Wyżarzanie stali to krytycznie ważny proces w obróbce metali, który polega na podgrzaniu stali do określonej temperatury, a następnie kontrolowanym schłodzeniu. Proces ten ma na celu usunięcie wewnętrznych naprężeń, które mogą negatywnie wpływać na właściwości techniczne wyrobów metalowych.
Główne etapy wyżarzania stali
Proces wyżarzania stali obejmuje trzy kluczowe etapy:
- Podgrzewanie stopu do temperatury rozpoczęcia przemian fazowych.
- Utrzymanie w wymaganej temperaturze.
- Chłodzenie z ustaloną prędkością.
Te etapy pozwalają osiągnąć wymagane właściwości techniczne wyrobów i zminimalizować wewnętrzne naprężenia. Skuteczność eliminacji naprężeń resztkowych zależy bezpośrednio od temperatury obróbki cieplnej i prędkości chłodzenia: im wyższa temperatura i niższa prędkość chłodzenia, tym lepszy rezultat.
Prędkość chłodzenia zmienia się w zależności od składu chemicznego stopu i zamierzonego efektu:
- Intensywne chłodzenie w temperaturze +550…+650°C zwiększa granicę wytrzymałości stali dzięki zachowaniu naprężeń resztkowych w warstwie powierzchniowej.
- Powolne chłodzenie wyrobów metalowych o złożonej konfiguracji po wyżarzaniu wysokotemperaturowym pozwala uniknąć deformacji.
- Dla stali stopowych podatnych na kruchość odprężającą stosuje się przyspieszone chłodzenie po wyżarzaniu w temperaturze +550…+650°C.
Rodzaje wyżarzania stali
W zależności od temperatury nagrzewania wyróżnia się trzy rodzaje wyżarzania stali: niskotemperaturowe, średniotemperaturowe i wysokotemperaturowe.
Niskotemperaturowe wyżarzanie stali
Niskotemperaturowe wyżarzanie przeprowadza się w temperaturze +250°C. Główne efekty tego procesu obejmują redukcję naprężeń hartowniczych oraz poprawę udarności bez znaczącego zmniejszenia twardości. Stale o średniej i wysokiej zawartości węgla po niskotemperaturowym wyżarzaniu osiągają twardość 58-63 HRC oraz wysoką odporność na zużycie. Jednak brak sprężystego rdzenia czyni je podatnymi na obciążenia dynamiczne. Niskotemperaturowe wyżarzanie jest często stosowane do narzędzi tnących, przyrządów pomiarowych oraz produktów po cementowaniu i nitrocementacji.
Średniotemperaturowe wyżarzanie stali
Średniotemperaturowe wyżarzanie odbywa się w temperaturze +350…+500°C i jest stosowane do takich wyrobów jak sprężyny, resory i stemple. Proces ten zapewnia znaczną wytrzymałość i sprężystość oraz dobrą odporność na relaksację. Powstałe struktury obejmują troostyt lub trostomartenzyt o twardości 45-50 HRC. Chłodzenie w wodzie po nagrzaniu do +400…+450°C dla sprężyn sprzyja tworzeniu się naprężeń resztkowych, co zwiększa wytrzymałość stali.
Wysokotemperaturowe wyżarzanie stali
Wysokotemperaturowe wyżarzanie przeprowadza się w temperaturze +500…+650°C, a powstała struktura stali to sorbit odprężający. Ten rodzaj obróbki pozwala uzyskać optymalny stosunek między wytrzymałością a udarnością. Kompleksowa obróbka cieplna, która obejmuje hartowanie i wysokotemperaturowe wyżarzanie, jest znana jako ulepszanie cieplne. Przewyższa różne rodzaje wyżarzania i normalizacji, zwiększając granicę wytrzymałości, granicę plastyczności, udarność i procentowe przewężenie.
Dla stali o średniej zawartości węgla 0,3-0,5%, którym stawiane są wysokie wymagania dotyczące udarności i granicy wytrzymałości, hartowanie i wyżarzanie są kluczowymi procesami. Zwiększają wytrzymałość materiału, zmniejszają podatność na koncentratory naprężeń i skłonność do powstawania pęknięć.
Rodzaje kruchości odprężającej
Chociaż podwyższanie temperatury wyżarzania w większości przypadków poprawia właściwości wyrobu, zdarzają się sytuacje, gdy prowadzi to do pogorszenia właściwości stopu. Metalurdzy wyróżniają dwa rodzaje kruchości odprężającej: niskotemperaturową (kruchość I rodzaju) i wysokotemperaturową (kruchość II rodzaju).
Kruchość niskotemperaturowa
Kruchość niskotemperaturowa pojawia się przy długotrwałym wygrzewaniu materiału w temperaturze +250…+350°C. Prędkość chłodzenia nie wpływa na ryzyko jej wystąpienia. Przyczyną jest nierównomierne rozmieszczenie węgla w sieci krystalicznej, co prowadzi do zniekształcenia struktury stopu i znacznego zwiększenia kruchości. Proces ten jest nieodwracalny i znacznie obniża właściwości eksploatacyjne stopu. Aby temu przeciwdziałać, stosuje się niskotemperaturowe lub średniotemperaturowe wyżarzanie.
Kruchość wysokotemperaturowa
Kruchość wysokotemperaturowa pojawia się w wyniku połączenia trzech czynników: nagrzewania stopu do temperatury powyżej +500°C, wysokiej zawartości Cr, Mn, Ni w stali oraz powolnego chłodzenia. Prowadzi to do nierównomiernego rozmieszczenia atomów węgla, chromu, manganu i niklu, co zaburza sieć krystaliczną stali. Problem nasila się podczas wygrzewania wyrobów w niebezpiecznym zakresie temperatur przez 8-10 godzin. Rozwiązaniem jest ponowne nagrzanie do określonej temperatury z szybkim chłodzeniem lub dodanie wolframu i molibdenu do stopu.
Podsumowując, wyżarzanie stali to proces kluczowy dla osiągnięcia optymalnych właściwości eksploatacyjnych wyrobów metalowych. Właściwy wybór reżimu wyżarzania i kontrola jego przebiegu pozwalają znacznie poprawić wytrzymałość, udarność i inne parametry stali, zapewniając długowieczność i niezawodność gotowych wyrobów.