Wyżarzanie zmiękczające / sferoidyzujące

Wyżarzanie zmiękczające (inaczej zmiękczanie, sferoidyzacja, wyżarzanie sferoidyzujące, wyżarzanie na cementyt kulkowy) pozwala uzyskać strukturę o minimalnej twardości możliwą dla danej stali, np. dla stali eutektoidalnej HB osiąga 160 kg/mm2. Wyroby stalowe dostarczane w stanie wyżarzonym zmiękczająco mają w oznaczeniu symbol dodatkowy +A (lub +AT), a wyżarzone sferoidyzująco +AC .
Przemiany strukturalne i cementyt kulkowy
Stale o wyższych zawartościach węgla są na ogół twarde, co utrudnia obróbkę skrawaniem. Za ten fakt odpowiada płytkowa, igłowa lub siatkowa postać cementytu (lub innych węglików), która wzmacnia strukturę. W wyniku wyżarzania sferoidyzującego cementyt przyjmuje postać małych kulistych ziarenek równomiernie rozłożonych na osnowie, co przyszło nazywać cementytem kulkowym lub perlitem ziarnistym. Być może bardziej trafna jest nazwa sferoid, gdyż termin ten usuwa nieścisłości poprzednich sformułowań i wyjaśnia powstawanie struktury. W stalach węglowych tymi kuleczkami są węgliki żelaza (czyli cementyt), a w stalach stopowych inne węgliki złożone. Cementyt kulkowy to najbardziej miękka struktura stali w danym układzie.
Niezbędnym warunkiem otrzymania struktury cementytu kulkowego jest to, aby przy nagrzaniu do stanu austenitycznego zachowała się pewna ilość drobnych, nierozpuszczonych resztek cementytu, które przy chłodzeniu stają się zaczątkami krystalizacji. Jeśli stal przejdzie całkowicie w roztwór stały, to przy chłodzeniu wykrystalizuje się struktura perlityczna.
Cementyt kulkowy jest klasyfikowany na kilka odmian za pomocą fotografii wzorcowych, które w uproszczeniu i na przykładzie stali łożyskowej ŁH15 można przedstawić następująco:
- Cementyt kulkowy bardzo drobny z pozostałością perlitu: HB = 229 kG/mm2
- Cementyt kulkowy drobny: HB = 207-197 kG/mm2
- Cementyt kulkowy średni: HB = 187 kG/mm2
- Cementyt kulkowy gruby: HB = 179 kG/mm2
- Cementyt kulkowy gruby niejednorodny z pozostałością perlitu grubopłytkowego: HB = 179-170 kG/mm2
Postać cementytu w stali wyżarzonej decyduje o jej twardości, a zatem i obrabialności przy obróbce wiórowej i plastycznej. Jest też zasadniczym czynnikiem wpływającym na kinetykę austenizowania podczas hartowania, wielkość ziarna i skład chemiczny. Z kolei skład austenitu warunkuje hartowność stali i wszystkie własności martenzytu - podstawowego składnika łożysk i wielu narzędzi.
Cel wyżarzania zmiękczającego
Zmiękczanie stali stosuje się zasadniczo w hutnictwie, w celu obniżenia twardości przedmiotu przed dalszą obróbką. Przykładem jest zmiękczanie prętów, które następnie mają być przeciągane na zimno. Również większość stali narzędziowych jest dostarczanych w stanie zmiękczonym w celu polepszenia obrabialności przy skrawaniu, jak też zmniejszenia naprężeń i odkształceń hartowniczych.
Wyżarzanie zmiękczające a sferoidyzujące
Te dwa sformułowania często stosowane są zamiennie, jednak może między nimi występować różnica. Otóż jeśli metody zmiękczania, które dla jednego gatunku stali skutkują powstaniem sferoidu, zastosujemy do innych gatunków stali, rezultatem będzie stal znacznie zmiękczona, ale jednak tylko częściowo sferoidyzowana, gdzie obok ziarenek cementytu widoczne są resztki nieskoagulowanego perlitu. Sformułowanie wyżarzanie sferoidyzujące bardziej jednoznacznie wskazuje, że docelową strukturą musi być sferoid.
Zatem każde wyżarzanie sferoidyzujące jest zmiękczaniem, ale nie każde wyżarzanie zmiękczające jest sferoidyzowaniem. Dla większości gatunków stali nie ma to jednak większego znaczenia.
Metody wyżarzania zmiękczającego
Istnieją wielorakie metody wyżarzania zmiękczającego.
Wyżarzanie zmiękczające z wygrzaniem tuż poniżej AC1p polega na długotrwałym wyżarzaniu w temperaturze tuż poniżej przemiany AC1 chłodząc następnie z dowolną szybkością, gdyż bez przekroczenia granicy AC1p (temperatury początku przemiany austenitycznej) szybkość chłodzenia nie ma wpływu na strukturę i tylko znikomy na twardość. Metoda uznawana za nieekonomiczną z powodu długiego czasu wygrzewania. Nie zmniejsza też siatki węglików.
Wyżarzanie zmiękczające z wygrzaniem w temperaturze przemiany AC1 polega na nieco krótszym wygrzaniu stali w zakresie pomiędzy AC1p a AC1k. Studzenie do temperatury 600°C musi być bardzo powolne, potem chłodzić można z dowolną szybkością. Metoda na ogół bardziej korzystna niż poprzednia, bo jest prosta, nieco szybsza i zabezpiecza przed przegrzaniem warstw powierzchniowych materiału.
Wyżarzanie zmiękczające z wygrzaniem tuż powyżej AC1k polega na krótkim wygrzewaniu stali powyżej temperatury AC1k, (im wyższa zawartość węgla, tym wyższa temperatura), powolnym ochłodzeniu do temperatury nieco poniżej Ar1 z następującym potem dowolnym chłodzeniem. To najczęściej stosowana, dobrze skalowalna metoda.
Wyżarzanie zmiękczające z przemianą izotermiczną polega na krótkim wygrzewaniu stali powyżej temperatury AC1k i przeniesieniu wsadu do temperatury przemiany izotermicznej, gdzie stal ma być przetrzymana do czasu zakończenia przemiany izotermicznej. Studzenie do temperatury 600°C musi być powolne, potem chłodzić można z dowolną szybkością. To najkrótszy proces wyżarzania zmiękczającego, a hartowanie z tak uzyskanej struktury daje największą twardość. Wadą metody jest konieczność posiadania specjalnego sprzętu.
Wyżarzanie zmiękczające wahadłowe polega na zmiennym wygrzewaniu w temperaturach ok. 20°C powyżej AC1 i nieco poniżej Ar1 z następnym bardzo powolnych chłodzeniem do temperatury 600°C, po czym można stal schłodzić z dowolną szybkością. To najłatwiejszy sposób uzyskania pełnej sferoidyzacji stali podeutektoidalnej. Wadą metody jest niezmniejszenie siatki węglików, długie czasy wyżarzania i tym samym odwęglenie oraz trudność w dotrzymaniu wyznaczonego zakresu temperatur dla większych wsadów. Bywa stosowana celem naprawienia wadliwej struktury spowodowanej zbyt wysoką temperaturą wyżarzania.
Wyżarzanie sferoidyzujące stali narzędziowych węglowych i konstrukcyjnych
Ogólnie mówiąc, wyroby ze stali narzędziowej dostarcza się w stanie zmiękczonym. Półfabrykaty narzędzi ze stali szybkotnących po kuciu, zgrzewaniu, odlewaniu lub przy obróbce narzędzi zużytych wymagają wyżarzania sferoidyzującego w celu zmiękczenia przed dalszą obróbką mechaniczną lub usunięcia naprężeń przed hartowaniem. Wyżarzania zmiękczającego wymagają również takie narzędzia, które były już kiedyś hartowane, przed hartowaniem powtórnym. W takim przypadku zapobiega to tworzeniu się marmurkowego przełomu po hartowaniu.
Wyżarzanie zmiękczające stali ledeburytycznej wykonuje się wyłącznie metodą z wygrzewaniem tuż powyżej AC1.
Wyżarzanie zmiękczające stali zbliżonej do eutektoidalnej i nadeutektoidalnej (np. N11E) wykonuje się metodami z wygrzaniem tuż powyżej AC1 (często) lub metodą z przemianą izotermiczną (w praktyce rzadko).
Wyżarzanie zmiękczające stali podeutektoidalnej (np. N6) wykonuje się metodami z wygrzewaniem tuż poniżej AC1 lub w obrębie przemiany AC1. Te metody nie dają jednak pełnego sferoidu, a mieszaną strukturę sferoidu i perlitu, co dla niektórych stali narzędziowych jest zalecane. Odpowiednio do udziału perlitu twardość stali wzrasta. Pełną sferoidyzację uzyskuje się najłatwiej metodą wahadłowego wyżarzania, jednak w praktyce jest to rzadkie.
Wyżarzanie sferoidyzujące stali narzędziowych stopowych i szybkotnących
Wyżarzanie zmiękczające stali narzędziowych stopowych i szybkotnących na ogół przebiega podobnie jak stali narzędziowych węglowych. Poniżej przykłady.
Dla stali szybkotnących stosuje się wyżarzanie zmiękczające z wygrzaniem tuż powyżej AC1, czyli ok. 800-840°C dla stali wolframowych i kobaltowych, a 780-790°C dla stali o niższej zawartości wolframu. Stosuje się również wyżarzanie sferoidyzujące z przemianą izotermiczną, co polega na nagrzaniu jej do temperatury wyżarzania 800-840°C, wyrównaniu temperatury i schłodzeniu do temperatury przemiany izotermicznej, właściwej dla danego gatunku, zwykle w zakresie 700-740°C. W tej temperaturze wyrób stalowy przetrzymuje się aż do przemiany austenitu w ferryt i węgliki. Czas przetrzymania oraz optymalna temperatura wynika z krzywych CTP (czas-temperatura-przemiana) dla danego gatunku.
Wyżarzanie stali szybkotnącej na zbyt niską twardość poniżej HB 240 kG/mm2 nie jest korzystne, gdyż przy obrabianiu powoduje małą gładkość powierzchni obrabianej. Z tego powodu przy obróbce wykańczającej czasami utwardza się narzędzia do HB 350-390 kG/mm2 przez nagrzanie do temperatury 880°C na 15 minut i schłodzenie w oleju. Tak przygotowane narzędzie może być wykończone i następnie zahartowane bez konieczności dalszego szlifowania.
Wyżarzanie zmiękczające stali łożyskowych
Optymalna mikrostruktura po zmiękczaniu dla stali łożyskowych to cementyt kulkowy drobny. Dopuszczalny jest również cementyt kulkowy średni i gruby. Cementyt w połączeniu z pozostałością perlitu jest wedle niektórych norm dopuszczalny w niewielkim zakresie, a wedle innych - zupełnie niedopuszczalny, a to ze względu na pogorszenie gładkości powierzchni.
Wyżarzanie sferoidyzujące stali łożyskowych wykonuje się najczęściej metodą z wygrzaniem tuż powyżej AC1k potem metodą z przemianą izotermiczną. Ta druga metoda jest bardziej kosztowna i wymaga specjalnych pieców o działaniu ciągłym, lecz zaletą tej metody jest uzyskanie bardzo równomiernej i wysoko dyspersyjnej struktury o twardości zbliżonej do górnej granicy wymaganego zakresu. Części łożysk po hartowaniu z takiej struktury wyjściowej cechują się wyższą twardością i odpornością na odpuszczanie.
Bibliografia
Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, 1986
Kornel Wesołowski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Państwowe wydawnictwa szkolnictwa zawodowego
Paweł Kosieradzki, Obróbka cieplna metali, Państwowe wydawnictwa techniczne
Edward Żmihorski, Stal szybkotnąca, Państwowe wydawnictwa techniczne
Mikołaj Scelina, Atlas metalograficzny struktur, Wydawnictwa naukowo-techniczne
Wacław Luty, Stale łożyskowe, Wydawnictwa naukowo-techniczne
Autor wpisu
Właściciel firmy w VIRGAMET.
Zadzwoń lub napisz wiadomość, a nasz przedstawiciel skontaktuje się z Tobą w ciągu 24 godzin!
Napisz
Zadzwoń
