Hání oceli: druhy a vlastnosti, technologické vlastnosti a žíhací křehkost, tepelné zpracování slitin.

Žíhání oceli je nutné pro změnu vlastností slitin. Nejprve se produkt zahřeje nad kritickou teplotu a poté se pomalu ochladí. Tato operace tepelného zpracování umožňuje získat homogenní strukturu, uvolnit vnitřní pnutí v kovu a snížit tvrdost.

Teplota ohřevu závisí na chemickém složení oceli a účelu žíhání. Doba ohřevu a chlazení závisí na velikosti produktu a podle toho na hmotnosti. Pro přesnost operace se používají referenční materiály a výpočetní metody. Přečtěte si více o typech žíhání oceli a technologických prvcích v našem materiálu.

Žíhání ocelí prvního typu

Různé typy žíhání prvního řádu umožňují homogenizaci a rekrystalizaci, eliminují zbytková pnutí a snižují stupeň tvrdosti oceli. Podmínky pro konkrétní proces jsou nastaveny v souladu s výchozím stavem kovu za použití určité teploty. Zahřívání je možné v rámci nebo nad parametry vedoucími k fázovým přeměnám.

Účelem žíhání oceli je dodat materiálu vnitřní homogenitu, zlepšit velikost zrna, poskytnout rovnoměrnější krystalovou mřížku a zmírnit zbytkové napětí. Posledně jmenovaný znak se objeví po deformaci kovu během zpracování.

Účelem žíhání oceli je dosáhnout následujících výsledků:

• předání slitině vlastností nezbytných pro další tepelné vystavení;
• dodává kovu vlastnosti požadované pro vysoce kvalitní řezání a tlakové zpracování;
• odlehčení svařovaných výrobků a odlitků od vnitřního pnutí, zamezení ztráty původního tvaru;
• obnovení kvality slitiny po chybách při kalení.

Při žíhání oceli se horký obrobek ochlazuje bez použití speciálních médií a požadovaný stupeň zvýšení teploty se stanoví v souladu se složením kovu a zamýšleným efektem.

Homogenizační (difúzní) žíhání

Tento režim žíhání byl vytvořen pro legované oceli a je navržen pro snížení dendritické nebo intrakrystalické heterogenity. Z tohoto důvodu se během tlakového ošetření objeví následující:

• křehkost až zlomenina;
• nerovnoměrné charakteristiky v různých směrech;
• lomové vrstvení;
• sklon k praskání;
• nedostatečná plasticita, viskozita.

Difúzní žíhání oceli probíhá v několika fázích:

• přivedení kovu na +1 200 °C, díky čemuž se vlastnosti struktury slitiny vyrovnají ve všech směrech;
• expozice po dobu 15–20 hodin;
• rychlé snížení ohřevu na +800. +820 °C a následné postupné přirozené ochlazování materiálu.

Homogenizace umožňuje vznik velkých zrn – jejich velikosti se pak vlivem teploty a tlaku zmenšují.

Rekrystalizační žíhání oceli

Tento způsob zpracování je vhodný pro kovy, které se deformují tlakem bez zvýšení teploty. Tento typ žíhání ocelí často slouží jako konečný nebo mezistupeň mezi stupni deformace za studena. Za hlavní procesy se zde považuje samotná regenerace a rekrystalizace.

První se týká jakýchkoli změn jemné struktury, při kterých není pozorována žádná změna mikrostruktury slitiny, jinými slovy jsou zachovány rozměry a tvar zrn. Veškeré deformace krystalové mřížky jsou obnoveny ohřevem v rozsahu +300. +400 °C.

Rekrystalizace je tvorba a zvětšování zrn, která mají méně defektů v krystalové struktuře. Ve většině případů jsou výsledné krystaly rovnoosé. U uhlíkových ocelí je rozdíl mezi prahem rekrystalizace a tavení na úrovni +670. +700 °C a počítá se jako TR ≈ (0,3-0,4) TPL.

Žíhání pro úlevu od stresu

Tento přístup se používá k odstranění zbytkových napětí přítomných v odlitcích, svařovaných, řezaných výrobcích po nerovnoměrném ochlazení nebo vystavení plastům. Taková napětí jsou plná změn velikosti a deformace hotových kovových předmětů během skladování, přepravy a zamýšleného použití.

Zmírnění napětí žíháním oceli zahrnuje použití následující teploty:

• +570…+600 °C pro vodicí šrouby, ozubená kola, šneky s expozicí 2–3 hodiny po obrobení, poté +160…+180 °C a expozicí 2–2,5 hodiny od okamžiku dokončení dokončovacích činností zaměřených na odlehčení stres po broušení.
• +650…+700 °C k odlehčení kovu od pnutí způsobených svařováním.

Zbytková pnutí lze snížit rekrystalizačním žíháním, při kterém dochází k výše popsaným fázovým přeměnám.

Kompletní žíhání hypoeutektoidní oceli

Úplné žíhání oceli zahrnuje zahřátí nad kritický bod A3 nebo konec rekrystalizace, pak je vyžadováno udržení během všech fázových přeměn a pomalé chlazení.

Překročení teploty A30 o 50–3 °C vede k vytvoření jednofázové austenitické struktury s rafinovanými zrny v oceli, poskytující zvýšenou houževnatost a tažnost slitiny. Výraznější ohřev způsobuje zvětšení velikosti austenitového zrna, proto jsou vlastnosti obrobku horší.

Teplota a doba expozice závisí na typu produktů, způsobu jejich umístění v peci a výšce vsázky. Aby se zabránilo oxidaci a vyhoření uhlíku v ocelové konstrukci po úplném žíhání, probíhají práce v podmínkách ochranné atmosféry.

Doba chlazení se nastavuje v souladu s chemickým složením kovu: čím větší je stabilita podchlazeného perlitu, tím déle se ochlazuje. Z tohoto důvodu se po žíhání sníží teplota uhlíkových ocelí o 100–150 °C za hodinu a legovaných ocelí pouze o 40–60 °C za stejnou dobu.

Proces ochlazování se urychluje, když je dokončen rozklad austenitu ve feritické oblasti. Za tímto účelem může být kov udržován v přirozených podmínkách. Pokud je žíhání zaměřeno na odstranění pnutí u tvarově složitých výrobků, pak se jejich postupné ochlazování v peci stává předpokladem.

Úplné žíhání se používá ke zpracování dlouhých výrobků, tvarových odlitků a výkovků vyrobených z ocelí se středním obsahem uhlíku.

Izotermické žíhání

Tento přístup zahrnuje ohřev jako při plném žíhání, pouze s tím rozdílem, že je pak nutné rychlé ochlazení na teplotu v rozsahu pod kritickým bodem A1. Nejčastěji mluvíme o +660…+680 °C. Dále se provádí izotermická expozice po dobu maximálně šesti hodin za dosažených podmínek, aby se zajistil rozklad austenitické struktury. Poté se obrobky nechají vychladnout v přirozených podmínkách.

Izotermický přístup je příznivý ve srovnání s úplným žíháním oceli s kratší dobou expozice, což je důležité při práci s legovanými slitinami. Poskytuje také extrémně jednotnou strukturu v celém objemu produktu. Pokud je kov plánován na řezání, je žíhán při +930. +950 °C, aby se zjednodušilo další zpracování a zajistilo se mírné zvýšení velikosti zrna.

Izotermické žíhání se běžně používá pro výkovky z legované oceli a kompaktní dlouhé výrobky. Metoda není vhodná pro velké klece o hmotnosti nad 20 tun, protože podmínky, za kterých dochází k přeměnám, jsou v jednotlivých oblastech různé.

Pro pružinovou ocel se středním obsahem uhlíku (0,6–0,9 %) existuje specializovaná izotermická úprava (nebo patent). Touto metodou je drát připraven k vícestupňové redukci tažením za studena.

Nejprve se kov přivede na teplotu +900 °C, čímž je zajištěna úplná austenitizace konstrukce. Poté se obrobek ponoří do soli při +450…+600 °C.

V důsledku takového žíhání oceli se vytvářejí struktury sorbitolu nebo tenkého plechu troostitu, což umožňuje:

• výrazná komprese při kreslení;
• ochrana proti zlomení kovu během deformace bez zvýšení teploty;
• vysoká pevnost výrobku po dokončení tažení.

Neúplné žíhání hypereutektoidních ocelí

Během procesu částečného žíhání se ocel zahřeje mírně nad kritickou teplotu A1. Tím je dosaženo lepšího řezného zpracování legovaných a uhlíkových ocelí klasifikovaných jako hypereutektoidní, to znamená s uhlíkovou frakcí nad 0,8 %.

Žíhání hypereutektoidních ocelí vyžaduje následující kroky:

• Uvedení kovu na +750…+770 °C nebo teplotu přesahující bod A1 o 10–30 °C. V důsledku toho dochází k téměř úplné rekrystalizaci struktury, lamelární ferit získává sféroidní tvar, proto se postup obvykle označuje jako sféroidizace.
• Chlazení na +600°C se snížením úrovně ohřevu o 60°C za hodinu. Platí zde jedno pravidlo: čím více legujících složek ve složení, tím pomaleji ocel chladne.
• Uvedení obrobků na normální teplotu za přirozených podmínek.

Normalizační žíhání

Normalizační metoda kombinuje vlastnosti kalení a žíhání. S jeho pomocí je zajištěna menší křehkost než při kalení a zvýšená tvrdost, nedosažitelná jinými způsoby žíhání oceli. Díky tomu je normalizace běžnou metodou pro zpracování dílů ve strojírenství.

Často po válcování přecházejí k normalizaci. V tomto případě se kov zahřívá:

• do teplot nad A3 o 40–50 °C, mluvíme-li o podeutektoidních ocelích;
• 40–50 °C nad Am, pokud se použijí hypereutektoidní druhy kovů.

Dále jsou fázové přeměny dokončeny krátkodobou expozicí, po které přecházejí k ochlazení na vzduchu.

Během normalizace dochází k úplné rekrystalizaci a zjemnění struktury vzniklé při lití, kování, válcování a lisování. Při práci s nízkouhlíkovou ocelí je tato metoda upřednostňována před žíháním, aby se zvýšila tvrdost kovu, kvalita povrchu a zvýšila se produktivita řezání.

U řady legovaných jakostí plní funkci kalení normalizace s chlazením na vzduchu. Při tomto způsobu zpracování se tyče válcované za tepla ohřívají vysokofrekvenčními proudy.

Žíhání na zrnitý perlit

Důležitou vlastností hypereutektoidních nástrojových ocelí s vysokým obsahem uhlíku a lamelární perlitovou strukturou je obtížné řezání. Z tohoto důvodu jsou stejně jako oceli s přídavkem legujících látek žíhány do zrnitého perlitu.

Zde je vyžadován režim žíhání oceli, který je téměř neúplný. Kov se přivede na teplotu mírně nad ACl a ochladí se na +700 °C a poté na +550. +600 °C, načež se obrobky nechají vychladnout na vzduchu.

Není možné dosáhnout požadovaných vlastností oceli po žíhání a vytvoření zrnitého perlitu bez přísného dodržování teplotního režimu: pokud se stupeň ohřevu snižuje příliš pomalu, zrna se ukáží jako velká, mohou se vyskytovat jednotlivé perlitové desky, zatímco rychle chlazení nastavuje strukturu jemnozrnného nebo tečkovaného perlitu.

Pro vytvoření zrnitého perlitu se doporučuje cyklické nebo kyvadlové žíhání, při kterém se ocel přivede na +760. +780 °C a po krátkém působení se ochladí v peci na +680. +700 °C. Popsaná sekvence se několikrát opakuje.

Vady a vady při žíhání a normalizaci

Po žíhání oceli a její normalizaci se mohou objevit vady, které lze nebo nelze opravit. Nejčastěji se setkáváte s následujícími problémy:

Oxidace

Ocel interaguje s pecními plyny, když je v ohnivých nebo elektrických pecích, díky čemuž oxiduje a na obrobcích se objevují okují. Zvýšení teploty a doby zdržení vede k prudkému zvýšení stupně oxidace. Výsledkem je, že kov hoří, mění se geometrie výrobků, slitina získává nerovný povrch pod okujemi a je obtížné ji řezat. Vodního kamene se můžete zbavit leptáním v kyselině sírové nebo pomocí tryskacích strojů.

Dekarbonizace

Jedná se o vypalování uhlíku z povrchu kovu při jeho oxidaci, což negativně ovlivňuje pevnost konstrukční oceli. Výrobky s dekarbonizovaným povrchem podléhají praskání a deformaci při kalení. Tato vada se nejzřetelněji projevuje při žíhání oceli v elektrických pecích.

Těmto změnám vlastností kovu během žíhání, normalizace a kalení je možné se vyhnout použitím neoxidační nebo řízené atmosféry. To znamená, že do pracovního prostoru pece jsou přiváděny ochranné plyny. Řízené atmosféry se dělí podle chemického složení na neutrální, redukční a nauhličující.

Endotermické je považováno za univerzální a účinné plynné médium, protože je vhodné pro většinu tepelných a chemicko-tepelných provozů. Vzniká zpracováním zemního plynu v endotermických generátorech, nastavením 20 % CO, 40 % H2, 40 % N2. Důležité je, aby se složení dalo upravit podle rosného bodu.

Přehřátí

Při velmi vysokých teplotách normalizace a žíhání se ocel přehřívá, totéž je pozorováno při nadměrné expozici. V důsledku toho se kovová zrna zvětšují, což negativně ovlivňuje pevnost, houževnatost a vede ke vzniku tvrdnoucích trhlin. Tento problém lze překonat správným opětovným žíháním nebo normalizací.

Vyhořet

Zahřívání na vysokou teplotu je doprovázeno tavením obrobků a silnou oxidací ocelových zrn. K tomu dochází, protože kyslík z atmosféry pece proniká do horké slitiny. Ocel ztrácí tažnost a pevnost a pro svou vysokou křehkost se jakýmkoliv nárazem ničí. Tuto vadu nelze napravit tepelným zpracováním, jediným řešením je přetavení kovu.

Někdy pro nastavení určitých technologických charakteristik oceli stačí neúplné žíhání. Lze použít složité režimy, které vyžadují spoustu času, jsou vybrány v souladu s vlastnostmi kovu. Kompletní žíhání oceli může trvat i den, pokud mluvíme o velkých obrobcích, a drtivou většinu času stráví ohřevem a pomalým chlazením podle všech norem.

doporučené články

• Slitina železa a mědi: rozsah
• Uhlík v kovu a jeho vliv na vlastnosti materiálu
• Legované konstrukční oceli: vlastnosti a použití

Podrobné informace o žíhání oceli jsou obsaženy v odborné literatuře. U některých operací je nutné dodržovat časové a teplotní podmínky s přesností na minuty a stupně. Kvalitní zpracování bude možné provádět pouze v muflové peci, jinak bude obtížné přesně provádět jednotlivé fáze, přičemž vaše akce budou založeny pouze na barvě horké slitiny.

Vlastnosti a kvality kovu závisí především na jeho struktuře, aby se změnilo, jaké tepelné zpracování se používá. Ponořením se do základů technologie kovů se můžete dozvědět o jemnostech, hlavních metodách tepelného zpracování oceli a dalších materiálů a účelech jejich použití. Předmětem této vědy jsou techniky a metody tvorby a zpracování kovových materiálů.

Vedoucí obchodního oddělení

Žíhání je tepelné zpracování oceli, aby se získala rovnovážná struktura. V kovoobrábění se používá několik typů žíhání, založených na ohřevu materiálu, ale konkrétní způsob, stejně jako volba teploty, závisí na jakosti oceli. Postup lze použít jako přípravnou nebo konečnou operaci při kalení, svařování, řezání nebo lisování výrobků.

Co je žíhání kovů a podstata metody

Během mechanického nebo tepelného zpracování oceli se její vnitřní struktura dostává do nerovnováhy v důsledku kombinace různých fázových složek v ní. Podle toho se mění chemické složení a krystalová struktura kovu, což vede i ke změně fyzikálních vlastností: tvrdosti, pevnosti, tažnosti a vnitřního napětí. Jednoduše řečeno, takový produkt není stabilní a často má vlastnosti, které nesplňují provozní požadavky. Zpracováním se jeho mikrostruktura vrátí do původního stavu, odstraní se vnitřní pnutí, materiál se stane plastičtějším a měkčím.

Tato technologie je jednou z metod tepelného zpracování a ve zjednodušené podobě se provádí podle následujícího schématu:

1. Obrobek se zahřeje na teplotu nad bodem austenitu.
2. Díl je udržován po určitou dobu v daném tepelném režimu.
3. V konečné fázi se ocel pomalu ochladí na pokojovou teplotu.

Výsledkem žíhání je uspořádání krystalické struktury oceli. Mění se tvar a velikost strukturních zrn, eliminuje se heterogenita chemického složení slitiny, eliminuje se vnitřní mechanická pnutí zajišťující fyzikální stabilitu součásti.

Tato technologie tepelného zpracování umožňuje:

• uvést vlastnosti kovu do souladu s požadavky dalšího zpracování kovů;
• zlepšit vlastnosti obrobku před obráběním;
• zabránit deformaci a odstranit vnitřní pnutí výrobků získaných odléváním nebo svařováním;
• obnovit původní kvalitu kovu po neúspěšném vytvrzení.

Primární tepelné zpracování žíháním je zaměřeno na odstranění vad, které vznikají na obrobku při procesu plechování, kování nebo protahování. Tento způsob obrábění kovů je také použitelný pro přípravu materiálu pro další kalení nebo obrábění na strojích. Konkrétní režim tepelného zpracování (teplota ohřevu, doba výdrže a rychlost chlazení) se volí na základě úkolu technologického procesu.

Oblasti použití a výhody technologie

Operace je zaměřena na zlepšení technologických vlastností obrobku nebo hotového výrobku. Použití této technologie v kovoobrábění poskytuje řadu výhod:

• Umožňuje snížit tvrdost obrobku. Díky tomu se snižuje čas a pracnost potřebná pro mechanické zpracování produktu. Zároveň se snižuje počet operací nutných pro finální přípravu dílu a výrazně se rozšiřuje seznam nástrojů používaných při obrábění kovů.
• Zlepšuje mikrostrukturu kovu. Vysokoteplotní expozice, trvající po určitou dobu, zlepšuje strukturu materiálu na mikroúrovni, dodává jednotnost, což má pozitivní vliv na náchylnost dílu k dalšímu obrábění.
• Uvolňuje vnitřní stres. V důsledku toho je eliminována heterogenita krystalické struktury oceli, díky čemuž se její fyzikální vlastnosti stávají předvídatelnými.
• Díky správné volbě teploty, doby výdrže a chlazení je zajištěno dosažení potřebných fyzikálních vlastností kovu v souladu s technickými požadavky.

Klíčovým faktorem je nejen čas a teplota, ale také správná volba metody. Záleží na typu slitiny, účelu výrobku a požadovaných vlastnostech.

Typy žíhání

Existuje několik metod, které se obvykle dělí na dva podtypy: první a druhý druh. Při žíhání 1. typu se neprovádí fázová rekrystalizace kovu, ale zároveň získává všechny potřebné kvality a odpadají i následky jeho mechanického zpracování. Žíhání 1. druhu zahrnuje následující způsoby ovlivnění:

• Homogenizace (difúze). Homogenizace se aplikuje na jakosti legované oceli a umožňuje snížit intragranulární heterogenitu. Provádí se zahřátím kovu na vysoké (až 1200 stupňů) teploty, výdrží 12–20 hodin, rychlým ochlazením na 800–820 stupňů a následným přirozeným ochlazením na vzduchu. V důsledku tepelného zpracování ocel získává hrubozrnnou strukturu, která je dále drcena mechanicky nebo jinými druhy tepelných účinků.
• Rekrystalizace. Tato metoda se používá pro zpracování ocelových polotovarů po procesu tváření za studena nebo mezi těmito procesy. V závislosti na obsahu uhlíku ve slitině je teplota ohřevu 680–700 stupňů (0,08–0,2 % uhlíku) nebo 680–750 stupňů (u slitin s vysokým obsahem uhlíku) a doba výdrže je 0,5–1,5 hodiny.
• Ke zmírnění vnitřního stresu. Výrobky získané odléváním, svařováním a plastickou deformací se zpracovávají podobným způsobem. Pro zmírnění pnutí při svařování se tepelné zpracování provádí při teplotách 650–700 stupňů.

Hlavním účelem žíhání typu 1 je snížení pevnosti a zvýšení elasticity, což usnadňuje další zpracování obrobku a zvyšuje spolehlivost a životnost výrobku.

Žíhání 2. typu je doprovázeno fázovou rekrystalizací oceli a zahrnuje následující metody:

• Úplné žíhání. Při této metodě se obrobek zahřeje o 30–50 stupňů nad kritickou teplotu, udržuje se a poté se pomalu ochladí. Výsledkem je, že ocel získává jednofázovou strukturu s jemnějšími zrny a získává zvýšenou houževnatost a tažnost. Aby byl kov chráněn před oxidací a oduhličením, provoz se provádí v ochranném prostředí. Rychlost ochlazování závisí na chemickém složení slitiny a je 100–150 stupňů za hodinu pro uhlíkové oceli nebo 40–60 stupňů za hodinu pro slitinové kovy. Tento způsob zpracování se obvykle používá u výrobků z dlouhých výrobků, tvarových odlitků a výkovků na bázi středně uhlíkatých ocelí.
• Neúplné žíhání. Tato metoda zahrnuje zahřátí oceli na 750–770 stupňů, ochlazení na 600 stupňů po dobu 2–2,5 hodiny a následné ochlazení na vzduchu. Metoda se aplikuje na podeutektoidní slitiny s obsahem uhlíku vyšším než 0,8 %, legované a uhlíkové oceli a poskytuje zlepšené zpracování kovů řezáním.
• Normalizace. Technicky jde o proces mezi žíháním a kalením, díky čemuž je kov méně křehký, ale tvrdší. Metoda normalizace tepelné expozice je široce používána ve strojírenství a často se provádí pomocí válcování. Profily válcované za tepla se obvykle žíhají vysokofrekvenčními proudy.
• Izotermické žíhání. Postup má mnoho společného s úplným žíháním, ale vyznačuje se zrychleným ochlazením obrobku na teplotu nižší, než je teplota potřebná k udržení rekrystalizace. To je výhoda metody – umožňuje zkrátit dobu tepelného zpracování oceli. Tento typ tepelného zpracování je použitelný pro výkovky a malorozměrové válcované výrobky z legovaných ocelí a používá se k přípravě drátu pro tažení za studena.

Při žíhání 2. typu ocelových obrobků se získá rovnovážná struktura, která zcela nebo částečně nahradí původní.

Vlastnosti žíhání neželezných kovů a slitin

Žíhání je jednou z nejběžnějších metod tepelného zpracování neželezných kovů a jejich slitin a používá se mnohem častěji než popouštění a kalení (nejsou obecně použitelné pro některé typy slitin). Rovněž chemicko-tepelné zpracování se pro neželezné kovy pro nedostatek praktického významu nepoužívá.

V metalurgii neželezných kovů a kovoobrábění má největší význam žíhání prvního druhu z několika důvodů:

• u velké skupiny neželezných slitin vede žíhání typu 2 k nekontrolované změně vlastností, což činí tento typ tepelného zpracování nepraktickým;
• v jednofázových mosazích, bronzech a elektrických slitinách niklu nedochází k žádným fázovým přeměnám v pevném stavu, což činí metodu typu 2 zásadně nepoužitelnou.

Nejpoužívanější typy tepelného zpracování žíháním pro neželezné kovy jsou:

• Difúze (homogenizace). Umožňuje vyrovnat chemickou mikroheterogenitu zrn a provádí se zahřátím obrobku na 450–520 stupňů, držením po dobu 4–40 hodin a ochlazením v peci nebo otevřenou metodou.
• Rekrystalizace. Zde je její uplatnění ještě širší než ve vztahu k ocelím. Zpracování se provádí při teplotě 300–500 stupňů s dobou výdrže 0,5–2 hodiny a pomalým chlazením.

Žíhání neželezných kovů a jejich slitin se používá v kovoobrábění za účelem úplného odstranění kalení, ke kterému dochází při procesu kalení a stárnutí materiálu.