Czym są pręty kute normalizowane?

Właściwości wyrobów stalowych oraz możliwości ich dalszego wykorzystania w procesach technologicznych są uzależnione nie tylko od gatunku i rodzaju stopu, ale również od sposobu wytworzenia konkretnego elementu i używanych przy tym metod. W wielu przypadkach, zanim będzie można przystąpić do kolejnych etapów obróbki, konieczne będzie przywrócenie im odpowiednich cech za sprawą normalizacji, jak np. przy normalizowanych prętach kutych.

 

Budowa stali a jej własności użytkowe i możliwości obróbki

 

Wyroby ze stali są używane do wykonywania elementów maszyn, urządzeń i konstrukcji najczęściej powstających w wyniku różnych metod obróbki kształtowej, a nierzadko także dodatkowym ulepszaniu. W wielu przypadkach konieczne jest również ich łączenie za pomocą spawana czy zgrzewania lub pokrywanie rozmaitymi powłokami. Planując wykorzystanie konkretnego gatunku stali, projektanci zwracają uwagę zarówno na jego właściwości wytrzymałościowe, jak i procesy technologiczne, w jakich może być zastosowany. Nie wszystkie rodzaje stali w takim samym stopniu będą się nadawały do obróbki skrawaniem, wszelkich typów obróbki plastycznej – cięcia, gięcia, kucia czy walcowania, ale również obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej – np. przesycania, nawęglania lub azotowania. Liczne są sytuacje, gdy możliwość bezpośredniego użycia w konkretnym procesie jest uzależniona od wcześniej wykonywanych zabiegów, a przede wszystkim od wpływu, jaki wywarły one na strukturę materiału. Niektóre gatunki stali dla ułatwienia dalszej obróbki czy to z racji metod ich przygotowania, czy też właściwości wynikających ze składu konkretnego stopu wymagają przeprowadzania dodatkowych czynności, np. wyżarzana – wyjaśnia przedstawiciel firmy MTM STAL, specjalizującej się w sprzedaży stali jakościowej i metali nieżelaznych.

 

Wynika to bezpośrednio z samej budowy stali oraz wpływu, jaki mogą wywierać na nią różne metody obróbki. Stal jest materiałem, który składa się z atomów żelaza oraz węgla, a także pewnej ilości innych pierwiastków – mogą to być pozostałości wynikające ze składu rud, z jakich je pozyskano w przypadku stali węglowych lub specjalnie wprowadzone dodatki, jak ma to miejsce przy stalach stopowych. Główne składniki stali w fazie stałej tworzą sieć krystaliczną o określonej i uporządkowanej strukturze. Rodzaj tworzonej sieci zależy od wielu czynników w tym od właściwości konkretnego pierwiastka. Tworzące stal żelazo i węgiel należą do tzw. pierwiastków alotropicznych, a zatem takich, które wyróżniają się polimorfizmem, pozwalającym na tworzenie różnych sieci krystalicznych, w zależności od panującej temperatury oraz ciśnienia. Wraz ze zmianą temperatury może więc dochodzić do przebudowy sieci krystalicznej związanej z przemieszczeniem się atomów. Choć w takim przypadku nie ulega zmianie budowa chemiczna metalu, to w wyniku przebudowy sieci krystalicznej zmieniają się jego właściwości fizyczne. Węgiel posiada aż trzy odmiany alotropowe, a żelazo dwie – są one oznaczane kolejnymi literami greckiego alfabetu np. α, β i γ.

 

Zmiany struktur sieci krystalicznej są charakterystyczne dla procesu krystalizacji zachodzącego podczas przejścia metalu z fazy ciekłej do stałej. Ma to miejsce przede wszystkim w procesie tworzenia i odlewania stali, ale zachodzi także przy jej częściowym upłynnieniu w ramach różnych procesów technologicznych. W zależności od warunków panujących podczas topnienia i krzepnięcia metalu powstanie nieco inna sieć krystaliczna. Wiąże się to z przebiegiem samej krystalizacji tj. tworzeniem się zarodków sieci krystalicznej i jej rozrostem związanym z dołączaniem do niej kolejnych atomów. W przypadku wysokich spadków temperatury zarodki tworzą się i wzrastają w szybkim tempie, a ich wielkość jest dość znaczna. Jeżeli wychładzanie przebiega wolniej, tworząca się sieć będzie zbudowana z mniejszych ziaren. Wynika to z tego, że podczas szybkiej krystalizacji energia jest wytracana wolniej, z zarodków mogą się więc tworzyć większe dendryty, czyli struktury przypominające mocno rozbudowany płatek śniegu. Po wypełnieniu wszystkich ubytków w strukturze przez dołączające kolejne atomy tworzy się z nich tzw. ziarno. W przypadku stali mogą wykształcać się różne rodzaje ziaren będące połączeniem żelaza i węgla: ferryt α, austenit γ oraz cementyt Fe3C, będący fazą międzymetaliczną. Z mieszaniny ferrytu i cementytu może powstać perlit, a z mieszaniny austenitu i cementytu – ledeburyt. Powstanie poszczególnych ziaren zależy od zawartości węgla oraz temperatury.

 

Sposoby na zmianę struktury wewnętrznej stali

 

Różne rodzaje obróbki stali mogą prowadzić do zmiany struktury tworzącej ją sieci krystalicznej. Ma to miejsce m.in. przy obróbce plastycznej, w której może dochodzić do przemieszczeń struktury sieci krystalicznej oraz zgniotu ziaren. Łączy się to ze wzrostem naprężeń w materiale, co może być w niektórych przypadkach korzystne i wiązać się z umocnieniem metalu, w innych stanowić przeszkodę w dalszej obróbce, a przy naprężeniach makroskopowych prowadzić do uszkodzeń w postaci pęknięć. Do przekształceń struktury metalu dochodzi również podczas obróbki cieplnej oraz cieplno-plastycznej. W ramach tych procesów w stali zachodzą procesy związane z przemianami poszczególnych rodzajów ziaren – np. zmiany ferrytu w austenit podczas nagrzewania oraz przemian perlitycznych, bainitycznych czy martenzytycznych podczas chłodzenia.

 

W sytuacji, w której struktura uzyskana wskutek procesów obróbki cieplnej lub plastyczno-cieplnej jest nieodpowiednia dla konkretnego zastosowania, konieczne będzie przeprowadzanie wyżarzana, które umożliwi przywrócenie strukturze metalu odpowiedniego uporządkowania – w zależności od zastosowanej temperatury oraz tempa chłodzenia. Tego rodzaju procedurę wykonuje się np. w przypadku prętów kutych, które mają zostać poddane normalizacji. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, a następnie chłodzeniu go z właściwą intensywnością tak, by został przywrócony do stanu równowagi.

 

W najniższym zakresie temperatur przeprowadza się wyżarzanie odprężające, które znajduje zastosowanie przy wyrobach gotowych, które wcześniej były poddawane różnym typom obróbki plastycznej czy termicznej. Jest ono stosowane w celu wyeliminowania naprężeń, jednak nie prowadzi do przemian struktury. Wykonuje się je w temperaturach nieprzekraczających 650°. W temperaturach między 600 a 700°C wykonuje się wyżarzanie rekrystalizujące. Także tu nie dochodzi do przebudowy struktury, a jedynie do usunięcia naprężeń, m.in. powstałych w wyniku obróbki plastycznej na zimno i umocnienia materiału. Ziarna odzyskują swój kształt, a stal może być poddawana kolejnym operacjom.

 

Wyżarzanie może jednak prowadzić także do przebudowy struktury. Będzie tak, gdy w grę wchodzą wyższe temperatury, np. podczas wyżarzania przegrzewającego, które odbywa się przy 1000–1200°C i ma na celu poprawienie skrawalności materiału. W tym przypadku efektem będzie rozrost ziaren i wytworzenie struktury gruboziarnistej. Podobne efekty uzyskuje się w wyżarzaniu zmiękczającym, gdzie w celu przygotowania do obróbki plastycznej w przypadku stali niskowęglowych i do obróbki skrawaniem dla stali wysokowęglowych obniża się twardość. W tym procesie dochodzi do wytworzenia tzw. sferoidytu, będącego cementytem kulkowym w osnowie ferrytu. Odmianą wyżarzania pozwalającą na przywrócenie stali stanu równowagi będzie wyżarzanie zupełne. W tym przypadku może dojść do ujednolicenia struktur wskutek bardzo powolnego ochładzania. Bardzo podobny przebieg ma wyżarzanie normalizujące.

 

Dlaczego pręty kute poddaje się procesowi normalizowania?

 

Wyżarzanie normalizujące ma na celu uzyskanie jednolitej, drobnoziarnistej struktury, która pozwala na poprawę własności mechanicznych i przygotowanie stali do dalszej obróbki. Jest przeprowadzane w temperaturze, która o 30 do 50°C przekracza punkt Ac3 lub Accm. W wyniku krótkiego czasu nagrzewania oraz wolnym ochładzaniu dochodzi do przejścia perlitu w austenit, co wiąże się z powstaniem ziaren o niedużej wielkości. Zastosowanie wyżarzania normalizującego pozwala na uzyskanie ujednoliconej struktury stali, która gwarantuje powtarzalność wyrobów poddawanych dalszej obróbce cieplnej lub cieplno-plastycznej. Proces wyżarzania normalizującego jest stosowany także po hartowaniu i odpuszczaniu stosowanym podczas nawęglania.

 

W przypadku prętów kutych przeprowadzenie normalizacji pozwala na pozbycie się dużych ziaren oraz doprowadzenie struktury stali do postaci, w jakiej może być łatwiej podawana obróbce skrawaniem – np. toczeniu czy frezowaniu. Normalizacja ogranicza też skłonność stali do pękania. Stal poddana normalizacji daje większe możliwości co do wyboru dalszego sposobu obróbki i powiększa gamę możliwych zastosowań. Pręty kute nadają się znakomicie do wytwarzania różnych elementów konstrukcyjnych – wsporników, podpór i stelaży. Po obróbce – w zależności od gatunku stali, z której są wykonane – mogą być użyte jako materiał wyjściowy do produkcji różnych części i podzespołów. Powstają z nich często elementy osi, wały i wałki, koła pasowe i zębate, tuleje i cylindry, ale również wrzeciona oraz wirniki i wały korbowe. Jeśli są wykonane ze stali spawalnej, mogą być używane do wykonania ram, czy też służyć jako fragmenty rozmaitych konstrukcji stalowych.

 

Wyroby z prętów kutych i normalizowanych mogą być poddawane także różnym procesom związanym z obróbką cieplną. W zależności od rodzaju stali, z której zostały wykonane, można je poddawać hartowaniu i odpuszczaniu, używać do nawęglania i azotowania, a jeśli zajdzie taka potrzeba także do przesycania. Zamawianie wyrobów, które zostały poddane normalizacji, powoduje więc znaczną oszczędność czasu i eliminuje konieczność wykonywania tego procesu we własnym zakresie, co często przekracza możliwości techniczne odbiorcy, ponieważ wymaga posiadania odpowiedniego wyposażenia.