נרמול פלדה - תהליך, טמפרטורה, מיקרו-מבנה ויישום

נרמול פלדה הוא אחד התהליכים הבסיסיים טיפול בחום של פלדהמטרתו העיקרית היא להשיג מיקרו-מבנה אחיד ועדין יותר, להפחית את השפעות התהליכים הטכנולוגיים הקודמים ולהכין את החומר לטיפול תרמי או מכני נוסף. נרמול יכול להשפיע על החוזק, הקשיות, חוזק ההשפעה, הגמישות ויכולת העיבוד של פלדה, אך היקף השינויים הללו תלוי בעיקר בתכולת הפחמן, יסודות הסגסוגת והמבנה הראשוני של החומר.
התהליך כולל חימום הפלדה לטמפרטורה המבטיחה את דרגת האוסטניטיזציה המתאימה, חימום החומר בטמפרטורה זו ולאחר מכן קירורו באוויר דומם. שיטת הקירור היא אחד ההבדלים הבסיסיים בין נרמול לחישול מלא. קירור אוויר מהיר יותר מקירור בתנור, דבר המשפיע על גודל הגרעינים ועל המיקרו-מבנה המתקבל.
נרמול משמש בעיקר עבור פלדות לא סגסוגת ודלות סגסוגת. ניתן לבצע אותו כטיפול חום סופי של רכיב או כתהליך ביניים לפני פעולות נוספות כגון הקשייה, טיפול בחום או עיבוד שבבי.

מהי נרמול פלדה?

במהלך הנורמליזציה, הפלדה מחוממת לטווח האוסטניט המתאים להרכבה הכימי. במהלך תהליך החימום מתרחשות טרנספורמציות המובילות להיווצרות אוסטניט ולהומוגניזציה של המבנה. לאחר מכן, הרכיב מוסר מהתנור ומקורר באוויר.
במהלך הקירור, אוסטניט עובר טרנספורמציות המובילות - בהתאם להרכב הפלדה ולקצב הקירור - בעיקר להיווצרות מבנים פריטיים-פרליטיים או פרליטיים. בפלדות סגסוגת, תהליך הטרנספורמציה יכול להיות מורכב יותר, שכן יסודות הסגסוגת משפיעים על יכולת ההתקשות ועל הקינטיקה של טרנספורמציות פאזה.
נרמול שימושי במיוחד לאחר תהליכים שעשויים לגרום למבנה לא הומוגני או גס גרגירים, כגון חישול, גלגול חם או יציקה.

מטרת נרמול פלדה

נרמול יכול לשרת מספר מטרות טכנולוגיות. המטרה המדויקת של התהליך תלויה בדרגת הפלדה, במצב החומר ובשימוש המיועד לו.
המטרות החשובות ביותר של סטנדרטיזציה כוללות:

• עידון גרגרים – אוסטניטיזציה שבוצעה כראוי וקירור לאחר מכן מאפשרים קבלת מבנה בעל גרגירים עדינים יותר,
• הומוגניזציה של המיקרו-מבנה – במיוחד לאחר חישול, גלגול, יציקה ותהליכים אחרים בטמפרטורה גבוהה,
• שיפור תכונות מכניות – נרמול יכול להגביר את החוזק והקשיות בהשוואה למצב מחושל לחלוטין, תוך שמירה על משיכות וחוזק פגיעות שימושיים,
• הגבלת ההשפעות השליליות של טיפול קודם – כולל אי-הומוגניות מבניות וצמיחת גרגרים מוגזמת,
• הכנת פלדה לטיפול בחום נוסף – למשל התקשות או שיפור תרמי,
• הכנת חומר לעיבוד שבבי – בחלק מהפלדות, המבנה המתאים לאחר הנורמליזציה יכול לשפר את התנאים לעיבוד נוסף,
• השגת תכונות אחידות יותר בחתך הרוחב של האלמנט – חשוב במיוחד במקרה של חישולים, יציקות ומוצרים מוגמרים למחצה לאחר עיבוד חם.

גורמים המשפיעים על השפעת נרמול פלדה

התכונות הסופיות של פלדה לאחר הנורמליזציה תלויות בכל מחזור הטיפול בחום. אפילו באותה טמפרטורה, שתי סוגי פלדה יכולות לפתח מיקרו-מבנים ותכונות שונים לאחר קירור באוויר.

נרמול טמפרטורת הפלדה

טמפרטורת הנורמליזציה אינה קבועה אחת עבור כל סוגי הפלדה. היא נבחרת על סמך ההרכב הכימי של החומר והטמפרטורות הקריטיות הקשורות לשינויי פאזה.
עבור פלדות היפו-אוטקטואידיות, כלומר פלדות המכילות פחות פחמן מההרכב האאוטקטואידי, הנורמליזציה מתבצעת בדרך כלל מעל הטמפרטורה הקריטית. Ac3בפועל, טמפרטורת התהליך בדרך כלל גבוהה מספיק מטמפרטורת Ac3 כדי להבטיח אוסטניטיזציה תקינה של החומר.
במקרה של פלדות היפר-אוטקטואידיות, כללי בחירת הטמפרטורה מחייבים התחשבות בקו acm והמיקרו-מבנה הצפוי. לכן, ציון טווח טמפרטורות יחיד, למשל, 800-950 מעלות צלזיוס, עבור כל הפלדות הוא רק פישוט גמור.
יש לקבוע את טמפרטורת הנורמל בפועל עבור דרגת פלדה ספציפית על סמך מאפייני החומר שלה, התקן הרלוונטי, התיעוד הטכנולוגי או המלצות היצרן.

נרמול פלדה - זרימת התהליך

ניתן לחלק את תהליך הנורמליזציה לשלושה שלבים בסיסיים: חימום, חישול וקירור.

1. חימום

הרכיב מחומם לטמפרטורת הנורמליזציה המתאימה לדרגת הפלדה הנתונה. קצב החימום צריך לקחת בחשבון את גודל הרכיב, הגיאומטריה, עובי החתך והמוליכות התרמית של החומר. עבור חלקים גדולים או מורכבים, חימום מהיר מדי עלול לגרום לשינויי טמפרטורה משמעותיים ולמאמצים תרמיים נלווים.

2. חימום

לאחר שמושגת הטמפרטורה הנדרשת, החומר מחומם למשך זמן מספיק כדי לאפשר לטמפרטורה להתאזן לאורך כל החתך ולאפשר את השינויים המבניים הנדרשים. זמן החימום תלוי במידות הרכיב, במסה, בדרגת הפלדה, בשיטת החימום ובסוג התנור.
אין לראות בקשר הפשוט בין זמן למילימטרים של עובי כלל אוניברסלי עבור כל הרכיבים. בטכנולוגיה תעשייתית, יש להגדיר פרמטרים עבור חומרים וחלקים ספציפיים.

3. קירור אוויר

לאחר החישול, הרכיב מקורר באוויר. הקירור מהיר יותר מאשר במהלך חישול מלא טיפוסי, שבו החומר מתקרר לאט יחד עם התנור. הבדל זה בקצב הקירור משפיע על טרנספורמציה של האוסטניט ועל המיקרו-מבנה הסופי של החומר.
גם תנאי הקירור משחקים תפקיד. גודל הרכיב, טמפרטורת הסביבה, תנועת האוויר וכיוון הרכיבים - כולם יכולים להשפיע על קצב פיזור החום בפועל.

מיקרו-מבנה של פלדה לאחר נרמול

אחת ההשפעות החשובות ביותר של הנורמליזציה היא שינוי המיקרו-מבנה של הפלדה. בפלדות היפואוטקטואידיות טיפוסיות, תהליך המבוצע כראוי מייצר מבנה המכיל פריט ופרליט. ככל שתכולת הפחמן עולה, תכולת הפרליט עולה.
בהשוואה לקירור איטי במהלך חישול מלא, המבנה המתקבל במהלך הנורמליזציה הוא בדרך כלל עדין יותר. מבנה פרליטי עדין יותר וגודל גרגירים מתאים יכולים להוביל לעלייה בחוזק ובקשיות של החומר.
עם זאת, המיקרו-מבנה הסופי תלוי לא רק בטמפרטורת הנורמליזציה, אלא גם ב:

• תכולת פחמן,
• סוג ותכולת יסודות הסגסוגת,
• גודל גרגירי אוסטניט,
• זמן חימום,
• מידות האלמנט,
• קצבי קירור,
• מיקרו-מבנה של החומר לפני נרמול.

השפעת הנורמליזציה על התכונות המכניות של פלדה

נרמול יכול להשפיע באופן משמעותי על התכונות המכניות של פלדה, אך גודל השינויים הללו תלוי בהרכבה ובמצבה ההתחלתי. אין להתייחס לתהליך כשיטה אוניברסלית המייצרת תוצאות זהות בכל הדרגות.

חוזק מתיחה

המיקרו-מבנה העדין יותר שמושג לאחר הנורמליזציה יכול להוביל לעלייה בחוזק המתיחה בהשוואה לפלדה שעברה חישול מלא. ההשפעה תלויה, בין היתר, בתכולת הפחמן וביסודות הסגסוגת.

נקודת כניעה

שינויים במיקרו-מבנה ועידון גרגירים יכולים גם הם להשפיע על חוזק הכניעה. תכונה זו חשובה במיוחד עבור פלדות מבניות המיועדות לרכיבים נושאי עומס.

קַשִׁיוּת

פלדה מנורמלת בדרך כלל קשה יותר מפלדה מחושלת לחלוטין מכיוון שקירור מהיר יותר מקדם פיתוח של מבנה עדין יותר. עם זאת, נרמול אינו משיג את הקשיות האופיינית לפלדה מרטנזיטית מחושלת כראוי.

חוזק פגיעה וגמישות

עידון גרגירים והומוגניזציה מבנית יכולים להשפיע באופן חיובי על חוזק הפגיעה והתנהגות החומר תחת עומס. עם זאת, לא ניתן לקבוע את ההשפעה הספציפית מבלי להתחשב בדרגת הפלדה ובפרמטרי התהליך.

יכולת עיבוד שבבי

ההשפעה של נרמול על יכולת העיבוד אינה זהה עבור כל הפלדות. בפלדות דלות פחמן, עלייה מסוימת בקשיות יכולה לשפר את היווצרות השבב ולהפחית גמישות יתר של החומר. במקרים אחרים, חישול רך או חישול ספרואידיזציה לפני העיבוד עשויים להיות מועילים יותר.

נרמול לעומת חישול

נרמול וחישול הם תהליכים הכוללים חימום וקירור מבוקר של פלדה, אך הם נבדלים בעיקר בתנאי הקירור ובמיקרו-מבנה המתקבל.
לאחר נרמול, פלדה מקוררת בדרך כלל באוויר, בעוד שבמהלך חישול מלא, הקירור איטי בהרבה ומתרחש בדרך כלל בשילוב עם התנור. כתוצאה מכך, לפלדה מנורמלת יש בדרך כלל מבנה עדין יותר וקשיות וחוזק גבוהים יותר מאשר לחומר המקביל שעבר חישול מלא.
אם המטרה העיקרית היא להפחית את המאמצים השיוריים מבלי לשנות באופן מהותי את מבנה החומר, חישול להפגת מתחים.

נרמול והתקשות

התקשות פלדה זה שונה מנורמליזציה בעיקר בקצב הקירור ובאפקט המבני הרצוי. במהלך ההתקשות, המטרה היא לקרר את האוסטניט כדי לקבל מבנה בעל קשיות גבוהה, לרוב עם תכולת מרטנזיט משמעותית.
נרמול משתמש בקירור אוויר איטי יותר ואינו משמש ליצירת מבנה מרטנזיטי בפלדות פחמן טיפוסיות. עם זאת, זה יכול להיות שלב בהכנת החומר להתקשות או טיפול בחום לאחר מכן.

נרמול לעומת שחרור

לשחרר הוא תהליך המבוצע בדרך כלל לאחר התקשות. מטרתו לשנות את מבנה הפלדה המוקשה ולהשיג את השילוב הנדרש של קשיות, חוזק וגמישות.
נרמול, לעומת זאת, יכול להיות טיפול בחום עצמאי או שלב בהכנת החומר לתהליכים הבאים. לכן, לשני התהליכים יש מטרות טכנולוגיות שונות.

נרמול וחישול להפגת מתחים

נרמול מוביל לאוסטניטיזציה של הפלדה וליצירת מיקרו-מבנה חדש לאחר הקירור. חישול שחרור מתחים, לעומת זאת, מתבצע בטמפרטורה נמוכה יותר ונועד בעיקר להפחית מתחים שיוריים תוך מזעור ההשפעה על המיקרו-מבנה הבסיסי והתכונות של החומר.

נרמול ושיטות אחרות לטיפול בחום של פלדה

נרמול, חישול, התקשות וטיפוח נבדלים זה מזה בטמפרטורת התהליך, בשיטת הקירור ובאפקט הרצוי. הטבלה שלהלן מסכמת את ההבדלים העיקריים בין תהליכים אלה.

נורמליזציה של דרגות פלדה שונות

פלדות מבניות לא סגסוגת

נרמול נמצא בשימוש נרחב עבור פלדות מבניות לא סגסוגת. ניתן להשתמש בתהליך לאחר גלגול, חישול או יציקה כדי לעדן ולהוסיף הומוגניזציה למבנה ולהשיג את התכונות המכניות הנדרשות.

פלדות פחמן

בפלדות פחמן, אפקט הנורמליזציה קשור קשר הדוק לתכולת הפחמן. ככל שתכולת הפחמן עולה, תכולת הפרליט עולה, והקשיות, החוזק והגמישות של החומר משתנים. קבוצת הפלדות עם תכולת פחמן מוגברת כוללת את פלדות הקפיץ C55S, C67S, C75S, C85S ו-C100S.

פלדות סגסוגת נמוכה

במקרה של פלדות בעלות סגסוגת נמוכה, יש לקחת בחשבון את השפעת כרום, מוליבדן, ניקל, מנגן ויסודות אחרים על הטרנספורמציות המתרחשות במהלך הקירור. הקשיות המוגברת של חלק מהדרגות פירושה שהתנהגות הפלדה במהלך קירור אוויר יכולה להיות שונה באופן משמעותי מזו של פלדת פחמן רגילה.

פלדות סגסוגת גבוהה

אין להחיל באופן אוטומטי את מושג הנורמליזציה על כל הפלדות בעלות הסגסוגת הגבוהה. עבור פלדות אל חלד, פלדות עמידות בחום, פלדות כלים ופלדות מיוחדות אחרות, מוחלים טיפולי חום המתאימים לקבוצה ולדרגה הספציפית. הפרמטרים צריכים להתבסס תמיד על המיקרו-מבנה ותכונות החומר הנדרשות.

נרמול חישולים

נרמול חשוב במיוחד בייצור חלקים מזויפים. במהלך הזיוף, פלדה נתונה לטמפרטורות גבוהות ועיוות פלסטי משמעותי, והמבנה המתקבל עלול להיות לא אחיד.
נרמול שנבחר כהלכה משפר את מבנה הגרעין ומאחד את המיקרו-מבנה של החומר. בהתאם לסוג החומר, זה יכול להיות השלב הסופי של טיפול בחום או כהכנה להתקשות וריפוי.

נרמול יציקות פלדה

ביציקות פלדה, ניתן להשתמש בנורמליזציה כדי לשנות את המבנה שנוצר במהלך התמצקות וקירור. יציקות, במיוחד אלו בעלות חתכים גדולים, יכולות להציג הטרוגניות משמעותית במיקרו-מבנה ובגודל הגרעינים.
נרמול מאפשר מבנה אחיד יותר בדרגות המתאימות ומכין את היציקה לתהליכים טכנולוגיים נוספים.

נרמול לאחר חישול וגלגול

לתנאים במהלך שלב החישול או הגלגול הסופי יש השפעה משמעותית על המיקרו-מבנה של המוצר המוגמר למחצה. אם הטמפרטורה הייתה גבוהה או שהחומר התקרר באופן בלתי מבוקר, עלול להתרחש צמיחת גרגירים מוגזמת או חוסר הומוגניות מבנית.
נרמול יכול במקרים כאלה לשמש כטיפול הכנה, המוביל למבנה צפוי יותר לפני טיפול תרמי או מכני נוסף.

יישום נורמליזציה של פלדה

נרמול משמש בעיקר במקרים בהם יש צורך להומוגניזציה של המיקרו-מבנה, לעדן את הגרעין או להכין את החומר לשלבי הייצור הבאים.
יישומים אופייניים כוללים:

• חישולים ואלמנטים מזויפים,
• יציקות פלדה,
• צירים וסרנים,
• אלמנטים של מכונות ומכשירים,
• חלקים מבניים,
• מוצרים מוגמרים למחצה לאחר גלגול חם,
• אלמנטים שהוכנו להתקשות וליישון,
• חלקים שעברו עיבוד שבבי נוסף.

יתרונות של נרמול פלדה

• אפשרות של ריסוק תבואה,
• הומוגניזציה של המיקרו-מבנה,
• שיפור תכונות מכניות נבחרות,
• היכולת להכין את החומר לתהליכי טיפול בחום נוספים,
• שיטה פשוטה יחסית לקירור אוויר,
• ניתן להשתמש לאחר חישול, גלגול ויציקה,
• השגת קשיות וחוזק גבוהים יותר מאשר לאחר חישול מלא טיפוסי בפלדות פחמן רבות.

חסרונות ומגבלות של נורמליזציה

• התהליך אינו מתאים לכל סוג של פלדה,
• קירור אוויר עלול לגרום להבדלים בקצבי הקירור באלמנטים בעלי חתכים גדולים או משתנים,
• דפורמציה של אלמנטים בעלי גיאומטריה מורכבת אפשרית,
• נרמול אינו מספק את הקשיות האופיינית להתקשות,
• אינו תהליך שנועד בעיקר להסרה מקסימלית של מתחים שיוריים,
• בפלדות עם יכולת הקשייה מוגברת, קירור באוויר עשוי להוביל למבנים שונים מאשר בפלדות פחמן טיפוסיות,
• טמפרטורה לא נכונה עלולה להוביל לגדילת גרגירים מוגזמת ולהידרדרות תכונות החומר.

במה תלוי אפקט הנורמליזציה הנכון?

יעילות הנורמליזציה תלויה בבחירה נכונה של כל המחזור הטכנולוגי, ולא רק בטמפרטורה המקסימלית. יש להתחשב בדרגת הפלדה, בהרכבה הכימי, במבנה ההתחלתי, במידות הרכיבים ובגיאומטריה שלהם, בקצב החימום, בטמפרטורת וזמן האוסטניטיזציה ובתנאי הקירור בפועל.
חשוב במיוחד להימנע מטמפרטורות גבוהות מדי או זמני השרייה ארוכים מדי, שכן אלה עלולים להוביל לצמיחת גרגירי אוסטניט. לעומת זאת, טמפרטורות לא מספקות או זמני השרייה קצרים מדי עלולים למנוע את השגת האחידות המבנית הנדרשת.
נרמול פלדה הוא תהליך טיפול בחום הכולל חימום החומר לטווח טמפרטורות אוסטניטיזציה מתאים, חישול ולאחר מכן קירור באוויר. התהליך משמש בעיקר לעידון הגרעין, להומוגניזציה של המיקרו-מבנה ולהשגת תכונות המתאימות לעיבוד או שימוש נוספים.
בהשוואה לחישול מלא, נרמול משתמש בקירור מהיר יותר, ולכן הוא מוביל למבנה עדין יותר ולקשיות וחוזק גדולים יותר בפלדות פחמן רבות. עם זאת, הוא אינו תחליף לחישול הקשייה, הרפיה או הפגת מתחים - כל אחד מתהליכים אלה שואף למטרה טכנולוגית שונה.

שיטות טיפול תרמי ותרמוכימי של פלדה

ריכוך הוא רק קבוצה אחת של תהליכים המשמשים לשינוי המיקרו-מבנה והתכונות של פלדה. בהתאם לאפקט הרצוי, נעשה שימוש גם בתהליכים של נרמול, הפגת מתחים, התקשות, הרפיה ותהליכים תרמוכימיים כמו קרבוריזציה וניטרידינג.

שיטות טיפול בחום של פלדה

• נרמול פלדה – עידון גרגירים ואיחוד מיקרו-מבנה.
• חישול להפגת מתחים – הפחתת מתחים שיוריים.
• ריכוך פלדה – הפחתת קשיות ושיפור הרגישות לעיבוד נוסף.
• חישול מלא – אוסטניטיזציה וקירור איטי.
• חישול איזותרמי – טרנספורמציה מתבצעת תוך החזקה בטמפרטורה שנבחרה כראוי.
• חישול כדורי - ספירואידיזציה – שינוי במורפולוגיה של צמנטיט או קרבידים אחרים.
• חישול התגבשות מחדש – הסרת השפעות הריסוק ושיקום הפלסטיות.
• חישול הומוגני – צמצום הפרדה והומוגניזציה של הרכב החומרים.
• התקשות וטיפול בחום – עיצוב המיקרו-מבנה והתכונות על ידי התקשות וריפוי.
• פלדת הרפיה – שינוי מבוקר של תכונות פלדה לאחר התקשות.
• הקשחת אינדוקציה – חימום אינדוקציה משטחי וקירור מהיר.
• התקשות להבה – התקשות פני השטח לאחר חימום מקומי בלהבה.
• רוויה יתר – קבלת תמיסה מוצקה רוויה יתר על המידה באמצעות מחזור תרמי מתאים.
• הְזדַקְנוּת – הפרדת פאזות מבוקרת המובילה לחיזוק החומר.

שיטות טיפול תרמוכימי בפלדה

• ניטרידציה של פלדה – העשרה דיפוזיה של שכבת פני השטח בחנקן.
• פלדת קרבוריזציה – העשרה דיפוזיה של פני השטח בפחמן.
• קרבוניטרידינג – העשרה סימולטנית של שכבת פני השטח בפחמן וחנקן.
• ניטרוקרבוריזציה / ניטרוקרבוריזציה – העשרת השכבה בעיקר בחנקן ופחמן.
• הִתעַמְלוּת – רוויה דיפוזיה של פני השטח עם בורון.
• ציפוי כרום דיפוזיה – העשרת דיפוזיה של השכבה בכרום.
• אלומיניזציה דיפוזיה – העשרת דיפוזיה של השכבה באלומיניום.