Нормализация металла – определение, процесс и преимущества технологии

В обрабатывающей промышленности используются процессы термообработки для улучшения механических свойств материала. В зависимости от желаемых свойств мы можем выбирать из таких процессов, как отжиг , нормализация, отпуск и т. д.
В этой статье мы рассмотрим процесс нормализации металла. Начнем с определения, что это такое.

Что такое нормализационный отжиг?

Нормализация — это процесс термической обработки, при котором металл нагревают до заданной температуры, выдерживают определенное время, а затем снова охлаждают до комнатной температуры на воздухе (или в среде другого газа). Процесс вызывает рекристаллизацию микроструктуры металла. Новая микроструктура обеспечивает множество преимуществ, таких как повышенная пластичность, повышенная ударная вязкость и пониженная твердость.
В областях применения, где необходимы эти свойства, нормализация является относительно быстрым и доступным способом их достижения.

Нормализация означает возвращение к нормальному состоянию. Поэтому она обычно проводится после того, как в процессе изготовления металла свойства материала изменились. Например, такие производственные процессы, как штамповка, ковка, горячая прокатка, сварка и литье, могут привести к возникновению в металле значительных термических и механических напряжений. Металл также может стать чрезмерно твердым.
Нормализация позволяет зернистой структуре перестроиться в более обтекаемую форму, что возвращает металлу его первоначальные свойства.
Если материал должен пройти дальнейшую обработку, нормализация может улучшить его обрабатываемость. Но она также может быть окончательным процессом восстановления определенных свойств сплавов перед их использованием.
Нормализация также используется при наличии бюджетных ограничений. Поскольку она включает охлаждение материалов на воздухе, этот процесс требует меньше времени в печи, что делает его дешевле, чем процессы отжига и отпуска . Мы можем выключить печь после того, как повысим температуру и прогреем металл в течение необходимого времени.
Кроме того, для конструкционных сталей, таких как низколегированные и мягкие стали, улучшение свойств идентично при отжиге и нормализации. В таких случаях разумно использовать нормализацию из-за ее меньших затрат. Разница при сравнении эффектов отжига и нормализации для среднеуглеродистых сталей (от 0,3 до 0,5% C). Но даже для этих сталей мы можем заменить закалку и отпуск отжигом для снижения затрат. В большинстве случаев достаточно нормализации, если компоненты не будут подвергаться большой нагрузке. Процесс нормализации состоит из трех этапов:
1) Стадия восстановления
На этапе восстановления мы повышаем температуру материала до точки, при которой существующая неоднородная зернистая структура подвергается измельчению. Именно на этом этапе происходит снятие напряжения за счет нагревания. Далее металл нагревается выше температуры закалки, где он переходит на следующую стадию.
2) Стадия перекристаллизации
Эта стадия начинается, когда температура металла пересекает температуру рекристаллизации. Температура примерно на 30-50 градусов Цельсия выше верхней критической температуры (Ac3 или Acm). Это выше, чем температуры отжига и отпуска. Диапазон составляет от 780 до 950 градусов Цельсия в зависимости от содержания углерода в стали. На этом этапе происходят изменения в кристаллической структуре металла. Нежелательные структуры, такие как бейнит и карбиды, исчезают из него. Образуются новые аустенитные структуры. Аустенитные зерна меньше по размеру, чем предшествующие ферритные зерна. Металл выдерживают при этой температуре некоторое время.
3) Стадия роста зёрен кристаллов
Эта стадия происходит при охлаждении материала от температуры рекристаллизации до комнатной температуры на воздухе. На этой стадии новообразованные зёрна кристаллов полностью оформляются. На конечные механические свойства влияет способ охлаждения. Чем быстрее охлаждение, тем твёрже будет конечный продукт. Скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, поскольку материал охлаждается воздухом. Вот почему нормализованная сталь имеет более высокую твердость, чем ее отожженный аналог. Анализ размеров стали также влияет на окончательную твердость. Для большинства сталей окончательная твердость после нормализации составляет от 100 до 250 HB.