensitindhold.
Normalisering bruger langsommere luftkøling og bruges ikke til at skabe en martensitisk struktur i typiske kulstofstål. Det kan dog være et trin i forberedelsen af ​​materialet til efterfølgende hærdning eller varmebehandling.

Normalisering vs. at give slip

At give slip er en proces, der generelt udføres efter hærdning. Dens formål er at modificere strukturen af ​​det hærdede stål og opnå den nødvendige kombination af hårdhed, styrke og duktilitet.
Normalisering kan derimod være en selvstændig varmebehandling eller et trin, der forbereder materialet til efterfølgende processer. Derfor har begge processer forskellige teknologiske mål.

Normalisering og spændingsaflastende udglødning

Normalisering fører til austenisering af stålet og den efterfølgende dannelse af en ny mikrostruktur ved afkøling. Spændingsudglødning udføres derimod ved en lavere temperatur og har primært til formål at reducere restspændinger, samtidig med at påvirkningen af ​​materialets grundlæggende mikrostruktur og egenskaber minimeres.

Normalisering og andre metoder til varmebehandling af stål

Normalisering, udglødning, hærdning og anløbning adskiller sig i procestemperatur, kølemetode og ønsket effekt. Tabellen nedenfor opsummerer de vigtigste forskelle mellem disse processer.

Normalisering af forskellige stålkvaliteter

Ulegeret konstruktionsstål

Normalisering anvendes i vid udstrækning til ulegeret konstruktionsstål. Processen kan anvendes efter valsning, smedning eller støbning til at forfine og homogenisere strukturen og opnå de nødvendige mekaniske egenskaber.

Kulstofstål

I kulstofstål er normaliseringseffekten stærkt relateret til kulstofindholdet. Når kulstofindholdet stiger, stiger perlitindholdet, og materialets hårdhed, styrke og duktilitet ændrer sig. Gruppen af ​​stål med øget kulstofindhold omfatter fjederstål C55S, C67S, C75S, C85S og C100S.

Lavlegeret stål

I tilfælde af lavlegeret stål skal der tages højde for indflydelsen af ​​krom, molybdæn, nikkel, mangan og andre elementer på de transformationer, der sker under afkøling. Den øgede hærdbarhed af nogle kvaliteter betyder, at stålets opførsel under luftkøling kan afvige betydeligt fra almindeligt kulstofståls.

Højlegeret stål

Normaliseringskonceptet bør ikke automatisk anvendes på alle højtlegerede ståltyper. For rustfrit stål, varmebestandigt stål, værktøjsstål og andre specialstål anvendes varmebehandlinger, der er passende til den specifikke gruppe og kvalitet. Parametrene bør altid være baseret på den krævede mikrostruktur og materialeegenskaber.

Normalisering af smedegods

Normalisering er særligt vigtigt i produktionen af ​​smedede dele. Under smedning udsættes stål for høje temperaturer og betydelig plastisk deformation, og den resulterende struktur kan være ujævn.
Korrekt valgt normalisering forfiner åretegning og forener smedegodsets mikrostruktur. Afhængigt af materialetypen kan det være det sidste trin i varmebehandlingen eller en forberedelse til hærdning og anløbning.

Normalisering af stålstøbegods

I stålstøbegods kan normalisering bruges til at modificere den struktur, der dannes under størkning og afkøling. Støbegods, især dem med store tværsnit, kan udvise betydelig mikrostrukturel og kornstørrelsesheterogenitet.
Normalisering giver mulighed for en mere ensartet struktur i de passende kvaliteter og forbereder støbegodset til yderligere teknologiske processer.

Normalisering efter smedning og valsning

Forholdene under den sidste smede- eller valsningsfase har en betydelig indflydelse på halvfabrikatanes mikrostruktur. Hvis temperaturen var høj, eller materialet afkøledes ukontrolleret, kan der forekomme overdreven kornvækst eller strukturel inhomogenitet.
Normalisering kan i sådanne tilfælde tjene som en forberedende behandling, der fører til en mere forudsigelig struktur før yderligere termisk eller mekanisk behandling.

Anvendelse af stålnormalisering

Normalisering anvendes primært, hvor det er nødvendigt at homogenisere mikrostrukturen, forfine kornet eller forberede materialet til efterfølgende produktionstrin.
Typiske anvendelser omfatter:

• smedegods og smedede elementer,
• stålstøbegods,
• aksler og aksler,
• elementer af maskiner og apparater,
• strukturelle dele,
• halvfabrikata efter varmvalsning,
• elementer forberedt til hærdning og anløbning,
• dele, der udsættes for yderligere bearbejdning.

Fordele ved normalisering af stål

• mulighed for knusning af korn,
• homogenisering af mikrostrukturen,
• forbedring af udvalgte mekaniske egenskaber,
• evnen til at forberede materialet til efterfølgende varmebehandlingsprocesser,
• en relativt simpel metode til luftkøling,
• kan bruges efter smedning, valsning og støbning,
• opnår højere hårdhed og styrke end efter typisk fuldstændig udglødning i mange kulstofstål.

Ulemper og begrænsninger ved normalisering

• processen er ikke egnet til alle typer stål,
• Luftkøling kan forårsage forskelle i kølehastigheder i elementer med store eller variable tværsnit,
• deformation af elementer med kompleks geometri er mulig,
• normalisering giver ikke den hårdhed, der er karakteristisk for hærdning,
• er ikke en proces, der primært er beregnet til maksimal fjernelse af restspændinger,
• I stål med øget hærdbarhed kan afkøling i luft føre til andre strukturer end i typiske kulstofstål,
• Forkert temperatur kan føre til overdreven kornvækst og forringelse af materialeegenskaber.

Hvad afhænger den korrekte normaliseringseffekt af?

Normaliseringens effektivitet afhænger af det korrekte valg af hele den teknologiske cyklus, ikke kun den maksimale temperatur. Der skal tages hensyn til stålkvaliteten, dens kemiske sammensætning, oprindelige struktur, komponentdimensioner og geometri, opvarmningshastighed, austenitiseringstemperatur og -tid samt faktiske køleforhold.
Det er især vigtigt at undgå for høje temperaturer eller for lange iblødsætningstider, da disse kan føre til austenitkornvækst. Omvendt kan utilstrækkelige temperaturer eller for korte iblødsætningstider forhindre, at den nødvendige strukturelle ensartethed opnås.
Normalisering af stål er en varmebehandlingsproces, der involverer opvarmning af materialet til det passende austenitiseringstemperaturområde, udglødning og derefter luftkøling. Processen bruges primært til at forfine kornet, homogenisere mikrostrukturen og opnå egenskaber, der er egnede til videre forarbejdning eller brug.
Sammenlignet med fuld udglødning anvender normalisering hurtigere afkøling, hvilket fører til en finere struktur og større hårdhed og styrke i mange kulstofstål. Det er dog ikke en erstatning for hærdning, anløbning eller spændingsaflastningsglødning – hver af disse processer opnår et forskelligt teknologisk mål.

Metoder til varme- og termokemisk behandling af stål

Blødgøring er blot én gruppe af processer, der bruges til at modificere ståls mikrostruktur og egenskaber. Afhængigt af den ønskede effekt anvendes også normalisering, spændingsaflastning, hærdning, anløbning og termokemiske processer såsom karburering og nitrering.

Metoder til varmebehandling af stål

• Normalisering af stål – kornforfinelse og mikrostrukturforening.
• Udskiftning af forbrugsvarer – reduktion af restspændinger.
• Blødgøring af stål – reducerer hårdheden og forbedrer modtageligheden for yderligere forarbejdning.
• Fuld udglødning – austenitisering og langsom afkøling.
• Isotermisk udglødning – transformation udført under opbevaring ved en korrekt valgt temperatur.
• Kugleglødning – sfæroidisering – ændring i morfologien af ​​cementit eller andre karbider.
• Omkrystallisationsglødning – fjernelse af virkningerne af knusning og genoprettelse af plasticitet.
• Homogeniserende udglødning – reduktion af segregation og homogenisering af materialesammensætningen.
• Hærdning og varmebehandling – formning af mikrostrukturen og egenskaberne ved hærdning og anløbning.
• Hærdet stål – kontrolleret modifikation af stålegenskaber efter hærdning.
• Induktionshærdning – overfladeinduktionsopvarmning og hurtig afkøling.
• Flammehærdning – overfladehærdning efter lokal opvarmning med flamme.
• Overmætning – opnåelse af en overmættet fast opløsning ved en passende termisk cyklus.
• Aldring – kontrolleret faseseparation, der fører til materialeforstærkning.

Metoder til termokemisk behandling af stål

• Nitrering af stål – diffusionsberigelse af overfladelaget med nitrogen.
• Karburerende stål – diffusionsberigelse af overflader med kulstof.
• Karbonitrering – samtidig berigelse af overfladelaget med kulstof og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – berigelse af laget primært med nitrogen og kulstof.
• Boring – diffusionsmætning af overfladen med bor.
• Diffusionsforkromning – diffusionsberigelse af laget med krom.
• Diffusionsaluminisering – diffusionsberigelse af laget i aluminium.