Wyżarzanie pełne stali – proces, temperatura, mikrostruktura i zastosowanie

Wyżarzanie pełne stali jest procesem obróbki cieplnej polegającym na nagrzaniu materiału do temperatury zapewniającej austenityzację, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie bardzo powolnym chłodzeniu, najczęściej razem z piecem. Celem procesu jest uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi, zmniejszenie twardości, zwiększenie plastyczności oraz przygotowanie stali do dalszej obróbki mechanicznej lub cieplnej.
Wyżarzanie pełne stosuje się przede wszystkim do stali podeutektoidalnych. Odpowiednio dobrany cykl nagrzewania i powolnego chłodzenia umożliwia przemianę struktury wyjściowej w ferryt i perlit oraz uzyskanie właściwości korzystnych z punktu widzenia dalszego przetwarzania materiału.
Proces należy do grupy metod zmiękczania stali, ale nie jest pojęciem równoznacznym ze zmiękczaniem. Zmniejszenie twardości można uzyskać również przez wyżarzanie sferoidyzujące, izotermiczne lub rekrystalizujące, przy czym mechanizm i zastosowanie każdego z tych procesów są inne.

Na czym polega wyżarzanie pełne stali?

Podstawą wyżarzania pełnego jest przemiana struktury stali podczas nagrzewania w austenit, a następnie kontrolowany rozpad austenitu podczas bardzo powolnego chłodzenia. W przypadku stali podeutektoidalnych materiał nagrzewa się powyżej temperatury krytycznej Ac3, dzięki czemu ferryt i perlit występujące w strukturze wyjściowej ulegają przemianie w austenit.
Po zakończeniu austenityzacji stal jest wygrzewana przez czas potrzebny do wyrównania temperatury w przekroju i przeprowadzenia wymaganych przemian. Następnie materiał chłodzi się powoli wraz z piecem. Podczas przechodzenia przez zakres temperatur przemian austenit stopniowo przekształca się w strukturę ferrytyczno-perlityczną.
Powolne chłodzenie ma zasadnicze znaczenie dla efektu procesu. Odróżnia ono wyżarzanie pełne między innymi od normalizowania stali, podczas którego materiał po austenityzacji chłodzony jest w powietrzu.

Cel wyżarzania pełnego

Wyżarzanie pełne stosuje się wtedy, gdy wymagane jest uzyskanie stosunkowo miękkiej, plastycznej i bardziej jednorodnej struktury materiału. Proces może być wykonywany po kuciu, walcowaniu na gorąco, odlewaniu lub innych operacjach technologicznych, które pozostawiają strukturę niekorzystną dla dalszego przetwarzania.
Do podstawowych celów wyżarzania pełnego należą:

• zmniejszenie twardości stali,
• zwiększenie plastyczności materiału,
• uzyskanie bardziej równomiernej mikrostruktury,
• przekształcenie niekorzystnej struktury powstałej podczas wcześniejszych procesów technologicznych,
• przygotowanie materiału do dalszej obróbki skrawaniem,
• przygotowanie stali do kolejnych procesów obróbki cieplnej,
• uzyskanie przewidywalnego stanu wyjściowego przed dalszym przetwarzaniem.

Temperatura wyżarzania pełnego

Temperatura wyżarzania pełnego nie jest jedną stałą wartością dla wszystkich gatunków stali. Dobiera się ją w odniesieniu do temperatur krytycznych wynikających ze składu chemicznego materiału.
Dla stali podeutektoidalnych stosowanych w klasycznym wyżarzaniu pełnym temperatura procesu znajduje się powyżej temperatury Ac3. W praktyce stosuje się odpowiednie przegrzanie ponad Ac3, wystarczające do przeprowadzenia prawidłowej austenityzacji bez niepotrzebnego zwiększania temperatury procesu.
Spotykane w literaturze wartości określające temperaturę wyżarzania jako określoną liczbę stopni powyżej Ac3 należy traktować jako wartości orientacyjne. Dokładna temperatura powinna wynikać z gatunku stali, jej składu chemicznego, struktury wyjściowej, wymiarów elementu oraz wymaganego efektu technologicznego.

Temperatury krytyczne Ac1 i Ac3 – znaczenie podczas wyżarzania

Do zrozumienia wyżarzania pełnego istotne są temperatury krytyczne związane z przemianami zachodzącymi podczas nagrzewania stali.

• Ac1 – temperatura, przy której podczas nagrzewania rozpoczyna się przemiana prowadząca do powstawania austenitu,
• Ac3 – temperatura, powyżej której w stali podeutektoidalnej przemiana w austenit zostaje zakończona.

Litera „c” w oznaczeniach Ac odnosi się do temperatur krytycznych określanych podczas nagrzewania. Podczas chłodzenia stosuje się oznaczenia Ar, ponieważ wskutek kinetyki przemian temperatury przemian podczas nagrzewania i chłodzenia nie są identyczne.
W klasycznym wyżarzaniu pełnym stali podeutektoidalnej przekroczenie Ac3 umożliwia uzyskanie struktury austenitycznej przed rozpoczęciem powolnego chłodzenia.

Wyżarzanie pełne – przebieg procesu

Proces można podzielić na trzy zasadnicze etapy: nagrzewanie, wygrzewanie oraz powolne chłodzenie.

1. Nagrzewanie stali

Element nagrzewa się do temperatury wyżarzania właściwej dla danego gatunku. Sposób nagrzewania powinien uwzględniać wielkość i geometrię elementu, jego przekrój, przewodność cieplną materiału oraz możliwość wystąpienia gradientów temperatury.
W przypadku dużych odkuwek, odlewów lub elementów o znacznie zróżnicowanym przekroju zbyt szybkie nagrzewanie może prowadzić do dużych różnic temperatur pomiędzy powierzchnią a rdzeniem. Może to powodować naprężenia cieplne, dlatego w praktyce przemysłowej cykl nagrzewania może obejmować dodatkowe etapy pośrednie.

2. Wygrzewanie

Po osiągnięciu wymaganej temperatury element jest wygrzewany w celu wyrównania temperatury w całym przekroju oraz przeprowadzenia wymaganych przemian strukturalnych.
Czas wygrzewania zależy między innymi od gatunku stali, wymiarów elementu, jego geometrii, masy wsadu, rodzaju pieca oraz sposobu nagrzewania. Z tego powodu proste przeliczniki czasu na milimetr grubości nie powinny być traktowane jako uniwersalna zasada technologiczna.

3. Powolne chłodzenie w piecu

Po zakończeniu wygrzewania rozpoczyna się najważniejszy z punktu widzenia końcowej mikrostruktury etap – powolne chłodzenie. W klasycznym wyżarzaniu pełnym stal chłodzi się wraz z piecem przez zakres temperatur, w którym zachodzą przemiany austenitu.
Powolne odprowadzanie ciepła zapewnia warunki do przebiegu przemian dyfuzyjnych i powstawania struktury zbliżonej do równowagowej. Po przejściu przez istotny zakres przemian dalsze chłodzenie może być prowadzone zgodnie z technologią właściwą dla konkretnego materiału i elementu.

Co dzieje się ze stalą podczas chłodzenia?

Podczas powolnego chłodzenia stali podeutektoidalnej austenit ulega stopniowym przemianom. Po przekroczeniu odpowiedniej temperatury rozpoczyna się wydzielanie ferrytu, a pozostały austenit zmienia swój skład wraz ze spadkiem temperatury.
Podczas dalszego chłodzenia pozostały austenit ulega przemianie perlitycznej. W rezultacie w temperaturze otoczenia typowa stal podeutektoidalna po wyżarzaniu pełnym ma strukturę składającą się z ferrytu i perlitu.
Proporcje poszczególnych składników struktury zależą przede wszystkim od zawartości węgla. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali podeutektoidalnej zwiększa się udział perlitu, a zmniejsza udział ferrytu proeutektoidalnego.

Mikrostruktura stali po wyżarzaniu pełnym

Końcowa mikrostruktura jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o właściwościach stali po wyżarzaniu. W typowej stali podeutektoidalnej otrzymuje się strukturę ferrytyczno-perlityczną.
Ze względu na powolne chłodzenie perlit może mieć większą odległość między płytkami ferrytu i cementytu niż po szybszym chłodzeniu podczas normalizowania. Ma to bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne materiału.
Struktura uzyskana po wyżarzaniu pełnym charakteryzuje się zazwyczaj mniejszą twardością i wytrzymałością oraz większą plastycznością niż struktura uzyskana po normalizowaniu tej samej stali.

Ferryt, perlit i cementyt w stali wyżarzonej

Ferryt jest miękkim i plastycznym składnikiem strukturalnym stali. Jego duży udział sprzyja stosunkowo małej twardości i dobrej zdolności materiału do odkształcenia.
Perlit jest mieszaniną ferrytu i cementytu powstającą podczas przemiany eutektoidalnej. Jego właściwości zależą między innymi od odległości pomiędzy płytkami obu faz. Szybkość chłodzenia wpływa więc na morfologię perlitu i w konsekwencji na właściwości mechaniczne stali.
Cementyt Fe₃C jest twardą i kruchą fazą zawierającą węgiel. Jego ilość, postać i rozmieszczenie mają istotny wpływ na twardość, skrawalność i zachowanie stali podczas dalszej obróbki.

Wpływ wyżarzania pełnego na właściwości stali

Wyżarzanie pełne a normalizowanie stali

Wyżarzanie pełne i normalizowanie mają wspólny etap austenityzacji, jednak zasadniczo różnią się sposobem chłodzenia. W wyżarzaniu pełnym stal jest chłodzona bardzo powoli, najczęściej razem z piecem. Podczas normalizowania chłodzenie odbywa się w powietrzu.

Wyżarzanie pełne a wyżarzanie sferoidyzujące

Procesów tych nie należy traktować jako synonimów. Wyżarzanie pełne wykorzystuje austenityzację i powolne chłodzenie w celu uzyskania struktury ferrytyczno-perlitycznej. Wyżarzanie sferoidyzujące ma natomiast prowadzić przede wszystkim do zmiany morfologii cementytu i innych węglików.
W stalach wysokowęglowych i narzędziowych właśnie struktura z odpowiednio rozmieszczonymi węglikami o kształcie zbliżonym do kulistego może być korzystniejsza przed skrawaniem i późniejszym hartowaniem. Z tego powodu dla takich materiałów stosuje się często wyżarzanie sferoidyzujące zamiast klasycznego wyżarzania pełnego.

Wyżarzanie pełne a wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające prowadzi się poniżej zakresu austenityzacji, ponieważ jego głównym zadaniem jest zmniejszenie naprężeń własnych bez zasadniczej przebudowy podstawowej mikrostruktury materiału.
Podczas wyżarzania pełnego stal jest natomiast austenityzowana, a następnie podczas powolnego chłodzenia powstaje nowa mikrostruktura. Różnica dotyczy więc nie tylko temperatury, ale również mechanizmu i celu całego procesu.

Wyżarzanie pełne a hartowanie

Hartowanie i wyżarzanie pełne mogą rozpoczynać się od nagrzewania stali do zakresu austenitycznego, ale po wygrzewaniu przebiegają zupełnie inaczej.
Podczas wyżarzania stal chłodzi się bardzo powoli, aby umożliwić przemiany dyfuzyjne i uzyskać stosunkowo miękką strukturę. Podczas hartowania materiał chłodzi się odpowiednio szybko, aby ograniczyć przemiany dyfuzyjne i uzyskać strukturę o wysokiej twardości, najczęściej z istotnym udziałem martenzytu.
W uproszczeniu oba procesy można więc traktować jako przeciwstawne pod względem oczekiwanego efektu: wyżarzanie pełne ma przede wszystkim zmiękczyć i zwiększyć podatność materiału na dalszą obróbkę, natomiast hartowanie służy zwiększeniu twardości.

Wyżarzanie pełne a wyżarzanie izotermiczne

W wyżarzaniu pełnym przemiana austenitu zachodzi podczas ciągłego, bardzo powolnego chłodzenia. W wyżarzaniu izotermicznym po austenityzacji materiał doprowadza się do odpowiednio dobranej temperatury i utrzymuje w niej przez czas potrzebny do przeprowadzenia wymaganej przemiany.
Wyżarzanie izotermiczne może być korzystne dla niektórych stali stopowych, w których klasyczne powolne chłodzenie wymagałoby bardzo długiego czasu.

Wyżarzanie pełne po kuciu

Kucie na gorąco może pozostawić materiał ze strukturą wymagającą dalszej obróbki cieplnej. W zależności od temperatury końca kucia, szybkości chłodzenia, gatunku stali i wymiarów odkuwki struktura może być niejednorodna lub nieodpowiednia do dalszej obróbki mechanicznej.
Wyżarzanie pełne może w odpowiednich gatunkach stanowić etap przygotowania odkuwki do skrawania lub kolejnej obróbki cieplnej. W innych przypadkach właściwsze może być normalizowanie, wyżarzanie izotermiczne lub sferoidyzujące.

Wyżarzanie pełne po walcowaniu

Podobna sytuacja występuje w przypadku półproduktów walcowanych na gorąco. Końcowa mikrostruktura zależy od temperatury walcowania, stopnia odkształcenia i warunków chłodzenia.
Wyżarzanie może zostać zastosowane w celu uzyskania struktury i właściwości wymaganych przed dalszym przetwarzaniem. Nie należy jednak utożsamiać tego procesu z wyżarzaniem rekrystalizującym stosowanym po intensywnej obróbce plastycznej na zimno.

Wyżarzanie pełne stali węglowych

Klasyczne wyżarzanie pełne ma szczególne znaczenie dla stali węglowych podeutektoidalnych. Wraz ze wzrostem zawartości węgla zmieniają się temperatury krytyczne oraz udział ferrytu i perlitu w strukturze końcowej.
W stalach o większej zawartości węgla należy również uwzględniać cel dalszej obróbki. Jeżeli najważniejszym zadaniem jest uzyskanie bardzo dobrej skrawalności i odpowiedniej struktury przed hartowaniem, szczególnie w stalach wysokowęglowych, korzystniejsze może być wyżarzanie sferoidyzujące.

Wyżarzanie pełne stali stopowych

W stalach stopowych obecność chromu, molibdenu, niklu, manganu i innych pierwiastków zmienia temperatury przemian oraz kinetykę rozpadu austenitu. Zwiększona hartowność powoduje, że cykl chłodzenia musi być dobierany ze szczególną uwagą.
W przypadku niektórych stali stopowych bardzo powolne chłodzenie wymagane do uzyskania odpowiedniej struktury może znacznie wydłużać proces. W takich przypadkach technologicznie korzystniejsze może być zastosowanie wyżarzania izotermicznego.

Od czego zależy efekt wyżarzania pełnego?

Najczęstsze błędy podczas wyżarzania pełnego

Nieprawidłowo przeprowadzone wyżarzanie może nie tylko nie przynieść oczekiwanego efektu, ale również pogorszyć właściwości materiału.

• Zbyt wysoka temperatura – może powodować nadmierny rozrost ziarna austenitu.
• Zbyt długie wygrzewanie – zwiększa ryzyko rozrostu ziarna oraz niepotrzebnie wydłuża proces.
• Niewystarczająca temperatura – może uniemożliwić przeprowadzenie wymaganej austenityzacji.
• Zbyt szybkie chłodzenie – może prowadzić do uzyskania struktury i właściwości innych niż zakładane.
• Nierównomierne nagrzewanie – w dużych elementach może prowadzić do różnic temperatur i powstawania naprężeń cieplnych.
• Niewłaściwy dobór procesu do gatunku stali – w stalach wysokowęglowych, narzędziowych lub wysokostopowych bardziej odpowiedni może być inny rodzaj wyżarzania.

Zalety wyżarzania pełnego

• zmniejszenie twardości materiału,
• zwiększenie plastyczności,
• możliwość uzyskania bardziej jednorodnej mikrostruktury,
• przygotowanie materiału do dalszej obróbki skrawaniem,
• przygotowanie stali do kolejnych procesów obróbki cieplnej,
• możliwość zmiany niekorzystnej struktury po wcześniejszych procesach technologicznych.

Wady i ograniczenia wyżarzania pełnego

• długi czas procesu wynikający z powolnego chłodzenia,
• duże zużycie czasu i energii pieca, szczególnie przy dużych elementach,
• możliwość rozrostu ziarna przy niewłaściwie dobranej temperaturze lub czasie,
• nie zawsze zapewnia najlepszą skrawalność stali wysokowęglowych,
• dla niektórych stali stopowych korzystniejsze może być wyżarzanie izotermiczne lub sferoidyzujące,
• parametry procesu muszą być dobrane do konkretnego gatunku i wymiarów elementu.

Wyżarzanie pełne – zastosowanie w przemyśle

Wyżarzanie pełne może być stosowane na różnych etapach produkcji elementów stalowych. Najczęściej wykorzystuje się je jako proces przygotowawczy przed dalszym skrawaniem lub obróbką cieplną.
Typowe zastosowania obejmują:

• odkuwki stalowe,
• odlewy stalowe odpowiednich gatunków,
• półprodukty walcowane na gorąco,
• elementy maszyn przeznaczone do dalszej obróbki mechanicznej,
• wały, osie i inne elementy konstrukcyjne,
• półprodukty przygotowywane do kolejnych procesów obróbki cieplnej.

Wyżarzanie pełne – najważniejsze informacje

Wyżarzanie pełne stali jest procesem obróbki cieplnej wykorzystującym austenityzację oraz bardzo powolne chłodzenie stali, najczęściej wraz z piecem. W przypadku stali podeutektoidalnych prowadzi do powstania struktury ferrytyczno-perlitycznej i umożliwia uzyskanie materiału o mniejszej twardości i większej plastyczności niż po szybszym chłodzeniu charakterystycznym dla normalizowania.
Proces znajduje zastosowanie przede wszystkim jako etap przygotowujący stal do dalszej obróbki mechanicznej lub cieplnej. Nie jest jednak rozwiązaniem uniwersalnym. W stalach wysokowęglowych i narzędziowych korzystniejsze może być wyżarzanie sferoidyzujące, natomiast w niektórych stalach stopowych – wyżarzanie izotermiczne. Ostateczne parametry wyżarzania pełnego powinny być zawsze dobierane do konkretnego gatunku stali, temperatur krytycznych, wymiarów elementu, mikrostruktury wyjściowej oraz wymaganych właściwości końcowych.

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.