Celem pełnego wyżarzania jest usunięcie poprzedniej mikrostruktury w temperaturze pokojowej i zmiękczenie wcześniej utwardzonego materiału, generalnie w celu ułatwienia późniejszej deformacji lub obróbki. Sam proces polega na nagrzaniu stali i ma na celu stawić na niezawodność połączeń spawanych stali. Wyżarzanie normalizujące, wyżarzanie odprężające, czy wyżarzanie zupełne – to tylko kilka elementów składających się na wyżarzanie stali. Jak zadbać o uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej i na czym polega cały proces? O tym piszemy poniżej!
Praca z metalami, a wyżarzanie stali
Pełne wyżarzanie to proces przekształcania zniekształconej, odkształconej na zimno struktury sieciowej z powrotem w strukturę wolną od naprężeń poprzez ogrzewanie. Jest to proces w stanie stałym, po którym zwykle następuje powolne chłodzenie w piecu.
Etapy wyżarzania
Odzyskiwanie jest pierwszym krokiem w wyżarzaniu. Jest to proces niskotemperaturowy, który nie powoduje znaczących zmian w mikrostrukturze. Główną funkcją jest łagodzenie stresu wewnętrznego. Odzyskiwanie jest procesem zależnym od czasu i temperatury. Zmiany we właściwościach mechanicznych są minimalne, a podstawowym zastosowaniem regeneracji jest odprężanie w celu zapobiegania pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu lub minimalizacji odkształceń spowodowanych naprężeniem szczątkowym. Rekrystalizacja następuje w wyższych temperaturach, ponieważ w mikrostrukturze pojawiają się nowe drobne kryształy. Zwykle pojawiają się w najbardziej zdeformowanych obszarach, takich jak granice ziaren lub płaszczyzny poślizgu. Rekrystalizacja następuje podczas zarodkowania nienaprężonych ziaren i wzrostu tych zarodków w celu wchłonięcia materiału poddanego obróbce na zimno.Temperatura rekrystalizacji odnosi się do przybliżonej temperatury, w której silnie obrobiony na zimno materiał będzie się w pełni rekrystalizować w ciągu 1 godziny. Można zauważyć, że im większe odkształcenie, tym niższa temperatura rekrystalizacji. Temperatura rekrystalizacji cynku, ołowiu i cyny jest niższa od temperatury pokojowej, więc obróbka na zimno nie jest możliwa.
Obróbka cieplna stali
Cały proces wyżarzania polega na podgrzaniu do odpowiedniej temperatury, a następnie powolnym chłodzeniu w piecu przez cały zakres przemiany. Celem wyżarzania jest uzyskanie rafinowanych ziaren, zmiękczenie ich, poprawa właściwości elektrycznych i magnetycznych, a czasem poprawa skrawalności. Wyżarzanie to powolny proces zbliżający się do równowagi i zbliżający się do trybów fazowych. Wyżarzanie obejmuje kilka cykli termicznych, sklasyfikowanych według najwyższej osiągniętej temperatury:
• wyżarzanie podkrytyczne: ogrzewanie poniżej temperatury krytycznej A1;
• wyżarzanie krytyczne: ogrzewanie powyżej A1, ale poniżej górnej temperatury krytycznej A3 stosuje się dla stali nadeutektoidalnych, a Acm dla stali nadeutektoidalnych;
• wyżarzanie całkowite: ogrzewanie powyżej krytycznej górnej granicy temperatury A3.
Inżynieria cieplna systemów stopów stali
Najstarszą koncepcją oceny hartowności na podstawie wykresów przemian fazowych jest krytyczna szybkość chłodzenia. Krytyczną szybkość chłodzenia stali można zdefiniować jako szybkość ciągłego chłodzenia niezbędną do zapobiegania niepożądanym przemianom. W przypadku stali jest to minimalna szybkość, z jaką austenit musi być stale chłodzony, aby zatrzymać zmiany powyżej temperatury Ms lub najwolniejsze tempo schładzania, które daje 100% martenzytu. Ponieważ krzywa stygnięcia, z której wyprowadza się krytyczną prędkość stygnięcia, nie jest liniowa, istnieją różne sposoby jej określenia. Użyj krzywej TTT dla badanego stopu, przykłady obejmują austenit czas chłodzenia między temperaturą austenityzowania, a temperaturą kąpieli hartowniczej; średnia szybkość chłodzenia obliczona z (temperatura austenityzowania – temperatura kąpieli hartowniczej) / czas, jaki upłynął na schłodzenie; lub w danej temperaturze (metoda nosowa). Tak zwana metoda nosa zapewnia oszacowanie w przybliżeniu rzeczywistej wartości krytycznej chłodzenia 1,5 razy szybciej. Ponadto krytyczną szybkość chłodzenia uzyskano ze znacznie różnych map TTT lub CCT. Dlatego należy podać metodę obliczania krytycznej szybkości chłodzenia.
Wyżarzanie żeliw szarych
Cały proces wyżarzania składa się z dwóch etapów.
- Pierwszy jest wykonywany powyżej krytycznego zakresu temperatur. Rozkłada węgliki i homogenizuje matrycę. Powoduje to rozproszenie pierwiastków segregacyjnych, które mogą prowadzić do lokalnej stabilizacji węglików i perlitu.
- Drugi etap przeprowadza się w temperaturze poniżej krytycznego zakresu temperatur. Przekształca matrycę w ferryt, wytrącając całe C w roztworze na istniejący grafit.
Wyżarzanie podkrytyczne żeliwa sferoidalnego nie jest zalecane, ponieważ może prowadzić do pogorszenia właściwości mechanicznych w wyniku formowania ramy. Ponadto szybkość ferrytu spada gwałtownie poniżej określonej temperatury 650°C, a wyżarzanie w średniej temperaturze może zająć mniej czasu i zapewnić lepszą wydajność. Wysoka zawartość Si sprzyja rozkładowi węglików. Wpływ drobnych pierwiastków na tworzenie się węglików i perlitów opisano wcześniej.
Obróbka cieplna stali i wyżarzanie
Popularne rodzaje obróbki cieplnej to:
- Wyżarzanie (pełne wyżarzanie): wyżarzanie jest jedną z najczęstszych metod obróbki cieplnej stali. Służy do zmiękczania stali i zwiększania ciągliwości. Podczas tego procesu stal jest podgrzewana i powoli chłodzona do temperatury pokojowej w dolnym obszarze pola fazy austenitu. Otrzymana mikrostruktura składa się z grubego ferrytu lub grubego ferrytu i perlitu, w zależności od zawartości węgla i stopu w stali. Proces ten łagodzi naprężenia w metalu, co skutkuje dużą strukturą ziarna i miękkimi krawędziami, umożliwiając metalowi wgniecenie lub wygięcie zamiast pękania pod wpływem uderzenia lub naprężenia, a także ułatwia szlifowanie lub cięcie wyżarzonego metalu.
- Normalizacja: stal normalizuje się przez ogrzewanie do pola fazy austenitycznej w temperaturze nieco wyższej niż stosowana do chłodzenia powietrzem po wyżarzaniu. Wiele stali jest znormalizowanych w celu ustalenia jednolitych mikrostruktur ferrytycznych i perlitycznych oraz jednolitej wielkości ziarna.
- Wyżarzanie procesowe (wyżarzanie rekrystalizacyjne): wyżarzanie procesowe zachodzi w temperaturze nieco niższej od temperatury eutektoidalnej 1341°F (727°C). Ta obróbka jest odpowiednia dla blach stalowych walcowanych na zimno o niskiej zawartości węgla w celu przywrócenia ciągliwości. W stali hartowanej aluminium rekrystalizowany ferryt będzie miał idealną strukturę krystaliczną do głębokiego tłoczenia w złożone kształty, takie jak kanistry olejowe i obudowy sprężarek. Teksturę krystaliczną uzyskuje się przez opracowanie korzystnej orientacji ziaren ferrytu, tj. osie krystalograficzne ziaren ferrytu są zorientowane w preferowanej, a nie przypadkowej orientacji.
- Sferoidyzacja: aby wytworzyć stal w możliwie najdrobniejszym stanie, sferoidyzację zwykle przeprowadza się przez ogrzewanie tuż powyżej lub tuż poniżej temperatury eutektoidalnej 1341°F (727°C) i utrzymywanie jej w tej temperaturze przez dłuższy czas. Proces ten rozkłada warstwowy perlit na małe kulki cementytu w ciągłej matrycy ferrytowej. W celu uzyskania bardzo równomiernej dyspersji kulek cementytu, wyjściową mikrostrukturą jest zwykle martenzyt. Dzieje się tak, ponieważ węgiel jest bardziej równomiernie rozłożony w martenzycie niż w perlicie warstwowym. Płyty cementytowe muszą najpierw rozpuścić, a następnie rozprowadzić węgiel w postaci kulek, podczas gdy kulki cementytowe mogą pochodzić bezpośrednio z martenzytu.
- Odprężanie: Produkty stalowe z naprężeniem szczątkowym można podgrzać do temperatury eutektoidalnej bliskiej 1341°F (727°C). Dzięki wygrzaniu w tej temperaturze uzyskamy odciążenia naprężeń.
- Hartowanie: jest to proces bardzo szybkiego schładzania stali wysokowęglowej po podgrzaniu, a tym samym „zamrażania” cząstek stali w bardzo twardą martenzytyczną formę, czyniąc metal jeszcze twardszym. W każdej stali istnieje równowaga między twardością a ciągliwością, gdzie im twardsza staje się, tym mniej będzie trwała lub odporna na uderzenia. Aby wytworzyć kompozycje bainityczne i martenzytyczne o wyższej wytrzymałości, stal musi być podgrzana do pola fazy austenitycznej i szybko hartowana przez hartowanie w oleju lub wodzie. W procesie tym wytwarzana jest wysokowytrzymała stal niskostopowa (HSLA), która jest następnie hartowana. Należy zauważyć, że dodatki mikrostopowe, takie jak Nb, V i Ti, mogą również wytwarzać stale HSLA. Te stale mikrostopowe uzyskują wytrzymałość poprzez obróbkę termomechaniczną, a nie obróbkę cieplną.
- Odpuszczanie: gdy hartowana stal (stal martenzytyczna) jest odpuszczana przez obróbkę cieplną do temperatury zbliżonej do temperatury eutektoidalnej 1,341°F (727°C), rozpuszczony węgiel w martenzycie tworzy cząstki cementytu, a stal staje się bardziej ciągliwa. Odpuszczanie zmniejsza naprężenia metalu spowodowane procesem hartowania, zmniejszając twardość metalu, jednocześnie lepiej wytrzymując uderzenia bez pękania. Hartowanie i odpuszczanie są stosowane w różnych stalach w celu uzyskania pożądanej kombinacji wytrzymałości i wiązkości. Wielokrotnie obróbka mechaniczna i termiczna łączy się w tak zwane obróbki termomechaniczne w celu uzyskania lepszych właściwości i bardziej wydajnej obróbki materiałów. Procesy te są wspólne dla wysokostopowych stali specjalnych, nadstopów i stopów tytanu.
Stopy aluminium, obróbka cieplna i wyżarzanie
W zależności od systemu stopowego i wcześniejszych obróbek, istnieją różne rodzaje obróbek wyżarzania dla różnych celów.
- Całkowite Wyżarzanie (odpuszczanie O): zapewnia najbardziej miękkie, a zarazem najbardziej ciągliwe i podatne na obróbkę warunki dla stopów formowalnych i nie podatnych na obróbkę cieplną. Zbrojenie w pracy na zimno jest zmniejszane lub eliminowane przez obróbkę cieplną w temperaturach od około 250°C do 450°C przez okres od sekund do godziny. Dokładny czas i temperatura zależą od ilości poprzedniej pracy na zimno i stężenia substancji rozpuszczonej. Aby wyeliminować efekty utwardzania wydzieleniowego, obróbka wyżarzania rozpuszcza małe utwardzone osady. Temperatura wyżarzania nie powinna przekraczać 415°C, aby uniknąć utleniania i wzrostu ziarna. Szybkość ogrzewania i chłodzenia musi być kontrolowana, aby uniknąć twardnienia/zmiękczenia wydzieleniowego w stopach poddanych obróbce cieplnej. Dla wszystkich stopów zalecane jest stosunkowo powolne chłodzenie, aby zminimalizować zniekształcenia. Jednak w przypadku stopów do obróbki cieplnej powolne chłodzenie może spowodować tworzenie się gruboziarnistych osadów.
- Częściowe wyżarzanie: Pośrednie właściwości mechaniczne: wyżarzanie (odpuszczanie H2) obrabianych na zimno stopów nienadających się do obróbki cieplnej określa się jako wyżarzanie częściowe lub wyżarzanie odwrotne. W trakcie tego procesu materiał ulega regeneracji, częściowej rekrystalizacji lub całkowitej rekrystalizacji. Częściowe wyżarzanie zapewnia lepszą podatność na gięcie i odkształcalność niż stopy o podobnym poziomie wytrzymałości odpuszczania H1. Ścisła kontrola temperatury jest ważna dla uzyskania jednolitych i spójnych właściwości mechanicznych.
Wyżarzanie odlewów nie jest powszechne. Proces ten może być jednak stosowany w celu zapewnienia maksymalnej stabilności wymiarowej podczas pracy w wysokich temperaturach i wysokiej wytrzymałości. W przypadku użycia wymagana jest obróbka w temperaturze 315-345°C przez 2-4 godziny, aby zapewnić optymalne złagodzenie naprężeń szczątkowych i wytrącania faz utworzonego przez nadmiar substancji rozpuszczonej pozostającej w roztworze stałym podczas odlewania. Jak widać powyżej, istnieje wiele rodzajów wyżarzania stopów żelaza i innych metali. Wyżarzanie stabilizujące, wyżarzanie rekrystalizujące i inne techniki sprawią, że nastąpi poprawa właściwości mechanicznych stali.