Blødgøring af stål – metoder, temperatur, mikrostruktur og anvendelse

Blødgøring af stål Det omfatter varmebehandlingsprocesser, der reducerer et materiales hårdhed, øger dets plasticitet eller opnår en mikrostruktur, der er mere gunstig til videre forarbejdning. Blødgøring anvendes primært før bearbejdning, plastformning og efterfølgende varmebehandlingsprocesser, såsom hærdning.
Denne proces er særligt vigtig for stål med højt kulstofindhold, legeringsstål og værktøjsstål, hvis høje hårdhed eller ugunstige indhold af hårdmetal kan gøre drejning, fræsning, boring eller andre bearbejdningsoperationer vanskelige. Blødgøring kan også anvendes i materialer, der er hærdet ved koldbearbejdning, hvor det er nødvendigt at eliminere virkningerne af koldbearbejdning og genoprette materialets evne til at undergå yderligere deformation.
Der findes ingen universel metode til blødgøring af stål. Afhængigt af materialetype, kulstofindhold, legeringselementer, initialstruktur og ønsket effekt anvendes forskellige metoder, herunder fuldglødning, isotermisk glødning, sfæroidiserende glødning og omkrystalliserende glødning.

Hvad er blødgøring af stål?

Blødgøring udnytter forholdet mellem stålets mekaniske egenskaber og dets mikrostruktur. Korrekt valgte opvarmnings-, udglødnings- og køleprocesser kan ændre størrelsen og formen af ​​strukturelle komponenter, fordelingen af ​​karbider, materialets hærdningstilstand og niveauet af restspændinger.
Afhængigt af den anvendte proces kan følgende forekomme: omdannelse af austenit til ferrit og perlit, sfæroidisering af cementit eller andre karbider, omkrystallisation af det deformationshærdede materiale og en reduktion af dislokationstætheden.
Effekten er typisk en reduktion i materialets hårdhed og modstandsdygtighed over for yderligere bearbejdning, og en stigning i duktiliteten. Den nøjagtige mekanisme afhænger dog af den anvendte metode, så udtrykket "blødgøring" bør ikke identificeres med en enkelt specifik termisk cyklus.

Hvorfor bliver stål blødt?

Materiale leveret efter valsning, smedning, trækning, hærdning eller andre teknologiske processer har ikke altid de egenskaber, der er nødvendige for den næste produktionsoperation. For høj hårdhed øger værktøjsslid og skærekræfter, mens for høj deformationshærdning kan begrænse evnen til yderligere prægning, bøjning eller trækning.
De primære mål med blødgøring af stål er:

• reduktion af materialets hårdhed,
• forbedret bearbejdelighed i passende stålkvaliteter,
• øget plasticitet og evne til at blive yderligere formet,
• fjernelse eller begrænsning af virkningerne af deformationshærdning,
• opnåelse af en gunstig form for cementit eller karbider,
• forberedelse af stål til hærdning og videre varmebehandling,
• homogenisering af mikrostrukturen før efterfølgende produktionstrin.

Metoder til blødgøring af stål

Valget af blødgøringsmetode afhænger primært af ståltypen og den ønskede teknologiske effekt. Kulstofholdigt stål beregnet til hærdning kræver en anden proces end kulstoffattigt metalplademetal, der er meget hærdet under koldvalsning.

1. Fuld udglødning

Fuld udglødning indebærer opvarmning af stålet til et område, der sikrer passende austenitisering, opvarmning af materialet og derefter afkøling af det meget langsomt, normalt sammen med ovnen.
For hypoeutektoide ståltyper vælges procestemperaturen over den kritiske temperatur Ac3. Den nøjagtige temperatur, udblødningstid og afkølingshastighed afhænger af stålkvaliteten og komponentens dimensioner.
Langsom afkøling muliggør en relativt blød ferrit-perlitstruktur. Sammenlignet med normalisering af stål Afkølingen er meget langsommere, så den resulterende struktur og de mekaniske egenskaber er forskellige.
Typisk brug: Konstruktionsstål og andre kvaliteter, der kræver reduktion af hårdhed, forbedring af plasticitet eller forberedelse til videre bearbejdning.

2. Isotermisk udglødning

Isotermisk udglødning anvender en kontrolleret transformation af austenit ved en konstant temperatur. Efter austenitisering afkøles stålet til den passende transformationstemperatur og holdes derefter ved denne temperatur, indtil den ønskede mikrostruktur er opnået.
I modsætning til klassisk udglødning med meget langsom, kontinuerlig afkøling foregår transformationen under kontrollerede isotermiske forhold. Dette giver en mere ensartet struktur og, i visse ståltyper, en kortere procestid.
Metoden anvendes blandt andet i nogle legerings- og værktøjsstål, hvor langsom afkøling under traditionel udglødning ville være tidskrævende.
Effekt: opnåelse af en kontrolleret mikrostruktur og egenskaber, der muliggør yderligere mekanisk eller termisk bearbejdning.

3. Kugleglødning – sfæroidisering

Kugleglødning, også kaldet sfæroidisering, er særligt vigtig for stål med højt kulstofindhold, lejestål og værktøjsstål. Dens formål er at ændre morfologien af ​​cementit og andre karbider for at producere mere afrundede, sfæriske partikler arrangeret i en ferritisk matrix i stedet for et lamellært eller netlignende arrangement.
Sfæroidisering kan udføres ved hjælp af forskellige termiske cyklusser, herunder forlænget opvarmning nær Ac1-temperaturen eller cykling gennem et specifikt temperaturområde. Parametrene afhænger af den specifikke arts kemiske sammensætning og oprindelige struktur.
Ændring af formen og placeringen af ​​hårdmetaller kan reducere hårdheden af ​​højkulstofstål betydeligt og forbedre dets bearbejdelighed. En korrekt forberedt struktur giver også en gunstig starttilstand før efterfølgende hærdning.
Typisk brug: værktøjsstål, lejestål og andre stål med højt kulstofindhold beregnet til videre mekanisk bearbejdning og hærdning.

4. Omkrystallisationsglødning

Omkrystallisationsglødning Det bruges primært til materialer, der hærdes under koldformning, f.eks. valsning, trækning eller prægning.
Under kold deformation øges dislokationstætheden, materialet hærder, og dets hårdhed og styrke øges, mens duktiliteten falder. Når en høj grad af koldbearbejdning er nået, kan yderligere formning blive vanskelig.
Rekrystallisationsglødning skaber nye korn, fri for virkningerne af tidligere deformationshærdning. Dette fører til en reduktion i hårdhed og styrke på grund af deformationshærdning og genoprettelse af duktilitet.
Typisk brug: plader, strimler, tråde og andre halvfabrikata, der udsættes for intensiv koldbearbejdning.

Sammenligning af stålblødgøringsmetoder

Metode Grundlæggende mekanisme Hovedeffekt Typisk anvendelse Fuld udglødning Austenitisering og langsom transformation under afkøling Hårdhedsreduktion og blødere struktur Konstruktionsstål og halvfabrikata før videre forarbejdning Isotermisk udglødning Austenittransformation ved en kontrolleret, konstant temperatur Ensartet mikrostruktur og kontrollerede egenskaber Udvalgte legerings- og værktøjsstål Kugle-/sfæroidiseringsudglødning Ændring i cementit- og hårdmetalmorfologi Hårdhedsreduktion og forbedret bearbejdelighed Kulstofholdigt stål, lejestål og værktøjsstål Omkrystallisationsudglødning Dannelse af nye korn efter forudgående deformationshærdning Fjernelse af hærdningseffekter og genoprettelse af duktilitet Koldbearbejdede plader, bånd og tråde

Sammenligning af stålblødgøringsmetoder

Hvordan ændrer mikrostrukturen sig under blødgøring?

Mikrostrukturelle ændringer afhænger af typen af ​​udglødning. Derfor er det umuligt at identificere en enkelt strukturkarakteristik for alle blødgøringsprocesser.
Afhængigt af den anvendte teknologi kan følgende forekomme:

• dannelse af en ferritisk-perlitisk struktur under langsom afkøling efter austenitisering,
• kontrolleret austenittransformation under isotermisk udglødning,
• sfæroidisering af cementit og andre karbider i stål med højt kulstofindhold og legeret stål,
• gendannelse og omkrystallisation af strukturen efter forudgående koldplastisk bearbejdning,
• reduktion af dislokationstætheden og virkningerne af deformationshærdning.

Sfæroidiserende udglødning – hvorfor er det vigtigt for værktøjsstål?

I værktøjsstål og andre stål med højt kulstofindhold er hårdhed alene ikke den eneste parameter, der bestemmer bearbejdningsegnetheden. Formen, størrelsen og fordelingen af ​​hårdmetaller er også afgørende.
En struktur med passende fordelte, næsten sfæriske karbider kan lette bearbejdningen og give en passende startbetingelse for efterfølgende austenitisering og hærdning. Derfor leveres værktøjsstål ofte i blødglødet tilstand.
Den faktiske hårdhed efter udglødning bør bestemmes for den specifikke stålkvalitet. Et enkelt HB- eller HV-område bør ikke anvendes for alle værktøjsstål.

Blødgøring og bearbejdelighed af stål

En af de vigtigste grunde til at anvende blødgøring er at forberede materialet til drejning, fræsning, boring, rømning eller andre bearbejdningsoperationer. Reduktion af for stor hårdhed kan reducere skærkantbelastning og værktøjsslid.
Forholdet mellem hårdhed og bearbejdelighed er dog ikke lineært. Materialet med den lavest mulige hårdhed er ikke altid det nemmeste at bearbejde. Meget bløde og duktile ståltyper kan opleve problemer med spåndannelse, ophobning af skærkant og overfladefinish.
Derfor vælges den passende proces ikke blot for at opnå den lavest mulige hårdhed, men frem for alt for at opnå en mikrostruktur, der er passende til det specifikke materiale og den efterfølgende produktionsteknologi.

Blødgøring og kulstofindhold i stål

Kulstofindholdet har en betydelig indflydelse på valget af blødgøringsmetode. I lavkulstofstål kan fjernelse af virkningerne af koldhærdning være særligt vigtigt. I mellemkulstofstål afhænger valget af proces blandt andet af den efterfølgende mekaniske og termiske behandling.
I stål med højt kulstofindhold bliver morfologien af ​​cementit og andre karbider stadig vigtigere. Derfor anvendes processer, der fører til karbidsfæroidisering, ofte i værktøjs-, leje- og fjederstål.

Blødgøring af kulstofstål

For kulstofstål afhænger valget af behandling af kulstofindholdet og den ønskede sluttilstand. For eksempel kan C45-stål kræve en anden behandling end fjeder- eller værktøjsstål med højt kulstofindhold.
I stål med højere kulstofindhold kan sfæroidiseringsglødning anvendes før bearbejdning og efterfølgende hærdning. Opnåelse af den korrekte cementitform letter videre bearbejdning og forbereder strukturen til den næste termiske cyklus.

Blødgøring af legeret stål

Legeringselementer kan have betydelig indflydelse på transformationstemperaturer, hærdbarhed, typen af ​​dannede karbider og diffusionsprocessernes hastighed. Derfor bør parametre, der er passende for almindeligt kulstofstål, ikke automatisk anvendes på krom, krom-molybdæn, nikkel eller højtlegerede ståltyper.
I legeret stål er det særligt vigtigt at kontrollere temperatur, tid og afkølingshastighed. For værktøjsstål bestemmes blødglødningsparametrene normalt individuelt for hver kvalitet.

Blødgøring af rustfrit stål

Når det kommer til rustfrit stål, kræver udtrykket "blødgøring" større forsigtighed. Austenitiske, ferritiske, martensitiske og duplexstål har forskellige mikrostrukturer og kræver forskellige varmebehandlinger.
For eksempel kan austenitiske rustfrie stål hærde betydeligt under koldbearbejdning. Gendannelse af deres duktilitet kræver omhyggeligt udvalgt varmebehandling, der er passende til den specifikke kvalitet. Derfor bør der ikke anvendes et enkelt, universelt temperaturområde til "blødgøring af rustfrit stål".

Effekten af ​​tid og temperatur på blødgøring af stål

Temperatur og tid er tæt forbundet. En for lav temperatur fører muligvis ikke til de nødvendige mikrostrukturelle ændringer, mens en for høj temperatur eller for lang opvarmning kan forårsage uønsket kornvækst eller andre strukturelle ændringer.
Procesparametre bør omfatte:

• stålkvalitet og kemisk sammensætning,
• kritiske materialetemperaturer,
• outputstruktur,
• grad af forudgående styrkelse,
• elementets dimensioner og geometri,
• ovnstype og opvarmningsmetode,
• forventet endelig mikrostruktur,
• type yderligere mekanisk eller varmebehandling.

Effekt af afkølingshastighed

Kølehastighed er en af ​​de parametre, der bestemmer stålets endelige struktur. Klassisk fuldglødning bruger langsom afkøling for at muliggøre de transformationer, der fører til en blødere struktur.
Ved isotermisk udglødning bringes det austenitiserede materiale til en specifik temperatur, hvor en kontrolleret transformation finder sted. Ved omkrystallisationsudglødning har kølemetoden derimod en anden betydning, da processens primære mål er at fjerne virkningerne af tidligere deformationshærdning, ikke at transformere austenitten.
Af denne grund bør én kølehastighedsværdi ikke anvendes som passende for alle blødgøringsprocesser.

Atmosfære under blødglødning

Under udglødning er ikke kun temperatur og tid vigtige, men også ovnatmosfæren. Høje temperaturer kan føre til overfladeoxidation, dannelse af glødeskaller og under visse betingelser ændringer i overfladelagets kemiske sammensætning.
Afhængigt af de teknologiske krav anvendes ovne, der opererer i en luftatmosfære, beskyttende atmosfære eller vakuum. Beskyttende atmosfærer eller vakuum kan være særligt vigtige for præcisionskomponenter og legeret stål, hvor oxidationsreduktion og høj overfladekvalitet er påkrævet.

Anvendelse af blødgøring af stål i industrien

Værktøjsproduktion

Værktøjsstål behandles ofte mekanisk før endelig hærdning. Blødglødning, især sfæroidisering, producerer en struktur, der letter fræsning, drejning, boring og andre operationer, der udføres før endelig varmebehandling.

Lejeproduktion

I stål med højt kulstofindhold er det vigtigt at opnå den passende hårdmetalform og -fordeling før hærdning. Sfæroidiseringsglødning er derfor et afgørende trin i materialeforberedelsen.

Produktion af plader, strimler og tråde

Materialer, der udsættes for koldvalsning eller trækning, hærder gradvist. Omkrystallisationsglødning genopretter den passende duktilitet og tillader formningsprocessen at fortsætte.

Maskinindustrien

Blødgøring kan anvendes ved fremstilling af halvfabrikata til aksler, tandhjul, transmissionskomponenter, forme og andre dele, der kræver intensiv bearbejdning før den endelige varmebehandling.

Blødgøring og spændingsaflastningsglødning

Blødgøring bør ikke sidestilles med spændingsaflastningsglødningDet primære formål med spændingsaflastning er at reducere restspændinger, samtidig med at ændringen i materialets grundlæggende mikrostruktur minimeres.
Under blødgøring er målet primært at ændre hårdheden, plasticiteten eller mikrostrukturen på en måde, der letter efterfølgende teknologiske operationer.

Blødgørende og normaliserende

Normalisering af stål involverer austenisering og efterfølgende luftkøling. I mange kulstofstål fører dette til en finere struktur og større hårdhed og styrke end langsom udglødning.
Hvis det primære mål er at gøre værktøjsstål med højt kulstofindhold så let at bearbejde som muligt, kan sfæroidiseringsglødning være en mere passende proces. Hvis der derimod kræves kornforfining og strukturel homogenitet efter smedning eller valsning, kan normalisering være den passende proces.

Blødgøring og hærdning

Blødgøring og stålhærdning De forfølger fundamentalt forskellige mål. Hærdning producerer en struktur med høj hårdhed, mens blødgøring bruges til at reducere hårdhed eller opnå en struktur, der er gunstig for videre forarbejdning.
Disse processer forekommer dog ofte i en enkelt teknologisk rækkefølge. Værktøjsstål kan først blødglødes, derefter bearbejdes mekanisk og først derefter hærdes og tilgivet.

De vigtigste fordele ved blødgøring af stål

• reduktion af overdreven hårdhed,
• forbedring af bearbejdeligheden i passende kvaliteter,
• øger materialets plasticitet,
• genoprettelse af plasticitet efter koldbearbejdning,
• opnåelse af den passende hårdmetalmorfologi,
• forberedelse af værktøjs- og kulstofstål til hærdning,
• muligheden for at udføre efterfølgende faser af formning og mekanisk bearbejdning.

Procesbegrænsninger

• parametre skal vælges for en specifik stålkvalitet,
• en for høj temperatur kan føre til ugunstig kornvækst,
• forkert køling kan resultere i en forkert mikrostruktur,
• Sfæroidiseringsprocesser kan kræve lange opvarmningstider,
• Ikke alle blødgøringsmetoder er egnede til alle typer stål,
• I tilfælde af højtlegerede ståltyper bør der tages hensyn til typen og stabiliteten af ​​de tilstedeværende karbider samt de transformationer, der er specifikke for en given kvalitet.

Blødgøring af stål er ikke en enkelt proces med universelle parametre, men snarere en gruppe af varmebehandlinger, der er udvalgt ud fra materialets kemiske sammensætning, indledende mikrostruktur og tilsigtede anvendelse. Fuld udglødning, isotermisk udglødning, sfæroidiserende udglødning og omkrystalliserende udglødning anvender forskellige mekanismer, men deres fælles mål er at opnå en materialetilstand, der er mere gunstig for efterfølgende teknologiske operationer.

For stål med højt kulstofindhold og værktøjsstål er sfæroidiseringsglødning særlig vigtig, da det muliggør en ændring i hårdmetalmorfologien og forbereder materialet til bearbejdning og efterfølgende hærdning. I materialer, der er forstærket ved koldbearbejdning, er omkrystallisation afgørende, da det eliminerer virkningerne af koldbearbejdning og genopretter duktiliteten.
Temperatur, iblødsætningstid og afkølingsmetoden bør altid specificeres for en specifik stålkvalitet. Dette gør det muligt at opnå den ønskede mikrostruktur uden ukontrolleret kornvækst, uønskede forandringer eller forringelse af materialeegenskaber.

Metoder til varme- og termokemisk behandling af stål

Blødgøring er blot én gruppe af processer, der bruges til at modificere ståls mikrostruktur og egenskaber. Afhængigt af den ønskede effekt anvendes også normalisering, spændingsaflastning, hærdning, anløbning og termokemiske processer såsom karburering og nitrering.

Metoder til varmebehandling af stål

• Normalisering af stål – kornforfinelse og mikrostrukturforening.
• Udskiftning af forbrugsvarer – reduktion af restspændinger.
• Blødgøring af stål – reducerer hårdheden og forbedrer modtageligheden for yderligere forarbejdning.
• Fuld udglødning – austenitisering og langsom afkøling.
• Isotermisk udglødning – transformation udført under opbevaring ved en korrekt valgt temperatur.
• Kugleglødning – sfæroidisering – ændring i morfologien af ​​cementit eller andre karbider.
• Omkrystallisationsglødning – fjernelse af virkningerne af knusning og genoprettelse af plasticitet.
• Homogeniserende udglødning – reduktion af segregation og homogenisering af materialesammensætningen.
• Hærdning og varmebehandling – formning af mikrostrukturen og egenskaberne ved hærdning og anløbning.
• Hærdet stål – kontrolleret modifikation af stålegenskaber efter hærdning.
• Induktionshærdning – overfladeinduktionsopvarmning og hurtig afkøling.
• Flammehærdning – overfladehærdning efter lokal opvarmning med flamme.
• Overmætning – opnåelse af en overmættet fast opløsning ved en passende termisk cyklus.
• Aldring – kontrolleret faseseparation, der fører til materialeforstærkning.

Metoder til termokemisk behandling af stål

• Nitrering af stål – diffusionsberigelse af overfladelaget med nitrogen.
• Karburerende stål – diffusionsberigelse af overflader med kulstof.
• Karbonitrering – samtidig berigelse af overfladelaget med kulstof og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – berigelse af laget primært med nitrogen og kulstof.
• Boring – diffusionsmætning af overfladen med bor.
• Diffusionsforkromning – diffusionsberigelse af laget med krom.
• Diffusionsaluminisering – diffusionsberigelse af laget i aluminium.