نرماله کردن فولاد

 

برای سرد کردن قطعه ای که در عملیات نرماله کردن حرارت دیده است، آن را در هوای آزاد، دمای اتاق یا هوای ساکن قرار می دهند. هرچه قطعه بزرگتر و حجیم تر بوده و ضخامت بیشتری داشته باشد، سرعت سرد کردن به همان نسبت باید بالاتر برود. هرچه سرعت سرد کردن بالاتر باشد، درجه حرارت تبدیل آستنیت پایین تر و درنتیجه پرلیت ریزتر خواهد شد.

مراحل فرآیند نرماله کردن فولاد

نرماله کردن فولاد در سه مرحله انجام می شود. مرحله اول بهبود یا بازیابی است. در طی این مرحله دمای قطعه تا حد زیادی افزایش می یابد. مرحله بعد، تبلور مجدد می باشد. در این مرحله، فلز تا دمای بین تبلور مجدد و دمای ذوب، گرم می شود و دانه های جدیدی شکل می گیرند که تحت تاثیر فشار های قبلی نیستند. مرحله سوم و آخر، مرحله رشد می باشد. در این مرحله، دانه های جدید کاملا رشد می کنند، فرآیند خنک سازی قطعه، ساختار نهایی قطعه را ایجاد می کند که از یک طرف سختی کمی دارد اما از سویی دیگر، قابل انعطاف است.

بررسی فرآیند نرماله کردن فولاد از لحاظ ریزساختار

میکرو ساختار حاصل از فرآیند نرمال سازی ، شامل پرلیت ، مخلوطی از پرلیت و سمنتیت و یا مخلوطی از پرلیت و فریت است که به ترکیب شیمیایی فولاد بستگی دارد. در فرآیند نرماله کردن فولاد های هیپویوتکتوئید ، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز به وجود می آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می شود. فرآیند نرمالایزینگ باعث ریز شدن دانه های درشتی می شود که در ریخته گری یا کار گرم به وجود آمده اند. وقتی قطعه با دانه های درشت در محدوده AC1 و AC3 قرار گیرد، دانه های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در نتیجه آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز تشکیل می شود.

 

خواص فولادهای نرماله

سختی فولاد نرماله در این فرآیند افزایش می یابد و ساختار ماده تعدیل می شود. با استفاده از فرآیند نرمالیزاسیون ، دندریت های تشکیل شده پس از انجماد غیر تعادلی بهبود می یابند. قطعاتی که در صنعت تولید می شوند، اغلب ضخامت های مختلفی دارند و ریز ساختار حاصل یکنواخت نمی باشد که این مسئله بر خواص قطعه تاثیر می گذارد. نرماله کردن پس از تولید قطعه، باعث متعادل شدن ساختار خواهد شد.

از جمله عوامل مهمی که بر روی خواص فولاد نرماله اثر می گذارد، درصد کربن موجود در ساختار است. هر چه درصد کربن بیشتر باشد، پرلیت بیشتری تشکیل می شود. در نتیجه استحکام و سختی فولاد افزایش و انعطاف پذیری آن کاهش می یابد.

کاربرد فرآیند نرماله کردن فولاد

در مواقعی که می خواهیم فولادهای درشت دانه (مانند فولاد هایی که ریخته گری شده اند و یا روی آن ها کار گرم انجام شده است) را سخت کنیم، نرماله کردن فولاد به عنوان عملیات حرارتی نهایی می تواند استفاده شود.

مهره هایی که جنس آن ها از فولاد ضد زنگ فریتی می باشد، برای استفاده در صنعت خودرو، نرماله می شوند.

آلیاژ های دارای نیکل در صنعت هسته ای باید نرمالیزاسیون شوند.

فولاد کربن پس از نورد سرد، تحت عملیات نرمالینگ قرار می گیرد تا شکنندگی ناشی از سخت شدن کاهش پیدا کند.

 

بعضی مواقع، دانه ها درنورد گرم و در جهت انجام نورد گرم، دچار کشیدگی می شوند. عملیات نرماله کردن باعث یکنواخت سازی قطعه نهایی می شود.

فولاد هایی که تحت عملیات ریخته گری قرار می گیرند، دانه های درشتی دارند و ساختار فریتی آن ها سوزنی شکل می باشد. فرآیند نرمال سازی باعث ایجاد ساختار ریزدانه خوبی می شود.

محدودیت های نرماله کردن فولاد

از آنجایی که قطعات در هوا سرد می شوند، بخش های مختلف یک قطعه با سرعت های متفاوتی سرد می شوند. تفاوت سرعت سرد شدن در قطعات بزرگ، باعث ایجاد تنش های حرارتی می شود. استفاده از فرآیند نرماله کردن برای قطعات ریز و نازک، باعث به وجود آمدن ساختار مارتنزیت به جای ساختار پرلیت می شود. مارتنزیت یک ساختار غیر تعادلی است که در سرعت های سرد شدن بالا به وجود می آید. در نتیجه توصیه می شود عملیات نرماله کردن روی فولاد های آلیاژی استفاده نشود.

در قطعات با اندازه بزرگ، آهنگ سرد شدن سطح قطعه نسبت به نواحی داخلی قطعه، به طور قابل ملاحظه ای بیشتر می باشد. این مسئله باعث ایجاد تنش پسماند کششی در سطح قطعه می شود.

 

مزایای نرماله کردن فولاد

نرمال سازی نیر همانند سایر عملیات های حرارتی مزایایی دارد:

ریز شدن دانه ها و درنتیجه افزایش استحکام

افزایش میزان انعطاف پذیری قطعه

ارتقا قابلیت و امکان ماشین کاری قطعه

یکنواخت تر شدن مواد تشکیل دهنده آلیاژی

یکنواخت کردن و همگن کردن ریزساختار

تفاوت نرماله کردن فولاد و آنیل فولاد

عملیات حرارتی نرمالایزینگ و آنیلینگ بسیار با هم شباهت دارند اما چند تفاوت اساسی نیز دارند. این تفاوت ها باعث بروز خواص متفاوت قطعات سخت شده تحت این دو فرآیند می شود.

اولین و اصلی ترین تفاوت دو فرآیند نرمالایزینگ و آنیلینگ ، در سرعت سرد کردن قطعه می باشد. سرد کردن قطعه در عملیات آنیل فولاد ، در داخل کوره انجام می شود اما در عملیات نرمال سازی ، قطعه در هوای آزاد یا دمای اتاق خنک می شود. سرعت سرد کردن در هوا، نسبت به سرعت سرد کردن در داخل کوره بیشتر می باشد. در نتیجه قطعه سخت شده در فرآیند نرماله کردن ، سختی بیشتری نسبت به قطعه آنیل شده دارد. زیرا در سرعت بالای سرد کردن، دانه ها فرصت رشد ندارند و هر چه دانه ها ریزتر باشند، ساختار  نهایی نرم تر و منعطف تر خواهد بود.

 

فرآیند نرماله کردن در دمای بالاتری نسبت به آنیلینگ انجام می شود. در نتیجه ساختار آستنیت و توزیع عناصر آلیاژی در فولاد نرماله شده یکنواخت تر خواهد بود.

برخلاف آنیلینگ ، فرآیند نرماله سازی برای بهبود ساختار قطعاتی که تحت کار گرم و ریخته گری قرار گرفته اند کاربرد دارد اما آنیلینگ برای از بین بردن تنش های ناشی از کار سرد استفاده می شود.

چه مواقعی از فرآیند نرمالیزاسیون نباید استفاده شود؟

قطعاتی که شکل و هندسه پیچیده دارند و یا دارای ابعاد بزرگی هستند برای فرآیند نرماله کردن مناسب نیستند. زمانی ک قطعه بسیار بزرگ باشد، در مرحله سرد کردن، سطح قطعه به سرعت خنک شده و شکل میگیرد ولی مغز آن هنوز سرد نشده است. وقتی مغز قطعه می خواهد سرد شود، تمایل به افزایش حجم دارد ولی این اتفاق ممکن نیست چون سطح قطعه قبلا سرد شده و جایی برای افزایش حجم وجود ندارد. در نتیجه باعث به وجود آمدن تنش در قطعه می شود.

اما اگر اصرار دارید که قطعه حجیمی را با فرآیند نرماله کردن سخت کنید، بهتر است مدن زمان بیشتری برای سرد کردن قطعه در نظر بگیرید و اجازه دهید گرما از مغز قطعه به بیرون هدایت یابد تا میزان احتمال ایجاد تنش کمتر شود. همچنین فولاد های آلیاژی برای اعمال فرآیند نرمال سازی مناسب نیستند. زیرا در این قطعات امکان دارد به جای ایجاد ساختار های فریت و پرلیت که ساختارهای تعادلی هستند، ساختار های مارتنزیت و بینیت که غیرتعادلی هستند، تشکیل شود.

 

انواع فولاد های قرار گرفته تحت عملیات نرماله کردن

فولاد های ریخته گری شده

این فولاد ها بعد از ریخته گری، به دلیل سرعت سرد شدن زیاد، ساختاری درشت دانه با فریت سوزنی شکل دارند. عملیات نرمال سازی در دمای 780 تا 950 درجه سانتی گراد می تواند ساختار نامطلوب این قطعات را برای فولاد های آلیاژی و غیر آلیاژی که 0.3 تا 0.6 درصد کربن ریخته گری شده دارند، از بین ببرد.

فولاد های نورد گرم شده

بعد از عملیات نورد گرم ، دانه ها در جهت نورد کشیده شده و در نتیجه خواص مکانیکی آن ها متفاوت خواهد بود. تفاوت به وجود آمده در جهات مختلف را می توان توسط عملیات نرماله کردن از بین برد.

فولاد های فورج شده در دمای بالا

در فرآیند فورج ، به خصوص هنگامی که قطعات، دارای مقاطع با اندازه های مختلف هستند، به علت تفاوت در نرخ سرد شدن در مقاطع مختلف قطعه، ساختاری غیر یکنواخت ایجاد می شود که با استفاده از خدمات نرماله کردن فولاد می توان به یک ساختار یکنواخت دست پیدا کرد.

 

خدمات نرماله کردن فولاد

خدمات نرماله کردن فولاد به عنوان یک عملیات حرارتی به منظور ایجاد سختی و استحکام در قطعه نهایی انجام می شود. هدف از خدمات نرماله کردن ، از بین بردن تنش های ناشی از کار گرم در دمای بالا و کار سرد که موجب درشت دانه شدن فولاد می شود، می باشد. خدمات نرماله کردن فولاد ، یک ساختار همگن آستنیتی ایجاد می کند. همگن سازی ساختار فولاد توسط عملیات نرمال سازی به سه دلیل می باشد:

نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی به منظور بهبود خواص مکانیکی قطعه

نرمالیزاسیون به عنوان عملیات حرارتی اولیه قبل از سخت کاری یا آنیل کامل به منظور دستیابی به یک ساختار یکنواخت و ریزدانه

نرماله کردن فولاد های کم کربن در برخی موارد، به منظور ماشین کاری بهتر قطعه

 

هزینه نرماله کردن فولاد

همان طور که پیشتر هم ذکر شد، فرآیند نرماله سازی به معنای گرم کردن فلز تا دمای بالا و سپس خنک کردن آهسته آن در دمای اتاق و هوای آزاد می باشد. فرآیند نرماله کردن زمانی انجام می گیرد که امکان افزایش شکل پذیری و کاهش سختی از طریق فرآیند های دیگر میسر نباشد. از  آن جایی که فرآیند نرماله کردن به منظور افزایش سختی قطعات در صنعت استفاده می شود، بسیار مورد استقبال تولید کنندگان قرار گرفته است.

هزینه نرماله کردن فولاد به عوامل مختلفی از جمله میزان سختی مورد نیاز، ابعاد قطعه و دمای کاری بستگی دارد. از آن جایی که دمای مورد نیاز برای عملیات نرماله کردن دمای بسیار بالایی است، تامین این دما نیازمند صرف هزینه و نیروی انسانی می باشد که خود باعث بالا رفتن هزینه نرماله کردن فولاد خواهد شد. اما از سویی دیگر این عملیات و در کل فرآیند های مربوط به عملیات حرارتی ، در صنعت به علت ایجاد استحکام و انعطاف فزاینده قطعات، بسیار مورد توجه صنعتگران، تولید کنندگان و مصرف کنندگان این حوزه قرار گرفته است. در نتیجه می توان گفت هزینه نرماله کردن فولاد با توجه به نیاز روز افزون به این عملیات، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه می باشد.