Normalisering av stål – Prosess, temperatur, mikrostruktur og anvendelse

Normalisering av stål er en av de grunnleggende prosessene varmebehandling av stålHovedmålet er å oppnå en mer jevn og finkornet mikrostruktur, redusere effekten av tidligere teknologiske prosesser og forberede materialet for videre termisk eller mekanisk behandling. Normalisering kan påvirke stålets styrke, hardhet, slagfasthet, duktilitet og maskinbarhet, men omfanget av disse endringene avhenger først og fremst av karboninnholdet, legeringselementene og materialets opprinnelige struktur.
Prosessen innebærer å varme opp stålet til en temperatur som sikrer riktig grad av austenittisering, varme opp materialet ved den temperaturen og deretter kjøle det ned i stille luft. Kjølemetoden er en av de grunnleggende forskjellene mellom normalisering og fullstendig gløding. Luftkjøling er raskere enn ovnkjøling, noe som påvirker kornstørrelsen og den resulterende mikrostrukturen.
Normalisering brukes primært for ulegerte og lavlegerte ståltyper. Det kan utføres som den siste varmebehandlingen av en komponent eller som en mellomliggende prosess før videre operasjoner som herding, varmebehandling eller maskinering.

Hva er normalisering av stål?

Under normaliseringen varmes stålet opp til det austenittiske området som er passende for dets kjemiske sammensetning. Under oppvarmingsprosessen skjer det transformasjoner som fører til dannelse av austenitt og en homogenisering av strukturen. Komponenten fjernes deretter fra ovnen og avkjøles i luft.
Under avkjøling gjennomgår austenitt transformasjoner som – avhengig av stålets sammensetning og avkjølingshastighet – primært fører til dannelse av ferrittisk-perlittiske eller perlittiske strukturer. I legeringsstål kan transformasjonsprosessen være mer kompleks, ettersom legeringselementene påvirker herdbarheten og kinetikken til fasetransformasjonene.
Normalisering er spesielt nyttig etter prosesser som kan resultere i en inhomogen eller grovkornet struktur, for eksempel smiing, varmvalsing eller støping.

Formålet med å normalisere stål

Normalisering kan tjene flere teknologiske formål. Det nøyaktige formålet med prosessen avhenger av stålkvaliteten, materialets tilstand og dets tiltenkte bruk.
De viktigste målene med standardisering inkluderer:

• kornforfining – riktig utført austenittisering og påfølgende avkjøling gir en finere struktur,
• homogenisering av mikrostrukturen – spesielt etter smiing, valsing, støping og andre høytemperaturprosesser,
• forbedring av mekaniske egenskaper – normalisering kan øke styrke og hardhet sammenlignet med fullstendig glødet tilstand, samtidig som nyttig duktilitet og slagfasthet opprettholdes,
• begrense bivirkningene av tidligere behandling – inkludert strukturelle inhomogeniteter og overdreven kornvekst,
• forberedelse av stål for videre varmebehandling – f.eks. herding eller termisk forbedring,
• forberedelse av materiale for maskinering – i noen ståltyper kan en passende struktur etter normalisering forbedre forholdene for videre bearbeiding,
• oppnå mer ensartede egenskaper i elementets tverrsnitt – spesielt viktig for smigods, støpegods og halvfabrikata etter varmbehandling.

Faktorer som påvirker effekten av normalisering av stål

De endelige egenskapene til stål etter normalisering avhenger av hele varmebehandlingssyklusen. Selv ved samme temperatur kan to stålkvaliteter utvikle forskjellige mikrostrukturer og egenskaper ved luftkjøling.

Normalisering av temperaturen på stål

Normaliseringstemperaturen er ikke en enkelt konstant for alle stålkvaliteter. Den velges basert på materialets kjemiske sammensetning og kritiske temperaturer knyttet til fasetransformasjoner.
For hypoeutektoide stål, dvs. stål som inneholder mindre karbon enn den eutektoide sammensetningen, utføres normalisering vanligvis over den kritiske temperaturen. Ac3I praksis er prosesstemperaturen vanligvis tilstrekkelig høyere enn Ac3 til å sikre riktig austenittisering av materialet.
Når det gjelder hypereutektoid stål, krever temperaturvalgsreglene at man tar hensyn til linjen Acm og den forventede mikrostrukturen. Derfor er det bare en grov forenkling å spesifisere et enkelt område, f.eks. 800–950 °C, for alle ståltyper.
Den faktiske normaliseringstemperaturen bør bestemmes for en spesifikk stålkvalitet basert på dens materialegenskaper, relevant standard, teknologisk dokumentasjon eller produsentens anbefalinger.

Normalisering av stål – prosessflyt

Normaliseringsprosessen kan deles inn i tre grunnleggende stadier: oppvarming, gløding og avkjøling.

1. Oppvarming

Komponenten varmes opp til normaliseringstemperaturen som er passende for den gitte stålkvaliteten. Oppvarmingshastigheten bør ta hensyn til komponentstørrelse, geometri, tverrsnittstykkelse og materialets varmeledningsevne. For store eller komplekse deler kan for rask oppvarming forårsake betydelige temperaturgradienter og tilhørende termiske spenninger.

2. Oppvarming

Når den nødvendige temperaturen er nådd, varmes materialet opp i en periode som er tilstrekkelig til at temperaturen utjevnes gjennom hele tverrsnittet og tillater de nødvendige strukturelle transformasjonene. Oppvarmingstiden avhenger av komponentens dimensjoner, masse, stålkvalitet, oppvarmingsmetode og ovnstype.
Det enkle forholdet mellom tid og millimetertykkelse bør ikke betraktes som en universell regel for alle komponenter. Innen industriell teknologi bør parametere defineres for spesifikke materialer og deler.

3. Luftkjøling

Etter gløding luftkjøles komponenten. Avkjølingen er raskere enn under typisk fullstendig gløding, der materialet avkjøles sakte sammen med ovnen. Denne forskjellen i kjølehastighet påvirker austenitttransformasjonen og materialets endelige mikrostruktur.
Kjøleforhold spiller også en rolle. Komponentstørrelse, omgivelsestemperatur, luftbevegelse og komponentorientering kan alle påvirke den faktiske varmespredningshastigheten.

Mikrostruktur av stål etter normalisering

En av de viktigste effektene av normalisering er modifiseringen av stålets mikrostruktur. I typiske hypoeutektoide stål produserer en riktig utført prosess en struktur som inneholder ferritt og perlitt. Etter hvert som karboninnholdet øker, øker perlittinnholdet.
Sammenlignet med den langsomme avkjølingen under fullstendig gløding, er strukturen som oppnås under normalisering vanligvis finere. En finere perlittisk struktur og passende kornstørrelse kan føre til økt styrke og hardhet i materialet.
Den endelige mikrostrukturen avhenger imidlertid ikke bare av normaliseringstemperaturen, men også av:

• karboninnhold,
• type og innhold av legeringselementer,
• austenitt kornstørrelse,
• oppvarmingstid,
• dimensjonene til elementet,
• kjølehastigheter,
• materialets mikrostruktur før normalisering.

Effekten av normalisering på stålets mekaniske egenskaper

Normalisering kan påvirke stålets mekaniske egenskaper betydelig, men størrelsen på disse endringene avhenger av dets sammensetning og utgangstilstand. Prosessen bør ikke betraktes som en universell metode som gir identiske resultater i alle kvaliteter.

Strekkstyrke

Den finere mikrostrukturen som oppnås etter normalisering kan føre til økt strekkfasthet sammenlignet med fullglødet stål. Effekten avhenger blant annet av karboninnholdet og legeringselementene.

Flytegrense

Mikrostrukturendringer og kornforfining kan også påvirke flytegrensen. Denne egenskapen er spesielt viktig for konstruksjonsstål beregnet for lastbærende komponenter.

Hardhet

Normalisert stål er vanligvis hardere enn fullglødet stål fordi raskere avkjøling fremmer utviklingen av en finere struktur. Normalisering oppnår imidlertid ikke hardheten som er karakteristisk for riktig herdet martensittisk stål.

Slagfasthet og duktilitet

Kornforfining og strukturell homogenisering kan ha en positiv innvirkning på slagfasthet og materialoppførsel under belastning. Den spesifikke effekten kan imidlertid ikke bestemmes uten å ta hensyn til stålkvaliteten og prosessparametrene.

Maskinbarhet

Effekten av normalisering på maskinbarhet er ikke den samme for alle ståltyper. I lavkarbonstål kan en viss økning i hardhet forbedre spondannelsen og redusere overdreven materialduktilitet. I andre tilfeller kan mykgløding eller sfæroidgløding før maskinering være mer fordelaktig.

Normalisering vs. gløding

Normalisering og gløding er prosesser som involverer oppvarming og kontrollert avkjøling av stål, men de skiller seg først og fremst i kjøleforholdene og den resulterende mikrostrukturen.
Etter normalisering avkjøles stål vanligvis i luft, mens avkjølingen under fullstendig gløding er mye langsommere og skjer vanligvis i forbindelse med ovnen. Som et resultat har normalisert stål vanligvis en finere struktur og høyere hardhet og styrke enn det tilsvarende fullstendig glødede materialet.
Hvis hovedmålet er å redusere restspenninger uten å endre materialstrukturen fundamentalt, spenningsavlastningsgløding.

Normalisering og herding

Stålherding Det skiller seg fra normalisering primært i avkjølingshastigheten og den ønskede strukturelle effekten. Under herding er målet å avkjøle austenitten for å oppnå en struktur med høy hardhet, oftest med et betydelig martensittinnhold.
Normalisering bruker langsommere luftkjøling og brukes ikke til å lage en martensittisk struktur i typiske karbonstål. Det kan imidlertid være et trinn i å forberede materialet for påfølgende herding eller varmebehandling.

Normalisering kontra å gi slipp

Slippe taket er en prosess som vanligvis utføres etter herding. Hensikten er å modifisere strukturen til det herdede stålet og oppnå den nødvendige kombinasjonen av hardhet, styrke og duktilitet.
Normalisering kan derimot være en frittstående varmebehandling eller et trinn som forbereder materialet for påfølgende prosesser. Derfor har begge prosessene forskjellige teknologiske mål.

Normalisering og spenningsavlastende gløding

Normalisering fører til austenisering av stålet og den påfølgende dannelsen av en ny mikrostruktur ved avkjøling. Spenningsgløding, derimot, utføres ved en lavere temperatur og er primært ment å redusere restspenninger samtidig som den minimerer påvirkningen på materialets grunnleggende mikrostruktur og egenskaper.

Normalisering og andre metoder for varmebehandling av stål

Normalisering, gløding, herding og tempering varierer i prosesstemperatur, kjølemetode og ønsket effekt. Tabellen nedenfor oppsummerer de viktigste forskjellene mellom disse prosessene.

Normalisering av ulike stålkvaliteter

Ulegert konstruksjonsstål

Normalisering er mye brukt for ulegert konstruksjonsstål. Prosessen kan brukes etter valsing, smiing eller støping for å raffinere og homogenisere strukturen og oppnå de nødvendige mekaniske egenskapene.

Karbonstål

I karbonstål er normaliseringseffekten sterkt knyttet til karboninnholdet. Når karboninnholdet øker, øker perlittinnholdet, og materialets hardhet, styrke og duktilitet endres. Gruppen av stål med økt karboninnhold inkluderer fjærstål C55S, C67S, C75S, C85S og C100S.

Lavlegerte stål

Når det gjelder lavlegerte ståltyper, må man ta hensyn til påvirkningen av krom, molybden, nikkel, mangan og andre elementer på transformasjonene som skjer under avkjøling. Den økte herdbarheten til noen kvaliteter betyr at stålets oppførsel under luftkjøling kan avvike betydelig fra vanlig karbonstål.

Høylegerte stål

Normaliseringskonseptet bør ikke automatisk anvendes på alle høylegerte ståltyper. For rustfritt stål, varmebestandig stål, verktøystål og andre spesialstål anvendes varmebehandlinger som er passende for den spesifikke gruppen og kvaliteten. Parametrene bør alltid være basert på den nødvendige mikrostrukturen og materialegenskapene.

Normalisering av smiing

Normalisering er spesielt viktig i produksjonen av smidde deler. Under smiing utsettes stål for høye temperaturer og betydelig plastisk deformasjon, og den resulterende strukturen kan være ujevn.
Riktig valgt normalisering forfiner kornet og forener smiingens mikrostruktur. Avhengig av materialtype kan det være det siste trinnet i varmebehandlingen eller en forberedelse til herding og anløping.

Normalisering av stålstøpegods

I stålstøpegods kan normalisering brukes til å modifisere strukturen som dannes under størkning og avkjøling. Støpegods, spesielt de med store tverrsnitt, kan vise betydelig mikrostrukturell og kornstørrelsesheterogenitet.
Normalisering gir en mer ensartet struktur i de aktuelle kvalitetene og forbereder støpegodset for videre teknologiske prosesser.

Normalisering etter smiing og valsing

Forholdene under den siste smi- eller valsefasen har betydelig innvirkning på mikrostrukturen til halvfabrikata. Hvis temperaturen var høy eller materialet ble avkjølt ukontrollert, kan det oppstå overdreven kornvekst eller strukturell inhomogenitet.
Normalisering kan i slike tilfeller tjene som en forberedende behandling, noe som fører til en mer forutsigbar struktur før videre termisk eller mekanisk behandling.

Anvendelse av stålnormalisering

Normalisering brukes primært der det er nødvendig å homogenisere mikrostrukturen, raffinere kornet eller forberede materialet for påfølgende produksjonstrinn.
Typiske bruksområder inkluderer:

• smivarer og smidde elementer,
• stålstøpegods,
• aksler og aksler,
• elementer av maskiner og apparater,
• strukturelle deler,
• halvfabrikata etter varmvalsing,
• elementer forberedt for herding og anløping,
• deler som har blitt utsatt for ytterligere maskinering.

Fordeler med normalisering av stål

• mulighet for knusing av korn,
• homogenisering av mikrostrukturen,
• forbedring av utvalgte mekaniske egenskaper,
• evnen til å forberede materialet for påfølgende varmebehandlingsprosesser,
• en relativt enkel metode for luftkjøling,
• kan brukes etter smiing, valsing og støping,
• oppnår høyere hardhet og styrke enn etter typisk fullstendig gløding i mange karbonstål.

Ulemper og begrensninger ved normalisering

• prosessen er ikke egnet for alle typer stål,
• Luftkjøling kan forårsake forskjeller i kjølehastigheter i elementer med store eller variable tverrsnitt,
• deformasjon av elementer med kompleks geometri er mulig,
• normalisering gir ikke hardheten som er karakteristisk for herding,
• er ikke en prosess som primært er ment for maksimal fjerning av restspenninger,
• I stål med økt herdbarhet kan avkjøling i luft føre til andre strukturer enn i typiske karbonstål,
• Feil temperatur kan føre til overdreven kornvekst og forringelse av materialegenskaper.

Hva avhenger den riktige normaliseringseffekten av?

Effektiviteten av normalisering avhenger av riktig valg av hele den teknologiske syklusen, ikke bare maksimumstemperaturen. Det må tas hensyn til stålkvaliteten, dens kjemiske sammensetning, initialstruktur, komponentdimensjoner og geometri, oppvarmingshastighet, austenittiseringstemperatur og -tid, og faktiske kjøleforhold.
Det er spesielt viktig å unngå for høye temperaturer eller for lange bløtleggingstider, da disse kan føre til austenittkornvekst. Omvendt kan utilstrekkelige temperaturer eller for korte bløtleggingstider forhindre at den nødvendige strukturelle ensartetheten oppnås.
Normalisering av stål er en varmebehandlingsprosess som involverer oppvarming av materialet til passende austenittiseringstemperaturområde, gløding og deretter luftkjøling. Prosessen brukes primært til å raffinere kornet, homogenisere mikrostrukturen og oppnå egenskaper som er egnet for videre bearbeiding eller bruk.
Sammenlignet med full gløding bruker normalisering raskere avkjøling, noe som fører til en finere struktur og større hardhet og styrke i mange karbonstål. Det er imidlertid ikke en erstatning for herding, anløping eller spenningsgløding – hver av disse prosessene forfølger et annet teknologisk mål.

Metoder for varme- og termokjemisk behandling av stål

Mykgjøring er bare én gruppe prosesser som brukes til å modifisere mikrostrukturen og egenskapene til stål. Avhengig av ønsket effekt brukes også normalisering, spenningsavlastning, herding, anløping og termokjemiske prosesser som karburering og nitrering.

Varmebehandlingsmetoder for stål

• Normalisering av stål – kornforfining og mikrostrukturforening.
• Utskifting av forbruksvarer – reduksjon av restspenninger.
• Mykgjøring av stål – reduserer hardhet og forbedrer mottakeligheten for videre bearbeiding.
• Full gløding – austenittisering og langsom avkjøling.
• Isotermisk gløding – transformasjon utført mens den holdes ved en riktig valgt temperatur.
• Kulegløding – sfæroidisering – endring i morfologien til sementitt eller andre karbider.
• Rekrystalliseringsglødning – fjerning av effektene av knusing og gjenoppretting av plastisitet.
• Homogeniserende gløding – redusere segregering og homogenisere materialsammensetningen.
• Herding og varmebehandling – forme mikrostrukturen og egenskapene ved herding og anløping.
• Herding av stål – kontrollert modifisering av stålegenskaper etter herding.
• Induksjonsherding – overflateinduksjonsoppvarming og rask avkjøling.
• Flammeherding – overflateherding etter lokal oppvarming med flamme.
• Overmetning – å oppnå en overmettet fast løsning ved en passende termisk syklus.
• Aldring – kontrollert faseseparasjon som fører til materialforsterkning.

Metoder for termokjemisk behandling av stål

• Nitrering av stål – diffusjonsanrikning av overflatelaget med nitrogen.
• Karburering av stål – diffusjonsanriking av overflater med karbon.
• Karbonitrering – samtidig anriking av overflatelaget med karbon og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – anriking av laget primært med nitrogen og karbon.
• Boring – diffusjonsmetning av overflaten med bor.
• Diffusjonskrombelegg – diffusjonsanriking av laget med krom.
• Diffusjonsaluminisering – diffusjonsanrikning av laget i aluminium.