Plieno minkštinimas – metodai, temperatūra, mikrostruktūra ir taikymas

Plieno minkštėjimas Tai apima terminio apdorojimo procesus, kurie sumažina medžiagos kietumą, padidina jos plastiškumą arba pasiekia palankesnę mikrostruktūrą tolesniam apdorojimui. Minkštinimas daugiausia naudojamas prieš mechaninį apdirbimą, plastinį formavimą ir vėlesnius terminio apdorojimo procesus, tokius kaip grūdinimas.
Šis procesas ypač svarbus didelio anglies kiekio, legiruotiems ir įrankiniams plienams, kurių didelis kietumas arba nepalankus karbidų kiekis gali apsunkinti tekinimo, frezavimo, gręžimo ar kitas mechaninio apdirbimo operacijas. Minkštinimas taip pat gali būti naudojamas šaltuoju būdu grūdintoms medžiagoms, kai būtina pašalinti šaltojo apdirbimo poveikį ir atkurti medžiagos gebėjimą toliau deformuotis.
Nėra vieno universalaus plieno minkštinimo metodo. Priklausomai nuo medžiagos tipo, anglies kiekio, legiruojančių elementų, pradinės struktūros ir norimo efekto, naudojami įvairūs metodai, įskaitant visišką atkaitinimą, izoterminį atkaitinimą, sferoidinį atkaitinimą ir rekristalinį atkaitinimą.

Kas yra plieno minkštinimas?

Minkštinimas išnaudoja plieno mechaninių savybių ir jo mikrostruktūros ryšį. Tinkamai parinkti kaitinimo, atkaitinimo ir aušinimo procesai gali pakeisti konstrukcinių komponentų dydį ir formą, karbidų pasiskirstymą, medžiagos sukietėjimo būseną ir liekamųjų įtempių lygį.
Priklausomai nuo naudojamo proceso, gali įvykti šie procesai: austenito virsmas feritu ir perlitu, cementito ar kitų karbidų sferoidizacija, deformacijos būdu sukietėjusios medžiagos rekristalizacija ir dislokacijų tankio sumažėjimas.
Paprastai poveikis yra medžiagos kietumo ir atsparumo tolesniam apdorojimui sumažėjimas bei plastiškumo padidėjimas. Tačiau tikslus mechanizmas priklauso nuo naudojamo metodo, todėl termino „minkštėjimas“ nereikėtų sieti su vienu konkrečiu terminiu ciklu.

Kodėl plienas minkštėja?

Po valcavimo, kalimo, tempimo, grūdinimo ar kitų technologinių procesų pristatyta medžiaga ne visada pasižymi savybėmis, reikalingomis kitai gamybos operacijai. Per didelis kietumas padidina įrankių susidėvėjimą ir pjovimo jėgas, o per didelis deformacinis grūdinimas gali apriboti tolesnio štampavimo, lenkimo ar tempimo galimybes.
Pagrindiniai plieno minkštinimo tikslai yra šie:

• sumažinant medžiagos kietumą,
• pagerintas atitinkamų plieno rūšių apdirbamumas,
• didėja plastiškumas ir gebėjimas toliau formuotis,
• deformacinio sukietėjimo poveikio pašalinimas arba ribojimas,
• gaunant palankią cementito arba karbidų formą,
• plieno paruošimas grūdinimui ir tolesniam terminiam apdorojimui,
• mikrostruktūros homogenizavimas prieš vėlesnius gamybos etapus.

Plieno minkštinimo metodai

Minkštinimo metodo pasirinkimas pirmiausia priklauso nuo plieno rūšies ir norimo technologinio efekto. Didelio anglies kiekio plienui, skirtam grūdinimui, reikalingas kitoks procesas nei mažai anglies turinčiam lakštiniam metalui, stipriai grūdintam šaltojo valcavimo metu.

1. Visiškas atkaitinimas

Visiškas atkaitinimas apima plieno kaitinimą iki diapazono, užtikrinančio tinkamą austenitizaciją, medžiagos kaitinimą ir po to labai lėtą aušinimą, dažniausiai kartu su krosnimi.
Hipoeutektoidiniams plienams proceso temperatūra parenkama aukštesnė už kritinę temperatūrą Ac3. Tiksli temperatūra, mirkymo laikas ir aušinimo greitis priklauso nuo plieno rūšies ir komponento matmenų.
Lėtas aušinimas leidžia gauti santykinai minkštą ferito-perlito struktūrą. Palyginti su plieno normalizavimas aušinimas yra daug lėtesnis, todėl gaunama struktūra ir mechaninės savybės skiriasi.
Tipinis naudojimas: konstrukciniams plienams ir kitoms rūšims, kurioms reikia sumažinti kietumą, pagerinti plastiškumą arba paruošti tolesniam apdorojimui.

2. Izoterminis atkaitinimas

Izoterminis atkaitinimas naudoja kontroliuojamą austenito transformaciją pastovioje temperatūroje. Po austenitizacijos plienas aušinamas iki atitinkamos transformacijos temperatūros ir laikomas toje temperatūroje, kol pasiekiama reikiama mikrostruktūra.
Skirtingai nuo klasikinio atkaitinimo, kai naudojamas labai lėtas, nuolatinis aušinimas, transformacija vyksta kontroliuojamomis izoterminėmis sąlygomis. Tai leidžia gauti vienodesnę struktūrą ir, kai kurių plienų atveju, trumpesnį proceso laiką.
Šis metodas, be kita ko, naudojamas kai kuriems legiruotiems ir įrankiniams plienams, kur lėtas aušinimas tradicinio atkaitinimo metu užtruktų ilgai.
Efektas: gauti kontroliuojamą mikrostruktūrą ir savybes, leidžiančias toliau mechaniškai arba terminiu būdu apdoroti.

3. Rutulio atkaitinimas – sferoidizavimas

Rutulinis atkaitinimas, dar vadinamas sferoidizavimu, yra ypač svarbus didelio anglies kiekio, guolių ir įrankiniams plienams. Jo tikslas – pakeisti cementito ir kitų karbidų morfologiją, kad būtų gautos labiau apvalios, sferoidinės dalelės, išsidėsčiusios feritinėje matricoje, o ne sluoksniuotoje ar tinklelio pavidalo struktūroje.
Sferoidizacija gali būti atliekama naudojant įvairius terminius ciklus, įskaitant ilgalaikį kaitinimą netoli Ac1 temperatūros arba ciklinį ciklą per tam tikrą temperatūros diapazoną. Parametrai priklauso nuo konkrečios rūšies cheminės sudėties ir pradinės struktūros.
Karbidų formos ir išdėstymo keitimas gali žymiai sumažinti didelio anglies kiekio plieno kietumą ir pagerinti jo apdirbamumą. Tinkamai paruošta konstrukcija taip pat suteikia palankią pradinę būklę prieš vėlesnį grūdinimą.
Tipinis naudojimas: įrankių plienai, guolių plienai ir kiti didelio anglies kiekio plienai, skirti tolesniam mechaniniam apdorojimui ir grūdinimui.

4. Rekristalizacijos atkaitinimas

Rekristalizacijos atkaitinimas Jis daugiausia naudojamas medžiagoms, grūdintoms šaltojo formavimo, pvz., valcavimo, tempimo ar štampavimo, metu.
Šaltos deformacijos metu dislokacijų tankis padidėja, medžiaga sukietėja, padidėja jos kietumas ir stiprumas, o tąsumas mažėja. Pasiekus aukštą šaltosios deformacijos laipsnį, tolesnis formavimas gali tapti sudėtingas.
Rekristalizacijos atkaitinimo metu susidaro nauji grūdeliai, be ankstesnio grūdinimo deformacijos būdu. Dėl to sumažėja kietumas ir stiprumas dėl grūdinimo deformacijos būdu, o tąsumas atkuriamas.
Tipinis naudojimas: lakštai, juostelės, viela ir kiti pusgaminiai, kuriems taikomas intensyvus šaltasis apdirbimas.

Plieno minkštinimo metodų palyginimas

Metodas Pagrindinis mechanizmas Pagrindinis poveikis Tipinis pritaikymas Visiškas atkaitinimas Austenitizacija ir lėta transformacija aušinimo metu Kietumo mažinimas ir minkštesnė struktūra Konstrukciniams plienams ir pusgaminiams prieš tolesnį apdorojimą Izoterminis atkaitinimas Austenito transformacija kontroliuojamoje, pastovioje temperatūroje Vienoda mikrostruktūra ir kontroliuojamos savybės Pasirinkti legiruoti ir įrankiniai plienai Rutulinis/sferoidinis atkaitinimas Cementito ir karbido morfologijos pokytis Kietumo mažinimas ir geresnis apdirbamumas Daugiaangliai, guolių ir įrankiniai plienai Rekristalinis atkaitinimas Naujų grūdelių susidarymas po ankstesnio grūdinimo Sukietėjimo poveikio pašalinimas ir tąsumo atkūrimas Šaltai apdirbti lakštai, juostelės ir vielos

Plieno minkštinimo metodų palyginimas

Kaip keičiasi mikrostruktūra minkštėjimo metu?

Mikrostruktūriniai pokyčiai priklauso nuo atkaitinimo tipo. Todėl neįmanoma nustatyti vienos struktūros, būdingos visiems minkštėjimo procesams.
Priklausomai nuo naudojamos technologijos, gali atsirasti tokių reiškinių:

• feritinės-perlitinės struktūros susidarymas lėtai aušinant po austenitizacijos,
• kontroliuojama austenito transformacija izoterminio atkaitinimo metu,
• cementito ir kitų karbidų sferoidizavimas didelio anglies kiekio ir legiruotuose plienuose,
• konstrukcijos atstatymas ir rekristalizavimas po ankstesnio šaltojo plastinio apdirbimo,
• sumažinant dislokacijų tankį ir deformacijos sukietėjimo poveikį.

Sferoidinis atkaitinimas – kodėl jis svarbus įrankiniams plienams?

Įrankinių plienų ir kitų didelio anglies kiekio plienų atveju vien kietumas nėra vienintelis parametras, lemiantis tinkamumą apdirbti. Taip pat labai svarbūs karbidų forma, dydis ir pasiskirstymas.
Tinkamai paskirstytų, beveik sferinių karbidų struktūra gali palengvinti apdirbimą ir sudaryti tinkamas pradines sąlygas vėlesniam austenitizavimui ir grūdinimui. Todėl įrankinis plienas dažnai tiekiamas minkštai atkaitintas.
Tikrasis kietumas po atkaitinimo turėtų būti nustatytas konkrečiai plieno rūšiai. Nereikėtų taikyti vieno HB arba HV intervalo visiems įrankiniams plienams.

Plieno minkštėjimas ir apdirbamumas

Viena iš svarbiausių priežasčių, kodėl reikia taikyti minkštinimą, yra medžiagos paruošimas tekinimo, frezavimo, gręžimo, pratraukimo ar kitoms mechaninio apdirbimo operacijoms. Per didelio kietumo sumažinimas gali sumažinti pjovimo briaunų įtempimą ir įrankių nusidėvėjimą.
Tačiau kietumo ir apdirbamumo ryšys nėra tiesinis. Mažiausio kietumo medžiaga ne visada yra lengviausiai apdirbama. Labai minkšti ir kalieji plienai gali susidurti su drožlių susidarymo, briaunų sankaupų ir paviršiaus apdailos problemomis.
Todėl tinkamas procesas parenkamas ne tik siekiant kuo mažesnio kietumo, bet ir, svarbiausia, siekiant gauti konkrečiai medžiagai ir vėlesnei gamybos technologijai tinkamą mikrostruktūrą.

Plieno minkštėjimas ir anglies kiekis

Anglies kiekis daro didelę įtaką minkštinimo metodo pasirinkimui. Mažo anglies kiekio plienuose ypač svarbu pašalinti šaltojo grūdinimo poveikį. Vidutinio anglies kiekio plienuose proceso pasirinkimas, be kita ko, priklauso nuo vėlesnio mechaninio ir terminio apdorojimo.
Daugiaangliniuose plienuose cementito ir kitų karbidų morfologija tampa vis svarbesnė. Todėl įrankiniuose, guolių ir spyruokliniuose plienuose dažnai naudojami procesai, lemiantys karbidų sferoidizaciją.

Anglinio plieno minkštėjimas

Anglinio plieno apdorojimo pasirinkimas priklauso nuo anglies kiekio ir pageidaujamos galutinės būklės. Pavyzdžiui, C45 plienui gali reikėti kitokio apdorojimo nei didelio anglies kiekio spyruokliniams ar įrankiniams plienams.
Plienams, kuriuose yra didesnis anglies kiekis, prieš apdirbimą ir vėlesnį grūdinimą galima naudoti sferoidinį atkaitinimą. Tinkamos cementito formos gavimas palengvina tolesnį apdorojimą ir paruošia struktūrą kitam terminiam ciklui.

Legiruotų plienų minkštinimas

Legiruojantys elementai gali reikšmingai paveikti transformacijos temperatūras, kietumą, susidarančių karbidų tipą ir difuzijos procesų greitį. Todėl chromo, chromo-molibdeno, nikelio ar gausiai legiruotiems plienams neturėtų būti automatiškai taikomi paprastam angliniam plienui tinkami parametrai.
Legiruotųjų plienų atveju ypač svarbu kontroliuoti temperatūrą, laiką ir aušinimo greitį. Įrankinių plienų minkštojo atkaitinimo parametrai paprastai nustatomi kiekvienai rūšiai atskirai.

Nerūdijančio plieno minkštinimas

Kalbant apie nerūdijantį plieną, terminas „minkštėjimas“ reikalauja daugiau atsargumo. Austenitiniai, feritiniai, martensitiniai ir dupleksiniai plienai turi skirtingas mikrostruktūras ir reikalauja skirtingo terminio apdorojimo.
Pavyzdžiui, austenitiniai nerūdijantys plienai šaltojo apdirbimo metu gali gerokai sukietėti. Norint atkurti jų tąsumą, reikia kruopščiai parinkti terminį apdorojimą, tinkamą konkrečiai rūšiai. Todėl nereikėtų naudoti vieno universalaus „nerūdijančio plieno minkštinimo“ temperatūros diapazono.

Laiko ir temperatūros poveikis plieno minkštėjimui

Temperatūra ir laikas yra glaudžiai susiję. Per žema temperatūra gali nesukelti reikiamų mikrostruktūrinių pokyčių, o per aukšta temperatūra arba pernelyg ilgas kaitinimas gali sukelti nepageidaujamą grūdelių augimą ar kitus struktūrinius pokyčius.
Proceso parametrai turėtų apimti:

• plieno rūšis ir cheminė sudėtis,
• kritinės medžiagos temperatūros,
• išvesties struktūra,
• ankstesnio sutvirtinimo laipsnis,
• elemento matmenys ir geometrija,
• krosnies tipas ir šildymo būdas,
• numatoma galutinė mikrostruktūra,
• Tolesnio mechaninio arba terminio apdorojimo tipas.

Aušinimo greičio poveikis

Aušinimo greitis yra vienas iš parametrų, lemiančių galutinę plieno struktūrą. Klasikinis visiškas atkaitinimas naudoja lėtą aušinimą, kad būtų galima atlikti transformacijas, dėl kurių struktūra tampa minkštesnė.
Izoterminio atkaitinimo metu austenitizuota medžiaga kaitinama iki tam tikros temperatūros, kurioje vyksta kontroliuojama transformacija. Kita vertus, rekristalinio atkaitinimo metu aušinimo metodas turi kitokią reikšmę, nes pagrindinis proceso tikslas yra pašalinti ankstesnio grūdinimo poveikį, o ne transformuoti austenitą.
Dėl šios priežasties negalima naudoti vienos aušinimo greičio vertės visiems minkštinimo procesams.

Atmosfera minkštojo atkaitinimo metu

Atkaitinimo metu svarbi ne tik temperatūra ir laikas, bet ir krosnies atmosfera. Aukšta temperatūra gali sukelti paviršiaus oksidaciją, apnašų susidarymą ir, tam tikromis sąlygomis, paviršiaus sluoksnio cheminės sudėties pokyčius.
Priklausomai nuo technologinių reikalavimų, naudojamos oro atmosferoje, apsauginėje atmosferoje arba vakuume veikiančios krosnys. Apsauginė atmosfera arba vakuumas gali būti ypač svarbios tiksliems komponentams ir legiruotiems plienams, kur reikalinga oksidacijos mažinimas ir aukšta paviršiaus kokybė.

Plieno minkštinimo taikymas pramonėje

Įrankių gamyba

Įrankinis plienas prieš galutinį grūdinimą dažnai mechaniškai apdorojamas. Minkštasis atkaitinimas, ypač sferoidizavimas, sukuria struktūrą, kuri palengvina frezavimą, tekinimą, gręžimą ir kitas operacijas, atliekamas prieš galutinį terminį apdorojimą.

Guolių gamyba

Daug anglies turinčiuose plienuose svarbu prieš grūdinimą pasiekti tinkamą karbidų formą ir pasiskirstymą. Todėl sferoidinis atkaitinimas yra labai svarbus medžiagos paruošimo žingsnis.

Lakštų, juostų ir vielų gamyba

Šalto valcavimo arba tempimo būdu apdorotos medžiagos palaipsniui kietėja. Rekristalizacijos atkaitinimas atkuria reikiamą tąsumą ir leidžia tęsti formavimo procesą.

Mašinų pramonė

Minkštinimas gali būti naudojamas ruošiant velenų, ašių, krumpliaračių, transmisijos komponentų, formų ir kitų dalių, kurioms reikalingas intensyvus apdirbimas prieš galutinį terminį apdorojimą, pusgaminius.

Minkštinimo ir įtempių mažinimo atkaitinimas

Minkštėjimas neturėtų būti tapatinamas su įtempių mažinimo atkaitinimasPagrindinis įtempių mažinimo tikslas yra sumažinti liekamuosius įtempius, kartu sumažinant pagrindinės medžiagos mikrostruktūros pokyčius.
Minkštinimo metu pirmiausia siekiama pakeisti kietumą, plastiškumą arba mikrostruktūrą taip, kad būtų lengviau atlikti vėlesnes technologines operacijas.

Minkštinimas ir normalizavimas

Plieno normalizavimas apima austenitizavimą ir vėlesnį aušinimą oru. Daugelio anglinių plienų atveju tai lemia smulkesnę struktūrą, didesnį kietumą ir stiprumą nei lėtas atkaitinimas.
Jei pagrindinis tikslas yra pagaminti kuo lengviau apdirbamą didelio anglies kiekio įrankinį plieną, sferoidinis atkaitinimas gali būti tinkamesnis procesas. Tačiau jei po kalimo ar valcavimo reikalingas grūdelių smulkinimas ir struktūrinis homogeniškumas, normalizavimas gali būti tinkamas procesas.

Minkštėjimas ir sukietėjimas

Minkštinimas ir plieno grūdinimas Jie siekia iš esmės skirtingų tikslų. Grūdinimas sukuria didelio kietumo struktūrą, o minkštinimas naudojamas kietumui sumažinti arba tolesniam apdorojimui palankiai struktūrai gauti.
Tačiau šie procesai dažnai vyksta vienoje technologinėje sekoje. Įrankinis plienas pirmiausia gali būti minkštai atkaitintas, tada mechaniškai apdirbtas ir tik tada grūdintas. atleistas.

Svarbiausi plieno minkštinimo privalumai

• sumažinant per didelį kietumą,
• gerinant atitinkamų rūšių apdirbamumą,
• padidinti medžiagos plastiškumą,
• plastiškumo atkūrimas po šaltojo apdirbimo,
• gauti tinkamą karbido morfologiją,
• įrankinių ir daug anglies turinčių plienų paruošimas grūdinimui,
• galimybė atlikti vėlesnius formavimo ir mechaninio apdorojimo etapus.

Proceso apribojimai

• parametrai turi būti parinkti konkrečiai plieno rūšiai,
• per aukšta temperatūra gali lemti nepalankų grūdų augimą,
• Neteisingas aušinimas gali sukelti neteisingą mikrostruktūrą,
• sferoidizacijos procesams gali prireikti ilgo kaitinimo laiko,
• ne kiekvienas minkštinimo metodas tinka kiekvienai plieno rūšiai,
• Daug legiruotų plienų atveju reikėtų atsižvelgti į esančių karbidų tipą ir stabilumą bei tam tikrai rūšiai būdingus virsmus.

Plieno minkštinimas nėra vienas procesas su universaliais parametrais, o veikiau terminio apdorojimo būdų grupė, parinkta atsižvelgiant į medžiagos cheminę sudėtį, pradinę mikrostruktūrą ir numatytą paskirtį. Visiškas atkaitinimas, izoterminis atkaitinimas, sferoidinis atkaitinimas ir rekristalinis atkaitinimas naudoja skirtingus mechanizmus, tačiau jų bendras tikslas – pasiekti palankesnę medžiagos būklę vėlesnėms technologinėms operacijoms.

Didelio anglies kiekio ir įrankiniams plienams sferoidinis atkaitinimas yra ypač svarbus, nes jis leidžia pakeisti karbido morfologiją ir paruošia medžiagą apdirbimui bei vėlesniam grūdinimui. Medžiagoms, sustiprintoms šaltuoju būdu, rekristalinimas yra labai svarbus, pašalinant šaltojo apdirbimo poveikį ir atkuriant tąsumą.
Temperatūra, mirkymo laikas ir aušinimo būdas visada turėtų būti nurodyti konkrečiai plieno rūšiai. Tai leidžia pasiekti reikiamą mikrostruktūrą be nekontroliuojamo grūdelių augimo, nepageidaujamų transformacijų ar medžiagos savybių pablogėjimo.

Plieno terminio ir termocheminio apdorojimo metodai

Minkštinimas yra tik viena iš procesų, naudojamų plieno mikrostruktūrai ir savybėms modifikuoti, grupių. Priklausomai nuo norimo efekto, taip pat naudojamas normalizavimas, įtempių mažinimas, grūdinimas, atleidimas ir termocheminiai procesai, tokie kaip įanglinimas ir azotinimas.

Plieno terminio apdorojimo metodai

• Plieno normalizavimas – grūdelių smulkinimas ir mikrostruktūros suvienodinimas.
• Įtempių mažinimo atkaitinimas – liekamųjų įtempių sumažinimas.
• Plieno minkštėjimas – sumažinti kietumą ir pagerinti jautrumą tolesniam apdorojimui.
• Visiškas atkaitinimas – austenitizavimas ir lėtas aušinimas.
• Izoterminis atkaitinimas – transformacija, atliekama laikant tinkamai parinktoje temperatūroje.
• Rutulio atkaitinimas – sferoidizavimas – cementito ar kitų karbidų morfologijos pakitimas.
• Rekristalizacijos atkaitinimas – gniuždymo padarinių pašalinimas ir plastiškumo atkūrimas.
• Homogenizuojantis atkaitinimas – segregacijos mažinimas ir medžiagų sudėties homogenizavimas.
• Grūdinimas ir terminis apdorojimas – mikrostruktūros ir savybių formavimas grūdinant ir atleidžiant.
• Grūdintas plienas – kontroliuojamas plieno savybių modifikavimas po grūdinimo.
• Indukcinis grūdinimas – paviršinis indukcinis kaitinimas ir greitas aušinimas.
• Liepsnos grūdinimas – paviršiaus sukietėjimas po vietinio kaitinimo liepsna.
• Persotinimas – persotinto kieto tirpalo gavimas tinkamu terminiu ciklu.
• Senėjimas – kontroliuojamas fazių atskyrimas, dėl kurio medžiaga sutvirtėja.

Plieno termocheminio apdorojimo metodai

• Plieno azotinimas – paviršinio sluoksnio difuzinis sodrinimas azotu.
• Karburuojantis plienas – difuzinis paviršių sodrinimas anglimi.
• Karbonitridas – vienalaikis paviršinio sluoksnio praturtinimas anglimi ir azotu.
• Nitrokarbirizacija / nitrokarbirizacija – sluoksnio praturtinimas daugiausia azotu ir anglimi.
• Gręžimas – paviršiaus difuzinis prisotinimas boru.
• Difuzinis chromavimas – sluoksnio difuzinis sodrinimas chromu.
• Difuzinis aliuminizavimas – aliuminio sluoksnio difuzinis sodrinimas.