Wyżarzanie rekrystalizujące stali – usuwanie skutków zgniotu i przywracanie plastyczności

Wyżarzanie rekrystalizujące jest procesem obróbki cieplnej stosowanym przede wszystkim do materiałów wcześniej odkształconych plastycznie na zimno. Jego głównym celem jest usunięcie skutków umocnienia odkształceniowego, określanego jako zgniot, oraz odtworzenie mikrostruktury umożliwiającej odzyskanie plastyczności materiału.
Podczas walcowania na zimno, ciągnienia, tłoczenia, gięcia i innych procesów odkształcania w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji wzrasta gęstość dyslokacji, ziarna ulegają wydłużeniu, a materiał staje się twardszy i bardziej wytrzymały, ale jednocześnie mniej plastyczny. Po osiągnięciu dużego stopnia zgniotu dalsze odkształcanie może stać się utrudnione lub niemożliwe bez pośredniej obróbki cieplnej.
Odpowiednio przeprowadzone wyżarzanie rekrystalizujące prowadzi do powstawania nowych, wolnych od znacznej części skutków wcześniejszego odkształcenia ziaren, które następnie zastępują zdeformowaną mikrostrukturę. W rezultacie następuje zmniejszenie twardości i wytrzymałości związanej ze zgniotem oraz wyraźne zwiększenie plastyczności.

Co to jest zgniot?

Zgniot jest zespołem zmian mikrostruktury i właściwości materiału powstających podczas odkształcenia plastycznego, przede wszystkim na zimno. W czasie odkształcania zachodzi intensywny ruch i namnażanie dyslokacji, a ich rosnąca gęstość utrudnia dalsze przemieszczanie się kolejnych dyslokacji.
W konsekwencji materiał ulega umocnieniu odkształceniowemu. Do uzyskania dalszego odkształcenia konieczne jest przyłożenie coraz większego naprężenia.
Typowymi skutkami zgniotu są:

• wzrost gęstości dyslokacji,
• wydłużenie i deformacja ziaren zgodnie z kierunkiem obróbki,
• wzrost twardości,
• wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości,
• zmniejszenie plastyczności,
• powstawanie tekstury krystalograficznej,
• magazynowanie energii odkształcenia w mikrostrukturze,
• możliwość powstawania naprężeń własnych.

Na czym polega wyżarzanie rekrystalizujące?

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu materiału odkształconego plastycznie do temperatury umożliwiającej powstawanie i wzrost nowych ziaren o znacznie mniejszej gęstości dyslokacji niż w strukturze odkształconej.
W odróżnieniu od wyżarzania pełnego proces nie wymaga austenityzacji stali. Rekrystalizacja może zachodzić w stanie stałym bez przemiany struktury w austenit.
Jest to zasadnicza różnica pomiędzy wyżarzaniem rekrystalizującym a wieloma procesami obróbki cieplnej wykorzystującymi przemiany fazowe.

Dlaczego materiał po zgniocie wymaga rekrystalizacji?

Umocnienie zgniotowe może być efektem pożądanym, jeśli celem jest zwiększenie wytrzymałości i twardości materiału. W wielu procesach produkcyjnych stanowi jednak ograniczenie technologiczne.
Przykładowo podczas wieloetapowego ciągnienia drutu lub walcowania blachy materiał po kolejnych operacjach staje się coraz twardszy i mniej podatny na dalsze odkształcanie. Kontynuowanie procesu może wymagać coraz większych sił i zwiększać ryzyko pękania.
Wyżarzanie rekrystalizujące wykonane pomiędzy kolejnymi etapami obróbki plastycznej może przywrócić odpowiednią plastyczność i umożliwić dalsze odkształcanie.

Etapy zmian mikrostruktury podczas nagrzewania materiału po zgniocie

Zmiany zachodzące podczas nagrzewania materiału odkształconego plastycznie można rozpatrywać w trzech podstawowych etapach:

1. zdrowienie,
2. rekrystalizacja,
3. rozrost ziarna.

Etapy te są ze sobą powiązane, ale reprezentują różne mechanizmy zmian zachodzących w mikrostrukturze.

1. Zdrowienie materiału

Zdrowienie poprzedza właściwą rekrystalizację. Podczas nagrzewania wzrasta ruchliwość defektów sieci krystalicznej, co umożliwia częściową reorganizację i anihilację dyslokacji.
Zmniejsza się energia zmagazynowana podczas wcześniejszego odkształcenia, a część naprężeń własnych może ulec redukcji. Mogą również zachodzić procesy porządkowania dyslokacji i tworzenia struktur podziarnowych.
Na etapie zdrowienia podstawowy układ zdeformowanych ziaren pozostaje jednak w dużej mierze zachowany. Nie następuje jeszcze pełne zastąpienie ich nowymi ziarnami charakterystyczne dla rekrystalizacji.

2. Rekrystalizacja

Po osiągnięciu odpowiednich warunków termicznych w materiale zaczynają powstawać nowe ziarna o znacznie mniejszej gęstości dyslokacji. Ich powstawanie jest energetycznie możliwe dzięki energii zmagazynowanej wcześniej podczas odkształcenia plastycznego.
Nowe ziarna stopniowo rosną kosztem zdeformowanej mikrostruktury. Wraz z postępem procesu wydłużone i silnie odkształcone obszary zostają zastąpione przez nowe ziarna o bardziej równomiernym kształcie.
Właśnie ten etap odpowiada za największe zmiany właściwości mechanicznych: spada twardość i wytrzymałość wynikająca ze zgniotu, natomiast wzrasta plastyczność.

3. Rozrost ziarna

Po zakończeniu rekrystalizacji dalsze utrzymywanie materiału w podwyższonej temperaturze może prowadzić do rozrostu ziarna. Większe ziarna rosną kosztem mniejszych, ponieważ układ dąży do zmniejszenia całkowitej powierzchni granic ziaren.
Nadmierny rozrost ziarna nie jest zazwyczaj pożądanym efektem wyżarzania rekrystalizującego. Zbyt wysoka temperatura lub zbyt długi czas wygrzewania mogą więc prowadzić do pogorszenia wymaganych właściwości materiału.

Mikrostruktura przed i po rekrystalizacji

Temperatura rekrystalizacji

Temperatura rekrystalizacji nie jest jedną stałą temperaturą charakterystyczną dla wszystkich metali ani nawet dla jednego gatunku materiału. Rekrystalizacja jest procesem zależnym zarówno od temperatury, jak i czasu.

Na temperaturę rozpoczęcia i szybkość rekrystalizacji wpływają między innymi:

• rodzaj materiału,
• skład chemiczny,
• stopień wcześniejszego odkształcenia plastycznego,
• początkowa wielkość ziarna,
• temperatura wcześniejszej obróbki,
• czas wygrzewania,
• obecność wydzieleń i pierwiastków stopowych,
• czystość materiału.

Dlatego podawanie jednej uniwersalnej temperatury wyżarzania rekrystalizującego dla wszystkich stali byłoby nieprawidłowe. Parametry procesu muszą być określane dla konkretnego materiału i stanu jego wcześniejszego odkształcenia.

Wpływ stopnia zgniotu na rekrystalizację

Stopień wcześniejszego odkształcenia plastycznego ma fundamentalne znaczenie dla przebiegu rekrystalizacji. Im większy zgniot, tym większa jest zazwyczaj ilość energii zmagazynowanej w materiale i gęstość dyslokacji.
Duża energia zmagazynowana stanowi siłę napędową procesu rekrystalizacji. Dlatego silniej odkształcony materiał może rekrystalizować łatwiej i przy niższej temperaturze lub w krótszym czasie niż materiał poddany niewielkiemu odkształceniu.
Istnieje również pojęcie zgniotu krytycznego. Jeżeli stopień odkształcenia jest zbyt mały, liczba miejsc sprzyjających powstawaniu nowych ziaren może być niewystarczająca do uzyskania typowego przebiegu rekrystalizacji. W pewnych warunkach może to prowadzić do powstania niekorzystnie grubego ziarna.

Wpływ temperatury i czasu wygrzewania

Temperatura i czas są parametrami wzajemnie powiązanymi. Podwyższenie temperatury zwiększa szybkość procesów dyfuzyjnych i ruchliwość granic ziaren, dzięki czemu rekrystalizacja może przebiegać szybciej.
Przy niższej temperaturze osiągnięcie podobnego stopnia rekrystalizacji może wymagać dłuższego czasu. Z kolei nadmierne zwiększenie temperatury lub czasu po zakończeniu rekrystalizacji zwiększa ryzyko rozrostu ziarna.
Optymalny cykl powinien więc zapewniać wymagany stopień rekrystalizacji bez niepotrzebnego przedłużania wygrzewania.

Wpływ rekrystalizacji na twardość

Podczas obróbki plastycznej na zimno twardość materiału zwiększa się wskutek umocnienia odkształceniowego. W czasie rekrystalizacji powstają nowe ziarna o znacznie mniejszej gęstości dyslokacji, dlatego twardość wyraźnie spada.
Zmiana twardości może być wykorzystana praktycznie do oceny postępu procesu. W badaniach materiałowych zależność twardości od temperatury lub czasu wyżarzania może wskazywać zakres, w którym zachodzi intensywna rekrystalizacja.

Wpływ rekrystalizacji na wytrzymałość

Umocnienie zgniotowe powoduje zwiększenie granicy plastyczności i wytrzymałości materiału. Rekrystalizacja usuwa znaczną część tego umocnienia, dlatego właściwości wytrzymałościowe związane ze zgniotem ulegają zmniejszeniu.
Nie jest to wada procesu, lecz jego zamierzony efekt w sytuacji, gdy materiał ma zostać poddany kolejnym operacjom kształtowania plastycznego.

Wpływ rekrystalizacji na plastyczność

Jednym z najbardziej charakterystycznych efektów wyżarzania rekrystalizującego jest przywrócenie plastyczności utraconej podczas zgniotu.
Materiał, który po intensywnym walcowaniu lub ciągnieniu stał się twardy i mało podatny na dalsze odkształcanie, po odpowiednim wyżarzaniu może ponownie zostać poddany dalszej obróbce plastycznej.
Właśnie dlatego rekrystalizacja jest ważnym elementem wieloetapowych procesów produkcji blach, taśm, drutów, prętów, rur i innych półproduktów obrabianych na zimno.

Wyżarzanie rekrystalizujące blach i taśm

Walcowanie na zimno umożliwia uzyskanie małych tolerancji wymiarowych, dobrej jakości powierzchni i wymaganych właściwości materiału, ale jednocześnie powoduje jego umocnienie.
Jeżeli wymagane są dalsze redukcje grubości lub późniejsze głębokie tłoczenie, materiał może wymagać wyżarzania rekrystalizującego. Proces odtwarza zdolność blachy lub taśmy do dalszego odkształcania.
W zależności od technologii wyżarzanie może być prowadzone jako proces pośredni pomiędzy kolejnymi etapami walcowania lub jako obróbka końcowa nadająca materiałowi wymagany stan dostawy.

Wyżarzanie rekrystalizujące drutu

Podczas ciągnienia drutu jego przekrój jest stopniowo zmniejszany przez przeciąganie przez ciągadła. Każde przejście zwiększa stopień odkształcenia i powoduje dalsze umocnienie materiału.
Po osiągnięciu określonego stopnia zgniotu dalsze ciągnienie może wymagać bardzo dużych sił i zwiększać ryzyko uszkodzenia materiału. Wyżarzanie pośrednie umożliwia zmniejszenie skutków umocnienia i kontynuowanie procesu ciągnienia.

Wyżarzanie rekrystalizujące rur i profili

Rury i profile wytwarzane lub kalibrowane metodami obróbki plastycznej na zimno również mogą ulegać znacznemu umocnieniu. W zależności od materiału i technologii wyżarzanie rekrystalizujące może być stosowane pomiędzy kolejnymi etapami ciągnienia, redukowania lub kształtowania.
Pozwala to przywrócić zdolność materiału do dalszego odkształcania i ograniczyć ryzyko pękania podczas następnych operacji.

Wyżarzanie rekrystalizujące a wyżarzanie odprężające

Wyżarzania rekrystalizującego nie należy utożsamiać z wyżarzaniem odprężającym.
Wyżarzanie odprężające ma przede wszystkim zmniejszyć naprężenia własne przy możliwie ograniczonej zmianie podstawowej mikrostruktury i właściwości materiału. Wyżarzanie rekrystalizujące ma natomiast doprowadzić do powstawania i wzrostu nowych ziaren, zastępujących strukturę zdeformowaną podczas wcześniejszej obróbki plastycznej.

Wyżarzanie rekrystalizujące a wyżarzanie pełne

Wyżarzanie pełne wykorzystuje austenityzację i bardzo powolne chłodzenie w celu uzyskania odpowiedniej struktury stali. Jest więc związane z przemianami fazowymi zachodzącymi podczas nagrzewania i chłodzenia.
Wyżarzanie rekrystalizujące nie wymaga austenityzacji. Jego mechanizm związany jest przede wszystkim z energią zgromadzoną w materiale podczas wcześniejszego odkształcenia oraz powstawaniem i wzrostem nowych ziaren.

Wyżarzanie rekrystalizujące a normalizowanie

Normalizowanie stali obejmuje nagrzanie materiału do zakresu austenitycznego, a następnie chłodzenie w powietrzu. Służy między innymi ujednoliceniu i rozdrobnieniu struktury.
Rekrystalizacja służy przede wszystkim usunięciu skutków wcześniejszego odkształcenia na zimno. Są to zatem procesy wykorzystujące inne mechanizmy i stosowane w innych sytuacjach technologicznych.

Wyżarzanie rekrystalizujące a zmiękczanie stali

Wyżarzanie rekrystalizujące może prowadzić do znacznego zmniejszenia twardości i dlatego zaliczane jest do procesów umożliwiających zmiękczanie stali. Przyczyna tego zmiękczenia jest jednak charakterystyczna.
Nie wynika ono przede wszystkim ze zmiany morfologii węglików, jak w wyżarzaniu sferoidyzującym, ani z powolnej przemiany austenitu, jak w wyżarzaniu pełnym. Jest skutkiem usuwania struktury umocnionej odkształceniowo i zastępowania jej nowymi ziarnami o mniejszej gęstości dyslokacji.

Rekrystalizacja a stale nierdzewne

Obróbka plastyczna na zimno jest szeroko stosowana również podczas produkcji stali nierdzewnych. Walcowanie, ciągnienie i formowanie mogą powodować znaczne umocnienie odkształceniowe, szczególnie w niektórych stalach austenitycznych.
Odpowiednia obróbka cieplna może prowadzić do rekrystalizacji odkształconej struktury. W przypadku stali nierdzewnych parametry procesu muszą być jednak dobierane z uwzględnieniem konkretnego gatunku oraz innych zjawisk mogących zachodzić podczas nagrzewania, dlatego nie należy stosować jednego uniwersalnego zakresu temperatur dla wszystkich stali nierdzewnych.

Co wpływa na wielkość ziarna po rekrystalizacji?

Wielkość ziarna uzyskana po procesie ma duże znaczenie dla końcowych właściwości materiału. Wpływają na nią przede wszystkim:

• stopień wcześniejszego zgniotu,
• wielkość ziarna przed odkształceniem,
• temperatura wyżarzania,
• czas wygrzewania,
• skład chemiczny,
• obecność wydzieleń hamujących ruch granic ziaren.

Nieprawidłowe połączenie niewielkiego stopnia zgniotu i warunków wyżarzania może prowadzić do powstania grubego ziarna. Dlatego stopień wcześniejszego odkształcenia jest równie ważnym parametrem procesu jak sama temperatura.

Najczęstsze błędy podczas wyżarzania rekrystalizującego

• Zbyt niska temperatura lub zbyt krótki czas – rekrystalizacja może być niepełna.
• Zbyt wysoka temperatura – po zakończeniu rekrystalizacji może nastąpić nadmierny rozrost ziarna.
• Zbyt długi czas wygrzewania – zwiększa ryzyko rozrostu ziaren i niepotrzebnie wydłuża proces.
• Nieuwzględnienie stopnia zgniotu – może prowadzić do nieprawidłowego doboru parametrów.
• Traktowanie temperatury rekrystalizacji jako jednej stałej wartości – pomija wpływ czasu, składu i stanu materiału.
• Mylenie rekrystalizacji z odprężaniem – oba procesy mają inne cele i inny wpływ na mikrostrukturę.

Zalety wyżarzania rekrystalizującego

• usunięcie znacznej części skutków umocnienia zgniotowego,
• przywrócenie plastyczności materiału,
• zmniejszenie twardości po obróbce plastycznej na zimno,
• umożliwienie dalszego walcowania, ciągnienia lub formowania,
• powstanie nowych ziaren o małej gęstości dyslokacji,
• możliwość stosowania jako obróbki pośredniej w wieloetapowych procesach technologicznych.

Ograniczenia wyżarzania rekrystalizującego

• proces wymaga wcześniejszego odkształcenia materiału, które dostarcza energii napędowej rekrystalizacji,
• temperatura zależy od materiału i stopnia wcześniejszego zgniotu,
• nadmierna temperatura lub czas mogą powodować rozrost ziarna,
• zbyt mały stopień odkształcenia może utrudniać uzyskanie pożądanej rekrystalizacji,
• proces usuwa korzystne umocnienie zgniotowe, jeśli było ono wymaganym efektem końcowym.

Zastosowanie wyżarzania rekrystalizującego

Proces znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji wyrobów poddawanych obróbce plastycznej na zimno. Może być stosowany zarówno jako obróbka pośrednia, jak i końcowa.

Typowe zastosowania obejmują:

• blachy walcowane na zimno,
• taśmy stalowe,
• druty ciągnione,
• pręty ciągnione na zimno,
• rury ciągnione i redukowane na zimno,
• profile kształtowane na zimno,
• elementy przeznaczone do głębokiego tłoczenia,
• półprodukty wymagające kilku kolejnych etapów odkształcania plastycznego.

Wyżarzanie rekrystalizujące – najważniejsze informacje

Wyżarzanie rekrystalizujące jest procesem przeznaczonym przede wszystkim do materiałów, które uległy umocnieniu wskutek obróbki plastycznej na zimno. Podczas nagrzewania zachodzą kolejno procesy zdrowienia i rekrystalizacji, a przy dalszym wygrzewaniu może rozpocząć się rozrost ziarna.
Najważniejszym etapem jest powstawanie nowych ziaren o znacznie mniejszej gęstości dyslokacji, które zastępują silnie odkształconą strukturę powstałą podczas zgniotu. Prowadzi to do zmniejszenia twardości i wytrzymałości wynikającej z umocnienia odkształceniowego oraz do odzyskania plastyczności.
Proces ma szczególne znaczenie w produkcji blach, taśm, drutów, prętów, rur i profili obrabianych na zimno. Może być wykonywany pomiędzy kolejnymi etapami odkształcania albo jako obróbka końcowa. Temperatura i czas wyżarzania muszą być dobierane z uwzględnieniem gatunku materiału, jego składu chemicznego, stopnia wcześniejszego zgniotu i wymaganej wielkości ziarna.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Wyżarzanie rekrystalizujące 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.