Tērauda normalizēšana – process, temperatūra, mikrostruktūra un pielietojums

Tērauda normalizēšana ir viens no pamatprocesiem tērauda termiskā apstrādeTās galvenais mērķis ir panākt vienmērīgāku un smalkgraudaināku mikrostruktūru, samazināt iepriekšējo tehnoloģisko procesu ietekmi un sagatavot materiālu turpmākai termiskai vai mehāniskai apstrādei. Normalizēšana var ietekmēt tērauda izturību, cietību, triecienizturību, plastiskumu un apstrādājamību, taču šo izmaiņu apmērs galvenokārt ir atkarīgs no oglekļa satura, leģējošajiem elementiem un materiāla sākotnējās struktūras.
Process ietver tērauda uzkarsēšanu līdz temperatūrai, kas nodrošina atbilstošu austenitizācijas pakāpi, materiāla uzkarsēšanu šajā temperatūrā un pēc tam atdzesēšanu mierīgā gaisā. Dzesēšanas metode ir viena no būtiskajām atšķirībām starp normalizēšanu un pilnīgu atkvēlināšanu. Gaisa dzesēšana ir ātrāka nekā dzesēšana krāsnī, kas ietekmē graudu lielumu un iegūto mikrostruktūru.
Normalizāciju galvenokārt izmanto neleģētiem un mazleģētiem tēraudiem. To var veikt kā detaļas pēdējo termisko apstrādi vai kā starpprocesu pirms turpmākām darbībām, piemēram, rūdīšanas, termiskās apstrādes vai mehāniskās apstrādes.

Kas ir tērauda normalizēšana?

Normalizācijas laikā tērauds tiek uzkarsēts līdz austenīta diapazonam, kas atbilst tā ķīmiskajam sastāvam. Karsēšanas procesā notiek pārvērtības, kas noved pie austenīta veidošanās un struktūras homogenizācijas. Pēc tam detaļu izņem no krāsns un atdzesē gaisā.
Dzesēšanas laikā austenīts piedzīvo pārvērtības, kas atkarībā no tērauda sastāva un dzesēšanas ātruma galvenokārt noved pie ferīta-perlīta vai perlīta struktūru veidošanās. Leģētajos tēraudos pārvērtību process var būt sarežģītāks, jo leģējošie elementi ietekmē sacietējamību un fāžu pārvērtību kinētiku.
Normalizēšana ir īpaši noderīga pēc procesiem, kuru rezultātā var veidoties nehomogēna vai rupji graudaina struktūra, piemēram, kalšanas, karstās velmēšanas vai liešanas.

Tērauda normalizēšanas mērķis

Normalizācija var kalpot vairākiem tehnoloģiskiem mērķiem. Precīzs procesa mērķis ir atkarīgs no tērauda markas, materiāla stāvokļa un paredzētā lietojuma.
Starp svarīgākajiem standartizācijas mērķiem ir:

• graudu rafinēšana – pareizi veikta austenizācija un sekojoša atdzesēšana ļauj iegūt smalkgraudaināku struktūru,
• mikrostruktūras homogenizācija – īpaši pēc kalšanas, velmēšanas, liešanas un citiem augstas temperatūras procesiem,
• mehānisko īpašību uzlabošana – normalizēšana var palielināt izturību un cietību salīdzinājumā ar pilnībā atkvēlinātu stāvokli, vienlaikus saglabājot lietderīgo elastību un triecienizturību,
• ierobežojot iepriekšējās ārstēšanas nelabvēlīgo ietekmi – tostarp strukturālas nehomogenitātes un pārmērīga graudu augšana,
• tērauda sagatavošana tālākai termiskai apstrādei – piemēram, sacietēšana vai termiskā uzlabošana,
• materiāla sagatavošana apstrādei – dažos tēraudos atbilstoša struktūra pēc normalizācijas var uzlabot turpmākās apstrādes apstākļus,
• iegūstot vienmērīgākas īpašības elementa šķērsgriezumā – īpaši svarīgi kalumu, lējumu un pusfabrikātu gadījumā pēc karstās apstrādes.

Faktori, kas ietekmē tērauda normalizēšanas efektu

Tērauda galīgās īpašības pēc normalizācijas ir atkarīgas no visa termiskās apstrādes cikla. Pat vienā temperatūrā divām tērauda kategorijām, atdzesējot gaisu, var veidoties atšķirīga mikrostruktūra un īpašības.

Tērauda normalizācijas temperatūra

Normalizācijas temperatūra nav viena konstante visām tērauda markām. Tā tiek izvēlēta, pamatojoties uz materiāla ķīmisko sastāvu un kritiskajām temperatūrām, kas saistītas ar fāžu pārvērtībām.
Hipoeutektoidiem tēraudiem, t. i., tēraudiem, kuros ir mazāk oglekļa nekā eitektoidālajā sastāvā, normalizēšanu parasti veic virs kritiskās temperatūras. Ac3Praksē procesa temperatūra parasti ir pietiekami augstāka par Ac3, lai nodrošinātu pareizu materiāla austenitizāciju.
Hipereutektoīdu tēraudu gadījumā temperatūras izvēles noteikumi prasa ņemt vērā līniju Acm un paredzamo mikrostruktūru. Tāpēc viena diapazona, piemēram, 800–950 °C, norādīšana visiem tēraudiem ir tikai rupja vienkāršošana.
Faktiskā normalizācijas temperatūra jānosaka konkrētai tērauda klasei, pamatojoties uz tās materiāla īpašībām, attiecīgo standartu, tehnoloģisko dokumentāciju vai ražotāja ieteikumiem.

Tērauda normalizēšana – procesa plūsma

Normalizācijas procesu var iedalīt trīs pamatposmos: sildīšana, atkvēlināšana un dzesēšana.

1. Apkure

Komponents tiek uzkarsēts līdz normalizācijas temperatūrai, kas atbilst dotajai tērauda klasei. Sildīšanas ātrumam jāņem vērā komponenta izmērs, ģeometrija, šķērsgriezuma biezums un materiāla siltumvadītspēja. Lielām vai sarežģītām detaļām pārāk strauja sildīšana var izraisīt ievērojamas temperatūras gradientus un ar tiem saistītos termiskos spriegumus.

2. Apkure

Kad ir sasniegta nepieciešamā temperatūra, materiāls tiek karsēts tik ilgi, cik nepieciešams, lai temperatūra izlīdzinātos visā šķērsgriezumā un notiktu nepieciešamās strukturālās transformācijas. Karsēšanas laiks ir atkarīgs no detaļas izmēriem, masas, tērauda markas, karsēšanas metodes un krāsns veida.
Vienkāršā laika un biezuma milimetru attiecība nav jāuzskata par universālu noteikumu visām sastāvdaļām. Rūpnieciskajās tehnoloģijās parametri jādefinē konkrētiem materiāliem un detaļām.

3. Gaisa dzesēšana

Pēc atkvēlināšanas detaļu atdzesē ar gaisu. Dzesēšana notiek ātrāk nekā tipiskas pilnīgas atkvēlināšanas laikā, kad materiāls atdziest lēni kopā ar krāsni. Šī dzesēšanas ātruma atšķirība ietekmē austenīta transformāciju un materiāla galīgo mikrostruktūru.
Arī dzesēšanas apstākļiem ir nozīme. Komponentu izmērs, apkārtējās vides temperatūra, gaisa kustība un komponentu orientācija var ietekmēt faktisko siltuma izkliedes ātrumu.

Tērauda mikrostruktūra pēc normalizācijas

Viens no svarīgākajiem normalizācijas efektiem ir tērauda mikrostruktūras modifikācija. Tipiskos hipoeutektoīdos tēraudos pareizi veikts process rada struktūru, kas satur ferītu un perlītu. Palielinoties oglekļa saturam, palielinās arī perlīta saturs.
Salīdzinot ar lēno dzesēšanu pilnīgas atkvēlināšanas laikā, normalizācijas laikā iegūtā struktūra parasti ir smalkāka. Smalkāka perlīta struktūra un atbilstošs graudu izmērs var palielināt materiāla izturību un cietību.
Tomēr galīgā mikrostruktūra ir atkarīga ne tikai no normalizācijas temperatūras, bet arī no:

• oglekļa saturs,
• leģējošo elementu veids un saturs,
• austenīta graudu izmērs,
• sildīšanas laiks,
• elementa izmēri,
• dzesēšanas ātrumi,
• Materiāla mikrostruktūra pirms normalizācijas.

Normalizācijas ietekme uz tērauda mehāniskajām īpašībām

Normalizēšana var būtiski ietekmēt tērauda mehāniskās īpašības, taču šo izmaiņu lielums ir atkarīgs no tā sastāva un sākotnējā stāvokļa. Šis process nav jāuzskata par universālu metodi, kas visās markās dod identiskus rezultātus.

Wytrzymałość na rozciąganie

Pēc normalizācijas panāktā smalkākā mikrostruktūra var palielināt stiepes izturību salīdzinājumā ar pilnībā atkvēlinātu tēraudu. Ietekme ir atkarīga, cita starpā, no oglekļa satura un leģējošajiem elementiem.

Tecēšanas robeža

Mikrostruktūras izmaiņas un graudu smalkums var ietekmēt arī tecēšanas robežu. Šī īpašība ir īpaši svarīga konstrukciju tēraudiem, kas paredzēti nesošām detaļām.

Cietība

Normalizēts tērauds parasti ir cietāks nekā pilnībā atkvēlināts tērauds, jo ātrāka dzesēšana veicina smalkākas struktūras attīstību. Tomēr normalizācija nenodrošina pareizi sacietēta martensītiskā tērauda cietību.

Triecienizturība un elastība

Graudu smalkināšana un strukturālā homogenizācija var pozitīvi ietekmēt triecienizturību un materiāla uzvedību slodzes ietekmē. Tomēr konkrēto efektu nevar noteikt, neņemot vērā tērauda marku un procesa parametrus.

Apstrādājamība

Normalizācijas ietekme uz apstrādājamību visiem tēraudiem nav vienāda. Zema oglekļa satura tēraudiem neliela cietības palielināšanās var uzlabot skaidu veidošanos un samazināt pārmērīgu materiāla plastiskumu. Citos gadījumos pirms apstrādes var būt izdevīgāka mīkstā atkvēlināšana vai sferoidizējošā atkvēlināšana.

Normalizēšana pret atkvēlināšanu

Normalizēšana un atkvēlināšana ir procesi, kas ietver tērauda karsēšanu un kontrolētu dzesēšanu, taču tie galvenokārt atšķiras dzesēšanas apstākļos un iegūtajā mikrostruktūrā.
Pēc normalizācijas tēraudu parasti atdzesē gaisā, turpretī pilnīgas atkvēlināšanas laikā dzesēšana ir daudz lēnāka un parasti notiek kopā ar krāsni. Tā rezultātā normalizētajam tēraudam parasti ir smalkāka struktūra un augstāka cietība un izturība nekā atbilstošam pilnībā atkvēlinātam materiālam.
Ja galvenais mērķis ir samazināt atlikušos spriegumus, būtiski nemainot materiāla struktūru, sprieguma mazināšanas atkvēlināšana.

Normalizēšana un sacietēšana

Tērauda rūdīšana Tas atšķiras no normalizēšanas galvenokārt ar dzesēšanas ātrumu un vēlamo strukturālo efektu. Rūdīšanas laikā mērķis ir atdzesēt austenītu, lai iegūtu augstas cietības struktūru, visbiežāk ar ievērojamu martensīta saturu.
Normalizācija izmanto lēnāku gaisa dzesēšanu un netiek izmantota, lai tipiskos oglekļa tēraudos izveidotu martensītisku struktūru. Tomēr tā var būt solis materiāla sagatavošanā turpmākai sacietēšanai vai termiskai apstrādei.

Normalizācija pretstatā atlaišanai

Atlaišana ir process, ko parasti veic pēc sacietēšanas. Tā mērķis ir modificēt sacietētā tērauda struktūru un sasniegt nepieciešamo cietības, stiprības un plastiskuma kombināciju.
Savukārt normalizēšana var būt gan patstāvīga termiskā apstrāde, gan solis materiāla sagatavošanai turpmākajiem procesiem. Tādēļ abiem procesiem ir atšķirīgi tehnoloģiskie mērķi.

Normalizējošs un sprieguma mazinošs atkvēlinājums

Normalizēšana noved pie tērauda austenizācijas un sekojošas jaunas mikrostruktūras veidošanās atdzesēšanas laikā. Savukārt sprieguma mazināšanas atkvēlināšana tiek veikta zemākā temperatūrā un galvenokārt ir paredzēta, lai samazinātu atlikušos spriegumus, vienlaikus samazinot ietekmi uz materiāla pamata mikrostruktūru un īpašībām.

Tērauda normalizēšana un citas termiskās apstrādes metodes

Normalizēšana, atkvēlināšana, rūdīšana un atlaidināšana atšķiras pēc procesa temperatūras, dzesēšanas metodes un vēlamā efekta. Zemāk esošajā tabulā ir apkopotas galvenās atšķirības starp šiem procesiem.

Dažādu tērauda marku normalizācija

Neleģētie konstrukciju tēraudi

Normalizācija tiek plaši izmantota neleģētiem konstrukciju tēraudiem. Šo procesu var izmantot pēc velmēšanas, kalšanas vai liešanas, lai pilnveidotu un homogenizētu struktūru un sasniegtu nepieciešamās mehāniskās īpašības.

Oglekļa tēraudi

Oglekļa tēraudos normalizējošais efekts ir cieši saistīts ar oglekļa saturu. Palielinoties oglekļa saturam, palielinās perlīta saturs un mainās materiāla cietība, izturība un plastiskums. Tēraudu grupā ar palielinātu oglekļa saturu ietilpst C55S, C67S, C75S, C85S un C100S atsperu tēraudi.

Zemleģētie tēraudi

Zemleģēto tēraudu gadījumā jāņem vērā hroma, molibdēna, niķeļa, mangāna un citu elementu ietekme uz dzesēšanas laikā notiekošajām pārvērtībām. Dažu marku paaugstinātā sacietējamība nozīmē, ka tērauda uzvedība gaisa dzesēšanas laikā var ievērojami atšķirties no parastā oglekļa tērauda uzvedības.

Augsti leģētie tēraudi

Normalizācijas koncepcija nav automātiski jāpiemēro visiem augsta leģētā tērauda veidiem. Nerūsējošajiem tēraudiem, karstumizturīgajiem tēraudiem, instrumentu tēraudiem un citiem speciāliem tēraudiem tiek piemērota konkrētajai grupai un klasei atbilstoša termiskā apstrāde. Parametriem vienmēr jābalstās uz nepieciešamo mikrostruktūru un materiāla īpašībām.

Kalumu normalizēšana

Normalizācija ir īpaši svarīga kaltu detaļu ražošanā. Kalšanas laikā tērauds tiek pakļauts augstām temperatūrām un ievērojamai plastiskai deformācijai, un iegūtā struktūra var būt nevienmērīga.
Pareizi izvēlēta normalizācija uzlabo kaluma šķiedru un vienādo mikrostruktūru. Atkarībā no materiāla veida tā var būt termiskās apstrādes pēdējais posms vai sagatavošana rūdīšanai un atlaidināšanai.

Tērauda lējumu normalizēšana

Tērauda lējumos normalizēšanu var izmantot, lai modificētu struktūru, kas veidojas sacietēšanas un dzesēšanas laikā. Lējumiem, īpaši tiem, kuriem ir lieli šķērsgriezumi, var būt ievērojama mikrostruktūras un graudu izmēra neviendabība.
Normalizēšana ļauj iegūt vienmērīgāku struktūru atbilstošajās pakāpēs un sagatavo lējumu turpmākiem tehnoloģiskiem procesiem.

Normalizācija pēc kalšanas un velmēšanas

Apstākļi pēdējās kalšanas vai velmēšanas fāzes laikā būtiski ietekmē pusfabrikāta mikrostruktūru. Ja temperatūra bija augsta vai materiāls tika nekontrolēti atdzesēts, var rasties pārmērīga graudu augšana vai strukturāla nehomogenitāte.
Šādos gadījumos normalizēšana var kalpot kā sagatavošanās apstrāde, kas pirms turpmākās termiskās vai mehāniskās apstrādes nodrošina paredzamāku struktūru.

Tērauda normalizācijas pielietojums

Normalizāciju galvenokārt izmanto, ja nepieciešams homogenizēt mikrostruktūru, rafinēt graudus vai sagatavot materiālu turpmākajiem ražošanas posmiem.
Tipiski pielietojumi ietver:

• kalumi un kalti elementi,
• tērauda lējumi,
• vārpstas un asis,
• mašīnu un ierīču elementi,
• konstrukcijas daļas,
• pusfabrikāti pēc karstās velmēšanas,
• elementi, kas sagatavoti rūdīšanai un atlaidināšanai,
• detaļas, kas pakļautas turpmākai apstrādei.

Tērauda normalizēšanas priekšrocības

• graudu sasmalcināšanas iespēja,
• mikrostruktūras homogenizācija,
• izvēlēto mehānisko īpašību uzlabošana,
• spēja sagatavot materiālu turpmākajiem termiskās apstrādes procesiem,
• samērā vienkārša gaisa dzesēšanas metode,
• var izmantot pēc kalšanas, velmēšanas un liešanas,
• iegūstot lielāku cietību un izturību nekā pēc tipiskas pilnīgas atkvēlināšanas daudziem oglekļa tēraudiem.

Normalizācijas trūkumi un ierobežojumi

• process nav piemērots visiem tērauda veidiem,
• gaisa dzesēšana var izraisīt dzesēšanas ātruma atšķirības elementos ar lieliem vai mainīgiem šķērsgriezumiem,
• ir iespējama elementu deformācija ar sarežģītu ģeometriju,
• normalizēšana nenodrošina sacietēšanai raksturīgo cietību,
• nav process, kas galvenokārt paredzēts maksimālai atlikušo spriegumu noņemšanai,
• tēraudos ar paaugstinātu sacietēšanas spēju dzesēšana gaisā var radīt atšķirīgas struktūras nekā tipiskajos oglekļa tēraudos,
• Nepareiza temperatūra var izraisīt pārmērīgu graudu augšanu un materiāla īpašību pasliktināšanos.

No kā ir atkarīgs pareizs normalizācijas efekts?

Normalizācijas efektivitāte ir atkarīga no pareizas visa tehnoloģiskā cikla izvēles, ne tikai no maksimālās temperatūras. Jāņem vērā tērauda marka, tā ķīmiskais sastāvs, sākotnējā struktūra, detaļu izmēri un ģeometrija, sildīšanas ātrums, austenitizācijas temperatūra un laiks, kā arī faktiskie dzesēšanas apstākļi.
Īpaši svarīgi ir izvairīties no pārmērīgi augstas temperatūras vai pārmērīgi ilga mērcēšanas laika, jo tas var izraisīt austenīta graudu augšanu. Savukārt nepietiekama temperatūra vai pārāk īss mērcēšanas laiks var traucēt sasniegt nepieciešamo strukturālo vienmērību.
Tērauda normalizēšana ir termiskās apstrādes process, kas ietver materiāla uzkarsēšanu līdz atbilstošam austenitizācijas temperatūras diapazonam, atkvēlināšanu un pēc tam atdzesēšanu gaisā. Šo procesu galvenokārt izmanto, lai smalki rafinētu graudus, homogenizētu mikrostruktūru un iegūtu īpašības, kas piemērotas tālākai apstrādei vai lietošanai.
Salīdzinot ar pilnīgu atkvēlināšanu, normalizēšana izmanto ātrāku dzesēšanu, tāpēc tā nodrošina smalkāku struktūru un lielāku cietību un izturību daudziem oglekļa tēraudiem. Tomēr tā neaizstāj rūdīšanu, atlaidināšanu vai sprieguma mazināšanas atkvēlināšanu — katram no šiem procesiem ir atšķirīgs tehnoloģiskais mērķis.

Tērauda termiskās un termoķīmiskās apstrādes metodes

Mīkstināšana ir tikai viena no procesu grupām, ko izmanto, lai modificētu tērauda mikrostruktūru un īpašības. Atkarībā no vēlamā efekta tiek izmantota arī normalizēšana, sprieguma mazināšana, rūdīšana, atlaidināšana un termoķīmiskie procesi, piemēram, cementēšana un nitridēšana.

Tērauda termiskās apstrādes metodes

• Tērauda normalizēšana – graudu precizēšana un mikrostruktūras apvienošana.
• Sprieguma mazināšanas atkvēlināšana – atlikušo spriegumu samazināšana.
• Tērauda mīkstināšana – samazinot cietību un uzlabojot uzņēmību pret tālāku apstrādi.
• Pilnīga atkvēlināšana – austenizācija un lēna dzesēšana.
• Izotermiskā atkvēlināšana – pārveidošana, kas veikta, turot pareizi izvēlētā temperatūrā.
• Lodīšu atkvēlināšana – sferoidizācija – cementīta vai citu karbīdu morfoloģijas izmaiņas.
• Pārkristalizācijas atkvēlināšana – saspiešanas seku novēršana un plastiskuma atjaunošana.
• Homogenizējoša atkvēlināšana – segregācijas samazināšana un materiāla sastāva homogenizācija.
• Rūdīšana un termiskā apstrāde – mikrostruktūras un īpašību veidošana, rūdot un atlaidinot.
• Rūdītais tērauds – kontrolēta tērauda īpašību modifikācija pēc sacietēšanas.
• Indukcijas sacietēšana – virsmas indukcijas sildīšana un ātra dzesēšana.
• Liesmas sacietēšana – virsmas sacietēšana pēc lokālas karsēšanas ar liesmu.
• Pārsātinājums – pārsātināta cieta šķīduma iegūšana, izmantojot atbilstošu termisko ciklu.
• Novecošana – kontrolēta fāžu atdalīšana, kas noved pie materiāla stiprināšanas.

Tērauda termoķīmiskās apstrādes metodes

• Tērauda nitridēšana – virsmas slāņa difūzā bagātināšana ar slāpekli.
• Karburizējošs tērauds – virsmu difūzā bagātināšana ar oglekli.
• Karbonitrīdēšana – vienlaicīga virsmas slāņa bagātināšana ar oglekli un slāpekli.
• Nitrokarburizācija / nitrokarburizācija – slāņa bagātināšana galvenokārt ar slāpekli un oglekli.
• Urbšana – virsmas difūzijas piesātinājums ar boru.
• Difūzijas hroma pārklājums – slāņa difūzijas bagātināšana ar hromu.
• Difūzijas aluminizācija – slāņa difūzijas bagātināšana alumīnijā.