Wyżarzanie odprężające stali i metali – temperatura, przebieg procesu i zastosowanie

Wyżarzanie odprężające jest procesem obróbki cieplnej stosowanym w celu zmniejszenia naprężeń własnych występujących w materiale po spawaniu, odlewaniu, kuciu, walcowaniu, obróbce skrawaniem, prostowaniu lub innych procesach technologicznych. Prawidłowo przeprowadzone odprężanie pozwala poprawić stabilność wymiarową elementu i ograniczyć ryzyko jego odkształcenia podczas dalszej obróbki lub eksploatacji.
Proces polega na nagrzaniu materiału do temperatury niższej od temperatury powodującej zasadnicze przemiany strukturalne charakterystyczne dla innych rodzajów obróbki cieplnej, wygrzaniu przez odpowiedni czas, a następnie kontrolowanym chłodzeniu. Dokładne parametry zależą od gatunku materiału, jego stanu, wymiarów elementu, wcześniejszej technologii wykonania oraz poziomu i rozkładu naprężeń własnych.
Wyżarzanie odprężające stosuje się zarówno do stali węglowych i stopowych, jak również – przy odpowiednio dobranych parametrach – do żeliwa, stopów aluminium, miedzi, tytanu i innych materiałów metalicznych. Szczególne znaczenie ma ono w przypadku konstrukcji spawanych, dużych odkuwek i odlewów oraz precyzyjnie obrabianych elementów, w których nawet niewielka zmiana wymiarów może mieć znaczenie eksploatacyjne.

Na czym polega wyżarzanie odprężające?

Naprężenia własne mogą pozostawać w materiale mimo braku działania zewnętrznej siły. Powstają przede wszystkim wtedy, gdy poszczególne obszary elementu ulegają różnym odkształceniom, nagrzewają się lub chłodzą z różną szybkością albo przechodzą odmienne przemiany strukturalne.
Do typowych procesów powodujących powstawanie naprężeń własnych należą:

• odlewanie i nierównomierne krzepnięcie materiału,
• spawanie i związane z nim miejscowe nagrzewanie oraz skurcz spoiny,
• walcowanie, kucie, tłoczenie, gięcie i prostowanie,
• ciągnienie i inne procesy obróbki plastycznej na zimno,
• obróbka skrawaniem, szczególnie przy dużym usuwaniu materiału,
• szlifowanie i intensywna obróbka powierzchniowa,
• hartowanie i inne procesy obróbki cieplnej,
• nierównomierne nagrzewanie lub chłodzenie elementów o zróżnicowanym przekroju.

Podczas wyżarzania odprężającego wzrost temperatury zwiększa możliwość zachodzenia procesów prowadzących do relaksacji naprężeń. Materiał pozostaje w zadanej temperaturze przez określony czas, dzięki czemu naprężenia mogą zostać istotnie zmniejszone bez konieczności całkowitej zmiany jego mikrostruktury.
Nie oznacza to jednak, że wyżarzanie zawsze całkowicie usuwa naprężenia. Stopień odprężenia zależy między innymi od temperatury, czasu wygrzewania, rodzaju stopu, stanu materiału oraz wcześniejszej historii technologicznej.

Po co wykonuje się wyżarzanie odprężające?

Podstawowym celem procesu jest zwiększenie stabilności elementu podczas dalszej produkcji i późniejszej eksploatacji. Naprężenia własne mogą prowadzić do zmiany kształtu komponentu po frezowaniu, toczeniu, wierceniu lub przecięciu materiału. W skrajnych przypadkach mogą również sprzyjać powstawaniu pęknięć.
Wyżarzanie odprężające stosuje się między innymi w celu:

• zmniejszenia naprężeń własnych po spawaniu,
• ograniczenia deformacji podczas dalszej obróbki skrawaniem,
• zwiększenia stabilności wymiarowej części precyzyjnych,
• zmniejszenia naprężeń powstałych podczas kucia, walcowania lub prostowania,
• stabilizacji dużych odlewów i odkuwek,
• przygotowania półproduktu do kolejnych operacji technologicznych,
• ograniczenia ryzyka niekontrolowanych zmian kształtu gotowego elementu.

Wyżarzanie odprężające – temperatura procesu

Temperatura jest jednym z najważniejszych parametrów odprężania. Nie istnieje jedna uniwersalna temperatura odpowiednia dla wszystkich materiałów. Zakres musi być dobrany do konkretnego gatunku, jego mikrostruktury, stanu dostawy oraz wymaganych właściwości po obróbce.
Poniższe wartości mają charakter orientacyjny i nie powinny zastępować parametrów przewidzianych dla konkretnego gatunku materiału, normy, dokumentacji technologicznej lub zaleceń producenta.

W praktyce przemysłowej temperatura odprężania musi być rozpatrywana łącznie z czasem wygrzewania. Zwiększenie temperatury zwykle przyspiesza proces relaksacji naprężeń, ale nadmierna temperatura może spowodować niepożądane zmiany mikrostruktury i właściwości materiału.

Czas wygrzewania podczas odprężania

Czas wygrzewania zależy od rodzaju materiału, temperatury procesu, wymiarów elementu, grubości przekroju i masy wsadu. Istotne jest również to, kiedy rozpoczyna się pomiar czasu – element musi osiągnąć odpowiednią temperaturę w wymaganej części przekroju.
Małe i cienkościenne elementy mogą wymagać stosunkowo krótkiego wygrzewania, natomiast masywne odkuwki, odlewy lub konstrukcje spawane wymagają znacznie dłuższego czasu potrzebnego na wyrównanie temperatury i skuteczną relaksację naprężeń.
Z tego powodu proste reguły typu „jedna godzina na określoną grubość” należy traktować jedynie jako wskazówki technologiczne. W produkcji odpowiedzialnych komponentów parametry powinny wynikać z właściwej technologii obróbki cieplnej.

Nagrzewanie elementu

Kontrolowane nagrzewanie ma szczególne znaczenie w przypadku dużych elementów, skomplikowanych kształtów i znacznych różnic grubości przekroju. Zbyt szybkie nagrzewanie może spowodować duże różnice temperatur pomiędzy powierzchnią a rdzeniem, a tym samym wprowadzić dodatkowe naprężenia cieplne.
Im większy element i bardziej zróżnicowany jego przekrój, tym większego znaczenia nabiera równomierne doprowadzanie ciepła. W przypadku masywnych odkuwek, odlewów i konstrukcji spawanych przebieg nagrzewania powinien być elementem opracowanej technologii procesu.

Chłodzenie po wyżarzaniu odprężającym

Kontrola chłodzenia jest równie istotna jak samo nagrzewanie i wygrzewanie. Jeżeli odprężony element zostanie schłodzony zbyt szybko lub nierównomiernie, różnice temperatur pomiędzy poszczególnymi obszarami mogą ponownie wywołać naprężenia.
W zależności od materiału i wymiarów elementu stosuje się chłodzenie razem z piecem do określonej temperatury, kontrolowane chłodzenie piecowe lub dalsze chłodzenie w spokojnym powietrzu. Sposób chłodzenia powinien uwzględniać zarówno wymagany stopień redukcji naprężeń, jak i możliwość wystąpienia przemian strukturalnych.

Etapy wyżarzania odprężającego

1. Przygotowanie elementu – określenie gatunku materiału, jego stanu, wymiarów oraz przyczyny występowania naprężeń.
2. Kontrolowane nagrzewanie – doprowadzenie elementu do wymaganej temperatury z ograniczeniem nadmiernych gradientów cieplnych.
3. Wyrównanie temperatury – uzyskanie odpowiedniej temperatury w wymaganym obszarze przekroju elementu.
4. Wygrzewanie – utrzymywanie materiału w zadanej temperaturze przez czas umożliwiający odpowiednią redukcję naprężeń.
5. Kontrolowane chłodzenie – obniżanie temperatury w sposób ograniczający możliwość ponownego powstawania naprężeń.

Wpływ wyżarzania odprężającego na właściwości materiału

Prawidłowo przeprowadzone wyżarzanie odprężające powinno przede wszystkim zmniejszać naprężenia własne przy możliwie ograniczonym wpływie na podstawowe właściwości materiału. Nie oznacza to jednak, że właściwości mechaniczne zawsze pozostają całkowicie niezmienione.

Twardość

W wielu stalach odpowiednio dobrane odprężanie powoduje niewielką zmianę twardości. Wpływ procesu zależy jednak od temperatury oraz wcześniejszego stanu materiału. W przypadku materiałów umocnionych na zimno lub poddanych wcześniejszej obróbce cieplnej wzrost temperatury może prowadzić do częściowej utraty efektu umocnienia lub zmian mikrostrukturalnych.

Granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie

Zmiany granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie zależą od materiału oraz parametrów procesu. Celem odprężania nie jest zwiększanie wytrzymałości, lecz przede wszystkim ograniczenie naprężeń własnych. Zbyt wysoka temperatura lub zbyt długi czas wygrzewania mogą jednak wpłynąć na właściwości mechaniczne, szczególnie w materiałach wcześniej umocnionych.

Stabilność wymiarowa

Jednym z najważniejszych praktycznych efektów odprężania jest zwiększenie stabilności wymiarowej. Ma to duże znaczenie w produkcji korpusów maszyn, form, matryc, wałów, płyt, dużych odkuwek oraz innych elementów poddawanych precyzyjnej obróbce skrawaniem.
Jeżeli półprodukt zawiera znaczne naprężenia własne, usunięcie materiału podczas frezowania lub toczenia może zaburzyć ich równowagę i doprowadzić do wygięcia lub skręcenia obrabianej części. Odprężanie wykonane na odpowiednim etapie procesu technologicznego pozwala ograniczyć to zjawisko.

Wyżarzanie odprężające po spawaniu

Konstrukcje spawane należą do najważniejszych zastosowań obróbki odprężającej. Podczas spawania niewielki obszar materiału jest intensywnie nagrzewany, podczas gdy pozostała część konstrukcji pozostaje znacznie chłodniejsza. Następujące później chłodzenie i skurcz materiału powodują powstawanie naprężeń własnych.
W odpowiednich materiałach i zastosowaniach obróbka cieplna po spawaniu może zmniejszać naprężenia spawalnicze i stabilizować konstrukcję. Parametry takiego procesu nie powinny być jednak dobierane wyłącznie na podstawie ogólnego zakresu temperatur – muszą uwzględniać gatunek materiału, grubość elementu, rodzaj złącza oraz wymagania odpowiednich norm i dokumentacji technologicznej.

Wyżarzanie odprężające po obróbce skrawaniem

Odprężanie może być stosowane również pomiędzy kolejnymi etapami obróbki mechanicznej. Jest to szczególnie przydatne przy produkcji dużych lub precyzyjnych części, z których podczas obróbki zgrubnej usuwa się znaczną ilość materiału.
Typowy proces może obejmować obróbkę zgrubną, odprężanie, a następnie obróbkę wykańczającą. Dzięki temu ewentualne odkształcenia wynikające z redystrybucji naprężeń występują przed wykonaniem powierzchni i wymiarów końcowych.

Zastosowanie wyżarzania odprężającego

Konstrukcje spawane

Proces może być stosowany w dużych ramach, korpusach, zbiornikach, konstrukcjach maszynowych oraz innych elementach spawanych, dla których istotna jest stabilność wymiarowa i ograniczenie naprężeń po spawaniu.

Odkuwki i elementy kute

Duże odkuwki mogą zawierać naprężenia wynikające zarówno z odkształcenia plastycznego, jak i nierównomiernego chłodzenia. Odpowiednia obróbka cieplna może stanowić jeden z etapów przygotowania materiału do dalszej obróbki mechanicznej.

Odlewy

W odlewach naprężenia mogą powstawać podczas krzepnięcia i chłodzenia, szczególnie w elementach o zróżnicowanej grubości ścianek. Odprężanie stosuje się m.in. w celu zwiększenia stabilności wymiarowej korpusów i innych dużych elementów odlewanych.

Formy, matryce i narzędzia

W przypadku form i matryc stabilność wymiarowa ma bezpośredni wpływ na dokładność wykonywanych elementów. Odprężanie pomiędzy etapami obróbki może ograniczyć deformacje występujące po intensywnym frezowaniu lub innych operacjach mechanicznych.

Energetyka i przemysł maszynowy

Proces stosowany jest również podczas produkcji i naprawy elementów instalacji przemysłowych, korpusów, wałów, rurociągów i innych komponentów, jeżeli technologia danego materiału przewiduje redukcję naprężeń za pomocą obróbki cieplnej.

Wyżarzanie odprężające a inne rodzaje wyżarzania

Wyżarzania odprężającego nie należy utożsamiać z wyżarzaniem normalizującym, zmiękczającym, rekrystalizującym, ujednorodniającym czy sferoidyzującym. Poszczególne procesy prowadzone są w innych zakresach temperatur i służą osiąganiu innych efektów technologicznych.
W przypadku odprężania głównym zadaniem jest redukcja naprężeń własnych przy możliwie niewielkiej zmianie struktury i właściwości materiału. W innych procesach wyżarzania zmiana mikrostruktury może być natomiast podstawowym celem obróbki.
Porównanie poszczególnych procesów przedstawiono szerzej na stronie porównanie metod obróbki cieplnej stali.

Zalety wyżarzania odprężającego

• redukcja naprężeń własnych,
• poprawa stabilności wymiarowej elementów,
• ograniczenie deformacji podczas dalszej obróbki skrawaniem,
• zmniejszenie ryzyka odkształceń po spawaniu, kuciu lub odlewaniu,
• możliwość stabilizacji dużych i skomplikowanych elementów,
• przygotowanie półproduktu do precyzyjnej obróbki końcowej.

Ograniczenia wyżarzania odprężającego

• nieprawidłowa temperatura może zmienić mikrostrukturę lub właściwości materiału,
• proces nie zawsze prowadzi do całkowitego usunięcia naprężeń własnych,
• duże elementy wymagają długiego i kontrolowanego cyklu nagrzewania oraz chłodzenia,
• parametry odpowiednie dla jednego gatunku stali nie muszą być właściwe dla innego,
• w niektórych stopach należy uwzględnić wpływ temperatury na odporność korozyjną, stan umocnienia lub wcześniejszą obróbkę cieplną.

Wyżarzanie odprężające jest ważnym procesem obróbki cieplnej stosowanym w celu zmniejszenia naprężeń własnych powstałych podczas spawania, odlewania, kucia, walcowania, prostowania, obróbki skrawaniem oraz innych procesów produkcyjnych. Odpowiednio dobrana temperatura, czas wygrzewania oraz sposób nagrzewania i chłodzenia pozwalają zwiększyć stabilność wymiarową elementu i ograniczyć ryzyko jego późniejszych deformacji.
Parametry odprężania należy zawsze dobierać do konkretnego gatunku i stanu materiału. Szczególnej ostrożności wymagają stale wysokostopowe, stale po wcześniejszej obróbce cieplnej oraz stopy nieżelazne, ponieważ zbyt wysoka temperatura może powodować zmiany właściwości, których nie zakłada podstawowy cel procesu.

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.