Pjekja e plotë e çelikut - Procesi, Temperatura, Mikrostruktura dhe Zbatimi

Pjekje e plotë e çelikut është një proces trajtimi termik që përfshin ngrohjen e materialit në një temperaturë të mjaftueshme për të arritur austenitizimin, mbajtjen e tij në atë temperaturë dhe më pas ftohjen shumë ngadalë, zakonisht në një furrë. Qëllimi i procesit është të arrijë një strukturë afër ekuilibrit, të zvogëlojë fortësinë, të rrisë duktilitetin dhe të përgatisë çelikun për përpunim të mëtejshëm mekanik ose termik.
Pjekja e plotë përdoret kryesisht për çelikët hipoeutektoidë. Një cikël ngrohjeje dhe ftohjeje i ngadaltë i zgjedhur me kujdes mundëson transformimin e strukturës fillestare në ferrit dhe perlit, duke arritur veti të favorshme për përpunimin e mëtejshëm të materialit.
Procesi i përket grupit të metodave çeliku zbutës, por nuk është sinonim i zbutjes. Reduktimi i fortësisë mund të arrihet edhe me anë të sferoidizimit, izotermik ose rikristalizimit të kalitjes, me mekanizmin dhe zbatimin e secilit proces që është i ndryshëm.

Çfarë është pjekja e plotë e çelikut?

Baza e pjekjes së plotë është transformimi i strukturës së çelikut në austenit gjatë ngrohjes, i ndjekur nga dekompozimi i kontrolluar i austenitit gjatë ftohjes shumë të ngadaltë. Në rastin e çeliqeve hipoeutektoide, materiali nxehet mbi temperaturën kritike Ac3, gjë që lejon që ferriti dhe perliti i pranishëm në strukturën fillestare të transformohen në austenit.
Pasi austenitizimi të ketë përfunduar, çeliku ngrohet për kohën e nevojshme për të barazuar temperaturën në të gjithë prerjen tërthore dhe për të arritur transformimet e kërkuara. Materiali më pas ftohet ngadalë në furrë. Ndërsa kalon nëpër diapazonin e temperaturës së transformimit, austeniti transformohet gradualisht në një strukturë feritike-perlitike.
Ftohja e ngadaltë është thelbësore për rezultatin e procesit. Ajo e dallon pjekjen e plotë nga, ndër të tjera, normalizimi i çelikut, gjatë së cilës materiali ftohet në ajër pas austenitizimit.

Qëllimi i pjekjes së plotë

Pjekja e plotë përdoret kur kërkohet një strukturë materiale relativisht e butë, duktile dhe më uniforme. Procesi mund të kryhet pas farkëtimit, petëzimit në të nxehtë, derdhjes ose operacioneve të tjera të përpunimit që e lënë një strukturë të pafavorshme për përpunim të mëtejshëm.
Qëllimet kryesore të pjekjes së plotë janë:

• uljen e fortësisë së çelikut,
• rritja e plasticitetit të materialit,
• duke marrë një mikrostrukturë më uniforme,
• transformimi i strukturës së pafavorshme të krijuar gjatë proceseve të mëparshme teknologjike,
• përgatitja e materialit për përpunim të mëtejshëm,
• përgatitja e çelikut për proceset pasuese të trajtimit termik,
• duke marrë një gjendje dalëse të parashikueshme para përpunimit të mëtejshëm.

Temperatura e plotë e pjekjes

Temperatura e plotë e pjekjes nuk është një konstante e vetme për të gjitha klasat e çelikut. Ajo zgjidhet bazuar në temperaturat kritike që rezultojnë nga përbërja kimike e materialit.
Për çelikët hipoeutektoidë të përdorur në pjekjen e plotë klasike, temperatura e procesit është mbi temperaturën Ac3Në praktikë, përdoret një mbinxehje e përshtatshme mbi Ac3, e mjaftueshme për të kryer austenitizimin e duhur pa rritur panevojshëm temperaturën e procesit.
Vlerat e gjetura në literaturë që përcaktojnë temperaturën e pjekjes si një numër specifik gradësh mbi Ac3 duhet të konsiderohen të përafërta. Temperatura e saktë duhet të përcaktohet nga shkalla e çelikut, përbërja e tij kimike, struktura fillestare, dimensionet e përbërësve dhe efekti i dëshiruar teknologjik.

Temperaturat kritike Ac1 dhe Ac3 – rëndësia gjatë pjekjes

Temperaturat kritike që shoqërohen me ndryshimet që ndodhin gjatë ngrohjes së çelikut janë të rëndësishme për të kuptuar pjekjen e plotë.

• Ac1 – temperatura në të cilën fillon transformimi që çon në formimin e austenitit gjatë ngrohjes,
• Ac3 – temperatura mbi të cilën përfundon transformimi në austenit në çelikun hipoeutektoid.

Shkronja "c" në përcaktimin Ac i referohet temperaturave kritike të përcaktuara gjatë ngrohjes. Gjatë ftohjes, përcaktimi Ar përdoret sepse, për shkak të kinetikës së transformimeve, temperaturat e transformimit gjatë ngrohjes dhe ftohjes nuk janë identike.
Në pjekjen klasike të plotë të çelikut hipoeutektoid, tejkalimi i Ac3 lejon që struktura austenitike të merret përpara se të fillojë ftohja e ngadaltë.

Pjekja e plotë - rrjedha e procesit

Procesi mund të ndahet në tre faza kryesore: ngrohja, njomja dhe ftohja e ngadaltë.

1. Ngrohja e çelikut

Komponenti nxehet në temperaturën e pjekjes të përshtatshme për gradën e dhënë. Metoda e ngrohjes duhet të marrë parasysh madhësinë dhe gjeometrinë e komponentit, prerjen e tij tërthore, përçueshmërinë termike të materialit dhe potencialin për gradiente të temperaturës.
Për farkëtime, derdhje ose përbërës të mëdhenj me prerje tërthore që ndryshojnë ndjeshëm, ngrohja shumë e shpejtë mund të çojë në ndryshime të mëdha të temperaturës midis sipërfaqes dhe bërthamës. Kjo mund të shkaktojë strese termike, kështu që në praktikën industriale, cikli i ngrohjes mund të përfshijë faza të ndërmjetme shtesë.

2. Ngrohje

Pasi të arrihet temperatura e kërkuar, elementi nxehet për të barazuar temperaturën në të gjithë prerjen tërthore dhe për të kryer ndryshimet e kërkuara strukturore.
Koha e ngrohjes varet nga faktorë të tillë si shkalla e çelikut, dimensionet e përbërësve, gjeometria, pesha e serisë, lloji i furrës dhe metoda e ngrohjes. Prandaj, konvertimet e thjeshta të trashësisë së kohës për milimetër nuk duhet të konsiderohen si një rregull universal teknologjik.

3. Ftohje e ngadaltë në furrë

Pasi të përfundojë pjekjen, fillon faza më e rëndësishme për sa i përket mikrostrukturës përfundimtare: ftohja e ngadaltë. Në pjekjen e plotë klasike, çeliku ftohet me furrën përgjatë diapazonit të temperaturës ku ndodhin transformimet e austenitit.
Shpërndarja e ngadaltë e nxehtësisë siguron kushtet për të ndodhur transformimet e difuzionit dhe për formimin e një strukture afër ekuilibrit. Pas kalimit të një diapazoni të konsiderueshëm transformimesh, ftohja e mëtejshme mund të kryhet duke përdorur teknologji të përshtatshme për materialin dhe përbërësin specifik.

Çfarë i ndodh çelikut kur ftohet?

Gjatë ftohjes së ngadaltë të çelikut hipoeutektoid, austeniti i nënshtrohet një transformimi gradual. Pasi tejkalohet një temperaturë e caktuar, ferriti fillon të precipitojë dhe austeniti i mbetur ndryshon përbërjen ndërsa temperatura ulet.
Me ftohje të mëtejshme, austeniti i mbetur i nënshtrohet një transformimi perlitik. Si rezultat, në temperaturë ambienti, një çelik tipik hipoeutektoid pas pjekjes së plotë ka një strukturë që përbëhet nga ferrit dhe perlit.
Përqindjet e përbërësve individualë strukturorë varen kryesisht nga përmbajtja e karbonit. Ndërsa përmbajtja e karbonit në çelikun hipoeutektoid rritet, përqindja e perlitit rritet, ndërsa përqindja e ferritit proeutektoid zvogëlohet.

Mikrostruktura e çelikut pas pjekjes së plotë

Mikrostruktura përfundimtare është një nga faktorët më të rëndësishëm që përcakton vetitë e çelikut pas kalitjes. Çeliqet tipike hipoeutektoide kanë një strukturë feritike-perlitike.
Për shkak të ftohjes së ngadaltë, perliti mund të ketë një distancë më të madhe midis lamelave të ferritit dhe çimentitit sesa pas ftohjes më të shpejtë gjatë normalizimit. Kjo ka një ndikim të drejtpërdrejtë në vetitë mekanike të materialit.
Struktura e përftuar pas pjekjes së plotë zakonisht karakterizohet nga fortësi dhe rezistencë më e ulët dhe plasticitet më i madh sesa struktura e përftuar pas normalizimit të të njëjtit çelik.

Ferit, perlit dhe çimentit në çelik të pjekur

Ferrit është një përbërës strukturor i butë dhe plastik i çelikut. Përmbajtja e tij e lartë kontribuon në fortësinë relativisht të ulët të materialit dhe deformueshmërinë e mirë.
Perlit është një përzierje e ferritit dhe çimentitit e formuar gjatë transformimit eutektoid. Vetitë e tij varen, ndër të tjera, nga distanca midis lamelave të të dy fazave. Prandaj, shkalla e ftohjes ndikon në morfologjinë e perlitit dhe, rrjedhimisht, në vetitë mekanike të çelikut.
Fe çimentiti₃C është një fazë e fortë dhe e brishtë që përmban karbon. Sasia, forma dhe shpërndarja e tij kanë një ndikim të rëndësishëm në fortësinë, përpunueshmërinë dhe sjelljen e çelikut gjatë përpunimit të mëtejshëm.

Efekti i pjekjes së plotë në vetitë e çelikut

Pjekja dhe normalizimi i plotë i çelikut

Pjekja e plotë dhe normalizimi ndajnë një hap të përbashkët austenitizimi, por ato ndryshojnë thelbësisht në metodën e tyre të ftohjes. Në pjekjen e plotë, çeliku ftohet shumë ngadalë, zakonisht në furrë. Në normalizim, ftohja ndodh në ajër.

Pjekje e plotë dhe pjekje sferoidizuese

Këto procese nuk duhen konsideruar sinonime. Pjekja e plotë përdor austenitizimin dhe ftohjen e ngadaltë për të arritur një strukturë ferritike-perlitike. Pjekja sferoidizuese, nga ana tjetër, ndryshon kryesisht morfologjinë e çimentitit dhe karbideve të tjera.
Në çelikët me përmbajtje të lartë karboni dhe për vegla, një strukturë me karbide të shpërndara në mënyrë të përshtatshme në një formë pothuajse sferike mund të jetë më e dobishme para prerjes dhe forcimit të mëvonshëm. Për këtë arsye, për materiale të tilla, pjekje sferoidizuese në vend të pjekjes së plotë klasike.

Pjekje e plotë dhe pjekje për lehtësimin e stresit

Pjekja e lehtësimit të stresit kryhet nën diapazonin e austenitizimit sepse detyra e tij kryesore është të zvogëlojë streset e mbetura pa ristrukturuar rrënjësisht mikrostrukturën bazë të materialit.
Megjithatë, gjatë pjekjes së plotë, çeliku austenitizohet dhe më pas formohet një mikrostrukturë e re gjatë ftohjes së ngadaltë. Dallimi nuk qëndron vetëm në temperaturë, por edhe në mekanizmin dhe qëllimin e të gjithë procesit.

Pjekje dhe forcim i plotë

Forcim dhe pjekjeja e plotë mund të fillojë me ngrohjen e çelikut në diapazonin austenitik, por pas pjekjes ato vazhdojnë në një mënyrë krejtësisht të ndryshme.
Gjatë pjekjes, çeliku ftohet shumë ngadalë për të lejuar transformimet e difuzionit dhe për të arritur një strukturë relativisht të butë. Gjatë forcimit, materiali ftohet mjaftueshëm shpejt për të kufizuar transformimet e difuzionit dhe për të arritur një strukturë me fortësi të lartë, zakonisht me një përmbajtje të konsiderueshme martensiti.
Thënë thjesht, të dy proceset mund të trajtohen si të kundërta për sa i përket efektit të tyre të pritur: pjekja e plotë synon kryesisht të zbusë materialin dhe të rrisë ndjeshmërinë e tij ndaj përpunimit të mëtejshëm, ndërsa forcimi synon të rrisë fortësinë e tij.

Pjekje e plotë dhe pjekje izotermike

Në pjekjen e plotë, transformimi i austenitit ndodh gjatë ftohjes së vazhdueshme dhe shumë të ngadaltë. Në pjekjen izotermike, pas austenitizimit, materiali sillet në një temperaturë të zgjedhur në mënyrë të përshtatshme dhe mbahet në atë temperaturë për kohën e nevojshme për të arritur transformimin e kërkuar.
Pjekja izotermike mund të jetë e dobishme për disa çelikë të lidhur ku ftohja klasike e ngadaltë do të kërkonte një kohë shumë të gjatë.

Pjekje e plotë pas farkëtimit

Formëzimi i nxehtë mund ta lërë materialin me një strukturë që kërkon trajtim të mëtejshëm termik. Në varësi të temperaturës së fundit të farkëtimit, shkallës së ftohjes, gradës së çelikut dhe dimensioneve të farkëtimit, struktura mund të jetë jo uniforme ose e papërshtatshme për përpunim të mëtejshëm.
Për disa lloje, mund të përdoret kalitje e plotë për të përgatitur farkëtimin për përpunim mekanik ose trajtim të mëvonshëm termik. Në raste të tjera, normalizimi, kalitja izotermike ose kalitja sferoidizuese mund të jenë më të përshtatshme.

Pjekja e plotë pas rrotullimit

Një situatë e ngjashme ndodh me produktet gjysmë të gatshme të petëzuara në të nxehtë. Mikrostruktura përfundimtare varet nga temperatura e petëzimit, shkalla e deformimit dhe kushtet e ftohjes.
Pjekja mund të përdoret për të arritur strukturën dhe vetitë e kërkuara për përpunim të mëtejshëm. Megjithatë, ky proces nuk duhet të ngatërrohet me pjekjen e rikristalizimit, e cila përdoret pas përpunimit të gjerë në të ftohtë.

Pjekja e plotë e çeliqeve të karbonit

Pjekja klasike e plotë është veçanërisht e rëndësishme për çelikët e karbonit hipoeutektoidë. Ndërsa përmbajtja e karbonit rritet, temperaturat kritike dhe përqindja e ferritit dhe perlitit në strukturën përfundimtare ndryshojnë.
Në çelikët me përmbajtje më të lartë karboni, duhet të merret në konsideratë edhe qëllimi i përpunimit të mëvonshëm. Nëse qëllimi më i rëndësishëm është arritja e përpunueshmërisë së shkëlqyer dhe një strukture të përshtatshme para forcimit, veçanërisht në çelikët me përmbajtje të lartë karboni, kalitja sferoidizuese mund të jetë e preferueshme.

Pjekja e plotë e çeliqeve të aliazhit

Në çelikët e lidhur, prania e kromit, molibdenit, nikelit, manganit dhe elementëve të tjerë ndryshon temperaturat e transformimit dhe kinetikën e dekompozimit të austenitit. Rritja e fortësisë kërkon përzgjedhje të kujdesshme të ciklit të ftohjes.
Për disa çelikë të lidhur, ftohja shumë e ngadaltë e nevojshme për të arritur strukturën e dëshiruar mund ta zgjasë ndjeshëm procesin. Në raste të tilla, kalitja izotermike mund të jetë teknologjikisht më e dobishme.

Nga çfarë varet efekti i pjekjes së plotë?

Gabimet më të zakonshme gjatë pjekjes së plotë

Pjekja e kryer në mënyrë të gabuar jo vetëm që mund të mos japë rezultatet e pritura, por gjithashtu mund të përkeqësojë vetitë e materialit.

• Temperatura shumë e lartë – mund të shkaktojë rritje të tepërt të kokrrizave të austenitit.
• Ngrohje shumë e gjatë – rrit rrezikun e rritjes së kokrrave dhe e zgjat procesin në mënyrë të panevojshme.
• Temperaturë e pamjaftueshme – mund të pengojë kryerjen e austenitizimit të kërkuar.
• Ftohje shumë e shpejtë – mund të çojë në struktura dhe veti të ndryshme nga ato të pritura.
• Ngrohje e pabarabartë – në elementë të mëdhenj mund të çojë në ndryshime të temperaturës dhe formimin e streseve termike.
• Përzgjedhje e gabuar e procesit për gradën e çelikut – për çelikët me përmbajtje të lartë karboni, për vegla ose për aliazhe të larta, një lloj tjetër pjekjeje mund të jetë më i përshtatshëm.

Avantazhet e pjekjes së plotë

• duke zvogëluar fortësinë e materialit,
• rritja e plasticitetit,
• mundësia e marrjes së një mikrostrukture më homogjene,
• përgatitja e materialit për përpunim të mëtejshëm,
• përgatitja e çelikut për proceset pasuese të trajtimit termik,
• mundësia e ndryshimit të një strukture të pafavorshme pas proceseve të mëparshme teknologjike.

Disavantazhet dhe kufizimet e pjekjes së plotë

• kohë e gjatë procesi për shkak të ftohjes së ngadaltë,
• konsum i lartë i kohës dhe energjisë së furrës, veçanërisht për elementë të mëdhenj,
• mundësia e rritjes së kokrrave në temperaturë ose kohë të zgjedhur gabimisht,
• nuk siguron gjithmonë përpunimin më të mirë të çeliqeve me përmbajtje të lartë karboni,
• për disa çelikë të lidhur, pjekjet izotermike ose sferoidizuese mund të jenë më të dobishme,
• Parametrat e procesit duhet të zgjidhen për llojin dhe dimensionet specifike të elementit.

Pjekje e plotë - aplikime industriale

Pjekja e plotë mund të përdoret në faza të ndryshme të prodhimit të çelikut. Më shpesh përdoret si një proces përgatitor para përpunimit të mëtejshëm ose trajtimit termik.
Aplikimet tipike përfshijnë:

• farkëtime çeliku,
• derdhje çeliku të gradave të përshtatshme,
• produkte gjysmë të gatshme të petëzuara në të nxehtë,
• përbërësit e makinës të destinuar për përpunim të mëtejshëm mekanik,
• boshte, boshte dhe elementë të tjerë strukturorë,
• produkte gjysmë të gatshme të përgatitura për proceset pasuese të trajtimit të nxehtësisë.

Pjekja e plotë - informacioni më i rëndësishëm

Pjekje e plotë Austenitizimi i çelikut është një proces trajtimi me nxehtësi që përdor austenitizimin dhe ftohjen shumë të ngadaltë të çelikut, më shpesh në një furrë. Në rastin e çeliqeve hipoeutektoidë, kjo çon në formimin e një strukture ferritike-perlitike dhe lejon marrjen e një materiali me fortësi më të ulët dhe duktilitet më të madh sesa karakteristika e ftohjes më të shpejtë të normalizimit.
Procesi përdoret kryesisht si një hap në përgatitjen e çelikut për përpunim të mëtejshëm mekanik ose termik. Megjithatë, nuk është një zgjidhje universale. Për çelikët me karbon të lartë dhe për vegla, kalitja sferoidizuese mund të jetë më e dobishme, ndërsa për disa çelikë të lidhur, kalitja izotermike mund të jetë më e dobishme. Parametrat përfundimtarë të kalitjes së plotë duhet të zgjidhen gjithmonë bazuar në gradën specifike të çelikut, temperaturat kritike, dimensionet e përbërësve, mikrostrukturën fillestare dhe vetitë përfundimtare të kërkuara.

Metodat e trajtimit termik dhe termokimik të çelikut

Zbutja është vetëm një grup procesesh të përdorura për të modifikuar mikrostrukturën dhe vetitë e çelikut. Në varësi të efektit të dëshiruar, përdoren gjithashtu normalizimi, lehtësimi i stresit, forcimi, temperimi dhe procese termokimike si karburizimi dhe nitridimi.

Metodat e trajtimit të nxehtësisë së çelikut

• Normalizimi i çelikut – rafinimi i kokrrizave dhe unifikimi i mikrostrukturës.
• Pjekja e lehtësimit të stresit – reduktimi i streseve të mbetura.
• Zbutja e çelikut – zvogëlimin e fortësisë dhe përmirësimin e ndjeshmërisë ndaj përpunimit të mëtejshëm.
• Pjekje e plotë – austenitizimi dhe ftohja e ngadaltë.
• Pjekja izotermike – transformimi kryhet duke mbajtur një temperaturë të zgjedhur siç duhet.
• Pjekja e topit - sferoidizimi – ndryshim në morfologjinë e çimentitit ose karbideve të tjera.
• Pjekja e rikristalizimit – heqja e efekteve të shtypjes dhe rivendosja e plasticitetit.
• Pjekja homogjenizuese – reduktimin e segregacionit dhe homogjenizimin e përbërjes së materialit.
• Forcimi dhe trajtimi i nxehtësisë – formësimi i mikrostrukturës dhe vetive me anë të forcimit dhe temperimit.
• Kalitje çeliku – modifikim i kontrolluar i vetive të çelikut pas forcimit.
• Ngurtësimi me induksion – ngrohje me induksion sipërfaqësor dhe ftohje e shpejtë.
• Forcim me flakë – forcim sipërfaqësor pas ngrohjes lokale me flakë.
• Mbingopje – marrja e një tretësire të ngurtë të mbingopur me anë të një cikli termik të përshtatshëm.
• Plakja – ndarje e kontrolluar e fazave që çon në forcimin e materialit.

Metodat e trajtimit termokimik të çelikut

• Nitridimi i çelikut – pasurimi difuzional i shtresës sipërfaqësore me azot.
• Çeliku i karburuar – pasurimi difuzional i sipërfaqes me karbon.
• Karbonitrizimi – pasurimi i njëkohshëm i shtresës sipërfaqësore me karbon dhe azot.
• Nitrokarburizim / nitrokarburizim – pasurimi i shtresës kryesisht me azot dhe karbon.
• Shpimi – ngopja difuzive e sipërfaqes me bor.
• Kromim me difuzion – pasurimi difuziv i shtresës me krom.
• Aluminizim me difuzion – pasurimi difuziv i shtresës në alumin.