Нормализация стали: режимы, температура и время

Нормализация - это вид термической обработки стали, при котором деталь нагревают выше верхней критической точки в однофазную аустенитную область, выдерживают и охлаждают на спокойном воздухе. По сравнению с отжигом охлаждение идёт быстрее, поэтому перлит получается мельче, а прочность и твёрдость выше; по сравнению с закалкой - медленнее, поэтому мартенсит не образуется и внутренние напряжения остаются небольшими. Чтобы назначить режим, нужно знать всего три вещи: где у вашей стали критическая точка (она зависит от содержания углерода), на сколько выше её греть и сколько держать деталь по толщине сечения. Калькулятор ниже считает всё это сразу и показывает точку нагрева прямо на диаграмме железо-углерод.

Что происходит при нормализации

Нормализация состоит из трёх стадий, и понимать их по отдельности проще, чем заучивать готовые цифры. Сначала сталь нагревают так, чтобы её исходная структура (феррит и перлит у доэвтектоидной стали или перлит и цементит у заэвтектоидной) полностью превратилась в аустенит - однородный твёрдый раствор углерода в гамма-железе. Затем деталь выдерживают при этой температуре, чтобы аустенит стал однородным по всему сечению. После этого деталь вынимают из печи и охлаждают на воздухе - именно скорость этого охлаждения отличает нормализацию от других видов обработки.

Рассчитать для своей задачи

Ключевая идея в том, что при охлаждении на воздухе аустенит распадается при более низкой температуре, чем в печи. Чем ниже температура распада, тем меньше времени у зёрен на рост, и тем более тонкой выходит структура. Поэтому нормализованная сталь - это та же феррито-перлитная сталь, но с измельчённым зерном и более дисперсным перлитом, который в металловедении называют сорбитообразным.

Температура нагрева под нормализацию

Главный параметр режима - температура нагрева. Её отсчитывают от верхней критической точки, а та зависит от содержания углерода. Для доэвтектоидной стали (углерода меньше 0,8 %) верхняя точка - это $Ac_3$, граница, выше которой исчезает свободный феррит:

$Ac_3 = 910 - 203\sqrt{C},$

где $C$ - содержание углерода в процентах. Температуру нагрева берут на 30-50 °C выше этой линии:

$T = Ac_3 + \Delta T, \qquad \Delta T = 30..50\ °C.$

Запас $\Delta T$ нужен, чтобы гарантированно перейти в однофазную область с учётом неравномерного прогрева детали, но не больше - перегрев приводит к росту зерна аустенита и ухудшает свойства. Нижняя критическая точка $Ac_1 = 727$ °C (линия PSK) на режим нормализации напрямую не влияет, но именно ниже неё аустенит снова начинает распадаться при охлаждении.

Рассчитать для своей задачи

Для заэвтектoидной стали (углерода больше 0,8 %) картина другая: верхняя граница - это линия $Acm$, и нагрев под нормализацию ведут чуть выше неё. Но забираться слишком высоко нельзя - при сильном перегреве цементит полностью растворяется и при последующем охлаждении выделяется по границам зёрен сплошной сеткой, которая делает сталь хрупкой. Поэтому для заэвтектоидной стали запас по температуре держат минимальным.

Время выдержки

Когда температура назначена, остаётся определить, сколько держать деталь. Время выдержки складывается из времени прогрева детали по всему сечению и времени, нужного для выравнивания состава аустенита. На практике пользуются простым правилом: примерно полторы минуты на каждый миллиметр толщины сечения:

$\tau = k \cdot h, \qquad k \approx 1{,}5\ \text{мин/мм},$

где $h$ - толщина или диаметр детали в миллиметрах. Для вала диаметром 30 мм это около 45 минут. Правило приблизительное: для массивных деталей коэффициент берут чуть меньше (сердцевина прогревается за счёт уже горячих наружных слоёв), для тонких - время не опускают ниже 15-20 минут, иначе аустенит не успеет стать однородным. Передерживать тоже вредно - длительная выдержка при высокой температуре растит зерно.

Охлаждение на воздухе - главное отличие

Скорость охлаждения - то, что отделяет нормализацию от соседних видов обработки. При отжиге деталь остывает вместе с печью, очень медленно; при закалке - резко, в воде или масле; при нормализации - на спокойном воздухе, то есть со средней скоростью.

Рассчитать для своей задачи

Из-за этого нормализованная сталь занимает промежуточное положение по свойствам. Прочность и твёрдость у неё выше, чем после отжига, потому что перлит мельче. При этом, в отличие от закалки, не образуется хрупкий мартенсит, а внутренние напряжения невелики, поэтому деталь редко ведёт и трескается. Для крупного сечения есть нюанс: чем толще деталь, тем медленнее её сердцевина остывает даже на воздухе, и тем ближе результат к отжигу. Это видно на правом графике калькулятора выше - кривые охлаждения для трёх режимов расходятся именно по скорости.

Когда применяют нормализацию

Нормализацию назначают чаще всего в трёх случаях. Первый - как окончательную обработку для деталей из низко- и среднеуглеродистой стали, от которых не требуется высокая твёрдость: она даёт хорошее сочетание прочности и вязкости при минимальной стоимости. Второй - как подготовительную операцию перед закалкой или механической обработкой: нормализация измельчает зерно и выравнивает структуру после ковки или литья, снимает строчечность. Третий - для устранения цементитной сетки в заэвтектоидной стали: ускоренное охлаждение не даёт цементиту выделиться сплошной хрупкой оболочкой по границам зёрен.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию часто предпочитают отжигу ещё и потому, что она производительнее: деталь не нужно медленно остужать в печи, а печь освобождается сразу. У близких операций есть своя логика выбора - например, при необходимости получить максимально мягкую и обрабатываемую структуру выбирают отжиг, а не нормализацию.

Частые ошибки

• Нагрев от температуры в градусах без учёта углерода. Критическая точка $Ac_3$ зависит от состава: у стали 20 она около 845 °C, у стали 45 - около 775 °C. Брать одну и ту же температуру для всех сталей нельзя.
• Слишком большой перегрев. Запас выше критической точки - 30-50 °C, не больше. Лишний перегрев растит зерно аустенита и снижает вязкость готовой детали.
• Заэвтектоидную сталь греют как доэвтектоидную. Для стали с углеродом больше 0,8 % ориентир - линия $Acm$, а не $Ac_3$, и перегрев держат минимальным, чтобы не получить цементитную сетку.
• Недостаточная выдержка. Если деталь не прогрелась по всему сечению, аустенит выйдет неоднородным, и структура после охлаждения будет неравномерной. Считайте время по толщине сечения.
• Путаница нормализации и отжига по охлаждению. При нормализации остужают на воздухе, при отжиге - вместе с печью. Если оставить деталь в выключенной печи, получится отжиг, а не нормализация.

FAQ

Чем нормализация отличается от отжига? Отличие только в скорости охлаждения: при отжиге деталь остывает с печью очень медленно, при нормализации - на воздухе быстрее. Из-за этого после нормализации перлит мельче, а прочность и твёрдость выше, чем после отжига, при сопоставимой вязкости.

До какой температуры греть сталь 45 под нормализацию? Для стали 45 (углерод 0,45 %) критическая точка $Ac_3$ примерно 775 °C. Температура нагрева под нормализацию - на 30-50 °C выше, то есть около 810-820 °C. Точное значение зависит от выбранного запаса перегрева и подтверждается калькулятором.

Можно ли нормализацией заменить закалку с отпуском? Нет, это разные по результату обработки. Нормализация не даёт мартенсита и высокой твёрдости, она лишь измельчает феррито-перлитную структуру. Если детали нужна высокая твёрдость и износостойкость, выбирают закалку с отпуском, а нормализацию используют как подготовку перед ней.

Коротко

Нормализация - это нагрев стали выше верхней критической точки ($Ac_3$ для доэвтектоидной, $Acm$ для заэвтектоидной стали), выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. Температуру назначают по формуле $T = Ac_3 + \Delta T$ с запасом 30-50 °C, а время выдержки оценивают как полторы минуты на миллиметр сечения. Из-за умеренной скорости охлаждения структура выходит более мелкой, чем при отжиге, а напряжения - меньше, чем при закалке, поэтому нормализацию применяют и как окончательную обработку, и как подготовку перед закалкой.