Изотермно жарење челика – процес, температура, микроструктура и примена

Изотермно жарење челика је процес термичке обраде у којем се, након загревања материјала до температуре аустенитизације, челик хлади до одговарајуће одабране температуре трансформације, а затим се изотермно држи док се не постигне жељена микроструктура. Када се основна трансформација заврши, материјал се може охладити на собну температуру.
Не свиђа ми се потпуно жарење, током којег се трансформација аустенита одвија током веома спорог, континуираног хлађења, изотермно жарење користи контролисано држање материјала на одређеној температури. Ово омогућава бољу контролу процеса трансформације, уједначенију микроструктуру и - за одговарајуће врсте челика - скраћивање времена обраде.
Процес се првенствено користи за легиране челике, алатне челике и друге врсте челика за које би традиционално жарење са веома спорим хлађењем одузимало много времена или би отежавало добијање потребне структуре.

Шта је изотермно жарење?

Суштина процеса је одвајање хлађења након аустенитизације од саме аустенитне трансформације. Када се постигне одговарајућа аустенитна структура, челик се не хлади веома споро до собне температуре. Температура се снижава на ниво на којем може доћи до контролисане аустенитне трансформације, а затим се материјал држи на овој температури одређени период.
Термин „изотермални“ значи да се главни део трансформације одвија док се материјал држи на приближно константној температури.
Температура и време задржавања морају се одабрати за одређену врсту челика. Они се одређују факторима као што су хемијски састав, критичне температуре, кинетика трансформације аустенита, потребна својства и величина радног предмета.

Сврха изотермног жарења

Примарни циљ изотермног жарења је добијање контролисане и могуће хомогене микроструктуре коришћењем аустенитне трансформације која се одвија на правилно одабраној температури.
Процес се може користити за:

• смањење тврдоће челика пре даље обраде,
• побољшање обрадивости одговарајућих врста челика,
• добијање хомогеније микроструктуре по целом попречном пресеку елемента,
• припрема материјала за даљу термичку обраду,
• контролисање производа трансформације аустенита,
• скраћивање времена обраде у поређењу са веома спорим хлађењем које се користи током класичног потпуног жарења, посебно код неких легираних челика.

Изотермни процес жарења

Типичан изотермни процес жарења може се поделити у четири основне фазе: аустенитизација, хлађење до температуре трансформације, изотермно држање и коначно хлађење.

1. Загревање и аустенитизација

Челик се загрева на температуру одговарајућу за класу и потребну аустенитизацију. Током загревања дешавају се трансформације које доводе до стварања аустенита.
Температура аустенитизације не може се дефинисати као једна универзална вредност за све челике. Она зависи од садржаја угљеника, легирајућих елемената, почетне структуре и критичних температура материјала.

2. Хлађење до изотермне температуре задржавања

Након завршетка аустенитизације, челик се хлади на одговарајуће одабрану температуру на којој се одвија основна трансформација аустенита.
Овај корак мора бити изведен на такав начин да се ограничи покретање нежељених трансформација током преласка на изотермну температуру држања. Потребна брзина хлађења зависи од карактеристика трансформације одређене врсте челика.

3. Изотермна отпорност

Када се достигне жељена температура, материјал се тамо држи довољно дуго да се омогући жељена трансформација аустенита.
Овај корак разликује процес од класичног потпуног жарења. Уместо спровођења трансформације са континуираним, веома спорим падом температуре, користи се температурни опсег у коме трансформација може да се одвија на контролисан начин.

4. Завршно хлађење

Када се потребна трансформација заврши, материјал се хлади до собне температуре. Пошто је примарна аустенитна трансформација већ завршена током изотермног држања, метод даљег хлађења има другачији значај од хлађења директно из аустенитног опсега.
Тачан метод коначног хлађења треба да буде одређен технологијом која одговара одређеном степену и димензијама компоненте.

Изотермна температура жарења

Код изотермног жарења мора се направити разлика између температура аустенитизације od изотермна температура држањаТо су два различита процесна параметра.
Температура аустенитизације мора постићи потребну аустенитну структуру. Материјал се затим хлади на нижу температуру погодну за потребну трансформацију.
Стога, једна вредност, као што је 600–700°C, не би требало да се користи као универзална „изотермна температура жарења“. Овај опсег се може јавити у специфичним технологијама, али одговарајућа температура зависи од врсте челика и његовог процеса трансформације.

Значај CTPi дијаграма у изотермном жарењу

Избор параметара изотермног жарења је уско повезан са кинетиком трансформација аустенита. Они су посебно корисни CTPi – графикони трансформације време-температура за изотермне трансформације, приказујући везу између температуре, времена задржавања и тока трансформација потхлађеног аустенита.
На основу графикона, можете утврдити, између осталог:

• температура на којој почиње одређена трансформација,
• време потребно за почетак трансформације,
• време потребно да се то заврши,
• температурни опсег формирања специфичних производа трансформације аустенита.

CTPi дијаграми су специфични за одређену класу и стање материјала. Стога, параметри изотермног жарења не би требало директно преносити са једне класе челика на другу.

Шта се дешава са аустенитом током изотермног жарења?

Аустенит формиран током загревања постаје потхлађена структура када се охлади испод свог опсега стабилности. Ако се челик одржава на одговарајућој температури, почињу трансформације, што доводи до формирања нових микроструктурних компоненти.
Врста добијене структуре зависи од изотермне температуре држања и карактеристика трансформације дате врсте челика. У опсегу перлитне трансформације може се формирати феритно-перлитна структура, са морфологијом која зависи од температуре трансформације.
Што је температура трансформације у перлитном опсегу нижа, то је генерално финија резултујућа перлитна структура. Ова промена микроструктуре потом утиче на тврдоћу, чврстоћу и обрадивост материјала.

Микроструктура након изотермног жарења

Не постоји јединствена карактеристика микроструктуре за сваки изотермни процес жарења. Ефекат зависи од састава челика, температуре аустенитизације, брзине хлађења до температуре трансформације и времена и температуре задржавања.
Ако процес укључује перлитну трансформацију, циљ може бити постизање уједначене феритно-перлитне структуре. Особине такве структуре зависе, између осталог, од степена фрагментације перлита и удела појединачних структурних компоненти.

Утицај параметара на ефекат изотермног жарења

Изотермно жарење и потпуно жарење

Оба процеса могу почети аустенитизацијом, али се разликују у начину на који се спроводи трансформација аустенита. потпуно жарење Материјал се хлади веома споро, обично помоћу пећи, а промене се дешавају како температура континуирано пада.
Код изотермног жарења, аустенитизовани материјал се хлади на одређену температуру и држи тамо да би се подвргао трансформацији.

Изотермно жарење и нормализација

Подцзас нормализација челика Након аустенитизације, материјал се хлади на ваздуху. Карактеристична изотермна карактеристика жарења, која подразумева заустављање процеса на одређеној температури ради постизања контролисане трансформације, је изостављена.
Нормализација се првенствено користи за стандардизацију и усавршавање структуре и постизање специфичних механичких својстава. Изотермно жарење, с друге стране, омогућава прецизнију контролу услова трансформације аустенита.

Изотермно жарење и сфероидизирајуће жарење

Сфероидизирајуће жарење је првенствено намењено постизању одговарајућег, скоро сферног облика цементита или других карбида. Посебно је важно за високоугљенични, лежајни и алатни челик.
Изотермно жарење, с друге стране, користи трансформацију аустенита која се дешава током држања на одређеној температури. Циљеви и механизми ова два процеса су стога различити, иако се оба могу користити за припрему челика за даљу обраду.

Изотермно жарење и изотермно каљење

Изотермно жарење не треба мешати са изотермним каљењем. У оба процеса, материјал се држи на одређеној температури, али су сврха обраде, опсег температура трансформације и потребна коначна микроструктура различити.
Изотермно жарење има за циљ, између осталог, постизање структуре погодне за даљу обраду и често смањење тврдоће. Изотермно каљење, с друге стране, користи пажљиво одабран циклус за постизање структуре и својстава карактеристичних за ову врсту каљења.

Изотермно жарење легираних челика

Изотермно жарење је од посебног значаја у случају легираних челика, јер присуство елемената као што су хром, молибден, никл или манган може значајно променити кинетику прехлађених аустенитних трансформација.
Повећано време потребно за покретање и завршетак трансформације током континуираног хлађења може учинити класично потпуно жарење дуготрајним. Правилно осмишљен изотермни процес може омогућити контролисанију трансформацију.

Изотермно жарење алатних челика

Када су у питању алатни челици, стање материјала пре машинске обраде и накнадног каљења је кључно. Одговарајуће жарење може смањити тврдоћу и олакшати прецизне операције сечења.
Међутим, то не значи да је изотермно жарење увек најбоља метода за сваки алатни челик. За многе алатне челике са високим садржајем угљеника, изотермно жарење је посебно важно. сфероидизујуће жарење, јер су својства материјала пре каљења такође одређена обликом и расподелом карбида.

Утицај изотермног жарења на обрадивост

Правилно изведено изотермно жарење може побољшати обрадивост материјала добијањем уједначеније микроструктуре и одговарајуће тврдоће.
Међутим, не треба претпостављати да једноставно минимизирање тврдоће увек обезбеђује оптималну обрадивост. Превише мекан и дуктилан челик може довести до неповољног формирања струготине, накупљања ивица и деградације квалитета површине. Стога, оптимална микроструктура треба да буде одабрана за одређену врсту челика и накнадну методу обраде.

Утицај величине елемента на изотермни процес

Димензије компоненте су посебно важне током преласка са температуре аустенитизације на изотермну температуру држања. Површина компоненте се хлади брже од њеног језгра, тако да постизање једнолике температуре у целој запремини компоненти великог пресека захтева пажљиво осмишљен процес.
Ако се током хлађења део попречног пресека почне трансформисати пре него што се достигне изотермна температура задржавања, коначна микроструктура може бити нехомогена. Стога, примена процеса мора узети у обзир не само врсту челика већ и масу и геометрију компоненте.

Предности изотермног жарења

• могућност прецизније контроле услова трансформације аустенита,
• могућност добијања хомогене микроструктуре,
• код одговарајућих челика, време процеса може бити скраћено у поређењу са веома спорим хлађењем,
• могућност добијања својстава повољних за даљу обраду,
• погодност за обраду неких легираних и алатних челика,
• могућност прилагођавања микроструктуре наредним фазама производње.

Мане и ограничења изотермног жарења

• потреба за прецизним одабиром температуре и времена задржавања за врсту челика,
• већи захтеви за контролу температуре него код једноставних процеса жарења,
• ограничења везана за велике попречне пресеке елемената и разлике у брзинама хлађења површине и језгра,
• ризик од покретања нежељене трансформације током хлађења до изотермне температуре,
• потреба за познавањем кинетике трансформација одређене врсте челика,
• процес није оптималан за сваку врсту челика.

Изотермно жарење – најважније информације

Изотермно жарење је процес термичке обраде који користи контролисану трансформацију потхлађеног аустенита док се челик држи на одабраној температури. Након аустенитизације, материјал се хлади до температуре трансформације, држи на тој температури потребно време, а затим хлади на собну температуру.
У поређењу са потпуним жарењем, овај процес омогућава директнију контролу услова трансформације аустенита и, код одговарајућих челика, може скратити време обраде. Ово је посебно важно за одређене легиране челике, за које би веома споро хлађење током класичног потпуног жарења било дуготрајно.
Температура аустенитизације, изотермна температура задржавања и време трансформације морају се одабрати појединачно за одређену врсту челика. Основни алат за анализу таквих трансформација су CTPi дијаграми, који приказују везу између времена, температуре и тока трансформација потхлађеног аустенита.

Методе термичке и термохемијске обраде челика

Омекшавање је само једна група процеса који се користе за модификацију микроструктуре и својстава челика. У зависности од жељеног ефекта, користе се и нормализација, отпуштање напона, каљење, отпуштање и термохемијски процеси као што су цементизација и нитрирање.

Методе термичке обраде челика

• Нормализација челика – пречишћавање зрна и уједначавање микроструктуре.
• Жарење за ублажавање напона – смањење заосталих напона.
• Омекшавање челика – смањење тврдоће и побољшање подложности даљој обради.
• Потпуно жарење – аустенитизација и споро хлађење.
• Изотермно жарење – трансформација извршена уз држање на правилно одабраној температури.
• Жарење куглица – сфероидизација – промена морфологије цементита или других карбида.
• Рекристализационо жарење – уклањање ефеката гњечења и обнављање пластичности.
• Хомогенизујуће жарење – смањење сегрегације и хомогенизација састава материјала.
• Каљење и термичка обрада – обликовање микроструктуре и својстава каљењем и отпуштањем.
• Каљење челика – контролисана модификација својстава челика након каљења.
• Индукционо каљење – површинско индукцијско загревање и брзо хлађење.
• Каљење пламеном – површинско очвршћавање након локалног загревања пламеном.
• Презасићеност – добијање презасићеног чврстог раствора одговарајућим термичким циклусом.
• Старење – контролисано раздвајање фаза што доводи до ојачавања материјала.

Методе термохемијске обраде челика

• Нитрирање челика – дифузионо обогаћивање површинског слоја азотом.
• Карбуризација челика – дифузионо обогаћивање површине угљеником.
• Карбонитрирање – истовремено обогаћивање површинског слоја угљеником и азотом.
• Нитрокарбуризација / нитрокарбуризација – обогаћивање слоја првенствено азотом и угљеником.
• Бушење – дифузионо засићење површине бором.
• Дифузионо хромирање – дифузионо обогаћивање слоја хромом.
• Дифузиона алуминизација – дифузионо обогаћивање слоја у алуминијуму.