О НОРМАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СТАЛИ ПРИ ОТЖИГЕ

На рисунке 1 показан тепловой цикл процесса нормализации, а на рисунке 2 показан диапазон температур аустенитизации для нормализации нелегированных сталей в зависимости от содержания в них углерода.

Эффект измельчения зерна получается путем нормализации содержания углерода в стали на 0,5% C. Такое измельчение зерна и гомогенизация структуры путем нормализации обычно выполняются либо для улучшения механических свойств заготовки, либо (перед закалкой) для получения лучших и более однородных результатов после закалки. В некоторых случаях для улучшения обрабатываемости низкоуглеродистых сталей применяется нормализация [1].

Рисунок 1. Температурно-временной режим нормализации.

Рисунок 2. Диапазон температур аустенитизации для нормализации нелегированных сталей в зависимости от содержания в них углерода.

Особая потребность в нормализации возникает при изготовлении стальных отливок, поскольку из-за медленного охлаждения после литья образуется крупнозернистая структура, которая обычно содержит иглообразный феррит (структура Видманштеттена).

После горячей прокатки структура стали обычно ориентируется в направлении прокатки. В этом случае, конечно, механические свойства различаются в направлении прокатки и перпендикулярном к нему направлении. Чтобы удалить ориентированную структуру и получить одинаковые механические свойства во всех направлениях, необходимо провести нормализующий отжиг.

После ковки при высоких температурах, особенно при изготовлении заготовок, размеры поперечного сечения которых сильно различаются, из-за разницы скоростей охлаждения и температуры ковки получается неоднородная структура, которую можно сделать однородной путем нормализации.

С металлургической точки зрения измельчение зерен и равномерное распределение новообразованной ферритно–перлитной структуры во время нормализующей обработки можно объяснить следующим механизмом. Эффект нормализации зависит как от аустенитизации, так и от охлаждения в зависимости от температуры аустенитизации.

Во время аустенитизации предполагается глубокое растворение карбидов, но этот процесс конкурирует с ростом зерен аустенита после полного растворения карбидов, что нежелательно. Помимо растворения карбида, степень гомогенизации в аустенитной матрице важна для получения нового расположения ферритных и перлитных составляющих в структуре стали после нормализации. Поэтому, особенно в случае с легированными сталями, более низкие температуры аустенитизации и более длительное время выдержки для нормализации дают преимущества с учетом роста зерен аустенита. Высокие температуры аустенитизации приводят к образованию крупнозернистой структуры аустенита, которая после нормализации приобретает крупнозернистую структуру.

Время выдержки при температуре аустенитизации можно рассчитать по эмпирической формуле

где t время выдержки (мин), а D максимальный диаметр обрабатываемой детали (мм).

При нормализации доэвтектоидных сталей (т. е. сталей с содержанием углерода менее 0,8%) во время охлаждения до температуры аустенитизации сначала происходит доэвтектоидное осаждение феррита. При более низкой скорости охлаждения увеличивается осаждение феррита по границам зерен аустенита. Однако для получения желаемого равномерного распределения феррита и перлита после нормализации необходимо, по возможности, одновременное образование феррита и перлита. Стали с содержанием углерода от 0,35 до 0,55% по Цельсию особенно склонны к образованию неоднородного распределения ферритов. Такая структура указывает на слишком медленное охлаждение в диапазоне температур доэвтектоидного осаждения феррита между A_r3 и A_r1. С другой стороны, если охлаждение в этой температурной области происходит слишком быстро, то в сталях с содержанием углерода от 0,2 до 0,5% может образоваться нежелательный иглообразный феррит (ориентированный по границам зерен аустенита), так называемая структура Видманштеттена. Образование перлита происходит только после полного выделения феррита путем преобразования оставшейся структуры аустенита при температуре A_r1. Сначала оно начинается на границах феррита и аустенита и распространяется вглубь зерен аустенита. Чем больше образуется перлитных областей, тем больше взаимных препятствий возникает у зерен перлита при их росте и, следовательно, тем мельче зерна нормализованной структуры. Влияние легирующих элементов на превращение аустенита в феррит и перлит можно увидеть на соответствующей диаграмме CCT (Continuous Cooling-Transformation Diagram).

Если для круглых прутков разного диаметра, охлаждаемых на воздухе, кривые охлаждения в сердечнике были экспериментально измерены и записаны, то, используя соответствующую диаграмму CCT для рассматриваемой марки стали, можно предсказать структуру и твердость после нормализации.

Нелегированная сталь DIN Ck45 обеспечивает желаемую ферритно-перлитную структуру сердцевины всех исследованных прутков различного диаметра, охлаждаемых на воздухе. С другой стороны, легированная сталь DIN 55NiCrMoV6, охлажденная таким же образом на воздухе, превращается в мартенсит и бейнит. В этом случае для получения желаемой структуры и твердости после нормализации требуется гораздо более медленное охлаждение, составляющее около 10°C/ч, т. е. необходимо обеспечить охлаждение печи от температуры аустенитизации до температуры, при которой завершается образование перлита (≈ 600°C).