Acéllágyítás – módszerek, hőmérséklet, mikroszerkezet és alkalmazás

Az acél lágyulása Olyan hőkezelési eljárásokat foglal magában, amelyek csökkentik az anyag keménységét, növelik a képlékenységét, vagy olyan mikroszerkezetet érnek el, amely kedvezőbb a további feldolgozáshoz. A lágyítást elsősorban a megmunkálás, a képlékeny alakítás és az azt követő hőkezelési folyamatok, például az edzés előtt alkalmazzák.
Ez az eljárás különösen fontos a nagy széntartalmú, ötvözött és szerszámacélok esetében, amelyek nagy keménysége vagy kedvezőtlen keményfémtartalma megnehezítheti az esztergálást, marást, fúrást vagy egyéb megmunkálási műveleteket. A lágyítás hidegalakítással edzett anyagoknál is alkalmazható, ahol a hidegalakítás hatásainak kiküszöbölése és az anyag további alakváltozásra való képességének helyreállítása szükséges.
Nincs egyetlen univerzális módszer az acél lágyítására. Az anyag típusától, a széntartalomtól, az ötvözőelemektől, a kezdeti szerkezettől és a kívánt hatástól függően különféle módszereket alkalmaznak, beleértve a teljes lágyítást, az izotermikus lágyítást, a szferoidizáló lágyítást és az átkristályosító lágyítást.

Mi az acél lágyítása?

A lágyítás az acél mechanikai tulajdonságai és mikroszerkezete közötti kapcsolatot használja ki. A megfelelően megválasztott melegítési, lágyítási és hűtési folyamatok megváltoztathatják a szerkezeti alkatrészek méretét és alakját, a keményfémek eloszlását, az anyag edzési állapotát és a maradékfeszültségek szintjét.
Az alkalmazott eljárástól függően a következők történhetnek: az ausztenit átalakulása ferritté és perlitté, a cementit vagy más karbidok szferoidizálódása, a feszültség alatt megkeményedett anyag átkristályosodása és a diszlokációsűrűség csökkenése.
A hatás jellemzően az anyag keménységének és további feldolgozással szembeni ellenállásának csökkenése, valamint a képlékenység növekedése. A pontos mechanizmus azonban az alkalmazott módszertől függ, ezért a „lágyulás” kifejezést nem szabad egyetlen konkrét hőciklussal azonosítani.

Miért lágyul az acél?

A hengerlés, kovácsolás, húzás, edzés vagy egyéb technológiai folyamatok után leszállított anyag nem mindig rendelkezik a következő gyártási művelethez szükséges tulajdonságokkal. A túlzott keménység növeli a szerszámkopást és a forgácsolóerőket, míg a túlzott alakváltozási keményedés korlátozhatja a további sajtolás, hajlítás vagy húzás képességét.
Az acél lágyításának fő céljai a következők:

• az anyag keménységének csökkentése,
• jobb megmunkálhatóság megfelelő acélminőségekben,
• a plaszticitás és a további alakíthatóság növelése,
• a deformációs keményedés hatásainak megszüntetése vagy korlátozása,
• kedvező cementit vagy karbidok formájának megszerzése,
• acél előkészítése edzésre és további hőkezelésre,
• a mikroszerkezet homogenizálása a további gyártási szakaszok előtt.

Az acél lágyításának módszerei

A lágyítási módszer megválasztása elsősorban az acél típusától és a kívánt technológiai hatástól függ. Az edzésre szánt nagy széntartalmú acél más eljárást igényel, mint a hideghengerlés során erősen edzett, alacsony széntartalmú lemez.

1. Teljes hőkezelés

Teljes hőkezelés magában foglalja az acél megfelelő ausztenitesedést biztosító tartományba történő felmelegítését, az anyag felmelegítését, majd nagyon lassú lehűtését, általában a kemencével együtt.
Hipoeutektoid acélok esetében a folyamathőmérsékletet az Ac3 kritikus hőmérséklet felett választják meg. A pontos hőmérséklet, az áztatási idő és a hűtési sebesség az acélminőségtől és az alkatrész méreteitől függ.
A lassú hűtés viszonylag lágy ferrit-perlit szerkezetet eredményez. Összehasonlítva a ...-val/-vel. acél normalizálása a hűtés sokkal lassabb, így a kapott szerkezet és mechanikai tulajdonságok eltérőek.
Tipikus felhasználás: szerkezeti acélok és egyéb olyan minőségek, amelyek keménységcsökkentést, képlékenységnövelést vagy további feldolgozásra való előkészítést igényelnek.

2. Izotermikus hőkezelés

Izotermikus hőkezelés az ausztenit állandó hőmérsékleten történő, szabályozott átalakítását alkalmazza. Az ausztenitesítés után az acélt a megfelelő átalakítási hőmérsékletre hűtik, majd ezen a hőmérsékleten tartják, amíg el nem éri a kívánt mikroszerkezetet.
A klasszikus, nagyon lassú, folyamatos hűtést igénylő lágyítással ellentétben az átalakulás szabályozott izotermikus körülmények között megy végbe. Ez egyenletesebb szerkezetet és bizonyos acélok esetében rövidebb feldolgozási időt tesz lehetővé.
A módszert többek között olyan ötvözött és szerszámacéloknál alkalmazzák, ahol a hagyományos lágyítás során a lassú hűtés időigényes lenne.
Hatás: szabályozott mikroszerkezet és tulajdonságok elérése, amelyek lehetővé teszik a további mechanikai vagy termikus feldolgozást.

3. Golyós hőkezelés – szferoidizálás

Golyós lágyítás, más néven szferoidizálás, különösen fontos a magas széntartalmú, csapágyacélok és szerszámacélok esetében. Célja a cementit és más karbidok morfológiájának megváltoztatása, hogy lekerekítettebb, gömb alakú részecskéket hozzon létre, amelyek ferrites mátrixban rendeződnek el a lemezes vagy hálószerű elrendezés helyett.
A szferoidizáció különféle termikus ciklusokkal végezhető, beleértve az Ac1 hőmérséklet közelében történő hosszan tartó melegítést vagy egy adott hőmérsékleti tartományon belüli ciklust. A paraméterek az adott faj kémiai összetételétől és kezdeti szerkezetétől függenek.
A keményfémek alakjának és elrendezésének megváltoztatása jelentősen csökkentheti a nagy széntartalmú acél keménységét és javíthatja megmunkálhatóságát. A megfelelően előkészített szerkezet kedvező kezdeti állapotot is biztosít a későbbi edzés előtt.
Tipikus felhasználás: szerszámacélok, csapágyacélok és egyéb, további mechanikai megmunkálásra és edzésre szánt magas széntartalmú acélok.

4. Átkristályosításos hőkezelés

Átkristályosításos hőkezelés Elsősorban hidegalakítással, például hengerléssel, húzással vagy sajtolással edzett anyagokhoz használják.
Hideg alakítás során a diszlokációsűrűség növekszik, az anyag megkeményedik, keménysége és szilárdsága nő, míg a képlékenysége csökken. Amint a hidegalakítás magas fokát eléri, a további alakítás nehézkessé válhat.
Az átkristályosító lágyítás új szemcséket hoz létre, amelyek mentesek a korábbi alakváltozási keményedés hatásaitól. Ez a alakváltozási keményedés miatti keménység- és szilárdságcsökkenéshez, valamint a képlékenység helyreállításához vezet.
Tipikus felhasználás: intenzív hidegalakításnak kitett lemezek, szalagok, huzalok és egyéb félkész termékek.

Az acéllágyítási módszerek összehasonlítása

Módszer Alapmechanizmus Fő hatás Tipikus alkalmazás Teljes lágyítás Ausztenitesedés és lassú átalakulás hűtés közben Keménységcsökkentés és lágyabb szerkezet Szerkezeti acélok és félkész termékek további feldolgozás előtt Izotermikus lágyítás Ausztenitesedés szabályozott, állandó hőmérsékleten Egyenletes mikroszerkezet és szabályozott tulajdonságok Kiválasztott ötvözött és szerszámacélok Golyós/gömbös lágyítás Cementit és keményfém morfológiájának változása Keménységcsökkentés és jobb megmunkálhatóság Nagy széntartalmú, csapágyacélok és szerszámacélok Átkristályosító lágyítás Új szemcsék képződése előzetes alakítási edzés után A keményedési hatások eltávolítása és a képlékenység helyreállítása Hidegen alakított lemezek, szalagok és huzalok

Az acéllágyítási módszerek összehasonlítása

Hogyan változik a mikroszerkezet lágyulás során?

A mikroszerkezeti változások a lágyítás típusától függenek. Ezért lehetetlen egyetlen, az összes lágyulási folyamatra jellemző szerkezetet azonosítani.
Az alkalmazott technológiától függően a következők fordulhatnak elő:

• ferrit-perlites szerkezet kialakulása az ausztenitesítés utáni lassú hűtés során,
• szabályozott ausztenites átalakulás izotermikus hőkezelés során,
• cementit és más karbidok szferoidizációja magas széntartalmú és ötvözött acélokban,
• a szerkezet visszanyerése és átkristályosodása előzetes hidegplasztikai megmunkálás után,
• a diszlokációsűrűség és a feszültségkeményedés hatásainak csökkentése.

Szferoidizáló lágyítás – miért fontos a szerszámacéloknál?

A szerszámacéloknál és más magas széntartalmú acéloknál a keménység önmagában nem az egyetlen paraméter, amely meghatározza a megmunkálási alkalmasságot. A keményfémek formája, mérete és eloszlása ​​is döntő fontosságú.
A megfelelően elosztott, közel gömb alakú keményfémekből álló szerkezet megkönnyítheti a megmunkálást, és megfelelő kiindulási feltételeket biztosíthat a későbbi ausztenitesítéshez és edzéshez. Ezért a szerszámacélokat gyakran lágyított állapotban szállítják.
A lágyítás utáni tényleges keménységet az adott acélminőségre kell meghatározni. Nem szabad egyetlen HB vagy HV tartományt alkalmazni minden szerszámacélra.

Acél lágyulása és megmunkálhatósága

A lágyítás alkalmazásának egyik legfontosabb oka az anyag előkészítése esztergáláshoz, maráshoz, fúráshoz, üregelőhöz vagy egyéb megmunkálási műveletekhez. A túlzott keménység csökkentése csökkentheti a vágóél feszültségét és a szerszámkopást.
A keménység és a megmunkálhatóság közötti összefüggés azonban nem lineáris. A lehető legalacsonyabb keménységű anyag nem mindig a legkönnyebben megmunkálható. A nagyon puha és képlékeny acélok problémákat tapasztalhatnak a forgácsképződéssel, az élrátétképződéssel és a felületi minőséggel.
Ezért a megfelelő eljárást nemcsak a lehető legalacsonyabb keménység elérése érdekében választják ki, hanem mindenekelőtt az adott anyagnak és a későbbi gyártástechnológiának megfelelő mikroszerkezet létrehozása érdekében.

Acél lágyulása és széntartalma

A széntartalom jelentős hatással van a lágyítási módszer megválasztására. Alacsony széntartalmú acéloknál különösen fontos lehet a hidegalakítási edzés hatásainak eltávolítása. Közepes széntartalmú acéloknál az eljárás megválasztása többek között a későbbi mechanikai és hőkezeléstől függ.
A nagy széntartalmú acélokban a cementit és más karbidok morfológiája egyre fontosabbá válik. Ezért a szerszám-, csapágy- és rugóacélokban gyakran alkalmazzák a karbid szferoidizációjához vezető eljárásokat.

Szénacélok lágyulása

Szénacélok esetében a kezelés megválasztása a széntartalomtól és a kívánt végső állapottól függ. Például a C45 acél eltérő kezelést igényelhet, mint a magas széntartalmú rugó- vagy szerszámacélok.
Magasabb széntartalmú acélok esetében a megmunkálás és az azt követő edzés előtt szferoidizáló lágyítás alkalmazható. A megfelelő cementitforma elérése megkönnyíti a további feldolgozást és felkészíti a szerkezetet a következő termikus ciklusra.

Ötvözött acélok lágyulása

Az ötvözőelemek jelentősen befolyásolhatják az átalakulási hőmérsékleteket, az edzhetőséget, a képződő karbidok típusát és a diffúziós folyamatok sebességét. Ezért a sima szénacélra megfelelő paramétereket nem szabad automatikusan alkalmazni króm, króm-molibdén, nikkel vagy erősen ötvözött acélokra.
Ötvözött acéloknál különösen fontos a hőmérséklet, az idő és a hűtési sebesség szabályozása. Szerszámacélok esetében a lágyítási paramétereket általában minden egyes minőségre külön határozzák meg.

Rozsdamentes acélok lágyulása

A rozsdamentes acélok esetében a „lágyítás” kifejezéssel nagyobb óvatossággal kell bánni. Az ausztenites, ferrites, martenzites és duplex acélok eltérő mikroszerkezettel rendelkeznek, és eltérő hőkezelést igényelnek.
Például az ausztenites rozsdamentes acélok hidegalakítás során jelentősen megkeményedhetnek. Alakíthatóságuk visszaállításához gondosan kiválasztott hőkezelés szükséges, amely megfelel az adott minőségnek. Ezért nem szabad egyetlen, univerzális hőmérsékleti tartományt használni a „rozsdamentes acél lágyításához”.

Az idő és a hőmérséklet hatása az acél lágyulására

A hőmérséklet és az idő szorosan összefügg. A túl alacsony hőmérséklet nem feltétlenül vezet a kívánt mikroszerkezeti változásokhoz, míg a túl magas hőmérséklet vagy a túlzottan hosszú melegítés nemkívánatos szemcsenövekedést vagy más szerkezeti változásokat okozhat.
A folyamatparamétereknek tartalmazniuk kell:

• az acél minősége és kémiai összetétele,
• kritikus anyaghőmérsékletek,
• kimeneti struktúra,
• a korábbi megerősítés mértéke,
• az elem méretei és geometriája,
• a kemence típusa és a fűtési mód,
• várható végső mikroszerkezet,
• további mechanikai vagy hőkezelés típusa.

A hűtési sebesség hatása

A hűtési sebesség az egyik olyan paraméter, amely meghatározza az acél végső szerkezetét. A klasszikus teljes lágyítás lassú hűtést alkalmaz, hogy lehetővé tegye a lágyabb szerkezethez vezető átalakulásokat.
Izotermikus lágyítás során az ausztenitesített anyagot egy meghatározott hőmérsékletre melegítik, amelyen szabályozott átalakulás megy végbe. Az átkristályosító lágyítás során ezzel szemben a hűtési módszernek más jelentősége van, mivel a folyamat elsődleges célja a korábbi feszültségkeményedés hatásainak eltávolítása, nem pedig az ausztenit átalakítása.
Emiatt nem szabad egyetlen hűtési sebességértéket használni minden lágyítási folyamathoz.

Légkör lágyítás közben

A lágyítás során nemcsak a hőmérséklet és az idő fontos, hanem a kemence légköre is. A magas hőmérséklet felületi oxidációhoz, vízkőképződéshez és bizonyos körülmények között a felületi réteg kémiai összetételének megváltozásához vezethet.
A technológiai követelményektől függően levegőatmoszférában, védőatmoszférában vagy vákuumban működő kemencéket alkalmaznak. A védőatmoszféra vagy a vákuum különösen fontos lehet precíziós alkatrészek és ötvözött acélok esetében, ahol az oxidáció csökkentése és a kiváló felületi minőség szükséges.

Az acéllágyítás alkalmazása az iparban

Szerszámgyártás

A szerszámacélokat gyakran mechanikusan kezelik a végső edzés előtt. A lágyítás, különösen a gömbölyítés, olyan szerkezetet hoz létre, amely megkönnyíti a marást, esztergálást, fúrást és egyéb műveleteket a végső hőkezelés előtt.

Csapágygyártás

A nagy széntartalmú acéloknál fontos a megfelelő keményfém alak és eloszlás elérése az edzés előtt. A szferoidizáló lágyítás ezért az anyagelőkészítés egyik kulcsfontosságú lépése.

Lemezek, szalagok és huzalok gyártása

A hideghengerlésnek vagy húzásnak kitett anyagok fokozatosan megkeményednek. Az átkristályosító lágyítás visszaállítja a megfelelő képlékenységet, és lehetővé teszi az alakítási folyamat folytatását.

Gépipar

A lágyítás alkalmazható félkész termékek előállításánál tengelyekhez, fogaskerekekhez, sebességváltó alkatrészekhez, formákhoz és egyéb, intenzív megmunkálást igénylő alkatrészekhez a végső hőkezelés előtt.

Lágyító és feszültségcsökkentő hőkezelés

A lágyítást nem szabad egyenlővé tenni a következőkkel: feszültségcsökkentő lágyításA feszültségmentesítés elsődleges célja a maradékfeszültségek csökkentése, miközben minimalizálja az anyag alapvető mikroszerkezetének változását.
A lágyítás során elsősorban a keménység, a képlékenység vagy a mikroszerkezet olyan megváltoztatása a cél, amely megkönnyíti a későbbi technológiai műveleteket.

Lágyítás és normalizálás

Acél normalizálása ausztenitesítéssel és az azt követő levegőhűtéssel jár. Sok szénacél esetében ez finomabb szerkezetet, nagyobb keménységet és szilárdságot eredményez, mint a lassú lágyítás.
Ha az elsődleges cél a nagy széntartalmú szerszámacél lehető legegyszerűbb megmunkálása, akkor a szferoidizáló lágyítás lehet a megfelelőbb eljárás. Ha azonban kovácsolás vagy hengerlés után szemcsefinomításra és szerkezeti homogenitásra van szükség, akkor a normalizálás lehet a megfelelő eljárás.

Lágyulás és keményedés

Lágyítás és acél edzés Alapvetően eltérő célokat követnek. Az edzés nagy keménységű szerkezetet hoz létre, míg a lágyítás a keménység csökkentésére vagy a további feldolgozáshoz kedvező szerkezet elérésére szolgál.
Ezek a folyamatok azonban gyakran egyetlen technológiai sorozatban zajlanak le. A szerszámacélt először lágyíthatják, majd mechanikusan megmunkálhatják, és csak ezután edzhetik és... megbocsátott.

Az acél lágyításának legfontosabb előnyei

• a túlzott keménység csökkentése,
• a megfelelő minőségek megmunkálhatóságának javítása,
• az anyag képlékenységének növelése,
• a képlékenység helyreállítása hidegalakítás után,
• a megfelelő karbid morfológia elérése,
• szerszám- és magas széntartalmú acélok előkészítése edzésre,
• a formázás és a mechanikai feldolgozás későbbi szakaszainak elvégzésének lehetősége.

Folyamatkorlátozások

• a paramétereket egy adott acélminőséghez kell kiválasztani,
• A túl magas hőmérséklet kedvezőtlen gabonanövekedést okozhat,
• A nem megfelelő hűtés helytelen mikroszerkezetet eredményezhet,
• a szferoidizációs folyamatok hosszú melegítési időt igényelhetnek,
• nem minden lágyítási módszer alkalmas minden acéltípushoz,
• Erősen ötvözött acélok esetében figyelembe kell venni a jelenlévő keményfémek típusát és stabilitását, valamint az adott minőségre jellemző átalakulásokat.

Az acéllágyítás nem egyetlen, univerzális paraméterekkel rendelkező folyamat, hanem inkább az anyag kémiai összetétele, kezdeti mikroszerkezete és tervezett felhasználása alapján kiválasztott hőkezelések egy csoportja. A teljes lágyítás, az izotermikus lágyítás, a szferoidizáló lágyítás és az átkristályosító lágyítás különböző mechanizmusokat alkalmaz, de közös céljuk a későbbi technológiai műveletekhez kedvezőbb anyagállapot elérése.

A nagy széntartalmú és szerszámacélok esetében a szferoidizáló lágyítás különösen fontos, mivel lehetővé teszi a keményfém morfológiájának megváltoztatását, és előkészíti az anyagot a megmunkálásra és az azt követő edzésre. A hidegalakítással megerősített anyagoknál az átkristályosítás kulcsfontosságú, amely kiküszöböli a hidegalakítás hatásait és visszaállítja a képlékenységet.
A hőmérsékletet, az áztatási időt és a hűtési módszert mindig az adott acélminőséghez kell meghatározni. Ez lehetővé teszi a kívánt mikroszerkezet elérését ellenőrizetlen szemcsenövekedés, nemkívánatos átalakulások vagy az anyagtulajdonságok romlása nélkül.

Acél hő- és termokémiai kezelési módszerei

A lágyítás csak egy az acél mikroszerkezetének és tulajdonságainak módosítására használt eljárások közül. A kívánt hatástól függően normalizálást, feszültségmentesítést, edzést, megeresztést, valamint termokémiai eljárásokat, például karbonizálást és nitridálást is alkalmaznak.

Acél hőkezelési módszerek

• Acél normalizálása – szemcsefinomítás és mikroszerkezet-egyesítés.
• Wyżarzanie odpreżające – a maradékfeszültségek csökkentése.
• Az acél lágyulása – a keménység csökkentése és a további feldolgozásra való hajlam javítása.
• Teljes hőkezelés – ausztenitesedés és lassú hűtés.
• Izotermikus hőkezelés – az átalakítást megfelelően megválasztott hőmérsékleten tartva hajtják végre.
• Golyós lágyítás – szferoidizálás – a cementit vagy más karbidok morfológiájának változása.
• Átkristályosításos hőkezelés – a zúzódás hatásainak megszüntetése és a képlékenység helyreállítása.
• Homogenizáló hőkezelés – a szegregáció csökkentése és az anyagösszetétel homogenizálása.
• Edzés és hőkezelés – a mikroszerkezet és a tulajdonságok alakítása edzéssel és megeresztéssel.
• Edzett acél – az acél tulajdonságainak szabályozott módosítása edzés után.
• Indukciós edzés – felületi indukciós melegítés és gyors hűtés.
• Láng edzés – felületi keményedés lánggal történő helyi melegítés után.
• Túltelítettség – megfelelő termikus ciklussal túltelített szilárd oldat előállítása.
• Öregedés – szabályozott fázisszétválás, ami az anyag megszilárdulásához vezet.

Acél termokémiai kezelési módszerei

• Acél nitridálása – a felületi réteg diffúziós nitrogéndúsulása.
• Karburáló acél – a felület diffúziós dúsulása szénnel.
• Karbonitriding – a felületi réteg egyidejű dúsítása szénnel és nitrogénnel.
• Nitrokarburálás / nitrokarburálás – a réteg elsősorban nitrogénnel és szénnel való dúsulása.
• Fúrás – a felület diffúziós telítettsége bórral.
• Diffúziós krómozás – a réteg krómmal történő diffúziós dúsulása.
• Diffúziós alumíniummal történő bevonat – a réteg diffúziós dúsulása alumíniumban.