Plieno normalizavimas – procesas, temperatūra, mikrostruktūra ir taikymas

Plieno normalizavimas yra vienas iš pagrindinių procesų plieno terminis apdorojimasPagrindinis jo tikslas – pasiekti vienodesnę ir smulkiagrūdę mikrostruktūrą, sumažinti ankstesnių technologinių procesų poveikį ir paruošti medžiagą tolesniam terminiam arba mechaniniam apdorojimui. Normalizavimas gali turėti įtakos plieno stiprumui, kietumui, smūginiam stiprumui, tąsumui ir apdirbamumui, tačiau šių pokyčių mastas pirmiausia priklauso nuo anglies kiekio, legiruojančių elementų ir pradinės medžiagos struktūros.
Procesas apima plieno kaitinimą iki temperatūros, užtikrinančios tinkamą austenitizacijos laipsnį, medžiagos kaitinimą toje temperatūroje ir aušinimą nejudančiame ore. Aušinimo metodas yra vienas iš esminių skirtumų tarp normalizavimo ir visiško atkaitinimo. Oro aušinimas yra greitesnis nei krosnies aušinimas, o tai turi įtakos grūdelių dydžiui ir susidarančiai mikrostruktūrai.
Normalizavimas daugiausia naudojamas nelegiruotiems ir mažai legiruotiems plienams. Jis gali būti atliekamas kaip galutinis komponento terminis apdorojimas arba kaip tarpinis procesas prieš tolesnes operacijas, tokias kaip grūdinimas, terminis apdorojimas ar mechaninis apdirbimas.

Kas yra plieno normalizavimas?

Normalizavimo metu plienas kaitinamas iki austenitinio diapazono, tinkamo jo cheminei sudėčiai. Kaitinimo proceso metu vyksta transformacijos, dėl kurių susidaro austenitas ir homogenizuojasi struktūra. Tada komponentas išimamas iš krosnies ir aušinamas ore.
Aušinimo metu austenitas patiria transformacijas, kurios – priklausomai nuo plieno sudėties ir aušinimo greičio – pirmiausia lemia feritinių-perlitinių arba perlitinių struktūrų susidarymą. Legiruotųjų plienų atveju transformacijos procesas gali būti sudėtingesnis, nes legiruojantys elementai turi įtakos grūdinamumui ir fazinių virsmų kinetikai.
Normalizavimas yra ypač naudingas po procesų, kurių metu gali susidaryti nevienalytė arba šiurkščiagrūdė struktūra, pavyzdžiui, kalimo, karšto valcavimo ar liejimo.

Plieno normalizavimo tikslas

Normalizavimas gali atlikti kelis technologinius veiksmus. Tikslus proceso tikslas priklauso nuo plieno rūšies, medžiagos būklės ir numatyto naudojimo.
Svarbiausi standartizacijos tikslai yra šie:

• grūdų rafinavimas – tinkamai atliktas austenitizavimas ir vėlesnis aušinimas leidžia gauti smulkesnes grūdėtas struktūras,
• mikrostruktūros homogenizavimas – ypač po kalimo, valcavimo, liejimo ir kitų aukštos temperatūros procesų,
• mechaninių savybių gerinimas – normalizavimas gali padidinti stiprumą ir kietumą, palyginti su visiškai atkaitinta būsena, išlaikant naudingą tąsumą ir smūginį stiprumą,
• apriboti ankstesnio gydymo neigiamą poveikį – įskaitant struktūrinius nehomogeniškumus ir per didelį grūdelių augimą,
• plieno paruošimas tolesniam terminiam apdorojimui – pvz., grūdinimas arba terminis pagerinimas,
• medžiagos paruošimas apdirbimui – kai kurių plienų atveju tinkama struktūra po normalizavimo gali pagerinti tolesnio apdorojimo sąlygas,
• vienodesnių savybių gavimas elemento skerspjūvyje – ypač svarbu kaltiniams, liejiniams ir pusgaminiams po karštojo apdorojimo.

Plieno normalizavimo poveikį įtakojantys veiksniai

Galutinės plieno savybės po normalizavimo priklauso nuo viso terminio apdorojimo ciklo. Net ir esant tai pačiai temperatūrai, dviejų rūšių plienas, aušinamas oru, gali įgyti skirtingas mikrostruktūras ir savybes.

Plieno normalizavimo temperatūra

Normalizavimo temperatūra nėra viena konstanta visoms plieno rūšims. Ji parenkama atsižvelgiant į medžiagos cheminę sudėtį ir kritines temperatūras, susijusias su faziniais virsmais.
Hipoeutektoidiniams plienams, t. y. plienams, kuriuose yra mažiau anglies nei eutektoidinėje sudėtyje, normalizavimas paprastai atliekamas aukštesnėje nei kritinėje temperatūroje. Ac3Praktiškai proceso temperatūra paprastai yra pakankamai aukštesnė nei Ac3, kad būtų užtikrintas tinkamas medžiagos austenitizavimas.
Hipereutektoidinių plienų atveju temperatūros parinkimo taisyklės reikalauja atsižvelgti į liniją Acm ir numatomą mikrostruktūrą. Todėl vieno diapazono, pvz., 800–950 °C, nurodymas visiems plienams yra tik didelis supaprastinimas.
Faktinė normalizavimo temperatūra turėtų būti nustatyta konkrečiai plieno rūšiai, remiantis jos medžiagos savybėmis, atitinkamu standartu, technologine dokumentacija arba gamintojo rekomendacijomis.

Plieno normalizavimas – proceso eiga

Normalizavimo procesą galima suskirstyti į tris pagrindinius etapus: kaitinimą, atkaitinimą ir aušinimą.

1. Šildymas

Komponentas kaitinamas iki normalizavimo temperatūros, tinkamos tam tikrai plieno rūšiai. Kaitinimo greitis turėtų būti nustatomas atsižvelgiant į komponento dydį, geometriją, skerspjūvio storį ir medžiagos šilumos laidumą. Didelėms arba sudėtingoms detalėms per greitas kaitinimas gali sukelti didelius temperatūros gradientus ir susijusius šiluminius įtempius.

2. Šildymas

Kai pasiekiama reikiama temperatūra, medžiaga kaitinama tiek laiko, kad temperatūra išsilygintų visame skerspjūvyje ir įvyktų reikiami struktūriniai pokyčiai. Kaitinimo laikas priklauso nuo komponento matmenų, masės, plieno rūšies, kaitinimo būdo ir krosnies tipo.
Paprastas laiko ir storio milimetrų santykis neturėtų būti laikomas universalia taisykle visiems komponentams. Pramoninėse technologijose parametrai turėtų būti apibrėžti konkrečioms medžiagoms ir dalims.

3. Oro aušinimas

Po atkaitinimo komponentas aušinamas oru. Aušinimas yra greitesnis nei įprasto visiško atkaitinimo metu, kai medžiaga lėtai vėsta kartu su krosnimi. Šis aušinimo greičio skirtumas turi įtakos austenito transformacijai ir galutinei medžiagos mikrostruktūrai.
Aušinimo sąlygos taip pat vaidina svarbų vaidmenį. Komponento dydis, aplinkos temperatūra, oro judėjimas ir komponento orientacija gali turėti įtakos faktiniam šilumos išsklaidymo greičiui.

Plieno mikrostruktūra po normalizavimo

Vienas svarbiausių normalizavimo padarinių yra plieno mikrostruktūros modifikavimas. Tipiniuose hipoeutektoidiniuose plienuose tinkamai atliktas procesas sukuria struktūrą, kurioje yra ferito ir perlito. Didėjant anglies kiekiui, didėja ir perlito kiekis.
Palyginti su lėtu aušinimu visiško atkaitinimo metu, normalizavimo metu gauta struktūra paprastai yra smulkesnė. Smulkesnė perlitinė struktūra ir tinkamas grūdelių dydis gali padidinti medžiagos stiprumą ir kietumą.
Tačiau galutinė mikrostruktūra priklauso ne tik nuo normalizavimo temperatūros, bet ir nuo:

• anglies kiekis,
• legiruojančių elementų tipas ir sudėtis,
• austenito grūdelių dydis,
• šildymo laikas,
• elemento matmenys,
• aušinimo greičiai,
• medžiagos mikrostruktūra prieš normalizavimą.

Normalizavimo įtaka plieno mechaninėms savybėms

Normalizavimas gali reikšmingai paveikti plieno mechanines savybes, tačiau šių pokyčių dydis priklauso nuo jo sudėties ir pradinės būklės. Šis procesas neturėtų būti laikomas universaliu metodu, kuris duoda vienodus rezultatus visose rūšyse.

Tempimo stiprumas

Smulkesnė mikrostruktūra, pasiekta po normalizavimo, gali padidinti tempiamąjį stiprumą, palyginti su visiškai atkaitintu plienu. Poveikis, be kitų veiksnių, priklauso nuo anglies kiekio ir legiruojančių elementų.

Taškas

Mikrostruktūros pokyčiai ir grūdelių smulkinimas taip pat gali turėti įtakos takumo stipriui. Ši savybė ypač svarbi konstrukciniams plienams, skirtiems laikantiems elementams.

Kietumas

Normalizuotas plienas paprastai yra kietesnis nei visiškai atkaitintas plienas, nes greitesnis aušinimas skatina smulkesnės struktūros vystymąsi. Tačiau normalizavimas nepasiekia tinkamai sukietinto martensitinio plieno kietumo.

Smūgio stiprumas ir plastiškumas

Grūdelių smulkinimas ir struktūrinis homogenizavimas gali teigiamai paveikti smūgio stiprumą ir medžiagos elgseną apkrovos metu. Tačiau konkretaus poveikio negalima nustatyti neatsižvelgiant į plieno rūšį ir proceso parametrus.

Apdirbamumas

Normalizavimo poveikis apdirbamumui nėra vienodas visiems plienams. Mažai anglies turintiems plienams šiek tiek padidinus kietumą, galima pagerinti drožlių susidarymą ir sumažinti per didelį medžiagos tąsumą. Kitais atvejais prieš apdirbimą gali būti naudingesnis minkštasis arba sferoidinis atkaitinimas.

Normalizavimas ir atkaitinimas

Normalizavimas ir atkaitinimas yra procesai, apimantys plieno kaitinimą ir kontroliuojamą aušinimą, tačiau jie pirmiausia skiriasi aušinimo sąlygomis ir susidarančia mikrostruktūra.
Po normalizavimo plienas paprastai aušinamas ore, o visiškai atkaitinant aušinimas yra daug lėtesnis ir dažniausiai vyksta kartu su krosnimi. Dėl to normalizuotas plienas paprastai turi smulkesnę struktūrą, didesnį kietumą ir stiprumą nei atitinkama visiškai atkaitinta medžiaga.
Jei pagrindinis tikslas yra sumažinti liekamuosius įtempius iš esmės nekeičiant medžiagos struktūros, įtempių mažinimo atkaitinimas.

Normalizavimas ir grūdinimas

Plieno grūdinimas Jis skiriasi nuo normalizavimo pirmiausia aušinimo greičiu ir norimu struktūriniu efektu. Grūdinimo metu siekiama atvėsinti austenitą, kad būtų gauta didelio kietumo struktūra, dažniausiai su dideliu martensito kiekiu.
Normalizavimas naudoja lėtesnį aušinimą oru ir nenaudojamas martensitinei struktūrai sukurti tipiškuose angliniuose plienuose. Tačiau tai gali būti žingsnis ruošiant medžiagą vėlesniam grūdinimui arba terminiam apdorojimui.

Normalizavimas ir paleidimas

Paleidimas yra procesas, paprastai atliekamas po grūdinimo. Jo tikslas – modifikuoti grūdinto plieno struktūrą ir pasiekti reikiamą kietumo, stiprumo ir tąsumo derinį.
Kita vertus, normalizavimas gali būti atskiras terminis apdorojimas arba žingsnis, kuriuo medžiaga paruošiama tolesniems procesams. Todėl abu procesai turi skirtingus technologinius tikslus.

Normalizuojantis ir įtempių mažinimo atkaitinimas

Normalizavimas veda prie plieno austenitizacijos ir vėlesnio naujos mikrostruktūros susidarymo atvėsus. Kita vertus, įtempių mažinimo atkaitinimas atliekamas žemesnėje temperatūroje ir pirmiausia skirtas sumažinti liekamuosius įtempius, kartu sumažinant poveikį pagrindinei medžiagos mikrostruktūrai ir savybėms.

Plieno normalizavimas ir kiti terminio apdorojimo metodai

Normalizavimas, atkaitinimas, grūdinimas ir atleidimas skiriasi proceso temperatūra, aušinimo metodu ir norimu efektu. Žemiau esančioje lentelėje apibendrinti pagrindiniai šių procesų skirtumai.

Įvairių plieno rūšių normalizavimas

Nelegiruoti konstrukciniai plienai

Normalizavimas plačiai naudojamas nelegiruotiems konstrukciniams plienams. Šis procesas gali būti naudojamas po valcavimo, kalimo arba liejimo, siekiant rafinuoti ir homogenizuoti struktūrą bei pasiekti reikiamas mechanines savybes.

Angliniai plienai

Angliniuose plienuose normalizavimo efektas yra stipriai susijęs su anglies kiekiu. Didėjant anglies kiekiui, didėja perlito kiekis, keičiasi medžiagos kietumas, stiprumas ir tąsumas. Plienų su padidintu anglies kiekiu grupei priklauso C55S, C67S, C75S, C85S ir C100S spyruokliniai plienai.

Mažai legiruoti plienai

Mažai legiruotų plienų atveju reikia atsižvelgti į chromo, molibdeno, nikelio, mangano ir kitų elementų įtaką aušinimo metu vykstantiems virsmams. Padidėjęs kai kurių rūšių grūdinamumas reiškia, kad plieno elgsena aušinimo oru metu gali labai skirtis nuo įprasto anglinio plieno.

Daug legiruotų plienų

Normalizavimo koncepcijos nereikėtų automatiškai taikyti visiems legiruotiems plienams. Nerūdijančiam plienui, karščiui atspariam plienui, įrankiniam plienui ir kitam specialiajam plienui taikomi konkrečiai grupei ir rūšiai tinkami terminio apdorojimo būdai. Parametrai visada turėtų būti pagrįsti reikiama mikrostruktūra ir medžiagos savybėmis.

Kaltinių normalizavimas

Normalizavimas yra ypač svarbus gaminant kaltinius gaminius. Kalimo metu plienas yra veikiamas aukštos temperatūros ir didelės plastinės deformacijos, todėl gauta struktūra gali būti nevienalytė.
Tinkamai parinktas normalizavimas suvienodina kaltinio gaminio grūdelius ir mikrostruktūrą. Priklausomai nuo medžiagos tipo, tai gali būti galutinis terminio apdorojimo etapas arba paruošimas grūdinimui ir atleidimui.

Plieno liejinių normalizavimas

Plieno liejiniuose normalizavimas gali būti naudojamas norint modifikuoti kietėjimo ir aušinimo metu susidariusią struktūrą. Liejiniai, ypač didelio skerspjūvio, gali pasižymėti dideliu mikrostruktūriniu ir grūdelių dydžio heterogeniškumu.
Normalizavimas leidžia gauti vienodesnę struktūrą atitinkamose rūšyse ir paruošia liejinį tolesniems technologiniams procesams.

Normalizavimas po kalimo ir valcavimo

Galutinio kalimo arba valcavimo etapo sąlygos daro didelę įtaką pusgaminio mikrostruktūrai. Jei temperatūra buvo aukšta arba medžiaga buvo nekontroliuojamai aušinama, gali per daug išaugti grūdeliai arba atsirasti struktūrinis nehomogeniškumas.
Normalizavimas tokiais atvejais gali būti naudojamas kaip parengiamasis apdorojimas, leidžiantis sukurti labiau nuspėjamą struktūrą prieš tolesnį terminį ar mechaninį apdorojimą.

Plieno normalizavimo taikymas

Normalizavimas pirmiausia naudojamas tais atvejais, kai reikia homogenizuoti mikrostruktūrą, susmulkinti grūdus arba paruošti medžiagą vėlesniems gamybos etapams.
Tipinės taikymo sritys:

• kaltiniai dirbiniai ir kaltiniai elementai,
• plieno liejiniai,
• velenai ir ašys,
• mašinų ir įrenginių elementai,
• konstrukcinės dalys,
• pusgaminiai po karšto valcavimo,
• grūdinimui ir atleidimui paruošti elementai,
• detalės, kurios toliau apdirbamos.

Plieno normalizavimo privalumai

• grūdų smulkinimo galimybė,
• mikrostruktūros homogenizavimas,
• pasirinktų mechaninių savybių gerinimas,
• gebėjimas paruošti medžiagą vėlesniems terminio apdorojimo procesams,
• gana paprastas oro aušinimo būdas,
• galima naudoti po kalimo, valcavimo ir liejimo,
• įgyjant didesnį kietumą ir stiprumą nei po įprasto visiško atkaitinimo daugelyje anglinių plienų.

Normalizavimo trūkumai ir apribojimai

• procesas netinka visų rūšių plienui,
• Oro aušinimas gali sukelti aušinimo greičio skirtumus elementuose su dideliais arba kintamais skerspjūviais,
• galima sudėtingos geometrijos elementų deformacija,
• normalizavimas nesuteikia grūdinimui būdingo kietumo,
• nėra procesas, skirtas pirmiausia maksimaliam liekamųjų įtempių pašalinimui,
• Padidinto kietėjimo plienuose aušinimas ore gali lemti kitokias struktūras nei tipiniuose angliniuose plienuose,
• Neteisinga temperatūra gali sukelti per didelį grūdelių augimą ir medžiagos savybių pablogėjimą.

Nuo ko priklauso teisingas normalizavimo efektas?

Normalizavimo efektyvumas priklauso nuo teisingo viso technologinio ciklo parinkimo, o ne tik nuo maksimalios temperatūros. Reikia atsižvelgti į plieno rūšį, jo cheminę sudėtį, pradinę struktūrą, komponentų matmenis ir geometriją, kaitinimo greitį, austenitizavimo temperatūrą ir laiką bei faktines aušinimo sąlygas.
Ypač svarbu vengti pernelyg aukštos temperatūros arba pernelyg ilgo mirkymo laiko, nes tai gali sukelti austenito grūdelių augimą. Priešingai, nepakankama temperatūra arba per trumpas mirkymo laikas gali sutrukdyti pasiekti reikiamą struktūrinį vienodumą.
Plieno normalizavimas yra terminio apdorojimo procesas, kurio metu medžiaga kaitinama iki atitinkamos austenitizacijos temperatūros, atkaitinama ir aušinamas oru. Šis procesas daugiausia naudojamas grūdams smulkinti, mikrostruktūrai homogenizuoti ir savybėms, tinkamoms tolesniam apdorojimui ar naudojimui, gauti.
Palyginti su visišku atkaitinimu, normalizavimas naudoja greitesnį aušinimą, todėl daugeliui anglinių plienų jis suteikia smulkesnę struktūrą, didesnį kietumą ir stiprumą. Tačiau tai nepakeičia grūdinimo, atleidimo ar įtempių mažinimo atkaitinimo – kiekvienas iš šių procesų siekia skirtingo technologinio tikslo.

Plieno terminio ir termocheminio apdorojimo metodai

Minkštinimas yra tik viena iš procesų, naudojamų plieno mikrostruktūrai ir savybėms modifikuoti, grupių. Priklausomai nuo norimo efekto, taip pat naudojamas normalizavimas, įtempių mažinimas, grūdinimas, atleidimas ir termocheminiai procesai, tokie kaip įanglinimas ir azotinimas.

Plieno terminio apdorojimo metodai

• Plieno normalizavimas – grūdelių smulkinimas ir mikrostruktūros suvienodinimas.
• Įtempių mažinimo atkaitinimas – liekamųjų įtempių sumažinimas.
• Plieno minkštėjimas – sumažinti kietumą ir pagerinti jautrumą tolesniam apdorojimui.
• Visiškas atkaitinimas – austenitizavimas ir lėtas aušinimas.
• Izoterminis atkaitinimas – transformacija, atliekama laikant tinkamai parinktoje temperatūroje.
• Rutulio atkaitinimas – sferoidizavimas – cementito ar kitų karbidų morfologijos pakitimas.
• Rekristalizacijos atkaitinimas – gniuždymo padarinių pašalinimas ir plastiškumo atkūrimas.
• Homogenizuojantis atkaitinimas – segregacijos mažinimas ir medžiagų sudėties homogenizavimas.
• Grūdinimas ir terminis apdorojimas – mikrostruktūros ir savybių formavimas grūdinant ir atleidžiant.
• Grūdintas plienas – kontroliuojamas plieno savybių modifikavimas po grūdinimo.
• Indukcinis grūdinimas – paviršinis indukcinis kaitinimas ir greitas aušinimas.
• Liepsnos grūdinimas – paviršiaus sukietėjimas po vietinio kaitinimo liepsna.
• Persotinimas – persotinto kieto tirpalo gavimas tinkamu terminiu ciklu.
• Senėjimas – kontroliuojamas fazių atskyrimas, dėl kurio medžiaga sutvirtėja.

Plieno termocheminio apdorojimo metodai

• Plieno azotinimas – paviršinio sluoksnio difuzinis sodrinimas azotu.
• Karburuojantis plienas – difuzinis paviršių sodrinimas anglimi.
• Karbonitridas – vienalaikis paviršinio sluoksnio praturtinimas anglimi ir azotu.
• Nitrokarbirizacija / nitrokarbirizacija – sluoksnio praturtinimas daugiausia azotu ir anglimi.
• Gręžimas – paviršiaus difuzinis prisotinimas boru.
• Difuzinis chromavimas – sluoksnio difuzinis sodrinimas chromu.
• Difuzinis aliuminizavimas – aliuminio sluoksnio difuzinis sodrinimas.