Отжиг и нормализация углеродистой стали

Полный отжиг

Нормализация и закалка стали доэвтектоидной необходима для исправления структуры, нарушенной нагревом в процессе изготовления отливок и поковок, обрабатываемых давлением. Температура обработки должна превысить критическую точку, когда перлит начинает преобразовываться в аустенит.

Превышение температуры должно происходить строго на 30-50 градусов выше критической точки Ас3. Эту величину для легированных сталей берут из таблиц, а для углеродистых определяют из диаграммы состояний. Процесс нормализации:

• Начальный этап — нагрев на 30-50 градусов выше критической температуры Ас3. Происходит образование аустенитных зерен.
• Выдержка при высокой температуре сопровождается ростом аустенитных зёрен.
• Длительное равномерное охлаждение — мелкие кристаллики аустенита распадаются на несколько перлитных зерен. Происходит равномерное заполнение структуры ферритной перлитным слоем.

Неполный отжиг требуется для снижения твердости металлов. Чаще это необходимо по условиям обработки металлов резанием. В результате нормализации лишняя напряжённость стали устраняется. В отличие от полного отжига, весь процесс происходит при более низких температурах. Соответственно, затрачивается меньшее время.

Назначение технологии

Нормализация стали может проводиться в гаражных условиях при наличии соответствующего оборудования. Достоинством технологии является получение тонкого эвтектоида. Строение этого слоя напрямую влияет на прочность и жесткость металла.

Так как нормализация стали проводится для улучшения качества изделия, соответственно, повышается стоимость его изготовления. Технология применяется лишь при необходимости. Для слабонагруженных деталей проводить её не требуется. Часто она применима для выпуска сортового металла.

Технология может быть заменой такой процедуры, как закалка с высоким отпуском, классический отжиг. Нормализация стали среднеуглеродистой не даёт высокой прочности, сравнимой со структурой после закалки. Но она не приводит к сильной деформации и помогает избавиться от внутренних трещин.

Исправление нарушенной структуры металлов и сплавов

Двухступенчатое охлаждение сталей позволяет преобразовать пластинки перлита в зерна. Нагрев происходит до температуры выше точки Ас1. Затем она снижается до 700 и выдерживается до 500 градусов. Далее на воздухе длительно остывает металл. Эта нормализация носит название сфероидизирующая. В результате изделие без труда поддается резанию. Так обрабатывают металлы, содержащие 0,65 % углерода.

По теме: Признаки прогоревших клапанов. Низкая компрессия в цилиндре. Замена клапанов

Наклеп — это образование более прочных областей металла после холодной штамповки или волочения. Убирает этот дефект рекристаллизационный отжиг — хрупкость сталей устраняется за счёт нагрева до 700 градусов (ниже Ас1). В этот момент восстанавливается кристаллизационная решетка металлов. Структура становится мелкозернистой и однородной. Также может проводиться светлый отжиг, восстанавливающий свойства сталей после проката листового, чтобы сохранить блестящую поверхность.

Химико-термическая обработка

Для повышения поверхностной твердости и износостойкости серые и высокопрочные чугуны подвергают азотированию. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550—580° С, время выдержки 30-—70 ч, степень диссоциации аммиака около 30%. В результате азотирования получается слой толщиной до 0,4 мм твердостью до НУ 900. Оптимальная температура азотирования высокопрочного чугуна 650—700° С, Степень диссоциации аммиака 30—45%. Слой толщиной 0,25 мм получается после выдержки 12 ч; твердость до НУ 1000.

Кроме азотирования, повышения поверхностной твердости и износостойкости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием при температуре 570° С. Более эффективно газовое цианирование — слой толщиной 0,15—0,20 мм с максимальной твердостью НУ 1000 достигается через 8 ч. Для повышения жаростойкости чугунные отливки можно подвергать алитированию, а для получения высокой корро-зионной стойкости в кислотах — силицированию.

Суть процесса

Процедура нормализации выглядит следующим образом. Деталь разогревают до температур, которые превышает максимально допустимые параметры (Ас1, Ас3) на 30 – 50 градусов Цельсия, затем, какое-то время ее выдерживают под воздействием этой температуры, после чего ее охлаждают.

Подбор температуры выполняют, руководствуясь маркой стали. Так, сплавы содержащие 0,8 % углерода так называемые заэвтектоидные, обрабатывают при температурах, лежащих между критическими точками Ас1 и Ас3.

Что такое критические точки – так называют температуры, при которых происходят фазовые изменения и структуры сплава при его нагреве или охлаждении.

Результатом этого становиться то, что в твердый раствор попадает некоторый объем углерода и закрепляется аустенита. То есть, на свет появляется структура, состоящая из мартенсита и цементита. Именно цементит приводит к росту стойкости к износу и твердости. Нагрев высокоуглеродистой стали свыше ас3 приводит к тому, что увеличиваются внутренние напряжения. Это происходит из-за того, что растет количество аустенита, в следствии роста концентрации углерода.

Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве свыше критической точки Ас3 приобретает повышенную вязкость. Это происходит потому что в стали этого типа появляется аустенит (мелкозернистый), переходящий в мартенсит (мелкозернистый).

Доэвтектоидная сталь не обрабатывают при температурах, расположенных в диапазоне Ас1 – Ас3. Так как в этом случае появляются феррит, который снижает параметры твердости.

Время необходимое для выполнения операции

Для получения однородной структуры сплава, при определенной температуре, требуется какое-то время. Это время и будет определено как время выдержки стали при нормализации. Опытным путем определено, что слой металла толщиной в 25 мм через час становится однородным. Таким образом. и определяют время нормализации.

Завершающий этап – охлаждение

Скорость охлаждения играет существенную роль в образовании объема перлита и размера его пластин. Многочисленные исследования показали, что высокая интенсивность охлаждения увеличивает количество перлита и сталь получает повышенную твердость и прочность. Малая интенсивность охлаждения приводит к тому, что сталь теряет твердость и прочность.

При обработке деталей с существенными перепадами размеров, например. валов, целесообразно убрать напряжения, возникающие под воздействием колебания температур. Для этого их предварительно нагревают в емкости, заполненной разными солями. При понижении температуры допускается ускорить этот процесс помещая горячие детали в воду или специально подобранное масло.

Другими словами, нормализация стали устраняет напряжения внутри детали, минимизирует ее структуру. То есть она оказывает прямое влияние на изменение микроструктуры стальных сплавов.

Цель нормализации стали

Цели нормализации стали могут быть различными: например, как для увеличения, так и для снижения прочности и твердости в зависимости от термической и механической истории изделия.

Цели нормализации часто пересекается или даже путается с отжигом, термическим упрочнением и отпуском для снятия напряжений. Нормализацию применяют, например, для улучшения обрабатываемости детали резанием, измельчения зерна, гомогенизации зеренной структуры или снижения остаточных напряжений. Сравнение температурно-временных циклов для нормализации и отжига показано на рисунке 2.

Рисунок 2 ─ Сравнение температурно-временных циклов нормализации и полного отжига. Более медленное охлаждение при отжиге приводит к более высокой температуре феррито-перлитного превращения и более грубой микроструктуре, чем при нормализации.

Для стальных отливок нормализацию применяют для гомогенизации их дендритной структуры, снижения остаточных напряжений и большей восприимчивости к последующему термическому упрочнению.

Изделия, полученные обработкой давлением, могут подвергать нормализации для снижения полосчатости структуры после прокатки или разнозернистость после ковки.

Нормализацию с последующим отпуском применяют вместо обычной закалки, когда изделия имеют сложную форму или резкие изменения по сечению. Это делают, чтобы избежать образования трещин, коробления и чрезмерных термических напряжений.

Что такое нормализация данных и чем она отличается от нормировки и нормирования

В случае машинного обучения (Machine Learning), нормализация – это процедура предобработки входной информации (обучающих, тестовых и валидационных выборок, а также реальных данных), при которой значения признаков во входном векторе приводятся к некоторому заданному диапазону, например, или .

Следует отличать понятия нормализации, нормировки и нормирования.

Нормировка – это корректировка значений в соответствии с некоторыми функциями преобразования, с целью сделать их более удобными для сравнения. Например, разделив набор измерений о росте людей в дюймах на 2.54, мы получим значение роста в метрической системе.

Нормировка данных требуется, когда несовместимость единиц измерений переменных может отразиться на результатах и рекомендуется, когда итоговые отчеты могут быть улучшены, если выразить результаты в определенных понятных/совместимых единицах. Например, время реакции, записанное в миллисекундах, легче интерпретировать, чем число тактов процессора, в которых были получены данные эксперимента .

Нормирование – это процесс установления предельно допустимых или оптимальных нормативных значений в прикладных сферах деятельности, например, нормирование труда. Как правило, нормы разрабатываются по результатам исследовательских, проектных или научных работ, а также на основе экспертных оценок .

Нормализация, нормировка и нормирование — это разные понятия

Другие методы термообработки

Помимо процесса нормализации, существуют другие способы термообработки металлов и сплавов:

1. Отпуск — технология, применяемая для уменьшения хрупкости и снижения внутренних напряжений в материале.
2. Отжиг — метод, при котором уменьшается размер зёрен в структуре материала, снимаются внутренние напряжение.
3. Закалка — методика, похожая на нормализацию. Отличия заключаются в более высоком температурном режиме нагрева и высокой скорости охлаждения.
4. Криогенная обработка — технология, связанная с применением низких температур.
5. Дисперсионное твердение — конечный этап термообработки. Обрабатываемой детали придаётся высокий показатель прочности.

Выше представлены основные способы обработки металлических заготовок, но порядок указан неправильно. Узнать его можно в любом источнике по металлообработке.

Нормализация стали считается одним из нескольких этапов термообработки. С его помощью изменяется структура и характеристики материала. При желании можно ухудшать или улучшать свойства заготовки.

Нормализация. Структура и свойства стали после нормализации (на примере доэвтектоидной стали)

Нормализация.

– разновидностьотжига.

Термическаяобработка, при которой изделие нагреваютдо аустенитного состояния, на 30…50oС

вышеА3 илиАст с последующимохлаждением на воздухе.

или

В результатенормализации получают более тонкоестроение эвтектоида (тонкий перлит илисорбит), уменьшаются внутренниенапряжения, устраняются пороки, полученныев процессе предшествующей обработки.Твердость и прочность несколько вышечем после отжига.

В заэвтектоидныхсталях нормализация устраняет грубуюсетку вторичного цементита.

Нормализацию чащеприменяют как промежуточную операцию,улучшающую структуру. Иногда проводяткак окончательную обработку, например,при изготовлении сортового проката.

Для низкоуглеродистыхсталей нормализацию применяют вместоотжига.

Для среднеуглеродистыхсталей нормализацию или нормализациюс высоким отпуском применяют вместозакалки с высоким отпуском. В этом случаемеханические свойства несколько ниже,но изделие подвергается меньшейдеформации, исключаются трещины.

Диаграмма состояниясплавов представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Диаграмма состояния сплавов,компоненты которых образуют химическиесоединения

Диаграмма состояниясложная, состоит из нескольких простыхдиаграмм. Число компонентов и количестводиаграмм зависит от того, сколькохимических соединений образуют основныекомпоненты системы.

Число фаз и видпростых диаграмм определяются характеромвзаимодействия между компонентами.

Эвт1(кр. А + кр. AmBn);

Эвт2(кр. B + кр. AmBn).

Отпуск стали 45

Отпускстали 45 производят сразу после этапа закалки. Эта разновидность термообработки нужна для того, чтобы существенно уменьшить или полностью снять остаточное напряжение в материале, которое появилось после изменения структуры посредством его закаливания. В целом,отпуск стали 45 позволяет также повысить вязкость заготовок и уменьшить степень их хрупкости. Однако этот процесс немного уменьшает твердость стали.

Технология процесса отпуска стали45 , в зависимости от температуры, выполняется через:

• печи с принудительной циркуляцией воздуха;
• специальные ванны с селитровым раствором;
• специальные ванны с минеральным маслом;
• ванны, заполненные расплавленной щелочью.

Принцип отпуска стали 45

состоит в том, что материал первоначально нагревают до отметки ниже, чем критический уровень, а после этого охлаждают. Однако такой режим термической обработки имеет несколько различных способов проведения, которые будут отличаться друг от друга в зависимости от скорости охлаждения заготовки и температуры её нагрева. Отпуск углеродистых сталей принято классифицировать на 3 следующие категории:

1. Высокий. Температура нагрева стали составит от +350°С до +600°С до критической отметки. Как правило, такой метод используют для металлических конструкций.
2. Средний. Температура обработки составляет от +350°С до +500°С. Этот способ по большей части используется для пружинных изделий и рессор.
3. Низкий. Температура нагрева заготовки не превышает +250°С. Подобный способ принято задействовать для достижения высокой прочности и износостойкости.

Таблица значений термической обработки стали 45

, имеющая производственные площади в СПБ, выполняет широкий диапазон работ, связанных с металлом. Наше предприятие осуществляет его обработку и производит большое количество различных деталей, например, таких как втулки, пальцы, валы и многое другие. Эти комплектующие используются как в обычных автотранспортных средствах, так и в спецтехнике, ремонтом которой мы занимаемся. Для того чтобы подобная техника надежно функционировала, зачастую необходимы металлические детали, изготовленные из специально подготовленного металла. У нас имеется все необходимое оборудование, применяемое для такой операции как термическая обработка металлов. Мы также выполняем химико-термическую обработку металлических деталей. Одной из ее разновидностей является цементация стали. Наше предприятие работает со сталью: марка 45, марка 40х, марка 20 и некоторыми другими. Любой клиент может приобрести у фирмы металлические детали, изготовленные из качественного материала.

Другие методы термической обработки

Кроме нормализации, термическая обработка стали включает в себя такие процессы:

• отжиг;
• закалка;
• отпуск;
• обработка криогенным способом;
• дисперсионное твердение.

Принцип выполнения и цели у каждой технологии одинаковые, однако, каждая имеет свои отличительные особенности:

• отжиг — благодаря ему структура перлита будет максимально тонкой, поскольку охлаждение происходит в печи. Отжиг позволяет снизить структурную неоднородность, а также напряжение после обработки посредством литья или под давлением, придать структуре мелкозернистость или улучшить обработку резанием;
• закалка — принцип технологии такой же, но температуры более высокие по сравнению с нормализацией и скорость охлаждения тоже выше. Процесс происходит в жидкостях. Благодаря закалке повышается прочность и твердость материала, а детали в итоге будут иметь низкую ударную вязкость и хрупкость;
• отпуск — отпуск, выполняемый после закалки, снижает напряжение и хрупкость. С этой целью материал прогревается до малой температуры и охлаждается на улице. На фоне повышения температуры предел прочности и твердость падают, и повышается ударная вязкость;
• криогенная обработка — благодаря ей материал будет иметь равномерную структуру и твердость, эта технология максимально подходит для закаленной углеродистой стали;
• дисперсионное твердение — окончательная обработка, в ходе которой дисперсные частицы выделяются в твердом растворе после закалки при малом нагреве для придания материалу прочности.

Для выполнения термической обработки потребуется следующее:

• баки с водой и маслом;
• бумага шлифовальная;
• микроскоп металлографический;
• печь с термоэлектрическим пирометром;
• твердомеры по Роквеллу;
• наборы микрошлифов (сорбит, мартенсит, феррит-мартенсит и т. д. ).

Виды обработки стали: отжиг

Отжиг – это один из способов высокотемпературной обработки стали, с которым отлично справится установка ТВЧ. В основе его принципа лежит нагрев металла до заданной температуры, выдержка, а затем медленное охлаждение. Производится отжиг стали для того, чтобы выровнять структуру металла, улучшить пластичность, а также уменьшить напряжение металла, если перед отжигом производились какие-либо другие процессы термической обработки. Отжиг, как и другие виды термообработки стали, подразделяется на подтипы:

1. Отжиг первого рода. Во время произведения данного вида термической обработки не происходит перекристаллизация, называемая фазовыми превращениями. Если данные превращения и произведутся, то на итоговые результаты вовсе не скажутся. Производиться отжиг первого рода может при температуре, которая будет ниже или выше температуры фазовых превращений.
2. Диффузионный отжиг. По-другому называется гомогенизацией. Во время произведения данного вида отжига происходит длительная выдержка изделия в среде, имеющей температуру выше 950 градусов. Диффузионный отжиг позволяет устранить или уменьшить химическую неоднородность стали, которая негативно сказывается на металле, снижая его пластичность и повышая хрупкость. Время выдержки изделия при произведении гомогенизации определятся исходя из параметров и марки стали, однако колеблется в пределах 50-100 часов.
3. Отжиг второго рода. Во время произведения отжига второго рода сталь нагревается до температуры, которая будет выше точек АС1 или АС3 (смотрите изображение 1), затем происходит выдержка и медленное охлаждение. В результате медленного охлаждения фазовые превращения внутри металла приводят к получению почти равновесного состояния структуры металла.
4. Полный отжиг. Еще данный тип отжига называют высоким. Производится он при нагреве металла под температурой, которая будет на 30-50 градусов ниже, чем верхняя критическая точка АС3, также изделие выдерживается при этой температуре, а затем медленно охлаждается вместе с установкой. Полный отжиг позволяет произвести полную перекристаллизацию металла, получив перлитную структуру.
5. Неполный отжиг. До термической обработки сталь имеет слишком высокую твердость и тяжело поддается обработке. Внутри структуры имеется напряжение металла. Неполный отжиг применяется для устранения этого недостатка в виде уменьшения твердости металла. При неполном отжиге сталь нагревают, придерживаясь интервала температур между точкам АС1 и АС3. После произведения неполного отжига металл полностью избавляется от внутреннего напряжения, а сталь становится более податливой.
6. Сфероидизирующий отжиг. Высокоуглеродистая заэвтектоидная сталь, обладающая структурой пластинчатого перлита очень плохо поддается обработке при помощи режущих инструментов, поэтому должен быть произведен сфероидизирующий отжиг для изменения структуры на зернистый перлит. Для это металл нагревают ниже точки АС1, выдерживают при этой температуре несколько часов, а затем остужают. На изображении 2 вы можете заметить схему отжига на зернистый перлит.
7. Изометрический отжиг. Производится для получения ферритно-перлитовой смеси из аустенита при постоянной температуре. Изометрический отжиг предусматривает нагрев стали на 30-50 градусов выше точек АС3 или АСm, выдержку при соблюдении этой температуры и дальнейшее охлаждение до температуры перлитного превращения, которая как правило равняется 620-680 градусов, а затем снова выдерживают до конечного превращения аустенита в перлит.
8. Рекристализационный отжиг. По-другому называется разупрочняющим отжигом. Рекристализационный отжиг производится в отношении изделий, которые были подвержены наклепу металла, и кристаллическая решетка которых исказилась. Разупрочняющий отжиг производится при температуре ниже точки АС1, то есть 630-650 градусов.
9. Светлый отжиг. Производится для того, чтобы сохранить блестящую и чистую поверхность стальных листов, лент, прутков и т.п.

Как видите, существует немало видов отжига, позволяющих добиться нужных изменений в структуре металла. Установка ТВЧ способна с высокой точностью и хорошим качеством производить отжиг стали, приводя ее структуру в нужное состояние.

Принципы

Суть нормализации состоит в нагреве стали до температуры, превышающей верхние критические значения температуры на 30 — 50°С , выдержке и охлаждении.

Температуру подбирают на основе типа материала. Так, заэвтектоидные варианты следует нормализовать в температурном интервале между точками Ас1 и Ас3, в то время как для доэвтектоидной стали используют температуры более Ас3. В результате все материалы первого типа приобретают одинаковую твердость ввиду того, что в раствор переходит одинаковое количество углерода, и фиксируется одинаковое количество аустенита. Получается состоящая из мартенсита и цемента структура.

Второй компонент способствует повышению износостойкости и твердости материала. Нагрев высокоуглеродистой стали более Ас3 ведет к увеличению внутренних напряжений вследствие роста зерен аустенита и повышению его количества за счет возрастания концентрации углерода в нем, приводящей к снижению температуры мартенситного превращения. Из-за этого сокращаются твердость и прочность.

Что касается доэвтектоидной стали, при нагреве более Ас3 она получает повышенную вязкость. Это обусловлено тем, что в низкоуглеродистой стали при этом образуется мелкозернистый аустенит, который после охлаждения переходит в мелкокристаллический мартенсит. Температуры между Ас1 и Ас3 не используют для обработки таких материалов, так как структура доэвтектоидной стали в данном случае получает феррит, снижающий ее твердость после нормализации и механические свойства после отпуска.

Оптимальные температуры нагрева при различных видах термообработки

Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным показателем считают час выдержки на 25 мм толщины.

Так, существует прямая зависимость между данными величинами. То есть с повышением интенсивности охлаждения формируется больше перлита, расстояние между пластинами и их толщина сокращаются. Это увеличивает твердость и прочность нормализованной стали. Следовательно, низкая интенсивность охлаждения способствует образованию материала меньшей прочности и твердости.

К тому же при обработке предметов с большими перепадами сечения стремятся снизить термические напряжения во избежание коробления, причем и при нагреве, и при охлаждении. Так, перед началом работ их нагревают в соляной ванне.

При снижении температуры обрабатываемого изделия до нижней критической точки допустимо ускорение охлаждения путем помещения его в масло или воду.

Процесс нормализации стали

Кроме того, нормализацию используют с целью измельчения крупнозернистой структуры, улучшения структуры перед закалкой, повышения обрабатываемости резанием, устранения сетки вторичного цемента в заэвтектоидной стали, подготовки к завершающей термической обработке стали после нормализации.