Acél normalizálása – folyamat, hőmérséklet, mikroszerkezet és alkalmazás

Acél normalizálása az egyik alapvető folyamat acél hőkezeléseFő célja az egyenletesebb és finomszemcsésebb mikroszerkezet elérése, a korábbi technológiai folyamatok hatásainak csökkentése, valamint az anyag előkészítése további hő- vagy mechanikai kezelésre. A normalizálás befolyásolhatja az acél szilárdságát, keménységét, ütésállóságát, képlékenységét és megmunkálhatóságát, de ezen változások mértéke elsősorban a széntartalomtól, az ötvözőelemektől és az anyag kezdeti szerkezetétől függ.
Az eljárás során az acélt olyan hőmérsékletre hevítik, amely biztosítja a megfelelő ausztenitesedési fokot, majd ezen a hőmérsékleten melegítik, és álló levegőn lehűtik. A hűtési módszer az egyik alapvető különbség a normalizálás és a teljes lágyítás között. A levegőhűtés gyorsabb, mint a kemencés hűtés, ami befolyásolja a szemcseméretet és a kapott mikroszerkezetet.
A normalizálást elsősorban ötvözetlen és alacsony ötvözetű acélok esetében alkalmazzák. Elvégezhető egy alkatrész végső hőkezeléseként, vagy köztes folyamatként a további műveletek, például edzés, hőkezelés vagy megmunkálás előtt.

Mi az acél normalizálása?

A normalizálás során az acélt a kémiai összetételének megfelelő ausztenites tartományba hevítik. A hevítési folyamat során átalakulások mennek végbe, amelyek ausztenit képződéséhez és a szerkezet homogenizálódásához vezetnek. Az alkatrészt ezután kiveszik a kemencéből, és levegőn lehűtik.
Hűtés során az ausztenit átalakulásokon megy keresztül, amelyek – az acél összetételétől és a hűtési sebességtől függően – elsősorban ferrit-perlites vagy perlites szerkezetek kialakulásához vezetnek. Ötvözött acélokban az átalakulás folyamata összetettebb lehet, mivel az ötvözőelemek befolyásolják az edzhetőséget és a fázisátalakulások kinetikáját.
A normalizálás különösen hasznos olyan folyamatok után, amelyek inhomogén vagy durva szemcsés szerkezetet eredményezhetnek, mint például kovácsolás, meleghengerlés vagy öntés.

Az acél normalizálásának célja

A normalizálás számos technológiai célt szolgálhat. A folyamat pontos célja az acél minőségétől, az anyag állapotától és a tervezett felhasználástól függ.
A szabványosítás legfontosabb céljai közé tartozik:

• szemcsefinomítás – a megfelelően elvégzett ausztenitesítés és az azt követő hűtés finomabb szemcsés szerkezet elérését teszi lehetővé,
• a mikrostruktúra homogenizálása – különösen kovácsolás, hengerlés, öntés és egyéb magas hőmérsékletű folyamatok után,
• a mechanikai tulajdonságok javítása – a normalizálás növelheti a szilárdságot és a keménységet a teljesen lágyított állapothoz képest, miközben megőrzi a hasznos képlékenységet és ütésállóságot,
• a korábbi kezelések káros hatásainak korlátozása – beleértve a szerkezeti inhomogenitásokat és a túlzott szemcsenövekedést,
• acél előkészítése további hőkezelésre – pl. edzés vagy hőkezelés,
• anyag előkészítése megmunkáláshoz – egyes acéloknál a normalizálás utáni megfelelő szerkezet javíthatja a további feldolgozás feltételeit,
• egyenletesebb tulajdonságok elérése az elem keresztmetszetében – különösen fontos kovácsolt, öntvény és félkész termékek esetében a melegmegmunkálás után.

Az acél normalizálásának hatását befolyásoló tényezők

Az acél normalizálás utáni végső tulajdonságai a teljes hőkezelési ciklustól függenek. Még azonos hőmérsékleten is, két acélminőség eltérő mikroszerkezetet és tulajdonságokat alakíthat ki levegőn történő hűtés hatására.

Az acél normalizáló hőmérséklete

A normalizálási hőmérséklet nem egyetlen állandó minden acélminőség esetében. Az anyag kémiai összetétele és a fázisátalakulásokkal kapcsolatos kritikus hőmérsékletek alapján kerül kiválasztásra.
A hipoeutektoid acélok, azaz az eutektoid összetételnél kevesebb szenet tartalmazó acélok esetében a normalizálást általában a kritikus hőmérséklet felett végzik. Ac3A gyakorlatban a folyamathőmérséklet általában kellően magasabb, mint az Ac3, hogy biztosítsa az anyag megfelelő ausztenitesedését.
Hipereutektoid acélok esetében a hőmérséklet-kiválasztási szabályok megkövetelik a vonal figyelembevételét Acm és a várható mikroszerkezet. Ezért egyetlen tartomány, pl. 800–950 °C megadása minden acélra csak nagymértékben egyszerűsít.
A tényleges normalizálási hőmérsékletet egy adott acélminőségre vonatkozóan az anyagjellemzők, a vonatkozó szabvány, a technológiai dokumentáció vagy a gyártó ajánlásai alapján kell meghatározni.

Acél normalizálása – folyamatábra

A normalizálási folyamat három alapvető szakaszra osztható: melegítés, hőkezelés és hűtés.

1. Fűtés

Az alkatrészt az adott acélminőségnek megfelelő normalizálási hőmérsékletre melegítik. A melegítési sebességnek figyelembe kell vennie az alkatrész méretét, geometriáját, keresztmetszeti vastagságát és az anyag hővezető képességét. Nagy vagy összetett alkatrészek esetén a túl gyors melegítés jelentős hőmérsékleti gradienseket és a kapcsolódó hőfeszültségeket okozhat.

2. Fűtés

Miután az anyagot elérte a kívánt hőmérsékletet, annyi ideig melegítik, hogy a hőmérséklet a keresztmetszet teljes egészében kiegyenlítődjön, és a szükséges szerkezeti átalakulások végbemehessenek. A melegítési idő az alkatrész méreteitől, tömegétől, acélminőségétől, a melegítési módtól és a kemence típusától függ.
Az idő és a vastagság milliméterben kifejezett egyszerű összefüggése nem tekinthető univerzális szabálynak minden alkatrészre vonatkozóan. Az ipari technológiában a paramétereket az egyes anyagokra és alkatrészekre vonatkozóan kell meghatározni.

3. Léghűtés

Lágyítás után az alkatrészt levegővel hűtik. A hűtés gyorsabb, mint a tipikus teljes lágyítás során, amikor az anyag lassan hűl a kemencével együtt. Ez a hűtési sebességbeli különbség befolyásolja az ausztenites átalakulást és az anyag végső mikroszerkezetét.
A hűtési körülmények is szerepet játszanak. Az alkatrész mérete, a környezeti hőmérséklet, a légmozgás és az alkatrész orientációja mind befolyásolhatja a tényleges hőelvezetési sebességet.

Az acél mikroszerkezete normalizálás után

A normalizálás egyik legfontosabb hatása az acél mikroszerkezetének módosulása. A tipikus hipoeutektoid acélokban a megfelelően végrehajtott eljárás ferritet és perlitet tartalmazó szerkezetet hoz létre. A széntartalom növekedésével a perlittartalom is növekszik.
A teljes lágyítás során alkalmazott lassú hűtéshez képest a normalizálás során kapott szerkezet jellemzően finomabb. A finomabb perlites szerkezet és a megfelelő szemcseméret az anyag szilárdságának és keménységének növekedéséhez vezethet.
A végső mikroszerkezet azonban nemcsak a normalizálási hőmérséklettől függ, hanem a következőktől is:

• széntartalom,
• az ötvözőelemek típusa és tartalma,
• ausztenit szemcseméret,
• fűtési idő,
• az elem méretei,
• hűtési sebességek,
• Az anyag mikroszerkezete normalizálás előtt.

A normalizálás hatása az acél mechanikai tulajdonságaira

A normalizálás jelentősen befolyásolhatja az acél mechanikai tulajdonságait, de ezeknek a változásoknak a nagysága az acél összetételétől és kezdeti állapotától függ. Az eljárást nem szabad univerzális módszernek tekinteni, amely minden minőségben azonos eredményeket hoz.

Wytrzymałość na rozciąganie

A normalizálás után elért finomabb mikroszerkezet a teljesen lágyított acélhoz képest a szakítószilárdság növekedéséhez vezethet. A hatás többek között a széntartalomtól és az ötvözőelemektől függ.

Folyáshatár

A mikroszerkezeti változások és a szemcsefinomodás szintén befolyásolhatja a folyáshatárt. Ez a tulajdonság különösen fontos a teherhordó elemekhez használt szerkezeti acélok esetében.

Keménység

A normalizált acél jellemzően keményebb, mint a teljesen lágyított acél, mivel a gyorsabb hűtés elősegíti a finomabb szerkezet kialakulását. A normalizálás azonban nem éri el a megfelelően edzett martenzites acél keménységére jellemző értéket.

Ütésállóság és képlékenység

A szemcsefinomítás és a szerkezeti homogenizálás pozitívan befolyásolhatja az ütésállóságot és az anyag terhelés alatti viselkedését. A konkrét hatás azonban nem határozható meg az acélminőség és a folyamatparaméterek figyelembevétele nélkül.

Megmunkálhatóság

A normalizálás hatása a megmunkálhatóságra nem minden acél esetében azonos. Alacsony széntartalmú acéloknál a keménység némi növekedése javíthatja a forgácsképződést és csökkentheti az anyag túlzott képlékenységét. Más esetekben a megmunkálás előtti lágyítás vagy szferoidizáló lágyítás előnyösebb lehet.

Normalizálás vs. hőkezelés

A normalizálás és a lágyítás olyan folyamatok, amelyek az acél melegítését és szabályozott hűtését foglalják magukban, de elsősorban a hűtési körülményekben és a létrejövő mikroszerkezetben különböznek.
Normalizálás után az acélt általában levegőn hűtik le, míg a teljes lágyítás során a hűtés sokkal lassabb, és általában a kemencével együtt történik. Ennek eredményeként a normalizált acél jellemzően finomabb szerkezetű, nagyobb keménységű és szilárdságú, mint a megfelelő teljesen lágyított anyag.
Ha a fő cél a maradékfeszültségek csökkentése az anyagszerkezet alapvető megváltoztatása nélkül, feszültségcsökkentő lágyítás.

Normalizálás és keményítés

Acél edzés Elsősorban a hűtési sebességben és a kívánt szerkezeti hatásban különbözik a normalizálástól. Az edzés során a cél az ausztenit lehűtése, hogy nagy keménységű, leggyakrabban jelentős martenzittartalmú szerkezetet kapjunk.
A normalizálás lassabb hűtést alkalmaz levegőn, és nem martenzites szerkezet létrehozására szolgál a tipikus szénacélokban. Azonban ez lehet egy lépés az anyag későbbi edzésre vagy hőkezelésre való előkészítésében.

Normalizálás vs. elengedés

Odpuszczanie egy általában edzés után végrehajtott eljárás. Célja az edzett acél szerkezetének módosítása és a keménység, szilárdság és alakíthatóság kívánt kombinációjának elérése.
A normalizálás ezzel szemben lehet önálló hőkezelés, vagy egy lépés, amely előkészíti az anyagot a későbbi folyamatokra. Ezért mindkét folyamatnak eltérő technológiai céljai vannak.

Normalizáló és feszültségcsökkentő lágyítás

A normalizálás az acél ausztenitesedéséhez, majd lehűlés után új mikroszerkezet kialakulásához vezet. A feszültségmentesítő lágyítás ezzel szemben alacsonyabb hőmérsékleten történik, és elsősorban a maradékfeszültségek csökkentésére szolgál, miközben minimalizálja az anyag alapvető mikroszerkezetére és tulajdonságaira gyakorolt ​​hatást.

Acél normalizálása és egyéb hőkezelési módszerek

A normalizálás, a lágyítás, a keményítés és a megeresztés a folyamathőmérsékletben, a hűtési módszerben és a kívánt hatásban különbözik. Az alábbi táblázat összefoglalja a folyamatok közötti főbb különbségeket.

Különböző acélminőségek normalizálása

Ötvözetlen szerkezeti acélok

A normalizálást széles körben alkalmazzák ötvözetlen szerkezeti acéloknál. Az eljárás hengerlés, kovácsolás vagy öntés után alkalmazható a szerkezet finomítására és homogenizálására, valamint a kívánt mechanikai tulajdonságok elérésére.

Szénacélok

A szénacéloknál a normalizáló hatás szorosan összefügg a széntartalommal. A széntartalom növekedésével a perlittartalom is növekszik, valamint az anyag keménysége, szilárdsága és képlékenysége is változik. A megnövelt széntartalmú acélok csoportjába tartoznak a C55S, C67S, C75S, C85S és C100S rugóacélok.

Alacsony ötvözetű acélok

Alacsony ötvözetű acélok esetében figyelembe kell venni a króm, molibdén, nikkel, mangán és más elemek hatását a hűtés során bekövetkező átalakulások során. Egyes minőségek megnövekedett edzhetősége azt jelenti, hogy az acél viselkedése levegőhűtés során jelentősen eltérhet a közönséges szénacélétól.

Magasan ötvözött acélok

A normalizálás koncepcióját nem szabad automatikusan alkalmazni minden erősen ötvözött acélra. Rozsdamentes acélok, hőálló acélok, szerszámacélok és egyéb speciális acélok esetében az adott csoportnak és minőségnek megfelelő hőkezeléseket alkalmaznak. A paramétereknek mindig a szükséges mikroszerkezeten és anyagtulajdonságokon kell alapulniuk.

Kovácsolt tárgyak normalizálása

A normalizálás különösen fontos a kovácsolt alkatrészek gyártása során. A kovácsolás során az acél magas hőmérsékletnek és jelentős képlékeny alakváltozásnak van kitéve, és a kapott szerkezet egyenetlen lehet.
A megfelelően kiválasztott normalizálás finomítja a kovácsolt darab erezetét és egységesíti a mikroszerkezetét. Az anyagtípustól függően ez lehet a hőkezelés utolsó fázisa, vagy az edzés és megeresztés előkészítése.

Acélöntvények normalizálása

Acélöntvényeknél a normalizálás felhasználható a dermedés és hűtés során kialakult szerkezet módosítására. Az öntvények, különösen a nagy keresztmetszetűek, jelentős mikroszerkezeti és szemcseméret-heterogenitást mutathatnak.
A normalizálás lehetővé teszi az egyenletesebb szerkezet elérését a megfelelő minőségekben, és felkészíti az öntvényt a további technológiai folyamatokra.

Normalizálás kovácsolás és hengerlés után

A végső kovácsolási vagy hengerlési fázis körülményei jelentős hatással vannak a félkész termék mikroszerkezetére. Ha a hőmérséklet magas volt, vagy az anyag ellenőrizetlenül hűlt le, túlzott szemcsenövekedés vagy szerkezeti inhomogenitás léphet fel.
A normalizálás ilyen esetekben előkészítő kezelésként szolgálhat, amely a további termikus vagy mechanikai kezelés előtt kiszámíthatóbb szerkezetet eredményez.

Acélnormalizálás alkalmazása

A normalizálást elsősorban ott alkalmazzák, ahol a mikroszerkezet homogenizálása, a szemcse finomítása vagy az anyag előkészítése a következő gyártási szakaszokra szükséges.
Tipikus alkalmazások a következők:

• kovácsolt darabok és kovácsolt elemek,
• acélöntvények,
• tengelyek és tengelyek,
• gépek és berendezések elemei,
• szerkezeti alkatrészek,
• félkész termékek meleghengerlés után,
• edzésre és megeresztésre előkészített elemek,
• további megmunkálásnak kitett alkatrészek.

Az acél normalizálásának előnyei

• a gabona zúzásának lehetősége,
• a mikrostruktúra homogenizálása,
• kiválasztott mechanikai tulajdonságok javítása,
• az anyag későbbi hőkezelési folyamatokra való előkészítésének képessége,
• egy viszonylag egyszerű léghűtési módszer,
• kovácsolás, hengerlés és öntés után is használható,
• nagyobb keménységet és szilárdságot ér el, mint a legtöbb szénacél tipikus teljes lágyítása után.

A normalizálás hátrányai és korlátai

• az eljárás nem alkalmas minden acéltípushoz,
• A léghűtés eltérő hűtési sebességet okozhat nagy vagy változó keresztmetszetű elemek esetén,
• komplex geometriájú elemek deformációja lehetséges,
• a normalizálás nem adja meg az edzésre jellemző keménységet,
• nem olyan folyamat, amely elsősorban a maradék feszültségek maximális eltávolítására szolgál,
• a megnövelt edzhetőségű acélokban a levegőn történő hűtés eltérő szerkezeteket eredményezhet, mint a tipikus szénacélokban,
• A nem megfelelő hőmérséklet túlzott szemcsenövekedést és az anyagtulajdonságok romlását okozhatja.

Mitől függ a helyes normalizációs hatás?

A normalizálás hatékonysága a teljes technológiai ciklus helyes megválasztásától függ, nem csak a maximális hőmérséklettől. Figyelembe kell venni az acél minőségét, kémiai összetételét, kezdeti szerkezetét, az alkatrész méreteit és geometriáját, a melegítési sebességet, az ausztenitesítés hőmérsékletét és idejét, valamint a tényleges hűtési körülményeket.
Különösen fontos elkerülni a túlzottan magas hőmérsékletet vagy a túlzottan hosszú áztatási időt, mivel ezek ausztenitszemcsék növekedéséhez vezethetnek. Ezzel szemben a nem megfelelő hőmérséklet vagy a túl rövid áztatási idő megakadályozhatja a szükséges szerkezeti egyenletesség elérését.
Acél normalizálása egy hőkezelési eljárás, amely magában foglalja az anyag megfelelő ausztenitesítési hőmérséklet-tartományba történő felmelegítését, lágyítását, majd levegőn történő hűtését. Az eljárást elsősorban a szemcse finomítására, a mikroszerkezet homogenizálására és a további feldolgozáshoz vagy felhasználáshoz alkalmas tulajdonságok elérésére használják.
A teljes lágyítással összehasonlítva a normalizálás gyorsabb hűtést alkalmaz, ezért finomabb szerkezetet, valamint nagyobb keménységet és szilárdságot eredményez számos szénacél esetében. Azonban nem helyettesíti az edzést, a megeresztést vagy a feszültségmentesítést – ezeknek az eljárásoknak mindegyike más technológiai célt szolgál.

Acél hő- és termokémiai kezelési módszerei

A lágyítás csak egy az acél mikroszerkezetének és tulajdonságainak módosítására használt eljárások közül. A kívánt hatástól függően normalizálást, feszültségmentesítést, edzést, megeresztést, valamint termokémiai eljárásokat, például karbonizálást és nitridálást is alkalmaznak.

Acél hőkezelési módszerek

• Acél normalizálása – szemcsefinomítás és mikroszerkezet-egyesítés.
• Wyżarzanie odpreżające – a maradékfeszültségek csökkentése.
• Az acél lágyulása – a keménység csökkentése és a további feldolgozásra való hajlam javítása.
• Teljes hőkezelés – ausztenitesedés és lassú hűtés.
• Izotermikus hőkezelés – az átalakítást megfelelően megválasztott hőmérsékleten tartva hajtják végre.
• Golyós lágyítás – szferoidizálás – a cementit vagy más karbidok morfológiájának változása.
• Átkristályosításos hőkezelés – a zúzódás hatásainak megszüntetése és a képlékenység helyreállítása.
• Homogenizáló hőkezelés – a szegregáció csökkentése és az anyagösszetétel homogenizálása.
• Edzés és hőkezelés – a mikroszerkezet és a tulajdonságok alakítása edzéssel és megeresztéssel.
• Edzett acél – az acél tulajdonságainak szabályozott módosítása edzés után.
• Indukciós edzés – felületi indukciós melegítés és gyors hűtés.
• Láng edzés – felületi keményedés lánggal történő helyi melegítés után.
• Túltelítettség – megfelelő termikus ciklussal túltelített szilárd oldat előállítása.
• Öregedés – szabályozott fázisszétválás, ami az anyag megszilárdulásához vezet.

Acél termokémiai kezelési módszerei

• Acél nitridálása – a felületi réteg diffúziós nitrogéndúsulása.
• Karburáló acél – a felület diffúziós dúsulása szénnel.
• Karbonitriding – a felületi réteg egyidejű dúsítása szénnel és nitrogénnel.
• Nitrokarburálás / nitrokarburálás – a réteg elsősorban nitrogénnel és szénnel való dúsulása.
• Fúrás – a felület diffúziós telítettsége bórral.
• Diffúziós krómozás – a réteg krómmal történő diffúziós dúsulása.
• Diffúziós alumíniummal történő bevonat – a réteg diffúziós dúsulása alumíniumban.