Spenningsgløding av stål og metaller – temperatur, prosess og anvendelse

Utskifting av forbruksvarer Spenningsavlastning er en varmebehandlingsprosess som brukes til å redusere restspenninger i et materiale etter sveising, støping, smiing, valsing, maskinering, retting eller andre teknologiske prosesser. Riktig utført spenningsavlastning forbedrer komponentens dimensjonsstabilitet og reduserer risikoen for deformasjon under videre bearbeiding eller bruk.
Prosessen innebærer å varme opp materialet til en temperatur som er lavere enn den som induserer de grunnleggende strukturelle endringene som er karakteristiske for andre typer varmebehandling, oppvarming i en passende tid og deretter kontrollert avkjøling. De nøyaktige parametrene avhenger av materialtypen, dens tilstand, komponentdimensjonene, den tidligere produksjonsteknologien og nivået og fordelingen av restspenninger.
Spenningsgløding brukes for både karbonstål og legert stål, samt – med passende parametere – støpejern, aluminiumslegeringer, kobber, titan og andre metalliske materialer. Det er spesielt viktig for sveisede konstruksjoner, store smi- og støpegods, og presisjonsbearbeidede komponenter, hvor selv små dimensjonsendringer kan ha driftsmessige implikasjoner.

Hva er spenningsavlastningsgløding?

Restspenninger kan forbli i et materiale til tross for fravær av ytre krefter. De oppstår primært når forskjellige områder av en komponent gjennomgår forskjellige deformasjoner, varmes opp eller avkjøles med forskjellige hastigheter, eller gjennomgår forskjellige strukturelle endringer.
Typiske prosesser som forårsaker restspenninger inkluderer:

• støping og ujevn størkning av materialet,
• sveising og den tilhørende lokale oppvarmingen og krympingen av sveisen,
• valsing, smiing, stempling, bøying og retting,
• tegning og andre kaldformingsprosesser,
• maskinering, spesielt med stor materialfjerning,
• sliping og intensiv overflatebehandling,
• herding og andre varmebehandlingsprosesser,
• ujevn oppvarming eller avkjøling av elementer med forskjellige tverrsnitt.

Under spenningsavlastningsgløding øker økende temperatur potensialet for spenningsrelaksasjonsprosesser. Materialet forblir ved en gitt temperatur i en spesifisert tidsperiode, slik at spenningene kan reduseres betydelig uten å endre mikrostrukturen fullstendig.
Dette betyr imidlertid ikke at gløding alltid fjerner spenninger fullstendig. Graden av spenningsavlastning avhenger av faktorer som temperatur, bløtleggingstid, legeringstype, materialtilstand og tidligere prosesseringshistorikk.

Hvorfor utføres spenningsgløding?

Hovedmålet med prosessen er å øke komponentens stabilitet under videre produksjon og påfølgende bruk. Restspenninger kan føre til endringer i komponentens form etter fresing, dreiing, boring eller kutting av materialet. I ekstreme tilfeller kan de også fremme sprekkdannelse.
Spenningsavlastningsgløding brukes blant annet til å:

• reduserer restspenninger etter sveising,
• begrense deformasjon under videre maskinering,
• øke dimensjonsstabiliteten til presisjonsdeler,
• redusere spenninger som genereres under smiing, valsing eller retting,
• stabilisering av store støpegods og smigods,
• forberedelse av halvfabrikatet for påfølgende teknologiske operasjoner,
• reduserer risikoen for ukontrollerte endringer i formen på det ferdige elementet.

Spenningsavlastningsgløding - prosesstemperatur

Temperatur er en av de viktigste parameterne for spenningsavlastning. Det finnes ingen universell temperatur som passer for alle materialer. Temperaturområdet må velges basert på den spesifikke kvaliteten, dens mikrostruktur, leveringsforhold og nødvendige etterbehandlingsegenskaper.
Følgende verdier er veiledende og skal ikke erstatte parameterne som er spesifisert for en bestemt type materiale, standard, teknologisk dokumentasjon eller produsentens anbefalinger.

I industriell praksis må spenningsavlastningstemperaturen vurderes i sammenheng med bløtleggingstiden. Å øke temperaturen akselererer vanligvis spenningsavlastningsprosessen, men for høye temperaturer kan forårsake uønskede endringer i materialets mikrostruktur og egenskaper.

Bløtleggingstid under gløding

Oppvarmingstiden avhenger av materialtype, prosesstemperatur, komponentdimensjoner, tverrsnittstykkelse og batchvekt. Tidspunktet for måling av oppvarmingstid er også avgjørende – komponenten må nå riktig temperatur i det nødvendige tverrsnittsarealet.
Små og tynnveggede komponenter kan kreve relativt kort oppvarmingstid, mens massive smiinger, støpegods eller sveisede konstruksjoner krever mye lengre tid for temperaturutjevning og effektiv spenningsavlastning.
Av denne grunn bør enkle regler som «én time for en gitt tykkelse» kun betraktes som teknologiske retningslinjer. Ved produksjon av kritiske komponenter bør parametrene utledes fra passende varmebehandlingsteknologi.

Oppvarming av elementet

Kontrollert oppvarming er spesielt viktig for store komponenter, komplekse former og betydelige variasjoner i tverrsnittstykkelse. For rask oppvarming kan forårsake betydelige temperaturforskjeller mellom overflaten og kjernen, og dermed introdusere ytterligere termiske spenninger.
Jo større komponenten er og jo mer variert tverrsnittet er, desto viktigere blir jevn varmetilførsel. For massive smiinger, støpegods og sveisede konstruksjoner bør oppvarmingsprosessen være en del av den utviklede prosessteknologien.

Avkjøling etter spenningsavlastningsgløding

Kjølekontroll er like viktig som selve oppvarmings- og bløtleggingsprosessen. Hvis den spenningsavlastede komponenten kjøles ned for raskt eller ujevnt, kan temperaturforskjeller mellom individuelle områder føre til gjeninnføring av spenninger.
Avhengig av materialet og dimensjonene til komponenten, brukes kjøling med ovnen til en spesifikk temperatur, kontrollert ovnkjøling eller videre kjøling i stille luft. Kjølemetoden bør ta hensyn til både den nødvendige graden av spenningsreduksjon og potensialet for strukturelle endringer.

Stadier av spenningsavlastningsgløding

1. Forbereder elementet – å bestemme materialtypen, dets tilstand, dimensjoner og årsaken til spenningene.
2. Kontrollert oppvarming – bringe elementet til ønsket temperatur samtidig som for store termiske gradienter begrenses.
3. Temperaturutjevning – oppnå riktig temperatur i elementets nødvendige tverrsnittsareal.
4. Bløtlegging – å holde materialet ved en gitt temperatur i en periode som muliggjør passende spenningsreduksjon.
5. Kontrollert kjøling – senke temperaturen på en måte som begrenser muligheten for fornyet stressdannelse.

Effekten av spenningsgløding på materialegenskaper

Riktig utført spenningsavlastningsgløding skal primært redusere restspenninger samtidig som den minimerer påvirkningen på materialets grunnleggende egenskaper. Dette betyr imidlertid ikke at de mekaniske egenskapene alltid forblir helt uendret.

Hardhet

I mange ståltyper forårsaker riktig valgt spenningsavlastning bare en liten endring i hardhet. Effekten av prosessen avhenger imidlertid av temperaturen og materialets tidligere tilstand. I kaldherdede eller varmebehandlede materialer kan økende temperatur føre til delvis tap av herdeeffekten eller mikrostrukturelle endringer.

Flytegrense og strekkfasthet

Endringer i flytegrense og strekkfasthet avhenger av materialet og prosessparametrene. Formålet med spenningsavlastning er ikke å øke styrken, men primært å redusere restspenninger. Imidlertid kan for høye temperaturer eller for lange oppvarmingstider påvirke mekaniske egenskaper, spesielt i tidligere herdede materialer.

Stabilt verktøy

En av de viktigste praktiske effektene av spenningsavlastning er økt dimensjonsstabilitet. Dette er avgjørende i produksjonen av maskinrammer, former, matriser, aksler, plater, store smiinger og andre presisjonsbearbeidede komponenter.
Hvis et halvferdig produkt inneholder betydelige restspenninger, kan fjerning av materiale under fresing eller dreiing forstyrre balansen deres og føre til bøying eller vridning av den maskinerte delen. Spenningsavlastning utført på riktig stadium i den teknologiske prosessen kan redusere dette fenomenet.

Spenningsavlastningsgløding etter sveising

Sveiseforbindelser er blant de viktigste bruksområdene for spenningsavlastningsbehandling. Under sveising varmes et lite område av materialet intenst opp, mens resten av strukturen forblir betydelig kjøligere. Påfølgende avkjøling og materialkrymping forårsaker gjenværende spenninger.
I passende materialer og applikasjoner kan varmebehandling etter sveising redusere sveisespenninger og stabilisere strukturen. Parametrene for en slik prosess bør imidlertid ikke velges utelukkende basert på det generelle temperaturområdet; de må ta hensyn til materialkvalitet, komponenttykkelse, skjøttype og kravene i relevante standarder og prosessdokumentasjon.

Spenningsavlastningsgløding etter maskinering

Spenningsavlastning kan også brukes mellom maskineringstrinn. Det er spesielt nyttig når man produserer store eller presisjonsdeler som krever betydelig materialfjerning under grovfresing.
En typisk prosess kan innebære grovfresing, spenningsavlastning og deretter etterbehandling. Dette gjør at eventuell forvrengning som følge av spenningsfordeling kan oppstå før den endelige overflaten og dimensjonene er oppnådd.

Påføring av spenningsavlastningsgløding

Sveisede konstruksjoner

Prosessen kan brukes i store rammer, karosserier, tanker, maskinkonstruksjoner og andre sveisede komponenter der dimensjonsstabilitet og reduserte ettersveisespenninger er viktige.

Smiing og smidde deler

Store smiinger kan inneholde spenninger som følge av både plastisk deformasjon og ujevn avkjøling. Passende varmebehandling kan være ett trinn i å forberede materialet for videre maskinering.

Støpegods

Spenninger kan utvikles i støpegods under størkning og avkjøling, spesielt i komponenter med varierende veggtykkelser. Spenningsavlastning brukes blant annet for å øke dimensjonsstabiliteten til støpegods og andre store komponenter.

Former, matriser og verktøy

Når det gjelder former og matriser, påvirker dimensjonsstabiliteten direkte nøyaktigheten til produserte deler. Spenningsavlastning mellom maskineringstrinn kan redusere deformasjon som oppstår etter intensiv fresing eller andre mekaniske operasjoner.

Energi- og maskinindustri

Prosessen brukes også i produksjon og reparasjon av industrielle installasjonskomponenter, hus, sjakter, rørledninger og andre komponenter dersom teknologien til et gitt materiale muliggjør spenningsreduksjon ved varmebehandling.

Spenningsavlastningsgløding og andre typer gløding

Spenningsavlastningsgløding bør ikke forveksles med normaliserings-, mykgjørings-, omkrystalliserings-, homogeniserings- eller sfæroidiseringsgløding. Individuelle prosesser utføres ved forskjellige temperaturområder og er utformet for å oppnå forskjellige teknologiske effekter.
Når det gjelder stresslindring, er hovedoppgaven reduksjon av restspenninger med minst mulig endring i materialets struktur og egenskaperI andre glødeprosesser kan imidlertid endring av mikrostrukturen være hovedmålet med behandlingen.
En sammenligning av individuelle prosesser presenteres mer detaljert på nettsiden. sammenligning av varmebehandlingsmetoder for stål.

Fordeler med spenningsavlastningsgløding

• reduksjon av restspenninger,
• forbedring av dimensjonsstabiliteten til elementer,
• begrense deformasjon under videre maskinering,
• reduserer risikoen for deformasjon etter sveising, smiing eller støping,
• evnen til å stabilisere store og komplekse elementer,
• forberedelse av halvfabrikatet for presis etterbehandling.

Begrensninger ved spenningsavlastningsgløding

• Feil temperatur kan endre materialets mikrostruktur eller egenskaper,
• prosessen fører ikke alltid til fullstendig fjerning av restspenninger,
• store komponenter krever en lang og kontrollert oppvarmings- og kjølesyklus,
• Parametere som er passende for én ståltype trenger ikke nødvendigvis å være passende for en annen,
• I noen legeringer må man ta hensyn til temperaturens effekt på korrosjonsbestandighet, herdetilstand eller tidligere varmebehandling.

Utskifting av forbruksvarer er en viktig varmebehandlingsprosess som brukes til å redusere restspenninger som genereres under sveising, støping, smiing, valsing, retting, maskinering og andre produksjonsprosesser. Riktig valgt temperatur, bløtleggingstid og oppvarmings- og kjølemetoder øker komponentens dimensjonsstabilitet og reduserer risikoen for påfølgende deformasjon.
Spenningsavlastningsparametre bør alltid velges basert på den spesifikke kvaliteten og materialets tilstand. Høylegerte ståltyper, ståltyper som tidligere har blitt varmebehandlet og ikke-jernholdige legeringer krever spesiell forsiktighet, da for høye temperaturer kan forårsake endringer i egenskapene utover prosessens primære formål.

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.