Înmuierea oțelului – metode, temperatură, microstructură și aplicare

Înmuierea oțelului Aceasta cuprinde procese de tratament termic care reduc duritatea unui material, îi cresc plasticitatea sau obțin o microstructură mai favorabilă pentru prelucrarea ulterioară. Înmuierea este utilizată în principal înainte de prelucrare, formarea plasticului și procesele ulterioare de tratament termic, cum ar fi călirea.
Acest proces este deosebit de important pentru oțelurile cu conținut ridicat de carbon, aliate și pentru scule, a căror duritate ridicată sau conținut nefavorabil de carburi poate îngreuna strunjirea, frezarea, găurirea sau alte operațiuni de prelucrare. Înmuierea poate fi utilizată și în materialele călite prin prelucrare la rece, unde este necesar să se elimine efectele prelucrării la rece și să se restabilească capacitatea materialului de a suferi deformări ulterioare.
Nu există o metodă universală unică pentru înmuierea oțelului. În funcție de tipul de material, conținutul de carbon, elementele de aliere, structura inițială și efectul dorit, se utilizează diverse metode, inclusiv recoacerea completă, recoacerea izotermă, recoacerea sferoidizată și recoacerea recristalizată.

Ce este înmuierea oțelului?

Înmuierea exploatează relația dintre proprietățile mecanice ale oțelului și microstructura sa. Încălzirea, recoacerea și răcirea selectate corespunzător permit modificări ale dimensiunii și formei componentelor structurale, distribuției carburilor, stării de călire a materialului și nivelului de tensiuni reziduale.
În funcție de procesul utilizat, pot apărea următoarele: transformarea austenitei în ferită și perlită, sferoidizarea cementitei sau a altor carburi, recristalizarea materialului ecruisat și o reducere a densității dislocațiilor.
Efectul este de obicei o reducere a durității materialului și a rezistenței la prelucrări ulterioare și o creștere a ductilității. Cu toate acestea, mecanismul exact depinde de metoda utilizată, așadar termenul „înmuiere” nu ar trebui identificat cu un singur ciclu termic.

De ce se înmoaie oțelul?

Materialul livrat după laminare, forjare, tragere, călire sau alte procese tehnologice nu are întotdeauna proprietățile necesare pentru următoarea operațiune de producție. Duritatea excesivă crește uzura sculelor și forțele de tăiere, în timp ce ecruisarea excesivă poate limita capacitatea de ștanțare, îndoire sau tragere ulterioară.
Principalele obiective ale înmuierii oțelului sunt:

• reducerea durității materialului,
• prelucrabilitate îmbunătățită în clase de oțel adecvate,
• creșterea plasticității și a capacității de a fi modelată în continuare,
• eliminarea sau limitarea efectelor întăririi prin deformare,
• obținerea unei forme favorabile de cementită sau carburi,
• pregătirea oțelului pentru călire și tratament termic ulterior,
• omogenizarea microstructurii înainte de etapele ulterioare de producție.

Metode de înmuiere a oțelului

Alegerea metodei de înmuiere depinde în primul rând de tipul de oțel și de efectul tehnologic dorit. Oțelul cu conținut ridicat de carbon destinat călirii necesită un proces diferit față de tabla metalică cu conținut scăzut de carbon, călită puternic în timpul laminării la rece.

1. Recoacere completă

Recoacere completă implică încălzirea oțelului la un interval care asigură o austenitizare adecvată, încălzirea materialului și apoi răcirea acestuia foarte lent, de obicei împreună cu cuptorul.
Pentru oțelurile hipoeutectoide, temperatura de proces este selectată peste temperatura critică Ac3. Temperatura exactă, timpul de îmbibare și viteza de răcire depind de gradul de oțel și de dimensiunile componentei.
Răcirea lentă permite obținerea unei structuri relativ moi de ferită-perlită. Comparativ cu normalizarea oțelului răcirea este mult mai lentă, astfel încât structura rezultată și proprietățile mecanice sunt diferite.
Utilizare tipică: oțeluri structurale și alte clase care necesită reducerea durității, îmbunătățirea plasticității sau pregătirea pentru prelucrări ulterioare.

2. Recoacere izotermă

Recoacere izotermă utilizează o transformare controlată a austenitei la o temperatură constantă. După austenizare, oțelul este răcit la temperatura de transformare corespunzătoare și apoi menținut la această temperatură până când se obține microstructura necesară.
Spre deosebire de recoacerea clasică cu răcire foarte lentă și continuă, transformarea are loc în condiții izoterme controlate. Acest lucru permite obținerea unei structuri mai uniforme și, în cazul anumitor oțeluri, un timp de proces mai scurt.
Metoda este utilizată, printre altele, în unele oțeluri aliate și de scule unde răcirea lentă în timpul recoacerii tradiționale ar necesita mult timp.
Efect: obținerea unei microstructuri controlate și a unor proprietăți care permit prelucrarea mecanică sau termică ulterioară.

3. Recoacere cu bile – sferoidizare

Recoacerea cu bile, numită și sferoidizare, este deosebit de importantă pentru oțelurile cu conținut ridicat de carbon, oțelurile pentru rulmenți și oțelurile pentru scule. Scopul său este de a schimba morfologia cementitei și a altor carburi pentru a produce particule mai rotunjite, sferoidale, aranjate într-o matrice feritică în loc de un aranjament lamelar sau asemănător unei plase.
Sferoidizarea poate fi efectuată folosind diverse cicluri termice, inclusiv încălzire prelungită în apropierea temperaturii Ac1 sau trecerea printr-un interval de temperatură specific. Parametrii depind de compoziția chimică și structura inițială a speciei specifice.
Modificarea formei și distribuției carburilor poate reduce semnificativ duritatea oțelului cu conținut ridicat de carbon și poate îmbunătăți prelucrabilitatea acestuia. O structură pregătită corespunzător oferă, de asemenea, o condiție inițială favorabilă înainte de călirea ulterioară.
Utilizare tipică: oțeluri pentru scule, oțeluri pentru rulmenți și alte oțeluri cu conținut ridicat de carbon destinate prelucrărilor mecanice ulterioare și călirii.

4. Recoacere prin recristalizare

Recoacere prin recristalizare Se utilizează în principal pentru materiale întărite în timpul formării la rece, de exemplu laminare, tragere sau ștanțare.
În timpul deformării la rece, densitatea dislocațiilor crește, materialul se întărește, iar duritatea și rezistența acestuia cresc, în timp ce ductilitatea scade. Odată ce se atinge un grad ridicat de prelucrare la rece, modelarea ulterioară poate deveni dificilă.
Recoacerea de recristalizare creează granule noi, libere de efectele ecruisării anterioare. Aceasta duce la o reducere a durității și rezistenței datorită ecruisării și la restabilirea ductilității.
Utilizare tipică: table, benzi, sârme și alte semifabricate supuse unor prelucrări intensive la rece.

Compararea metodelor de înmuiere a oțelului

Metodă Mecanism de bază Efect principal Aplicație tipică Recoacere completă Austenitizare și transformare lentă în timpul răcirii Reducerea durității și structură mai moale Oțeluri structurale și semifabricate înainte de prelucrarea ulterioară Recoacere izotermă Transformarea austenitei la o temperatură constantă controlată Microstructură uniformă și proprietăți controlate Oțeluri aliate și de scule selectate Recoacere cu bile/sferoidizare Modificarea morfologiei cementitei și carburilor Reducerea durității și prelucrabilitate îmbunătățită Oțeluri cu conținut ridicat de carbon, pentru lagăre și pentru scule Recoacere de recristalizare Formarea de granule noi după ecruisare prealabilă Eliminarea efectelor de ecruisare și restabilirea ductilității Table, benzi și sârme prelucrate la rece

Compararea metodelor de înmuiere a oțelului

Cum se modifică microstructura în timpul înmuierii?

Modificările microstructurale depind de tipul de recoacere. Prin urmare, este imposibil să se identifice o singură structură caracteristică pentru toate procesele de înmuiere.
În funcție de tehnologia utilizată, pot apărea următoarele:

• formarea unei structuri feritico-perlitice în timpul răcirii lente după austenitizare,
• transformare controlată a austenitei în timpul recoacerii izoterme,
• sferoidizarea cementitei și a altor carburi din oțelurile cu conținut ridicat de carbon și aliate,
• recuperarea și recristalizarea structurii după prelucrarea plastică la rece prealabilă,
• reducerea densității dislocațiilor și a efectelor ecruisării.

Recoacerea sferoidizată – de ce este importantă pentru oțelurile pentru scule?

În oțelurile pentru scule și alte oțeluri cu conținut ridicat de carbon, duritatea nu este singurul parametru care determină adecvarea la prelucrare. Forma, dimensiunea și distribuția carburilor sunt, de asemenea, cruciale.
O structură cu carburi aproape sferice, distribuite corespunzător, poate facilita prelucrarea și poate oferi o condiție inițială adecvată pentru austenitizarea și călirea ulterioară. Prin urmare, oțelurile pentru scule sunt adesea furnizate în stare recoaptă moale.
Duritatea reală după recoacere trebuie determinată pentru gradul specific de oțel. Nu trebuie adoptat un singur interval HB sau HV pentru toate oțelurile pentru scule.

Înmuierea și prelucrabilitatea oțelului

Unul dintre cele mai importante motive pentru aplicarea înmuierii este pregătirea materialului pentru strunjire, frezare, găurire, broșare sau alte operațiuni de prelucrare. Reducerea durității excesive poate reduce stresul pe muchia așchietoare și uzura sculelor.
Totuși, relația dintre duritate și prelucrabilitate nu este liniară. Materialul cu cea mai mică duritate posibilă nu este întotdeauna cel mai ușor de prelucrat. Oțelurile foarte moi și ductile pot întâmpina probleme cu formarea așchiilor, muchiile depuse și finisarea suprafeței.
Prin urmare, procesul adecvat este selectat nu doar pentru a obține cea mai mică duritate posibilă, ci mai presus de toate pentru a obține o microstructură adecvată materialului specific și tehnologiei de producție ulterioare.

Înmuierea și conținutul de carbon din oțel

Conținutul de carbon are un impact semnificativ asupra alegerii metodei de înmuiere. În cazul oțelurilor cu conținut scăzut de carbon, eliminarea efectelor călirii la rece poate fi deosebit de importantă. În cazul oțelurilor cu conținut mediu de carbon, alegerea procesului depinde, printre altele, de tratamentul mecanic și termic ulterior.
În oțelurile cu conținut ridicat de carbon, morfologia cementitei și a altor carburi devine din ce în ce mai importantă. Prin urmare, procesele care duc la sferoidizarea carburilor sunt adesea utilizate în oțelurile pentru scule, rulmenți și arcuri.

Înmuierea oțelurilor carbon

Pentru oțelurile carbon, alegerea tratamentului depinde de conținutul de carbon și de starea finală dorită. De exemplu, oțelul C45 poate necesita un tratament diferit față de oțelurile pentru arcuri sau scule cu conținut ridicat de carbon.
În oțelurile cu conținut mai mare de carbon, recoacerea sferoidizată poate fi utilizată înainte de prelucrare și de călirea ulterioară. Obținerea formei corecte de cementită facilitează prelucrarea ulterioară și pregătește structura pentru următorul ciclu termic.

Înmuierea oțelurilor aliate

Elementele de aliere pot influența semnificativ temperaturile de transformare, călibilitatea, tipul de carburi formate și viteza proceselor de difuzie. Prin urmare, parametrii adecvați pentru oțelul carbon simplu nu ar trebui aplicați automat oțelurilor cu crom, crom-molibden, nichel sau oțelurilor înalt aliate.
În cazul oțelurilor aliate, controlul temperaturii, timpului și vitezei de răcire este deosebit de important. Pentru oțelurile pentru scule, parametrii de recoacere moale sunt de obicei determinați individual pentru fiecare marcă.

Înmuierea oțelurilor inoxidabile

Când vine vorba de oțeluri inoxidabile, termenul „înmuiere” necesită mai multă prudență. Oțelurile austenitice, feritice, martensitice și duplex au microstructuri diferite și necesită tratamente termice diferite.
De exemplu, oțelurile inoxidabile austenitice se pot întări semnificativ în timpul prelucrării la rece. Refacerea ductilității lor necesită un tratament termic atent selectat, adecvat pentru gradul specific. Prin urmare, nu ar trebui utilizat un interval de temperatură unic, universal, pentru „înmuierea oțelului inoxidabil”.

Efectul timpului și temperaturii asupra înmuierii oțelului

Temperatura și timpul sunt strâns legate. O temperatură prea scăzută poate să nu ducă la modificările microstructurale necesare, în timp ce o temperatură prea ridicată sau o încălzire excesiv de lungă poate provoca o creștere nedorită a granulelor sau alte modificări structurale.
Parametrii procesului ar trebui să includă:

• gradul și compoziția chimică a oțelului,
• temperaturile critice ale materialelor,
• structura de ieșire,
• gradul de consolidare anterioară,
• dimensiunile și geometria elementului,
• tipul cuptorului și metoda de încălzire,
• microstructura finală așteptată,
• tip de tratament mecanic sau termic suplimentar.

Efectul ratei de răcire

Viteza de răcire este unul dintre parametrii care determină structura finală a oțelului. Recoacerea completă clasică utilizează răcirea lentă pentru a permite transformările care duc la o structură mai moale.
În recoacerea izotermă, materialul austenitizat este adus la o temperatură specifică la care are loc o transformare controlată. În recoacerea prin recristalizare, pe de altă parte, metoda de răcire are o semnificație diferită, deoarece scopul principal al procesului este de a elimina efectele ecruisării anterioare, nu de a transforma austenita.
Din acest motiv, nu ar trebui utilizată o singură valoare a ratei de răcire ca fiind adecvată pentru toate procesele de înmuiere.

Atmosfera în timpul recoacerii moi

În timpul recoacerii, nu doar temperatura și timpul sunt importante, ci și atmosfera cuptorului. Temperaturile ridicate pot duce la oxidarea suprafeței, la formarea de crustă și, în anumite condiții, la modificări ale compoziției chimice a stratului superficial.
În funcție de cerințele tehnologice, se utilizează cuptoare care funcționează în atmosferă de aer, atmosferă protectoare sau în vid. Atmosferele protectoare sau vidul pot fi deosebit de importante pentru componentele de precizie și oțelurile aliate, unde este necesară reducerea oxidării și o calitate ridicată a suprafeței.

Aplicarea înmuierii oțelului în industrie

Producția de scule

Oțelurile pentru scule sunt adesea tratate mecanic înainte de călirea finală. Recoacerea moale, în special sferoidizarea, produce o structură care facilitează frezarea, strunjirea, găurirea și alte operațiuni efectuate înainte de tratamentul termic final.

Producția de rulmenți

În cazul oțelurilor pentru lagăre cu conținut ridicat de carbon, este important să se obțină forma și distribuția corespunzătoare a carburii înainte de călire. Prin urmare, recoacerea sferoidizată este o etapă crucială în pregătirea materialului.

Producția de foi, benzi și sârme

Materialele supuse laminării la rece sau tragerii se întăresc treptat. Recoacerea prin recristalizare restabilește ductilitatea corespunzătoare și permite continuarea procesului de modelare.

Industria de mașini

Înmuierea poate fi utilizată la pregătirea produselor semifabricate pentru arbori, punți, angrenaje, componente de transmisie, matrițe și alte piese care necesită prelucrare intensivă înainte de tratamentul termic final.

Recoacere pentru înmuiere și detensionare

Înmuierea nu trebuie echivalată cu recoacere de detensionareScopul principal al detensionării este de a reduce tensiunile reziduale, minimizând în același timp modificarea microstructurii de bază a materialului.
În timpul înmuierii, scopul este în principal de a modifica duritatea, plasticitatea sau microstructura într-un mod care să faciliteze operațiunile tehnologice ulterioare.

Înmuiere și normalizare

Normalizarea oțelului implică austenitizarea și răcirea ulterioară cu aer. În multe oțeluri carbon, acest lucru duce la o structură mai fină și la o duritate și o rezistență mai mari decât recoacerea lentă.
Dacă scopul principal este de a face oțelul pentru scule cu conținut ridicat de carbon cât mai ușor de prelucrat, recoacerea sferoidizată poate fi un proces mai potrivit. Cu toate acestea, dacă sunt necesare rafinarea granulelor și omogenitatea structurală după forjare sau laminare, normalizarea poate fi procesul potrivit.

Înmuiere și întărire

Înmuiere și călirea oțelului Acestea urmăresc obiective fundamental diferite. Călirea produce o structură cu duritate ridicată, în timp ce înmuierea este utilizată pentru a reduce duritatea sau a obține o structură favorabilă pentru prelucrare ulterioară.
Totuși, aceste procese au loc adesea într-o singură secvență tehnologică. Oțelul pentru scule poate fi mai întâi recopt moale, apoi prelucrat mecanic și abia apoi călit și iertat.

Cele mai importante beneficii ale înmuierii oțelului

• reducerea durității excesive,
• îmbunătățirea prelucrabilității în clasele corespunzătoare,
• creșterea plasticității materialului,
• refacerea plasticității după prelucrarea la rece,
• obținerea morfologiei carburilor adecvate,
• pregătirea oțelurilor pentru scule și a oțelurilor cu conținut ridicat de carbon pentru călire,
• posibilitatea realizării etapelor ulterioare de modelare și prelucrare mecanică.

Limitări ale procesului

• parametrii trebuie selectați pentru o anumită clasă de oțel,
• o temperatură prea ridicată poate duce la o creștere nefavorabilă a boabelor,
• răcirea incorectă poate duce la o microstructură incorectă,
• procesele de sferoidizare pot necesita timpi lungi de încălzire,
• nu orice metodă de înmuiere este potrivită pentru orice tip de oțel,
• În cazul oțelurilor înalt aliate, trebuie luate în considerare tipul și stabilitatea carburilor prezente, precum și transformările specifice unei anumite clase de așchiere.

Înmuierea oțelului nu este un singur proces cu parametri universali, ci mai degrabă un grup de tratamente termice selectate în funcție de compoziția chimică, microstructura inițială și utilizarea preconizată a materialului. Recoacerea completă, recoacerea izotermă, recoacerea sferoidizată și recoacerea recristalizată utilizează mecanisme diferite, dar scopul lor comun este de a obține o stare a materialului mai favorabilă pentru operațiunile tehnologice ulterioare.

Pentru oțelurile cu conținut ridicat de carbon și oțelurile pentru scule, recoacerea sferoidizată este deosebit de importantă, deoarece permite o modificare a morfologiei carburilor și pregătește materialul pentru prelucrare și călire ulterioară. În materialele întărite prin prelucrare la rece, recristalizarea este crucială, eliminând efectele ecruisării și restabilind ductilitatea.
Temperatura, timpul de îmbibare și metoda de răcire ar trebui întotdeauna specificate pentru o anumită clasă de oțel. Acest lucru permite obținerea microstructurii necesare fără creșterea necontrolată a granulelor, transformări nedorite sau deteriorarea proprietăților materialului.

Metode de tratare termică și termochimică a oțelului

Înmuierea este doar un grup de procese utilizate pentru modificarea microstructurii și proprietăților oțelului. În funcție de efectul dorit, se utilizează, de asemenea, normalizarea, detensionarea, călirea, revenirea și procese termochimice, cum ar fi carburarea și nitrurarea.

Metode de tratare termică a oțelului

• Normalizarea oțelului – rafinarea granulelor și unificarea microstructurii.
• Wyżarzanie odprężające – reducerea tensiunilor reziduale.
• Înmuierea oțelului – reducerea durității și îmbunătățirea susceptibilității la prelucrări ulterioare.
• Recoacere completă – austenitizare și răcire lentă.
• Recoacere izotermă – transformare efectuată menținându-se la o temperatură selectată corespunzător.
• Recoacere cu bile – sferoidizare – modificarea morfologiei cementitei sau a altor carburi.
• Recoacere prin recristalizare – înlăturarea efectelor de strivire și refacerea plasticității.
• Recoacere de omogenizare – reducerea segregării și omogenizarea compoziției materialelor.
• Întărire și tratament termic – modelarea microstructurii și a proprietăților prin călire și revenire.
• Revenire oțel – modificarea controlată a proprietăților oțelului după călire.
• Călire prin inducție – încălzire prin inducție superficială și răcire rapidă.
• Călire la flacără – întărire superficială după încălzire locală cu flacără.
• Suprasaturație – obținerea unei soluții solide suprasaturate printr-un ciclu termic adecvat.
• Îmbătrânire – separare controlată a fazelor care duce la întărirea materialului.

Metode de tratare termochimică a oțelului

• Nitrurarea oțelului – îmbogățirea prin difuzie a stratului superficial cu azot.
• Cementarea oțelului – îmbogățirea difuzivă a suprafeței cu carbon.
• Carbonitrurare – îmbogățirea simultană a stratului superficial cu carbon și azot.
• Nitrocarburare / nitrocarburare – îmbogățirea stratului în principal cu azot și carbon.
• Foraj – saturația prin difuzie a suprafeței cu bor.
• Placare cu crom difuz – îmbogățirea prin difuzie a stratului cu crom.
• Aluminizare prin difuzie – îmbogățirea prin difuzie a stratului în aluminiu.