Wyżarzanie kulkowe (sferoidyzujące) stali – proces, mikrostruktura i zastosowanie

Wyżarzanie kulkowe, nazywane również wyżarzaniem sferoidyzującym lub sferoidyzacją, jest procesem obróbki cieplnej stosowanym przede wszystkim w celu uzyskania sferoidalnej, czyli zbliżonej do kulistej, postaci cementytu lub innych węglików w stali. Proces ma szczególne znaczenie dla stali wysokowęglowych, narzędziowych i łożyskowych, w których ilość, wielkość, kształt i rozmieszczenie węglików silnie wpływają na twardość, skrawalność oraz zachowanie materiału podczas późniejszego hartowania.
W typowej strukturze perlitycznej cementyt występuje w postaci cienkich płytek rozmieszczonych pomiędzy płytkami ferrytu. Podczas odpowiednio prowadzonego wyżarzania zachodzą procesy dyfuzyjne prowadzące do stopniowego rozpadu, zaokrąglania i przebudowy tych wydzieleń. W efekcie można otrzymać strukturę złożoną z sferoidalnych cząstek cementytu rozmieszczonych w osnowie ferrytycznej, określaną jako sferoidyt.
Wyżarzanie sferoidyzujące jest jedną z metod zmiękczania stali, jednak jego znaczenie jest szersze niż samo obniżenie twardości. Odpowiednio przygotowana struktura węglikowa stanowi korzystny stan wyjściowy do obróbki skrawaniem oraz późniejszej obróbki cieplnej.

Na czym polega wyżarzanie kulkowe?

Istotą procesu jest zmiana morfologii cementytu i innych węglików. W strukturze perlitycznej cementyt ma najczęściej postać płytek. Taka struktura może zapewniać stosunkowo dużą twardość, ale w stalach wysokowęglowych może utrudniać obróbkę mechaniczną.
Podczas długotrwałego wygrzewania w odpowiednio dobranym zakresie temperatur zachodzą procesy dyfuzyjne. Płytki cementytu stopniowo tracą swój wydłużony kształt, dzielą się, zaokrąglają i mogą tworzyć bardziej zwarte cząstki.
Proces ten określa się jako sferoidyzację cementytu. Dążenie do bardziej kulistego kształtu związane jest między innymi ze zmniejszaniem energii powierzchniowej układu. Cząstki o kształcie zbliżonym do kuli mają mniejszą powierzchnię granic fazowych w stosunku do swojej objętości niż cienkie wydzielenia płytkowe.

Cementyt i węgliki – co ulega sferoidyzacji?

Cementyt Fe₃C jest twardą i kruchą fazą występującą w stalach węglowych. W perlicie tworzy układ płytek występujących naprzemiennie z ferrytem. Zwiększanie udziału cementytu i zmiana jego morfologii mają istotny wpływ na właściwości mechaniczne i technologiczne stali.
W stalach stopowych sytuacja może być bardziej złożona. Pierwiastki węglikotwórcze, takie jak chrom, molibden, wolfram czy wanad, mogą uczestniczyć w powstawaniu różnych rodzajów węglików. Dlatego w odniesieniu do stali narzędziowych bardziej precyzyjne jest mówienie o sferoidyzacji cementytu lub innych węglików, zależnie od składu konkretnego gatunku.

Cel wyżarzania sferoidyzującego

Wyżarzanie kulkowe wykonuje się przede wszystkim wtedy, gdy konieczne jest uzyskanie odpowiedniego stanu strukturalnego stali przed dalszą obróbką. Szczególne znaczenie ma w przypadku materiałów o dużej zawartości węgla i znacznej ilości faz węglikowych.

Najważniejsze cele procesu to:

• uzyskanie sferoidalnej postaci cementytu lub innych węglików,
• zmniejszenie twardości stali wysokowęglowych,
• poprawa skrawalności odpowiednich gatunków stali,
• zwiększenie podatności materiału na dalsze procesy technologiczne,
• uzyskanie odpowiedniego rozmieszczenia węglików,
• przygotowanie stali narzędziowej do obróbki mechanicznej,
• uzyskanie korzystnej mikrostruktury przed późniejszym hartowaniem.

Temperatura wyżarzania kulkowego

Wyżarzania sferoidyzującego nie należy opisywać jedną uniwersalną temperaturą właściwą dla wszystkich gatunków stali. Parametry procesu dobiera się przede wszystkim w odniesieniu do temperatury krytycznej Ac1 konkretnego materiału.

W zależności od gatunku, struktury wyjściowej i wymaganej szybkości sferoidyzacji stosowane mogą być różne warianty procesu, między innymi:

• długotrwałe wygrzewanie w temperaturze nieco poniżej Ac1,
• wygrzewanie w temperaturze położonej bardzo blisko Ac1,
• nagrzewanie nieznacznie powyżej Ac1, a następnie odpowiednio powolne chłodzenie,
• cykliczne nagrzewanie i chłodzenie przez zakres temperatur położony w pobliżu Ac1.

Dokładna temperatura oraz czas procesu powinny wynikać z charakterystyki konkretnego gatunku stali. Szczególnie w stalach wysokostopowych stabilność różnych rodzajów węglików może znacząco wpływać na przebieg sferoidyzacji.

Znaczenie temperatury Ac1

Ac1 oznacza temperaturę, przy której podczas nagrzewania rozpoczyna się przemiana prowadząca do powstawania austenitu. Jest jednym z najważniejszych punktów odniesienia podczas projektowania cyklu wyżarzania sferoidyzującego.
Jeżeli proces przebiega poniżej Ac1, nie następuje pełna austenityzacja materiału, natomiast podwyższona temperatura umożliwia zachodzenie procesów dyfuzyjnych odpowiedzialnych za zmianę morfologii cementytu.
W innych wariantach materiał może być okresowo nagrzewany nieznacznie powyżej Ac1. Częściowa przemiana struktury oraz późniejsze kontrolowane chłodzenie mogą przyspieszać uzyskanie wymaganej postaci węglików.

Przebieg procesu sferoidyzacji

1. Nagrzewanie

Stal jest nagrzewana do temperatury określonej przez przyjętą technologię. Szybkość nagrzewania należy dobrać do rodzaju materiału, wielkości elementu i jego geometrii, aby ograniczyć powstawanie nadmiernych różnic temperatur w przekroju.

2. Wygrzewanie

Materiał pozostaje w odpowiednim zakresie temperatur przez czas umożliwiający przebieg procesów dyfuzyjnych. Czas wygrzewania może być stosunkowo długi, ponieważ przebudowa cementytu nie zachodzi natychmiast.
W tym czasie wydłużone lub płytkowe wydzielenia cementytu stopniowo zmieniają kształt. Następuje ich fragmentacja, zaokrąglanie oraz dalsza ewolucja w kierunku struktury o mniejszej energii powierzchniowej.

3. Chłodzenie

Sposób chłodzenia zależy od zastosowanego wariantu procesu. W przypadku technologii wykorzystujących przechodzenie przez temperaturę Ac1 szybkość chłodzenia ma istotny wpływ na strukturę końcową. Dlatego cykl cieplny powinien być traktowany jako całość – od nagrzewania przez wygrzewanie aż po chłodzenie.

Jak zmienia się mikrostruktura stali?

Najłatwiej przedstawić efekt sferoidyzacji poprzez porównanie struktury perlitycznej ze strukturą sferoidytyczną.

Sferoidyt – charakterystyka struktury

Sferoidyt jest mikrostrukturą, w której cementyt lub inne węgliki występują w postaci zaokrąglonych cząstek rozmieszczonych w osnowie, najczęściej ferrytycznej. Nie oznacza to, że wszystkie cząstki muszą mieć kształt idealnych kul. W praktycznej mikrostrukturze występują wydzielenia o różnym stopniu zaokrąglenia, wielkości i rozmieszczeniu.
Istotne znaczenie ma również równomierność rozmieszczenia węglików. W stalach narzędziowych i łożyskowych nieprawidłowa wielkość lub rozmieszczenie cząstek może wpływać na późniejszą austenityzację i końcowe właściwości materiału po hartowaniu.

Wpływ wyżarzania kulkowego na twardość

Sferoidyzacja jest szczególnie skuteczna jako metoda zmiękczania stali o dużej zawartości węgla. Zmiana morfologii cementytu z układu płytkowego na rozproszone cząstki zmniejsza opór stawiany odkształceniom przez strukturę materiału.
Końcowa twardość zależy jednak od gatunku stali, zawartości węgla, pierwiastków stopowych, rodzaju i ilości węglików oraz stopnia przeprowadzonej sferoidyzacji. Z tego względu nie można przypisać wyżarzaniu kulkowemu jednej wartości twardości końcowej.

Wpływ sferoidyzacji na skrawalność

Jednym z najważniejszych zastosowań procesu jest przygotowanie stali do toczenia, frezowania, wiercenia i innych operacji obróbki mechanicznej wykonywanych przed końcową obróbką cieplną.
Płytki cementytu w perlicie stanowią twarde elementy mikrostruktury przecinane przez ostrze narzędzia. Po sferoidyzacji twarde fazy występują jako bardziej izolowane cząstki w miększej osnowie ferrytycznej, co w wielu stalach wysokowęglowych ułatwia skrawanie.
Nie oznacza to jednak, że najmniejsza możliwa twardość zawsze zapewnia najlepszą skrawalność. Nadmiernie miękka i ciągliwa osnowa może sprzyjać tworzeniu narostu na ostrzu lub niekorzystnego wióra. Parametry sferoidyzacji dobiera się więc do wymagań konkretnego procesu produkcyjnego.

Wyżarzanie sferoidyzujące przed hartowaniem

Wyżarzanie kulkowe ma duże znaczenie jako proces poprzedzający hartowanie stali. Dotyczy to szczególnie stali narzędziowych i łożyskowych.
Podczas późniejszej austenityzacji przed hartowaniem część węglików ulega rozpuszczeniu w austenicie, zwiększając zawartość węgla i pierwiastków stopowych w roztworze. Pozostała część może zachować postać nierozpuszczonych węglików.
Stan węglików przed hartowaniem wpływa więc na szybkość ich rozpuszczania, skład austenitu, wielkość ziarna oraz końcową mikrostrukturę i właściwości po hartowaniu i odpuszczaniu.

Wyżarzanie kulkowe stali narzędziowych

Stale narzędziowe są jedną z najważniejszych grup materiałów poddawanych wyżarzaniu sferoidyzującemu. Wysoka zawartość węgla oraz obecność pierwiastków węglikotwórczych umożliwiają uzyskanie dużej twardości i odporności na zużycie po końcowej obróbce cieplnej, ale jednocześnie utrudniają obróbkę materiału w stanie o niekorzystnej strukturze.
Dlatego półprodukty ze stali narzędziowej i stali węglowej mogą być dostarczane lub obrabiane w stanie wyżarzonym zmiękczająco, co umożliwia wykonanie większości operacji mechanicznych przed końcowym hartowaniem.

Wyżarzanie sferoidyzujące stali łożyskowych

W stalach łożyskowych kontrola struktury węglikowej jest szczególnie istotna. Materiał przed końcowym hartowaniem musi umożliwiać wykonanie dokładnej obróbki pierścieni, bieżni i innych elementów, a jednocześnie powinien posiadać właściwie przygotowaną strukturę przed austenityzacją.
Sferoidalne węgliki rozmieszczone w osnowie umożliwiają uzyskanie odpowiedniego stanu technologicznego przed obróbką końcową. Jednorodność ich rozmieszczenia ma znaczenie również dla późniejszego przebiegu hartowania.

Wyżarzanie sferoidyzujące stali wysokowęglowych

Znaczenie sferoidyzacji rośnie wraz ze wzrostem zawartości węgla i udziału faz węglikowych. W stalach wysokowęglowych klasyczne wyżarzanie pełne nie zawsze prowadzi do mikrostruktury najbardziej korzystnej dla późniejszego skrawania.
Dlatego w wielu zastosowaniach wykorzystuje się właśnie wyżarzanie kulkowe, którego zadaniem jest nie tylko zmniejszenie twardości, ale przede wszystkim przebudowa struktury węglikowej.

Wyżarzanie kulkowe a wyżarzanie pełne

Wyżarzanie kulkowe a wyżarzanie izotermiczne

Wyżarzanie izotermiczne wykorzystuje wytrzymanie materiału w odpowiednio dobranej temperaturze w celu przeprowadzenia kontrolowanej przemiany przechłodzonego austenitu. Podstawowym parametrem jest więc kinetyka przemiany austenitu.
W wyżarzaniu sferoidyzującym głównym celem jest natomiast zmiana kształtu i rozmieszczenia węglików. Oba procesy mogą prowadzić do uzyskania materiału łatwiejszego do dalszej obróbki, ale wykorzystują inne mechanizmy i nie powinny być utożsamiane.

Wyżarzanie kulkowe a normalizowanie

Podczas normalizowania stali materiał jest austenityzowany, a następnie chłodzony w powietrzu. Celem jest między innymi ujednolicenie i rozdrobnienie struktury.
Wyżarzanie sferoidyzujące prowadzi natomiast do przebudowy faz węglikowych. W stalach wysokowęglowych przeznaczonych do skrawania przed hartowaniem sferoidyzacja może być znacznie bardziej odpowiednim procesem przygotowawczym niż normalizowanie.

Wyżarzanie sferoidyzujące a wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające ma przede wszystkim zmniejszać naprężenia własne powstałe np. podczas spawania, obróbki skrawaniem, odlewania czy wcześniejszych procesów cieplnych.
W wyżarzaniu kulkowym głównym celem jest zmiana mikrostruktury węglikowej. Są to więc dwa różne procesy, mimo że oba należą do szerokiej grupy operacji wyżarzania.

Co wpływa na skuteczność sferoidyzacji?

Niepełna sferoidyzacja

Jeżeli temperatura, czas lub przebieg cyklu cieplnego zostaną dobrane nieprawidłowo, sferoidyzacja może być niepełna. W mikrostrukturze pozostają wtedy wydłużone lub płytkowe fragmenty cementytu obok cząstek już zaokrąglonych.
Niepełna sferoidyzacja może prowadzić do nierównomiernych właściwości materiału i pogorszenia skrawalności, a także wpływać na późniejszy przebieg austenityzacji przed hartowaniem.

Nadmierna sferoidyzacja i wzrost węglików

Dłuższy czas wyżarzania nie oznacza automatycznie lepszego efektu. Podczas długotrwałego wygrzewania może zachodzić koalescencja i wzrost większych cząstek kosztem mniejszych.
Celem procesu jest uzyskanie odpowiedniego stopnia sferoidyzacji oraz wymaganej wielkości i rozmieszczenia węglików, a nie maksymalne zwiększanie ich rozmiaru. Nadmiernie grube węgliki mogą być niekorzystne dla późniejszej obróbki cieplnej i właściwości końcowych materiału.

Zalety wyżarzania kulkowego

• zmniejszenie twardości stali wysokowęglowych,
• poprawa skrawalności wielu stali narzędziowych i łożyskowych,
• uzyskanie korzystnej morfologii cementytu i innych węglików,
• przygotowanie materiału do precyzyjnej obróbki mechanicznej,
• uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury przed hartowaniem,
• możliwość ograniczenia niekorzystnej płytkowej postaci cementytu.

Wady i ograniczenia procesu

• stosunkowo długi czas niektórych wariantów sferoidyzacji,
• konieczność precyzyjnego doboru temperatury do konkretnego gatunku stali,
• możliwość uzyskania niepełnej sferoidyzacji przy zbyt krótkim procesie,
• ryzyko nadmiernego wzrostu węglików przy zbyt długim wygrzewaniu,
• silna zależność efektu od mikrostruktury wyjściowej,
• brak jednego uniwersalnego cyklu właściwego dla wszystkich stali.

Wyżarzanie kulkowe – najważniejsze informacje

Wyżarzanie kulkowe, czyli sferoidyzujące, jest procesem obróbki cieplnej stosowanym przede wszystkim w stalach o dużej zawartości węgla. Jego charakterystycznym efektem jest przekształcenie cementytu lub innych węglików w cząstki o kształcie zbliżonym do kulistego, rozmieszczone w osnowie materiału.
Zmiana morfologii węglików może prowadzić do zmniejszenia twardości i poprawy skrawalności, a jednocześnie przygotowuje materiał do późniejszej austenityzacji i hartowania. Z tego względu sferoidyzacja ma szczególne znaczenie w technologii stali narzędziowych, łożyskowych i innych stali wysokowęglowych.
Nie istnieje jeden uniwersalny cykl wyżarzania kulkowego. Temperatura, czas wygrzewania i sposób chłodzenia powinny być dobrane do temperatur krytycznych, składu chemicznego, struktury wyjściowej oraz wymaganego stanu końcowego konkretnego gatunku stali.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Zmiękczanie jest tylko jedną z grup procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak nawęglanie i azotowanie.

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.