Normalizowanie stali – proces, temperatura, mikrostruktura i zastosowanie

Normalizowanie stali jest jednym z podstawowych procesów obróbki cieplnej stali. Jego głównym celem jest uzyskanie bardziej jednorodnej i drobnoziarnistej mikrostruktury, ograniczenie skutków wcześniejszych procesów technologicznych oraz przygotowanie materiału do dalszej obróbki cieplnej lub mechanicznej. Normalizowanie może wpływać na wytrzymałość, twardość, udarność, plastyczność i skrawalność stali, jednak zakres tych zmian zależy przede wszystkim od zawartości węgla, pierwiastków stopowych oraz struktury wyjściowej materiału.
Proces polega na nagrzaniu stali do temperatury zapewniającej odpowiedni stopień austenityzacji, wygrzaniu materiału w tej temperaturze, a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Właśnie sposób chłodzenia stanowi jedną z podstawowych różnic pomiędzy normalizowaniem a wyżarzaniem zupełnym. Chłodzenie na powietrzu przebiega szybciej niż chłodzenie razem z piecem, co wpływa na wielkość ziarna i powstającą mikrostrukturę.
Normalizowanie stosuje się przede wszystkim do stali niestopowych i niskostopowych. Może być wykonywane jako końcowa obróbka cieplna elementu albo jako proces pośredni poprzedzający dalsze operacje, takie jak hartowanie, ulepszanie cieplne czy obróbka skrawaniem.

Na czym polega normalizowanie stali?

Podczas normalizowania stal jest nagrzewana do zakresu austenitycznego odpowiedniego dla jej składu chemicznego. W czasie wygrzewania zachodzą przemiany prowadzące do powstania austenitu oraz ujednorodnienia struktury. Następnie element wyjmuje się z pieca i chłodzi w powietrzu.
Podczas chłodzenia austenit ulega przemianom prowadzącym – w zależności od składu stali i szybkości chłodzenia – przede wszystkim do powstania struktur ferrytyczno-perlitycznych lub perlitycznych. W stalach stopowych przebieg przemian może być bardziej złożony, ponieważ pierwiastki stopowe wpływają na hartowność i kinetykę przemian fazowych.
Normalizowanie jest szczególnie przydatne po procesach, które mogą powodować powstanie niejednorodnej lub gruboziarnistej struktury, np. po kuciu, walcowaniu na gorąco lub odlewaniu.

Cel normalizowania stali

Normalizowanie może pełnić kilka funkcji technologicznych. Dokładny cel procesu zależy od gatunku stali, stanu materiału oraz dalszego sposobu jego wykorzystania.
Do najważniejszych celów normalizowania należą:

• rozdrobnienie ziarna – prawidłowo przeprowadzona austenityzacja i późniejsze chłodzenie pozwalają uzyskać bardziej drobnoziarnistą strukturę,
• ujednorodnienie mikrostruktury – szczególnie po kuciu, walcowaniu, odlewaniu i innych procesach wysokotemperaturowych,
• poprawa właściwości mechanicznych – normalizowanie może zwiększać wytrzymałość i twardość w porównaniu ze stanem po wyżarzaniu zupełnym, zachowując jednocześnie użyteczną plastyczność i udarność,
• ograniczenie niekorzystnych skutków wcześniejszej obróbki – w tym niejednorodności strukturalnych i nadmiernego rozrostu ziarna,
• przygotowanie stali do dalszej obróbki cieplnej – np. hartowania lub ulepszania cieplnego,
• przygotowanie materiału do obróbki skrawaniem – w niektórych stalach odpowiednia struktura po normalizowaniu może poprawić warunki dalszej obróbki,
• uzyskanie bardziej jednorodnych właściwości w przekroju elementu – istotne szczególnie w przypadku odkuwek, odlewów i półproduktów po obróbce na gorąco.

Czynniki wpływające na efekt normalizowania stali

Końcowe właściwości stali po normalizowaniu zależą od całego cyklu obróbki cieplnej. Nawet przy tej samej temperaturze dwa gatunki stali mogą po chłodzeniu w powietrzu uzyskać inną mikrostrukturę i właściwości.

Temperatura normalizowania stali

Temperatura normalizowania nie jest jedną stałą wartością dla wszystkich gatunków stali. Dobiera się ją na podstawie składu chemicznego materiału i temperatur krytycznych związanych z przemianami fazowymi.
Dla stali podeutektoidalnych, czyli zawierających mniej węgla niż wynosi skład eutektoidalny, normalizowanie prowadzi się zasadniczo powyżej temperatury krytycznej Ac3. W praktyce temperatura procesu jest zwykle odpowiednio wyższa od Ac3, aby zapewnić prawidłową austenityzację materiału.
W przypadku stali nadeutektoidalnych zasady doboru temperatury wymagają uwzględnienia linii Acm oraz oczekiwanej mikrostruktury. Dlatego podawanie jednego zakresu, np. 800–950°C, dla wszystkich stali jest jedynie dużym uproszczeniem.
Rzeczywista temperatura normalizowania powinna być określana dla konkretnego gatunku stali na podstawie jego charakterystyki materiałowej, odpowiedniej normy, dokumentacji technologicznej lub zaleceń producenta.

Normalizowanie stali – przebieg procesu

Proces normalizowania można podzielić na trzy podstawowe etapy: nagrzewanie, wygrzewanie oraz chłodzenie.

1. Nagrzewanie

Element jest nagrzewany do temperatury normalizowania odpowiedniej dla danego gatunku stali. Szybkość nagrzewania powinna uwzględniać wielkość elementu, geometrię, grubość przekroju oraz przewodność cieplną materiału. W przypadku dużych lub skomplikowanych części zbyt szybkie nagrzewanie może powodować znaczne gradienty temperatury i związane z nimi naprężenia cieplne.

2. Wygrzewanie

Po osiągnięciu wymaganej temperatury materiał jest wygrzewany przez czas umożliwiający wyrównanie temperatury w przekroju oraz przeprowadzenie wymaganych przemian strukturalnych. Czas wygrzewania zależy od wymiarów elementu, jego masy, gatunku stali, sposobu nagrzewania i rodzaju pieca.
Nie należy traktować prostej zależności czasu od liczby milimetrów grubości jako uniwersalnej reguły dla wszystkich elementów. W technologii przemysłowej parametry powinny być określane dla konkretnego materiału i detalu.

3. Chłodzenie w powietrzu

Po zakończeniu wygrzewania element jest chłodzony w powietrzu. Chłodzenie jest szybsze niż podczas typowego wyżarzania zupełnego, w którym materiał stygnie powoli razem z piecem. Różnica szybkości chłodzenia wpływa na przebieg przemian austenitu i końcową mikrostrukturę materiału.
Warunki chłodzenia również mają znaczenie. Wielkość elementu, temperatura otoczenia, ruch powietrza i sposób ułożenia detalu mogą wpływać na rzeczywistą szybkość odprowadzania ciepła.

Mikrostruktura stali po normalizowaniu

Jednym z najważniejszych efektów normalizowania jest modyfikacja mikrostruktury stali. W typowych stalach podeutektoidalnych po prawidłowo przeprowadzonym procesie uzyskuje się strukturę zawierającą ferryt i perlit. Wraz ze wzrostem zawartości węgla zwiększa się udział perlitu.
W porównaniu z powolnym chłodzeniem podczas wyżarzania zupełnego struktura uzyskana podczas normalizowania jest zazwyczaj drobniejsza. Drobniejsza struktura perlityczna i odpowiednia wielkość ziarna mogą prowadzić do zwiększenia wytrzymałości i twardości materiału.
Końcowa mikrostruktura zależy jednak nie tylko od temperatury normalizowania, ale również od:

• zawartości węgla,
• rodzaju i zawartości pierwiastków stopowych,
• wielkości ziarna austenitu,
• czasu wygrzewania,
• wymiarów elementu,
• szybkości chłodzenia,
• mikrostruktury materiału przed normalizowaniem.

Wpływ normalizowania na właściwości mechaniczne stali

Normalizowanie może znacząco wpływać na właściwości mechaniczne stali, ale wielkość tych zmian zależy od jej składu i stanu wyjściowego. Procesu nie należy traktować jako uniwersalnej metody powodującej identyczny efekt we wszystkich gatunkach.

Wytrzymałość na rozciąganie

Drobniejsza mikrostruktura uzyskana po normalizowaniu może prowadzić do wzrostu wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu ze stalą poddaną wyżarzaniu zupełnemu. Efekt zależy między innymi od zawartości węgla i pierwiastków stopowych.

Granica plastyczności

Zmiana mikrostruktury i rozdrobnienie ziarna mogą wpływać również na granicę plastyczności. Właściwość ta ma szczególne znaczenie w przypadku stali konstrukcyjnych przeznaczonych na elementy przenoszące obciążenia.

Twardość

Stal po normalizowaniu jest zazwyczaj twardsza niż po wyżarzaniu zupełnym, ponieważ szybsze chłodzenie sprzyja powstawaniu drobniejszej struktury. Normalizowanie nie prowadzi jednak do twardości charakterystycznej dla prawidłowo zahartowanej stali martenzytycznej.

Udarność i plastyczność

Rozdrobnienie ziarna i ujednorodnienie struktury mogą korzystnie wpływać na udarność i zachowanie materiału pod obciążeniem. Konkretnego efektu nie można jednak określać bez uwzględnienia gatunku stali i parametrów procesu.

Skrawalność

Wpływ normalizowania na skrawalność nie jest jednakowy dla wszystkich stali. W stalach niskowęglowych pewne zwiększenie twardości może poprawić warunki tworzenia wióra i ograniczyć nadmierną plastyczność materiału. W innych przypadkach przed obróbką skrawaniem korzystniejsze może być wyżarzanie zmiękczające lub sferoidyzujące.

Normalizowanie a wyżarzanie

Normalizowanie i wyżarzanie są procesami wykorzystującymi nagrzewanie i kontrolowane chłodzenie stali, jednak różnią się przede wszystkim warunkami chłodzenia i wynikającą z nich mikrostrukturą.
Po normalizowaniu stal chłodzi się zasadniczo w powietrzu, natomiast podczas wyżarzania zupełnego chłodzenie jest znacznie wolniejsze i zazwyczaj odbywa się razem z piecem. W rezultacie stal normalizowana ma zwykle drobniejszą strukturę oraz wyższą twardość i wytrzymałość niż analogiczny materiał po wyżarzaniu zupełnym.
Jeżeli głównym celem jest przede wszystkim redukcja naprężeń własnych bez zasadniczej zmiany struktury materiału, stosuje się wyżarzanie odprężające.

Normalizowanie a hartowanie

Hartowanie stali różni się od normalizowania przede wszystkim szybkością chłodzenia oraz oczekiwanym efektem strukturalnym. Podczas hartowania dąży się do takiego chłodzenia austenitu, aby uzyskać strukturę o wysokiej twardości, najczęściej z istotnym udziałem martenzytu.
Normalizowanie wykorzystuje wolniejsze chłodzenie w powietrzu i w typowych stalach węglowych nie służy do wytwarzania struktury martenzytycznej. Może natomiast stanowić etap przygotowujący materiał do późniejszego hartowania lub ulepszania cieplnego.

Normalizowanie a odpuszczanie

Odpuszczanie jest procesem wykonywanym zasadniczo po hartowaniu. Jego zadaniem jest zmodyfikowanie struktury zahartowanej stali oraz uzyskanie wymaganej kombinacji twardości, wytrzymałości i plastyczności.
Normalizowanie może być natomiast samodzielną obróbką cieplną albo etapem przygotowującym materiał do kolejnych procesów. Oba procesy mają więc inne cele technologiczne.

Normalizowanie a wyżarzanie odprężające

Normalizowanie prowadzi do austenityzacji stali i późniejszego utworzenia nowej mikrostruktury podczas chłodzenia. Wyżarzanie odprężające przeprowadza się natomiast w niższej temperaturze, a jego podstawowym zadaniem jest zmniejszenie naprężeń własnych przy możliwie ograniczonym wpływie na podstawową mikrostrukturę i właściwości materiału.

Normalizowanie a inne metody obróbki cieplnej stali

Normalizowanie, wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie różnią się temperaturą procesu, sposobem chłodzenia oraz oczekiwanym efektem. Poniższa tabela przedstawia najważniejsze różnice pomiędzy tymi procesami.

Normalizowanie różnych gatunków stali

Stale niestopowe konstrukcyjne

Normalizowanie jest szeroko stosowane w przypadku stali niestopowych konstrukcyjnych. Proces może być wykorzystywany po walcowaniu, kuciu lub odlewaniu w celu rozdrobnienia i ujednorodnienia struktury oraz uzyskania wymaganych właściwości mechanicznych.

Stale węglowe

W stalach węglowych efekt normalizowania jest silnie związany z zawartością węgla. Wraz ze wzrostem jego zawartości zwiększa się udział perlitu oraz zmieniają się twardość, wytrzymałość i plastyczność materiału. Do grupy stali o podwyższonej zawartości węgla należą między innymi stale sprężynowe C55S, C67S, C75S, C85S i C100S.

Stale niskostopowe

W przypadku stali niskostopowych należy uwzględnić wpływ chromu, molibdenu, niklu, manganu i innych pierwiastków na przemiany zachodzące podczas chłodzenia. Zwiększona hartowność niektórych gatunków oznacza, że zachowanie stali podczas chłodzenia w powietrzu może znacząco różnić się od zachowania zwykłej stali węglowej.

Stale wysokostopowe

Pojęcia normalizowania nie należy automatycznie przenosić na wszystkie stale wysokostopowe. W przypadku stali nierdzewnych, żaroodpornych, narzędziowych i innych stali specjalnych stosuje się obróbki cieplne właściwe dla konkretnej grupy i gatunku. Parametry zawsze powinny wynikać z wymaganej mikrostruktury oraz właściwości materiału.

Normalizowanie odkuwek

Normalizowanie jest szczególnie istotne w produkcji elementów kutych. Podczas kucia stal jest poddawana wysokiej temperaturze i znacznym odkształceniom plastycznym, a struktura po zakończeniu procesu może być niejednorodna.
Odpowiednio dobrane normalizowanie pozwala rozdrobnić ziarno i ujednolicić mikrostrukturę odkuwki. W zależności od gatunku materiału może być końcowym etapem obróbki cieplnej lub przygotowaniem do hartowania i odpuszczania.

Normalizowanie odlewów stalowych

W odlewach stalowych normalizowanie może służyć do modyfikacji struktury powstałej podczas krzepnięcia i chłodzenia. Odlewy, szczególnie o dużych przekrojach, mogą wykazywać znaczną niejednorodność mikrostruktury i wielkości ziarna.
Normalizowanie pozwala w odpowiednich gatunkach uzyskać bardziej jednorodną strukturę oraz przygotować odlew do dalszych procesów technologicznych.

Normalizowanie po kuciu i walcowaniu

Warunki końcowej fazy kucia lub walcowania mają istotny wpływ na mikrostrukturę półproduktu. Jeżeli temperatura była wysoka lub materiał chłodził się w niekontrolowany sposób, może wystąpić nadmierny rozrost ziarna albo niejednorodność strukturalna.
Normalizowanie może w takich przypadkach pełnić funkcję obróbki przygotowawczej, prowadzącej do uzyskania bardziej przewidywalnej struktury przed dalszą obróbką cieplną lub mechaniczną.

Zastosowanie normalizowania stali

Normalizowanie jest stosowane przede wszystkim tam, gdzie wymagane jest ujednorodnienie mikrostruktury, rozdrobnienie ziarna albo przygotowanie materiału do kolejnych etapów produkcji.
Typowe zastosowania obejmują:

• odkuwki i elementy kute,
• odlewy stalowe,
• wały i osie,
• elementy maszyn i urządzeń,
• części konstrukcyjne,
• półprodukty po walcowaniu na gorąco,
• elementy przygotowywane do hartowania i odpuszczania,
• części poddawane dalszej obróbce skrawaniem.

Zalety normalizowania stali

• możliwość rozdrobnienia ziarna,
• ujednorodnienie mikrostruktury,
• poprawa wybranych właściwości mechanicznych,
• możliwość przygotowania materiału do kolejnych procesów obróbki cieplnej,
• stosunkowo prosty sposób chłodzenia w powietrzu,
• możliwość stosowania po kuciu, walcowaniu i odlewaniu,
• uzyskanie wyższej twardości i wytrzymałości niż po typowym wyżarzaniu zupełnym w wielu stalach węglowych.

Wady i ograniczenia normalizowania

• proces nie jest odpowiedni dla każdego gatunku stali,
• chłodzenie w powietrzu może powodować różnice szybkości chłodzenia w elementach o dużym lub zmiennym przekroju,
• możliwe są odkształcenia elementów o skomplikowanej geometrii,
• normalizowanie nie zapewnia twardości charakterystycznej dla hartowania,
• nie jest procesem przeznaczonym przede wszystkim do maksymalnego usuwania naprężeń własnych,
• w stalach o zwiększonej hartowności chłodzenie w powietrzu może prowadzić do innych struktur niż w typowych stalach węglowych,
• niewłaściwa temperatura może prowadzić do nadmiernego rozrostu ziarna i pogorszenia właściwości materiału.

Od czego zależy prawidłowy efekt normalizowania?

Skuteczność normalizowania zależy od prawidłowego dobrania całego cyklu technologicznego, a nie wyłącznie temperatury maksymalnej. Należy uwzględnić gatunek stali, jej skład chemiczny, strukturę wyjściową, wymiary i geometrię elementu, szybkość nagrzewania, temperaturę i czas austenityzacji oraz rzeczywiste warunki chłodzenia.
Szczególnie istotne jest unikanie nadmiernie wysokiej temperatury lub zbyt długiego wygrzewania, ponieważ może to prowadzić do rozrostu ziarna austenitu. Z kolei niewystarczająca temperatura lub zbyt krótki czas mogą uniemożliwić uzyskanie wymaganej jednorodności struktury.
Normalizowanie stali jest procesem obróbki cieplnej polegającym na nagrzaniu materiału do odpowiedniego zakresu temperatur austenityzacji, wygrzaniu, a następnie chłodzeniu w powietrzu. Proces stosuje się przede wszystkim w celu rozdrobnienia ziarna, ujednorodnienia mikrostruktury i uzyskania właściwości odpowiednich dla dalszej obróbki lub eksploatacji.
W porównaniu z wyżarzaniem zupełnym normalizowanie wykorzystuje szybsze chłodzenie, dlatego w wielu stalach węglowych prowadzi do uzyskania drobniejszej struktury oraz większej twardości i wytrzymałości. Nie jest jednak zamiennikiem hartowania, odpuszczania ani wyżarzania odprężającego – każdy z tych procesów realizuje inny cel technologiczny.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Zmiękczanie jest tylko jedną z grup procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak nawęglanie i azotowanie.

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.