С какой целью производится нормализация стальных конструкций

Обновлено: 19.05.2024

Нормализация стали – термическая обработка, которая предполагает изменение внутреннего строения металла. Она состоит из совокупности процессов, протекающих по определенным технологиям. Это один из видов обработки сплавов, за которым следует вторая закалка и отпуск. Ее сущность заключается в улучшении физических и механических характеристик стали. В ходе технологического процесса стальную заготовку нагревают до температуры, превышающей критическую на 30-50 градусов. Затем осуществляется выдерживание при нормализационных условиях. В дальнейшем выполняется охлаждение заготовки на воздухе. Однако в зависимости от особенностей технологии может применяться и другой способ охлаждения.

По сути, нормализация представляет собой нормализационный отжиг. В ходе нее происходит устранение неоднородных и крупнозернистых фракций металла, образующихся при литье, прокатке, штамповке, ковке. А также происходит снижение внутреннего напряжения. Алгоритм методики един, однако методики могут иметь различные показатели температуры и времени. Воздействие на сталь посредством температурных перепадов бывает промежуточным или заключительным этапом. Суть промежуточного заключается в подготовке металла к последующему воздействию.

Цель завершающего сосредоточена в добавлении к свойствам новых характеристик. Нормализация позволяет уменьшить число зерен в структуре стали, появившихся в результате сварки. Качество металла зависит от структуры ее кристаллической решетки. Нормализация способствует повышению твердости и прочности. Ее выполняют для высоко-, средне-, малоуглеродистых, низколегированных сталей.

Благодаря ей в каждом случае достигаются изменения, необходимые для улучшения имеющихся параметров. Ее нельзя рассматривать как исключительное средство по приданию твердости.

В некоторых случаях она нужна для обратного эффекта. Снижает не только прочность, но и ударную вязкость. Она нивелирует напряжение, возникшее по разным причинам. Это не только термическая, но и микроструктурная обработка. Операцию выполняют для металла и отливок. Благодаря этому сталь проще в обработке. При этом процесс может проводиться во время отпуска металла. В данном случае это является альтернативой закалки заготовок сложной формы.

Нормализованный металл легче резать, нормализация упрощает удаление сетки вторичного цементита. Нужная температура подбирается на основе марки стали. К примеру, сплав с 0,8% содержанием углерода (заэвтектоидный) подвергается воздействию при значениях температур, лежащих между критическими показателями Ac1 и Ac3. В результате в сплав попадает небольшое количество углерода, происходит закрепление аустенита. Появившаяся структура состоит из мартенсита и цементита. Когда сплав нагревается выше критической отметки, он становится вязким. Доэвтектоидную сталь не подвергают обработке в температурном диапазоне между критическими отметками. Это приводит к образованию феррита, негативно сказывающегося на твердости.

Нормализация снижает порог хладноломкости и способствует полной рекристаллизации. Она удаляет наклеп, готовит сталь к вторичной закалке. Благодаря ей не допускаются дефекты по сечению.

Оборудование и материалы

Основным оборудованием для проведения процедуры нормализации являются специальные печи для закалки и отжига. Нагревание печи газовое, система может содержать разные элементы. Ключевыми из них являются камеры – герметичные боксы для размещения заготовок. Помимо них, оборудование имеет нагреватели-горелки. Они нагнетают заданную температуру в печные камеры. Работают посредством косвенного либо прямого нагревания, бывают плоско-факельными. Печи оборудованы устройствами с регулировкой запорных функций. В них встроены модули, управляющие мощностью. Тип данных устройств бывает импульсным, пропорциональным, комбинированным. Помимо них, элементом оборудования являются теплоизоляторы. Нагревание внутренней печной камеры реализуется посредством воздушного пространства. Горелка расположена по центру камеры. Кроме того, ее конструкция бывает регенерационной либо рекуперационной.

Печи сопротивления с косвенным принципом нагревания имеют различную нагревательную систему. Наиболее распространенный вариант – тиристорная схема мощностного управления, контролируемая посредством микропроцессора. В работе используют разные виды сталей. Закалка варьируется условиями нагрева и охлаждения. Она бывает полной, неполной, с непрерывным охлаждением, изотермической, ступенчатой. Ее проводят в одной либо двух жидких средах. Она может проходить с ограниченным пребыванием в охлаждающей среде. Сочетание способов позволяет создать структуру с характеристиками, отвечающими нужным требованиям работоспособности изделия. При полной закалке температура превышает критические показатели. При неполной располагается в интервале закалочных значений. Если она проводится со скоростью охлаждения, превышающей критическую, охлажденная структура будет состоять из мартенсита и остаточного аустенита.

Когда скорость охлаждения меньше критической, структура будет состоять из ферритокарбидного сплава разной дисперсии. Если закалка выполняется с непрерывным охлаждением, ее температура ниже начальной точки мартенситного преобразования.

Проведение работ

Нормализация стали протекает в условиях специальных участков металлургических и перерабатывающих предприятий, оборудованных, помимо печей, иными вспомогательными устройствами. По окончании выдержки выполняют выгрузку стальной детали с дальнейшим остыванием на воздухе либо воздушным обдувом. В данном случае охлаждение проводят посредством вентиляторов. Иногда нормализация заменяется нормализующей прокаткой. При этом сокращаются не только временные показатели, но и энергетические затраты. Режимы нормализации и время выдержки разнятся.

Температура подбирается с учетом ТО, марки, процента углерода, базовых легирующих элементов. Время выдержки зависит от размеров изделия, его химического состава, температуры нагревания. Чем больше толщина, легированность и ниже температура, тем длительней фазовый процесс. Некрупные предметы прогревают в оптимальной среде течение 15 минут. Период фазовых преобразований связан со степенью легирования стали. Для углеродистого сплава и низколегированной марки достаточно полторы минуты на 1 мм толщины. Для высоколегированной – 2-2,5 минуты на каждый мм. В среднем опытным путем определили, что изделие толщиной 2,5 см выдерживают 1 час.

Во время охлаждения учитывают показатели нижней критической отметки. Если значения ниже, процесс ускоряют. При этом изделие или заготовку помещают в тару с водой либо маслом. Если у предмета большой перепад сечения, в целях профилактики коробления снижают термическое напряжение. Это важно в фазу нагревания и охлаждения. Перед проведением работ выполняют нагрев в соляной ванне. По окончании всех мероприятий образуется металл без полос, с однородной структурой. Средняя скорость охлаждения варьируется в пределах 20-500 град/сек.

Нюансы нормализации разных марок

Режимы нормализации стали марок 20, 35, 40, 40Х, 45, 50, Ст3 различны. Температура нагрева или первой закалки стали 30 составляет 870 градусов, у марки 40 – 840, у 45 – 830, у 50 – 810 градусов. Охлаждающей средой углеродистых сталей является вода. Температура отпуска варьируется от 250 до 500 градусов. Температура первой закалки хромистых и марганцовистых сталей составляет 830-880 градусов. Если сталь закаляется, не достигая показателей нужной температуры, образуются ферритные зоны, из-за которых снижается прочность. Значительное превышение критических отметок при закалке провоцирует образование трещин.

Однако стали 40Х, 45Х, 50Х и 30Х охлаждают в масле. Для других оптимальной средой охлаждения является воздух и вода. При данных условиях металл приобретает нужную твердость, улучшает свойства, которые изменяются в результате обработки. Интенсивность охлаждения определяется количеством перлита и параметрами литых заготовок. Чем оно интенсивней, тем больше перлита и прочней получается структура металла. В сравнении с отожженной сталью высоко- и среднеуглеродистый сплав становится прочней и тверже на 15-10%. Обдув воздушным потоком может протекать при скорости до 800 град/сек. В зависимости от типа стали охлаждающей средой, помимо воды и минерального масла, бывает расплавленная соль. Охлаждение должно быть правильным и интенсивным.

Если оно быстрое, прочность и твердость металла увеличиваются. При медленном протекании процесса металл теряет свои свойства. Конструкционную сталь нормализуют на улице, а не в печи. Она подвергается сверлению, точению, фрезеровке. При исправлении нарушенной структуры сплавов прибегают к двухступенчатому охлаждению. При этом перлитовые пластины преобразуются в зерна. Металл нагревают до показателей, превышающих критическую отметку. Затем ее снижают до 700, выдерживают до 500 градусов. После этого подвергают длительному остыванию. Данную нормализацию называют сфероидизирующей. В результате нее металл становится податливым резке.

По такому принципу обрабатывают сплавы с содержанием 0,65% углерода. Время выдержки металла зависит от его структуры. Чем она грубей, тем больше требуется времени.

Нормализация стали

Нормализация стали – это процесс, направленный на придание сплаву новых механических свойств. Результат зависит от процентного содержания углерода в исходном материале. Обработанная таким образом сталь становится более твердой и менее пластичной.

Цель нормализации стали

В процессе нормализации сталь нагревают до температуры на 30–50 °C выше верхней критической точки, после чего охлаждают. Данный процесс не входит в число основных методов термообработки, так как является разновидностью отжига или закалки в зависимости от марки сплава и габаритов заготовки.

Нормализация доэвтектоидных сталей позволяет сформировать однородную структуру с мелким зерном и иногда используется в малоуглеродистых сплавах вместо отжига. В случае с заэвтектоидными сталями данный процесс призван избавить металл от ценментитной сетки.

Нормализация необходима для изменения микроструктуры материала и используется для:

снижения внутреннего напряжения;
перекристаллизации крупного зерна в мелкое;
доведения до необходимого состояния поковок или промежуточных заготовок, изготовленным методом пластической деформации;
изменения свойств отливок посредством нормализации стали, то есть изделий, созданных при помощи заливки расплава в формы;
получения новых характеристик материала сварных швов.

Нормализацией стали достигают разных, нередко даже противоположных целей. Посредством этого вида термообработки удается увеличить или снизить твердость, вязкость готового изделия или изменить прочностные характеристики. Конкретный эффект зависит от термических и механических свойств сплава.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

После такой обработки отливки приобретают гомогенизированную структуру, в них уменьшаются остаточные напряжения, металл становится более подверженным термическому упрочнению. В изделиях, полученных воздействием давлением, наблюдается снижение полосчатости, упорядочивается размер зерна в структуре.

В сочетании с отпуском данная процедура позволяет отказаться от закаливания металла, чтобы избежать формирования зон с дефектами. Это наиболее значимо для изделий с резким изменением размеров сечения.

Данный подход позволяет добиться следующих целей:

улучшить структуру металла перед закалкой;
повысить обрабатываемость посредством резания;
избавиться от вторичного цементита благодаря нормализации заэвтектоидной стали;
подготовить металл к финальной термообработке.

Принципы нормализации стали

Метод обычно применяется как промежуточная стадия во время улучшения строения сплава. Он может использоваться на завершающем этапе при работе с таким сортовым прокатом, как узкие стальные брусья, укладываемые на железнодорожные шпалы, рельсы, металлические изделия с сечением в форме буквы «П», то есть швеллеры, пр.

При нормализации сталь нагревают до степени, которая превышает критические значения на 30–50 °С. Далее металл выдерживают и остужают.

Подбор температуры осуществляют в соответствии с типом сплава. Заэвтектоидные стали проходят нормализацию в промежутке между точками Ас1 и Ас3, а доэвтектоидные требуют нагрева выше Ас3. Металлам первого типа сообщается одинаковая твердость, поскольку равная доля углерода переходит в раствор. Таким образом, фиксируется одинаковое количество аустенита, а в структуре остаются только мартенсит и цемент. Второй компонент обеспечивает материалу дополнительную стойкость к износу, твердость.

При нормализации углеродистой стали с высоким содержанием углерода и ее нагреве до уровня выше Ас3 наблюдается повышение внутренних напряжений. Это вызывает увеличение аустенитных зерен и содержания данного компонента на фоне снижения температуры мартенситного превращения. Последнее происходит в результате роста доли углерода. Данные процессы вызывают снижение твердости, прочности металла.

Нагрев доэвтектоидного сплава свыше показателя Ас3 позволяет сообщить ему большую вязкость. Это объясняется тем, что в низкоуглеродистых сталях формируется мелкозернистый аустенит, а после снижения нагрева он превращается в мартенсит, характеризующийся мелкими кристаллами. Применение температуры в пределах Ас1–Ас3 чревато получением структуры феррита, которая негативно сказывается на твердости после нормализации стали и механических показателях после отпуска.

Продолжительность выдержки влияет на уровень гомогенизации. В норме на эту операцию закладывают час на каждые 25 мм толщины металла.

Интенсивность охлаждения подбирают в соответствии с необходимым содержанием перлита и размерами его пластин. Из-за увеличения интенсивности повышается содержание перлита, при этом сокращаются промежутки между пластинами и их толщина. Так удается повысить твердость, прочность металла. А при низкой интенсивности охлаждения сплав характеризуется меньшей прочностью и твердостью.

В процессе нормализации стали заготовок, имеющих значительные перепады сечения, стараются сократить термические напряжения, чтобы металл не коробился, – таким образом поступают при нагреве и охлаждении. Прежде чем приступить к основному этапу обработки, температуру металла поднимают в соляной ванне.

При достижении температуры нижней критической точки изделие нередко остужают ускоренным способом, погрузив его в масло или воду.

После нормализации микроструктура стали претерпевает изменения, а именно снижаются внутренние напряжения, запускается процесс перекристаллизации, который влечет за собой уменьшение размера зерна.

Термообработка стали

Термообработка стали является одной из обязательных процедур, позволяющих придать заготовкам и деталям требуемые свойства. Она может проводиться на разных этапах изготовления, при этом химический состав материала не меняется.

Такой процесс позволяет повысить обрабатываемость деталей, снять остаточное напряжение и в целом улучшить эксплуатационные характеристики. Подробнее о термообработке стали, а также о том, на каких этапах ее можно проводить, расскажем далее.

Задачи термообработки стали по ГОСТу

Термообработка стали выполняется при максимальной температуре, в процессе которой происходит:

повторная кристаллизация стали,
переход железа из гамма- в альфа-форму,
преобразование крупных частиц в пластины.

Эксплуатационные свойства стали и легкость металлообработки непосредственно зависят от внутренней структуры двухфазной смеси.

Главное назначение термообработки стали:

Создание прочных термоустойчивых износо- и коррозионностойких готовых стальных изделий.
Снятие в заготовках внутреннего напряжения после литья, горячее и холодное штампование, глубокая вытяжка стали. При этом повышается ее пластичность и облегчается обработка резанием.

Термообработку применяют к таким типам сталей, как:

углеродистая и легированная,
с содержанием углерода от 0,25 % до 0,7 %,
конструкционная, инструментальная и специальная,
различного качества.

Качество термической обработки стали зависит от следующих основных параметров:

продолжительность (скорость) нагрева,
температура нагрева,
длина выдержки при указанной температуре,
интенсивность (период охлаждения).

Чтобы получить разные виды термической обработки стали, можно менять вышеперечисленные параметры.

4 основных вида термообработки стали

Термообработка стали – это процесс изменения внутреннего строения и структуры стали за счет воздействия на нее нагрева, выдержки и охлаждения. На каждом этапе тепловой обработки необходимо строгое соблюдение температуры, скорости и продолжительности, зависящие от доли углерода и легирующих элементов в сплаве. При нагревании происходят изменения структуры материала, а при охлаждении эти структурные изменения протекают в обратном порядке.

Виды тепловой обработки:

Отжиг:

гомогенизация,
рекристаллизация,
изотермический отжиг,
отжиг для устранения напряжений,
отжиг полный,
неполный отжиг.

Закалка

Нормализация

Отпуск:

низкий,
средний,
высокий.

Далее приведены подробности каждого вида термообработки.

Как стали и сплавы подвергаются термообработке

При отпуске

Данный вид термообработки очень часто используется в машиностроении при производстве стальных изделий различного назначения. Чтобы уменьшить внутреннее остаточное напряжение, отпуск применяется с закалкой. Данный метод позволяет получить прочный материал, снять его хрупкость, возникающую при влиянии повышенной температуры.

Еще одно важное предназначение отпуска – это повышение ударной вязкости металла, благодаря чему уменьшается его твердость. Поэтому сильное внешнее воздействие жесткими предметами не повредит поверхность материала.

Пользуются такой таблицей цветов побежалости при термообработке стали для уточнения режимов температуры:

Температура (°С)

Цвет каления

Очень темно-красный (видимый в темноте)

Типы технологии отпуска:

Данный метод применяют для получения мартенситной структуры стали. Главная его функция – максимально повысить вязкость материала с сохранением его жесткости.

Обычная температура нагревания – +150 °С, максимальная – не более +250 °С. При обычном нагреве металл держат около 1,5 часа. Охлаждают в масле или на воздухе, чтобы увеличить прочность заготовки или готовой детали.

Применяют низкий отпуск при изготовлении измерительных инструментов или различных изделий для резания.

Обычная температура нагрева при обработке – не более +340 °С. Отличительная особенность метода – увеличение максимальной температуры до +500 °С. Охлаждение производится воздухом.

Главная цель – переход от мартенситной структуры в троостит. Это позволяет увеличить вязкость материала с понижением его твердости. Данная технология применяется при производстве деталей, которые используют под сильными нагрузками.

Самый эффективный метод, позволяющий уменьшить высокое внутреннее напряжение. Материал нагревают до температуры от +450 до + 600 °С, чтобы повысить его вязкость и пластичность без снижения прочности. Сложный, но оптимальный способ при производстве ответственных деталей. Применяется при термообработке для большинства конструкционных сталей.

При отжиге

Отжиг – это вид термообработки стали, который используют для получения равновесной однородной внутренней структуры стали и значительного уменьшения ее напряжения. При обработке материал нагревают до высокой температуры, выдерживают и долго охлаждают.

В промышленности используют некоторые подвиды термической обработки:

При закалке

Закалка так же, как и отпуск – самый распространенный метод термообработки. Она необходима для повышения таких показателей стали, как твердость, максимальная упругость и износостойкость. С помощью данной обработки уменьшают предел прочности на сжатие и растяжение. Для улучшения эксплуатационных свойств такой термообработке часто подвергаются инструментальные стали.

Закалка – наиболее старый способ термообработки. Его особенность – быстрое охлаждение стали, нагретой до максимальной температуры. Максимум нагревания зависит от марки стали. Главное – учесть, при каком температурном режиме начинается процесс изменения внутренней кристаллической решетки.

От изменения марки сплава меняются следующие параметры:

Охлаждающая среда. Наиболее легкий метод – окунание в воду. Чтобы улучшить показатели стали, охлаждение происходит с применением масла, инертного газа или соленых растворов.
Скорость охлаждения. Зависит от начальной температуры нагревания. Отличаться может и температура газа, раствора с содержанием соли и воды.
Нагревание. Подбирается на основании предела, при котором происходит изменение внутренней структуры. Для большинства марок сплавов – это +900 °С.

При нормализации

Нормализация – вид термообработки стали, при котором меняется структура и измельчается зерно внутри сплава. Такой процесс подходит для низкоуглеродистой и легированной стали.

Основное превосходство данной обработки – увеличение твердости стали до 300 НВ. Есть возможность применять заготовки, полученные горячекатаным способом. Повышается прочность, износостойкость и вязкость стали. Благодаря этому следующий этап обработки проходит легче.

Охлаждающая среда – воздух. Предел температуры нагревания – увеличение еще на 50 °С к установленному максимуму для конкретной марки стали.

Нюансы термообработки стали разных марок, а также цветных сплавов

Термообработка легированных сталей марок 20Х, 15ХГН2ТА, 4Х5МФС, 20Х2Н4А, 50ХГФА, 6ХВ2С, 18ХГ, У9, 45Г2, 20ХГР, 38ХН3МА, 7Х3, 20ХН3А имеет общие требования для мартенсита, перлитных и аустенитных сплавов. Есть определенные критичные точки на графике для получения перлита, мартенсита, аустенитовой или ферритовой стали. Термическая обработка таких сплавов происходит с помощью длительного нагревания до определенной температуры.

Также этот процесс сопровождается затяжной выдержкой и медленным охлаждением. Но надо иметь в виду, что при закалке охлаждение более быстрое. Законы физики объясняют, почему происходит медленное нагревание и остывание: чем выше теплообмен, тем ниже вероятность повреждения сплава. Нагрев выполняют постепенно, по всей поверхности изделия.

После термообработке нержавеющей стали марок 07Х16Н6, 20Х13, 20Х14, 20Х16, 20Х18Н9Т и подобные сплавы (имеющие в маркировке обозначение «Х» – процент хрома в массе) оставляют медленно остывать в печи. Также сюда можно отнести сплавы с содержанием хрома 13 % и выше по весу заготовки. В составе печи для отложенного накаливания на некоторых производствах применяют электрообогревательное оборудование, которое будет нагревать металл по определенному алгоритму. Это позволит соблюсти технологию изготовления.

При термообработке аустенитные стали в печи временно нагревают до +1 150 °С. После нужной выдержки каленую сталь охлаждают в масле до окончательного остывания или по определенному алгоритму. Это позволяет добиться устойчивой внутренней структуры. Сплав при этом улучшает все свои свойства.

В зависимости от того, какой род стали нужно получить, простые углеродистые стали марок Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст8, Ст10, Ст15, Ст20, Ст25, Ст30, Ст35, Ст40, Ст45, Ст50, Ст55, Ст60, Ст75, содержащие сотые доли углерода по массе заготовок, нормализуют и отпускают, отжигают по общей технологии «мартенсит – перлит – аустенит – феррит». Основная задача – повышение устойчивости молекулярной связи в кристаллической решетке и снижение хрупкости.

Термообработка цветных сплавов отличается от других металлов особенной кристаллической решеткой, увеличенной или уменьшенной теплопроводностью и химической реакции на кислород и водород:

При термической обработке алюминиевых и медных сплавов нет сложностей с накаливанием, а для титанового сплава – это основная проблема, так как его тепловая проводимость ниже в 15 раз, чем у алюминиевого.
Медные сплавы при максимальной температуре контактируют с кислородом, на основании этого термообработка проводится в защитной среде.
Сплавы с алюминием фактически пассивны к атмосферным газам, а титановый сплав, наоборот, наводороживается. Поэтому для снижения процента водорода титан обрабатывают в вакуумной среде. Термообработка стали из деформируемых металлов с алюминием (профили, трубы, уголки) выполняется с соблюдением температуры нагревания +450–500 °С.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Читайте также: