Normaliseren van staal – Proces, temperatuur, microstructuur en toepassing

Normaliserend staal is een van de basisprocessen warmtebehandeling van staalHet belangrijkste doel is het verkrijgen van een meer uniforme en fijnkorrelige microstructuur, het verminderen van de effecten van eerdere technologische processen en het voorbereiden van het materiaal op verdere thermische of mechanische bewerking. Normaliseren kan de sterkte, hardheid, slagvastheid, ductiliteit en bewerkbaarheid van staal beïnvloeden, maar de mate waarin deze veranderingen optreden hangt voornamelijk af van het koolstofgehalte, de legeringselementen en de oorspronkelijke structuur van het materiaal.
Het proces omvat het verhitten van het staal tot een temperatuur die de juiste mate van austenitisatie garandeert, het verhitten van het materiaal op die temperatuur en vervolgens het afkoelen in stilstaande lucht. De afkoelmethode is een van de fundamentele verschillen tussen normaliseren en volledig gloeien. Afkoeling in lucht is sneller dan afkoeling in een oven, wat van invloed is op de korrelgrootte en de resulterende microstructuur.
Normaliseren wordt voornamelijk gebruikt voor ongelegeerd en laaggelegeerd staal. Het kan worden uitgevoerd als de laatste warmtebehandeling van een onderdeel of als een tussenproces voorafgaand aan verdere bewerkingen zoals harden, warmtebehandeling of verspanen.

Wat is het normaliseren van staal?

Tijdens het normaliseren wordt staal verhit tot het austenitische bereik dat geschikt is voor de chemische samenstelling. Tijdens dit verhittingsproces vinden transformaties plaats die leiden tot de vorming van austeniet en een homogenisering van de structuur. Het onderdeel wordt vervolgens uit de oven gehaald en in de lucht afgekoeld.
Tijdens het afkoelen ondergaat austeniet transformaties die – afhankelijk van de staalsamenstelling en de afkoelsnelheid – voornamelijk leiden tot de vorming van ferritisch-perlietische of perlietische structuren. In gelegeerde staalsoorten kan het transformatieproces complexer zijn, omdat legeringselementen de hardbaarheid en de kinetiek van de fasetransformaties beïnvloeden.
Normaliseren is met name nuttig na processen die kunnen leiden tot een inhomogene of grofkorrelige structuur, zoals smeden, warmwalsen of gieten.

Het doel van het normaliseren van staal

Normaliseren kan verschillende technologische doeleinden dienen. Het precieze doel van het proces hangt af van de staalsoort, de conditie van het materiaal en het beoogde gebruik.
De belangrijkste doelstellingen van standaardisatie zijn onder meer:

• korrelverfijning – een correct uitgevoerde austenitisatie en daaropvolgende afkoeling maken het mogelijk een fijnere korrelstructuur te verkrijgen.
• homogenisatie van de microstructuur – vooral na smeden, walsen, gieten en andere processen bij hoge temperaturen,
• verbetering van de mechanische eigenschappen – Normaliseren kan de sterkte en hardheid verhogen ten opzichte van de volledig gegloeide toestand, terwijl de nuttige ductiliteit en slagvastheid behouden blijven.
• het beperken van de nadelige effecten van eerdere behandelingen – inclusief structurele inhomogeniteiten en overmatige korrelgroei,
• voorbereiding van staal voor verdere warmtebehandeling – bijvoorbeeld verharding of thermische verbetering,
• voorbereiding van materiaal voor bewerking – Bij sommige staalsoorten kan de juiste structuur na normalisatie de omstandigheden voor verdere verwerking verbeteren.
• het verkrijgen van meer uniforme eigenschappen in de dwarsdoorsnede van het element – met name belangrijk in het geval van smeedstukken, gietstukken en halffabrikaten na warmtebehandeling.

Factoren die van invloed zijn op het effect van het normaliseren van staal

De uiteindelijke eigenschappen van staal na normalisatie zijn afhankelijk van de volledige warmtebehandelingscyclus. Zelfs bij dezelfde temperatuur kunnen twee staalsoorten bij afkoeling aan de lucht verschillende microstructuren en eigenschappen ontwikkelen.

Normaliserende temperatuur van staal

De normalisatietemperatuur is geen constante waarde voor alle staalsoorten. Deze wordt gekozen op basis van de chemische samenstelling van het materiaal en de kritische temperaturen die samenhangen met faseovergangen.
Bij hypoeutectoïde staalsoorten, dat wil zeggen staalsoorten met een lager koolstofgehalte dan de eutectoïde samenstelling, wordt normalisatie doorgaans boven de kritische temperatuur uitgevoerd. Ac3In de praktijk ligt de procestemperatuur doorgaans aanzienlijk hoger dan Ac3 om een ​​goede austenitisatie van het materiaal te garanderen.
Bij hypereutectoïde staalsoorten vereisen de temperatuurselectieregels dat rekening wordt gehouden met de lijn mab en de verwachte microstructuur. Het specificeren van één enkel temperatuurbereik, bijvoorbeeld 800-950 °C, voor alle staalsoorten is daarom slechts een grove vereenvoudiging.
De daadwerkelijke normalisatietemperatuur moet voor een specifieke staalsoort worden bepaald op basis van de materiaaleigenschappen, de relevante norm, technische documentatie of aanbevelingen van de fabrikant.

Normaliseren van staal – processtroom

Het normalisatieproces kan worden onderverdeeld in drie basisstappen: verhitting, gloeien en afkoeling.

1. Verwarming

Het onderdeel wordt verwarmd tot de normalisatietemperatuur die geschikt is voor de betreffende staalsoort. Bij de verwarmingssnelheid moet rekening worden gehouden met de afmetingen, geometrie, doorsnede en thermische geleidbaarheid van het materiaal. Bij grote of complexe onderdelen kan te snelle verwarming aanzienlijke temperatuurverschillen en bijbehorende thermische spanningen veroorzaken.

2. Verwarming

Zodra de gewenste temperatuur is bereikt, wordt het materiaal gedurende een tijdsperiode verwarmd die voldoende is om de temperatuur in de gehele dwarsdoorsnede te egaliseren en de benodigde structurele veranderingen mogelijk te maken. De verwarmingstijd is afhankelijk van de afmetingen, massa, staalkwaliteit, verwarmingsmethode en het type oven van het onderdeel.
De simpele relatie tussen tijd en millimeters dikte mag niet als een universele regel voor alle componenten worden beschouwd. In de industriële technologie moeten parameters worden gedefinieerd voor specifieke materialen en onderdelen.

3. Luchtkoeling

Na het gloeien wordt het onderdeel aan de lucht afgekoeld. De afkoeling verloopt sneller dan bij een typisch volledig gloeiproces, waarbij het materiaal langzaam met de oven afkoelt. Dit verschil in afkoelsnelheid beïnvloedt de austeniettransformatie en de uiteindelijke microstructuur van het materiaal.
Ook de koelingsomstandigheden spelen een rol. Componentgrootte, omgevingstemperatuur, luchtbeweging en componentoriëntatie kunnen allemaal van invloed zijn op de daadwerkelijke warmteafvoer.

Microstructuur van staal na normalisatie

Een van de belangrijkste effecten van normalisatie is de wijziging van de microstructuur van het staal. Bij typische hypoeutectoïde staalsoorten produceert een correct uitgevoerd proces een structuur die ferriet en perliet bevat. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, neemt ook het perlietgehalte toe.
Vergeleken met de langzame afkoeling tijdens volledig gloeien, is de structuur die tijdens normaliseren wordt verkregen doorgaans fijner. Een fijnere perlietstructuur en een geschikte korrelgrootte kunnen leiden tot een verhoogde sterkte en hardheid van het materiaal.
De uiteindelijke microstructuur is echter niet alleen afhankelijk van de normalisatietemperatuur, maar ook van:

• koolstofgehalte,
• type en gehalte aan legeringselementen,
• austenietkorrelgrootte,
• opwarmtijd,
• afmetingen van het element,
• afkoelingssnelheden,
• Materiaalmicrostructuur vóór normalisatie.

Het effect van normalisatie op de mechanische eigenschappen van staal

Normaliseren kan de mechanische eigenschappen van staal aanzienlijk beïnvloeden, maar de omvang van deze veranderingen hangt af van de samenstelling en de beginconditie. Het proces moet niet worden beschouwd als een universele methode die in alle staalsoorten identieke resultaten oplevert.

Treksterkte

De fijnere microstructuur die na normalisatie wordt verkregen, kan leiden tot een hogere treksterkte in vergelijking met volledig gegloeid staal. Het effect hangt onder andere af van het koolstofgehalte en de legeringselementen.

Vloeigrens

Microstructuurveranderingen en korrelverfijning kunnen ook de vloeigrens beïnvloeden. Deze eigenschap is met name belangrijk voor constructiestaal dat bestemd is voor dragende onderdelen.

Hardheid

Genormaliseerd staal is doorgaans harder dan volledig gegloeid staal, omdat snellere afkoeling de ontwikkeling van een fijnere structuur bevordert. Normaliseren levert echter niet de hardheid op die kenmerkend is voor goed gehard martensitisch staal.

Slagvastheid en ductiliteit

Korrelverfijning en structurele homogenisatie kunnen een positieve invloed hebben op de slagvastheid en het materiaalgedrag onder belasting. Het specifieke effect kan echter niet worden vastgesteld zonder rekening te houden met de staalsoort en de procesparameters.

Bewerkbaarheid

Het effect van normaliseren op de bewerkbaarheid is niet voor alle staalsoorten hetzelfde. Bij koolstofarm staal kan een lichte toename van de hardheid de spaanafvoer verbeteren en de overmatige ductiliteit van het materiaal verminderen. In andere gevallen kan zachtgloeien of sferoidiserend gloeien vóór de bewerking voordeliger zijn.

Normaliseren versus gloeien

Normaliseren en gloeien zijn processen waarbij staal wordt verhit en gecontroleerd afgekoeld, maar ze verschillen voornamelijk in de afkoelingsomstandigheden en de resulterende microstructuur.
Na het normaliseren wordt staal over het algemeen in de lucht afgekoeld, terwijl bij volledig gloeien het afkoelen veel langzamer verloopt en meestal in combinatie met de oven plaatsvindt. Als gevolg hiervan heeft genormaliseerd staal doorgaans een fijnere structuur en een hogere hardheid en sterkte dan het overeenkomstige volledig gegloeide materiaal.
Als het hoofddoel is om restspanningen te verminderen zonder de materiaalstructuur fundamenteel te veranderen, spanningsverlagend gloeien.

Normaliseren en verharden

Staalharding Het verschilt van normaliseren voornamelijk in de afkoelsnelheid en het gewenste structurele effect. Tijdens het harden is het doel het austeniet af te koelen om een ​​structuur met een hoge hardheid te verkrijgen, meestal met een aanzienlijk martensietgehalte.
Normaliseren maakt gebruik van langzamere luchtkoeling en wordt niet gebruikt om een ​​martensitische structuur te creëren in typische koolstofstaalsoorten. Het kan echter wel een stap zijn in de voorbereiding van het materiaal op latere harding of warmtebehandeling.

Normaliseren versus loslaten

Loslaten Het is een proces dat over het algemeen na het harden wordt uitgevoerd. Het doel ervan is om de structuur van het geharde staal te wijzigen en de gewenste combinatie van hardheid, sterkte en ductiliteit te bereiken.
Normaliseren kan daarentegen een op zichzelf staande warmtebehandeling zijn of een stap ter voorbereiding van het materiaal op latere processen. Beide processen hebben dus verschillende technologische doelen.

Normaliseren en spanningsverlagend gloeien

Normaliseren leidt tot de austenitisatie van het staal en de daaropvolgende vorming van een nieuwe microstructuur bij afkoeling. Spanningsontlastend gloeien daarentegen wordt uitgevoerd bij een lagere temperatuur en is voornamelijk bedoeld om restspanningen te verminderen en tegelijkertijd de impact op de basismicrostructuur en -eigenschappen van het materiaal te minimaliseren.

Normaliseren en andere methoden voor warmtebehandeling van staal

Normaliseren, gloeien, harden en temperen verschillen in procestemperatuur, afkoelingsmethode en gewenst effect. De onderstaande tabel vat de belangrijkste verschillen tussen deze processen samen.

Normalisatie van verschillende staalsoorten

Ongelegeerde constructiestalen

Normaliseren wordt veel gebruikt voor ongelegeerd constructiestaal. Het proces kan na het walsen, smeden of gieten worden toegepast om de structuur te verfijnen en te homogeniseren en de gewenste mechanische eigenschappen te bereiken.

Oude gloed

Bij koolstofstaal is het normaliserende effect sterk gerelateerd aan het koolstofgehalte. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, neemt het perlietgehalte toe en veranderen de hardheid, sterkte en ductiliteit van het materiaal. Tot de groep staalsoorten met een verhoogd koolstofgehalte behoren C55S, C67S, C75S, C85S en C100S verenstaal.

Laaggelegeerd staal

Bij laaggelegeerde staalsoorten moet rekening worden gehouden met de invloed van chroom, molybdeen, nikkel, mangaan en andere elementen op de transformaties die tijdens het afkoelen optreden. De verhoogde hardbaarheid van sommige soorten betekent dat het gedrag van het staal tijdens afkoeling aan de lucht aanzienlijk kan verschillen van dat van gewoon koolstofstaal.

Hooggelegeerde staalsoorten

Het normalisatieprincipe mag niet automatisch op alle hooggelegeerde staalsoorten worden toegepast. Voor roestvast staal, hittebestendig staal, gereedschapsstaal en andere speciale staalsoorten worden warmtebehandelingen toegepast die geschikt zijn voor de specifieke groep en kwaliteit. De parameters moeten altijd gebaseerd zijn op de vereiste microstructuur en materiaaleigenschappen.

Normaliseren van smeedstukken

Normaliseren is met name belangrijk bij de productie van gesmede onderdelen. Tijdens het smeden wordt staal blootgesteld aan hoge temperaturen en aanzienlijke plastische vervorming, waardoor de resulterende structuur ongelijkmatig kan zijn.
Een correct gekozen normalisatieproces verfijnt de korrelstructuur en uniformiseert de microstructuur van het smeedstuk. Afhankelijk van het materiaaltype kan dit de laatste fase van de warmtebehandeling zijn of een voorbereiding op het harden en ontlaten.

Normaliseren van stalen gietstukken

Bij staalgietwerk kan normaliseren worden gebruikt om de structuur te modificeren die tijdens stolling en afkoeling ontstaat. Gietstukken, met name die met een grote doorsnede, kunnen een aanzienlijke heterogeniteit in microstructuur en korrelgrootte vertonen.
Normaliseren zorgt voor een meer uniforme structuur in de juiste kwaliteiten en bereidt het gietstuk voor op verdere technologische processen.

Normaliseren na het smeden en walsen

De omstandigheden tijdens de laatste smeed- of walsfase hebben een aanzienlijke invloed op de microstructuur van het halffabricaat. Bij een hoge temperatuur of ongecontroleerde afkoeling van het materiaal kan overmatige korrelgroei of structurele inhomogeniteit optreden.
Normaliseren kan in dergelijke gevallen dienen als een voorbereidende behandeling, die leidt tot een voorspelbaardere structuur vóór verdere thermische of mechanische bewerking.

Toepassing van staalnormalisatie

Normaliseren wordt voornamelijk gebruikt wanneer het nodig is om de microstructuur te homogeniseren, de korrelgrootte te verfijnen of het materiaal voor te bereiden op volgende productiestadia.
Typische toepassingen zijn onder meer:

• smeedstukken en gesmede elementen,
• stalen gietstukken,
• assen en assen,
• onderdelen van machines en apparaten,
• structurele onderdelen,
• halffabrikaten na warmwalsen,
• elementen die voorbereid zijn voor harden en ontlaten,
• onderdelen die verder worden bewerkt.

Voordelen van het normaliseren van staal

• mogelijkheid tot het pletten van graan,
• homogenisatie van de microstructuur,
• verbetering van geselecteerde mechanische eigenschappen,
• het vermogen om het materiaal voor te bereiden op daaropvolgende warmtebehandelingsprocessen.
• een relatief eenvoudige methode voor luchtkoeling,
• kan na smeden, walsen en gieten worden gebruikt.
• waarbij een hogere hardheid en sterkte wordt verkregen dan na een typische volledige gloeibehandeling bij veel koolstofstaalsoorten.

Nadelen en beperkingen van normalisatie

• Het proces is niet geschikt voor elk type staal.
• Luchtkoeling kan leiden tot verschillen in koelsnelheid bij elementen met een grote of variabele doorsnede.
• Vervorming van elementen met een complexe geometrie is mogelijk.
• Normaliseren levert niet de hardheid op die kenmerkend is voor harding.
• is geen proces dat primair bedoeld is voor het maximaal verwijderen van restspanningen,
• Bij staalsoorten met een verhoogde hardbaarheid kan afkoeling in de lucht leiden tot andere structuren dan bij typisch koolstofstaal.
• Een onjuiste temperatuur kan leiden tot overmatige korrelgroei en verslechtering van de materiaaleigenschappen.

Waarvan hangt het juiste normalisatie-effect af?

De effectiviteit van normalisatie hangt af van de juiste selectie van de gehele technologische cyclus, niet alleen van de maximale temperatuur. Er moet rekening worden gehouden met de staalsoort, de chemische samenstelling, de beginstructuur, de afmetingen en geometrie van de componenten, de opwarmingssnelheid, de austenitiseringstemperatuur en -tijd, en de feitelijke afkoelingsomstandigheden.
Het is met name belangrijk om extreem hoge temperaturen of extreem lange gloeitijden te vermijden, aangezien deze kunnen leiden tot korrelgroei van austeniet. Omgekeerd kunnen onvoldoende temperaturen of te korte gloeitijden ervoor zorgen dat de vereiste structurele uniformiteit niet wordt bereikt.
Normaliserend staal Het is een warmtebehandelingsproces waarbij het materiaal wordt verhit tot het juiste austenitisatietemperatuurbereik, vervolgens wordt gegloeid en daarna aan de lucht wordt afgekoeld. Het proces wordt voornamelijk gebruikt om de korrelstructuur te verfijnen, de microstructuur te homogeniseren en eigenschappen te verkrijgen die geschikt zijn voor verdere verwerking of toepassing.
In vergelijking met volledig gloeien, maakt normaliseren gebruik van snellere afkoeling, waardoor het leidt tot een fijnere structuur en een grotere hardheid en sterkte bij veel koolstofstaalsoorten. Het is echter geen vervanging voor harden, temperen of spanningsarm gloeien – elk van deze processen heeft een ander technologisch doel.

Methoden voor warmte- en thermochemische behandeling van staal

Verzachten is slechts één van de processen die worden gebruikt om de microstructuur en eigenschappen van staal te wijzigen. Afhankelijk van het gewenste effect worden ook normaliseren, spanningsarm maken, harden, temperen en thermochemische processen zoals carboneren en nitreren toegepast.

Warmtebehandelingsmethoden voor staal

• Normaliserend staal – korrelverfijning en microstructuuruniformering.
• Stressverlichtende gloeiing – vermindering van restspanningen.
• Verzachting van staal – waardoor de hardheid afneemt en de gevoeligheid voor verdere verwerking toeneemt.
• Volledig gloeien – austenitisatie en langzame afkoeling.
• Isothermisch gloeien – transformatie uitgevoerd bij een zorgvuldig gekozen temperatuur.
• Bolgloeien – sferoidiseren – verandering in de morfologie van cementiet of andere carbiden.
• Herkristallisatie-gloeien – het wegnemen van de effecten van verbrijzeling en het herstellen van de plasticiteit.
• Homogeniserend gloeien – het verminderen van segregatie en het homogeniseren van de materiaalsamenstelling.
• Verharding en warmtebehandeling – het vormgeven van de microstructuur en eigenschappen door middel van harden en temperen.
• Het harden van staal – gecontroleerde aanpassing van de eigenschappen van staal na het harden.
• Inductieharden – Oppervlakte-inductieverwarming en snelle koeling.
• Vlamverharding – oppervlakteverharding na plaatselijke verhitting met een vlam.
• Oververzadiging – het verkrijgen van een oververzadigde vaste oplossing door middel van een geschikte thermische cyclus.
• Veroudering – gecontroleerde fasescheiding die leidt tot versterking van het materiaal.

Methoden voor thermochemische behandeling van staal

• Nitreren van staal – diffusieverrijking van de oppervlaktelaag met stikstof.
• Gecarburiseerd staal – diffusieverrijking van oppervlakken met koolstof.
• Carbonitreren – gelijktijdige verrijking van de oppervlaktelaag met koolstof en stikstof.
• Nitrocarbonisatie / nitrocarbonisatie – verrijking van de laag, voornamelijk met stikstof en koolstof.
• Boren – diffusieverzadiging van het oppervlak met boor.
• Diffusieverchroming – diffusieverrijking van de laag met chroom.
• Diffusie-aluminisatie – diffusieverrijking van de laag met aluminium.