Hání ocelí

Podle knižní definice je žíhání ohřev oceli na teplotu nad kritickou teplotou, její udržování na této teplotě a pomalé ochlazování společně s pecí. Ve skutečnosti se jedná o obecnou definici, která se nevztahuje na všechny typy žíhání. Režimy žíhání závisí především na konečných požadavcích na ocel nebo výrobek, především na požadavcích na mechanické nebo technologické vlastnosti kovu.

Obsah

• Žíhání prvního druhu (I. druh)
• Homogenizační žíhání
• Rekrystalizační žíhání
• Žíhání pro úlevu od stresu
• Vysoké žíhání
• Žíhání druhého druhu (II druh)
• Úplné žíhání
• Částečné žíhání
• Žíhání na granulovaném perlitu (kyvadlové žíhání)
• Izotermické žíhání
• Patentování
• Normalizační žíhání (normalizace oceli)

Žíhání prvního druhu (I. druh)

Žíhání 1. druhu je tepelná operace spočívající v ohřevu kovu v nestabilním stavu získaném předchozími úpravami za účelem uvedení kovu do stabilnějšího stavu. Tento typ žíhání může zahrnovat procesy homogenizace, rekrystalizace, snižování tvrdosti a odstraňování zbytkových pnutí. Zvláštností tohoto typu žíhání je, že uvedené procesy probíhají bez ohledu na to, zda během tepelného zpracování dochází k fázovým přeměnám či nikoli. Rozlišuje se mezi homogenizačním (difuzním), rekrystalizačním žíháním a žíháním, které snižuje pnutí a tvrdost.

Homogenizační žíhání

Homogenizační žíhání je tepelné zpracování, při kterém je hlavním procesem eliminace účinků dendritické a intrakrystalické likvace v ocelových ingotech. Likvace zvyšuje sklon oceli zpracovávané tlakem ke křehkosti, anizotropii vlastností a vadám, jako je břidlice (vrstvený lom) a odlupování. Eliminace likvace se dosahuje difuzními procesy. Pro zajištění vysoké rychlosti difuze se ocel zahřívá na vysoké teploty (1000-1200 °C) v austenitické oblasti. Při těchto teplotách se provádí dlouhá (10-20 hodin) výdrž a pomalé ochlazování pecí. Difuzní procesy jsou nejaktivnější na začátku výdrže. Aby se proto zabránilo velkému množství okujů, obvykle se provádí ochlazování pecí na teplotu 800 – 820 °C a poté na vzduchu. Během homogenizačního žíhání dochází k růstu velkého austenitického zrna. Tento nežádoucí jev lze eliminovat následným tlakovým zpracováním nebo tepelným zpracováním s úplnou rekrystalizací slitiny. Vyrovnání složení oceli během homogenizačního žíhání má pozitivní vliv na mechanické vlastnosti, zejména plasticitu.

Rekrystalizační žíhání oceli

Rekrystalizační žíhání, používané pro oceli po tváření za studena tlakem, je tepelné zpracování deformovaného kovu nebo slitiny. Může být použito jako konečná nebo mezioperace mezi operacemi deformace za studena. Hlavními procesy tohoto typu žíhání jsou zotavení a rekrystalizace. Zotavením se rozumí všechny změny v jemné struktuře, které nejsou doprovázeny změnami v mikrostruktuře deformovaného kovu (velikost a tvar zrn se nemění). K zotavení ocelí dochází při relativně nízkých teplotách (300–400 °C). Tento proces vede k obnovení deformací v krystalové mřížce.

Rekrystalizace je nukleace a růst nových zrn s menším počtem defektů v krystalové struktuře. V důsledku rekrystalizace vznikají zcela nové, nejčastěji rovnoosé krystaly. Mezi prahem rekrystalizační teploty a teplotou tání existuje jednoduchý vztah: ТР ≈ (0,3–0,4)Т_Sub., což je pro uhlíkové oceli 670–700 °C.

Žíhání pro úlevu od stresu

Žíhání pro odstranění pnutí je tepelné zpracování, při kterém je hlavním procesem úplná nebo částečná relaxace zbytkových napětí. Taková napětí vznikají při tlakovém nebo řezném zpracování, odlévání, svařování, broušení a dalších technologických procesech. Vnitřní pnutí zůstávají v částech i po ukončení technologického procesu a nazývají se zbytková. Nežádoucí pnutí lze eliminovat ohřevem ocelí od 150 do 650 °C, v závislosti na jakosti oceli a způsobu předchozího zpracování.

Vysoké žíhání oceli

Tato operace se často nazývá vysoké popouštění. Po plastické deformaci za tepla má ocel jemnozrnnou strukturu a uspokojivou mikrostrukturu. Tohoto stavu ocel dosahuje zrychleným ochlazováním po plastické deformaci. Struktura však může obsahovat složky: martenzit, bainit, troostit atd. Tvrdost kovu může být poměrně vysoká. Pro zvýšení plasticity a tím i snížení tvrdosti se provádí vysoké žíhání. Jeho teplota je pod kritickou hodnotou Ac1 a závisí na požadavcích na kov pro další operaci zpracování.

Žíhání druhého druhu (II druh)

Žíhání typu II je založeno na využití fázových transformací slitin a spočívá v ohřevu nad transformační teplotu s následným pomalým ochlazováním za účelem dosažení stabilního strukturního stavu slitin.

Úplné žíhání

U hypoeutektoidních ocelí se provádí úplné žíhání. Za tímto účelem se ocelový díl zahřeje nad kritický bod A3 o 30–50 °C a po ohřátí se provede pomalé ochlazování. Díly se zpravidla ochlazují společně s pecí rychlostí 30–100 °C/hodinu. Struktura hypoeutektoidní oceli po žíhání se skládá z přebytečného feritu a perlitu.

Hlavní cíle úplného žíhání jsou:

— odstranění strukturálních vad vzniklých během předchozího zpracování (odlévání, tepelná deformace, svařování, tepelné zpracování) – hrubozrnná a Widmanstättenova struktura;

— změkčování oceli před řezáním – získání hrubé zrnitosti pro zlepšení kvality povrchu a větší křehkost třísek z nízkouhlíkové oceli;

Částečné žíhání

Neúplné žíhání se liší od úplného žíhání tím, že se ohřev provádí o 30–50 °C nad kritický bod A1 (linie PSK na diagramu železo-cementit). Neúplné žíhání hypoeutektoidních ocelí se provádí za účelem zlepšení obrobitelnosti. Neúplné žíhání má za následek částečnou rekrystalizaci oceli v důsledku přechodu perlitu na austenit. Přebytečný ferit se pouze částečně transformuje na austenit. Takové žíhání se provádí při teplotě 770–750 °C, následuje ochlazování rychlostí 30–60 °C/s na 600 °C a poté na vzduchu.

Neúplné žíhání se široce používá pro hypereutektoidní uhlíkové a legované oceli. Zahřátí těchto ocelí o 10-30 °C nad Ac1 způsobuje téměř úplnou rekrystalizaci slitiny a umožňuje získat zrnitou (sférickou) formu perlitu namísto lamelární. Takové žíhání se nazývá sféroidizace. Částice cementitu, které se během zahřívání nerozpustily, nebo oblasti austenitu se zvýšenou koncentrací uhlíku v důsledku jeho neúplné homogenizace po rozpuštění cementitu, slouží jako krystalizační centra pro cementit, který se uvolňuje při následném ochlazování na teplotu pod A1 a v tomto případě nabývá zrnité formy. V důsledku zahřátí na teplotu výrazně nad A1 a rozpuštění většiny cementitu a úplnější homogenizace austenitu dochází k následnému uvolnění cementitu pod A1 v lamelární formě. Pokud byl přebytečný cementit ve formě mřížky, pak je před tímto žíháním nutné provést normalizaci ohřevem nad Acm (nejlépe ochlazováním v proudu směrovaného vzduchu).

Oceli se složením blízkým eutektoidu mají úzký teplotní rozsah ohřevu (750 – 760 °C) pro žíhání na zrnitý cementit, u hypereutektoidních ocelí se rozsah rozšiřuje na 770 – 790 °C. Legované hypereutektoidní oceli lze ohřívat na vyšší teploty 770 – 820 °C. Chlazení a sféroidizace cementitu probíhá pomalu. Chlazení by mělo zajistit rozklad austenitu na feriticko-karbidovou strukturu, sféroidizaci a koagulaci vzniklých karbidů na 620 – 680 °C.

Žíhání na granulovaném perlitu (kyvadlové žíhání)

Pro získání granulárního perlitu se používá žíhání s různými variacemi tepelných cyklů v superkritickém a interkritickém teplotním rozsahu, kyvadlové typy žíhání s různými dobami výdrže a počty cyklů.

Ocel se zrnitým perlitem má nižší tvrdost, pevnost v tahu a podle toho i vyšší hodnoty plastických charakteristik. Například eutektoidní ocel s lamelárním perlitem má tvrdost 228 HB a se zrnitým perlitem 163 HB a podle toho pevnost v tahu 820 a 630 MPa, relativní prodloužení 15 a 20 %.

Mikrostruktura oceli po žíhání na granulární perlit (AGP) vypadá takto:

Po žíhání na granulovaném perlitu mají oceli nejlepší obrobitelnost a zároveň dosahují vyšší povrchové úpravy. V některých případech je žíhání na granulovaném perlitu povinnou předběžnou operací. Například aby se zabránilo praskání při osazování šroubů a nýtů.

Izotermické žíhání

Izotermické žíhání zahrnuje ohřev oceli na teplotu Ac3 + (30–50 °C), následovaný zrychleným ochlazením na izotermickou výdržnou teplotu pod bodem A1 a dalším ochlazováním na klidném vzduchu. Izotermické žíhání má oproti konvenčnímu žíhání dvě výhody:

— větší úspora času, protože celková doba zrychleného chlazení, výdrže a následného chlazení může být kratší než pomalé chlazení výrobku společně s pecí;

— získání rovnoměrnější struktury v celém průřezu výrobku, protože během izotermického udržování se teplota v celém průřezu výrobku vyrovnává a transformace v celém objemu oceli probíhá při stejném stupni podchlazení.

Patentování

Patentování je žíhací operace, obvykle předepsaná pro pružinové dráty s obsahem uhlíku 0,65 – 0,9 %, před tažením. Proces spočívá v austenitizaci kovu a jeho následném průchodu solnou taveninou o teplotě 450 – 550 °C (při DIPA se jedná o teploty izotermického udržení v oblasti minimální stability austenitu). To vede k tvorbě tenkovrstvého troostitu nebo sorbitu, který umožňuje dosáhnout kompresních poměrů více než 75 % pro tažení a konečné pevnosti v tahu 2000 – 2250 MPa po CPD.

Normalizační žíhání (normalizace oceli)

Normalizační žíhání neboli normalizační ocel se používá jako mezioperace ke změkčení oceli před obráběním a k celkovému zlepšení její struktury před kalením. Během normalizace se hypoeutektoidní ocel zahřívá na teploty Ac3+ (30–50 °C), hypereutektoidní ocel na Acm+ (30–50 °C) a po výdrži se ochladí na klidném vzduchu.

Zrychlené ochlazování ve srovnání s žíháním způsobuje o něco větší podchlazení austenitu, proto se při normalizaci získá jemnější struktura eutektoidu (jemný perlit nebo sorbit) a menší eutektoidní zrno.

Pevnost oceli po normalizaci je o něco vyšší než po žíhání. U hypereutektoidní oceli normalizace eliminuje hrubou síť sekundárního cementitu. Při zahřátí nad bod Asm se sekundární cementit rozpouští a při následném zrychleném ochlazování na vzduchu nemá čas vytvořit hrubou síť, která snižuje vlastnosti oceli. U hypoeutektoidní oceli, jak je uvedeno výše, umožňuje normalizace eliminovat hrubé zrno po přehřátí a widmanstatten po narušení GPD cyklu.

Kovovýroba vždy zahrnuje různé operace se surovinami, díky kterým se může stát funkční. Jednou z těchto operací bude žíhání oceli. Bez něj nemůže kov projít dalšími fázemi přeměny. To znamená, že žíhání je považováno za jednu z klíčových operací.

Co je to?

Ke zlepšení vlastností kovů a slitin a jejich přizpůsobení k jejich výhodě je zapotřebí metoda žíhání. Tepelné zpracování řeší několik problémů najednou.

• Ukazatele tvrdosti se snižují. Můžete vynaložit méně úsilí na následné manipulace s kovem a pracovat s velkým množstvím nástrojů.
• Struktura ocelí se mění. Stává se homogenní, což je dobré pro fyzikální i mechanické vlastnosti.
• Snižuje vnitřní napětí, ke kterému dochází u materiálu v prvních fázích přeměny. A to vše je způsobeno vytápěním.

Mimochodem, samotné vytápění může být úplné nebo neúplné. Neúplný je nutný, pokud takový teplotní rozdíl postačuje k tomu, aby materiál získal potřebné vlastnosti. Režimy mohou být složité a zdlouhavé; jejich výběr ovlivňuje konečné vlastnosti kovu a jeho zamýšlený účel. Například úplné žíhání někdy trvá déle než jeden den, zvláště pokud je aplikováno na velký produkt. A to přesto, že značnou část času zabere právě dosažení požadované teploty a následné pomalé (to je důležité) chlazení.

Jsou operace, kdy je časový režim tak podrobný, že neudává přibližné hodnoty a v tomto případě je teplota regulována až na několik stupňů. Je dobré mít k dispozici muflovou pec, která automaticky zvyšuje kvalitu práce. Pokud tam není, budete se muset zaměřit na barvu a rovnoměrný odstín kovu, který se systematicky zahřívá.

Pro domácí podmínky však existuje zjednodušené schéma. Ano, úprava bude přibližná a rozhodně nebude možné provést statickou analýzu. Teplota kovu bude určena výhradně vizuálně. Ale i za takových podmínek lze dosáhnout následujícího cíle – snížení pevnosti a zvýšení zpracovatelnosti výrobku. Hlavní věc je, že se po žíhání změní mikrostruktura kovu, ocel získá takové vlastnosti, že se otevře dalším operacím. To bylo požadováno.

druhy

Existují dva základní typy žíhání. Obvykle se dělí podle narození, první a druhý.

První druh

Nezahrnuje fázové přeměny v krystalické struktuře oceli. Obvykle se používá po lití, tváření (za studena i za tepla) a také řezání. A zde je jeho vlastní klasifikace.

• Homogenizované (difúzní) žíhání. Nejčastěji se používá pro výrobu odlitků z legovaných ocelí, provádí se za účelem zlepšení jejich tažnosti a co možná nejhomogennější mikrostruktury. Ocel se zahřeje na teploty blízké tavení a poté se v peci po určitou dobu pomalu ochladí. Kov se nakonec stane hrubozrnným. To se ale dá napravit dalším tepelným zpracováním, žíháním na jemná zrna.

• Rekrystalizace. Při zpracovávání ocelových dílů tlakem dochází k deformačnímu zpevnění oceli – kalení za studena, kalení za studena. Pro snížení tuhosti a zvýšení tažnosti se používá tento typ žíhání. Obnovuje deformace a odstraňuje deformace v ocelové krystalové mřížce. Díl se nejprve zahřeje na teplotu, která překročí práh rekrystalizace, udržuje se pod teplem (může dosáhnout i 700 stupňů) a poté se ochladí.

• Žíhání snižující napětí. Vnitřní pnutí v kovu se objevují jako výsledek mechanického nebo teplotního zpracování. Je to důsledek nerovnoměrného ohřevu nebo různé rychlosti ochlazování některých částí součásti při svařování, odlévání nebo obrábění. A tato napětí mohou být velká, což povede k překročení prahu pevnosti ocelového výrobku. Pro snížení napětí budou ocelové díly žíhány v teplotním rozsahu, který je pod bodem rekrystalizace.

• Vysoké žíhání. To platí pro výrobky vyrobené z vysoce legovaných ocelí, ve kterých uhlík tvoří malé procento z celkové hmotnosti. Součást se zahřeje na přibližně 700 stupňů, udržuje se na tomto teplotním bodě asi hodinu a poté podstoupí pomalé chlazení. Lze jej provádět buď v chladící peci nebo ve speciálním boxu, kde se díl zasype vysušeným pískem.

Může se jednat o žíhání prvního druhu.

Druhý druh

K odstranění defektů ve vnitřní struktuře oceli se využívají fázové přeměny jejích součástí. To znamená, že kov se nejprve zahřeje do bodu přechodu na austenit. Žíhání druhého druhu má svou vlastní klasifikaci.

• Úplné a neúplné. První je zapotřebí ke snížení velikosti zrna ocelí, a tedy ke zvýšení tažnosti a houževnatosti. Kompletní žíhání také snižuje vnitřní pnutí. Teplota ohřevu by však neměla překročit kritickou značku o více než 50 stupňů a poté musí být organizováno postupné chlazení. Tato metoda je vhodná pro oceli obsahující do 0,8 % uhlíku. Částečné žíhání se však použije tam, kde uhlík má vyšší procento ve vzorci oceli.

• Izotermický. Tato definice se týká operace, která zahrnuje zahřátí nad Ac3 a následné převedení do pece nebo lázně roztavených solí zahřátých na teploty, které mohou dosáhnout 700 stupňů. Tam bude produkt uchováván tak dlouho, až se austenit zcela rozpadne, a poté bude ochlazen na vzduchu. Jak dlouho vydrží díly zahřáté závisí na jeho rozměrech a také na jakosti oceli. Nízkouhlíkové zabere minuty a slitinové mnohem déle.

• Normalizace. V tomto případě se ocel také zahřeje na kritické měřítko a také se změní na austenit. Pak se ale ochladí ne v troubě, ale pod širým nebem. Zjednoduší se tím technická stránka, protože nebude potřeba složité zařízení a zkrátí se časový cyklus tepelného zpracování. Pokud jsou nízkouhlíkové oceli normalizovány, budou mít velmi jemnou strukturu, takže toto žíhání lze také nazvat stabilizačním žíháním.

• Kyvadlo. Aby se získala zrnitá perlitová struktura s menší křehkostí, ale dostatečnou tažností a houževnatostí, musí být ocel podrobena několika cyklům ohřevu. A budou vyšší než teplota vzniku austenitu. Kyvadlové žíhání se také nazývá cyklické žíhání.

A pak je tu patentování. Jedná se o typ úzké specializace, která se týká izotermického zpracování. A existuje příprava ocelového drátu pro opakované krimpování při tažení za studena. Nejprve se drát zahřeje na 900 stupňů, poté se uchová v roztavené soli nebo olovu při teplotách až 600 stupňů. Poté se ochladí na vzduchu a získá sorbitolovou strukturu s inkluzemi troostitu. Vyznačuje se výraznou pevností v tahu a dostatečnou tažností.

Nezbytné vybavení

V dílenských podmínkách, kde probíhá kalení, popouštění a žíhání ocelových výrobků, se obvykle používá obdobné zařízení. Vytápění probíhá v komorových kamnech. Mohou mít otevřené zdroje tepla nebo naopak uzavřené, plynové plamene a indukční články. Některé typy takových jednotek mohou interagovat s ochranou před vakuem, plyny s chemickou neutralitou. A k provádění izotermických manipulací budete potřebovat pece nebo lázně se solemi nebo roztavenými kovy.

Kov lze přepravovat na speciálních vozících na kolejových vedeních. A budou se chladit na vzduchu přímo na nich. K nakládání/vykládání dílů musíte použít konzolové a mostové jeřáby a také nosníkové jeřáby.

Vlastnosti žíhání pro různé značky

Všechny operace, které se provádějí s kovem a zahrnují vysoké teploty, se provádějí přísně podle pokynů a jasných předpisů. Každá třída oceli má své vlastní požadavky. A závisí především na ukazatelích uhlíku ve struktuře, na tom, jaké další kovy jsou ve slitině přítomny. Tvrdost po žíhání nezávisí ani tak na teplotním režimu, jako na době strávené v peci. Podívejme se na příklady takových pokynů.

• Legované. Značka X – teplota 770-790 stupňů, značka X12 – 850-870 stupňů, V2F – 760-800 stupňů.
• Uhlíkaté. Značka U7 – 690-710 stupňů, U8 – stejné hodnoty, U10 a U12 – 750-770 stupňů.
• Rychlořezné oceli. R18 – 840-860 stupňů, R6M5 – 840-860, R12F3 – 860-880 stupňů.
• Uhlíkové konstrukční oceli. Hodnoty teploty pro následující možnosti: značka 20 – 735-850, 25 – 735-835 stupňů, 35 – 730-810 stupňů, 40 – 730-790 stupňů, 45 – 730-770 stupňů, 75 – 730-820.

Tepelné zpracování nejsou jen 3 pravidla nebo parametry, je to velmi složitý proces, který se stále studuje. V kovu dochází k vážným strukturálním změnám a lze je analyzovat pouze pomocí speciálního zařízení. Všechny normy a pokyny jsou založeny na vědeckých datech, proto se od nich nelze s jistotou odchýlit. A doma je prakticky nemožné dosáhnout takové struktury, jak je předepsáno v předpisech. Ale je možné dosáhnout určitých změn, aby byl kov tažnější. To znamená, že pro domácí potřeby je takový postup možný a posouzení žíhané oceli bude celkem uspokojivé.

Možné vady

Téměř všechny budou spojeny s narušenými tepelnými režimy, což je zřejmé. Navíc aktivní vliv plynného prostředí na ocel také často vede ke vzniku defektů. Pokud nastavíte maximální teplotu ohřevu, zrna se okamžitě velmi zvětší. Za předpokladu, že teplota dosáhne úrovně tání, začne do kovu vstupovat kyslík a kostra konstrukčních prvků začne oxidovat. Povolení přehřátí ale není fatální chybou. Může být neutralizován novým teplotním ošetřením. Pokud ale vyhoří, následky budou nenapravitelné. Kyslík je považován za nejaktivnější plyn, který vyvolává změny v chemickém složení oceli.

Vliv otevřeného plamene na samotný kov povede (nebo může vést) k vytvoření vytvrzené vrstvy sestávající z oxidů železa. Tomu se říká měřítko. A nejde jen o to, že se kvůli tomu zmenší ocel v obrobku – respektive jeho objem. Problémy mohou být i s mechanickou manipulací po žíhání. Pokud odstraníte vodní kámen, znamená to více času a úsilí, stejně jako nadměrnou spotřebu materiálů na moření nebo tryskání.

Kyslík může také vést k dekarbonizaci. A to je způsobeno degradací povrchové ocelové vrstvy a to je také spojeno s tvorbou mikrotrhlin a deformací kovového povrchu. Tepelný provoz je proces, který vyžaduje studium a přísné dodržování norem, stejně jako kontrolu a přísné dodržování všech bezpečnostních opatření.

Chcete-li se dozvědět, jak se ocel žíhá, podívejte se na následující video.