Нормализация металла при термической обработке: Нормализация стали: преимущества термообработки материала

Нормализация стали: преимущества термообработки материала

Чтобы улучшить характеристики готового металлического изделия, его подвергают термической обработке. Это совокупность процессов, которые выполняются по определённым технологиям. Нормализация стали — термическая обработка изделия, в результате которой улучшаются механические и физические свойства металла.

Нормализация стали

Суть обработки

Нормализация — это нагрев металлической заготовки до температуры на 50 градусов выше критической. После нагревания выполняется охлаждение. Однако между этими процессами проводится выдержка при температуре нормализации.

Градус нагрева зависит от материала детали. Чтобы рассчитать время теплового воздействия, необходимо обратить внимание на гомогенизацию структуры металла. Оптимальным показателем является — выдерживание в течение 1 часа при толщине 25 мм.

При охлаждении необходимо учитывать определённые моменты. Когда температура упадет ниже критической, нужно ускорить процесс охлаждения. Для этого деталь окунают в емкость с маслом или водой. Количество преимуществ и недостатков готового изделия зависит от правильно проведённой термической обработки и последующего охлаждения.

Назначение

Такую технологию применяют для достижения следующих целей:

• изменения структуры сплава или однородного металла;
• достижения большей прочности и твердости;
• изменения механических свойств и характеристик детали;
• снижения напряжений металла, появляющихся в ходе других процессов обработки.

С помощью такого термического воздействия можно добиться различных результатов, например, изменить показатели твердости и прочности.

Проведение нормализации обязательно после обработки стали давлением, поскольку увеличение и понижение температурного показателя позволяет исправить проблемы со структурой материала.

Особенности проведения работ

Нормализация — равномерное нагревание заготовки до температуры выше критической. После разогрева детали выдерживаются в одном температурном режиме. Затем происходит охлаждение заготовки. Изначально она медленно остывает до нижнего показателя критических температур, затем мастер погружает её в охлаждающую жидкость, чтобы ускорить процесс.

Принципы проведения

Термообработка металла необходима в случае изменения его структуры и, следовательно, технических характеристик.

Существует два типа металлов, подвергающихся термообработке:

• заэвтектоидные;
• доэвтектоидные.

Выбор температурного режима зависит от типа металла. Например, для заэвтектоидных заготовок процесс разогрева проводится при температурах, располагаемых между отметками AC1–AC3. Что касается доэвектоидных деталей, их обрабатывают при температурах, превышающих точку AC3. Материалы, относящиеся к первой группе, достигают одинакового показателя твердости.

Длительность

Скорость охлаждения зависит от количества перлита, содержащегося в заготовке, и размера обрабатываемых пластин. Если скорость охлаждения увеличивается, а время на проведение процедуры сокращается, количество перлита, образующегося в процессе термообработки, увеличится. Также будут возрастать показатели прочности и твердости.

Охлаждение стали

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.

 

Комплексная термическая обработка металлов

 

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Комплексная термическая обработка металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

• Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
• Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.
• Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
• Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

 

ОТЖИГ СТАЛИ

Отжиг — процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация

), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный, неполный, изотермический отжиги. Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

• Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°C, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
• Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) — нагрев до температур 500 – 550°C; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700°C. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600°C. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
• Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
• Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек
  АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50°Cвыше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым
• При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20°C в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
• Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
• Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
• Изотермический отжиг — после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение.

Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 — 50°C выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки.

Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда (Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки

• Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°C; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300°C) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330°C в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°C) и высоком (500-700°C) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°C), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 — 50°C выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 — 700°C для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.

Нормализация стали — что это за процесс, принцип, температура

Большая часть операций, связанных с термической обработкой подразумевает один и тоже алгоритм действий:

• нагрев изделия до определенных температур;
• выдержку под действием набранной температуру в течение заданного времени;
• охлаждение, которое может быть проведено в разных средах и с разной скоростью.

Термообработка деталей может выступать и как промежуточный технологический процесс, и как финишный. В первом случае, через неё проходят те детали, которые еще будут обрабатываться, например, сверла или лопатки авиационных турбин. Второй случай подразумевает то, что после термообработки, готовая деталь получит новые свойства.

Нормализация стали – это один из видов термической обработки металла с последующим его охлаждением на воздухе. Результатом этой операции становится формирование нормализованной структуры стали. Кстати, отсюда и пошло название. Операцию применяют по отношению к поковкам, отливкам и пр. Нормализацию используют для минимизации зерен в структуре стали, образованного сварочным швом.

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.

Использование нормализации

Эту форму термической обработки применяют для достижения разных целей. Так применение нормализации может повысить или снизить твердость стального сплава, вязкость и прочностные характеристики. Этот способ термической обработки используют тогда, когда надо улучшить обрабатываемость стали разными методами – резание, штамповка и пр.

Детали, получаемые методом литья проходят нормализацию в целях получения гомогенизированной структуры и устранению внутренних напряжений. То же самое можно и сказать о деталях, полученных после обработки ковкой. То есть нормализация служит для получения однородной структуры металла и устранению внутренних напряжений. Кроме того, этот процесс может быть использован, как замена закаливания изделий со сложным профилем. Кроме, названных результатов процесса нормализации можно добавить и такие как минимизация зерен в структуре сплава, удаление вторичного цементита, повышения обрабатываемости стали.

Близкие по сути процессы термообработки

В перечень термообработки сталей, помимо нормализации, можно внести операции:

• отжиг;
• отпуск;
• закаливание;
• криогенная обработка и несколько других.

Операция отжига обеспечивает качественную, более тонкую структуру перлита, это происходит потому, что охлаждения деталей применяют печи. Назначение этой операции — понижение неоднородности структуры, удаления напряжений, повышение обрабатываемости.

Основы, заложенные в операцию закаливания, идентичны принципам нормализации, но существуют некоторые различия. Например, при закаливании применяют температуры куда как выше и высокие скорости охлаждения. Закаливание проводит к улучшению прочностных характеристик, твердости и пр. Но, нередко заготовки прошедшие через закаливание отличает сниженная вязкость и высокая хрупкость.

Отпуск деталей применяют после операции закаливания. Отпуск снижает хрупкость и внутренние напряжения. При этом диапазон температур ниже, чем тот, который используют в нормализации. Охлаждение деталей проводят на воздухе. При повышении температуры снижается предел прочности, твердость и в то же время растет ударная вязкость.

Криогенная обработка стали приводит к получению равномерной структуры металла и повышенной твердость. Эту технологию обработки применяют в отношении прошедшей закаливание углеродистой стали.

Нормализация и её применение в практической деятельности

При назначении способа термообработки технолог должен учитывать концентрацию углерода. Стали, в которых содержание углерода не превышает 0,4%, могут быть обработаны и нормализацией и отжигом. Нормализация минимизирует размер зерен в структуре и повышает прочностные характеристики.

Сравнивая затраты времени между нормализацией и другими методами можно сделать вывод, что обработка другими способами, длится больше времени.

За счет скорости выполнения операции, охват большого количества сталей, качеством получаемых параметров (твердость, прочность и пр.), именно поэтому нормализацию широко применяют в машиностроении.

Оцените статью:

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время

Металл, используемый в производстве высокотехнологичных конструкций и деталей, должен быть мелкозернистым. Такие стали обладают более высокими механическими характеристиками по сравнению с материалом крупнозернистой структуры. Для получения требуемых механических свойств, изменения внутреннего строения используется термообработка стали. Она включает множество методов воздействия под определенной температурой.

Ключевые понятия – важная терминология

• Диаграмма состояния железо/углерод – график зависимости фазового состояния сплавов железа с углеродом от их химического состава и температуры.
• Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
• Цементит – химическое соединение с формулой Fe₃С (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
• Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. На диаграмме состояния железо-углерод находится выше температуры перлитного превращения (727°С). Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.
• Температура превращения Ас3 – нагрев, при котором заканчивается превращение феррита в аустенит.
• Дендритная сегрегация – неоднородность химического состава, возникающая при его кристаллизации, в результате чего образуются кристаллы твердого раствора дендритного типа.
• Ас, Ar – критические точки температуры фазовых преобразований. Ас – при нагреве, Аr – при охлаждении. 

Что такое нормализация стали и зачем она нужна

Нормализация стали (НС) относится к циклическим процессам термообработки (ТО), при которых сталь нагревается до температур аустенитного состояния, выдерживается некоторое время и охлаждается на воздухе. То есть, нагрев происходит до температуры, превышающей верхние критические температурные параметры на 30-50°С, выдерживается и охлаждается.

Для каждого вида сплавов существует свой определенный режим обработки. В ходе процесса нормализации:

• происходит полная фазовая перекристаллизация стали, при этом металлопрокат приобретает иную структуру: мелкозернистую, однородную;
• усиливается прочность и твердость;
• понижается порог хладноломкости.

Результат ТО описывается графиком с координатами «температура-время». Нормализация рассматривается с двух позиций:

• термическая – нагрев до аустенитного состояния и последующее охлаждение на спокойном воздухе;
• микроструктурная – перлит для металла, содержащего больше чем 0,8 % углерода, и состав из перлита и феррита в сталях с меньшим содержанием углерода.

Нормализация заэвтектоидной стали позволяет исправить ее структуру при условии, если цементит располагается в виде сетки по границе зерен, и тем самым существенно улучшить механические свойства металла. Также она используется в таких целях:

• подготовка металла к закалке;
• устранение остаточных внутренних напряжений;
• увеличение \снижение прочности, твердости в зависимости от термической и механической истории изделия;
• превращение структуры в мелкозернистую в отливках;
• удаление наклепа;
• подготовка к последующему термическому упрочнению.

Режимы нормализации стали – температура, время

При охлаждении на воздухе аустенит распадается в температурном промежутке перлитного превращения. Нагрев металла может осуществляться по нескольким режимам. Между собой они отличаются по условиям проведения процесса.

• Время выдержки. Один час на каждые 25 мм толщины сечения металла или заготовок в нагретом состоянии считается нормой. Исправляются дефекты сплава, его химического состава. Нагреваясь до очень высокой температуры, атомы легирующих элементов равномерно распределяются по внутреннему пространству.
• Температура нагрева. Она разная для металлов и сплавов. Подбирается опытным путем. 1100 градусов считаются оптимальными при ТО стали. Для ее диффузионной нормализации требуется 10-20 часов в нагретом состоянии и последующее медленное охлаждение.
• Тип охлаждения. Чаще всего это продолжительный по времени теплообмен с наружной средой.
• Скорость охлаждения. Зависит от характеристик – массы заготовки, отношения ее поверхности к объему. Чем скорость выше, тем больше образуется перлита. Его пластины утончаются и более тесно располагаются друг к другу, прочность материала повышается. Однородный по составу материал как раз и получается, благодаря медленному охлаждению.

В чем суть процесса нормализации стали?

Чтобы понять, для чего нужна нормализация стали, нужно разобраться в технологии.

Нормализация приводит к образованию более однородной структуры металла, формированию нормализованной структуры стали. Сам термический процесс выглядит так. Деталь или заготовка разогревается до превышающих максимальный допуск на 30-50°С температур (Ас1 и Ас3). Выдерживается заданное время в температурном поле, охлаждается при спокойном состоянии воздуха со скоростью 150—250 град/час. Температуры подбираются в соответствии с маркой металла. В результате в твердый раствор переходит какая-то часть углерода. Образуется новый состав из мартенсита и цементита. Последний усиливает стойкость к износу и твердость металла. Нагрев свыше Ас3 влечет рост аустенита и, как следствие, повышение внутренних напряжений.

Сталь (процентный состав углерода <0,8), нагреваясь выше критического показателя Ас3, приобретает повышенную вязкость, мелкозернистый аустенит, преходящий в мартенсит. Для доэвтектоидной стали обработка в диапазоне температур Ас1-Ас3 не проводится – здесь образуется феррит, понижающий характеристики твердости.

Выдержка и температура нормализации

Нормализованная сталь по структуре подразделяется на перлитный, мартенситный и аустенитный классы. Основными характеристиками процесса ТО металла являются:

• максимальные температурные параметры нагрева;
• период выдержки сплава при температуре нагрева;
• скорость нагрева и охлаждения.

Общее время нагрева (Тоб.) состоит из продолжительности нагрева до заданной температуры (Тз.т.) и времени выдержки при этой температуре (Тв):

Тоб. = Тз.т. + Тв

Длительность выдержки важна для уменьшения степени неоднородности распределения химических веществ аустенитного состава до начала охлаждения. Нормальным показателем считается 1 час выдержки на каждые 2,5 см толщины сечения металла.

Нормализация доэвтектоидной стали проводится при температурах более Ас3. Это позволяет убрать грубую цементитную сетку. Она возникает при медленном охлаждении в интервале критических точек стали Аст – Аr (диаграмма состояния железо-углерод) при отжиге.

Заэвтектоидные металлы нужно нормализовать при температурах между точками Ас1 и Ас3.Тогда в растворе содержится одинаковое количество углерода и регистрируется одинаковое количество аустенита. Сталь принимает однородную твердость.

Охлаждение

Это важный элемент режима нормализации, особенно если нагрев превышал показатели фазовых преобразований. Охлаждение влияет на особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. При одинаковой его интенсивности, но разных составах стали, используются различные виды термической обработки. Выбор условий охлаждения зависит от цели достижения необходимых характеристик, как на поверхности, так и по сечению металлических изделий. Нормализация углеродистой стали напрямую зависит от среды охлаждения. Для разных операций она своя. Это может быть пространство печи, наружный воздух, специальные жидкости или газы.

Другие методы термической обработки

ТО стали позволяет придать материалу характерный набор свойств путем изменения его внутренней структуры на молекулярном, начальном уровне. Кроме нормализации, термическая обработка стали может осуществляться и другими методами.

• Закалка. Металл прогревается до нужных параметров, выдерживается при них установленное время. Для сохранения в целости структуры кристаллической решетки, быстро охлаждают в масляной или водной среде. Закалку проходят детали, работающие под статической нагрузкой, но без воздействия меняющихся колебаний.
• Отпуск стали. Его проходят некоторые заготовки после закалки. Они во второй раз нагреваются до температуры ниже, чем температура закалки. Прогретый металл охлаждается на улице. Снижаются напряжения и пластичность. Повышается ударная вязкость. Создаются прочные межмолекулярные сопряжения железа и углерода.
• Отжиг. Осуществляется по технологии нагрева с последующим плавным остыванием прямо в печи, поэтому строение перлита максимально тонкое. Нормализация углеродистой стали, если сравнивать ее с отжигом, считается менее продолжительной по времени, а значит, более производительной.
• ТО глубоким холодом. Идеально подходит для закаленной углеродистой стали. После нее структура твердых сплавов становится мельче и плотнее. Металл приобретает дополнительную твердость.
• Дисперсионное твердение. Финишная операция, в ходе которой материал становится более прочным. После закалки при малом нагреве рассеянные частицы выделяются в твердом составе.

Выбор способа термообработки для стали

Способ ТО сплава, в том числе и нормализация, выбирается в зависимости от требуемых свойств, а также концентрации в ней углерода. Закалка и нормализация стали используется для исправления внутренних неоднородностей после отливки.

• Если углерод содержится в количестве до 0,2%, то самым оптимальным вариантом будет нормализация.
• При значениях по углероду 0,3-0,4%, можно использовать, как нормализацию, так и отжиг.
• Нормализация задействуется для устранения цементной сетки, а также измельчения зерна.
• Если требования к изделию – износоустойчивость и твердость, назначается закалка и низкотемпературный отпуск или цементация.
• При невысоких требованиях, предъявляемых к твердости изделия, прибегают к нормализации.

Как видно, в большинстве случаев именно она считается наиболее приемлемым методом ТО материалов. Для любого изделия разрабатывается конкретный режим для всех операций термообработки с точными параметрами: температуры и времени нагрева, периода выдержки, скорости и выбора охлаждения.

Чтобы обезопасить свое производство от форс-мажорных ситуаций, связанных с использованием деталей и конструкций из некачественного металла, приобретайте только сертифицированную продукцию и только у надежных поставщиков.

Если решили купить металл у нас, вы получаете дополнительно гарантию соответствия заявленной структуре и химическому составу. Нужна консультация? По любым вопросам обращайтесь на нашу контактную линию – оказываем консультативную поддержку бесплатно.

 

Термообработка: закалка, отпуск, нормализация, отжиг

Металлоизделия, используемые в любых отраслях хозяйства должны отвечать требованиям устойчивости к износу. Для этого используется воздействие высокими температурами, в результате чего усиливаются нужные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется термической обработкой.

Термообработка представляет собой комплекс операций нагрева, охлаждения и выдержки металлических твердых сплавов для получения необходимых свойств благодаря изменению структуры и внутреннего строения. Термическая обработка применяется в качестве промежуточной операции для того, чтобы улучшить обрабатываемость резанием, давлением, либо в качестве окончательной операции технологического процесса, которая обеспечивает требуемый уровень свойств детали.

Различные методы закаливания применялись с давних пор: мастера погружали нагретую металлическую полоску в вино, в масло, в воду. Для охлаждения кузнецы порой применяли и достаточно интересные способы, например садились на коня и мчались, охлаждая изделие в воздухе.

По способу совершения термическая обработка бывает следующих видов:

-Термическая (нормализация, закалка, отпуск, отжиг, старение, криогенная обработка).

-Термо-механическая. Включает обработку высокими температурами в сочетании с механическим воздействием на сплав.

-Химико-термическая. Подразумевает термическую обработку металла с последующим обогащением поверхности изделия химическими элементами (углеродом, азотом, хромом и др.).

Основные виды термической обработки:

1. Закалка. Представляет собой вид термической обработки разных материалов (металлы, стекло), состоящий в нагреве их выше критической температуры с быстрым последующим охлаждением. Выполняется для получения неравновесных структур с повышенной скоростью охлаждения. Закалка может быть как с полиморфным превращением, так и без полиморфного превращения.

2. Отпуск – это технологический процесс, суть которого заключается в термической обработке закалённого на мартенсит металла либо сплава, основными процессами при котором являются распад мартенсита, рекристаллизация и полигонизация. Проводится с целью снятия внутренних напряжений, для придания материалу необходимых эксплуатационных и механических свойств.

3. Нормализация. В данном случае изделие нагревается до аустенитного состояния и потом охлаждается на спокойном воздухе. В результате нормализации снижаются внутренние напряжения, выполняется перекристаллизация стали. В сравнении с отжигом, нормализация – процесс более короткий и более производительный.

4. Отжиг. Представляет собой операцию термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Отжиг является одной из важнейших массовых операций термической обработки стали.

Цель отжига:

1) Снижение твердости и повышение пластичности для облегчения обработки металлов резанием;

2) Уменьшение внутреннего напряжения, возникающего после обработки давлением (ковка, штамповка), механической обработки и т. д.;

3) Снятие хрупкости и повышение сопротивляемости ударной вязкости;

4) Устранение структурной неоднородности состава материала, возникающей при затвердевании отливки в результате ликвации.

Для цветных сплавов (алюминиевые, медные, титановые) также широко применяется термическая обработка. Цветные сплавы подвергают как разупрочняющей, так и упрочняющей термической обработке, в зависимости от необходимых свойств и области применения.

Термическая обработка металлов и сплавов является основным технологическим процессом в чёрной и цветной металлургии. На данный момент в распоряжении технических специалистов множество методов термообработки, позволяющих добиться нужных свойств каждого вида обрабатываемых сплавов. Для каждого металла свойственна своя критическая температура, а это значит, что термообработка должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей вещества. В конечном итоге это позволит не только достичь нужных результатов, но и в значительной степени рационализировать производственные процессы.

цель и основные этапы процесса

Нормализация стали – один из методов рудотермической переработки, во время которого происходит сначала разогрев металла до определенной температуры, затем выдержка и охлаждение. Данный процесс увеличивает прочность стали на 10-15%.

Суть процесса нормализации стали

Большая часть типов термической обработки металла проводятся по одному алгоритму – нагрев, выдержка и охлаждение. Эти методики позволяют изменить структуру и характеристики металла.

Термообработка металлов

Несмотря на схожесть процесса каждый из методов имеют разные временные и температурные показатели. Все виды воздействия на сталь при помощи перепада температур могут использовать как промежуточный этап технического процесса, так и заключительный.

Цель промежуточного этапа – подготовка стали к дальнейшей обработке, завершающего – добавить в свойства металла новые характеристики.

Нормализацию используют, чтобы минимизировать количество зерен в структуре металла, образованных сварочным швом. Температуру для этого вида обработки устанавливают основываясь на типе материала.

Так для сплавов с содержанием углерода 0,8-2,0% (заэвтектоидных) используют температурный режим с интервалом между точками Ac₁ и Ac₃. Для стали с содержанием углерода до 0,8% (доэвтектоидной) – более Ac₃.

В результате нормализации материалы первого вида приобретают идентичную твердость, и закрепляется одинаковое количество аустенита. Выходит структура, в составе которой присутствуют цемент и мартенсит. Это повышает твердость и износостойкость металла.

Если нагревать заэвтектоидный металл при температурах более Ac₃, то его прочность уменьшается, тогда как, структура доэвтектоидного становится более вязкой.

Время процесса определяется индексом норматива – 1 час выдержки на 25 мм толщины металла. Охлаждение зависит от размера листа и количества перлита.

Между этими величинами есть прямая зависимость. Так с увеличением силы охлаждения толщина пластин и промежуток между ними уменьшается, а перлита становится больше. Низкая сила охлаждения приводит к снижению твердости и прочности материала.

Чтобы не произошло коробление во время обработки предметов с большими (ступенчатыми) перепадами сечения, термические напряжения делают несколько ниже как при нагреве металла, так и при его охлаждении. Для этого такие предметы нагревают в соляной ванне.

При понижении температурных показателей детали до крайней нижней точки допускается ускоренное ее охлаждение в воде или масле.

При нормализации из-за сокращения внутренних напряжений структура стали меняется и получается мелкозернистой.

Назначение

Нормализация стали имеет разные функции кроме усиления ее твердости. В некоторых случаях нормализацию проводят с обратной целью для понижения прочности и ударной вязкости.

К основным целям нормализации металла относятся:

• Получение результата нивелирования напряжений. После проработки у стали появляются дополнительные параметры, что позволяет легче обрабатывать ее разными способами.
• Уменьшение разнозернистости и полосчатости структуры. В этом случае нормализации подвергаются предметы после ковки или проведения прокатки с использованием метода давления.
• Снижение риска деформации деталей, имеющих перепады по сечению резкого характера или конфигурацию сложной формы.
• Изменение крупнозернистой структуры стали на мелкозернистую. Нормализация помогает удалить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, улучшает ее способность к обработке и закалке.

Данная методика используется для подготовки металла к термической обработке завершающего этапа технологического процесса.

Нюансы и этапы нормализации

Термообработка металла

Есть несколько разновидностей термической обработки, но нормализацию используют чаще, так как она имеет гораздо больше преимуществ по сравнению с другими.

Оборудование и материалы

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

• герметичная камера, в которой находятся заготовки;
• нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;
• запорно-регулирующие устройства;
• модули управления мощностью – импульсные, пропорциональные или комбинированные;
• термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

Проведение процесса

Охлаждение стали

При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали.

Значимую роль в нормализации металла играет его правильное охлаждение. При этом интенсивность играет немаловажное значение. Быстрое охлаждение приводит к увеличению прочности и твердости металла, тогда как при медленном, он теряет эти характеристики.

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Длительность

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Отличия нормализации от классического полного отжига

Кроме классического отжига и нормализации используются другие виды термообработки металла:

• Закалка, придает стали такие же характеристики, что и нормализация. Но детали, обработанные таким способом, отличаются пониженной ударной вязкостью и хрупкостью.
• Отпуск применяется после предыдущего процесса с целью снижения напряжений и снижения хрупкости.
• Дисперсионное твердение – заключительная обработка, применяющаяся для повышения прочности стали.
• Криогенная обработка чаще всего используется для закаленной углеродистой стали. Благодаря ей структура металла получается равномерной и твердой.

Нормализация – это процесс, при котором сталь нагревается до аустенитного состояния при показателях температуры на 30-50 градусов больше Ac₃. При этом процесс охлаждения происходит на открытом воздухе.

Классический полный отжиг стали более длительный процесс, при котором металл достаточно долго нагревают и медленно охлаждают. Этот способ обработки стали считается менее производительным и более затратным. Чаще всего используют при более 0,4% углерода в составе стали.

Нормализация происходит гораздо быстрее, что позволяет охватить большее количество деталей. При этом сталь становится более прочной и твердой, чем после полного отжига.

Отжиг и нормализация углеродистой стали :: Технология металлов

Отжиг стали.

 

Отжигом называется операция термической обра­ботки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения в стали по­лучают устойчивую структуру, свободную от остаточных напряже­ний. Цель отжига стальных изделий — снять внутренние напряже­ния, устранить структурную неоднородность, улучшить обрабатыва­емость резанием и подготовить к последующей термической обра­ботке.

Отжиг стали может быть с фазовой перекристаллизацией: пол­ный, изотермический, на зернистый перлит и диффузионный, а так­же без фазовой перекристаллизации — рекристаллизационный.

 

 

 

Рис. 1. Интервалы температур для различных видов отжига и нормализации углеродистой стали

 

Отжиг включает следующие операции.

1. Нагрев стали до температур, на 20—30° превышающих верх­нюю критическую точку А_С1, т. е. лежащих выше линии GS, — полный отжиг для доэвтектоидных сталей (рис. 1), или нагрев ста­ли до температур, на 30—40° превышающих нижнюю критическую точку A_C1 т. е. расположенных выше линии PSK, — неполный от­жиг.

2. Выдержка детали в течение времени, достаточного для равно­мерного прогрева ее по всему сечению до заданных температур и для завершения всех структурных (фазовых) превращений, которые должны полностью закончиться. Законченность структурных превра­щений в стали при отжиге составляет цель данной операции: лишь в этом случае свойства стали после отжига существенно улучшаются.

3. Медленное охлаждение стали от температур отжига со ско­ростью, меняющейся (от 10 до 100° в час) в зависимости от марки стали, формы и назначения детали.

 

Полному  отжигу подвергают обычно доэвтектоидные стали, нагревая их до температур выше линии GS, выдерживая при них в течение ¹/₄ продолжительности нагрева и медленно ох­лаждая вместе с печью до 600 — 400° С. Углеродистые стали охлаждают со скоростью 100—150° в час, легированные — со ско­ростью 30—50° в час. Полный отжиг сопровождается фазовой пере­кристаллизацией, в результате чего крупнозернистая сталь полу­чает мелкозернистую структуру, освобождается от внутренних нап­ряжений, становится мягкой и вязкой. Для отжига изделия упако­вывают в ящики, трубы или реторты, которые затем наполняют песком, чугунной стружкой или углем, чтобы предохранить поверх­ность изделий от обезуглероживания и окисления. Наилучшие ре­зультаты дает применение защитной атмосферы. Отжиг в защитной атмосфере называют светлым, так как при этом способе обезуглероживания и окисления почти не бывает и поверхность изделий оста­ется относительно светлой.

 

Неполный  отжиг является разновидностью отжига пе­рекристаллизации. При неполном отжиге сталь нагревают до тем­пературы, на 30—40° превышающей нижнюю критическую точку А_С1 (см. рис. 1), т. е. до 750—760° С.

Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680—750° С способствует образованию крупноплас­тинчатого перлита, облегчающего обрабатываемость стали резани­ем. Для мягких доэвтектоидных сталей, содержащих до 0,4—0,5% углерода, этот вид отжига применяют редко, так как они и без от­жига достаточно хорошо обрабатываются резанием. Для инструмен­тальных сталей, особенно заэвтектоидных, неполный отжиг явля­ется единственным видом отжига. Он способствует снятию внутрен­них напряжений и улучшению обрабатываемости резанием.

 

Отжигу  на  зернистый  перлит  подвергают эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Для отжига сталь нагревают на 20—30° выше критической точки A_Ci(см. рис. 54) и после выдер­жки при рабочей температуре в течение 3—5 часов медленно охлаж­дают (со скоростью 30—50° в час) до 650—600° С. В результате дли­тельной выдержки пластинчатый перлит превращается в зернистый; это явление называется сфероидизацией (округлением). Высокоуглеродистые инструментальные стали, содержащие более 0,65% углерода, со структурой зернистого перлита хорошо обра­батываются резанием и лучше поддаются закалке; они обладают мень­шей склонностью к образованию трещин и короблению. В некоторых случаях, чтобы ускорить процесс сфероидизации перлита, нагрев и охлаждение повторяют несколько раз. Такой отжиг называется  м а я т н и к о в ы м, или  цикличным. При цикличном отжи­ге инструментальную сталь нагревают до 730—750° С и медленно охлаждают до 650° С; процесс повторяют несколько раз. Все за­эвтектоидные (инструментальные) стали отжигают на зернистый перлит.

 

Изотермический  отжиг заключается в нагреве ста­ли выше критической точки А_С3 и выдержке при этой температуре в течение времени, необходимого для полного и равномерного про­грева. Затем сталь относительно быстро охлаждают до температу­ры ниже A_r1(650—700° С). При этой постоянной (изотермической) температуре сталь выдерживают определенное время, необходимое для полного распада аустенита с образованием перлита (в доэвтек-тоидной стали — феррита и перлита), и затем охлаждают на возду­хе. Изотермический отжиг имеет почти вдвое более короткий цикл,

чем   обычный    отжиг.

 

 

Рис. 2. Интервал закалочных темпера­тур углеродистой стали

 

Преимущества изотер­мического отжига —од­нородность структуры и ускорение процесса, осо­бенно при отжиге леги­рованной стали. Для сталей, содержащих большое количество хро­ма, никеля и других эле­ментов, только изотер­мический отжиг позво­ляет добиться превра­щения весьма устойчи­вого аустенита в перлит и феррит и обеспе­чить хорошую обра­батываемость стали ре­жущим инструментом. Диффузионный отжиг  применяют для слитков и крупных отливок, чтобы выравнять (путем диффузии) химический состав стали, имеющий внутрикристаллическую ликвацию. Сталь нагревают до 1050—1150° С, выдерживают при этой температуре 10—15 часов и затем медленно охлаждают до 600 — 550° С. Диф­фузионный отжиг приводит к росту зерна стали; этот дефект уст­раняют повторным отжигом на мелкое зерно (полный отжиг). Сталь, прошедшая гомогенизацию, обладает более высокими меха* ническими свойствами; особенно повышается ударная вязкость.

Рекристаллизационным  отжигом называется отжиг стали, прошедшей холодную прокатку, волочение или холод­ную штамповку, с выдержкой при температуре 680—700° С и после­дующим охлаждением. Этой температуры достаточно для того, что­бы возвратить стали свойства, которые она имела до холодной обработки давлением. В результате такого отжига понижается твер­дость и прочность, но повышаются показатели пластичности — отно­сительное удлинение, ударная вязкость.

 

Нормализация стали.

Нормализацией называется нагрев стали выше линии GSE  на 30—50° (см. рис. 1) свыдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений и наклепа, по­вышения механических свойств стали.

Слово «нормализация» указывает на то, что сталь после этой операции получает нормальную, однородную, мелкозернистую структуру; перлит приобретает тонкое строение. Нормализации подвергают отливки и поковки. В настоящее время нормализация распространена в машиностроении больше, чем отжиг, так как она более производительна и дает лучшие результаты.

 

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

термическая обработка

Термическая обработка — это метод, используемый для изменения физических, а иногда и химических свойств материала. Чаще всего применяется в металлургии. Термическая обработка также используется при производстве многих других материалов, таких как стекло. Термическая обработка включает использование нагревания или охлаждения, обычно до экстремальных температур, для достижения желаемого результата, такого как отверждение или размягчение материала. Методы термообработки включают отжиг, цементирование, дисперсионное упрочнение, отпуск и закалку.Примечательно, что хотя термин термическая обработка применяется только к процессам, в которых нагрев и охлаждение выполняются с конкретной целью преднамеренного изменения свойств, нагрев и охлаждение часто происходят как побочные фазы других производственных процессов, таких как горячая штамповка или сварка. Дополнительные рекомендуемые знания Термическая обработка металлов и сплавов Металлические материалы состоят из микроструктуры мелких кристаллов, называемых «зернами» или кристаллитами.Природа зерен (то есть размер и состав зерна) определяет общее механическое поведение металла. Термическая обработка обеспечивает эффективный способ управления свойствами металла, контролируя скорость диффузии и скорость охлаждения внутри микроструктуры. Отжиг Основная статья: Отжиг (металлургия) Отжиг — это метод восстановления после холодной обработки и снятия напряжений в металле. Отжиг обычно приводит к получению мягкого пластичного металла.Когда отожженной детали дают остыть в печи, это называется термообработкой «полный отжиг». Когда отожженная деталь вынимается из печи и охлаждается на воздухе, это называется «нормализующей» термообработкой. Во время отжига мелкие зерна рекристаллизуются с образованием более крупных зерен. В сплавах с дисперсионным твердением частицы растворяются в матрице, «растворяя» сплав. Закалка и отпуск (закалка и отпуск) Для закалки металл (обычно сталь или чугун) необходимо нагреть до аустенитной кристаллической фазы и затем быстро охладить.В зависимости от сплава и других соображений (например, соображений максимальной твердости по сравнению с растрескиванием и деформацией) охлаждение может осуществляться принудительным воздухом или другим газом (например, азотом), маслом, полимером, растворенным в воде, или рассолом. При быстром охлаждении аустентит превращается в мартенсит, твердую хрупкую кристаллическую структуру. Незакаленный мартенсит, хотя и очень твердый и прочный, слишком хрупкий, чтобы его можно было использовать в большинстве случаев. Метод, позволяющий решить эту проблему, называется закалкой.В большинстве случаев требуется, чтобы закаленные детали были отпущены (термообработка при низкой температуре, часто триста градусов по Фаренгейту или сто пятьдесят градусов по Цельсию) для придания некоторой прочности. Более высокие температуры отпуска (могут достигать тридцати тысяч градусов по Фаренгейту, в зависимости от сплава и применения) иногда используются для придания дополнительной пластичности, хотя некоторая прочность теряется. Металлурги часто разрабатывают сложные графики термической обработки для оптимизации механических свойств сплава.В аэрокосмической промышленности суперсплав может подвергаться пяти или более различным операциям термической обработки для достижения желаемых свойств. Это может привести к проблемам с качеством в зависимости от точности контроля температуры печи и таймера. Осадочное твердение Основная статья: Усиление осадков Некоторые металлы считаются металлами дисперсионного твердения . Примеры включают в себя алюминиевые сплавы серии 2000, 6000 и 7000, а также некоторые суперсплавы и некоторые нержавеющие стали.Если закалить дисперсионно-твердый сплав, его легирующие элементы будут захвачены в растворе, что приведет к мягкому металлу. Старение «растворенного» металла (либо при комнатной температуре — «естественное старение», либо при нескольких сотнях градусов — «искусственное старение») позволит легирующим элементам диффундировать через микроструктуру и образовать интерметаллические частицы. Эти интерметаллические частицы выпадают из раствора и действуют как упрочняющая фаза, увеличивая прочность сплава. В некоторых случаях естественным образом стареющие сплавы могут храниться в морозильной камере, чтобы предотвратить затвердевание до тех пор, пока не будут выполнены дальнейшие операции — например, сборка заклепок может быть проще с более мягкой деталью. Выборочная закалка Некоторые методы позволяют обрабатывать разные области одного объекта по-разному. Это называется дифференциальным упрочнением. Часто встречается в высококачественных ножах и мечах. Китайский цзянь — один из самых ранних известных примеров этого, а японская катана — наиболее широко известный. Другой пример — непальские хукури. См. Также APS Heat Treaters — оказывает все виды услуг по термообработке. Список литературы «Основы физического металлургии».Рид-Хилл, Роберт. 3-е издание. PWS Publishing, Бостон. 1994 г. Металлообработка Металлообработка Литье • ЧПУ • Режущие инструменты • Сверление и нарезание резьбы • Изготовление • Ковка • Шлифовка • Ювелирные изделия • Токарный станок • Обработка • Машиностроение • Измерение • Металлообработка • Ручной инструмент • Металлургия • Фрезерование • Профессии • Пресс-инструменты • Трубы и гибка труб • Кузнечное дело • Терминология • Сварка

.

Влияние термической обработки на механические свойства сплава Al-4% Ti

В данной статье исследуется влияние процессов термообработки на механические свойства литого сплава Al-4% Ti для применения в конструкциях. На образцах сплава проводятся процессы термической обработки, а именно отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Проведены механические испытания термически обработанных образцов, и полученные результаты связаны с их морфологией с помощью оптической микроскопии.Результаты показывают, что процессы термообработки не оказывают существенного влияния на предел прочности на разрыв литого сплава Al-4% Ti, но оказывают значительное влияние на характеристики жесткости и деформации сплава. Что касается характеристик деформации, то в закаленном образце зафиксировано значительное улучшение пластичности образцов. Таким образом, для применений, требующих прочности и пластичности, таких как аэрокосмическая промышленность, этот закаленный термообработанный сплав может быть использован. Кроме того, закаленный образец показывает значительное улучшение твердости.

1. Введение

Алюминий, как и все чистые металлы, имеет низкую прочность и не может быть легко использован в приложениях, где важно сопротивление деформации и разрушению. Поэтому другие элементы добавляют в алюминий в первую очередь для повышения прочности. Низкая плотность и высокая прочность сделали алюминиевые сплавы привлекательными в тех случаях, когда удельная прочность (отношение прочности к весу) является основным соображением при проектировании. Для использования в конструкции обычно выбирают самый прочный сплав, который отвечает минимальным требованиям к другим свойствам, таким как коррозионная стойкость, пластичность и вязкость, если он экономически эффективен.Следовательно, состав является первым критерием прочности [1]. Структурное применение алюминиевого сплава при высокой или умеренной температуре требует мелкого, однородного и стабильного распределения кристаллического упрочнения вплоть до температуры использования. Для этого подходят интерметаллические фазы с высокой температурой плавления. Al ₃ Ti является очень привлекательным среди всех интерметаллидов из-за его высокой температуры плавления (1350 ° C) и относительно низкой плотности (3,3 г / см ³ ) [2]. В последнее время сплавы на основе алюминия, особенно с титаном, становятся все более полезными для высокотемпературных применений из-за их превосходных свойств [3].Предыдущие исследователи в основном изучали влияние титана как измельчителя зерна в алюминиевом сплаве, поскольку измельчение зерна играет важную роль в определении конечных свойств изделий из алюминиевого сплава. Это улучшает прочность на разрыв и пластичность, увеличивает подачу сложных отливок и снижает склонность к горячему разрыву и пористость [4]. На самом деле измельчение зерна алюминия титаном происходит из-за возникновения перитектической реакции на богатой алюминием стороне фазовой диаграммы алюминий-титан [5, 6].Комбинация добавления титана к алюминиевому сплаву и другой обработки рассматривается как возможное средство дальнейшего улучшения механических свойств этого сплава, особенно для использования при высоких температурах.

Таким образом, в данном исследовании эффект термической обработки используется как средство улучшения механических свойств сплава алюминия с 4% титана.

2. Экспериментальные методы

Пруток из литого сплава алюминия с 4% титана с химическим составом, показанным в таблице 1, был вырезан и подвергнут механической обработке при температуре окружающей среды с получением стандартных образцов на растяжение и твердость.Затем образцы были подвергнуты процессам отжига, нормализации, закалки и отпуска перед проведением испытаний на растяжение и твердость. Во время отжига образец нагревали до 500 ° C, выдерживали в течение одного часа и оставляли охлаждаться в печи. Для нормализованных и закаленных образцов образцы нагревали до 500 ° C, выдерживали в течение одного часа и давали остыть на воздухе и в воде соответственно. Закаленный образец нагревали до 500 ° C, выдерживали в течение одного часа, быстро охлаждали в воде, повторно нагревали до 100 ° C, выдерживали при этой температуре в течение одного часа, а затем позволяли остыть на воздухе.Соответствующие термически обработанные образцы были обозначены как «литой образец (AC)», «отожженный образец (AS)», «нормализованный образец (NS)», закаленный образец (QS) и «отпущенный образец (TS)».

Элемент Fe Si Mn Cu Zn Ti Mg Pb Sn Al Wa B Массовая доля 0.738 0,308 0,377 0,027 0,748 4,061 0,092 0,343 1,207 88,73 0,027 2,807

испытание на 9000 в соответствии со стандартом ASTM E8 на стандартных образцах с использованием универсального тестера Instron, модель 3369. Испытание на твердость проводилось с использованием микротвердомера по Виккерсу модели «Deco» 2005 с испытательной нагрузкой 490 кН и временем выдержки 10 с.На каждом образце было сделано минимум 3 вдавливания. Стандартные образцы для испытаний микроструктуры были подготовлены и отшлифованы с использованием наждачной бумаги с зернистостью от 220 до 600 микрон последовательно. Шлифованные поверхности деталей полируются с использованием смеси оксида алюминия и алмазной пасты, а затем протравливаются в растворе, содержащем 5 г гидроксида натрия (NaOH), растворенного в 100 мл воды. Протравленные поверхности оставляли на 20 секунд, а затем промывали водой и сушили. Морфологию кристаллов образцов просматривали под цифровым металлургическим микроскопом при увеличении 200, микрофотографии показаны на пластинах 1–5.

3. Результаты и обсуждение

Характеристики растяжения и текучести образцов прутков после литья с 4% титана после термообработки показаны на рисунке 1. Программы термообработки не оказывают существенного влияния на предел прочности образцов. Когда важны прочность и пластичность, закаленный образец обладает значительной прочностью (126 МПа) с удлинением 42%, в то время как его твердость 60 HV делает его лучшим кандидатом для инженерных приложений, требующих комбинации этих свойств, по сравнению с образцом в литом состоянии.

На жесткость литого образца в значительной степени влияют процессы термообработки (рис. 2), при этом закаленный образец имеет самую низкую жесткость (1219 МПа). За исключением закаленного образца, в котором достигнуто значительное увеличение твердости (35%, 60 HV), другие процессы термообработки мало влияют на характеристики твердости сплава (рис. 3). Для закаленного образца его ударная вязкость немного принесена в жертву улучшенной прочности. Используемые процессы термообработки улучшают характеристику удлинения при растяжении материала, так как отпущенный образец демонстрирует превосходное (48%) удлинение (см. Рисунок 4).Этот результат согласуется с результатами модуля упругости, полученными для испытанных образцов (см. Рисунок 2). Таким образом, процесс закалки предпочтительнее других процессов термообработки, поскольку он придает оптимальные механические свойства сплаву Al-4% Ti.

Результаты анализа микроструктуры термообработанных образцов вместе с литыми образцами показаны на пластинах с 1 по 5. Морфология литого сплава имеет некоторую пластинчатую структуру и свидетельства образования интерметаллидоподобная фаза в матрице сплава (рис. 5).Эта пластинчатая структура была идентифицирована как интерметаллиды алюминия-титана с помощью просвечивающего электронного микроскопа [7], в то время как подобная осадку фаза представляет собой TiB ₂ [8]. Предыдущая работа показала, что армирование TiB ₂ является термодинамически и микроструктурно стабильным в алюминидных матрицах [9]. Установлено, что механические свойства образцов зависят от образования интерметаллидов алюминия и титана и выделений TiB ₂ в структуре матрицы.Во время отжига пластинчатые элементы внутри матрицы увеличивались в размере, становясь больше и мягче, чем у отлитого образца (рис. 6). Во время испытания на растяжение дислокация может легко скользить из-за увеличенного размера интерметаллидов алюминия и титана, которые не сопротивляются движению дислокаций. Это объясняет небольшое снижение прочности, которое можно наблюдать на рисунке 1. Пластинчатая структура в нормализованном образце по сравнению с отожженным образцом, по-видимому, разрушена (рисунок 7) из-за введенного быстрого охлаждения.Это связано с тем, что процесс диффузии (зарождение и рост кристаллов) более выражен во время операции отжига по сравнению с нормализованной программой термообработки. В закаленном образце (рис. 8) наблюдается увеличение объемной доли второго осадка TiB ₂ . Это увеличение является причиной наблюдаемого увеличения твердости закаленного образца (60 HV). Среди различных армирующих фаз TiB ₂ особенно привлекателен, поскольку он обладает многими желательными свойствами, такими как высокая твердость, низкая плотность, высокая температура плавления, высокий модуль упругости и высокая коррозионная стойкость [10, 11].Как сообщалось ранее исследователями, доказательство агломерации осадка TiB ₂ было отмечено как ответственное за наблюдаемые результаты [8, 12]. Размер пластинчатых кристаллов в матрице сплава значительно уменьшается, поскольку кристаллы более равномерно распределяются в матрице закаленного образца. Этому также можно отнести улучшение твердости. Матрица закаленного образца показывает уменьшение объемной доли выделений TiB ₂ , а также пластинчатых кристаллов в матрице, что приводит к значительному снижению твердости (44 HV) сплава (см. Рисунок 9).

4. Заключение

В этом исследовании обнаружено, что удлинение при растяжении сплава алюминия с 4% титана значительно улучшается по сравнению с процессами термообработки. На жесткость литого образца влияют процессы термообработки, при этом отпущенный образец имеет наименьшее значение модуля Юнга. Когда важны прочность, пластичность и твердость, закаленный образец обладает значительной прочностью (126 МПа), удлинением (42%) и твердостью (60 HV), что делает его лучшим кандидатом, чем литой образец с высокой прочностью, но низкой пластичность.Микроструктура показывает, что программы термообработки влияют как на размер и распределение кристаллов алюминия-титана, так и на объемную долю выделений вторичной фазы TiB ₂ . Однако процессы термообработки существенно не улучшают прочность сплава на разрыв.

Авторские права

Авторские права © 2013 Сегун Исаак Талаби и др. Это статья в открытом доступе, распространяемая по лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

.

Термическая обработка металла — Решения — Bodycote plc

• Китайский (упрощенный)
• Турецкий
• Шведский
• Польский
• Голландский
• итальянский
• французский
• финский
• Испанский
• Английский
• немецкий
• датский
• Чешский

• Язык
  • Китайский (упрощенный)
  • Турецкий
  • Шведский
  • Польский
  • Голландский
  • итальянский
  • французский
  • финский
  • Испанский
  • Английский
  • немецкий
  • Датский
  • Чешский
• Поиск

Поиск Технический глоссарий | Контакты | Локации Меню ≡ ╳

• Английский
  • 简体 中文
  • Český
  • Данск
  • Nederlands
  • Суоми
  • Français
  • Deutsch

.

No related posts.