Spændingsudglødning af stål og metaller – temperatur, proces og anvendelse

Udskiftning af forbrugsvarer Spændingsaflastning er en varmebehandlingsproces, der bruges til at reducere restspændinger i et materiale efter svejsning, støbning, smedning, valsning, bearbejdning, glatning eller andre teknologiske processer. Korrekt udført spændingsaflastning forbedrer komponentens dimensionsstabilitet og reducerer risikoen for deformation under videre bearbejdning eller brug.
Processen involverer opvarmning af materialet til en temperatur, der er lavere end den, der forårsager de grundlæggende strukturelle ændringer, der er karakteristiske for andre typer varmebehandling, opvarmning i et passende tidsrum og derefter kontrolleret afkøling. De nøjagtige parametre afhænger af materialetypen, dens tilstand, komponentdimensionerne, den tidligere fremstillingsteknologi samt niveauet og fordelingen af ​​restspændinger.
Spændingsglødning anvendes til både kulstof- og legeringsstål, samt – med passende parametre – støbejern, aluminiumlegeringer, kobber, titanium og andre metalliske materialer. Det er især vigtigt for svejsede strukturer, store smede- og støbegods samt præcisionsbearbejdede komponenter, hvor selv mindre dimensionsændringer kan have driftsmæssige konsekvenser.

Hvad er spændingsaflastningsglødning?

Restspændinger kan forblive i et materiale på trods af fraværet af eksterne kræfter. De opstår primært, når forskellige områder af en komponent undergår forskellige deformationer, opvarmes eller afkøles med forskellige hastigheder eller undergår forskellige strukturelle ændringer.
Typiske processer, der forårsager restspændinger, omfatter:

• støbning og ujævn størkning af materialet,
• svejsning og den tilhørende lokale opvarmning og krympning af svejsningen,
• valsning, smedning, prægning, bøjning og glatning,
• trækning og andre koldformningsprocesser,
• bearbejdning, især ved stor materialefjernelse,
• slibning og intensiv overfladebehandling,
• hærdning og andre varmebehandlingsprocesser,
• ujævn opvarmning eller afkøling af elementer med forskellige tværsnit.

Under spændingsaflastningsglødning øger stigende temperatur potentialet for spændingsrelaksationsprocesser. Materialet forbliver ved en given temperatur i en bestemt tidsperiode, hvilket gør det muligt at reducere spændinger betydeligt uden fuldstændigt at ændre dets mikrostruktur.
Dette betyder dog ikke, at udglødning altid fjerner spændinger fuldstændigt. Graden af ​​spændingsaflastning afhænger af faktorer som temperatur, udblødningstid, legeringstype, materialets tilstand og tidligere bearbejdningshistorik.

Hvorfor udføres spændingsaflastningsglødning?

Processens primære mål er at øge komponentens stabilitet under videre produktion og efterfølgende brug. Restspændinger kan føre til ændringer i komponentens form efter fræsning, drejning, boring eller skæring af materialet. I ekstreme tilfælde kan de også fremme revnedannelse.
Spændingsudglødning bruges blandt andet til at:

• reduktion af restspændinger efter svejsning,
• begrænse deformation under yderligere bearbejdning,
• øger præcisionsdelenes dimensionsstabilitet,
• reduktion af spændinger, der genereres under smedning, valsning eller glatning,
• stabilisering af store støbegods og smedegods,
• forberedelse af halvfabrikata til efterfølgende teknologiske operationer,
• reducerer risikoen for ukontrollerede ændringer i formen på det færdige element.

Spændingsaflastningsglødning - procestemperatur

Temperatur er en af ​​de vigtigste parametre for spændingsaflastning. Der findes ingen universel temperatur, der er egnet til alle materialer. Temperaturintervallet skal vælges ud fra den specifikke kvalitet, dens mikrostruktur, leveringsbetingelser og de nødvendige efterbehandlingsegenskaber.
Følgende værdier er vejledende og bør ikke erstatte de parametre, der er angivet for en specifik type materiale, standard, teknologisk dokumentation eller producentens anbefalinger.

I industriel praksis skal spændingsaflastningstemperaturen tages i betragtning i forbindelse med udblødningstiden. Forøgelse af temperaturen fremskynder typisk spændingsaflastningsprocessen, men for høje temperaturer kan forårsage uønskede ændringer i materialets mikrostruktur og egenskaber.

Udblødningstid under udglødning

Opvarmningstiden afhænger af materialetypen, procestemperaturen, komponentdimensionerne, tværsnitstykkelsen og batchvægten. Timingen af ​​opvarmningstidsmålingen er også afgørende – komponenten skal nå den passende temperatur i det nødvendige tværsnitsareal.
Små og tyndvæggede komponenter kan kræve en relativt kort opvarmningstid, mens massive smedegods, støbegods eller svejsede strukturer kræver en meget længere tid til temperaturudligning og effektiv spændingsaflastning.
Af denne grund bør simple regler som "én time for en given tykkelse" kun betragtes som teknologiske retningslinjer. Ved produktion af kritiske komponenter bør parametrene udledes af passende varmebehandlingsteknologi.

Opvarmning af elementet

Kontrolleret opvarmning er særligt vigtig for store komponenter, komplekse former og betydelige variationer i tværsnitstykkelse. For hurtig opvarmning kan forårsage betydelige temperaturforskelle mellem overfladen og kernen, hvilket introducerer yderligere termiske spændinger.
Jo større komponenten er, og jo mere varieret dens tværsnit er, desto vigtigere bliver en ensartet varmetilførsel. For massive smedegods, støbegods og svejsede strukturer bør opvarmningsprocessen være en del af den udviklede procesteknologi.

Afkøling efter spændingsaflastningsglødning

Kølekontrol er lige så vigtig som selve opvarmnings- og iblødsætningsprocessen. Hvis den spændingsaflastede komponent afkøles for hurtigt eller ujævnt, kan temperaturforskelle mellem individuelle områder forårsage spændinger igen.
Afhængigt af komponentens materiale og dimensioner anvendes køling med ovnen til en specifik temperatur, kontrolleret ovnkøling eller yderligere køling i stillestående luft. Kølemetoden bør tage hensyn til både den nødvendige grad af spændingsreduktion og potentialet for strukturelle ændringer.

Stadier af spændingsaflastningsglødning

1. Forberedelse af elementet – bestemmelse af materialetypen, dets tilstand, dimensioner og årsagen til spændingerne.
2. Kontrolleret opvarmning – bringe elementet op på den ønskede temperatur, samtidig med at for store termiske gradienter begrænses.
3. Temperaturudligning – opnåelse af den passende temperatur i elementets nødvendige tværsnitsareal.
4. Opvarmning – opretholdelse af materialet ved en given temperatur i et tidsrum, der muliggør passende spændingsreduktion.
5. Kontrolleret køling – sænkning af temperaturen på en måde, der begrænser muligheden for fornyet stressdannelse.

Effekten af ​​spændingsaflastningsglødning på materialeegenskaber

Korrekt udført spændingsaflastningsglødning bør primært reducere restspændinger og samtidig minimere påvirkningen af ​​materialets grundlæggende egenskaber. Dette betyder dog ikke, at de mekaniske egenskaber altid forbliver fuldstændig uændrede.

Hårdhed

I mange ståltyper forårsager korrekt valgt spændingsaflastning kun en lille ændring i hårdheden. Effekten af ​​processen afhænger dog af temperaturen og materialets tidligere tilstand. I koldhærdede eller varmebehandlede materialer kan stigende temperatur føre til delvist tab af hærdningseffekten eller mikrostrukturelle ændringer.

Flydespænding og trækstyrke

Ændringer i flydespænding og trækstyrke afhænger af materialet og procesparametrene. Formålet med spændingsaflastning er ikke at øge styrken, men primært at reducere restspændinger. Imidlertid kan for høje temperaturer eller for lange opvarmningstider påvirke de mekaniske egenskaber, især i tidligere hærdede materialer.

Stabiliserende vinkel

En af de vigtigste praktiske effekter af spændingsaflastning er øget dimensionsstabilitet. Dette er afgørende i produktionen af ​​maskinrammer, forme, matricer, aksler, plader, store smedegods og andre præcisionsbearbejdede komponenter.
Hvis et halvfabrikat indeholder betydelige restspændinger, kan fjernelse af materiale under fræsning eller drejning forstyrre deres ligevægt og føre til bøjning eller vridning af den bearbejdede del. Spændingsaflastning udført på det passende trin i den teknologiske proces kan reducere dette fænomen.

Spændingsaflastningsglødning efter svejsning

Svejsninger er blandt de vigtigste anvendelser af spændingsaflastningsbehandling. Under svejsning opvarmes et lille område af materialet intenst, mens resten af ​​strukturen forbliver betydeligt køligere. Efterfølgende afkøling og materialekrympning forårsager restspændinger.
I passende materialer og anvendelser kan varmebehandling efter svejsning reducere svejsespændinger og stabilisere strukturen. Parametrene for en sådan proces bør dog ikke udelukkende vælges ud fra det generelle temperaturområde; de ​​skal tage hensyn til materialekvalitet, komponenttykkelse, samlingstype og kravene i relevante standarder og procesdokumentation.

Spændingsudglødning efter bearbejdning

Spændingsaflastning kan også bruges mellem bearbejdningstrin. Det er især nyttigt ved produktion af store eller præcisionsdele, der kræver betydelig materialefjernelse under skrubfræsning.
En typisk proces kan involvere skrubfræsning, spændingsaflastning og derefter sletfræsning. Dette tillader enhver forvrængning som følge af spændingsomfordeling at forekomme, før den endelige overflade og dimensioner er opnået.

Anvendelse af spændingsaflastningsglødning

Svejsede strukturer

Processen kan anvendes i store rammer, karosserier, tanke, maskinkonstruktioner og andre svejsede komponenter, hvor dimensionsstabilitet og reducerede spændinger efter svejsning er vigtige.

Smedede dele og smedede dele

Store smedegods kan indeholde spændinger som følge af både plastisk deformation og ujævn afkøling. Passende varmebehandling kan være et trin i forberedelsen af ​​materialet til videre bearbejdning.

Støbegods

Spændinger kan opstå i støbegods under størkning og afkøling, især i komponenter med varierende vægtykkelser. Spændingsaflastning bruges blandt andet til at øge dimensionsstabiliteten af ​​støbegods og andre store komponenter.

Forme, dyser og værktøjer

I tilfælde af forme og matricer påvirker dimensionsstabilitet direkte nøjagtigheden af ​​fremstillede dele. Spændingsaflastning mellem bearbejdningstrin kan reducere deformation, der opstår efter intensiv fræsning eller andre mekaniske operationer.

Energi- og maskinindustrien

Processen anvendes også i produktion og reparation af industrielle installationskomponenter, huse, aksler, rørledninger og andre komponenter, hvis teknologien i et givet materiale muliggør spændingsreduktion ved varmebehandling.

Spændingsudglødning og andre typer udglødning

Spændingsudglødning bør ikke forveksles med normaliserings-, blødgørings-, omkrystalliserings-, homogeniserings- eller sfæroidiseringsudglødning. Individuelle processer udføres ved forskellige temperaturområder og er designet til at opnå forskellige teknologiske effekter.
I tilfælde af stresslindring er hovedopgaven reduktion af restspændinger med den mindst mulige ændring i materialets struktur og egenskaberI andre udglødningsprocesser kan ændring af mikrostrukturen dog være behandlingens primære mål.
En sammenligning af individuelle processer præsenteres mere detaljeret på hjemmesiden sammenligning af varmebehandlingsmetoder for stål.

Fordele ved spændingsaflastningsglødning

• reduktion af restspændinger,
• forbedring af elementernes dimensionsstabilitet,
• begrænse deformation under yderligere bearbejdning,
• reducerer risikoen for deformation efter svejsning, smedning eller støbning,
• evnen til at stabilisere store og komplekse elementer,
• forberedelse af halvfabrikata til præcis efterbehandling.

Begrænsninger ved spændingsaflastningsglødning

• Forkert temperatur kan ændre materialets mikrostruktur eller egenskaber,
• processen fører ikke altid til fuldstændig fjernelse af restspændinger,
• store komponenter kræver en lang og kontrolleret opvarmnings- og kølecyklus,
• Parametre, der er passende for én type stål, behøver ikke nødvendigvis at være passende for en anden,
• I nogle legeringer skal der tages hensyn til temperaturens indflydelse på korrosionsbestandighed, hærdningstilstand eller tidligere varmebehandling.

Udskiftning af forbrugsvarer er en vigtig varmebehandlingsproces, der bruges til at reducere restspændinger, der genereres under svejsning, støbning, smedning, valsning, glatning, bearbejdning og andre fremstillingsprocesser. Korrekt valgt temperatur, iblødsætningstid samt opvarmnings- og kølemetoder øger komponentens dimensionsstabilitet og reducerer risikoen for efterfølgende deformation.
Spændingsaflastningsparametre bør altid vælges baseret på materialets specifikke kvalitet og tilstand. Højtlegerede ståltyper, ståltyper, der tidligere er blevet varmebehandlet, og ikke-jernholdige legeringer kræver særlig forsigtighed, da for høje temperaturer kan forårsage ændringer i egenskaber ud over processens primære formål.

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.