Normalizace oceli: popis a charakteristika

Většina operací spojených s tepelným zpracováním zahrnuje stejný algoritmus akcí:

• zahřívání produktu na určité teploty;
• udržování pod vlivem nastavené teploty po stanovenou dobu;
• chlazení, které lze provádět v různých prostředích a různými rychlostmi.

Tepelné zpracování dílů může působit jako mezitechnologický proces i jako dokončovací. V prvním případě jím procházejí ty díly, které se budou ještě opracovávat, například vrtáky nebo lopatky leteckých turbín. Druhý případ znamená, že po tepelném zpracování získá hotový díl nové vlastnosti.

Normalizace oceli je druh tepelného zpracování kovu s následným ochlazením na vzduchu. Výsledkem této operace je vytvoření normalizované ocelové konstrukce. Mimochodem, odtud pochází i název. Operace se používá ve vztahu k výkovkům, odlitkům atd. Normalizace slouží k minimalizaci zrn v ocelové konstrukci tvořené svarem.

Podstata procesu

Postup normalizace je následující. Díl se zahřeje na teploty, které překračují maximální přípustné parametry (Ac1, Ac3) o 30 – 50 stupňů Celsia, poté je na této teplotě po nějakou dobu udržován, poté se ochladí.

Teplota se volí podle třídy oceli. Slitiny obsahující 0,8 % uhlíku, tzv. hypereutektoidní, se tedy zpracovávají při teplotách ležících mezi kritickými body Ac1 a Ac3.

Jaké jsou kritické body Toto je název pro teploty, při kterých dochází k fázovým změnám a struktuře slitiny, když je zahřívána nebo ochlazována.

Výsledkem toho je, že určitý objem uhlíku vstupuje do tuhého roztoku a austenit je fixován. To znamená, že se objeví struktura skládající se z martenzitu a cementitu. Právě cementit vede ke zvýšení odolnosti proti opotřebení a tvrdosti. Zahřívání vysokouhlíkové oceli nad ac3 vede ke zvýšení vnitřních pnutí. To je způsobeno tím, že množství austenitu se zvyšuje v důsledku zvýšení koncentrace uhlíku.

Při zahřátí nad kritický bod Ac0,8 získává ocel s obsahem uhlíku nižším než 3 % zvýšenou viskozitu. To se děje proto, že v oceli tohoto typu se objevuje austenit (jemnozrnný), který se mění na martenzit (jemnozrnný).

Hypoeutektoidní ocel se nezpracovává při teplotách v rozmezí Ac1 – Ac3. Protože se v tomto případě objevuje ferit, který snižuje parametry tvrdosti.

Čas potřebný k dokončení operace

Získání homogenní struktury slitiny při určité teplotě nějakou dobu trvá. Tato doba bude určena jako doba výdrže oceli během normalizace. Experimentálně bylo stanoveno, že vrstva kovu o tloušťce 25 mm se po hodině stává homogenní. Tedy. a určit dobu normalizace.

Poslední fází je chlazení

Rychlost ochlazování hraje významnou roli při tvorbě objemu perlitu a velikosti jeho desek. Četné studie prokázaly, že vysoké rychlosti ochlazování zvyšují množství perlitu a ocel získává zvýšenou tvrdost a pevnost. Nízká intenzita chlazení vede ke ztrátě tvrdosti a pevnosti oceli.

Například při zpracování dílů s výraznými rozdíly ve velikosti. hřídele, je vhodné odstranit pnutí vznikající vlivem kolísání teplot. K tomu se předehřívají v nádobě naplněné různými solemi. Při poklesu teploty je možné tento proces urychlit umístěním horkých dílů do vody nebo speciálně vybraného oleje.

Jinými slovy, normalizace oceli eliminuje napětí uvnitř součásti a minimalizuje její strukturu. To znamená, že má přímý vliv na změny mikrostruktury ocelových slitin.

Pomocí normalizace

Tato forma tepelného zpracování se používá k dosažení různých účelů. Použití normalizace tedy může zvýšit nebo snížit tvrdost ocelové slitiny, houževnatost a pevnostní charakteristiky. Tento způsob tepelného zpracování se používá, když je potřeba zlepšit obrobitelnost oceli pomocí různých metod – řezání, lisování atd.

Díly vyrobené odléváním procházejí normalizací za účelem získání homogenizované struktury a odstranění vnitřních pnutí. Totéž lze říci o dílech získaných po kování. To znamená, že normalizace slouží k získání homogenní kovové struktury a odstranění vnitřních pnutí. Kromě toho lze tento proces použít jako náhradu za kalící produkty se složitými profily. Kromě zmíněných výsledků normalizačního procesu můžete přidat takové výsledky, jako je minimalizace zrn ve struktuře slitiny, odstranění sekundárního cementitu a zvýšení obrobitelnosti oceli.

V podstatě podobné procesy tepelného zpracování

Kromě normalizace lze do seznamu tepelného zpracování ocelí přidat následující operace:

• žíhání;
• dovolená;
• kalení;
• kryogenní léčba a několik dalších.

Žíhání poskytuje vysoce kvalitní, jemnější strukturu perlitu, k čemuž dochází, protože se k chlazení dílů používají pece. Účelem této operace je snížit heterogenitu konstrukce, odstranit napětí a zvýšit obrobitelnost.

Principy operace kalení jsou totožné s principy normalizace, ale existují určité rozdíly. Například při kalení se používají mnohem vyšší teploty a vysoké rychlosti ochlazování. Kalení vede ke zlepšení pevnostních charakteristik, tvrdosti atd. Často se však obrobky, které prošly kalením, vyznačují sníženou viskozitou a vysokou křehkostí.

Po kalení se používá temperování dílů. Popouštění snižuje křehkost a vnitřní pnutí. V tomto případě je teplotní rozsah nižší než rozsah používaný při normalizaci. Díly jsou chlazeny na vzduchu. S rostoucí teplotou klesá pevnost v tahu a tvrdost a zároveň se zvyšuje rázová houževnatost.

Kryogenní úprava oceli má za následek jednotnou strukturu kovu a zvýšenou tvrdost. Tato technologie zpracování se používá pro kalenou uhlíkovou ocel.

Normalizace a její aplikace v praxi

Při zadávání způsobu tepelného zpracování musí technolog vzít v úvahu koncentraci uhlíku. Oceli, ve kterých obsah uhlíku nepřesahuje 0,4 %, lze zpracovávat jak normalizací, tak žíháním. Normalizace minimalizuje velikost zrna ve struktuře a zvyšuje pevnostní charakteristiky.

Porovnáním času stráveného mezi normalizací a jinými metodami můžeme dojít k závěru, že zpracování jinými metodami trvá déle.

Vzhledem k rychlosti operace, pokrytí velkého množství ocelí, kvalitě výsledných parametrů (tvrdost, pevnost atd.) se proto ve strojírenství hojně využívá normalizace.

Normalizace oceli je specifickým typem žíhání, jehož proces zahrnuje ohřev do austenitického stavu, dlouhodobou expozici a chlazení na vzduchu. Pokud je obsah uhlíku v podeutektoidních ocelích nižší než 0,8 %, struktura se směsí perlitu a feritu se považuje za normalizovanou.

Oceli s obsahem uhlíku větším než 0,8 % (hypereutektoidní oceli) mají po procesu normalizace strukturu tvořenou porézním typem perlitu známého jako sorbitol. Tento typ tepelného zpracování se používá k odstranění stávajících defektů v konstrukci a přípravě oceli pro řezání. Tento proces velmi často nahrazuje operace kalení a popouštění za účelem zvýšení kvality ocelového odlitku. Normalizační žíhání je nejvíce žádané u ocelí se středním a vysokým obsahem uhlíku, nízkolegovaných a nástrojových jakostí.

Etapy procesu normalizace oceli

Proces normalizačního žíhání zahrnuje několik fází. Tyto manipulace probíhají v hutních a kovoobráběcích podnicích, které jsou vybaveny tepelnými pecemi různých typů a doplňkovým speciálním zařízením.

Teplo

Během procesu normalizace se hypoeutektoidní oceli zahřívají na teploty přesahující bod Ac3 o 40 . 50 °C. U hypereutektoidních ocelí se používají nižší teploty ohřevu, aby se zabránilo zvětšování velikosti zrna austenitu a tvorbě hrubé sítě během normalizace. Konkrétní teplota závisí na obsahu uhlíku a přítomnosti nebo nepřítomnosti legujících prvků.

Typicky se pro stanovení nejlepšího teplotního režimu používají izotermické a termokinetické diagramy. Teoreticky vypočtené hodnoty pro nově vyvinuté třídy oceli jsou potvrzeny v praxi. Názvosloví a počet alelačních složek určují fáze fázových změn. Zpravidla je u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí časový režim nastaven na 1,5 minuty ohřevu na každý milimetr tloušťky výrobku.

Expozice

Expozice je časový úsek, během kterého musí produkt zůstat v ohřívací komoře při určité teplotě. Tento proces je nezbytný pro zajištění hlubokého a rovnoměrného zahřátí materiálu a také pro dokončení fázových přeměn. Doba výdrže závisí na faktorech, jako jsou: jakost oceli, rozměry výrobku, teplota ohřevu. U výrobků malých rozměrů a jednoduchých tvarů stačí kov zahřát na danou teplotu asi 15 minut, aby se prohřály v celém objemu.

Chlazení

K ochlazování dochází hlavně v klidném atmosférickém vzduchu, někdy za použití foukání vzduchu. Austenit se ničí při nízkých teplotách zrychleným ochlazováním, což přispívá k tvorbě disperzní ferito-cementitové struktury. Normalizované oceli se středním a vysokým obsahem uhlíku se vyznačují vyšší pevností a tvrdostí oproti ocelím žíhaným. Stupeň a rychlost chlazení mají významný vliv na výslednou strukturu a další charakteristiky. Oceli, které byly zahřáté na stejnou teplotu, ale jinak ochlazeny, mají různé vlastnosti.

V místech, kde se pronajímá zařízení, může být normalizační proces v souladu s výše uvedeným schématem nahrazen normalizačním válcováním. K tomuto procesu dochází ve válcovací stolici využívající teplo, kterému je válcovaný kov vystaven před válcováním. Tato metoda umožňuje získat ocelovou konstrukci podobnou normalizované (drcené, s jednotnými mechanickými vlastnostmi v celém objemu), ale s výrazně nižšími náklady na energii a práci.

Problémy řešené normalizací uhlíkových a legovaných ocelí

Proces normalizačního žíhání, aplikovaný na odlitky, výkovky, válcovaný kov, různé polotovary a kovové výrobky, poskytuje následující efekty:

• kompletní proces rekrystalizace ocelové fáze;
• Výroba drcené ocelové konstrukce se spojitými zrny probíhá silou, jako je válcování, kování nebo lisování.
• Snižte pruhování po válcování a nerovnosti velikosti zrna u kovaných kovových výrobků.
• Zvýšená odolnost proti křehkému lomu, vyjádřená snížením křehkosti za studena a zvýšením množství práce potřebné k vytvoření trhlin.
• Odstranění vad po válcování, jakož i zbytkového vnitřního pnutí;
• pokud je nutné tepelné zpevnění, proveďte před těmito operacemi předběžnou přípravu konstrukce.
• Optimalizace procesu řezání.

Normalizační žíhání se aplikuje na ocelové odlitky za účelem homogenizace dendritické struktury, snížení zbytkových pnutí a zvýšení dostupnosti pro následné postupy tepelného zpracování.

U dílů složitých tvarů nebo obsahujících náhlé změny průřezu je proces kalení s vysokým popouštěním nahrazen normalizací. Tato akce pomáhá předcházet negativním účinkům, jako je praskání, deformace a vysoké tepelné namáhání.

Vlastnosti normalizačního žíhání pro oceli s různým obsahem uhlíku

Závislost cílů a specifik normalizace na vlastnostech oceli:

Normalizace je účinnou alternativou k žíhání u tříd s nízkým obsahem uhlíku, poskytuje zvýšenou tvrdost, lepší řezný výkon a čistší povrchovou úpravu.

• U odlitků ocelí se středním obsahem uhlíku se normalizace na vysoké popouštění stává alternativou k vysokoteplotnímu kalení. Tento přístup má výhody, jako je snížené deformační napětí v dílech a v důsledku toho nižší riziko praskání.
• V případě některých dodatečně legovaných ocelí se normalizace s následným chlazením vzduchem stává náhradou za proces kalení a popouštění, čímž se snižují náklady provedením jednoho kroku tepelného zpracování (normalizace) namísto dvou (kalení a popouštění).

Zařízení a spotřební materiály používané při normalizačním žíhání

Stanovené teplotní podmínky pro normalizaci oceli a její chlazení zaručují:

• Topné komory s plochými hořáky pracují na principu přímého nebo nepřímého ohřevu. Moderní odrůdy zahrnují modely obnovy a regenerace takových hořáků.
• Režim vytápění je řízen automaticky. V pecích, které používají metodu nepřímého ohřevu, se k řízení výkonu používají tyristorová zařízení.
• Materiály pro tepelnou izolaci.

V normalizačních pecích pracujících v prostředí ochranného plynu se drobné díly zpracovávají pomocí dopravníku. Otvory pro nakládání a vykládání jsou umístěny pod pracovním prostorem kamery. Nakládací a vykládací bubny jsou přesazeny a instalovány pod určitým úhlem. Dopravník se skládá z nichromové sítě o síle drátu 3 mm. Díly jsou chlazeny ve výstupní zóně pece. Chodba, kde se dopravník nachází, je vybavena dvojitými stěnami, mezi kterými cirkuluje studená voda. Ochranný plyn je umístěn v celém objemu pece včetně nakládacích a vykládacích ploch dílů.

Na dopravníku jsou komponenty instalovány v jedné řadě, což umožňuje rovnoměrné a rychlé ohřívání a chlazení produktů. Po průchodu vykládací zónou by teplota dílů neměla překročit +50 stupňů Celsia. Při vyšších teplotách se mohou na povrchu kovových výrobků tvořit oxidové vrstvy. Rychlost dopravního pásu dosahuje až 20 centimetrů za minutu.

Technologie tepelného zpracování, jako je normalizace, používané ke zpracování odlitků, válcovaného kovu, polotovarů a kovových výrobků, mohou sloužit buď jako mezikrok nebo jako konečný krok. V zásadě se jako mezikrok používá normalizační žíhání. Všimněte si, že normalizace se používá jako poslední fáze ve výrobním procesu tvarovaných kovových výrobků, jako jsou T-nosníky, I-nosníky nebo kanály.

Expert v oboru válcování kovů a vědy o kovech