Změkčování oceli – metody, teplota, mikrostruktura a použití

Měknutí oceli Zahrnuje procesy tepelného zpracování, které snižují tvrdost materiálu, zvyšují jeho plasticitu nebo dosahují mikrostruktury, která je příznivější pro další zpracování. Změkčování se používá především před obráběním, tvářením plastů a následnými procesy tepelného zpracování, jako je kalení.
Tento proces je obzvláště důležitý pro vysoce uhlíkové, legované a nástrojové oceli, jejichž vysoká tvrdost nebo nepříznivý obsah karbidů může ztěžovat soustružení, frézování, vrtání nebo jiné obráběcí operace. Změkčování lze také použít u materiálů kalených tvářením za studena, kde je nutné eliminovat účinky tváření za studena a obnovit schopnost materiálu podléhat další deformaci.
Neexistuje jediná univerzální metoda pro změkčování oceli. V závislosti na typu materiálu, obsahu uhlíku, legujících prvcích, počáteční struktuře a požadovaném efektu se používají různé metody, včetně úplného žíhání, izotermického žíhání, sféroidizačního žíhání a rekrystalizačního žíhání.

Co je to změkčování oceli?

Změkčování využívá vztahu mezi mechanickými vlastnostmi oceli a její mikrostrukturou. Správně zvolené procesy ohřevu, žíhání a chlazení umožňují změny velikosti a tvaru strukturních komponent, rozložení karbidů, stavu zpevnění materiálu a úrovně zbytkových napětí.
V závislosti na použitém procesu může dojít k následujícím jevům: transformaci austenitu na ferit a perlit, sferoidizaci cementitu nebo jiných karbidů, rekrystalizaci zpevněného materiálu a snížení hustoty dislokací.
Výsledkem je obvykle snížení tvrdosti a odolnosti materiálu vůči dalšímu zpracování a zvýšení tažnosti. Přesný mechanismus však závisí na použité metodě, takže termín „měknutí“ by neměl být spojován s jediným konkrétním tepelným cyklem.

Proč ocel měkne?

Materiál dodaný po válcování, kování, tažení, kalení nebo jiných technologických procesech nemá vždy vlastnosti potřebné pro další výrobní operaci. Nadměrná tvrdost zvyšuje opotřebení nástroje a řezné síly, zatímco nadměrné zpevnění může omezit schopnost dalšího ražení, ohýbání nebo tažení.
Hlavní cíle změkčování oceli jsou:

• snížení tvrdosti materiálu,
• zlepšená obrobitelnost ve vhodných jakostech oceli,
• zvyšující se plasticita a schopnost dalšího tvarování,
• odstranění nebo omezení účinků deformačního zpevnění,
• získání příznivé formy cementitu nebo karbidů,
• příprava oceli k kalení a dalšímu tepelnému zpracování,
• homogenizace mikrostruktury před následnými fázemi výroby.

Metody změkčování oceli

Volba metody změkčování závisí především na druhu oceli a požadovaném technologickém efektu. Vysokouhlíková ocel určená k kalení vyžaduje jiný proces než nízkouhlíkový plech silně kalený při válcování za studena.

1. Úplné žíhání

Úplné žíhání zahrnuje ohřev oceli na teplotu, která zajišťuje vhodnou austenitizaci, ohřev materiálu a jeho následné velmi pomalé ochlazování, obvykle společně s pecí.
U hypoeutektoidních ocelí se procesní teplota volí nad kritickou teplotou Ac3. Přesná teplota, doba namáčení a rychlost ochlazování závisí na jakosti oceli a rozměrech součásti.
Pomalé chlazení umožňuje získat relativně měkkou feriticko-perlitovou strukturu. Ve srovnání s normalizace oceli chlazení je mnohem pomalejší, takže výsledná struktura a mechanické vlastnosti jsou odlišné.
Typické použití: konstrukční oceli a další jakosti vyžadující snížení tvrdosti, zlepšení plasticity nebo přípravu pro další zpracování.

2. Izotermické žíhání

Izotermické žíhání využívá řízenou transformaci austenitu při konstantní teplotě. Po austenitizaci se ocel ochladí na vhodnou transformační teplotu a poté se na této teplotě udržuje, dokud se nedosáhne požadované mikrostruktury.
Na rozdíl od klasického žíhání s velmi pomalým, kontinuálním ochlazováním probíhá transformace za kontrolovaných izotermických podmínek. To umožňuje rovnoměrnější strukturu a u některých ocelí i kratší dobu procesu.
Tato metoda se používá mimo jiné u některých legovaných a nástrojových ocelí, u kterých by pomalé chlazení během tradičního žíhání bylo časově náročné.
Účinek: získání řízené mikrostruktury a vlastností umožňujících další mechanické nebo tepelné zpracování.

3. Žíhání kuliček – sferoidizace

Žíhání kuliček, nazývané také sféroidizace, je zvláště důležitý pro vysoce uhlíkové, ložiskové a nástrojové oceli. Jeho účelem je změnit morfologii cementitu a dalších karbidů za účelem vytvoření zaoblenějších, sféroidních částic uspořádaných ve feritické matrici namísto lamelárního nebo síťovitého uspořádání.
Sferoidizaci lze provést pomocí různých tepelných cyklů, včetně prodlouženého ohřevu v blízkosti teploty Ac1 nebo cyklického přechodu přes specifický teplotní rozsah. Parametry závisí na chemickém složení a počáteční struktuře konkrétního druhu.
Změna tvaru a rozložení karbidů může výrazně snížit tvrdost vysokouhlíkové oceli a zlepšit její obrobitelnost. Správně připravená struktura také poskytuje příznivé počáteční podmínky před následným kalením.
Typické použití: nástrojové oceli, ložiskové oceli a další vysokouhlíkové oceli určené k dalšímu mechanickému zpracování a kalení.

4. Rekrystalizační žíhání

Rekrystalizační žíhání Používá se především pro materiály kalené během tváření za studena, např. válcováním, tažením nebo ražením.
Během deformace za studena se zvyšuje hustota dislokací, materiál tvrdne a zvyšuje se jeho tvrdost a pevnost, zatímco tažnost klesá. Jakmile je dosaženo vysokého stupně deformace za studena, může být další tvarování obtížné.
Rekrystalizační žíhání vytváří nová zrna, zbavená účinků předchozího zpevnění. To vede ke snížení tvrdosti a pevnosti v důsledku zpevnění a k obnovení tažnosti.
Typické použití: plechy, pásy, dráty a další polotovary podrobené intenzivnímu tváření za studena.

Porovnání metod změkčování oceli

Metoda Základní mechanismus Hlavní účinek Typická aplikace Plné žíhání Austenitizace a pomalá transformace během chlazení Snížení tvrdosti a měkčí struktura Konstrukční oceli a polotovary před dalším zpracováním Izotermické žíhání Transformace austenitu při kontrolované, konstantní teplotě Jednotná mikrostruktura a kontrolované vlastnosti Vybrané legované a nástrojové oceli Kuličkové/sféroidizační žíhání Změna morfologie cementitu a karbidu Snížení tvrdosti a zlepšená obrobitelnost Vysokouhlíkové, ložiskové a nástrojové oceli Rekrystalizační žíhání Tvorba nových zrn po předchozím zpevnění Odstranění účinků zpevnění a obnovení tažnosti Za studena tvářené plechy, pásy a dráty

Porovnání metod změkčování oceli

Jak se mění mikrostruktura během měknutí?

Mikrostrukturální změny závisí na typu žíhání. Proto není možné identifikovat jednu strukturní charakteristiku pro všechny procesy změkčování.
V závislosti na použité technologii může dojít k následujícím problémům:

• tvorba feriticko-perlitické struktury během pomalého ochlazování po austenitizaci,
• řízená transformace austenitu během izotermického žíhání,
• sferoidizace cementitu a dalších karbidů ve vysokouhlíkových a legovaných ocelích,
• obnova a rekrystalizace struktury po předchozím plastickém zpracování za studena,
• snížení hustoty dislokací a účinků zpevnění deformací.

Sféroidizační žíhání – proč je důležité pro nástrojové oceli?

U nástrojových ocelí a dalších ocelí s vysokým obsahem uhlíku není samotná tvrdost jediným parametrem, který určuje vhodnost pro obrábění. Důležitý je také tvar, velikost a rozložení karbidů.
Struktura s vhodně rozloženými, téměř kulovitými karbidy může usnadnit obrábění a poskytnout vhodné výchozí podmínky pro následnou austenitizaci a kalení. Proto se nástrojové oceli často dodávají v měkce žíhaném stavu.
Skutečná tvrdost po žíhání by měla být stanovena pro konkrétní jakost oceli. Pro všechny nástrojové oceli by se neměl používat jeden rozsah HB nebo HV.

Změkčování a obrobitelnost oceli

Jedním z nejdůležitějších důvodů pro aplikaci měkčení je příprava materiálu pro soustružení, frézování, vrtání, protahování nebo jiné obráběcí operace. Snížení nadměrné tvrdosti může snížit namáhání břitu a opotřebení nástroje.
Vztah mezi tvrdostí a obrobitelností však není lineární. Materiál s nejnižší možnou tvrdostí není vždy nejsnadněji obrobitelný. Velmi měkké a tvárné oceli mohou mít problémy s tvorbou třísek, nárůstkem na břitu a úpravou povrchu.
Proto se volí vhodný proces nejen pro dosažení co nejnižší tvrdosti, ale především pro získání mikrostruktury vhodné pro daný materiál a následnou technologii výroby.

Měknutí a obsah uhlíku v oceli

Obsah uhlíku má významný vliv na volbu metody změkčování. U nízkouhlíkových ocelí může být obzvláště důležité odstranění účinků zpevnění za studena. U středněuhlíkových ocelí závisí volba procesu mimo jiné na následném mechanickém a tepelném zpracování.
U ocelí s vysokým obsahem uhlíku je morfologie cementitu a dalších karbidů stále důležitější. Proto se u nástrojových, ložiskových a pružinových ocelí často používají procesy vedoucí ke sféroidizaci karbidů.

Měknutí uhlíkových ocelí

U uhlíkových ocelí závisí volba úpravy na obsahu uhlíku a požadovaném konečném stavu. Například ocel C45 může vyžadovat jinou úpravu než pružinové nebo nástrojové oceli s vysokým obsahem uhlíku.
U ocelí s vyšším obsahem uhlíku lze před obráběním a následným kalením použít sferoidizační žíhání. Získání správné formy cementitu usnadňuje další zpracování a připravuje strukturu na další tepelný cyklus.

Změkčování legovaných ocelí

Legující prvky mohou významně ovlivnit transformační teploty, kalitelnost, typ vznikajících karbidů a rychlost difuzních procesů. Proto by se parametry vhodné pro nelegovanou uhlíkovou ocel neměly automaticky používat pro chromové, chrom-molybdenové, niklové nebo vysoce legované oceli.
U legovaných ocelí je obzvláště důležité regulovat teplotu, dobu a rychlost ochlazování při tepelném zpracování. U nástrojových ocelí se parametry žíhání na měkko obvykle stanovují individuálně pro každou jakost.

Změkčování nerezových ocelí

Pokud jde o nerezové oceli, termín „měknutí“ vyžaduje větší opatrnost. Austenitické, feritické, martenzitické a duplexní oceli mají odlišné mikrostruktury a vyžadují různá tepelná zpracování.
Například austenitické nerezové oceli mohou během tváření za studena výrazně ztvrdnout. Obnovení jejich tažnosti vyžaduje pečlivě zvolené tepelné zpracování vhodné pro danou jakost. Proto by se neměl používat jeden univerzální teplotní rozsah pro „měknutí nerezové oceli“.

Vliv času a teploty na měknutí oceli

Teplota a čas spolu úzce souvisí. Příliš nízká teplota nemusí vést k požadovaným mikrostrukturálním změnám, zatímco příliš vysoká teplota nebo nadměrně dlouhý ohřev mohou způsobit nežádoucí růst zrn nebo jiné strukturální změny.
Parametry procesu by měly zahrnovat:

• jakost a chemické složení oceli,
• kritické teploty materiálů,
• výstupní struktura,
• stupeň předchozího zpevnění,
• rozměry a geometrie prvku,
• typ pece a způsob ohřevu,
• očekávaná konečná mikrostruktura,
• druh dalšího mechanického nebo tepelného zpracování.

Vliv rychlosti chlazení

Rychlost ochlazování je jedním z parametrů, které určují konečnou strukturu oceli. Klasické plné žíhání využívá pomalé ochlazování, které umožňuje transformace vedoucí k měkčí struktuře.
Při izotermickém žíhání se austenitizovaný materiál zahřeje na specifickou teplotu, při které dochází k řízené transformaci. Při rekrystalizačním žíhání má naopak metoda ochlazování jiný význam, protože primárním cílem procesu je odstranění účinků předchozího zpevnění, nikoli transformace austenitu.
Z tohoto důvodu by se jedna hodnota rychlosti ochlazování neměla používat jako vhodná pro všechny procesy změkčování.

Atmosféra během žíhání na měkko

Během žíhání je důležitá nejen teplota a čas, ale také atmosféra v peci. Vysoké teploty mohou vést k oxidaci povrchu, tvorbě okujů a za určitých podmínek i ke změnám chemického složení povrchové vrstvy.
V závislosti na technologických požadavcích se používají pece pracující ve vzduchové atmosféře, ochranné atmosféře nebo vakuu. Ochranná atmosféra nebo vakuum mohou být obzvláště důležité pro přesné součásti a legované oceli, kde je vyžadována redukce oxidace a vysoká kvalita povrchu.

Aplikace změkčování oceli v průmyslu

Výroba nástrojů

Nástrojové oceli se před konečným kalením často mechanicky upravují. Žíhání na měkko, zejména sferoidizace, vytváří strukturu, která usnadňuje frézování, soustružení, vrtání a další operace prováděné před konečným tepelným zpracováním.

Výroba ložisek

U ložiskových ocelí s vysokým obsahem uhlíku je důležité dosáhnout vhodného tvaru a distribuce karbidů před kalením. Sféroidizační žíhání je proto klíčovým krokem v přípravě materiálu.

Výroba plechů, pásů a drátů

Materiály podrobené válcování za studena nebo tažení postupně tvrdnou. Rekrystalizační žíhání obnovuje vhodnou tažnost a umožňuje pokračování procesu tvarování.

Strojírenský průmysl

Změkčování lze použít při přípravě polotovarů pro hřídele, nápravy, ozubená kola, převodové komponenty, formy a další díly vyžadující intenzivní obrábění před konečným tepelným zpracováním.

Žíhání pro změkčení a uvolnění pnutí

Změkčení by se nemělo ztotožňovat s žíhání pro odlehčení pnutíPrimárním účelem odlehčení pnutí je snížení zbytkových napětí a zároveň minimalizace změny základní mikrostruktury materiálu.
Během změkčování je cílem především změnit tvrdost, plasticitu nebo mikrostrukturu způsobem, který usnadní následné technologické operace.

Změkčující a normalizující

Normalizační ocel zahrnuje austenitizaci a následné ochlazování na vzduchu. U mnoha uhlíkových ocelí to vede k jemnější struktuře a větší tvrdosti a pevnosti než pomalé žíhání.
Pokud je primárním cílem co nejvíce zjednodušit obrábění nástrojové oceli s vysokým obsahem uhlíku, může být vhodnějším procesem sferoidizační žíhání. Pokud je však po kování nebo válcování vyžadováno zjemnění zrna a strukturní homogenita, může být vhodným procesem normalizace.

Změkčování a kalení

Změkčení a kalení oceli Sledují zásadně odlišné cíle. Kalením se získá struktura s vysokou tvrdostí, zatímco změkčováním se tvrdost snižuje nebo se získá struktura vhodná pro další zpracování.
Tyto procesy však často probíhají v jedné technologické sekvenci. Nástrojová ocel může být nejprve žíhána na měkko, poté mechanicky opracována a teprve poté kalena a odpuštěno.

Nejdůležitější výhody měknutí oceli

• snížení nadměrné tvrdosti,
• zlepšení obrobitelnosti u vhodných jakostí,
• zvýšení plasticity materiálu,
• obnovení plasticity po tváření za studena,
• získání vhodné morfologie karbidu,
• příprava nástrojových a vysokouhlíkových ocelí k kalení,
• možnost provádění následných fází tvarování a mechanického zpracování.

Omezení procesu

• parametry musí být zvoleny pro konkrétní jakost oceli,
• příliš vysoká teplota může vést k nepříznivému růstu zrna,
• nesprávné chlazení může vést k nesprávné mikrostruktuře,
• Sféroidizační procesy mohou vyžadovat dlouhou dobu ohřevu,
• ne každá metoda změkčování je vhodná pro každý typ oceli,
• V případě vysoce legovaných ocelí je třeba vzít v úvahu typ a stabilitu přítomných karbidů a transformace specifické pro danou jakost.

Změkčování oceli není jediný proces s univerzálními parametry, ale spíše skupina tepelných zpracování vybraných na základě chemického složení, počáteční mikrostruktury a zamýšleného použití materiálu. Plné žíhání, izotermické žíhání, sféroidizační žíhání a rekrystalizační žíhání využívají různé mechanismy, ale jejich společným cílem je dosáhnout stavu materiálu příznivějšího pro následné technologické operace.

U vysoce uhlíkových a nástrojových ocelí je sferoidizační žíhání obzvláště důležité, protože umožňuje změnu morfologie karbidů a připravuje materiál pro obrábění a následné kalení. U materiálů zpevněných tvářením za studena je klíčová rekrystalizace, která eliminuje účinky zpevnění a obnovuje tažnost.
Teplota, doba namáčení a způsob ochlazování by měly být vždy specifikovány pro konkrétní jakost oceli. To umožňuje dosáhnout požadované mikrostruktury bez nekontrolovaného růstu zrn, nežádoucích transformací nebo zhoršení vlastností materiálu.

Metody tepelného a termochemického zpracování oceli

Změkčování je pouze jednou ze skupin procesů používaných k modifikaci mikrostruktury a vlastností oceli. V závislosti na požadovaném efektu se používá také normalizace, zmírňování pnutí, kalení, popouštění a termochemické procesy, jako je cementace a nitridace.

Metody tepelného zpracování oceli

• Normalizační ocel – zjemnění zrna a sjednocení mikrostruktury.
• Vyžadování odkladu – snížení zbytkových napětí.
• Měknutí oceli – snížení tvrdosti a zlepšení náchylnosti k dalšímu zpracování.
• Úplné žíhání – austenitizace a pomalé ochlazování.
• Izotermické žíhání – transformace prováděná za udržování při vhodně zvolené teplotě.
• Žíhání kuliček – sferoidizace – změna morfologie cementitu nebo jiných karbidů.
• Rekrystalizační žíhání – odstranění účinků drcení a obnovení plasticity.
• Homogenizační žíhání – snížení segregace a homogenizace složení materiálu.
• Kalení a tepelné zpracování – tvarování mikrostruktury a vlastností kalením a popouštěním.
• Popouštění oceli – řízená modifikace vlastností oceli po kalení.
• Indukční kalení – povrchový indukční ohřev a rychlé ochlazování.
• Kalení plamenem – povrchové zpevnění po lokálním ohřevu plamenem.
• Přesycení – získání přesyceného pevného roztoku vhodným tepelným cyklem.
• Stárnutí – řízená fázová separace vedoucí ke zpevnění materiálu.

Metody termochemického zpracování oceli

• Nitridace oceli – difuzní obohacení povrchové vrstvy dusíkem.
• Cementační ocel – difuzní obohacení povrchu uhlíkem.
• Karbonitridace – současné obohacení povrchové vrstvy uhlíkem a dusíkem.
• Nitrocementace / nitrocementace – obohacení vrstvy primárně dusíkem a uhlíkem.
• Vrtání – difuzní nasycení povrchu borem.
• Difuzní chromování – difuzní obohacení vrstvy chromem.
• Difuzní hliníkování – difuzní obohacení vrstvy v hliníku.