نرماله کردن فولاد چیست؟ بررسی انواع و تفاوت‌ها با آنیلینگ

صنعت ساخت‌وساز با سرعت زیادی در حال رشد است. همان‌طور که می‌دانیم، استفاده از فولاد به‌عنوان یک ماده‌ی مقاوم و قابل اعتماد، به امری ضروری تبدیل شده است. با این حال، خواص مکانیکی فولاد، مانند استحکام، سختی و انعطاف‌پذیری، به‌طور طبیعی برای همه کاربردها مناسب نیستند. به همین دلیل، عملیات حرارتی مختلفی برای بهبود و تنظیم این خواص در فولاد انجام می‌شود. 

 نرماله‌سازی، یکی از روش‌های پرکاربرد عملیات حرارتی فولاد است که برای بهبود خواص مکانیکی فولاد انجام می‌شود. در ادامه این مقاله از میهن فولاد، به بررسی بیشتر فرآیند نرماله کردن فولاد خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

نرماله کردن چیست؟

نرماله کردن فولاد (Normalizing)، یک مرحله عملیات حرارتی است که با هدف اصلاح ساختار دانه‌بندی و توسعه خواص مکانیکی آن انجام می‌شود. این فرآیند شباهت زیادی به آنیلینگ (بازپخت) دارد، اما تفاوت‌های مهمی در نحوه‌ی سرد کردن آن‌ها وجود دارد. در نرماله‌سازی، فولاد تا دمای آستنیته شدن (دمای تغییر فاز به آستنیت) گرم شده و سپس در هوای آرام خنک می‌شود. 

هدف اصلی از نرمالیزه کردن فولاد، حذف تنش‌های داخلی ناشی از فرآیندهای قبلی مانند نورد یا فورج است. این فرآیند همچنین منجر به تشکیل ساختار دانه‌بندی یکنواخت‌تر و ریزتری در فولاد شده و در نتیجه استحکام، سختی و ماشینکاری آن را بهبود می‌بخشد. 

با توجه به درصد کربن موجود در فولاد، ساختار پس از نرمال‌سازی می‌تواند متفاوت باشد. به‌عنوان مثال، در فولادهای هیپویوتکتوئید، ساختار شامل فریت و پرلیت خواهد بود، در حالی که در فولادهای یوتکتوئید، ساختار پرلیت و در فولادهای هایپریوتکتوئید، ساختار پرلیت و سمنتیت حاصل می‌شود.

تاثیر نرماله کردن فولاد روی خواص مکانیکی آن

فولادهای نرماله شده، به‌دلیل داشتن دانه‌بندی ریزتر نسبت به فولادهای آنیل شده، از استحکام و سختی بالاتری برخوردارند. این ویژگی، آنها را برای کاربردهایی که نیاز به تحمل بارهای استاتیکی و مقاومت در برابر سایش دارند، مناسب می‌سازد.

اگرچه نرمالیزه کردن منجر به افزایش استحکام و سختی می‌شود، اما چقرمگی فولاد را نیز در حد قابل قبولی حفظ می‌کند. این بدان معناست که فولادهای نرماله شده قابلیت جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست ناگهانی را دارند.

در برخی موارد، مانند فولادهای ریخته‌گری شده با دانه‌بندی درشت یا قطعاتی که در دمای بالا کار گرم شده‌اند، نرماله کردن فولاد می‌تواند به‌عنوان عملیات حرارتی نهایی مورد استفاده قرار گیرد. در این موارد، نرمالیزه کردن فولاد، به تنهایی می‌تواند خواص مکانیکی مورد نیاز را تامین کند و نیازی به انجام عملیات حرارتی دیگری مانند سخت‌کاری نباشد.

با این حال، باید توجه داشت که خواص مکانیکی فولادهای نرماله شده به شدت به ترکیب شیمیایی فولاد، دما و زمان نگهداری در حین فرآیند و سرعت سرد کردن بستگی دارد. بنابراین، برای دستیابی به خواص مطلوب، کنترل دقیق پارامترهای فرآیند نرماله کردن فولاد ضروری است.

بررسی فرآیند نرمالیزه کردن

نرماله کردن فولاد سه مرحله‌ی اصلی را شامل می‌شود که هر مرحله نقش مهمی در دستیابی به ساختار و خواص مطلوب ایفا می‌کند.

1. مرحله‌ی بازیابی

فولاد به آرامی تا دمای مشخصی گرم می‌شود. در این مرحله، ساختار فولاد بدون تغییر قابل ملاحظه‌ای باقی می‌ماند.

2. مرحله‌ی تبلور مجدد

با افزایش دما و ورود به این مرحله، اتم‌های فولاد انرژی کافی برای حرکت و تشکیل دانه‌های جدید را پیدا می‌کنند. این فرآیند تبلور مجدد نامیده می‌شود و منجر به تشکیل ساختار دانه‌بندی یکنواخت‌تر و ریزتری نسبت به ساختار اولیه می‌شود.

3. مرحله‌ی رشد دانه‌ها

در این مرحله، با کنترل دقیق سرعت سرد کردن، به دانه‌های جدید اجازه رشد داده می‌شود. سرعت سرد کردن عامل تعیین‌کننده‌ای در اندازه‌ی دانه‌ها است. سرد کردن آهسته‌تر منجر به تشکیل دانه‌های بزرگ‌تر و سرد کردن سریع‌تر منجر به تشکیل دانه‌های ریزتر می‌شود.

هدف از انجام عملیات نرمال‌سازی

در صنایع فلزی، فولاد اغلب در معرض فرآیندهای مختلفی مانند نورد، فورج، ماشینکاری و… قرار می‌گیرد. این فرآیندها، اگرچه برای شکل‌دهی و آماده‌سازی فولاد ضروری هستند، اما می‌توانند تأثیرات نامطلوبی بر ساختار و خواص مکانیکی آن داشته باشند. به‌عنوان مثال، ممکن است باعث ایجاد تنش‌های داخلی، ناهمگنی ساختار دانه‌بندی و کاهش شکل‌پذیری فولاد شوند. 

در چنین مواردی، نرماله کردن فولاد به‌عنوان یک فرآیند اصلاحی و بهینه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف اصلی از این عملیات، بازگرداندن فولاد به یک حالت متعادل از نظر ساختار و خواص مکانیکی است. این فرآیند با یکنواخت‌سازی ساختار و ایجاد ترکیبی مطلوب از استحکام، سختی و شکل‌پذیری، فولاد را برای عملیات بعدی مانند ماشینکاری، سخت‌کاری و یا استفاده آماده می‌کند.

کاربردهای نرماله کردن فولاد

برخی از مهم‌ترین کاربردهای نرماله کردن فولاد شامل:

1. در قطعات فولادی با ضخامت‌های متفاوت، سرعت سرد شدن در بخش‌های مختلف متفاوت بوده و منجر به ایجاد ساختار ناهمگن می‌شود. این عملیات، با ایجاد سرعت سرد شدن یکنواخت، ساختار دانه‌بندی را در تمام مقاطع قطعه یکنواخت می‌کند و خواص فولاد را بهبود می‌دهد.
2. فولادهای ریخته‌گری معمولاً دارای دانه‌های درشت و ساختار ناهمگنی هستند.  نرماله‌سازی با ریز کردن دانه‌بندی و حذف ساختارهای نامطلوب مانند فریت سوزنی، خواص مکانیکی و ماشینکاری فولاد را بهبود می‌بخشد.
3. اغلب به‌عنوان یک مرحله پیش نیاز برای سایر عملیات حرارتی مانند سخت‌کاری و تمپر کردن انجام می‌شود.

فرآیند نرمالیزه کردن برای چه فلزاتی استفاده می‌شود؟

نرمال‌سازی، فقط برای فولاد نیست و برای طیف وسیعی از فلزات و آلیاژها مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، پیش نیاز اصلی برای انجام موفقیت‌آمیز آن، قابلیت فلز به عملیات حرارتی‌پذیر بودن است. به عبارت دیگر، ساختار فلز باید قابلیت تغییر و بهبود از طریق سیکل‌های حرارتی کنترل شده را داشته باشد.

از آنجا که فولاد آلیاژی بر پایه‌ی آهن است، نرمال‌سازی به‌طور گسترده برای انواع مختلف فولاد مانند فولادهای کربنی، ضدزنگ و ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرآیند همچنین برای چدن، به‌عنوان یکی دیگر از اعضای خانواده‌ی آهن، قابل اعمال است و به بهبود خواص مکانیکی آن کمک می‌کند.

نرماله‌سازی علاوه‌بر فلزات آهنی، برای برخی از فلزات و آلیاژهای غیرآهنی نیز مناسب است. به‌عنوان مثال، آلیاژهای پایه‌ی نیکل، که به‌دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی شناخته شده‌اند، می‌توانند از طریق نرمال‌سازی بهبود یابند. علاوه‌براین، فلزاتی مانند مس، برنج و حتی آلومینیوم نیز در برخی موارد تحت این عملیات قرار می‌گیرند تا خواص مکانیکی آنها بهتر شود.

در چه مواردی بهتر است عملیات نرماله کردن فولاد انجام نشود؟

این عملیات ، با وجود مزایای فراوان، برای همه قطعات و در همه شرایط مناسب نیست. در برخی موارد، انجام عملیات نرماله‌سازی توصیه نمی‌شود که شامل:

1. در قطعات حجیم و با شکل‌های پیچیده، به‌دلیل اختلاف ضخامت در مقاطع مختلف، سرعت سرد شدن در سطح و هسته‌ی قطعه متفاوت خواهد بود. این موضوع، می‌تواند منجر ترک در قطعه شود. در چنین مواردی، فرآیندهای عملیات حرارتی یکنواخت‌تری مانند آنیل کردن ترجیح داده می‌شود.
2. برخی از فولادهای آلیاژی، به‌ویژه آنهایی که حاوی عناصر آلیاژی با تمایل به جدایش هستند، ممکن است در طی نرماله کردن دچار توزیع غیریکنواخت عناصر آلیاژی شوند. در مورد این فولادها، باید با احتیاط بیشتری عمل کرد و در صورت نیاز، از سایر فرآیندهای عملیات حرارتی استفاده کرد.
3. نرماله کردن به تنهایی سختی سطحی زیادی ایجاد نمی‌کند. در صورتی که قطعه نیاز به سختی سطحی بالایی داشته باشد، باید پس از نرماله‌سازی، عملیات حرارتی سطحی مانند سخت‌کاری سطحی انجام شود.

مزایا و معایب عملیات نرمال‌سازی

برخی از مزایا و معایب نرماله کردن فولاد عبارتند از:

مزایا

1. نرمالیزه کردن منجر به تشکیل ساختار دانه‌بندی ریزتر و یکنواخت‌تر در فولاد می‌شود که بهبود خواص مکانیکی مانند استحکام، سختی و چقرمگی را به همراه دارد.
2. می‌تواند انعطاف‌پذیری فولاد را افزایش دهد و آن را برای کاربردهایی که تحت تنش و خمش قرار می‌گیرند مناسب‌تر سازد.
3. ساختار یکنواخت و ریز دانه حاصل از نرماله‌سازی، ماشینکاری فولاد را آسان‌تر و با کیفیت بهتری ممکن می‌سازد.
4. نرماله کردن فولاد، یک مرحله‌ی آماده‌سازی برای سایر عملیات حرارتی مانند سخت‌کاری عمل می‌کند و نتایج بهتری را در پی دارد.

معایب

1. این فرآیند، به اندازه‌ی سایر روش‌های سخت‌کاری مانند کوئنچ کردن، سختی بالایی ایجاد نمی‌کند و برای کاربردهایی که نیاز به سختی بسیار زیاد دارند، مناسب نیست.
2. نیازمند تجهیزات و انرژی است و زمان بر است که می‌تواند هزینه‌ی تولید را افزایش دهد.
3. اثربخشی نرمالیزه کردن به ترکیب شیمیایی فولاد بستگی دارد و برای همه انواع فولاد مناسب نیست.

مقایسه نرماله کردن فولاد و آنیل‌کاری 

با وجود شباهت‌های ظاهری، تفاوت‌های مهمی در این دو فرآیند وجود دارد که منجر به ایجاد ساختار و خواص متفاوتی در فولاد می‌شود. در نرماله کردن، فولاد تا دمای بالاتری نسبت به آنیل کردن گرم می‌شود که منجر به انحلال کامل‌تر عناصر آلیاژی و تشکیل ساختار آستنیتی یکنواخت‌تری می‌شود. همچنین، فولاد در هوای آرام و با سرعت بیشتری نسبت به آنیل کردن سرد می‌شود. 

فولاد نرماله شده دارای ساختار دانه‌بندی ریزتر و یکنواخت‌تری نسبت به فولاد آنیل شده است. علاوه‌برآن، به‌دلیل اندازه دانه‌بندی ریزتر، استحکام و سختی بالاتری نسبت به فولاد آنیل شده دارد. از سوی دیگر، فولاد آنیل شده انعطاف‌پذیری بیشتری دارد.

نرماله کردن فولاد برای بهبود ساختار و خواص مکانیکی قطعاتی که تحت فرآیندهای شکل‌دهی گرم مانند نورد و فورج قرار گرفته‌اند، مناسب است. از طرفی، آنیل برای حذف تنش‌های ناشی از فرآیندهای شکل‌دهی سرد مانند کشش و خمکاری، افزایش انعطاف‌پذیری و بهبود قابلیت ماشینکاری فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سوالات متداول