Mehčanje jekla – metode, temperatura, mikrostruktura in uporaba

Mehčanje jekla Zajema postopke toplotne obdelave, ki zmanjšajo trdoto materiala, povečajo njegovo plastičnost ali dosežejo mikrostrukturo, ki je ugodnejša za nadaljnjo obdelavo. Mehčanje se uporablja predvsem pred strojno obdelavo, oblikovanjem plastike in nadaljnjimi postopki toplotne obdelave, kot je kaljenje.
Ta postopek je še posebej pomemben za visokoogljična, legirana in orodna jekla, katerih visoka trdota ali neugodna vsebnost karbidov lahko oteži struženje, rezkanje, vrtanje ali druge strojne operacije. Mehčanje se lahko uporablja tudi pri materialih, utrjenih s hladno obdelavo, kjer je treba odpraviti učinke hladne obdelave in obnoviti sposobnost materiala za nadaljnjo deformacijo.
Za mehčanje jekla ni ene same univerzalne metode. Glede na vrsto materiala, vsebnost ogljika, legirne elemente, začetno strukturo in želeni učinek se uporabljajo različne metode, vključno s polnim žarjenjem, izotermnim žarjenjem, sferoidizirajočim žarjenjem in rekristalizacijskim žarjenjem.

Kaj je mehčanje jekla?

Mehčanje izkorišča razmerje med mehanskimi lastnostmi jekla in njegovo mikrostrukturo. Pravilno izbrani postopki segrevanja, žarjenja in hlajenja lahko spremenijo velikost in obliko strukturnih komponent, porazdelitev karbidov, stanje utrjevanja materiala in raven preostalih napetosti.
Glede na uporabljeni postopek se lahko pojavijo naslednji pojavi: transformacija avstenita v ferit in perlit, sferoidizacija cementita ali drugih karbidov, rekristalizacija deformacijsko utrjenega materiala in zmanjšanje gostote dislokacij.
Učinek je običajno zmanjšanje trdote in odpornosti materiala na nadaljnjo obdelavo ter povečanje duktilnosti. Vendar pa je natančen mehanizem odvisen od uporabljene metode, zato izraza "mehčanje" ne smemo enačiti z enim samim specifičnim toplotnim ciklom.

Zakaj se jeklo zmehča?

Material, dobavljen po valjanju, kovanju, vlečenju, kaljenju ali drugih tehnoloških postopkih, nima vedno lastnosti, potrebnih za naslednjo proizvodno operacijo. Prekomerna trdota poveča obrabo orodja in rezalne sile, medtem ko lahko prekomerno utrjevanje z deformacijo omeji možnost nadaljnjega štancanja, upogibanja ali vlečenja.
Glavni cilji mehčanja jekla so:

• zmanjšanje trdote materiala,
• izboljšana obdelovalnost v ustreznih vrstah jekla,
• povečana plastičnost in sposobnost nadaljnjega oblikovanja,
• odstranjevanje ali omejevanje učinkov deformacijskega utrjevanja,
• pridobitev ugodne oblike cementita ali karbidov,
• priprava jekla za kaljenje in nadaljnjo toplotno obdelavo,
• homogenizacija mikrostrukture pred nadaljnjimi proizvodnimi fazami.

Metode mehčanja jekla

Izbira metode mehčanja je odvisna predvsem od vrste jekla in želenega tehnološkega učinka. Visokoogljično jeklo, namenjeno kaljenju, zahteva drugačen postopek kot nizkoogljična pločevina, ki je med hladnim valjanjem močno kaljena.

1. Popolno žarjenje

Popolno žarjenje vključuje segrevanje jekla na območje, ki zagotavlja ustrezno avstenitizacijo, segrevanje materiala in nato zelo počasno hlajenje, običajno skupaj s pečjo.
Pri hipoevtektoidnih jeklih se temperatura postopka izbere nad kritično temperaturo Ac3. Natančna temperatura, čas namakanja in hitrost ohlajanja so odvisni od vrste jekla in dimenzij komponente.
Počasno hlajenje omogoča pridobitev relativno mehke feritno-perlitne strukture. V primerjavi z normalizacija jekla Hlajenje je veliko počasnejše, zato sta nastala struktura in mehanske lastnosti drugačni.
Tipična uporaba: konstrukcijska jekla in druge vrste jekel, ki zahtevajo zmanjšanje trdote, izboljšanje plastičnosti ali pripravo za nadaljnjo obdelavo.

2. Izotermno žarjenje

Izotermno žarjenje uporablja nadzorovano transformacijo avstenita pri konstantni temperaturi. Po avstenitizaciji se jeklo ohladi na ustrezno temperaturo transformacije in nato vzdržuje pri tej temperaturi, dokler ni dosežena zahtevana mikrostruktura.
Za razliko od klasičnega žarjenja z zelo počasnim, neprekinjenim hlajenjem poteka transformacija v nadzorovanih izotermnih pogojih. To omogoča bolj enakomerno strukturo in pri nekaterih jeklih krajši čas postopka.
Metoda se med drugim uporablja pri nekaterih legiranih in orodnih jeklih, kjer bi bilo počasno hlajenje med tradicionalnim žarjenjem dolgotrajno.
Učinek: pridobitev nadzorovane mikrostrukture in lastnosti, ki omogočajo nadaljnjo mehansko ali termično obdelavo.

3. Žarjenje kroglic – sferoidizacija

Žarjenje s kroglicami, imenovano tudi sferoidizacija, je še posebej pomemben za visokoogljična, ležajna in orodna jekla. Njegov namen je spremeniti morfologijo cementita in drugih karbidov, da se ustvarijo bolj zaobljeni, sferoidni delci, razporejeni v feritni matrici namesto lamelarne ali mrežaste razporeditve.
Sferoidizacijo je mogoče izvesti z različnimi termičnimi cikli, vključno s podaljšanim segrevanjem blizu temperature Ac1 ali cikličnim prehodom skozi določeno temperaturno območje. Parametri so odvisni od kemične sestave in začetne strukture določene vrste.
Spreminjanje oblike in porazdelitve karbidov lahko znatno zmanjša trdoto visokoogljičnega jekla in izboljša njegovo obdelovalnost. Pravilno pripravljena struktura zagotavlja tudi ugodno začetno stanje pred naknadnim kaljenjem.
Tipična uporaba: orodna jekla, ležajna jekla in druga visokoogljična jekla, namenjena nadaljnji mehanski obdelavi in ​​kaljenju.

4. Rekristalizacijsko žarjenje

Rekristalizacijsko žarjenje Uporablja se predvsem za materiale, utrjene med hladnim oblikovanjem, npr. valjanjem, vlečenjem ali štancanjem.
Med hladno deformacijo se gostota dislokacij poveča, material se strdi, njegova trdota in trdnost pa se povečata, medtem ko se duktilnost zmanjša. Ko je dosežena visoka stopnja hladne deformacije, lahko nadaljnje oblikovanje postane oteženo.
Rekristalizacijske žarilne metode ustvarjajo nova zrna, brez učinkov prejšnjega deformacijskega utrjevanja. To vodi do zmanjšanja trdote in trdnosti zaradi deformacijskega utrjevanja ter do obnovitve duktilnosti.
Tipična uporaba: pločevine, trakovi, žice in drugi polizdelki, podvrženi intenzivni hladni obdelavi.

Primerjava metod mehčanja jekla

Metoda Osnovni mehanizem Glavni učinek Tipična uporaba Popolno žarjenje Avstenitizacija in počasna transformacija med hlajenjem Zmanjšanje trdote in mehkejša struktura Konstrukcijska jekla in polizdelki pred nadaljnjo obdelavo Izotermno žarjenje Avstenitna transformacija pri nadzorovani, konstantni temperaturi Enakomerna mikrostruktura in nadzorovane lastnosti Izbrana legirana in orodna jekla Kroglično/sferoidizirajoče žarjenje Sprememba morfologije cementita in karbida Zmanjšanje trdote in izboljšana obdelovalnost Visokoogljična, ležajna in orodna jekla Rekristalizacijskega žarjenja Nastanek novih zrn po predhodnem utrjevanju Odstranitev učinkov utrjevanja in obnovitev duktilnosti Hladno obdelane pločevine, trakovi in ​​žice

Primerjava metod mehčanja jekla

Kako se mikrostruktura spreminja med mehčanjem?

Mikrostrukturne spremembe so odvisne od vrste žarjenja. Zato je nemogoče opredeliti enotno strukturo, značilno za vse procese mehčanja.
Glede na uporabljeno tehnologijo se lahko zgodi naslednje:

• nastanek feritno-perlitne strukture med počasnim ohlajanjem po avstenitizaciji,
• nadzorovana transformacija avstenita med izotermnim žarjenjem,
• sferoidizacija cementita in drugih karbidov v visokoogljičnih in legiranih jeklih,
• obnova in rekristalizacija strukture po predhodni hladni plastični obdelavi,
• zmanjšanje gostote dislokacij in učinkov deformacijskega utrjevanja.

Sferoidizirajoče žarjenje – zakaj je pomembno za orodna jekla?

Pri orodnih jeklih in drugih visokoogljičnih jeklih trdota sama po sebi ni edini parameter, ki določa primernost za obdelavo. Pomembne so tudi oblika, velikost in porazdelitev karbidov.
Struktura z ustrezno porazdeljenimi, skoraj sferičnimi karbidi lahko olajša obdelavo in zagotovi primerne začetne pogoje za kasnejšo avstenitizacijo in kaljenje. Zato se orodna jekla pogosto dobavljajo v mehko žarjenem stanju.
Dejansko trdoto po žarjenju je treba določiti za določeno vrsto jekla. Za vsa orodna jekla se ne sme uporabljati enega samega območja HB ali HV.

Mehčanje in obdelovalnost jekla

Eden najpomembnejših razlogov za mehčanje je priprava materiala za struženje, rezkanje, vrtanje, posnemanje ali druge strojne operacije. Zmanjšanje prekomerne trdote lahko zmanjša obremenitev rezalnega roba in obrabo orodja.
Vendar pa razmerje med trdoto in obdelovalnostjo ni linearno. Material z najnižjo možno trdoto ni vedno najlažje obdelljiv. Zelo mehka in duktilna jekla lahko imajo težave z nastajanjem odrezkov, nabiranjem na robu in kakovostjo površine.
Zato se izbere ustrezen postopek ne le za doseganje najnižje možne trdote, temveč predvsem za pridobitev mikrostrukture, primerne za specifični material in nadaljnjo proizvodno tehnologijo.

Mehčanje in vsebnost ogljika v jeklu

Vsebnost ogljika ima pomemben vpliv na izbiro metode mehčanja. Pri nizkoogljičnih jeklih je lahko še posebej pomembno odstraniti učinke utrjevanja s hladnim deformiranjem. Pri srednjeogljičnih jeklih je izbira postopka med drugim odvisna od naknadne mehanske in toplotne obdelave.
Pri visokoogljičnih jeklih postaja morfologija cementita in drugih karbidov vse pomembnejša. Zato se postopki, ki vodijo do sferoidizacije karbidov, pogosto uporabljajo v orodnih, ležajnih in vzmetnih jeklih.

Mehčanje ogljikovih jekel

Pri ogljikovih jeklih je izbira obdelave odvisna od vsebnosti ogljika in želenega končnega stanja. Na primer, jeklo C45 lahko zahteva drugačno obdelavo kot vzmetna ali orodna jekla z visoko vsebnostjo ogljika.
Pri jeklih z višjo vsebnostjo ogljika se lahko pred strojno obdelavo in naknadnim kaljenjem uporabi sferoidizacijsko žarjenje. Pridobitev ustrezne oblike cementita olajša nadaljnjo obdelavo in pripravi strukturo za naslednji toplotni cikel.

Mehčanje legiranih jekel

Legirni elementi lahko pomembno vplivajo na temperature transformacije, kaljivost, vrsto nastalih karbidov in hitrost difuzijskih procesov. Zato se parametri, primerni za navadno ogljikovo jeklo, ne smejo samodejno uporabljati za kromova, krom-molibdenova, nikljeva ali visokolegirana jekla.
Pri legiranih jeklih je še posebej pomembno nadzorovati temperaturo, čas in hitrost ohlajanja pri toplotni obdelavi. Pri orodnih jeklih se parametri mehkega žarjenja običajno določijo individualno za vsako vrsto jekla.

Mehčanje nerjavnih jekel

Pri nerjavnih jeklih je izraz "mehčanje" previden. Avstenitna, feritna, martenzitna in dupleksna jekla imajo različne mikrostrukture in zahtevajo različne toplotne obdelave.
Na primer, avstenitna nerjavna jekla se lahko med hladno obdelavo znatno strdijo. Obnovitev njihove duktilnosti zahteva skrbno izbrano toplotno obdelavo, primerno za določeno vrsto jekla. Zato se ne sme uporabljati enega samega, univerzalnega temperaturnega območja za "mehčanje nerjavnega jekla".

Vpliv časa in temperature na mehčanje jekla

Temperatura in čas sta tesno povezana. Prenizka temperatura morda ne bo povzročila zahtevanih mikrostrukturnih sprememb, medtem ko lahko previsoka temperatura ali predolgo segrevanje povzroči neželeno rast zrn ali druge strukturne spremembe.
Parametri procesa morajo vključevati:

• vrsta in kemična sestava jekla,
• kritične temperature materialov,
• izhodna struktura,
• stopnja predhodne ojačitve,
• dimenzije in geometrija elementa,
• vrsta peči in način ogrevanja,
• pričakovana končna mikrostruktura,
• vrsta nadaljnje mehanske ali toplotne obdelave.

Vpliv hitrosti hlajenja

Hitrost ohlajanja je eden od parametrov, ki določa končno strukturo jekla. Klasično polno žarjenje uporablja počasno ohlajanje, da se omogočijo transformacije, ki vodijo do mehkejše strukture.
Pri izotermnem žarjenju se avstenitiziran material segreje na določeno temperaturo, pri kateri pride do nadzorovane transformacije. Pri rekristalizacijskem žarjenju pa ima metoda hlajenja drugačen pomen, saj je primarni cilj postopka odstranitev učinkov predhodnega utrjevanja, ne pa transformacija avstenita.
Zaradi tega se ene vrednosti hitrosti hlajenja ne sme uporabljati kot ustrezne za vse postopke mehčanja.

Atmosfera med mehkim žarjenjem

Med žarjenjem nista pomembna le temperatura in čas, temveč tudi atmosfera v peči. Visoke temperature lahko povzročijo oksidacijo površine, nastajanje vodnega kamna in pod določenimi pogoji spremembe kemične sestave površinske plasti.
Glede na tehnološke zahteve se uporabljajo peči, ki delujejo v zračni atmosferi, zaščitni atmosferi ali vakuumu. Zaščitna atmosfera ali vakuum sta lahko še posebej pomembna za precizne komponente in legirana jekla, kjer sta potrebna zmanjšanje oksidacije in visoka kakovost površine.

Uporaba mehčanja jekla v industriji

Proizvodnja orodij

Orodna jekla so pred končnim kaljenjem pogosto mehansko obdelana. Mehko žarjenje, zlasti sferoidizacija, ustvari strukturo, ki olajša rezkanje, struženje, vrtanje in druge operacije, ki se izvajajo pred končno toplotno obdelavo.

Proizvodnja ležajev

Pri visokoogljičnih ležajnih jeklih je pomembno doseči ustrezno obliko in porazdelitev karbida pred kaljenjem. Sferoidizacijsko žarjenje je zato ključni korak pri pripravi materiala.

Proizvodnja plošč, trakov in žic

Materiali, ki so podvrženi hladnemu valjanju ali vlečenju, se postopoma strjujejo. Rekristalizacijskemu žarjenju se povrne ustrezna duktilnost in omogoči nadaljevanje procesa oblikovanja.

Strojna industrija

Mehčanje se lahko uporablja pri pripravi polizdelkov za gredi, osi, zobnike, komponente menjalnika, kalupe in druge dele, ki zahtevajo intenzivno obdelavo pred končno toplotno obdelavo.

Žarjenje za mehčanje in odpravljanje napetosti

Mehčanja ne smemo enačiti z žarjenje za zmanjšanje napetostiPrimarni namen lajšanja napetosti je zmanjšanje preostalih napetosti ob hkratnem zmanjšanju spremembe osnovne mikrostrukture materiala.
Med mehčanjem je cilj predvsem spremeniti trdoto, plastičnost ali mikrostrukturo na način, ki olajša nadaljnje tehnološke operacije.

Mehčanje in normalizacija

Normalizacija jekla vključuje avstenitizacijo in poznejše hlajenje na zraku. Pri mnogih ogljikovih jeklih to vodi do finejše strukture ter večje trdote in trdnosti kot počasno žarjenje.
Če je primarni cilj čim bolj olajšati obdelavo visokoogljičnega orodnega jekla, je lahko sferoidizacijsko žarjenje ustreznejši postopek. Če pa je potrebno prečiščevanje zrn in strukturna homogenost po kovanju ali valjanju, je lahko ustrezen postopek normalizacija.

Mehčanje in strjevanje

Mehčanje in kaljenje jekla Sledijo bistveno različnim ciljem. Kaljenje ustvari strukturo z visoko trdoto, medtem ko se mehčanje uporablja za zmanjšanje trdote ali pridobitev strukture, ugodne za nadaljnjo obdelavo.
Vendar pa se ti procesi pogosto odvijajo v enem samem tehnološkem zaporedju. Orodno jeklo se lahko najprej mehko žari, nato mehansko obdela in šele nato kali in ... odpuščeno.

Najpomembnejše prednosti mehčanja jekla

• zmanjšanje prekomerne trdote,
• izboljšanje obdelovalnosti v ustreznih razredih,
• povečanje plastičnosti materiala,
• obnova plastičnosti po hladni obdelavi,
• pridobitev ustrezne morfologije karbida,
• priprava orodnih in visokoogljičnih jekel za kaljenje,
• možnost izvedbe nadaljnjih faz oblikovanja in mehanske obdelave.

Omejitve procesa

• parametre je treba izbrati za določeno vrsto jekla,
• previsoka temperatura lahko povzroči neugodno rast zrn,
• nepravilno hlajenje lahko povzroči nepravilno mikrostrukturo,
• postopki sferoidizacije lahko zahtevajo dolge čase segrevanja,
• Ni vsaka metoda mehčanja primerna za vsako vrsto jekla,
• Pri visoko legiranih jeklih je treba upoštevati vrsto in stabilnost prisotnih karbidov ter transformacije, specifične za dano vrsto.

Mehčanje jekla ni en sam postopek z univerzalnimi parametri, temveč skupina toplotnih obdelav, izbranih glede na kemijsko sestavo, začetno mikrostrukturo in predvideno uporabo materiala. Popolno žarjenje, izotermno žarjenje, sferoidizirajoče žarjenje in rekristalizacijsko žarjenje uporabljajo različne mehanizme, vendar je njihov skupni cilj doseči stanje materiala, ki je ugodnejše za nadaljnje tehnološke operacije.

Za visokoogljična in orodna jekla je sferoidizacijsko žarjenje še posebej pomembno, saj omogoča spremembo morfologije karbida in pripravi material za obdelavo ter nadaljnje kaljenje. Pri materialih, utrjenih s hladno obdelavo, je rekristalizacija ključnega pomena, saj odpravlja učinke utrjevanja in obnavlja duktilnost.
Temperatura, čas namakanja in način hlajenja morajo biti vedno določeni za določeno vrsto jekla. To omogoča doseganje zahtevane mikrostrukture brez nenadzorovane rasti zrn, neželenih transformacij ali poslabšanja lastnosti materiala.

Metode toplotne in termokemične obdelave jekla

Mehčanje je le ena skupina postopkov, ki se uporabljajo za spreminjanje mikrostrukture in lastnosti jekla. Glede na želeni učinek se uporabljajo tudi normalizacija, sproščanje napetosti, kaljenje, popuščanje in termokemični postopki, kot sta cementacija in nitriranje.

Metode toplotne obdelave jekla

• Normalizacija jekla – prečiščevanje zrn in poenotenje mikrostrukture.
• Žarjenje za lajšanje napetosti – zmanjšanje preostalih napetosti.
• Mehčanje jekla – zmanjšanje trdote in izboljšanje dovzetnosti za nadaljnjo obdelavo.
• Popolno žarjenje – avstenitizacija in počasno hlajenje.
• Izotermno žarjenje – transformacija, izvedena pri pravilno izbrani temperaturi.
• Žarjenje kroglic – sferoidizacija – sprememba morfologije cementita ali drugih karbidov.
• Rekristalizacijsko žarjenje – odstranitev učinkov drobljenja in obnovitev plastičnosti.
• Homogenizirajoče žarjenje – zmanjšanje segregacije in homogenizacija sestave materiala.
• Kaljenje in toplotna obdelava – oblikovanje mikrostrukture in lastnosti s kaljenjem in popuščanjem.
• Kaljenje jekla – nadzorovana sprememba lastnosti jekla po kaljenju.
• Indukcijsko kaljenje – površinsko indukcijsko segrevanje in hitro hlajenje.
• Kaljenje s plamenom – površinsko utrjevanje po lokalnem segrevanju s plamenom.
• Prenasičenost – pridobitev prenasičene trdne raztopine z ustreznim termičnim ciklom.
• Staranje – nadzorovano ločevanje faz, ki vodi do utrjevanja materiala.

Metode termokemične obdelave jekla

• Nitriranje jekla – difuzijska obogatitev površinske plasti z dušikom.
• Cementiranje jekla – difuzijska obogatitev površin z ogljikom.
• Karbonitriranje – hkratna obogatitev površinske plasti z ogljikom in dušikom.
• Nitrokarburizacija / nitrokarburizacija – obogatitev plasti predvsem z dušikom in ogljikom.
• Vrtanje – difuzijska nasičenost površine z borom.
• Difuzijsko kromiranje – difuzijska obogatitev plasti s kromom.
• Difuzijsko aluminiziranje – difuzijska obogatitev plasti v aluminiju.