نرماله کردن چگونه انجام می شود و چه کاربردی دارد؟

نرماله کردن یک فرآیند عملیات حرارتی است که می‌تواند روی محصولات فولادی انجام شود.

این فرآیند مزایای منحصر به فردی را در فرآیند تولید ارائه می‌دهد.

بسیاری از شرکت‌های تولیدی فرآیندهایی را انجام می‌دهند که ویژگی فلزات را بهبود می‌بخشد.

نرماله کردن یک فرآیند معمولی است که می‌تواند مزایای زیادی برای یک محصول داشته باشد.

در این مقاله به بررسی نرماله کردن، هدف، کاربرد و مراحل آن، مبانی، مزایا و معایب نرمالیزاسیون خواهیم پرداخت.

1# نرماله کردن چیست؟

Normalizing از کلمه normalization به معنای بازگشت به حالت عادی گرفته شده است.

نرماله کردن یا نرمالیزاسیون در یک فرآیند عملیات حرارتی است که برای انعطاف پذیری و سختی بیشتر فولاد آلیاژی مبتنی بر آهن استفاده می‌شود.

این امر پس از این که قطعه‌ها تحت فرآیندهای سخت شدن حرارتی قرار گرفتند، به دست می‌آید.

نرماله کردن شامل حرارت دادن فولاد تا دمای بالا و به دنبال آن خنک شدن آهسته تا دمای اتاق است.

گرمایش و سرمایش آهسته ریزساختار فولاد را تغییر می‌دهد.

این امر باعث کاهش سختی فولاد و افزایش شکل پذیری آن می‌شود.

نرماله کردن زمانی انجام می‌شود که فرآیند دیگری باعث کاهش شکل پذیری و افزایش سختی قطعات فولادی ماشین شود.

نرماله کردن ریزساختار را به ساختارهای انعطاف پذیرتر تبدیل می‌کند.

این امر باعث می‌شود فلز شکل ‌پذیرتر و ماشین‌کاری ‌پذیرتر شده و تنش باقیمانده در ماده که می‌تواند منجر به شکست غیرمنتظره شود را کاهش می‌دهد.

1-1# مواد مناسب برای نرماله کردن

موادی که مناسب نرماله کردن هستند، عبارت اند از:

• آلومینیوم
• برنج
• مس
• آلیاژهای آهن (فولاد ابزار، فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ و چدن)
• آلیاژهای نیکل
• فولاد

2-1# چه فلزاتی نیازی به نرماله کردن ندارند؟

همه فلزات به فرآیند حرارتی نرماله کردن نیاز ندارند.

به عنوان مثال، به ندرت اتفاق می‌افتد که فولادهای کم کربن نیاز به نرماله کردن داشته باشند.

همچنین، زمانی که ریخته ‌گری‌های آهن دارای ضخامت ثابت و اندازه‌های مقطع برابر باشند، عموماً به جای فرآیند نرماله کردن، در فرآیند بازپخت قرار می‌گیرند.

3-1# چه زمانی از نرماله کردن استفاده می‌شود؟

نرماله کردن معمولاً پس از فرآیندهای ساخت فلز انجام می‌شود که باعث تغییر خواص یک ماده شده است.

به عنوان مثال، فرآیندهای ساخت مانند موارد زیر می‌توانند سبب ایجاد تنش‌های حرارتی و مکانیکی قابل توجهی در مواد شوند:

• مهر زنی
• آهنگری
• نورد گرم
• جوشکاری
• ریخته‌ گری

فلز همچنین ممکن است، بیش از حد سخت شود.

نرماله کردن به ساختار دانه اجازه می‌دهد تا به روشی بسیار ساده تر دوباره تنظیم شود که فلز را به خواص اولیه خود نزدیک تر می‌کند.

اگر ماده باید تحت پردازش بیشتری قرار گیرد، نرماله کردن می‌تواند ماشین کاری آن را بهبود بخشد؛ اما نرماله کردن همچنین می‌تواند فرآیند نهایی برای بازگرداندن خواص خاصی به آلیاژهای فلزی قبل از استفاده باشد.

نرماله کردن نیز زمانی استفاده می‌شود که محدودیت‌های بودجه وجود داشته باشد.

از آنجایی که نرماله کردن شامل خنک شدن مواد در هوا می‌شود، این فرآیند به زمان کوره کمتری نیاز دارد و آن را ارزان‌تر از فرآیندهای بازپخت و تمپر می‌کند.

هنگامی که دما بالا رفته و مواد برای مدت زمان مورد نیاز خیس شود، می‌توان کوره را خاموش کرد.

2# هدف از فرآیند نرماله کردن

اهداف اولیه نرماله کردن روی فلزات عبارت اند از:

• از بین بردن عیوب ساختاری
• حذف ناخالصی‌ها و عیوب فلز
• بهبود شکل پذیری (که طی برخی از روندهای فرآوری فلزات از بین رفته است.)
• کاهش سختی افزایش یافته توسط فرآیندهای سخت شدن مکانیکی یا حرارتی
• افزایش چقرمگی فلز
• کاهش تنش‌های داخلی
• بهبود ماشینکاری

1-2# نقش نرماله کردن در ریزساختار فولادی چیست؟

نرماله کردن برای اصلاح ریزساختار فولاد و سایر آلیاژها، برای تغییر انتخابی خواص مکانیکی استفاده می‌شود.

برخی از نقش‌های آن عبارت اند از:

• تبدیل ریزساختار: تشکیل یک ساختار دانه‌ی ریز و یکنواخت در فولاد ایجاد می‌کند که شامل جایگزینی دانه‌های تغییر شکل یافته یا صاف شده قبلی با دانه‌های جدید و منظم‌تر می‌شود.
• ریزساختار تصفیه شده: ریزساختار تصفیه شده که از طریق نرماله کردن نتایج در بهبود خواص مکانیکی از جمله افزایش استحکام، چقرمگی و شکل پذیری به دست می‌آید.
• کاهش تنش: نرماله کردن، تنش‌های داخلی فولاد را کاهش داده و خطر تغییر شکل یا ترک خوردگی را کاهش می‌دهد.
• یکنواختی: نرماله کردن ریزساختار منسجم و یکنواخت را در سراسر مواد تضمین کرده که به کنترل کیفیت و قابلیت اطمینان آنها کمک می‌کند.
• شکل پذیری افزایش یافته و سختی کاهش یافته: نرماله کردن عموماً در این زمینه تا حدودی کمتر مؤثر است؛ اما همچنان تأثیرگذار است.
• هموژنیزاسیون: نرماله کردن در این زمینه کمتر کمک کننده است؛ زیرا درجه انتقال اتمی که تسهیل می‌کند، محدود است.

2-2# نقش دما در نرماله کردن

دما اولین ویژگی مهم محرک در این فرآیند است.

نرماله کردن به صورت کلی شامل گرم کردن و خیساندن در دمای بحرانی و سپس خنک سازی متوسط ​​اما کنترل نشده در هوای محیط است.

دمای بحرانی در زمینه پردازش فولاد به دمایی اطلاق می‌شود که در آن ریزساختار فولاد شروع به تبدیل از یک فاز به فاز دیگر می‌کند، معمولاً از فریت و پرلیت به آستنیت در هنگام گرم شدن و بالعکس پس از سرد شدن.

این دما در تعیین خواص نهایی فولاد بسیار مهم است؛ زیرا فازها و ساختارهای حاصل را پس از سرد شدن دیکته می‌کند.

• محدوده آستنیتی: محدوده دمایی که در آن فولاد آستنیتی می‌شود.
  ساختار بالاتر از دمای بحرانی بالایی (A3)، تمام فریت‌ها به آستنیت تبدیل می‌شوند.
• دمای بحرانی پایین (A1): دمایی که در زیر آن آستنیت پس از سرد شدن شروع به تبدیل شدن به مخلوطی از فریت و پرلیت می‌کند.
• دمای بحرانی بالا (A3): دمایی که در بالای آن تبدیل کامل به آستنیت اتفاق می‌افتد.

پارامترهای فنی:

• A1 دمای بحرانی پایین: معمولاً در حدود 727 درجه سانتیگراد برای فولادهای کربنی ساده است.
• A3 دمای بحرانی بالا: بسته به محتوای کربن و عناصر آلیاژی متفاوت است.
  به صورت کلی بین 750 درجه سانتی گراد و 910 درجه سانتی گراد است.

نکات مهم آن عبارت اند از:

• تعیین دقیق A1 و A3 برای دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب در محصول نهایی ضروری است؛ زیرا دمای تبدیل نامناسب می‌تواند منجر به ریزساختارهای نامطلوب مانند مارتنزیت یا بینیت شود که ممکن است، عملکرد را مختل کند.
• نرخ‌های گرمایش و سرمایش کنترل‌ شده، انتقال یکنواخت در کل مواد را تضمین می‌کند که برای یکنواختی در خواص مکانیکی مانند استحکام تسلیم، چقرمگی و سختی بسیار مهم است.

با درک و کنترل دقیق دماهای بحرانی، می‌توان فرآیند عملیات حرارتی را بهینه کرد.

3# کاربرد نرماله کردن

برنامه‌های کاربردی برای نرماله کردن عبارت اند از:

• هوا – فضا
• کشاورزی
• خودرو
• انرژی
• تجهیزات سنگین

به صورت کلی، استفاده از نرماله کردن در شرایطی که انتظار می‌رود، فعالیت‌های تولیدی فشار قابل توجهی بر مواد وارد کند یا در شرایطی که ثبات ابعادی برای محصول حیاتی است، بهترین روش است.

از دیگر کاربردهای نرماله کردن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در برخی از آسیاب‌های صفحه ای در آهنگری‌های بزرگ مانند چرخ‌ها و محورهای راه آهن و برخی محصولات میله ای استفاده می‌شود.
• برای براکت‌ها و آهنگری ورق فلزی استفاده می‌شود.
• فشار درونی کستینگ‌ها با آن تسکین می‌یابد.
• برای بازیابی مشخصات مکانیکی اولیه فولاد سرد کار شده یا آهنگری استفاده می‌شود.
• به منظور کاهش سختی که در طول فرآیند شکل ‌دهی ایجاد می‌شود، برای مهر زنی فولاد ضد زنگ فریتی در صنعت خودرو استفاده می‌شود.
• در صنعت هسته ای، آلیاژهای مبتنی بر نیکل اغلب نرمالیزاسیون می‌شوند؛ زیرا ریزساختار از نظر حرارتی تغییر کرده است.
  این تغییرات معمولاً در طول فرآیند جوشکاری رخ می‌دهد.
• نرمالیزاسیون برای کمتر شکننده شدن فولاد کربنی پس از نورد سرد استفاده می‌شود.

نرمال سازی در صنایع مختلف برای کاربردهای مختلف استفاده می‌شود.

4# مراحل نرماله کردن

نرماله کردن سه مرحله دارد که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.

1-4# مرحله ریکاوری

در مرحله بازیابی، دمای مواد را تا حدی افزایش می‌دهیم که ساختار دانه‌های غیریکنواخت موجود تحت پالایش قرار گیرد.

در این مرحله است که کاهش فشار در اثر گرما رخ می‌دهد.

فولاد بیش از دمای سخت شدن گرم می‌شود، جایی که وارد مرحله بعدی خواهد شد.

2-4# مرحله تبلور مجدد

این مرحله زمانی شروع می‌شود که دمای فولاد از دمای تبلور مجدد عبور کند.

دما در حدود 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی یعنی Ac3 یا Acm است.

این دما بالاتر از دمای بازپخت و تلطیف است.

محدوده بین 780 تا 950 درجه سانتیگراد است که به محتوای کربن فولاد بستگی دارد.

تغییرات در ساختار کریستالی فلز در این مرحله اتفاق می‌افتد.

ساختارهای نامطلوب مانند بینیت و کاربیدها از مواد پراکنده می‌شوند.

ساختارهای آستنیتی جدید شکل می‌گیرد.

دانه‌های آستنیتی از نظر اندازه کوچکتر از دانه‌های فریتی قبلی هستند.

فلز برای مدتی در این دما نگه داشته می‌شود.

این بخش از فرآیند به عنوان خیساندن نیز شناخته می‌شود.

3-4# مرحله رشد دانه

این مرحله زمانی اتفاق می‌افتد که ماده از دمای تبلور مجدد به دمای اتاق در هوا خنک شود.

دانه‌های تازه تشکیل شده در این مرحله به صورت کامل بالغ می‌شوند.

خواص مکانیکی نهایی تحت تأثیر روش خنک شدن قرار می‌گیرند.

هرچه خنک شدن سریع‌تر باشد، محصول نهایی سخت تر خواهد بود.

سرعت خنک‌ سازی در نرماله کردن، سریع‌تر از بازپخت به دلیل خنک شدن مواد با هوا است.

به همین دلیل است که فولاد نرماله شده، سختی بالاتری نسبت به همتای آنیل شده خود دارد.

تجزیه و تحلیل ابعاد فولاد نیز بر سختی نهایی تأثیر می‌گذارد.

برای اکثر فولادها، سختی نهایی پس از نرمال شدن بین 100 HB تا 250 HB قرار دارد.

5# مبانی نرماله کردن

نرمالیزاسیون ناخالصی‌های فولاد را از بین برده و استحکام و سختی آن را بهبود می‌بخشد.

این امر با تغییر اندازه دانه اتفاق می‌افتد و آن را در سراسر قطعه فولادی یکنواخت تر می‌کند.

فولاد ابتدا تا دمای خاصی گرم شده، سپس توسط هوا خنک می‌شود.

بسته به نوع فولاد، دمای نرمال سازی معمولاً از 180 درجه سانتیگراد تا 930 درجه سانتیگراد متغیر است.

ضخامت فلز تعیین می‌کند که چه مدت یک قطعه فلز در دمای خیساندن یعنی دمایی که ریزساختار را تغییر می‌دهد، نگه داشته می‌شود.

در طول فرآیند خنک ‌سازی، فولاد دچار دگرگونی می‌شود که به صورت قابل‌ توجهی بر ساختار نهایی و خواص مکانیکی آن تأثیر می‌گذارد.

پس از حرارت دادن به دمای عادی، فولاد در هوای محیط خنک می‌شود.

این مرحله خنک کننده هوا بسیار مهم است؛ زیرا به ایجاد یک ریزساختار یکنواخت و تصفیه شده کمک می‌کند.

• تبدیل آستنیت به فریت و پرلیت:
  • با سرد شدن فولاد، بسته به سرعت سرد شدن و ترکیب فولاد، از آستنیت به فریت و پرلیت تبدیل می‌شود.
    این تبدیل خواصی مانند استحکام و چقرمگی را افزایش می‌دهد.
• پارامترهای فنی آن عبارت اند از:
  • فرآیند خنک سازی به پالایش دانه کمک می‌کند.
    دانه‌های ریزتر به بهبود خواص مکانیکی از جمله افزایش استحکام تسلیم و چقرمگی می‌انجامد.
• خنک سازی کنترل شده در به حداقل رساندن تنش‌های پسماند در فولاد کمک می‌کند.
  تنش‌های پسماند می‌توانند بر پایداری ابعادی و عملکرد مکانیکی تأثیر منفی بگذارند.
  • محیط خنک کننده: هوای ثابت
  • مدت زمان خنک شدن: متناسب با ضخامت و ابعاد مواد
• با کنترل دقیق هر جنبه از فرآیند خنک‌ سازی، مطمئن خواهند شد که ریزساختار فولاد بهینه شده است و بهترین ترکیب ممکن از خواص مکانیکی را برای کاربردهای پرتنش فراهم می‌کند.

1-5# نتایج به دست آمده از نرماله کردن

نتایج خاص به دست آمده از طریق نرماله کردن به عواملی مانند شرایط اولیه فولاد، خواص مورد نظر و کاربرد مورد نظر بستگی دارد.

این فرآیندهای عملیات حرارتی ابزارهای ارزشمندی برای تنظیم خواص فولاد برای برآوردن نیازهای خاص در صنایع مختلف بوده و انتخاب آنها به ماده، شرایط قبلی و اثر مورد نظر آنها بستگی دارد.

نتایج نرماله کردن به شرح زیر است:

• باعث ایجاد ساختار دانه ای ظریف‌تر و یکنواخت‌تر می‌شود.
  جایگزین دانه‌های تغییر شکل یافته، جابه‌جا شده یا کشیده شده قبلی می‌شود.
• به دنبال بهبود شکل پذیری، استحکام کششی و استحکام تسلیم است.
• ریزساختار تصفیه شده چقرمگی مواد را افزایش می‌دهد.
• تا حدودی قوام و یکنواختی ریزساختار را در سراسر ماده بهبود می‌بخشد.
• تنش‌های داخلی را کاهش داده و خطر تغییر شکل یا ترک خوردگی را در فرآیندها یا استفاده‌های بعدی کاهش می‌دهد.

6# درک فرآیند نرماله کردن

در طول فرآیند نرماله کردن، فولاد تا یک محدوده دمایی خاص گرم شده، برای رسیدن به یکنواختی در آن دما نگه داشته و سپس در هوا سرد می‌شود.

در این بخش پارامترهای فنی کلیدی در نرماله کردن آمده است:

• محدوده دما:
  • فولادهای کربنی: معمولاً بین 800 تا 950 درجه سانتیگراد است.
  • فولادهای آلیاژی: محدوده دما ممکن است بر اساس ترکیب آلیاژی خاص کمی متفاوت باشد؛ اما به صورت کلی در محدوده مشابهی باقی می‌ماند.
  • مدت زمان گرمایش: این ماده باید به اندازه کافی در دمای عادی نگه داشته شود تا یکنواختی در سراسر قطعه فولادی تضمین شود.
    این مدت زمان بستگی به اندازه و ضخامت مواد دارد.
  • محیط خنک کننده: خنک کننده هوا روش استانداردی است که در نرماله کردن استفاده می‌شود.
    سرعت خنک ‌کنندگی آهسته ‌تر اجازه می‌دهد تا ساختار یکنواخت‌‌تری نسبت به روش‌های خنک‌ سازی سریع ‌تر مانند کوئنچ ایجاد کنیم.
• بررسی ترکیب:
  • فولادهای کربنی و کم آلیاژی: این گریدها به صورت قابل توجهی از نرماله کردن استفاده کرده و استحکام، چقرمگی و ماشین کاری بهبودیافته را نشان می‌دهند.
  • فولادهای پرکربن و فولادهای آلیاژی خاص: این فولادها را می‌توان نرماله کرد؛ اما نیاز به بررسی دقیق ترکیبات خاص آنها برای جلوگیری از اثرات نامطلوب دارد.
  • فولادهای زنگ نزن: معمولاً به دلیل تغییرات احتمالی در ریزساختار که می‌تواند به مقاومت در برابر خوردگی آسیب برساند، برای نرمال سازی مناسب نیستند.
• هدف و توجیه:
  • انحلال فازهای کاربید و پالایش دانه: محدوده دمایی انتخاب شده به حل شدن کاربیدها و پالایش اندازه دانه کمک کرده و خواص مکانیکی را افزایش می‌دهد.
  • ریزساختار یکنواخت: خنک کننده هوا ایجاد یک ریزساختار یکنواخت و بدون تنش را تضمین می‌کند.

1-6# آیا همه گریدهای فولادی را می‌توان نرمالیزاسیون کرد؟

در تئوری، تمام گریدهای فولاد می‌توانند، تحت نرمال شدن قرار گیرند.

با این حال، برخی از گریدهای فولاد باید در محدوده مشخصات مواد نرمال شوند، در حالی که سایر مشخصات مواد اجازه می‌دهد تا نرماله کردن به صلاحدید سازنده یا خریدار باشد.

گریدهای فولادی مخازن تحت فشار که معمولاً تحت نرمال شدن قرار می‌گیرند، عبارت اند از:

• ASTM/ASME A/SA516 Gr 70
• ASTM/ASME A/SA516 Gr 60
• EN10028 P355NL1
• BS 1501-224-490B

عملیات حرارتی جایگزینی وجود دارد که می‌توان پس از نورد روی فولاد اعمال کرد:

• فولاد نورد حرارتی (TMR)
• فولاد کوئنچ شده و تمپر شده (Q&T)
• نرمال شده – نورد

7# مزایا و معایب نرماله کردن فولاد

در این بخش به بررسی مزایا و چالش‌های نرماله کردن فولاد می‌پردازیم.

1-7# مزایای نرماله کردن

از طریق نرماله کردن، یک محصول فولادی ایجاد خواهد شد که با نیازهای تولیدی مطابقت دارد.

بسیاری از صنایع از ویژگی‌های عملکردی اضافه شده این عملیات حرارتی تخصصی بهره مند می‌شوند.

مزایای این فرآیند هنگامی که توسط یک تیم با تجربه عملیات حرارتی اعمال شود، عبارت اند از:

• افزایش شکل پذیری
• چقرمگی بهبود یافته
• فرآیند خنک سازی سریع‎تر

از طریق فرآیند نرماله کردن، محصول قابل ماشین کاری و شکل پذیرتری ایجاد خواهد شد.

این مزایا از گرم کردن مواد تا دمای بالا و سپس کاهش آن به دمای اتاق در طول فرآیند خنک‌ سازی ناشی می‌شود.

در طول مراحل بازیابی، تبلور مجدد و رشد دانه، ماده در زمان کمتری نسبت به فرآیند بازپخت این خواص را به دست می‌آورد.

در مرحله بازیابی، ماده انتخابی تا دمای بالا گرم می‌شود تا تنش‌های داخلی کاهش یابد.

فاز بعدی محصول را تا دمای تبلور مجدد گرم می‌کند که بین مواد متفاوت است.

این امر اجازه می‌دهد تا دانه‌های جدیدی بدون ذوب شدن مواد به وجود آید.

در نهایت، مرحله رشد دانه از طریق فرآیند خنک سازی دمای اتاق کنترل می‌شود.

قطعه کاملاً خنک شده اکنون برای پردازش، بسته بندی یا نصب اضافی آماده است.

2-7# معایب و چالش‌های نرماله کردن

وجود بی نظمی‌های ساختاری یکی از معایب نرماله کردن است.

در حالی که نرماله کردن ممکن است، مزایایی نسبت به بازپخت داشته باشد، فولاد به صورت کلی از هر نوع عملیات حرارتی سود می‌برد.

ریخته ‌گری‌های آهنی در اشکال پیچیده که در محیط‌ های صنعتی مانند معادن، میدان‌های نفتی و ماشین ‌آلات سنگین یافت می‌شوند، پس از سرد شدن در برابر مشکلات ساختاری آسیب ‌پذیر هستند.

این بی‌نظمی‌های ساختاری می‌توانند، مواد را مخدوش کنند و سبب ایجاد مشکلات دیگری در مکانیک فولاد شوند.

برای جلوگیری از بروز چنین مشکلاتی، فلزات تحت فرآیندهای نرماله کردن، بازپخت شده یا فشار روی آنها را کاهش می‌دهند.