Normalisierung von Stahl

Da das für jedes Projekt verwendete Material die richtigen mechanischen Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung hat, werden häufig Wärmebehandlungsprozesse verwendet, um die mechanischen Eigenschaften von Metallen zu verändern, wobei einer der üblicheren Wärmebehandlungsprozesse die Normalisierung ist. Als ferritischer Wärmebehandlungsprozess kann das Normalisieren legierte Stähle auf Eisenbasis duktiler und duktiler machen. Dies wird erreicht, nachdem das Teil einem thermischen Härteprozess unterzogen wurde. Eine normalisierende Flamme erhitzt den Stahl auf hohe Temperatur und kühlt dann langsam auf Raumtemperatur ab. Erhitzen und langsames Abkühlen verändern die Mikrostruktur des Stahls, verringern dadurch seine Härte und erhöhen seine Duktilität.

Das Normalisieren tritt auf, wenn ein anderer Prozess die Duktilität verringert und die Härte eines mechanischen Stahlteils erhöht. Da das Normalisieren die Mikrostruktur in eine duktilere Struktur umwandelt, lässt sich das Metall leichter formen, leichter bearbeiten und reduziert Eigenspannungen innerhalb des Materials, die zu unerwartetem Versagen führen können.

Was ist der Unterschied zwischen Glühen und Normalisieren?

Das Normalisieren ist dem Glühen insofern sehr ähnlich, als beide ein Metall auf oder über seine Rekristallisationstemperatur erhitzen und es langsam abkühlen lassen, um eine relativ duktile Mikrostruktur zu erzeugen. Der Hauptunterschied zwischen Glühen und Normalisieren besteht darin, dass das Glühen das Material in einem Ofen mit einer kontrollierten Geschwindigkeit abkühlen lässt. Das Normalisieren kann gekühlt werden, indem das Material in eine Umgebung mit Raumtemperatur gebracht und in dieser Umgebung der Luft ausgesetzt wird.

Dieser Unterschied bedeutet, dass das Normalisieren eine schnellere Abkühlgeschwindigkeit hat als das Glühen. Schnellere Abkühlraten führen zu etwas weniger duktilen und etwas höheren Härtewerten als wenn das Material geglüht worden wäre. Das Normalisieren ist im Allgemeinen auch weniger teuer als das Glühen, da es keine zusätzliche Ofenzeit während des Abkühlens erfordert.

Normalisierungsprozess

Der Standardisierungsprozess ist in drei Hauptphasen unterteilt.

Erholungsphase

Rekristallisationsstufe

Getreidewachstumsphase

Erholungsphase

Während der Erholungsphase wird ein Ofen oder eine andere Art von Heizvorrichtung verwendet, um das Material auf eine Temperatur zu bringen, bei der seine inneren Spannungen abgebaut werden.

Rekristallisationsstufe

Während der Rekristallisationsphase wird das Material über seine Rekristallisationstemperatur, aber unter seine Schmelztemperatur erhitzt. Dies führt zur Bildung neuer Körner ohne vorbestehenden Stress.

Getreideanbaustadium

Während des Kornwachstumsprozesses werden neue Körner vollständig entwickelt. Dieses Wachstum wird kontrolliert, indem man das Material durch Kontakt mit Luft auf Raumtemperatur abkühlen lässt. Das Ergebnis dieser drei Stufen ist ein Material mit höherer Duktilität und reduzierter Härte. Nachfolgende Operationen, die die mechanischen Eigenschaften weiter verändern können, werden manchmal nach dem Normalisierungsprozess durchgeführt.

Prozessdetails

Während des Normalisierens wird das Material auf eine Temperatur erhitzt, die ungefähr gleich der Härtungstemperatur (800-920 Grad) ist. Bei dieser Temperatur bilden sich neue Austenitkörner. Die Austenitkörner sind viel kleiner als die bisherigen Ferritkörner. Nach dem Erhitzen und einem kurzen Einweichen können die Komponenten frei an Luft (Gas) abkühlen. Während des Abkühlvorgangs werden neue Ferritkörner gebildet und die Korngröße weiter verfeinert. In einigen Fällen werden sowohl das Erhitzen als auch das Abkühlen unter Schutzgas durchgeführt, um Oxidation und Entkohlung zu vermeiden.

Welche Metalle können normalisiert werden?

Viele Arten von Legierungen können normalisiert werden, darunter: Legierungen auf Eisenbasis (Werkzeugstahl, Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Gusseisen), Legierungen auf Nickelbasis, Kupfer, Messing und Aluminium. Darüber hinaus wird das Normalisieren hauptsächlich zum Normalisieren der Struktur von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl nach dem Schmieden, Warmwalzen oder Gießen verwendet. Die nach dem Normalisieren erhaltene Härte hängt von der Dimensionsanalyse des Stahls und der verwendeten Abkühlgeschwindigkeit ab (ungefähr 100-250 HB).

Nutzen

Nach dem Schmieden, Warmwalzen oder Gießen ist die Mikrostruktur von Stahl oft heterogen, bestehend aus großen Körnern und unerwünschten Gefügebestandteilen wie Bainit und Karbiden. Diese Mikrostruktur beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Stahls sowie die Bearbeitbarkeit negativ. Durch das Normalisieren kann Stahl eine feinkörnigere gleichmäßige Struktur mit vorhersagbaren Eigenschaften und Bearbeitbarkeit erhalten.

Übliche Anwendungen der Normalisierung

Das Normalisieren wird für viele verschiedene Materialien in vielen verschiedenen Branchen verwendet. Beispielsweise können ferritische Edelstahl-Stanzteile in der Automobilindustrie nach dem Kaltverfestigen während ihres Umformprozesses standardisiert werden. Nickelbasislegierungen in der Nuklearindustrie können nach thermischen Gefügeänderungen, die nach dem Schweißen auftreten, standardisiert werden. Kohlenstoffstahl kann nach dem Kaltwalzen normalisiert werden, um die durch Kaltverfestigung verursachte Sprödigkeit zu verringern.