Normalizarea oțelului – Proces, temperatură, microstructură și aplicație

Normalizarea oțelului este unul dintre procesele de bază tratamentul termic al oțeluluiScopul său principal este de a obține o microstructură mai uniformă și cu granulație fină, de a reduce efectele proceselor tehnologice anterioare și de a pregăti materialul pentru tratamente termice sau mecanice ulterioare. Normalizarea poate afecta rezistența, duritatea, rezistența la impact, ductilitatea și prelucrabilitatea oțelului, dar amploarea acestor modificări depinde în primul rând de conținutul de carbon, de elementele de aliere și de structura inițială a materialului.
Procesul implică încălzirea oțelului la o temperatură care asigură gradul adecvat de austenitizare, încălzirea materialului la acea temperatură și apoi răcirea acestuia în aer liber. Metoda de răcire este una dintre diferențele fundamentale dintre normalizare și recoacere completă. Răcirea cu aer este mai rapidă decât răcirea în cuptor, ceea ce afectează dimensiunea granulelor și microstructura rezultată.
Normalizarea este utilizată în principal pentru oțelurile nealiate și slab aliate. Poate fi efectuată ca tratament termic final al unei componente sau ca un proces intermediar care precede operațiuni ulterioare, cum ar fi călirea, tratamentul termic sau prelucrarea mecanică.

Ce este normalizarea oțelului?

În timpul normalizării, oțelul este încălzit până la intervalul austenitic corespunzător compoziției sale chimice. În timpul procesului de încălzire, au loc transformări care duc la formarea austenitei și la omogenizarea structurii. Componenta este apoi scoasă din cuptor și răcită la aer.
În timpul răcirii, austenita suferă transformări care duc – în funcție de compoziția oțelului și de viteza de răcire – în principal la formarea unor structuri feritico-perlitice sau perlitice. În oțelurile aliate, procesul de transformare poate fi mai complex, deoarece elementele de aliere influențează călibilitatea și cinetica transformărilor de fază.
Normalizarea este utilă în special după procese care pot duce la o structură neomogenă sau cu granulație grosieră, cum ar fi forjarea, laminarea la cald sau turnarea.

Scopul normalizării oțelului

Normalizarea poate servi mai multor scopuri tehnologice. Scopul precis al procesului depinde de gradul oțelului, de starea materialului și de utilizarea preconizată a acestuia.
Cele mai importante obiective ale standardizării includ:

• rafinarea cerealelor – austenitizarea efectuată corect și răcirea ulterioară permit obținerea unei structuri cu granulație mai fină,
• omogenizarea microstructurii – în special după forjare, laminare, turnare și alte procese la temperaturi ridicate,
• îmbunătățirea proprietăților mecanice – normalizarea poate crește rezistența și duritatea în comparație cu starea complet recoaptă, menținând în același timp ductilitatea și rezistența la impact utile,
• limitarea efectelor adverse ale tratamentului anterior – inclusiv neomogenități structurale și creștere excesivă a granulelor,
• pregătirea oțelului pentru tratament termic suplimentar – de exemplu, întărire sau îmbunătățire termică,
• pregătirea materialului pentru prelucrare – la unele oțeluri, structura adecvată după normalizare poate îmbunătăți condițiile pentru prelucrarea ulterioară,
• obținerea unor proprietăți mai uniforme în secțiunea transversală a elementului – deosebit de important în cazul pieselor forjate, turnate și semifabricatelor după prelucrarea la cald.

Factorii care influențează efectul normalizării oțelului

Proprietățile finale ale oțelului după normalizare depind de întregul ciclu de tratament termic. Chiar și la aceeași temperatură, două clase de oțel pot dezvolta microstructuri și proprietăți diferite la răcirea cu aer.

Normalizarea temperaturii oțelului

Temperatura de normalizare nu este o constantă unică pentru toate clasele de oțel. Aceasta este selectată pe baza compoziției chimice a materialului și a temperaturilor critice asociate cu transformările de fază.
Pentru oțelurile hipoeutectoide, adică oțelurile care conțin mai puțin carbon decât compoziția eutectoidă, normalizarea se efectuează în general peste temperatura critică. Ac3În practică, temperatura de proces este de obicei suficient de mare decât Ac3 pentru a asigura austenitizarea corectă a materialului.
În cazul oțelurilor hipereutectoide, regulile de selecție a temperaturii impun luarea în considerare a liniei acm și microstructura așteptată. Prin urmare, specificarea unui singur interval, de exemplu, 800–950°C, pentru toate oțelurile este doar o simplificare brută.
Temperatura reală de normalizare trebuie determinată pentru o anumită clasă de oțel pe baza caracteristicilor sale materiale, a standardului relevant, a documentației tehnologice sau a recomandărilor producătorului.

Normalizarea oțelului – fluxul procesului

Procesul de normalizare poate fi împărțit în trei etape de bază: încălzire, recoacere și răcire.

1. Încălzire

Componenta este încălzită la temperatura de normalizare corespunzătoare pentru gradul de oțel dat. Viteza de încălzire trebuie să ia în considerare dimensiunea componentei, geometria, grosimea secțiunii transversale și conductivitatea termică a materialului. Pentru piesele mari sau complexe, încălzirea prea rapidă poate provoca gradienți de temperatură semnificativi și solicitări termice asociate.

2. Încălzire

Odată ce temperatura necesară este atinsă, materialul este încălzit pentru o perioadă de timp suficientă pentru a permite egalizarea temperaturii pe toată secțiunea transversală și pentru a permite transformările structurale necesare. Timpul de încălzire depinde de dimensiunile componentei, masa, gradul de oțel, metoda de încălzire și tipul cuptorului.
Simpla relație dintre timp și milimetrii de grosime nu ar trebui considerată o regulă universală pentru toate componentele. În tehnologia industrială, parametrii ar trebui definiți pentru materiale și piese specifice.

3. Răcire cu aer

După recoacere, componenta este răcită cu aer. Răcirea este mai rapidă decât în ​​timpul recoacerii complete tipice, în care materialul se răcește lent în cuptor. Această diferență în viteza de răcire influențează transformarea austenitei și microstructura finală a materialului.
Condițiile de răcire joacă, de asemenea, un rol. Dimensiunea componentelor, temperatura ambiantă, mișcarea aerului și orientarea componentelor pot influența rata reală de disipare a căldurii.

Microstructura oțelului după normalizare

Unul dintre cele mai importante efecte ale normalizării este modificarea microstructurii oțelului. În oțelurile hipoeutectoide tipice, un proces efectuat corect produce o structură care conține ferită și perlită. Pe măsură ce conținutul de carbon crește, crește și conținutul de perlită.
Comparativ cu răcirea lentă în timpul recoacerii complete, structura obținută în timpul normalizării este de obicei mai fină. O structură perlitică mai fină și o granulometrie adecvată pot duce la creșterea rezistenței și durității materialului.
Totuși, microstructura finală depinde nu numai de temperatura de normalizare, ci și de:

• conținutul de carbon,
• tipul și conținutul elementelor de aliere,
• dimensiunea granulelor de austenită,
• timpul de încălzire,
• dimensiunile elementului,
• rate de răcire,
• microstructura materialului înainte de normalizare.

Efectul normalizării asupra proprietăților mecanice ale oțelului

Normalizarea poate afecta semnificativ proprietățile mecanice ale oțelului, dar magnitudinea acestor modificări depinde de compoziția și starea inițială a acestuia. Procesul nu ar trebui considerat o metodă universală care produce rezultate identice în toate clasele.

Wytrzymałość na rozciąganie

Microstructura mai fină obținută după normalizare poate duce la o creștere a rezistenței la tracțiune în comparație cu oțelul complet recopt. Efectul depinde, printre alți factori, de conținutul de carbon și de elementele de aliere.

Punct de curgere

Modificările microstructurii și rafinarea granulelor pot afecta, de asemenea, limita de curgere. Această proprietate este deosebit de importantă pentru oțelurile structurale destinate componentelor portante.

Duritate

Oțelul normalizat este de obicei mai dur decât oțelul complet recopt, deoarece răcirea mai rapidă promovează dezvoltarea unei structuri mai fine. Cu toate acestea, normalizarea nu obține duritatea caracteristică oțelului martensitic călit corespunzător.

Rezistența la impact și ductilitatea

Rafinarea granulelor și omogenizarea structurală pot avea un impact pozitiv asupra rezistenței la impact și a comportamentului materialului sub sarcină. Cu toate acestea, efectul specific nu poate fi determinat fără a lua în considerare gradul de oțel și parametrii procesului.

Prelucrabilitate

Efectul normalizării asupra prelucrabilității nu este același pentru toate oțelurile. În oțelurile cu conținut scăzut de carbon, o oarecare creștere a durității poate îmbunătăți formarea așchiilor și poate reduce ductilitatea excesivă a materialului. În alte cazuri, recoacerea moale sau recoacerea sferoidizată înainte de prelucrare poate fi mai benefică.

Normalizare vs. recoacere

Normalizarea și recoacerea sunt procese care implică încălzirea și răcirea controlată a oțelului, dar diferă în principal prin condițiile de răcire și microstructura rezultată.
După normalizare, oțelul este în general răcit în aer, în timp ce în timpul recoacerii complete, răcirea este mult mai lentă și are loc de obicei în conjuncție cu cuptorul. Drept urmare, oțelul normalizat are de obicei o structură mai fină și o duritate și o rezistență mai mari decât materialul corespunzător recopt complet.
Dacă scopul principal este reducerea tensiunilor reziduale fără a schimba fundamental structura materialului, recoacere de detensionare.

Normalizare și întărire

Călirea oțelului Aceasta diferă de normalizare în principal prin viteza de răcire și efectul structural dorit. În timpul călirii, scopul este de a răci austenita pentru a obține o structură cu duritate ridicată, cel mai adesea cu un conținut semnificativ de martensită.
Normalizarea utilizează o răcire mai lentă cu aer și nu este utilizată pentru a crea o structură martensitică în oțelurile carbon tipice. Cu toate acestea, poate fi o etapă în pregătirea materialului pentru călirea sau tratamentul termic ulterioare.

Normalizare vs. Renunțare

A lăsa să meargă este un proces efectuat în general după călire. Scopul său este de a modifica structura oțelului călit și de a obține combinația necesară de duritate, rezistență și ductilitate.
Normalizarea, pe de altă parte, poate fi un tratament termic independent sau o etapă de pregătire a materialului pentru procese ulterioare. Prin urmare, ambele procese au obiective tehnologice diferite.

Normalizare și recoacere pentru detensionare

Normalizarea duce la austenitizarea oțelului și la formarea ulterioară a unei noi microstructuri la răcire. Recoacerea de detensionare, pe de altă parte, se efectuează la o temperatură mai scăzută și are ca scop principal reducerea tensiunilor reziduale, minimizând în același timp impactul asupra microstructurii de bază și a proprietăților materialului.

Normalizarea și alte metode de tratament termic al oțelului

Normalizarea, recoacerea, călirea și revenirea diferă în funcție de temperatura procesului, metoda de răcire și efectul dorit. Tabelul de mai jos rezumă principalele diferențe dintre aceste procese.

Normalizarea diferitelor clase de oțel

Oțeluri structurale nealiate

Normalizarea este utilizată pe scară largă pentru oțelurile structurale nealiate. Procesul poate fi utilizat după laminare, forjare sau turnare pentru a rafina și omogeniza structura și a obține proprietățile mecanice necesare.

Oțeluri carbon

În oțelurile carbon, efectul de normalizare este puternic legat de conținutul de carbon. Pe măsură ce conținutul de carbon crește, conținutul de perlită crește, iar duritatea, rezistența și ductilitatea materialului se modifică. Grupa de oțeluri cu conținut crescut de carbon include oțelurile pentru arcuri C55S, C67S, C75S, C85S și C100S.

Oțeluri slab aliate

În cazul oțelurilor slab aliate, trebuie luată în considerare influența cromului, molibdenului, nichelului, manganului și a altor elemente asupra transformărilor care au loc în timpul răcirii. Călibilitatea crescută a unor mărci înseamnă că comportamentul oțelului în timpul răcirii cu aer poate diferi semnificativ de cel al oțelului carbon obișnuit.

Oțeluri înalt aliate

Conceptul de normalizare nu ar trebui aplicat automat tuturor oțelurilor înalt aliate. Pentru oțelurile inoxidabile, oțelurile rezistente la căldură, oțelurile pentru scule și alte oțeluri speciale, se aplică tratamente termice adecvate grupei și clasei specifice. Parametrii ar trebui să se bazeze întotdeauna pe microstructura și proprietățile materialului necesare.

Normalizarea forjărilor

Normalizarea este deosebit de importantă în producția de piese forjate. În timpul forjării, oțelul este supus unor temperaturi ridicate și unor deformări plastice semnificative, iar structura rezultată poate fi neuniformă.
Normalizarea selectată corespunzător rafinează fibra și unifică microstructura piesei forjate. În funcție de tipul de material, aceasta poate fi etapa finală a tratamentului termic sau o pregătire pentru călire și revenire.

Normalizarea pieselor turnate din oțel

În cazul pieselor turnate din oțel, normalizarea poate fi utilizată pentru a modifica structura formată în timpul solidificării și răcirii. Piesele turnate, în special cele cu secțiuni transversale mari, pot prezenta o eterogenitate microstructurală și granulometrică semnificativă.
Normalizarea permite obținerea unei structuri mai uniformă în clasele corespunzătoare și pregătește turnarea pentru procese tehnologice ulterioare.

Normalizare după forjare și laminare

Condițiile din faza finală de forjare sau laminare au un impact semnificativ asupra microstructurii produsului semifabricat. Dacă temperatura a fost ridicată sau materialul s-a răcit necontrolat, poate apărea o creștere excesivă a granulelor sau o neomogenitate structurală.
Normalizarea poate servi în astfel de cazuri ca tratament pregătitor, ducând la o structură mai previzibilă înainte de un tratament termic sau mecanic suplimentar.

Aplicarea normalizării oțelului

Normalizarea este utilizată în principal acolo unde este necesară omogenizarea microstructurii, rafinarea granulei sau pregătirea materialului pentru etapele ulterioare de producție.
Aplicațiile tipice includ:

• forjate și elemente forjate,
• piese turnate din oțel,
• arbori și punți,
• elemente ale mașinilor și dispozitivelor,
• piese structurale,
• produse semifabricate după laminare la cald,
• elemente pregătite pentru călire și revenire,
• piese supuse unor prelucrări ulterioare.

Avantajele normalizării oțelului

• posibilitatea zdrobirii cerealelor,
• omogenizarea microstructurii,
• îmbunătățirea proprietăților mecanice selectate,
• capacitatea de a pregăti materialul pentru procese ulterioare de tratament termic,
• o metodă relativ simplă de răcire cu aer,
• poate fi utilizat după forjare, laminare și turnare,
• obținându-se o duritate și o rezistență mai mari decât după recoacerea completă tipică în multe oțeluri carbon.

Dezavantaje și limite ale normalizării

• procesul nu este potrivit pentru orice tip de oțel,
• răcirea cu aer poate cauza diferențe în vitezele de răcire la elementele cu secțiuni transversale mari sau variabile,
• Deformarea elementelor cu geometrie complexă este posibilă,
• normalizarea nu oferă duritatea caracteristică ecruisării,
• nu este un proces destinat în primul rând eliminării maxime a tensiunilor reziduale,
• în oțelurile cu călibilitate crescută, răcirea în aer poate duce la structuri diferite față de oțelurile carbon tipice,
• Temperatura incorectă poate duce la creșterea excesivă a granulelor și la deteriorarea proprietăților materialului.

De ce depinde efectul corect de normalizare?

Eficacitatea normalizării depinde de selectarea corectă a întregului ciclu tehnologic, nu doar de temperatura maximă. Trebuie luate în considerare calitatea oțelului, compoziția sa chimică, structura inițială, dimensiunile și geometria componentelor, viteza de încălzire, temperatura și timpul de austenitizare și condițiile reale de răcire.
Este deosebit de important să se evite temperaturile excesiv de ridicate sau timpii de impregnare excesiv de lungi, deoarece acestea pot duce la creșterea granulelor de austenită. În schimb, temperaturile insuficiente sau timpii de impregnare prea scurți pot împiedica obținerea uniformității structurale necesare.
Normalizarea oțelului este un proces de tratament termic care implică încălzirea materialului la intervalul de temperatură de austenitizare corespunzător, recoacere și apoi răcire cu aer. Procesul este utilizat în principal pentru rafinarea granulei, omogenizarea microstructurii și obținerea de proprietăți adecvate pentru prelucrare sau utilizare ulterioară.
Comparativ cu recoacerea completă, normalizarea utilizează o răcire mai rapidă, motiv pentru care duce la o structură mai fină și la o duritate și rezistență mai mari în multe oțeluri carbon. Cu toate acestea, nu înlocuiește călirea, revenirea sau recoacerea de detensionare - fiecare dintre aceste procese urmărește un obiectiv tehnologic diferit.

Metode de tratare termică și termochimică a oțelului

Înmuierea este doar un grup de procese utilizate pentru modificarea microstructurii și proprietăților oțelului. În funcție de efectul dorit, se utilizează, de asemenea, normalizarea, detensionarea, călirea, revenirea și procese termochimice, cum ar fi carburarea și nitrurarea.

Metode de tratare termică a oțelului

• Normalizarea oțelului – rafinarea granulelor și unificarea microstructurii.
• Wyżarzanie odprężające – reducerea tensiunilor reziduale.
• Înmuierea oțelului – reducerea durității și îmbunătățirea susceptibilității la prelucrări ulterioare.
• Recoacere completă – austenitizare și răcire lentă.
• Recoacere izotermă – transformare efectuată menținându-se la o temperatură selectată corespunzător.
• Recoacere cu bile – sferoidizare – modificarea morfologiei cementitei sau a altor carburi.
• Recoacere prin recristalizare – înlăturarea efectelor de strivire și refacerea plasticității.
• Recoacere de omogenizare – reducerea segregării și omogenizarea compoziției materialelor.
• Întărire și tratament termic – modelarea microstructurii și a proprietăților prin călire și revenire.
• Revenire oțel – modificarea controlată a proprietăților oțelului după călire.
• Călire prin inducție – încălzire prin inducție superficială și răcire rapidă.
• Călire la flacără – întărire superficială după încălzire locală cu flacără.
• Suprasaturație – obținerea unei soluții solide suprasaturate printr-un ciclu termic adecvat.
• Îmbătrânire – separare controlată a fazelor care duce la întărirea materialului.

Metode de tratare termochimică a oțelului

• Nitrurarea oțelului – îmbogățirea prin difuzie a stratului superficial cu azot.
• Cementarea oțelului – îmbogățirea difuzivă a suprafeței cu carbon.
• Carbonitrurare – îmbogățirea simultană a stratului superficial cu carbon și azot.
• Nitrocarburare / nitrocarburare – îmbogățirea stratului în principal cu azot și carbon.
• Foraj – saturația prin difuzie a suprafeței cu bor.
• Placare cu crom difuz – îmbogățirea prin difuzie a stratului cu crom.
• Aluminizare prin difuzie – îmbogățirea prin difuzie a stratului în aluminiu.