نرماله کردن فولاد: ماهیت، کاربرد، اهداف و تأثیر آن بر صنعت فولاد
نرماله کردن فولاد به انگلیسی (normalization) ، فرآیندی است که امکان پردازش فلز را در حالت جامد با قرار دادن آن در دمای بالا فراهم می‌کند. به صورت عامیانه تر عملیاتی که در آهنگری‌ها با حرارت دادن فلز و چکش زدن بر روی آن شکل می‌دهند نوعی از این عملیات است. در برخی موارد، مداخله تغییر شکل در این فرآیند، مواد شیمیایی و انواع دیگری از مواد تأثیر پذیرفتنی است. لازم به ذکر است که مهم‌ترین هدف از انواع عملیات حرارتی فولاد از جمله نرماله کردن، تغییر ساختار محصول و همچنین تقویت یا تغییر برخی از خواص فولاد و فلزات مختلف است.
نرماله کردن فولاد چیست؟
نرماله کردن فولاد، به یکی از انواع عملیات حرارتی فلزات، یعنی آنیل فولاد نرمالیزاسیون اشاره دارد. در طی این روند، حرارت تا تبلور مجدد کامل رخ می‌دهد. و سپس فولاد حرارت دیده، جهت خنک شدن در معرض هوا قرار می‌گیرد. پس از اتمام فرآیند نرمالیزه کردن فولاد، فلز ساختار متفاوتی به دست می‌آورد که از آن جمله می‌توان به ریزدانه شدن و همگنی ذرات آن اشاره کرد. به تعریفی دیگر، نرمال سازی فولاد، فرآیندی است که برای از بین بردن ویژگی‌ها و عیوب دانه درشت روی سطح فولاد استفاده می‌شود. در واقع در تولید فولاد، ممکن است نقص‌هایی در طول فرآیند تولید رخ دهد، بنابراین برای رفع این نقایص، متخصصان صنعت به گرمایش، نگهداری و خنک سازی تدریجی متوسل می‌شوند.
توجه داشته باشید که نرماله کردن فولاد، علاوه‌بر رفع عیوب ساختاری فولاد، موجب افزایش استحکام، کاهش آستانه شکنندگی سرد و در نتیجه تبلور مجدد ماده می‌شود. شایان ذکر است که برای آماده سازی فلز برای سخت شدن بیشتر، اغلب از فرایند نرمال‌سازی استفاده می‌شود. همچنین این روند به منظور برش بیشتر فلزات، بهره وری و کیفیت سطح بهتری را فراهم می‌کند.
تفاوت این عملیات با بازپخت و هدف از پیشه گرفتن آن
در نظر داشته باشید که نرمالیزاسیون نوعی بازپخت است و تتفاوت آن با آنیل کردن یا بازپخت این است که قطعات کار پس از گرم شدن و قرار گرفتن در معرض هوا خنک می‌شوند. قطعات مهر و موم شده و آهنگری از فولاد کربنی و آلیاژی، و همچنین قطعات سخت شده از جمله محصولاتی هستند که در معرض این عملیات قرار می‌گیرند. در نظر داشته باشید که هدف از نرمال‌سازی، بهبود ریزساختار فولاد، بهبود خواص مکانیکی و آماده سازی برای عملیات حرارتی بعدی است. نرمال‌سازی می‌تواند:
- ساختار فولاد را پس از آهنگری و مهر زنی قطعات اصلاح کند.
- گرمای بیش از حد پس از جوشکاری قطعات را از بین ببرد.
- سطح تنش و استرس را در جوش کاهش دهد.
پس از نرمال شدن، قطعات ریخته گری دارای استحکام بالا و همچنین افزایش استحکام ضربه هستند. در برخی از گریدهای کربن و فولادهای خاص، نرمال سازی آخرین عملیات عملیات حرارتی است، چراکه در نتیجه نرمال شدن، فولاد مورد نظر خواص نهایی مورد نیاز را به دست می‌آورد.
نرماله کردن فولاد در شرکت‌های متالورژی
فناوری نرماله کردن فولاد در زمینه‌های تخصصی شرکت‌های متالورژی انجام می‌شود. این امر ضروری است، چراکه جهت تکمیل این روند، کوره‌های گرمایش مورد نیاز است. در روند نرمالیزاسیون فولاد ، قطعه مورد نظر پس از گرم شدن تا نقطه ذوب، جهت خنک شدن در معرض هوا قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که در یک شرکت متالورژی، خنک کننده هوا با خنک کننده تدریجی یا با استفاده از جریان هوای افزایش یافته انجام می‌شود. توجه داشته باشید که در فرآیند نرمال سازی، فولادهای کم کربن تبدیل به فریت_پرلیت می‌شوند، در حالی که فولادهای با کربن بالا و متوسط تبدیل به سوربیتول می‌شوند. این عملیات برای آلیاژهای با کربن بیش از 0.4٪ توصیه نمی‌شود؛ زیرا با چنین شاخص‌هایی، سختی محصول افزایش یافته و فلز را غیر قابل استفاده می‌کند.
حالتهای نرمالیزاسیون فولاد
منظور از حالتهای این عملیات فولاد، پارامترهایی است که برای رسیدن به نتیجه مطلوب تغییر می‌کنند:
- دمای گرمایش در فرایند نرماله کردن فولاد، بسته به نوع فولاد مورد استفاده (به‌عنوان مثال، محتوای کربن و افزودنی‌ها‌ی آلیاژی موجود در آن) تعیین می‌شود.
- زمان نگهداری فولاد، تحت تاثیر ابعاد محصول، دمای کوره و ترکیب شیمیایی است. منظور از زمان نگهداری، زمانی است که فولاد در کوره قرار می‌گیرد، که طی آن فرآیندهای حرارتی و فیزیکی یکنواخت در تمام قسمتهای فولاد رخ می‌دهد.
- پارامترهای خنک‌کننده در روند این عملیات شامل نوع ماده خنک‌کننده، سرعت و محیط قرارگیری فولاد است. در نظر داشته باشید که انجام صحیح فرایند خنک‌سازی بسیار مهم است؛ زیرا آن دسته از گریدهای فولادی که تا دمای یکسان گرم می‌شوند، اما به طور متفاوت سرد می‌شوند، ساختار متفاوتی را به همراه خواهند داشت.
اهداف عملیات
این عملیات فولاد، خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر را در فولاد شکل می‌دهد که از آن جمله می‌توان به مقاومت در برابر سایش، سختی، استحکام، ظرفیت حرارتی اشاره کرد. البته بسته به درجه فولاد، هدف از این پردازش ممکن است متفاوت باشد که در ادامه به آن پرداخته می‌شود:
- برای فولادهای آلیاژی، مرسوم است که از ترکیب نرمالیزاسیون و تمپر استفاده شود. روند تمپر کردن در دمای 600-700 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. انجام تمپر با نرمالیزاسیون به شما این امکان را می‌دهد که محصولی را با خواص مورد نیاز ایجاد کنید.
- فولادهای با کربن بالا و متوسط بهتر است نرمالیزه شوند. استفاده از این روند به شما این امکان را می‌دهد که بر خلاف تمپر، محصولی با سختی و شکل‌پذیری بهتر بدست آورید.
- برای فولادهای آلیاژی نیز به جای تمپر کردن از نرمالیزاسیون استفاده می‌شود. چراکه در این حالت می‌توان سختی مورد نظر را بدون شکنندگی و انعطاف‌پذیری بیش از حد بدست آورد.
- نرمالیزاسیون برای فولادهای نورد گرم استفاده می‌شود. در نتیجه، مقاومت فولاد در برابر شکست شکننده افزایش می‌یابد.
- نرمالیزه کردن جایگزینی برای سخت شدن فولادهای کربن متوسط با عملیات حرارتی تمپر کردن است. استفاده از این عملیات حرارتی در فولادهای کربن متوسط احتمال تغییر شکل و همچنین ترک بر روی سطح محصول را کاهش می‌دهد.
سایر روش‌ها‌ی عملیات حرارتی
در نهایت لازم به یادآوری است که هر چند نرماله کردن فولاد به‌عنوان یک روش جهانی برای عملیات حرارتی در نظر گرفته می‌شود. اما روش‌ها‌ی دیگری نیز وجود دارد که در ادامه به برخی از انواع رایج آن پرداخته می‌شود:
بازپخت
بازپخت فرآیندی است که در آن تنش محصول از بین رفته و پس از اعمال حرارت لازم، سختی محصول به وسیله فشار کاهش می‌یابد. در واقع بازپخت با رعایت رژیم دما انجام می‌شود. در این روند، قسمتهای خالی فولاد تا دمای 800-850 درجه گرم می‌شوند و برای مدت معینی نگهداری می‌شوند. به دنبال آن خنک شدن تدریجی انجام می‌شود.
تمپر کردن
فرایند تمپر کردن برای ایجاد سختی آلیاژ مورد نظر انجام می‌شود. در طی فرآیند سخت شدن، ساختار پرسرعت پرلیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. سخت شدن مشابه عملیات حرارتی نرمالیزاسیون می‌باشد. بنابراین، محصول به حالت آستنیت رسیده و خنک می‌شود. تفاوت اصلی این دو رویکرد، در سرعت فرآیند خنک‌سازی است.
سردکاری
معمولاً منظور از عملیات حرارتی سردکاری، کاهش تدریجی یا لحظه ای دمای آلیاژ برای به دست آوردن شبکه کریستالی مورد نیاز است. بنابراین برای بدست آوردن مارتنزیت از ترکیب خنک‌سازی تدریجی و لحظه‌ای استفاده می‌شود.
نتیجه‌گیری
این عملیات کارکردهای فراوانی در حوزه فولاد را داراست که تعدیل ساختار و افزایش مقاومت مهم‌ترین اهدافی است که این فرآیند دنبال می‌کند. این روند پس از نورد انجام گرفته و موجب افزایش کارکرد ساختار قطعات می‌شود. در واقع استفاده از این روش می‌تواند علاوه‌بر آنکه موجب بهینه کردن قطعات شود، می‌تواند بر تعادلی بر ساختار قطعات ایجاد کند تا مواد تولید شده‌ی فولادی بتوانند یکنواخت شوند.
همچنین لازم به ذکر است که این روش را عموماً برای آهن‌هایی به کار می‌گیرند که در حیطه ماشین‌کاری قرار گرفته یا می‌خواهد بگیرد و علت به کارگیری این روش برای افزایش کارکرد ماشین‌کاری فولاد است. در نهایت می‌توان این عملیات را هم به‌عنوان عملیات انتهایی و هم به‌عنوان عملیات ابتدایی در نظر گرفت.
