Wyżarzanie rekrystalizujące - zbiór informacji

Autor:

Piotr Sompoliński

Data dodania:

30.05.2025 r.

Intensywna obróbka plastyczna na zimno powoduje zatrzymanie w formie naprężeń wewnętrznych od 1 do 10% energii włożonej w obróbkę. Ta energia przechowywana jest głównie w rozgniecionych i rozciągniętych ziarnach. W tym artykule opiszę, jak wyżarzanie rekrystalizujące odbudowuje pierwotną strukturę i usuwa naprężenia. Omówię też różnice między rekrystalizowaniem, odprężaniem a normalizowaniem oraz przedstawię kompilację wiadomości pomocnych w doborze temperatury wyżarzania rekrystalizującego.

Wyroby stalowe dostarczane w stanie wyżarzonym rekrystalizująco oznaczane są +RA.

Wyżarzanie rekrystalizujące - przemiany i cel

Wyżarzanie rekrystalizujące (lub rekrystalizowanie) stosuje się do metalu uprzednio poddanego obróbce plastycznej na zimno (kucie na zimno, walcowanie na zimno, przeciąganie na zimno drutu, tłoczenie na zimno itp.). Celem rekrystalizowania jest usunięcie skutków zgniotu, a więc zastąpienie zdeformowanej i twardej struktury przez foremną i miękką, zazwyczaj drobnoziarnistą. Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu zgniecionego metalu do temperatury nieco wyższej niż temperatura rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze przez pewien czas i chłodzeniu z dowolną szybkością.

W przeciwieństwie do wyżarzania odprężającego, rekrystalizowanie umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

W porównaniu do wyżarzania normalizującego, rekrystalizowanie jest szybsze i tańsze, bo nie wymaga podgrzewania powyżej temperatury austenizacji.

Wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się jako międzyoperacyjną obróbkę podczas

walcowania blach na zimno
ciągnienia drutów / prętów na zimno
głębokiego tłoczenia półfabrykatów na zimno

Przemiany zachodzące podczas zgniotu / obróbki plastycznej. Obróbka plastyczna na zimno wybitnie zmienia własności mechaniczne stopu. Krystaliczna struktura ulega zniekształceniu, poszczególne ziarna o kształcie w miarę regularnych wieloboków wydłużają się i upodabniają do wrzecion. Wraz ze zgniotem wzrasta twardość i wytrzymałość na rozciąganie, jednocześnie wzrasta kruchość, co uniemożliwia dalszą obróbkę. Przykładowo drut ze stali miękkiej ciągniony na zimno po kilku ciągach nabiera twardości i nie może być dalej ciągniony, bo się urywa. Podobnie jest z głębokim wytłaczaniem przedmiotów z blachy ze stali i stopów niklu.

Przemiany zachodzące podczas wyżarzania rekrystalizującego. Przeróbka plastyczna powoduje bezpośrednie odkształcenie plastyczne niektórych ziaren. Inne ziarna nie są odkształcone, ale i tak wskutek współzależności występują w nich naprężenia. Stan naprężeń nie jest jednorodny i zależy od orientacji ziaren do odkształceń przez poślizg. Pierwsza faza wyżarzania rekrystalizującego, zwana zdrowieniem, powoduje odprężenie w tych ziarnach, które nie zostały odkształcone plastycznie. Dalsze działanie temperatury powoduje spadek naprężeń w ziarnach uprzednio trwale odkształconych. W wyniku przemieszczeń dyslokacji następuje poligonizacja, czyli podział ziarn na szereg bloków, skręconych względem siebie o mały kąt, ale posiadających sieć pozbawioną odkształceń.

Dalszy dopływ energii cieplnej powoduje właściwą rekrystalizację (zwaną też rekrystalizacją pierwotną). W miejscach o dużym zapasie energii swobodnej powstają zarodki nowych ziaren. Obniża się wytrzymałość i twardość stopu, wzrasta ciągliwość, a strukturę zgniecioną zastępują nowe ziarna, o prawie jednakowej wielkości. Ziarna te mają małą objętość, ale dość sporą powierzchnię ze względu na charakterystycznie postrzępione granice. Zasady termodynamiki dążą do rozrostu i łączenia ziaren, wyprostowania ich granic i wyrównania kątów między granicami do 120° (wartość odpowiadająca minimum powierzchniowej energii swobodnej), stąd dalsze dostarczanie energii cieplnej powoduje rozrost ziaren zwany też rekrystalizacją wtórną.
Rekrystalizacja wtórna powoduje dalsze obniżenie własności mechanicznych i często pogorszenie tłoczności. Stąd zwykle celem wyżarzania rekrystalizującego jest rekrystalizacja pierwotna, bez nadmiernego rozrostu ziarn.

Faza	Naprężenia wewnętrzne	Wytrzymałość	Tłoczność	Kruchość	Ziarna
Zdrowienie	Wysokie	Wysoka	Słaba	Wysoka	Ziarna zgniecione, włókniste
Poligonizacja	Średnie	Wysoka	Słaba	Średnia	Ziarna zgniecione, włókniste
Rekrystalizacja (pierwotna)	Brak	Średnia	Dobra	Niska	Małe ziarna pierwotne
Rozrost ziarn (Rekrystalizacja wtórna)	Brak	Niska	Średnia	Średnia	Duże ziarna pierwotne

Tabela nr 1 - Schemat zmian niektórych własności stali zachodzących podczas wyżarzania rekrystalizującego

Czynniki decydujące o rekrystalizacji

Rozrost ziarna podczas wyżarzania rekrystalizującego zależy od kilku czynników:

Skład chemiczny - stopy nierdzewne i żaroodporne wymagają wyższej temperatury
Temperatura - im wyższa temperatura, tym większy rozrost ziarna.
Czas wygrzewania
Zgniot

Skład chemiczny - w stopach nierdzewnych i żaroodpornych rekrystalizacja zachodzi w wyższej temperaturze, niż w czystych metalach. To bardzo ważny czynnik.

Temperatura wyżarzania rekrystalizującego - im wyższa temperatura, tym większy rozrost ziarna oraz krótszy jest czas wymagany do osiągnięcia wielkości optymalnej w danej temperaturze. Minimalna praktyczna temperatura, w której zachodzi rekrystalizacja, nazywana jest temperaturą rekrystalizacji, lub temperaturą rekrystalizacji pierwotnej. Poniżej tej temperatury rekrystalizacja nie zachodzi. Temperatura rekrystalizacji NIE jest stała i zależy od zgniotu.

Zgniot - im większy zgniot, tym mniejsze ziarno i tym mniejsza temperatura rekrystalizacji. Duży stopień przeróbki plastycznej na zimno jest generalnie korzystny dla rekrystalizacji. Bez zgniotu rekrystalizacja nie zachodzi w ogóle. Przy małym zgniocie bardzo szybko tworzą się niekorzystne duże ziarna. Taki zgniot zwany jest zgniotem krytycznym i zapobiega mu się dość prosto, nieco zwiększając stopień zgniotu. Zależność ta jest nieliniowa - dla wielu stali zgniot 10% jest krytyczny, a zgniot 20% jest całkowicie dopuszczalny.

Oczywiście zbyt duży zgniot może doprowadzić do fizycznego zniszczenia półfabrykatu, stąd przy wytwarzaniu zimnowalcowanych taśm lub zimnociągnionych drutów stosuje się następujące parametry:

Zgniot krytyczny - minimalny zgniot wymagany do rozpoczęcia wyżarzania rekrystalizującego.
Dopuszczalny zgniot częściowy pomiędzy fazami wyżarzania rekrystalizującego.
Możliwy zgniot sumaryczny - czyli możliwy zgniot w całym procesie wytwórczym, który nie wymaga wyżarzania zupełnego.

Przykład - dla drutu stalowego z 0,07%C o zgniocie 85% zakres temperatur rekrystalizacji pierwotnej to 500-550°C, z kolei rekrystalizacja wtórna kończy się w temperaturze ok. 650°C - po wyżarzaniu w tej temperaturze drut uzyskuje własności prawie równe tym, jakie posiadał w stanie niezgniecionym.

Czas wygrzewania - im dłuższy czas wygrzewania, tym większy rozrost ziarna, ale rozrost ograniczony jest przez temperaturę wygrzewania. Ważna informacja jest taka, że ziarno zaczyna rosnąć w ciągu minut, a do maksymalnego rozmiaru (możliwego w danej temperaturze) rozrasta się w ciągu godzin, a dalsze grzanie nie powoduje już rozrostu ziaren, chyba że mówimy o skali wielu dni. Tradycyjnie drobne ziarno osiągano przez kilkugodzinne wygrzewanie w temperaturze nieco powyżej temperatury rekrystalizacji, w piecach kołpakowych. Dla optymalizacji kosztów opracowano metody wygrzewania ciągłego, w temperaturach dużo wyższych, ale też w sporo krótszym czasie. Osiągnięcie pożądanego ziarna taką metodą wymaga dużej precyzji i stanowi wiedzę specjalistyczną.

Drugorzędne czynniki wpływające na temperaturę rekrystalizacji - temperatura rekrystalizacji jest tym niższa, im niższa była temperatura przeróbki plastycznej na zimno oraz im mniejsze było ziarno krystaliczne przed przeróbką na zimno.

Wyżarzanie rekrystalizujące w procesie technologicznym

Wyżarzanie rekrystalizujące w procesie technologicznym może spełniać następujące role:

Wyżarzanie międzyoperacyjne, stosowane w czasie obróbki na zimno, kiedy to obrabiany materiał został do tego stopnia utwardzony, że dalsze ciągnienie grozi zniszczeniem materiału.

Wyżarzanie wstępne, stosowane dla stali o większych zawartościach węgla przed rozpoczęciem procesu ciągnienia połączone z patentowaniem.

Wyżarzanie końcowe, stosowane dla otrzymania drutu, blachy lub innego półfabrykantu o niskiej twardości po ukończonej obróbce plastycznej.

Przykładowe procesy wytwarzania taśm zimnowalcowanych

Wyżarzanie zmiękcza produkt, a zgniot go umacnia. Kolejność tych obróbek może być przemienna, celem osiągnięcia różnej twardości końcowej. Zilustruje to porównanie 3 przebiegów technologicznych walcowania taśm na zimno:

Przebieg procesu walcowania z zaznaczonym wyżarzaniem dla uzyskania taśmy ciemno żarzonej, miękkiej:

Wytrawianie
Pierwszy gniot
Cięcie
Drugi gniot
Oczyszczanie
Wyżarzanie rekrystalizujące
Kontrola i wiązanie drutem

Przebieg procesu walcowania z zaznaczonym wyżarzaniem dla uzyskania taśmy średnio miękkiej, 2 razy czyszczonej, po ostatnim wyżarzeniu lekko przewalcowanej:

Wytrawianie
Pierwszy gniot
Drugi gniot, oprócz ostatniego przepustu
I Oczyszczanie
II Oczyszczanie
Wyżarzanie rekrystalizujące
Cięcie
Ostatni przepust walcowania
Kontrola i wiązanie drutem

Przebieg procesu walcowania z zaznaczonym wyżarzaniem dla uzyskania taśmy twardej:

Wytrawianie
Pierwszy gniot
Cięcie
Wyżarzanie rekrystalizujące
Drugi gniot
Kontrola i wiązanie drutem

Piece do wyżarzania rekrystalizującego wyrobów walcowanych

Wyróżnia się wyżarzanie w piecach kołpakowych i wyżarzanie ciągłe.

Wyżarzanie w piecach kołpakowych jest metodą tradycyjną i wciąż szeroko stosowaną. Kilka gęsto zwiniętych kręgów blach drutów czy taśm układa się w piecu jeden na drugim z osią kręgu w położeniu pionowym. Piec jest z atmosferą ochronną o jej wymuszonym obiegu, co ułatwia przekazanie ciepła między pokrywą pieca i wsadem. Obecnie powszechnie stosowaną atmosferą ochronną jest wodór, kiedyś stosowano 95% azotu i 5% wodoru. Taśma wyżarzona w wodorze ma czystszą powierzchnię i bardziej jednorodne własności mechaniczne. Stal nagrzewana jest do temperatury nieco większej od temperatury rekrystalizacji, wytrzymywana w tej temperaturze przez 1 dzień, a potem chłodzona przez wiele dni razem z piecem. Wyroby stalowe walcowane ocynowane wyżarzone w piecach kołpakowych są opatrzone symbolem TS (np. TS550 to znak stali wyżarzonej w piecu kołpakowym o nominalnej granicy plastyczności 550).

Stale miękkie wyżarza się tą metodą np. w temperaturze 700°C.

Wyżarzanie ciągłe trwa tylko kilka minut i przykładowo składa się z:

Nagrzania taśmy do 800°C
Wygrzania w tej temperaturze przez ok. 2 minuty
Wolnego chłodzenia przez 30 sekund do ok. 700°C
Szybkiego schłodzenia do 400°C
Przestarzenia w temp. 400-350°C przez 6 minut
Wolnego chłodzenia przez 30 sekund do 300°C
Szybkiego schłodzenia do temperatury otoczenia

W wyżarzaniu ciągłym stosuje się strumienie mieszanin wodoru i azotu, gorącą i zimną wodę, mgły wodne, gorące walce itp. Wyroby stalowe walcowane ocynowane wyżarzone sposobem ciągłym są opatrzone symbolem TH.

Parametry wyżarzania ciągłego są silnie uzależnione od gatunki stali. Taśmy z miękkiej stali w celu osiągnięcia najlepszej kształtowalności wyżarza się tą metodą w temperaturze 650-850°C. Nowoczesne procesy wyżarzania ciągłego umożliwiają stosowanie po wyżarzaniu przestarzenia w temp. 350-450°C w celu dalszej poprawy kształtowalności.

Wyżarzanie rekrystalizujące stali odpornych na korozję

Wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się też do stali odpornych na korozję ferrytycznych, ferrytyczno-martenzytycznych i martenzytycznych, na przykład przy produkcji drutów. Stale odporne na korozję austenityczne poddaje się wyżarzaniu przesycającemu. Wszystkie stale nierdzewne chromowe wykazują zgniot krytyczny, po którym wyżarzanie rekrystalizujące powoduje silny rozrost ziarna. Oto kilka przykładowych parametrów przy produkcji drutów ze stali odpornej na korozję:

Stale odporne na korozję ferrytyczne
- Gniot krytyczny: 15%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 27%
- Możliwy gniot sumaryczny: 95%
- Temperatura wyżarzania r: 800°C, chłodzenie szybkie
Stale odporne na korozję ferrytyczno-martenzytyczne
- Gniot krytyczny: 12%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 24%
- Możliwy gniot sumaryczny: 80%
- Temperatura wyżarzania r: 750°C, chłodzenie w wymienniku ciepła
Stale odporne na korozję martenzytyczne
- Gniot krytyczny: 10%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 20%
- Możliwy gniot sumaryczny: 60%
- Temperatura wyżarzania r: 750°C, chłodzenie z piecem

Wyżarzanie rekrystalizujące stali żaroodpornych ferrytycznych

W przeszłości stale żaroodporne poddawano ciągnieniu na ciepło, które umożliwiało ciągnienie z większymi gniotami (do 35%) lecz obniżało żaroodporność. Obecnie w celu wykonania produktów ze stali żaroodpornych stosuje się ciągnienie na zimno i obróbkę cieplną. Wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się do stali żaroodpornych ferrytycznych. Stale żaroodporne austenityczne poddaje się wyżarzaniu przesycającemu. Poniżej kilka przykładowych parametrów wyżarzania rekrystalizującego przy produkcji drutów ze stali żaroodpornej.

Stal żaroodporna H5M
- Gniot krytyczny: 10%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 28%
- Możliwy gniot sumaryczny: 75%
- Temperatura wyżarzania r: 680°C, chłodzenie w wymienniku ciepła
Stal żaroodporna H6S2
- Gniot krytyczny: 15%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 24%
- Możliwy gniot sumaryczny: 50%
- Temperatura wyżarzania r: 800°C, chłodzenie w powietrzu
Stal żaroodporna H13JS, H18JS, H24JS
- Gniot krytyczny: 18%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 22%
- Możliwy gniot sumaryczny: 60%
- Temperatura wyżarzania r: 850°C, chłodzenie w powietrzu
Stal żaroodporna H25T
- Gniot krytyczny: 20%
- Dopuszczalny gniot częściowy: 22%
- Możliwy gniot sumaryczny: 50%
- Temperatura wyżarzania r: 750°C, chłodzenie w powietrzu

Wyżarzanie rekrystalizujące stopów niklu

Wysokotemperaturowe stopy niklu na ogół korzystniej obrabia się na zimno, niż na gorąco, szczególnie blachy i arkusze. Z zasady między operacjami obróbki na zimno lub po takiej obróbce wymagają wyżarzania rekrystalizujacego strukturę ziarna i zmiękczającego strukturę. Literatura rzadko używa w tym miejscu pojęcia „wyżarzanie rekrystalizujące" preferując „wyżarzanie międzyoperacyjne" (intermediate annealing, interstage annealing) lub po prostu „wyżarzanie" (annealing). Może to by spowodowane faktem, że w stopach niklu występuje jedynie struktura austenityczna, nie występuje przemiana alotropowa i nie ma potrzeby wyróżniać wyżarzania rekrystalizującego, jako takiego, które prowadzi do rekrystalizacji, ale nie prowadzi do przemiany alotropowej. Jednak ze względu na zachodzącą rekrystalizację, zależność od zgniotu oraz funkcję w procesie technologicznym, nazwa wyżarzanie rekrystalizujące jest właściwa i w języku polskim pozwala na precyzję.

Temperatury wyżarzania międzyoperacyjnego dla wybranych stopów niklu:

Haynes HR-160®: 1066°C
NIMONIC® 75: 1050°C
NIMONIC® Alloy 90: 1040°C
Inconel® 601: 1000-1100 °C

Obróbka cieplna stopów niklu omówiona jest dokładniej w tym artykule.

Wyżarzanie rekrystalizujące pozostałych metali

Przybliżona bezwzględna temperatura rekrystalizacji pierwotnej zwykle wynosi 0,4-0,6 bezwzględnej temperatury topnienia (zwrot „temperatur bezwzględna" mówi, że do wyliczeń należy używać skali Kelwina) i dla najważniejszych technicznie metali wynosi: