Normalizace oceli: popis a charakteristika
Normalizace oceli se používá k odstranění vnitřních pnutí, snížení tvrdosti a získání jemnozrnné, jednotné struktury. Tvrdost a pevnost oceli jsou o něco vyšší než po žíhání. Normalizace spočívá v zahřátí hypoeutektoidní oceli o 30–35 °C nad bod Ac3 a eutektoidní a hypereutektoidní oceli nad bodem Acv, přičemž se krátce udržuje na této teplotě a poté se ochladí na vzduchu. Struktura oceli po normalizaci bude stejná jako po žíhání; některé vysokolegované oceli po normalizaci získávají strukturu kalení; struktura podeutektoidní oceli je po normalizaci tvořena feritem a perlitem, zatímco u hypereutektoidní oceli odpadá cementitová síť a vzniká jemná feritovo-cementitová směs (sorbitol). U některých ocelí je normalizace konečným tepelným zpracováním, tzn. získávají dobrou kombinaci tažnosti a pevnosti. Normalizace je ekonomický typ tepelného zpracování, který je široce používán v tovární praxi.
Pro zvýšení mechanické pevnosti a tvrdosti a udržení dostatečné houževnatosti oceli se používá tepelné zpracování, které se skládá ze dvou procesů: kalení a popouštění. Kalení a popouštění je hlavním typem konečného tepelného zpracování, které dodává dílům a konstrukcím potřebné výkonnostní vlastnosti. Konstrukční oceli po kalení a popouštění získávají zvýšenou tvrdost, vysokou pevnost a houževnatost. Nástrojové oceli získávají vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení s dostatečnou houževnatostí. Kalení spočívá v zahřátí oceli o 30-50 °C nad teploty fázové transformace, v jejím udržování na této teplotě a v rychlém ochlazení. Teplota ohřevu závisí na obsahu uhlíku v oceli (obr. 25). Díky vysoké rychlosti ochlazování získává ocel struktury, které se liší od těch rovnovážných odpovídajících stavovému diagramu systému železo-uhlík. Struktury získané rychlým ochlazením oceli se nazývají metastabilní. Představují různé stupně přeměny austenitu (martenzit, troostit, sorbitol). Obr. 25. Teplotní rozsah ohřevu uhlíkových ocelí pro kalení Hypoeutektoidní oceli, používané především jako konstrukční materiály ve stavebnictví a strojírenství, se zahřívají pro kalení na 30-50 °C nad bodem Jakoг Výsledkem je, že perlit a přebytek feritu tvoří homogenní pevný roztok – austenit. Ten, když se ochladí rychlostí vyšší než kritickou, se přemění na jemnojehlový martenzit s malým množstvím zadrženého austenitu. Tato metoda se nazývá úplné vytvrzení po správném popuštění vede k získání požadované ocelové struktury s dobrými mechanickými vlastnostmi. Pokud se hypoeutektoidní ocel před kalením zahřeje na teplotu ležící v rozmezí kritických bodů Jako-Esoъ, pak dojde pouze k částečné rekrystalizaci oceli; zůstává určité množství feritu, který se během procesu kalení nezmění a tím nesníží tvrdost oceli. Takové kalení podeutektoidní oceli se nazývá neúplné a používá se extrémně zřídka; v obecném případě neumožňuje získat maximální možné pevnostní vlastnosti. Eutektoidní a hypereutektoidní oceli se před kalením zahřejí na 30–50 °C nad bodem Jakoр udržována na dané teplotě a poté ochlazována rychlostí vyšší než kritická. U těchto ocelí se používá neúplné kalení. Struktura eutektoidní oceli po takovém kalení bude obsahovat martenzit a zbytkový austenit a v hypereutektoidní oceli bude martenzit, sekundární cementit a zbytkový austenit. Hypereutektoidní oceli se používají především k výrobě nástrojů, které vyžadují vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení a přítomnost sekundárního cementitu ve formě malých, rovnoměrně rozmístěných zrn je dokonce žádoucí.
- • nízká – 150 200 °C (používá se pro přístroje);
- • průměrná – 300. 400 °C (pružiny, listové pružiny);
- • vysoká – 500 °C (ve většině případů – pro kritické strojní součásti a konstrukce). Kalení s vysokým popouštěním se nazývá zlepšení zpracování. Konstrukční oceli obsahující 0,3 jsou podrobeny zdokonalování. 0,5 % C. Takové oceli se nazývají zlepšila.
Kalitelnost je schopnost oceli výrazně zvýšit tvrdost při kalení. Prokalitelnost závisí především na obsahu uhlíku a legujících prvků v oceli. Čím více uhlíku, tím vyšší je tvrdost martenzitu vzniklého při úplném kalení a tím lepší prokalitelnost oceli.
Kalitelnost se nazývá schopnost oceli přijmout kalení do určité hloubky.
Nesprávně provedené kalení způsobuje řadu defektů v kovu. Jedná se především o nedostatečnou tvrdost, skvrny, zvýšenou křehkost, deformace, deformace a praskliny.
Normalizace oceli je tepelné zpracování oceli, které zlepšuje její vlastnosti.
Normalizace oceli, její účel
Během procesu normalizace se ocel zahřeje na teplotu 30-50 °C nad horním kritickým bodem a následuje ochlazení. Tento proces není jedním z hlavních způsobů tepelného zpracování, protože se jedná o typ žíhání nebo kalení v závislosti na jakosti slitiny a velikosti obrobku.
Obrázek převzat z open source Yandex. obrázky
Normalizace podeutektoidních ocelí vytváří jednotnou, jemnozrnnou strukturu a někdy se používá v nízkouhlíkových slitinách místo žíhání. V případě hypereutektoidních ocelí je tento proces určen k odstranění cementitové sítě z kovu.
Normalizace je nezbytná pro změnu mikrostruktury oceli a používá se pro následující účely:
— snížení vnitřního napětí;
— broušení velkých zrn kovových konstrukcí;
— uvedení výkovků nebo polotovarů vyrobených plastickou deformací do požadovaného stavu;
– změna vlastností odlévaných sochorů normalizací oceli, tj. odlitků vzniklých litím slitiny do forem;
— získání upravených hodnot charakteristik svarového kovu.
Normalizace oceli umožňuje dosáhnout různých, často i protichůdných cílů. Tímto způsobem tepelného zpracování můžete zvýšit nebo snížit tvrdost, viskozitu hotového výrobku nebo změnit pevnostní charakteristiky. Požadovaný výsledek závisí na tepelných a mechanických vlastnostech kovu.
Po takovém tepelném zpracování získá slitina homogenizovanou strukturu, sníží se zbytková napětí v ní a odlévaný kov se stává náchylnější k tepelnému tvrzení. U produktů získaných tlakem se vazba snižuje a velikost zrna ve struktuře je uspořádaná.
V kombinaci s temperováním tento postup eliminuje potřebu kalení kovu, aby se zabránilo vzniku oblastí s defekty. To je nejdůležitější u výrobků s náhlými změnami velikosti licí plochy.
Tento přístup pomáhá dosáhnout následujících výsledků:
* zlepšit strukturu kovu před kalením;
* zvýšení obrobitelnosti řezáním;
* odstranění sekundárního cementitu díky normalizaci hypereutektoidní oceli;
* připravit kov pro konečné tepelné zpracování.
Normalizace oceli spočívá v zahřátí podeutektoidní oceli na teplotu nad Ac3 a neeutektoidní oceli – nad Acm o 50-60°C s následným ochlazením na vzduchu. Během normalizace ocel rekrystalizuje, čímž se eliminuje hrubozrnná struktura získaná při lití nebo kování.
V důsledku ochlazování vzduchem dochází při nižších teplotách k rozkladu austenitu na feritovo-cementitovou směs a následně se zvyšuje disperze směsi.
Normalizace má různý účel v závislosti na složení oceli. Místo žíhání se nízkouhlíkové oceli normalizují. Tím se tvrdost mírně zvýší, ale při řezání se zlepší kvalita povrchu.
U středně uhlíkových ocelí se místo kalení a vysokého popouštění (zlepšování) používá normalizace. V tomto případě jsou mechanické vlastnosti sníženy, ale deformace výrobků je snížena ve srovnání s deformací získanou během kalení.
Vysokouhlíková (hyperfektoidní) ocel je podrobena normalizaci, aby se eliminovala cementitová síť.
Normalizace následovaná vysokým popouštěním (600-650 °C) se často používá ke korekci struktury legovaných ocelí místo žíhání.
Normalizace a žíhání možných vad
K defektům během žíhání může dojít v důsledku nesprávného ohřevu, použití příliš vysokých nebo příliš nízkých teplot, příliš dlouhé doby ohřevu, nevhodné atmosféry a nevhodných podmínek chlazení.
Při příliš rychlém ohřevu, zejména u výrobků velkých rozměrů, může v důsledku tepelné roztažnosti vnějších vrstev vzniknout uprostřed výrobku velká tahová napětí, která způsobí tvorbu trhlin. Zvláštní pozornost je třeba věnovat riziku praskání při ohřevu ocelí se špatnou tepelnou vodivostí a vysokým koeficientem tepelné roztažnosti, jako jsou austenitické oceli.
Při dosažení žíhací teploty je nutné zajistit vyrovnání teplot, zejména u velkorozměrových výrobků. Nerovnoměrné zahřívání vede k nerovnoměrné struktuře a následně k různým mechanickým vlastnostem v různých částech výrobku.
Pokud jsou teploty žíhání příliš vysoké a doba expozice příliš dlouhá, vytvoří se hrubozrnná struktura, nazývaná přehřátá struktura. Přehřátí oceli je možné při ohřevu ingotů nebo sochorů na deformaci za tepla.
Kromě toho lze při tepelném zpracování pozorovat přehřátí, zejména u produktů složité konfigurace, v důsledku nedodržení teplotního režimu (ohřev na teplotu výrazně vyšší než kritická nebo ohřev na normální teplotu s velmi dlouhou expozicí ).
Přehřátí se vyznačuje výskytem hrubě krystalických lesklých trhlin. Přehřívání lze eliminovat žíháním s fázovou rekrystalizací, normalizací nebo vylepšením (kalení vysokoteplotním popouštěním).
Velmi silné přehřátí může kromě silného růstu zrn způsobit poškození hranic zrn. Tato vada se nazývá vyhoření. Vyhoření je charakterizováno tavením a tedy oxidací kovu podél hranic zrn a nelze jej korigovat tepelným zpracováním. Emocionální vyhoření je nenapravitelné manželství.
Atmosféra v troubě je velmi důležitá. Přebytečné oxidační plyny v atmosféře (kyslík, vodní pára, oxid uhličitý atd.) způsobují kalcifikaci a dekarbonizaci.
Přítomnost plynů jako je oxid uhelnatý, uhlovodíky atd. způsobuje nauhličování povrchu.
V praxi je v peci vždy přítomna více či méně oxidační atmosféra. Dekarbonizace vnějších vrstev pozorovaná v těchto případech je někdy škodlivější než tvorba vodního kamene.
K dekarbonizaci dochází, protože kyslík oxiduje uhlík dříve než železo. Aby došlo k dekarbonizaci, plynná atmosféra nesmí mít příliš silný oxidační účinek. Pokud je rychlost oxidace větší než rychlost difúze uhlíku proudícího dovnitř, dochází k tvorbě vodního kamene, protože v tomto případě může kyslík současně oxidovat uhlík a železo.
Obsah vodíku v atmosféře pece má významný vliv na oduhličení. Zatímco suchý vodík způsobuje malou až žádnou dekarbonizaci, vlhký vodík způsobuje velmi silnou dekarbonizaci.
Oduhličení kovového povrchu vede k nerovnoměrné a neúplné náchylnosti ke kalení např. nástrojových ocelí. Oduhličení navíc pomáhá snižovat únavovou pevnost a zhoršovat chemické vlastnosti povrchu.
K ochraně výrobků před oduhličením a tvorbou kotelního kamene se žíhání provádí v krabicích nebo trubkách potažených hlínou, jakož i v krabicích naplněných dřevěným uhlím nebo litinovými hoblinami (spotřebované).
Použité vybavení a materiály
Obrázek převzat z open source Yandex. obrázky
Hlavním zařízením pro normalizační postup jsou speciální pece pro kalení a žíhání. Pec je vytápěna plynem, systém může obsahovat různé prvky. Klíčové jsou komory – utěsněné boxy pro umístění obrobků. Kromě nich zařízení obsahuje hořákové ohřívače. Čerpají předem stanovenou teplotu do komor pece. Fungují na nepřímý nebo přímý ohřev a mají plochý zvon. Trouby jsou vybaveny zařízeními s nastavitelnými funkcemi vypnutí. Mají vestavěné moduly, které řídí napájení. Podle typu mohou být tato zařízení pulzní, proporcionální nebo kombinovaná. Kromě nich jsou součástí vybavení tepelné izolátory. Vnitřní komora pece je vytápěna pomocí vzduchového prostoru. Hořák je umístěn ve středu komory. Jeho design může být navíc regenerační nebo samoléčivý.
Nepřímo vyhřívané odporové pece mají jiný topný systém. Nejběžnější možností je mikroprocesorem řízený obvod tyristorového řízení výkonu. Při práci se používají různé druhy oceli. Kalení závisí na podmínkách zahřívání a chlazení. Může být úplný, neúplný, s průběžným chlazením, izotermický, stupňovitý. Provádí se v jednom nebo dvou kapalných médiích. K tomu může dojít při omezeném vystavení chladícímu prostředí. Kombinace metod umožňuje vytvořit design s vlastnostmi, které splňují nezbytné požadavky na výkonnostní charakteristiky produktu. Po úplném vytvrzení překračuje teplota kritické hodnoty. Pokud je neúplný, je v rozsahu hodnot zhášení. Pokud se provádí při rychlosti ochlazování převyšující kritickou, bude ochlazená struktura sestávat z martenzitu a zbytkového austenitu.
Když je rychlost chlazení menší než kritická, bude struktura sestávat ze slitiny feritu a karbidu různé disperze. Pokud se kalení provádí za kontinuálního chlazení, pak je jeho teplota pod počátečním bodem martenzitické transformace.
“Tepelné zpracování kovů” V.M. Zuev.
Přečtěte si článek, líbil se vám? Napište svůj názor do komentářů, sdílejte odkaz na článek se svými přáteli.
Odkaz na článek:
Také by vás mohly zajímat články o tepelných úpravách „popouštění“ a „žíhání“.