Розм'якшення сталі – методи, температура, мікроструктура та застосування

Розм'якшення сталі Він охоплює процеси термічної обробки, які зменшують твердість матеріалу, підвищують його пластичність або досягають мікроструктури, сприятливішої для подальшої обробки. Пом'якшення в основному використовується перед механічною обробкою, формуванням пластику та подальшими процесами термічної обробки, такими як гартування.
Цей процес особливо важливий для високовуглецевих, легованих та інструментальних сталей, висока твердість або несприятливий вміст карбідів яких можуть ускладнити токарну, фрезерну, свердлильну або інші операції обробки. Пом'якшення також може бути використане в матеріалах, загартованих холодною обробкою, де необхідно усунути наслідки холодної обробки та відновити здатність матеріалу до подальшої деформації.
Не існує єдиного універсального методу пом'якшення сталі. Залежно від типу матеріалу, вмісту вуглецю, легуючих елементів, початкової структури та бажаного ефекту використовуються різні методи, включаючи повний відпал, ізотермічний відпал, сфероїдизуючий відпал та рекристалізуючий відпал.

Що таке розм'якшення сталі?

Пом'якшення використовує взаємозв'язок між механічними властивостями сталі та її мікроструктурою. Правильно підібрані процеси нагрівання, відпалу та охолодження дозволяють змінювати розмір і форму структурних компонентів, розподіл карбідів, стан зміцнення матеріалу та рівень залишкових напружень.
Залежно від використаного процесу можуть відбуватися: перетворення аустеніту на ферит і перліт, сфероїдизація цементиту або інших карбідів, перекристалізація зміцненого матеріалу та зменшення щільності дислокацій.
Зазвичай це призводить до зниження твердості матеріалу та його стійкості до подальшої обробки, а також до збільшення пластичності. Однак точний механізм залежить від використаного методу, тому термін «розм’якшення» не слід ототожнювати з одним конкретним термічним циклом.

Чому сталь розм'якшується?

Матеріал, що постачається після прокатки, кування, витяжки, гартування або інших технологічних процесів, не завжди має властивості, необхідні для наступної виробничої операції. Надмірна твердість збільшує знос інструменту та сили різання, тоді як надмірне зміцнення під тиском може обмежити можливість подальшого штампування, гнуття або витяжки.
Основними цілями пом'якшення сталі є:

• зниження твердості матеріалу,
• покращена оброблюваність у відповідних марках сталі,
• підвищення пластичності та здатності до подальшого формування,
• усунення або обмеження наслідків деформаційного зміцнення,
• отримання сприятливої ​​форми цементиту або карбідів,
• підготовка сталі до загартування та подальшої термічної обробки,
• гомогенізація мікроструктури перед наступними етапами виробництва.

Методи розм'якшення сталі

Вибір методу розм'якшення залежить, перш за все, від типу сталі та бажаного технологічного ефекту. Високовуглецева сталь, призначена для гартування, вимагає іншого процесу, ніж низьковуглецевий листовий метал, сильно загартований під час холодної прокатки.

1. Повний відпал

Повний відпал включає нагрівання сталі до діапазону, який забезпечує відповідну аустенітизацію, нагрівання матеріалу та подальше дуже повільне його охолодження, зазвичай разом із піччю.
Для доевтектоїдних сталей температуру процесу вибирають вище критичної температури Ac3. Точна температура, час витримки та швидкість охолодження залежать від марки сталі та розмірів деталі.
Повільне охолодження дозволяє отримати відносно м'яку феритно-перлітну структуру. Порівняно з нормалізація сталі охолодження відбувається набагато повільніше, тому отримана структура та механічні властивості відрізняються.
Типове використання: конструкційні сталі та інші марки, що потребують зниження твердості, покращення пластичності або підготовки до подальшої обробки.

2. Ізотермічний відпал

Ізотермічний відпал використовує контрольоване перетворення аустеніту за постійної температури. Після аустенітизації сталь охолоджують до відповідної температури перетворення, а потім витримують при цій температурі до досягнення необхідної мікроструктури.
На відміну від класичного відпалу з дуже повільним, безперервним охолодженням, перетворення відбувається в контрольованих ізотермічних умовах. Це дозволяє отримати більш однорідну структуру та, в деяких випадках зі сталями, скоротити час процесу.
Цей метод використовується, серед іншого, для деяких легованих та інструментальних сталей, де повільне охолодження під час традиційного відпалу було б трудомістким.
Ефект: отримання контрольованої мікроструктури та властивостей, що дозволяють подальшу механічну або термічну обробку.

3. Кульовий відпал – сфероїдизація

Кульовий відпал, також званий сфероїдизацією, особливо важливий для високовуглецевих, підшипникових та інструментальних сталей. Його метою є зміна морфології цементиту та інших карбідів для отримання більш округлих, сфероїдальних частинок, розташованих у феритній матриці, замість пластинчастого або сітчастого розташування.
Сфероїдизацію можна виконувати за допомогою різних термічних циклів, включаючи тривале нагрівання поблизу температури Ac1 або циклічне перевищення певного температурного діапазону. Параметри залежать від хімічного складу та початкової структури конкретного виду.
Зміна форми та розподілу карбідів може значно знизити твердість високовуглецевої сталі та покращити її оброблюваність. Правильно підготовлена ​​структура також забезпечує сприятливий початковий стан перед подальшим гартуванням.
Типове використання: інструментальні сталі, підшипникові сталі та інші високовуглецеві сталі, призначені для подальшої механічної обробки та загартування.

4. Рекристалізаційний відпал

Рекристалізаційний відпал Він використовується переважно для матеріалів, загартованих під час холодного формування, наприклад, прокатки, волочіння або штампування.
Під час холодної деформації щільність дислокацій збільшується, матеріал твердне, а його твердість і міцність зростають, тоді як пластичність зменшується. Після досягнення високого ступеня холодної деформації подальше формування може стати ускладненим.
Рекристалізаційний відпал створює нові зерна, вільні від наслідків попереднього деформаційного зміцнення. Це призводить до зниження твердості та міцності внаслідок деформаційного зміцнення, а також до відновлення пластичності.
Типове використання: листи, смуги, дроти та інші напівфабрикати, що піддаються інтенсивній холодній обробці.

Порівняння методів розм'якшення сталі

Метод Основний механізм Основний ефект Типове застосування Повний відпал Аустенітизація та повільне перетворення під час охолодження Зниження твердості та пом'якшення структури Конструкційні сталі та напівфабрикати перед подальшою обробкою Ізотермічний відпал Аустенітне перетворення за контрольованої, постійної температури Однорідна мікроструктура та контрольовані властивості Вибрані леговані та інструментальні сталі Кульковий/сфероїдизуючий відпал Зміна морфології цементиту та карбіду Зниження твердості та покращення оброблюваності Високовуглецеві, підшипникові та інструментальні сталі Рекристалізаційний відпал Утворення нових зерен після попереднього зміцнення Усунення ефектів зміцнення та відновлення пластичності Холоднооброблені листи, смуги та дроти

Порівняння методів розм'якшення сталі

Як змінюється мікроструктура під час розм'якшення?

Мікроструктурні зміни залежать від типу відпалу. Тому неможливо визначити єдину структурну характеристику для всіх процесів розм'якшення.
Залежно від використаної технології, можуть виникнути такі явища:

• формування феритно-перлітної структури під час повільного охолодження після аустенітизації,
• контрольоване перетворення аустеніту під час ізотермічного відпалу,
• сфероїдизація цементиту та інших карбідів у високовуглецевих та легованих сталях,
• відновлення та рекристалізація структури після попередньої холодної пластичної обробки,
• зменшення щільності дислокацій та наслідків деформаційного зміцнення.

Сфероїдизуючий відпал – чому він важливий для інструментальних сталей?

В інструментальних та інших високовуглецевих сталях твердість сама по собі не є єдиним параметром, що визначає придатність для обробки. Форма, розмір та розподіл карбідів також мають вирішальне значення.
Структура з відповідно розподіленими, майже сферичними карбідами може полегшити обробку та забезпечити відповідні початкові умови для подальшої аустенітизації та загартування. Тому інструментальні сталі часто постачаються у стані м'якого відпалу.
Фактичну твердість після відпалу слід визначати для конкретної марки сталі. Не слід застосовувати один діапазон HB або HV для всіх інструментальних сталей.

Розм'якшення та оброблюваність сталі

Одна з найважливіших причин застосування пом'якшення - це підготовка матеріалу до токарної, фрезерної, свердлильної, протяжної або інших механічних операцій. Зменшення надмірної твердості може зменшити напруження на ріжучій кромці та знос інструменту.
Однак, зв'язок між твердістю та оброблюваністю не є лінійним. Матеріал з найнижчою можливою твердістю не завжди є найлегшим для обробки. Дуже м'які та пластичні сталі можуть мати проблеми з утворенням стружки, наростанням на кромці та чистотою поверхні.
Тому відповідний процес вибирається не лише для досягнення найнижчої можливої ​​твердості, але й, перш за все, для отримання мікроструктури, що відповідає конкретному матеріалу та подальшій технології виробництва.

Розм'якшення та вміст вуглецю в сталі

Вміст вуглецю має значний вплив на вибір методу пом'якшення. У низьковуглецевих сталях усунення наслідків холодного наклеювання може бути особливо важливим. У середньовуглецевих сталях вибір процесу залежить, серед іншого, від подальшої механічної та термічної обробки.
У високовуглецевих сталях морфологія цементиту та інших карбідів стає дедалі важливішою. ​​Тому процеси, що призводять до сфероїдізації карбідів, часто використовуються в інструментальних, підшипникових та пружинних сталях.

Розм'якшення вуглецевих сталей

Для вуглецевих сталей вибір обробки залежить від вмісту вуглецю та бажаного кінцевого стану. Наприклад, сталь C45 може потребувати іншої обробки, ніж високовуглецеві пружинні або інструментальні сталі.
У сталях з вищим вмістом вуглецю перед механічною обробкою та подальшим гартуванням можна використовувати сфероїдизуючий відпал. Отримання належної форми цементиту полегшує подальшу обробку та готує структуру до наступного термічного циклу.

Розм'якшення легованих сталей

Легуючі елементи можуть суттєво впливати на температури перетворення, прогартовуваність, тип утворених карбідів та швидкість процесів дифузії. Тому параметри, що підходять для звичайної вуглецевої сталі, не слід автоматично застосовувати до хромових, хромомолібденових, нікелевих або високолегованих сталей.
У легованих сталях особливо важливим є контроль температури, часу та швидкості охолодження під час термічної обробки. Для інструментальних сталей параметри м'якого відпалу зазвичай визначаються індивідуально для кожної марки.

Пом'якшення нержавіючих сталей

Коли йдеться про нержавіючі сталі, термін «розм’якшення» вимагає більшої обережності. Аустенітні, феритні, мартенситні та дуплексні сталі мають різні мікроструктури та потребують різної термічної обробки.
Наприклад, аустенітні нержавіючі сталі можуть значно зміцнюватися під час холодної обробки. Відновлення їхньої пластичності вимагає ретельно підібраної термічної обробки, що відповідає конкретному сорту сталі. Тому не слід використовувати єдиний універсальний температурний діапазон для «пом'якшення нержавіючої сталі».

Вплив часу та температури на розм'якшення сталі

Температура та час тісно пов'язані. Занадто низька температура може не призвести до необхідних мікроструктурних змін, тоді як занадто висока температура або надмірно тривале нагрівання можуть спричинити небажаний ріст зерен або інші структурні зміни.
Параметри процесу повинні включати:

• марка та хімічний склад сталі,
• критичні температури матеріалів,
• вихідна структура,
• ступінь попереднього зміцнення,
• розміри та геометрію елемента,
• тип печі та спосіб нагріву,
• очікувана кінцева мікроструктура,
• вид подальшої механічної або термічної обробки.

Вплив швидкості охолодження

Швидкість охолодження є одним із параметрів, що визначає кінцеву структуру сталі. Класичний повний відпал використовує повільне охолодження, щоб забезпечити перетворення, які призводять до м'якшої структури.
При ізотермічному відпалі аустенітизований матеріал доводять до певної температури, за якої відбувається контрольоване перетворення. З іншого боку, при рекристалізаційному відпалі метод охолодження має інше значення, оскільки основною метою процесу є усунення наслідків попереднього наклепу, а не перетворення аустеніту.
З цієї причини одне значення швидкості охолодження не слід використовувати як доцільне для всіх процесів пом'якшення.

Атмосфера під час м'якого відпалу

Під час відпалу важливі не лише температура та час, але й атмосфера печі. Високі температури можуть призвести до окислення поверхні, утворення окалини та, за певних умов, до змін хімічного складу поверхневого шару.
Залежно від технологічних вимог використовуються печі, що працюють в повітряній атмосфері, захисних атмосферах або вакуумі. Захисні атмосфери або вакуум можуть бути особливо важливими для прецизійних компонентів та легованих сталей, де потрібні зниження окислення та висока якість поверхні.

Застосування пом'якшення сталі в промисловості

Виробництво інструментів

Інструментальні сталі часто механічно обробляються перед остаточним гартуванням. М'який відпал, зокрема сфероїдизація, створює структуру, яка полегшує фрезерування, точіння, свердління та інші операції, що виконуються перед остаточною термічною обробкою.

Виробництво підшипників

У високовуглецевих підшипникових сталях важливо досягти відповідної форми та розподілу карбіду перед загартуванням. Тому сфероїдизуючий відпал є вирішальним етапом підготовки матеріалу.

Виробництво листів, стрічок та дротів

Матеріали, що піддаються холодному прокатування або витягуванню, поступово тверднуть. Рекристалізаційний відпал відновлює належну пластичність і дозволяє продовжувати процес формування.

Машинобудування

Пом'якшення може бути використане при підготовці напівфабрикатів для валів, осей, шестерень, компонентів трансмісії, форм та інших деталей, що потребують інтенсивної механічної обробки перед остаточною термічною обробкою.

Відпал для пом'якшення та зняття напруги

Пом'якшення не слід ототожнювати з відпал для зняття напругиОсновною метою зняття напруги є зменшення залишкових напружень при мінімізації змін основної мікроструктури матеріалу.
Під час розм'якшення метою є, головним чином, зміна твердості, пластичності або мікроструктури таким чином, щоб полегшити подальші технологічні операції.

Пом'якшення та нормалізація

Нормалізація сталі включає аустенітизацію та подальше охолодження на повітрі. У багатьох вуглецевих сталях це призводить до тоншої структури та більшої твердості й міцності, ніж повільний відпал.
Якщо основною метою є максимально спрощення обробки високовуглецевої інструментальної сталі, сфероїдизуючий відпал може бути більш доцільним процесом. Однак, якщо потрібне подрібнення зерна та структурна однорідність після кування або прокатки, нормалізація може бути доцільним процесом.

Розм'якшення та затвердіння

Пом'якшення та загартування сталі Вони переслідують принципово різні цілі. Загартування створює структуру з високою твердістю, тоді як пом'якшення використовується для зниження твердості або отримання структури, сприятливої ​​для подальшої обробки.
Однак ці процеси часто відбуваються в одній технологічній послідовності. Інструментальна сталь може спочатку бути м'яко відпалена, потім механічно оброблена, і лише потім загартована та прощено.

Найважливіші переваги пом'якшення сталі

• зменшення надмірної твердості,
• покращення оброблюваності у відповідних сортах металу,
• підвищення пластичності матеріалу,
• відновлення пластичності після холодної обробки,
• отримання відповідної морфології карбіду,
• підготовка інструментальних та високовуглецевих сталей до загартування,
• можливість проведення наступних етапів формування та механічної обробки.

Обмеження процесу

• параметри необхідно підбирати для конкретної марки сталі,
• занадто висока температура може призвести до несприятливого росту зерна,
• неправильне охолодження може призвести до неправильної мікроструктури,
• процеси сфероїдизації можуть вимагати тривалого часу нагрівання,
• не кожен метод пом'якшення підходить для кожного типу сталі,
• У випадку високолегованих сталей слід враховувати тип і стабільність присутніх карбідів, а також перетворення, характерні для даного сорту.

Розм'якшення сталі — це не окремий процес з універсальними параметрами, а радше група термічних обробок, вибраних на основі хімічного складу, початкової мікроструктури та цільового використання матеріалу. Повний відпал, ізотермічний відпал, сфероїдизуючий відпал та рекристалізуючий відпал використовують різні механізми, але їхня спільна мета — досягти стану матеріалу, більш сприятливого для подальших технологічних операцій.

Для високовуглецевих та інструментальних сталей сфероїдизуючий відпал особливо важливий, оскільки він дозволяє змінити морфологію карбіду та готує матеріал до механічної обробки та подальшого загартування. У матеріалах, зміцнених холодною обробкою, рекристалізація має вирішальне значення, усуваючи наслідки деформаційного зміцнення та відновлюючи пластичність.
Температура, час витримки та спосіб охолодження завжди повинні бути вказані для конкретної марки сталі. Це дозволяє досягти необхідної мікроструктури без неконтрольованого росту зерен, небажаних перетворень або погіршення властивостей матеріалу.

Методи термічної та термохімічної обробки сталі

Пом'якшення – це лише одна з груп процесів, що використовуються для модифікації мікроструктури та властивостей сталі. Залежно від бажаного ефекту також використовуються нормалізація, зняття напружень, гартування, відпуск та термохімічні процеси, такі як цементація та азотування.

Методи термічної обробки сталі

• Нормалізація сталі – подрібнення зерна та уніфікація мікроструктури.
• Відпал для зняття напруги – зменшення залишкових напружень.
• Розм'якшення сталі – зменшення твердості та покращення чутливості до подальшої обробки.
• Повний відпал – аустенітизація та повільне охолодження.
• Ізотермічний відпал – перетворення, що здійснюється під час витримування за правильно вибраної температури.
• Кульовий відпал – сфероїдизація – зміна морфології цементиту або інших карбідів.
• Рекристалізаційний відпал – усунення наслідків зминання та відновлення пластичності.
• Гомогенізуючий відпал – зменшення сегрегації та гомогенізація складу матеріалу.
• Загартування та термічна обробка – формування мікроструктури та властивостей шляхом гартування та відпуску.
• Загартування сталі – контрольована модифікація властивостей сталі після гартування.
• Індукційне гартування – поверхневий індукційний нагрів та швидке охолодження.
• Гартування полум'ям – поверхневе зміцнення після локального нагрівання полум’ям.
• Перенасичення – отримання перенасиченого твердого розчину за допомогою відповідного термічного циклу.
• Старіння – контрольоване розділення фаз, що призводить до зміцнення матеріалу.

Методи термохімічної обробки сталі

• Азотування сталі – дифузійне збагачення поверхневого шару азотом.
• Цементація сталі – дифузійне збагачення поверхні вуглецем.
• Карбонітрування – одночасне збагачення поверхневого шару вуглецем та азотом.
• Нітрокарбуризація / нітрокарбуризація – збагачення шару переважно азотом та вуглецем.
• Буріння – дифузійне насичення поверхні бором.
• Дифузійне хромування – дифузійне збагачення шару хромом.
• Дифузійне алюмінізування – дифузійне збагачення шару в алюмінії.