Wyżarzanie stali jako rodzaj obróbki cieplnej. Technologia metalowa

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Tworzenie nowych materiałów i kontrolowanie ich właściwości to sztuka technologii metalowej. Jednym z jego narzędzi jest obróbka cieplna. Procesy te umożliwiają zmianę właściwości, a tym samym obszarów zastosowania stopów. Wyżarzanie stali jest szeroko stosowaną opcją usuwania wad produkcyjnych w produktach, zwiększając ich wytrzymałość i niezawodność.

Zadania procesowe i ich odmiany

Operacje wyżarzania są wykonywane w celu:

• optymalizacja struktury wewnątrzkrystalicznej, uporządkowanie pierwiastków stopowych;
• minimalizacja wewnętrznych zniekształceń i naprężeń z powodu szybkich wahań temperatury procesu;
• zwiększenie podatności przedmiotów do późniejszego cięcia.

Klasyczna operacja nazywana jest „pełnym wyżarzaniem”, jednak istnieje kilka jej odmian, w zależności od określonych właściwości i charakterystyki zadań: niepełna, niska, dyfuzyjna (homogenizacja),izoterma, rekrystalizacja, normalizacja. Wszystkie są w zasadzie podobne, jednak sposoby obróbki cieplnej stali znacznie się różnią.

Obróbka cieplna na podstawie wykresu

Wszystkie przemiany w hutnictwie żelaza, które opierają się na grze temperatur, wyraźnie odpowiadają wykresowi stopów żelazo-węgiel. Stanowi pomoc wizualną przy określaniu mikrostruktury stali węglowych lub żeliw, a także punktów przemiany konstrukcji i ich cech pod wpływem nagrzewania lub chłodzenia.

Technologia metalu reguluje wszystkie rodzaje wyżarzania stali węglowych zgodnie z tym harmonogramem. Dla niepełnych, niskich, a także dla rekrystalizacji „początkowe” wartości temperatury to linia PSK, czyli jej punkt krytyczny Ac₁. Pełne wyżarzanie i normalizacja stali są termicznie zorientowane względem linii wykresu GSE, jej punktów krytycznych Ac₃ i Ac_{m. Schemat również wyraźnie wskazuje na związek określonej metody obróbki cieplnej z rodzajem materiału pod względem zawartości węgla i odpowiednią możliwością jego wykonania dla konkretnego stopu.}

Pełne wyżarzanie

Przedmioty: odlewy i odkuwki ze stopu podeutektoidalnego, natomiast skład stali powinien wypełniać węgiel w ilości do 0,8%.

Cel:

• maksymalna zmiana mikrostruktury uzyskanej przez odlewanie i prasowanie na gorąco, przenosząc niejednorodną gruboziarnistą kompozycję ferrytowo-perlitową w jednorodną drobnoziarnistą;
• zmniejszenie twardości i zwiększenie ciągliwości do dalszej obróbkicięcie.

Technologia. Temperatura wyżarzania stali jest o 30-50˚С wyższa niż punkt krytyczny Ac_{3. Gdy metal osiągnie określoną charakterystykę cieplną, są one utrzymywane na tym poziomie przez pewien czas, co pozwala na dokończenie wszystkich niezbędnych przekształceń. Duże ziarna perlityczne i ferrytyczne całkowicie przekształcają się w austenit. Kolejnym etapem jest powolne chłodzenie wraz z piecem, podczas którego ponownie oddziela się ferryt i perlit od austenitu, który ma drobnoziarniste i jednorodną strukturę.}

Całkowite wyżarzanie stali pozwala na wyeliminowanie najtrudniejszych wad wewnętrznych, jednak jest bardzo długie i energochłonne.

Niepełne wyżarzanie

Obiekty: stale podeutektoidalne bez poważnych wewnętrznych niejednorodności.

Cel: Mielenie i zmiękczanie ziaren perlitu bez zmiany bazy ferrytycznej.

Technologia. Podgrzewanie metalu do temperatur mieszczących się w przedziale między punktami krytycznymi Ac₁ i Ac_{3. Ekspozycja półfabrykatów w piecu o stabilnych właściwościach przyczynia się do zakończenia niezbędnych procesów. Chłodzenie odbywa się powoli, razem z piekarnikiem. Na wyjściu uzyskuje się taką samą drobnoziarnistą strukturę perlitowo-ferrytową. Dzięki takiemu efektowi termicznemu perlit zamienia się w drobnoziarnisty, podczas gdy ferryt pozostaje niezmieniony w postaci krystalicznej i może zmieniać się jedynie strukturalnie, także podczas szlifowania.}

Niepełne wyżarzanie stali pozwala zrównoważyć stan wewnętrzny i właściwości prostych obiektów, jest mniej energochłonne.

Niskie wyżarzanie(rekrystalizacja)

Przedmioty: wszystkie rodzaje walcowanej stali węglowej, stal stopowa o zawartości węgla w granicach 0,65% (na przykład łożyska kulkowe), części i półfabrykaty wykonane z metali nieżelaznych, które nie zawierają poważnych wad wewnętrznych, ale wymagają korekcja niskoenergetyczna.

Cel:

• usunięcie naprężeń wewnętrznych i utwardzenie pod wpływem odkształceń zarówno na zimno, jak i na gorąco;
• eliminują negatywne skutki nierównomiernego chłodzenia konstrukcji spawanych, zwiększają plastyczność i wytrzymałość szwów;
• ujednolicenie mikrostruktury wyrobów hutnictwa metali nieżelaznych;
• sferoidyzacja lamelarnego perlitu - nadanie mu ziarnistego kształtu.

Technologia.

Części są podgrzewane o 50-100˚C poniżej punktu krytycznego Ac_{1. Pod wpływem takich wpływów eliminowane są drobne zmiany wewnętrzne. Cały proces technologiczny trwa około 1-1,5 godziny. Przybliżone zakresy temperatur dla niektórych materiałów:}

1. Stal węglowa i stopy miedzi - 600-700˚C.
2. Stopy niklu - 800-1200˚C.
3. Stopy aluminium - 300-450˚C.

Chłodzenie odbywa się na powietrzu. W przypadku stali martenzytycznych i bainitycznych technologia metalowa nadaje temu procesowi inną nazwę - wysokie odpuszczanie. Jest to prosty i niedrogi sposób na poprawę właściwości części i konstrukcji.

Homogenizacja (wyżarzanie dyfuzyjne)

Przedmioty: duże produkty odlewnicze, zwłaszcza odlewystal stopowa.

Cel: równomierny rozkład atomów pierwiastków stopowych na sieci krystalicznej i całej objętości wlewka w wyniku dyfuzji wysokotemperaturowej; zmiękczenie struktury przedmiotu obrabianego, zmniejszenie jego twardości przed wykonaniem kolejnych operacji technologicznych.

Technologia. Materiał jest podgrzewany do wysokich temperatur 1000-1200˚С. Stabilne właściwości termiczne muszą być utrzymane przez długi czas – około 10-15 godzin, w zależności od wielkości i złożoności odlewu. Po zakończeniu wszystkich etapów przemian wysokotemperaturowych następuje powolne chłodzenie.

Często pracochłonny, ale bardzo skuteczny proces wyrównywania mikrostruktury dużych konstrukcji.

Wyżarzanie izotermiczne

Przedmioty: blachy ze stali węglowej, produkty stopowe i wysokostopowe.

Cel: Poprawa mikrostruktury, usuwanie defektów wewnętrznych w krótszym czasie.

Technologia. Metal jest wstępnie nagrzewany do pełnych temperatur wyżarzania i utrzymywany jest czas potrzebny do przekształcenia wszystkich istniejących struktur w austenit. Następnie powoli schłodzić przez zanurzenie w gorącej soli. Po osiągnięciu temperatury 50-100˚C poniżej punktu Ac_{1 umieszcza się go w piecu w celu utrzymania go na tym poziomie przez czas niezbędny do całkowitej przemiany austenitu w perlit i cementyt. Ostateczne chłodzenie odbywa się w powietrzu.}

Metoda pozwala na osiągnięcie wymaganych właściwości półfabrykatów ze stali stopowej, przy jednoczesnej oszczędności czasu w porównaniu z pełnymwyżarzanie.

Normalizacja

Przedmioty: odlewy, odkuwki i części wykonane ze stali niskowęglowej, średniowęglowej i niskostopowej.

Cel: usprawnienie stanu wewnętrznego, nadanie pożądanej twardości i wytrzymałości, poprawa stanu wewnętrznego przed kolejnymi etapami obróbki cieplnej i cięcia.

Technologia. Stal jest podgrzewana do temperatur nieco powyżej linii GSE i jej punktów krytycznych, utrzymywana i chłodzona na powietrzu. Tym samym zwiększa się szybkość realizacji procesów. Jednak stosując tę procedurę, można uzyskać racjonalną spokojną strukturę tylko wtedy, gdy skład stali jest określony przez węgiel w ilości nie większej niż 0,4%. Wraz ze wzrostem ilości węgla następuje wzrost twardości. Ta sama stal po normalizacji ma większą twardość wraz z równomiernie rozmieszczonymi drobnymi ziarnami. Technika pozwala znacznie zwiększyć odporność stopów na zniszczenie oraz ciągliwość cięcia.

Możliwe wady wyżarzania

Podczas wykonywania operacji obróbki cieplnej konieczne jest przestrzeganie określonych trybów ogrzewania i chłodzenia temperaturowego. W przypadku naruszenia wymagań mogą wystąpić różne wady.

1. Utlenianie warstwy powierzchniowej i tworzenie się kamienia. Podczas operacji gorący metal reaguje z tlenem atmosferycznym, co prowadzi do powstawania kamienia na powierzchni przedmiotu obrabianego. Czyścić mechanicznie lub za pomocąspecjalne chemikalia.
2. Spalanie węgla. Występuje również w wyniku oddziaływania tlenu na gorący metal. Zmniejszenie ilości węgla w warstwie wierzchniej prowadzi do pogorszenia jej właściwości mechanicznych i technologicznych. Aby zapobiec tym procesom, wyżarzanie stali musi być prowadzone równolegle z wprowadzaniem do pieca gazów ochronnych, których głównym zadaniem jest zapobieganie oddziaływaniu stopu z tlenem.
3. Przegrzanie. Jest to konsekwencja długotrwałego przebywania w piekarniku w wysokiej temperaturze. Powoduje to nadmierny rozrost ziarna, nabycie niejednorodnej gruboziarnistej struktury oraz wzrost kruchości. Do skorygowania przez kolejny etap pełnego wyżarzania.
4. Wypalony. Występuje w wyniku przekroczenia dopuszczalnych wartości nagrzewania i ekspozycji, prowadzi do zniszczenia wiązań między niektórymi ziarnami, całkowicie psuje całą strukturę metalu i nie podlega korekcie.

Aby zapobiec awariom, ważne jest dokładne wykonywanie zadań obróbki cieplnej, posiadanie umiejętności zawodowych i ścisła kontrola procesu.

Wyżarzanie stali to wysoce wydajna technologia umożliwiająca doprowadzenie mikrostruktury części o dowolnej złożoności i składzie do optymalnej struktury i stanu wewnętrznego, co jest wymagane w kolejnych etapach oddziaływań termicznych, cięcia i uruchamiania konstrukcji.