Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu z szybkością pozwalającą na otrzymanie struktury równowagi lub zbliżonej do tego stanu (rys. 6.11).
Operacja ABCD - wyżarzanie AB - nagrzewanie BC - wygrzewanie C D - chłodzenie
Czas
Rys. 6.11. Schemat obróbki cieplnej wyżarzania: AB - nagrzewanie, BC - wygrzewanie, CD - chłodzenie
B C
W zależności od celu wyróżnia się następujące rodzaje wyżarzania:
WYŻARZANIE
99
bez przemiany fazowej z przemianą fazową - rekrystalizujące - ujednorodniające - odprężające - normalizujące
- zupełne - zmiękczające - przegrzewające
Położenie temperatur wyżarzania stali węglowych na tle wykresu Fe-Fe3C przedstawiono na rys. 6.12.
Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizowanie)
Temperatura: 100-200°C poniżej linii solidusu, praktycznie 1050-1200°C, studzenie powolne.
Czas: proces długotrwały - kilkanaście godzin (zależy od wielkości wyżarzanego przedmiotu).
Struktura: struktura pierwotna odlewu (dendrytyczna) ulega przemianie na wtórną (ziarnistą), następuje rozrost ziarna.
Cel: zmniejszenie lub usunięcie segregacji dendrytycznej we wlew-kach, a w konsekwenacji zmniejszenie pasmowości struktury i anizotropowości właściwości mechanicznych stali (różnic war-tości w kierunku poprzecznym i podłużnym).
W obrębie ziarn pierwotnych (dendrytów), utworzonych w procesie krystalizacji, występuje zwykle różnica koncentracji składników, nazywana
A D
Temperatura
Z a w a r t o ś ć w ę g l a , % po obróbce plastycznej n a zimno
Stabilizowanie
segregacją (mikrosegregacją) dendry-tyczną. Po przeróbce plastycznej na gorąco wlewka segregacja ta może być przyczyną pasmowości struktury i anizotropowości właściwości me-chanicznych stali, co jest na ogół nieporządane.
W wyniku wyżarzania ujednoro-dniającego pierwotna (dendrytyczna) struktura zmienia się na wtórną (ziar-nistą, komórkową); jednocześnie na-stępuje znaczny rozrost ziarn. Wyró-wnanie składu chemicznego w obrę-bie ziarn następuje poprzez dyfuzję składników, łatwo przebiegającą w wysokiej temperaturze wyżarzania.
Wyżarzanie to zmniejsza lub lik-widuje różnice koncentracji w obrę-bie ziarn, nie wpływa jednak na seg-regację w skali makroskopowej, którą można zmniejszyć tylko poprzez przeróbkę plastyczną.
Wyżarzanie ujednoradniające stosuje się rzadko i w zasadzie ogra-nicza do wlewków i niekiedy odle-wów staliw stopowych. Po ujednoro-dnieniu przeprowadza się czasem wy-żarzanie normalizujące, dla zmniej-szenia wielkości ziarn. Dotyczy to tylko odlewów staliwnych, gdyż ujed-norodnione wlewki poddaje się przeróbce plastycznej na gorąco, zapewniającej rozdrobnienie ziarna.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie)
Temperatura: 30—50°C powyżej Ac3 lub Accm, studzenie w spokojnym powietrzu do temperatury otoczenia.
Czas: zależy od przekroju normalizowanego materiału - orientacyjnie 1 — 1,5 min na 1 mm przekroju dla stali węglowych konstrukcyj-nych oraz 1,5 — 2,5 min na 1 mm przekroju dla stali węglowych narzędziowych.
Struktura: uzyskuje się drobnoziarnistą strukturę o jednakowej wielkości ziarna w całym przekroju wyrobu.
Rys. 6.12. Zakres temperatur wyżarzania stali na tle wykresu żelazo-cementyt
Cel: polepszenie właściwości mechanicznych poprzez:
- usunięcie skutków przegrzania, tj. gruboziarnistości i struktury Widmannstättena,
- ujednorodnienie struktury w wyrobach spawanych,
- zmniejszenie pasmowości struktury w wyrobach walcowanych, - usunięcie niewłaściwej struktury wyrobów obrobionych cieplnie
oraz zapewnienie powtarzalności wyników obróbki cieplnej w pro-dukcji seryjnej poprzez nadanie jednolitej struktury wyjściowej.
W czasie tej operacji obróbki cieplnej następuje przemiana perlitu w aus-tenit, powodująca rozdrobnienie ziarn, których wielkość nie ulega zmianie podczas studzenia. W wyniku rozdrobnienia ziarna polepszają się właściwości mechaniczne. Np. dla stali 45 Re wzrasta z 350 MPa do 420 MPa, Rm
z 640 M P a do 650 MPa a A5 z 17% do 24%.
Wyżarzanie zupełne
Temperatura: 30—50°C powyżej Ac3 lub Accm, studzenie razem z piecem (a więc wolniejsze niż podczas normalizowania).
Czas: podobnie jak podczas normalizowania.
Struktura: uzyskuje się strukturę najbardziej zbliżoną do stanu równowagi fazowej.
Cel: wyżarzanie zupełne często stosuje się dla wyrobów hutniczych ze stali stopowych, które po chłodzeniu na powietrzu posiadają struktury nierównowagowe, tj. bainitu lub martenzytu. Stale takie określa się jako samohartujące. Wyżarzanie zupełne zape-wnia rozładowanie naprężeń wewnętrznych, poprawę skrawal-ności oraz pozwala na przybliżone określenie zawartość węgla w stalach węglowych podeutektoidalnych i eutektoidalnych.
Przykład określania zawartości węgla w stali.
Wiadomo, że perlit zawiera ok. 0,8% węgla. Jeżeli na podstawie obserwacji mikroskopowej zgładu metalograficznego widać, że stal zawiera np. 40%
perlitu (reszta ferryt), to zawartość węgla w stali określa się z proporcji:
100% perlitu - 0,8%C 40% perlitu - X % C
Zawartość węgla w ferrycie (0,008%) należy pominąć jako znikomo małą.
Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzujące)
Temperatura: zbliżona do temp. A1 studzenie powolne szczególnie w zakresie temperatur A1 - 600°C.
101
Czas: stosunkowo długi, zależy od wymiarów wyrobu i gatunku stali (kilka do kilkudziesięciu godzin).
Struktura: powstaje struktura cementytu kulkowego równomiernie rozmiesz-czonego w ferrycie (sferoidyt).
Cel: zmniejszenie twardości stali, poprawa skrawalności i podatności do przeróbki plastycznej na zimno.
Niezbędnym warunkiem sferoidyzacji cementytu jest doprowadzenie stali do stru-ktury austenitycznej przy zachowaniu pew-nej ilości nierozpuszczonych cząstek cemen-tytu. Nierozpuszczony cementyt oraz zanie-czyszczenia niemetaliczne stanowią zarodki krystalizacji, stąd temperatura wyżarzania oscyluje około temperatury A1. Na rys. 6.13 przedstawiono pięć sposobów przeprowa-dzania wyżarzania zmiękczającego. W sta-lach nadeutektoidalnych wyżarzanie to ma na celu obniżenie twardości i polepszenie skrawalności. W stalach podeutektoidal-nych, których twardość jest z natury niska, wyżarzanie zmiękczające stosowane jest dla polepszenia plastyczności przed przeróbką plastyczną na zimno.
Rys. 6.14 przedstawia twardości stali niestopowych o różnej zawartości węgla w stanie normalizowanym i po wyżarzaniu zmiękczającym. Struktury stali N12 w tych samych stanach obróbki cieplnej przedsta-wiają fot. 6.1 i 6.2.
Wyżarzanie przegrzewające Temperatura: 1000-1200°C, studzenie
po-wolne.
Czas.: 1 — 2 godz.
Rys. 6.13. Przebieg różnych sposobów wyżarzania zmiękczającego
Struktura: uzyskuje się strukturę gruboziarnistą.
Cel: poprawa skrawalności stali wysokowęglowych oraz powiększenie przenikalności magnetycznej stali magnetycznie miękkiej.
Struktura gruboziarnista ułatwia obróbkę mechaniczną, gdyż wiór takiej stali jest krótki i kruchy co umożliwia skrawanie z dużymi szybkościami.
Objawem przegrzania, typowym dla staliwa i stali średniowęglowej, jest struktura Widmannstättena o charakterystycznym iglastym kształcie ziarn ferrytu. Obraz tego typu struktury przedstawiono na fot. 6.3.
300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80
Twardość HV
2 1
F e 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 % C
Rys. 6.14. Twardość stali niestopowych w zależności od zawartości węgla po wyżarzaniu:
1 - normalizującym, 2 - zmiękczającym
Wyżarzanie rekrystalizujące Temperatura: 600—700°C, studzenie powolne.
Czas: zależy od stopnia zgniotu i wymaganych właściwości koń-cowych.
Struktura: powstaje zrekrystalizowana drobnoziarnista struktura.
Cel: usunięcie skutków zgniotu na zimno.
Po przeróbce plastycznej na zimno stal posiada strukturę włóknistą (teksturę), wysokie właściwości wytrzymałościowe (Rm, Re, HB) oraz małą plastyczność (KC, A, Z). Materiał taki jest kruchy i niepodatny do dalszej przeróbki plastycznej.
Wyżarzanie w temperaturze powyżej temperatury rekrystalizacji powoduje powstanie nowej drobnoziarnistej struktury oraz usunięcie skutków zgniotu.
Przebieg zmian struktury oraz właściwości mechanicznych w zależności od temperatury wyżarzania przedstawia rys. 6.15.
Wyżarzanie odprężające (odprężanie) Temperatura: poniżej 650°C, studzenie powolne.
Czas: zależy od wielkości wyrobu, zwykle ok. 2 min. na 1 mm przekroju.
Struktura: nie zachodzą zmiany struktury.
Cel: zmniejszenie naprężeń własnych wyrobu bez wyraźnych zmian właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki plas-tycznej.
103
zdrowienie rekrystalizacja rekrystalizacja wtórna najniższa temperatura
rekrystalizacji
temperatura a )
naprężenia
b)
ziarna właściwości
c)
Rys. 6.15. Zmiany zachodzące w metalu odkształconym plastycznie na zimno w zależności od temperatury: a - naprężenia własne, b - mikrostruktura, c - właściwości mechaniczne
Naprężenia własne mogą być przyczyną odkształceń wyrobów, a współ-działając z naprężeniami zewnętrznymi mogą doprowadzić do szybkiego ich zniszczenia. Odprężanie usuwa naprężenia własne powstałe w wyniku proce-sów technologicznych, takich jak: przeróbka plastyczna na zimno, odlewanie, spawanie, prostowanie. Duże znaczenie ma wyżarzanie odprężające złączy spawanych.
Norma PN-91/H-01010/03 dzieli stale niestopowe wg dwóch podstawowych kryteriów:
1 - składu chemicznego, 2 - właściwości i zastosowania.
Stal nazywa się niestopową wówczas, gdy zawartość pierwiastków jest mniejsza od zawartości granicznych wg tablicy 6.3.
Według kryterium właściwości i zastosowania stale niestopowe dzieli się na trzy klasy:
• stale niestopowe podstawowe,
• stale niestopowe jakościowe,
• stale niestopowe specjalne.
Stale niestopowe podstawowe są to stale wytwarzane w procesie stalowniczym bez dodat-kowych zabiegów, spełniające następujące warunki:
a) wyroby z tych stali nie są przeznaczone do obróbki cieplnej (z wyjątkiem wyżarzania zmiękczającego, odprężającego i normalizowania),
Nazwa i symbol chemiczny pierwiastka
Aluminium (glin), Al Bor, B
Inne (oprócz węgla, fosforu, siarki, azotu), każdy
Zawartość graniczna,
Dopuszczalne ilości pierwiastków w stalach niestopowych, wg PN-91/H-01010/03 Tablica 6.3
105
b) wymagane jest określenie tylko zawartości węgla, manganu i krzemu,
c) nie określa się wymagań jakościowych (np. przydatności do odkształceń plastycznych, wielkość ziarna itp.),
d) właściwości wyrobów walcowanych powinny odpowiadać wartościom granicznym wg tabli-cy 6.4.
Stale niestopowe jakościowe mogą podlegać obróbce cieplnej, ale w takim wypadku nie określa się wymagań w zakresie właściwości mechanicznych. Wymagania jakościowe dla tej klasy stali są wyższe niż dla klasy podstawowej. Do stali jakościowych niestopowych zalicza się wszystkie niestopowe stale, które nie spełniają wymagań dla klasy stali specjalnych, a mają wyższe właściwości od klasy podstawowej.
cd. przypisu
Tablica 6.4 Wymagania graniczne stawiane podstawowym stalom niestopowym, wg PN-91/H-01010/03
Określenie własności Grubość
wyrobu, mm
Wartości graniczne
Minimalna wytrzymałość na rozciąganie (Rm) do 16 do 690 MPa Minimalna granica plastyczności (Re) do 16 do 360 MPa
Minimalne wydłużenie1) (A) do 16 do 26%
Minimalna średnica trzpienia w próbie zginania 3 i powyżej nie mniej niż 1a2) Minimalna udarność przy + 20°C na próbkach
wzdłużnych (KV)
10÷16 do 27 J
Twardość Rockwella wg skali B (lub Brinella) - nie mniej niż 60HRB (nie mniej niż 104HB)
Zawartość węgla - nie mniej niż 0,10%
Maksymalna zawartość fosforu - 0,045%
Maksymalna zawartość siarki - 0,045%
1} Jeżeli normy gatunków i normy wyrobów nie określają początkowej długości pomia-rowej, wówczas Lo — 5,65 (So - początkowy przekrój próbki). 2) a - grubość próbki, mm.
Stale niestopowe specjalne - są to w większości wypadków stale przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego o określonych, wysokich właściwościach techno-logicznych i użytkowych. Do stali niestopowych specjalnych zalicza się m.in. stale o następujących cechach:
a) wymaganej udarności w stanie ulepszonym cieplnie,
b) wymaganego zasięgu utwardzenia powierzchniowego lub zakresu hartowania, c) szczególnie niskiej zawartości wtrąceń niemetalicznych,
d) maksymalnej zawartoaści fosforu i siarki do 0,025%,
e) minimalnej udarności KV powyżej 27 J przy — 50° na próbkach wzdłużnych do prób udarności z karbem V.
Temperatura
TA
A3
A1
2 3
1 4
C z a s
Rys. 7.1. Schemat operacji hartowa-nia stali podeutektoidalnej: 1—2 - nagrzewanie, 2— 3 -
austenityzowa-nie, 3—4 - oziębianie
Hartowanie i odpuszczanie są bardzo ważnymi operacjami obróbki cieplnej stosowanymi w przemyśle. Służą one do nadawania narzędziom oraz większości części maszyn optymalnych właściwości: odpowiedniej wytrzymało-ści, plastycznowytrzymało-ści, sprężystowytrzymało-ści, twardowytrzymało-ści, odporności na ścieranie. Oba te zabiegi są związane szczególną zależnością - po hartowaniu zawsze stosuje się odpuszczanie1).
Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatur występowania austenitu, wygrzaniu jej, czyli austenityzowaniu, a następnie szybkim ochłodze-niu, w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej (rys. 7.1).
Nagrzewanie stali do temperatur wystę-powania austenitu, stosowane w większości operacji hartowania, przebiega z niewielką szybkością, podobnie jak przy zabiegach wy-żarzania. Analizę przemian w nagrzewanej stali do hartowania można więc przeprowa-dzić na podstawie wykresu układu równo-wagi Fe —Fe3C (rozdz. 4).
Wygrzewanie stali, nazwane austenityzo-waniem, przeprowadzane w temperaturze 30—50°C powyżej Ac3 dla stali podeutek-toidalnych, bądź 30 — 50°C powyżej Ac1 dla stali nadeutektoidalnych, ma na celu uzys-kanie struktury austenitu lub austenitu z ce-mentytem wtórnym w stalach nadeutektoida-lnych.
Szybkości chłodzenia w operacjach
har-towania są duże, co powoduje wystąpienie w stali przemiany martenzytycznej lub bainitycznej. Produkty tych przemian: martenzyt lub bainit są nierów-nowagowe, niezgodne z opisem wykresu Fe —Fe3C.
1) Wyjątek stanowi hartowanie z przemianą izotermiczną.