Зачем нужна нормализация проката и как она влияет на механические свойства

27.03.2025

Нормализация проката — это термическая обработка, при которой сталь нагревается до температуры выше критической точки Ac3 (для доэвтектоидных сталей) или Ac1 (для заэвтектоидных), выдерживается и охлаждается на спокойном воздухе.

Этот процесс устраняет внутренние напряжения, полученные при прокатке или ковке, и приводит к формированию мелкозернистой структуры. В отличие от отжига, при нормализации охлаждение происходит быстрее, что повышает прочность и твердость материала.

Для низкоуглеродистых сталей типа Ст3сп нормализация проводится при 880–920°C. После обработки предел текучести увеличивается на 10–15%, а ударная вязкость сохраняется на уровне 50–60 Дж/см². В случае с инструментальными марками, такими как У8А, нагрев ведется до 750–780°C, что снижает хрупкость и улучшает обрабатываемость резанием.

Среднеуглеродистые стали 45 и 40Х нормализуют при 840–860°C. Это позволяет добиться твердости 180–220 HB без потери пластичности. Для легированных марок, включая 30ХГСА, температура повышается до 900–950°C из-за замедленной диффузии углерода в присутствии хрома и марганца.

Толщина проката влияет на режимы обработки. При сечении до 50 мм охлаждение на воздухе обеспечивает равномерную структуру. Для изделий толще 100 мм требуется принудительное обдувание, иначе возможно образование грубой зернистости. В производстве ответственных деталей, таких как валы или шестерни, нормализацию часто совмещают с последующей закалкой и отпуском.

Аустенитные стали 12Х18Н10Т не подвергают этой операции, так как их структура стабилизируется легирующими элементами. Для них применяют закалку с 1050–1100°C для предотвращения межкристаллитной коррозии. В то же время ферритные марки типа 08Х13 после нагрева до 950°C и охлаждения приобретают повышенную стойкость к окислению.

Продолжительность выдержки зависит от массы заготовки и рассчитывается по формуле t = k × D, где D — диаметр или толщина в мм, а коэффициент k составляет 1–1,5 мин/мм для углеродистых сталей и 2–2,5 мин/мм для легированных. Перегрев свыше рекомендуемых значений ведет к росту зерна и снижению ударной вязкости.

После нормализации механические свойства проверяют по ГОСТ 8479–70. Для конструкционных марок контролируют предел прочности (σв), относительное удлинение (δ) и ударную вязкость (KCU). В инструментальных сталях дополнительно измеряют твердость по Роквеллу (HRC).

В промышленности процесс проводят в камерных или методических печах с точностью поддержания температуры ±10°C. Для предотвращения обезуглероживания используют защитные атмосферы на основе азота или эндогаза. При работе с прутком диаметром менее 30 мм охлаждение лучше вести в подвешенном состоянии, чтобы избежать деформаций.

Для улучшения обрабатываемости резанием высокоуглеродистые стали типа ШХ15 подвергают изотермической нормализации. После нагрева до 790–810°C их быстро охлаждают до 600°C и выдерживают 1–2 часа, что приводит к распаду аустенита на сорбит. Это снижает твердость до 200–220 HB и облегчает механическую обработку.

Режимы для пружинных марок 65Г и 60С2А отличаются повышенными температурами 870–890°C с последующим ускоренным охлаждением. Это обеспечивает мелкопластинчатый перлит, повышающий упругие свойства. При изготовлении рессор такие заготовки дополнительно подвергают закалке в масле и среднему отпуску.

В листовом прокате из низколегированных сталей 09Г2С нормализация устраняет анизотропию свойств, вызванную прокаткой. Предел текучести после обработки достигает 300–340 МПа при сохранении относительного удлинения 22–25%. Такие характеристики критичны для сварных конструкций, работающих при динамических нагрузках.

Термическую обработку сортового проката выполняют перед волочением или холодной штамповкой. Для проволоки Вр1 нагрев до 700–720°C с последующим воздушным охлаждением снижает сопротивление деформации на 15–20%. Аналогичный подход применяют для трубных заготовок из стали 20, что повышает их пластичность при гибке.

При выборе параметров учитывают химический состав. При содержании углерода выше 0,4% скорость охлаждения уменьшают до 30–50°C/мин для предотвращения трещинообразования. Легирующие добавки типа молибдена или ванадия замедляют распад аустенита, поэтому для сталей 38ХМЮА время выдержки увеличивают на 20–25%.

Оборудование для процесса включает печи сопротивления или газовые агрегаты с программным управлением. Современные установки поддерживают точность температуры ±5°C, что необходимо для ответственных деталей. В термических цехах крупных предприятий используют линии с роликовыми конвейерами, обеспечивающие производительность до 10 т/ч.

Контроль качества включает металлографический анализ и механические испытания. Микроструктура нормализованной стали должна состоять из равномерного распределения феррита и перлита. Наличие видманштеттовой структуры свидетельствует о перегреве, а крупные зерна — о недостаточной скорости охлаждения.

Для штамповок сложной формы нормализацию проводят перед чистовой механической обработкой. Это снижает риск коробления при снятии стружки. В автостроении таким способом обрабатывают коленчатые валы из сталей 45ХН2МФА, что повышает их циклическую прочность на 12–15%.

Термическая обработка чугунов марки СЧ20 включает нагрев до 850–900°C с выдержкой 1 час на каждые 25 мм сечения. После воздушного охлаждения достигается твердость 180–200 HB, оптимальная для обработки резанием. В отличие от стали, здесь основной целью является разложение цементита и графитизация.

При работе с крупногабаритными отливками из 35Л применяют ступенчатую нормализацию. Сначала изделие медленно нагревают до 600°C для выравнивания температуры по сечению, затем доводят до 860°C и выдерживают 3–4 часа. Такой подход предотвращает возникновение термических напряжений.

Восстановительный отжиг после нормализации используют для сталей с повышенным содержанием кремния. Нагрев до 750°C в среде водорода удаляет окислы с поверхности и улучшает адгезию при последующем нанесении покрытий. Для пружинной ленты это обязательная операция перед цинкованием.

Скорость охлаждения регулируют изменением расстояния между заготовками на охлаждающем стеллаже. Для ответственных деталей из стали 40ХН2МА применяют принудительный обдув со скоростью воздуха 5–7 м/с. Это обеспечивает твердость 240–260 HB без дополнительной термообработки.

При обработке рельсовой стали Р65 нагрев ведут до 920–940°C с выдержкой 2–3 часа. После воздушного охлаждения структура состоит из сорбита, что повышает износостойкость. Дополнительный низкий отпуск при 200–250°C снимает остаточные напряжения без снижения прочности.

Для тонкостенных труб из 12Х1МФ применяют изотермическую выдержку при 720–740°C. Это стабилизирует структуру перед эксплуатацией в энергетическом оборудовании. Продолжительность процесса рассчитывают исходя из толщины стенки: 1,5 мин на 1 мм при диаметре до 150 мм.

Термическая обработка быстрорежущих сталей Р6М5 включает ступенчатый нагрев до 870°C, затем до 1230°C с последующей нормализацией. Это подготавливает структуру для окончательной закалки. После охлаждения на воздухе твердость составляет 45–48 HRC, что позволяет проводить механическую обработку.

В производстве зубчатых колес из 18ХГТ применяют комбинированный цикл: нормализацию при 950°C, закалку ТВЧ и низкий отпуск. Такой подход обеспечивает твердость поверхности 56–58 HRC при вязкой сердцевине. Износостойкость деталей увеличивается в 2–2,5 раза по сравнению с отожженным состоянием.

Для листового проката толщиной 4–10 мм из стали 10ХСНД используют ускоренное охлаждение со скоростью 10–15°C/с. Это создает дислокационное упрочнение без потери пластичности. Предел текучести после обработки достигает 390–420 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 19281–89.

При обработке валов из 38ХН3МФА критичен контроль температуры в печи. Перегрев выше 950°C вызывает рост зерна и снижение ударной вязкости на 30%. Оптимальные параметры: 880–900°C с выдержкой 1,2 мин/мм и охлаждением в потоке воздуха 3–4 м/с.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев