Normalizowanie stali – co to jest i na czym polega ten proces?

Normalizowanie stali to obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do zakresu austenitycznego, wygrzaniu go, a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Proces prowadzi zwykle do rozdrobnienia ziarna i ujednorodnienia mikrostruktury, dlatego często przygotowuje stal do dalszej obróbki cieplnej lub mechanicznej.

Czym jest normalizowanie stali?

Podczas normalizowania stal zostaje nagrzana do temperatury, w której jej struktura przechodzi w austenit. Następnie materiał utrzymuje się w tej temperaturze, aby wyrównać temperaturę w całym przekroju i doprowadzić do wymaganych przemian. Po wyjęciu z pieca detal chłodzi się na powietrzu.

Właśnie sposób chłodzenia jest znakiem rozpoznawczym tego procesu. Powietrze odbiera ciepło szybciej niż piec podczas wyżarzania zupełnego, co sprzyja uzyskaniu drobniejszej struktury. W typowych stalach podeutektoidalnych po normalizowaniu powstaje mikrostruktura ferrytyczno-perlityczna. Jej dokładny skład zależy między innymi od zawartości węgla, dodatków stopowych i szybkości chłodzenia.

Jak przebiega proces normalizowania?

Cykl technologiczny obejmuje trzy podstawowe etapy:

1. Nagrzewanie – stal podgrzewa się do temperatury zapewniającej austenityzację. Dla stali podeutektoidalnych temperatura musi być wyższa od Ac3, natomiast dla stali nadeutektoidalnych dobiera się ją z uwzględnieniem Acm. Nie istnieje jedna temperatura właściwa dla wszystkich gatunków.
2. Wygrzewanie – materiał pozostaje w zadanej temperaturze tak długo, aby ciepło dotarło do całego przekroju, a przemiany strukturalne mogły przebiec prawidłowo. Czas zależy od gatunku stali, wymiarów i geometrii elementu.
3. Chłodzenie – po zakończeniu wygrzewania detal wyjmuje się z pieca i chłodzi w spokojnym powietrzu. Jest to chłodzenie szybsze niż stygnięcie razem z piecem, dlatego wpływa na powstanie drobniejszego ziarna i innej proporcji składników mikrostruktury.

Zbyt wysoka temperatura lub zbyt długie wygrzewanie może spowodować rozrost ziarna austenitu, a tym samym pogorszyć właściwości materiału. Z kolei niedostateczne nagrzanie albo zbyt krótki czas wygrzewania może nie zapewnić pełnego ujednorodnienia struktury.

Dlaczego wykonuje się normalizowanie?

Normalizowanie może być obróbką końcową, ale często pełni funkcję przygotowawczą. Najważniejsze cele procesu to:

• rozdrobnienie ziarna i uzyskanie bardziej jednorodnej mikrostruktury,
• ograniczenie niejednorodności powstałych podczas odlewania, kucia lub walcowania na gorąco,
• poprawa wybranych właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość i twardość, przy zachowaniu użytecznej plastyczności,
• przygotowanie stali do hartowania, odpuszczania lub ulepszania cieplnego,
• uzyskanie bardziej równomiernych właściwości w przekroju elementu,
• poprawa warunków dalszej obróbki skrawaniem w wybranych gatunkach stali.

Efekt nie jest jednak identyczny dla każdego materiału. Stal stopowa o dużej hartowności może podczas chłodzenia na powietrzu utworzyć bainit, a nawet martenzyt. W takim przypadku proces wymaga oceny na podstawie dokumentacji konkretnego gatunku, a po chłodzeniu może być potrzebne odpuszczanie.

Normalizowanie a wyżarzanie i hartowanie

Wszystkie trzy procesy wykorzystują nagrzewanie i przemiany fazowe, ale mają inne cele oraz warunki chłodzenia. Najważniejsze różnice przedstawia tabela:

Normalizowanie nie jest więc łagodniejszą odmianą hartowania. Jego celem nie jest maksymalne zwiększenie twardości ani wytworzenie struktury martenzytycznej. W porównaniu z wyżarzaniem zupełnym chłodzenie na powietrzu przebiega szybciej i daje zwykle drobniejszą strukturę. Jeśli najważniejsze jest zmniejszenie naprężeń własnych przy możliwie małej zmianie mikrostruktury, stosuje się raczej wyżarzanie odprężające.

Gdzie stosuje się normalizowanie?

Proces wykorzystuje się przede wszystkim w przypadku stali niestopowych i niskostopowych, zwłaszcza po obróbce plastycznej na gorąco. Typowe materiały i elementy poddawane normalizowaniu to:

• odkuwki po kuciu,
• odlewy stalowe,
• półprodukty po walcowaniu na gorąco,
• wały, osie i koła zębate,
• części maszyn oraz elementy konstrukcyjne przygotowywane do dalszej obróbki.

W odkuwkach i odlewach normalizowanie pomaga ograniczyć gruboziarnistość oraz niejednorodność struktury. Może być ostatnim etapem obróbki, ale częściej przygotowuje materiał do hartowania i odpuszczania albo do obróbki skrawaniem.

Najważniejsza różnica polega na tym, że normalizowana stal po austenityzacji chłodzi się w powietrzu, a nie razem z piecem. To właśnie ten etap decyduje o drobniejszej mikrostrukturze i odróżnia normalizowanie od wyżarzania zupełnego.