Stålmykning – metoder, temperatur, mikrostruktur og anvendelse

Mykgjøring av stål Det omfatter varmebehandlingsprosesser som reduserer et materiales hardhet, øker dets plastisitet eller oppnår en mikrostruktur som er mer gunstig for videre bearbeiding. Mykgjøring brukes primært før maskinering, plastforming og påfølgende varmebehandlingsprosesser, som herding.
Denne prosessen er spesielt viktig for høykarbonstål, legeringsstål og verktøystål, der høy hardhet eller ugunstige karbidinnhold kan gjøre dreiing, fresing, boring eller andre maskineringsoperasjoner vanskelige. Mykgjøring kan også brukes i materialer herdet ved kaldbearbeiding, der det er nødvendig å eliminere effektene av kaldbearbeiding og gjenopprette materialets evne til å gjennomgå ytterligere deformasjon.
Det finnes ingen universell metode for mykgjøring av stål. Avhengig av materialtype, karboninnhold, legeringselementer, initialstruktur og ønsket effekt, brukes ulike metoder, inkludert fullgløding, isotermisk gløding, sfæroidgløding og omkrystalliserende gløding.

Hva er stålmykning?

Mykgjøring utnytter forholdet mellom stålets mekaniske egenskaper og dets mikrostruktur. Riktig valgt oppvarming, gløding og kjøling tillater endringer i størrelse og form på strukturelle komponenter, fordelingen av karbider, materialets herdetilstand og nivået av restspenninger.
Avhengig av hvilken prosess som brukes, kan følgende forekomme: transformasjon av austenitt til ferritt og perlitt, sfæroidisering av sementitt eller andre karbider, omkrystallisering av det tøyningsherdede materialet og en reduksjon i dislokasjonstettheten.
Effekten er vanligvis en reduksjon i materialets hardhet og motstand mot videre bearbeiding, og en økning i duktilitet. Den nøyaktige mekanismen avhenger imidlertid av metoden som brukes, så begrepet "mykning" bør ikke identifiseres med en enkelt spesifikk termisk syklus.

Hvorfor mykner stål?

Materiale levert etter valsing, smiing, trekking, herding eller andre teknologiske prosesser har ikke alltid egenskapene som er nødvendige for neste produksjonsoperasjon. For hardhet øker verktøyslitasje og skjærekrefter, mens for høy deformasjonsherding kan begrense muligheten til ytterligere stempling, bøying eller trekking.
De primære målene med å mykgjøre stål er:

• reduserer materialets hardhet,
• forbedret maskinbarhet i passende stålkvaliteter,
• økende plastisitet og evne til å bli ytterligere formet,
• fjerning eller begrensning av effektene av deformasjonsherding,
• å oppnå en gunstig form for sementitt eller karbider,
• forberedelse av stål for herding og videre varmebehandling,
• homogenisering av mikrostrukturen før påfølgende produksjonstrinn.

Metoder for mykgjøring av stål

Valg av mykgjøringsmetode avhenger først og fremst av ståltypen og den ønskede teknologiske effekten. Høykarbonstål beregnet for herding krever en annen prosess enn lavkarbonstål som er høyherdet under kaldvalsing.

1. Full gløding

Full gløding innebærer å varme opp stålet til et område som sikrer passende austenittisering, varme opp materialet og deretter avkjøle det veldig sakte, vanligvis sammen med ovnen.
For hypoeutektoidstål velges prosesstemperaturen over den kritiske temperaturen Ac3. Den nøyaktige temperaturen, bløtleggingstiden og avkjølingshastigheten avhenger av stålkvaliteten og komponentens dimensjoner.
Langsom avkjøling gir en relativt myk ferritt-perlittstruktur. Sammenlignet med normalisering av stål Avkjølingen er mye tregere, så den resulterende strukturen og de mekaniske egenskapene er forskjellige.
Typisk bruk: konstruksjonsstål og andre kvaliteter som krever reduksjon av hardhet, forbedring av plastisitet eller forberedelse for videre bearbeiding.

2. Isotermisk gløding

Isotermisk gløding benytter en kontrollert transformasjon av austenitt ved en konstant temperatur. Etter austenittisering avkjøles stålet til riktig transformasjonstemperatur og holdes deretter ved denne temperaturen inntil den nødvendige mikrostrukturen er oppnådd.
I motsetning til klassisk gløding med svært langsom, kontinuerlig avkjøling, skjer transformasjonen under kontrollerte isotermiske forhold. Dette gir en mer jevn struktur og, i visse ståltyper, en kortere prosesstid.
Metoden brukes blant annet i noen legerings- og verktøystål der langsom avkjøling under tradisjonell gløding ville være tidkrevende.
Effekt: oppnåelse av en kontrollert mikrostruktur og egenskaper som muliggjør videre mekanisk eller termisk prosessering.

3. Kulegløding – sfæroidisering

Kuleglødning, også kalt sfæroidisering, er spesielt viktig for høykarbonstål, lagerstål og verktøystål. Hensikten er å endre morfologien til sementitt og andre karbider for å produsere mer avrundede, sfæroide partikler arrangert i en ferrittisk matrise i stedet for et lamellært eller nettlignende arrangement.
Sfæroidisering kan utføres ved hjelp av ulike termiske sykluser, inkludert langvarig oppvarming nær Ac1-temperaturen eller syklisk syklus gjennom et spesifikt temperaturområde. Parametrene avhenger av den kjemiske sammensetningen og den opprinnelige strukturen til den spesifikke arten.
Å endre formen og plasseringen av karbider kan redusere hardheten til høykarbonstål betydelig og forbedre maskinbearbeidbarheten. En riktig forberedt struktur gir også gunstige startbetingelser før påfølgende herding.
Typisk bruk: verktøystål, lagerstål og annet høykarbonstål beregnet for videre mekanisk bearbeiding og herding.

4. Rekrystalliseringsgløding

Rekrystalliseringsglødning Den brukes primært til materialer som herdes under kaldforming, f.eks. valsing, trekking eller stempling.
Under kalddeformasjon øker dislokasjonstettheten, materialet herder, og hardheten og styrken øker, mens duktiliteten avtar. Når en høy grad av kaldbearbeiding er nådd, kan videre forming bli vanskelig.
Rekrystalliseringsgløding skaper nye korn, fri for effektene av tidligere deformasjonsherding. Dette fører til en reduksjon i hardhet og styrke på grunn av deformasjonsherding, og gjenopprettelse av duktilitet.
Typisk bruk: ark, strimler, tråder og andre halvfabrikata som utsettes for intensiv kaldbearbeiding.

Sammenligning av stålmykningsmetoder

Metode Grunnleggende mekanisme Hovedeffekt Typisk bruk Fullgløding Austenittisering og langsom transformasjon under avkjøling Hardhetsreduksjon og mykere struktur Konstruksjonsstål og halvfabrikata før videre bearbeiding Isotermisk gløding Austenitttransformasjon ved en kontrollert, konstant temperatur Jevn mikrostruktur og kontrollerte egenskaper Utvalgte legerings- og verktøystål Kule-/sfæroidiserende gløding Endring i sementitt- og karbidmorfologi Hardhetsreduksjon og forbedret maskinbearbeidbarhet Høykarbonstål, lagerstål og verktøystål Rekrystallisasjonsgløding Dannelse av nye korn etter forutgående arbeidsherding Fjerning av herdingseffekter og gjenoppretting av duktilitet Kaldbearbeidede plater, strimler og tråder

Sammenligning av stålmykningsmetoder

Hvordan endres mikrostrukturen under mykgjøring?

Mikrostrukturelle endringer avhenger av typen gløding. Derfor er det umulig å identifisere en enkelt strukturkarakteristikk for alle mykgjøringsprosesser.
Avhengig av hvilken teknologi som brukes, kan følgende forekomme:

• dannelse av en ferritisk-perlittisk struktur under langsom avkjøling etter austenittisering,
• kontrollert austenitttransformasjon under isotermisk gløding,
• sfæroidisering av sementitt og andre karbider i høykarbonstål og legeringsstål,
• gjenoppretting og omkrystallisering av strukturen etter forutgående kaldplastisk bearbeiding,
• redusere dislokasjonstettheten og effektene av tøyningsherding.

Sfæroidiserende gløding – hvorfor er det viktig for verktøystål?

I verktøystål og andre høykarbonstål er hardhet alene ikke den eneste parameteren som bestemmer maskineringsegnethet. Formen, størrelsen og fordelingen av karbider er også avgjørende.
En struktur med passende fordelte, nesten sfæriske karbider kan forenkle maskinering og gi en passende starttilstand for påfølgende austenittisering og herding. Derfor leveres verktøystål ofte i mykglødet tilstand.
Faktisk hardhet etter gløding bør bestemmes for den spesifikke stålkvaliteten. Et enkelt HB- eller HV-område bør ikke brukes for alle verktøystål.

Stålmykning og maskinbarhet

En av de viktigste grunnene til å bruke mykgjøring er å forberede materialet for dreiing, fresing, boring, broetting eller andre maskineringsoperasjoner. Å redusere overdreven hardhet kan redusere skjærekantbelastning og verktøyslitasje.
Forholdet mellom hardhet og maskinbarhet er imidlertid ikke lineært. Materialet med lavest mulig hardhet er ikke alltid det enkleste å maskinbearbeide. Svært myke og duktile ståltyper kan oppleve problemer med spondannelse, oppbygging av egg og overflatefinish.
Derfor velges den passende prosessen ikke bare for å oppnå lavest mulig hardhet, men fremfor alt for å få en mikrostruktur som er passende for det spesifikke materialet og den påfølgende produksjonsteknologien.

Mykgjøring og karboninnhold i stål

Karboninnholdet har en betydelig innvirkning på valg av mykgjøringsmetode. I lavkarbonstål kan det være spesielt viktig å fjerne effektene av kaldbearbeidingsherding. I stål med middels karboninnhold avhenger valg av prosess blant annet av påfølgende mekanisk og termisk behandling.
I høykarbonstål blir morfologien til sementitt og andre karbider stadig viktigere. Derfor brukes prosesser som fører til karbidsfæroidisering ofte i verktøy-, lager- og fjærstål.

Mykgjøring av karbonstål

For karbonstål avhenger valget av behandling av karboninnholdet og ønsket slutttilstand. For eksempel kan C45-stål kreve en annen behandling enn fjærstål eller verktøystål med høyt karboninnhold.
I stål med høyere karboninnhold kan sfæroidiserende gløding brukes før maskinering og påfølgende herding. Å oppnå riktig sementittform forenkler videre bearbeiding og forbereder strukturen for neste termiske syklus.

Mykgjøring av legeringsstål

Legeringselementer kan påvirke transformasjonstemperaturer, herdbarhet, typen karbider som dannes og diffusjonshastigheten betydelig. Derfor bør parametere som er passende for vanlig karbonstål ikke automatisk brukes på krom, krom-molybden, nikkel eller høylegerte stål.
I legeringsstål er det spesielt viktig å kontrollere temperatur, tid og avkjølingshastighet. For verktøystål bestemmes mykglødeparametere vanligvis individuelt for hver kvalitet.

Mykgjøring av rustfritt stål

Når det gjelder rustfritt stål, krever begrepet «mykning» større forsiktighet. Austenittiske, ferrittiske, martensittiske og duplekse ståltyper har forskjellige mikrostrukturer og krever forskjellige varmebehandlinger.
For eksempel kan austenittiske rustfrie ståltyper herdes betydelig under kaldbearbeiding. Gjenoppretting av duktiliteten krever nøye valgt varmebehandling som er passende for den spesifikke kvaliteten. Derfor bør det ikke brukes et enkelt, universelt temperaturområde for "mykning av rustfritt stål".

Effekten av tid og temperatur på mykgjøringen av stål

Temperatur og tid er nært knyttet sammen. For lav temperatur fører kanskje ikke til de nødvendige mikrostrukturelle endringene, mens for høy temperatur eller for lang oppvarming kan forårsake uønsket kornvekst eller andre strukturelle endringer.
Prosessparametere bør inkludere:

• stålkvalitet og kjemisk sammensetning,
• kritiske materialtemperaturer,
• utgangsstruktur,
• grad av tidligere styrking,
• dimensjoner og geometri av elementet,
• type ovn og oppvarmingsmetode,
• forventet endelig mikrostruktur,
• type videre mekanisk eller varmebehandling.

Effekt av kjølehastighet

Avkjølingshastighet er en av parameterne som bestemmer den endelige strukturen til stål. Klassisk fullgløding bruker langsom avkjøling for å tillate transformasjonene som fører til en mykere struktur.
Ved isotermisk gløding bringes det austenitiserte materialet til en spesifikk temperatur der en kontrollert transformasjon skjer. Ved rekrystallisasjonsgløding har kjølemetoden derimot en annen betydning, ettersom det primære målet med prosessen er å fjerne effektene av tidligere arbeidsherding, ikke å transformere austenitten.
Av denne grunn bør ikke én kjølehastighetsverdi brukes som passende for alle mykgjøringsprosesser.

Atmosfære under mykgløding

Under gløding er ikke bare temperatur og tid viktig, men også ovnsatmosfæren. Høye temperaturer kan føre til overflateoksidasjon, dannelse av skall og, under visse forhold, endringer i den kjemiske sammensetningen av overflatelaget.
Avhengig av de teknologiske kravene brukes ovner som opererer i luftatmosfære, beskyttende atmosfærer eller vakuum. Beskyttende atmosfærer eller vakuum kan være spesielt viktig for presisjonskomponenter og legeringsstål, der oksidasjonsreduksjon og høy overflatekvalitet er nødvendig.

Anvendelse av stålmykning i industrien

Verktøyproduksjon

Verktøystål blir ofte mekanisk behandlet før endelig herding. Mykgløding, spesielt sfæroidisering, produserer en struktur som forenkler fresing, dreiing, boring og andre operasjoner som utføres før endelig varmebehandling.

Lagerproduksjon

I stål med høyt karboninnhold er det viktig å oppnå riktig karbidform og -fordeling før herding. Sfæroidiseringsgløding er derfor et avgjørende trinn i materialforberedelsen.

Produksjon av plater, strimler og tråder

Materialer som utsettes for kaldvalsing eller trekking herder gradvis. Rekrystalliseringsgløding gjenoppretter riktig duktilitet og lar formingsprosessen fortsette.

Maskinindustri

Mykgjøring kan brukes ved fremstilling av halvfabrikata for aksler, aksler, gir, girkassekomponenter, former og andre deler som krever intensiv maskinering før endelig varmebehandling.

Mykgjøring og spenningsavlastningsgløding

Mykgjøring bør ikke likestilles med spenningsavlastningsglødingHovedformålet med spenningsavlastning er å redusere restspenninger samtidig som endringen i materialets grunnleggende mikrostruktur minimeres.
Under mykgjøringen er målet primært å endre hardheten, plastisiteten eller mikrostrukturen på en måte som forenkler påfølgende teknologiske operasjoner.

Mykgjørende og normaliserende

Normalisering av stål innebærer austenittisering og påfølgende luftkjøling. I mange karbonstål fører dette til en finere struktur og større hardhet og styrke enn langsom gløding.
Hvis hovedmålet er å gjøre verktøystål med høyt karboninnhold så enkelt å maskinere som mulig, kan sfæroidiseringsgløding være en mer passende prosess. Men hvis det kreves kornforfining og strukturell homogenitet etter smiing eller valsing, kan normalisering være den passende prosessen.

Mykgjøring og herding

Mykgjøring og stålherding De forfølger fundamentalt forskjellige mål. Herding gir en struktur med høy hardhet, mens mykgjøring brukes til å redusere hardhet eller oppnå en struktur som er gunstig for videre bearbeiding.
Imidlertid skjer disse prosessene ofte i én teknologisk sekvens. Verktøystål kan først mykglødes, deretter bearbeides mekanisk, og først deretter herdes og tilgitt.

De viktigste fordelene med å mykgjøre stål

• redusere overdreven hardhet,
• forbedring av maskinbarhet i passende kvaliteter,
• øke materialets plastisitet,
• gjenoppretting av plastisitet etter kaldbearbeiding,
• å oppnå riktig karbidmorfologi,
• klargjøring av verktøystål og høykarbonstål for herding,
• muligheten for å utføre påfølgende stadier av forming og mekanisk bearbeiding.

Prosessbegrensninger

• parametere må velges for en spesifikk stålkvalitet,
• for høy temperatur kan føre til ugunstig kornvekst,
• Feil kjøling kan føre til feil mikrostruktur,
• sfæroidiseringsprosesser kan kreve lange oppvarmingstider,
• Ikke alle mykgjøringsmetoder er egnet for alle typer stål,
• Når det gjelder høylegerte ståltyper, bør typen og stabiliteten til de tilstedeværende karbidene og de transformasjonene som er spesifikke for en gitt kvalitet tas i betraktning.

Mykgjøring av stål er ikke en enkelt prosess med universelle parametere, men snarere en gruppe varmebehandlinger valgt basert på materialets kjemiske sammensetning, initiale mikrostruktur og tiltenkte bruk. Fullgløding, isotermisk gløding, sfæroidiserende gløding og omkrystalliserende gløding bruker forskjellige mekanismer, men deres felles mål er å oppnå en materialtilstand som er gunstigere for påfølgende teknologiske operasjoner.

For verktøystål og stål med høyt karboninnhold er sfæroidiseringsgløding spesielt viktig, da det muliggjør en endring i karbidmorfologien og forbereder materialet for maskinering og påfølgende herding. I materialer som er styrket ved kaldbearbeiding er omkrystallisering avgjørende, noe som eliminerer effektene av deformasjonsherding og gjenoppretter duktiliteten.
Temperatur, bløtleggingstid og kjølemetode bør alltid spesifiseres for en spesifikk stålkvalitet. Dette gjør det mulig å oppnå den nødvendige mikrostrukturen uten ukontrollert kornvekst, uønskede transformasjoner eller forringelse av materialegenskaper.

Metoder for varme- og termokjemisk behandling av stål

Mykgjøring er bare én gruppe prosesser som brukes til å modifisere mikrostrukturen og egenskapene til stål. Avhengig av ønsket effekt brukes også normalisering, spenningsavlastning, herding, anløping og termokjemiske prosesser som karburering og nitrering.

Varmebehandlingsmetoder for stål

• Normalisering av stål – kornforfining og mikrostrukturforening.
• Utskifting av forbruksvarer – reduksjon av restspenninger.
• Mykgjøring av stål – reduserer hardhet og forbedrer mottakeligheten for videre bearbeiding.
• Full gløding – austenittisering og langsom avkjøling.
• Isotermisk gløding – transformasjon utført mens den holdes ved en riktig valgt temperatur.
• Kulegløding – sfæroidisering – endring i morfologien til sementitt eller andre karbider.
• Rekrystalliseringsglødning – fjerning av effektene av knusing og gjenoppretting av plastisitet.
• Homogeniserende gløding – redusere segregering og homogenisere materialsammensetningen.
• Herding og varmebehandling – forme mikrostrukturen og egenskapene ved herding og anløping.
• Herding av stål – kontrollert modifisering av stålegenskaper etter herding.
• Induksjonsherding – overflateinduksjonsoppvarming og rask avkjøling.
• Flammeherding – overflateherding etter lokal oppvarming med flamme.
• Overmetning – å oppnå en overmettet fast løsning ved en passende termisk syklus.
• Aldring – kontrollert faseseparasjon som fører til materialforsterkning.

Metoder for termokjemisk behandling av stål

• Nitrering av stål – diffusjonsanrikning av overflatelaget med nitrogen.
• Karburering av stål – diffusjonsanriking av overflater med karbon.
• Karbonitrering – samtidig anriking av overflatelaget med karbon og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – anriking av laget primært med nitrogen og karbon.
• Boring – diffusjonsmetning av overflaten med bor.
• Diffusjonskrombelegg – diffusjonsanriking av laget med krom.
• Diffusjonsaluminisering – diffusjonsanrikning av laget i aluminium.