Wyżarzanie to proces obróbki cieplnej, w którym metal lub stop jest podgrzewany do odpowiedniej temperatury, utrzymywany w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie powoli chłodzony, zazwyczaj w piecu. Istotą wyżarzania jest podgrzanie stali w celu jej austenityzacji, a następnie przemiana perlityczna, skutkująca mikrostrukturą zbliżoną do równowagi.
Cele wyżarzania:
Zmniejsz twardość i zwiększ plastyczność:Dzięki temu materiał jest łatwiejszy w obróbce mechanicznej i obróbce na zimno.
Ujednolicenie składu i struktury:Dzięki temu następuje rozdrobnienie wielkości ziarna i poprawa właściwości materiału lub przygotowanie mikrostruktury do hartowania.
Złagodzenie naprężeń wewnętrznych i utwardzanie przez zgniot:Pomaga to zapobiegać deformacjom i pęknięciom.
Wyżarzanie i normalizowanie są stosowane głównie jako przygotowawcze obróbki cieplne. W przypadku części o niskim naprężeniu i skromnych wymaganiach wydajnościowych wyżarzanie i normalizowanie może również służyć jako końcowa obróbka cieplna.
Klasyfikacja metod wyżarzania
Powszechnie stosowane metody wyżarzania klasyfikuje się według temperatury nagrzewania:
Wyżarzanie powyżej temperatury krytycznej (Ac1 lub Ac3):Należą do nich wyżarzanie całkowite, wyżarzanie dyfuzyjne, wyżarzanie niepełne i wyżarzanie sferoidyzujące.
Wyżarzanie poniżej temperatury krytycznej (Ac1 lub Ac3):Należą do nich wyżarzanie rekrystalizujące i wyżarzanie odprężające.
Siedem typów metod wyżarzania
Pełne wyżarzanie:
Proces:Stal jest podgrzewana do temperatury 20-30 wyższej od Ac3, utrzymywana w tej temperaturze, a następnie powoli chłodzona (zwykle w piecu), aż do uzyskania mikrostruktury zbliżonej do stanu równowagi (całkowicie austenityzowanej).
Zastosowania:Stosowany głównie do stali podeutektoidalnych (0.3-0.6% C), w tym stali średniowęglowych i nisko- do średniowęglowych odlewów ze stali stopowych, odkuwek i profili walcowanych na gorąco. Czasami jest również stosowany do konstrukcji spawanych. Stale niskowęglowe po całkowitym wyżarzaniu mogą mieć twardość zbyt niską do obróbki skrawaniem. Podgrzewanie stali nadeutektoidalnych powyżej Accm i powolne chłodzenie może powodować wytrącanie się Fe3CII wzdłuż granic ziaren, znacznie zmniejszając wytrzymałość, twardość, plastyczność i wytrzymałość, co może prowadzić do potencjalnych problemów w końcowej obróbce cieplnej.
Zamiar:Aby udoskonalić wielkość ziarna, ujednorodnić strukturę, złagodzić naprężenia wewnętrzne, zmniejszyć twardość i poprawić obrabialność. Mikrostruktura po całkowitym wyżarzaniu stali podeutektoidalnej to ferryt plus perlit (F+P). W praktyce, aby poprawić wydajność, chłodzenie można zatrzymać przy około 500 stopniach, a materiał można schłodzić powietrzem.
Wyżarzanie izotermiczne:
Proces:Po austenityzacji stal jest szybko schładzana do temperatury nieco poniżej Ar1 i utrzymywana izotermicznie, aż austenit przekształci się w perlit, a następnie schładzana powietrzem do temperatury pokojowej. Ta metoda znacznie skraca czas wyżarzania.
Zastosowania: Suitable for steels with stable austenite, such as high carbon steels (C > 0.6%), alloy tool steels, and high alloy steels (with total alloy content >10%). Wyżarzanie izotermiczne jest korzystne dla uzyskania jednolitej mikrostruktury i właściwości. Nie nadaje się jednak do dużych elementów stalowych lub dużych partii, ponieważ trudno jest zapewnić jednolite warunki izotermiczne w całym procesie.
Zamiar:Podobne do wyżarzania zupełnego, lecz z bardziej kontrolowanymi przemianami.
Niepełne wyżarzanie:
Proces:Stal jest podgrzewana do temperatury pomiędzy Ac1 i Ac3 (w przypadku stali podeutektoidalnych) lub pomiędzy Ac1 i Accm (w przypadku stali nadeutektoidalnych), wytrzymywana, a następnie powoli chłodzona w celu uzyskania mikrostruktury zbliżonej do równowagowej.
Zastosowania:Stosowany głównie do stali nadeutektoidalnych w celu uzyskania sferoidalnej struktury perlitu, która łagodzi naprężenia wewnętrzne, obniża twardość i poprawia obrabialność. Wyżarzanie sferoidyzujące jest formą niepełnego wyżarzania.
Wyżarzanie sferoidyzujące:
Proces:Stal jest podgrzewana do 20-30 stopnia powyżej temperatury Ac1 i utrzymywana przez krótki okres, zwykle 2-4 godzin, po czym następuje chłodzenie w piecu lub długotrwałe utrzymywanie izotermiczne tuż poniżej temperatury Ar1.
Zastosowania:Przede wszystkim dla stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych, takich jak stale narzędziowe węglowe, stale narzędziowe stopowe i stale łożyskowe. Celem jest wytworzenie mikrostruktury, w której węgliki są sferoidyzowane, co skutkuje powstaniem kulistego perlitu. Ta struktura jest bardziej miękka i łatwiejsza do obróbki, a podczas późniejszego hartowania wielkość ziarna austenitu pozostaje drobna, co zmniejsza tendencję do odkształcania i pękania. Jeśli w stali nadeutektoidalnej występuje sieć węglików, normalizacja powinna zostać przeprowadzona przed sferoidyzacją, aby zapewnić pomyślną sferoidyzację.
Zamiar:Aby zmniejszyć twardość, ujednolicić strukturę i poprawić obrabialność w przygotowaniu do hartowania. Metody wyżarzania sferoidyzującego obejmują:
Pojedyncze wyżarzanie sferoidyzujące:Podgrzanie stali do 20-30 stopnia powyżej Ac1, utrzymanie przez odpowiedni okres, a następnie powolne chłodzenie w piecu. Początkowa struktura powinna być drobnym perlitem, bez obecności sieci węglikowych.
Wyżarzanie sferoidyzujące izotermiczne:Po podgrzaniu i przetrzymaniu stal jest schładzana do temperatury nieznacznie poniżej Ar1 w celu przetrzymania izotermicznego. Po zakończeniu stal jest powoli schładzana do około 500 stopni, a następnie schładzana powietrzem. Ta metoda ma zalety krótkiego cyklu, jednorodnej sferoidyzowanej struktury i kontrolowanej jakości.
Cykliczne wyżarzanie sferoidyzujące.
Wyżarzanie dyfuzyjne (wyżarzanie homogenizujące):
Proces:Sztabka, odlew lub odkuwka stalowa są podgrzewane do temperatury nieznacznie niższej od solidusu i utrzymywane w tej temperaturze przez dłuższy czas, a następnie powoli chłodzone w celu wyeliminowania segregacji składu chemicznego.
Zastosowania:Stosowany do wysokiej jakości stali stopowych i odlewów ze stali stopowych lub wlewków ze znaczną segregacją. Po wyżarzaniu dyfuzyjnym wymagane jest pełne wyżarzanie lub normalizowanie w celu udoskonalenia struktury.
Zamiar:Wyeliminowanie segregacji dendrytycznej i segregacji regionalnej powstającej podczas krzepnięcia, co pozwala na uzyskanie jednolitego składu i struktury.
Wyżarzanie odprężające:
Proces:Stal jest podgrzewana do temperatury poniżej Ac1 (zwykle 500-650 stopnia), utrzymywana w tej temperaturze, a następnie powoli chłodzona w piecu.
Zastosowania:Ponieważ temperatura jest niższa niż Ac1, ta metoda wyżarzania nie powoduje zmian mikrostrukturalnych.
Zamiar:Aby wyeliminować resztkowe naprężenia wewnętrzne.
Wyżarzanie rekrystalizacyjne:
Proces:Wyżarzanie rekrystalizacyjne, znane również jako wyżarzanie pośrednie, polega na nagrzaniu obrobionego na zimno metalu do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu go przez odpowiedni czas, a następnie powolnym schłodzeniu w celu usunięcia umocnienia i naprężeń szczątkowych.
Zastosowania:Proces ten jest stosowany, gdy metal przeszedł znaczną deformację plastyczną na zimno i musi zostać ogrzany powyżej określonej temperatury, aby wywołać rekrystalizację. Najniższa temperatura, w której następuje rekrystalizacja, nazywana jest minimalną temperaturą rekrystalizacji, zwykle 0.4 razy wyższą od temperatury topnienia materiału.
Zamiar:Wyeliminowanie umocnienia zgniotowego i naprężeń szczątkowych poprzez przekształcenie zdeformowanych ziaren w jednolite ziarna równoosiowe.
Wybór metod wyżarzania
Wybór metody wyżarzania odbywa się zazwyczaj według następujących zasad:
Pełne wyżarzanie:Zwykle wybierane dla stali podeutektoidalnych. Aby skrócić czas wyżarzania, można zastosować wyżarzanie izotermiczne.
Wyżarzanie sferoidyzujące:Powszechnie stosowane w stalach nadeutektoidalnych. Jeśli wymagania nie są rygorystyczne, można wybrać niepełne wyżarzanie. Stale narzędziowe i łożyska często przechodzą sferoidyzujące wyżarzanie. Czasami sferoidyzowane są również stale nisko- lub średniowęglowe do wyciskania na zimno lub walcowania na zimno.
Wyżarzanie rekrystalizacyjne:Wybrano w celu wyeliminowania utwardzania zgniotowego.
Wyżarzanie odprężające:Wybrane w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych powstających na różnych etapach przetwarzania.
Wyżarzanie dyfuzyjne:Często wybierany do produkcji wysokiej jakości stali stopowych i dużych odlewów ze stali stopowych w celu poprawy mikrostruktury i jednorodności chemicznej.
