Wyżarzanie stali – kompleksowy przewodnik

Wyżarzanie stali to proces obróbki cieplnej który ma na celu uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury stali oraz poprawić właściwości mechaniczne stali (podobnie jak odpuszczanie). Proces wyżarzania stali obejmuje wiele odmian i technik, które pozwalają dostosować materiał do konkretnego zastosowania. Rodzaj stali obrabianych jest bardzo szeroki podobnie jak znaczenie wyżarzania stali.

Obróbki wyżarzania przeprowadzane są w kilku etapach. Pierwszy to nagrzanie materiału do odpowiedniej temperatury, odpowiednia temperatura jest następnie utrzymywana przez określony czas wygrzewania, kolejny etap polega na powolnym chłodzeniu, najczęściej w piecu. Wyżarzanie stali zyskuje na znaczeniu w procesach przemysłowych, ponieważ poprawia właściwości stali w tym plastyczność stali, wytrzymałość na pękanie, umożliwia uzyskanie jednorodnej struktury, redukuje naprężenia wewnętrzne oraz przygotowuje materiał na dalsze procesy obróbki mechanicznej.

Znaczenie wyżarzania stali w przemyśle

Znaczenie wyżarzania stali i zastosowania przemysłowe są szerokie. Proces wyżarzania polega na homogenizacji struktury, czego rezultatem jest poprawa właściwości mechanicznych: wytrzymałości, plastyczności oraz odporności na ścieranie. Wyżarzanie stali obejmuje także usuwanie naprężeń wewnętrznych oraz eliminację wad jakich struktura stali nabrała przez wcześniejsze procesy obróbki jak odlewanie, spawanie, obróbka plastyczna.

Proces wyżarzania stali

Proces wyżarzania stali przebiega w kilku etapach: nagrzanie materiału do odpowiedniej temperatury, temperatura obróbki cieplnej utrzymywana jest przez wymagany czas wygrzewania oraz powolne chłodzenie. Temperatura wyżarzania obejmuje szeroki zakres od 500 do ponad 1200°C, w zależności od rodzaju stali. Proces wyżarzania stali wymaga dokładnego przestrzegania parametrów jak opis temperatury, szybkość chłodzenia, by osiągnąć oczekiwane rezultaty.

W każdym procesie znaczenie mają aspekty wyżarzania stali:

• Odpowiednia temperatura wyżarzania,
• Czas wyżarzania dostosowany do wielkości i rodzaju materiału,
• Powolne chłodzenie, zapewniające kontrolę przemian fazowych.

Zakres temperatury oraz stosowane gazy osłonowe , odpowiedni czas wygrzewania, sprzęt do wyżarzania (piec, gazy osłonowe) decydują o skuteczności procesu i ustalają właściwości stali.

Rodzaje obróbek wyżarzania

Istnieją różne rodzaje wyżarzania, każdy o specyficznych celach i zastosowaniach. Należy dobrać odpowiedni proces wyżarzania do projektowanego zastosowania stali wyżarzanej. Wyżarzanie stali zależy także od gatunku stali, istotne są również inne aspekty wyżarzania stali. Techniki wyżarzania obejmują:

Wyżarzanie ujednorodniające

Wyżarzanie ujednoradniające prowadzone jest gdy celem jest homogenizacja struktury mikroskopowej. Wyżarzanie ujednorodniające – ten rodzaj wyżarzania polega na podgrzaniu materiału do ok. 1200°C, wyżarzaniu przy tym poziomie temperatury, a następnie szybkim studzeniu. Ze względu na podwyższanie temperatury wyżarzania zachodzą przemiany alotropowe a wyżarzanie ujednorodniające to wysokotemperaturowe wyżarzanie stali. Wyżarzanie ujednorodniające stosowane jest do odlewów i gdy element przeszedł wcześniejsze procesy obróbki plastycznej. Ta obróbka wyżarzania rozpuszcza wtórne fazy jak cementyt kulisty, eutektyki itp.

Wyżarzanie zupełne

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali do temperatury powyżej poziomu gdy osiągana jest temperatura eutektoidalna i bardzo powolnym chłodzeniu najpierw w piecu, potem na wolnym powietrzu aż uzyskana zostanie temperatura pokojowa. Wyżarzanie zupełne stosowane jest dla szerokich odmian stali: stale podeutektoidalne, stale nadeutektoidalne, oraz do stali stopowych w celu uzyskania jednorodnej struktury. Odmiana wyżarzania zupełnego umożliwia przygotowanie stali do dalszej obróbki cieplnej (np. hartowanie, nawęglanie, odpuszczanie). Wyżarzanie zupełne stosowane jest także do obniżenia twardości stali, poprawia właściwości plastyczne stali, ułatwia procesy obróbki mechanicznej. Wyżarzanie zupełne polega na takiej obróbce by uczynić stal maksymalnie miękką i łatwą do formowania. Wyżarzanie zupełne stosowane stosowane jest w naszej Hartowni.

Wyżarzanie izotermiczne

Wyżarzanie izotermiczne – to wyżarzanie przeprowadza się gdy stal nagrzana charakteryzuje temperatura nieco niższa (900-1100°C). Następne etapy wyżarzania stali to chłodzenie izotermiczne a temperatura zbliżona jest do ok. 550°C. Wynik wyżarzania stali jest tu podobny jaki daje odmiana wyżarzania zupełnego. Wyżarzanie izotermiczne stosowane jest do stali stopowych, pozwala obrabiać stale nadeutektoidalne i stale podeutektoidalne, w jego wyniku dostajemy mniejszą twardość i lepszą obrabialność niż daje wyżarzanie zupełne stosowane do stali. To również jest wysokotemperaturowe wyżarzanie stali.

Wyżarzanie normalizujące

Proces normalizowania stali polega na nagrzaniu jej o 30-50°C powyżej temperatury w której osiągana jest temperatura przemiany austenitycznej i powolnym chłodzeniu w powietrzu aż osiągnięta zostanie temperatura pokojowa, co pozwala na uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej. Proces normalizowania stali stosowany jest do stali konstrukcyjnej bo poprawia wytrzymałość stali. Stali normalizowanej używa się w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych więc proces normalizowania stali oferuje wielu dostawców.

Wyżarzanie stabilizujące

Wyżarzanie stabilizujące to specjalny proces obróbki cieplnej stali, szczególnie stali nierdzewnych. Cel wyżarzania to min. zapobieganie korozji międzykrystalicznej której ulega mikrostruktura stali, poprawa właściwości stali jak plastyczność stali, wytrzymałość na pękanie. Proces wyżarzania polega na podgrzaniu stali do temperatury 900°C, wygrzaniu przez kilka godzin i szybkim schłodzeniu w wodzie lub powietrzu. W tej odmianie obróbka cieplna stali stopowych ważna jest krytyczna szybkość chłodzenia.

Wyżarzanie sferoidyzujące

Wyżarzanie sferoidyzujące  lub zmiękczające zachodzi w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej (temperatura wyżarzania obejmuje 650 – 800°C). Najpierw przeprowadza  się wygrzewanie, a następnie bardzo powolne schładzanie. Wyżarzanie przeprowadza się czasami jako kilkukrotne cykliczne nagrzewanie i chłodzenie. Jego wynikiem jest podniesienie obrabialności elementu.

Wyżarzanie rozpuszczające

Wyżarzanie rozpuszczające (wyżarzanie w celu rozpuszczenia wydzieleń) – obróbka wyżarzania rozpuszcza niepożądane fazy wtórne (np. węgliki, fazy międzymetaliczne) w osnowie metalicznej przez ich podgrzanie aż osiągnięta zostanie temperatura rekrystalizacji (temperatura wyżarzania obejmuje 700 – 800°C) i następnie szybkie chłodzenie wodą lub powietrzem (ważna jest krytyczna szybkość chłodzenia). To obróbka cieplna materiału: stali nierdzewnych i stopów aluminium. Obróbka wyżarzania rozpuszcza fazy międzymetaliczne.

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali poniżej temperatur krytycznych, celem usunięcia naprężeń wewnętrznych powstałych w wyniku obróbki plastycznej lub cieplnej: spawania, gięcia, czy formowania. Proces wyżarzania polega najpierw na grzaniu elementu. Temperatura wyżarzania obejmuje około 500-650°C. Kolejne etapy wyżarzania stali to chłodzenie, czas wyżarzania odprężającego jest długi, a chłodzenie wolne często, w samym piecu, by zminimalizować ryzyko powstania nowych naprężeń.

Odmiana wyżarzania odprężającego szczególnie istotna dla konstrukcji dotyczy spoin. Wyżarzanie odprężające polega na podgrzaniu spoiny przez odpowiedni czas wygrzewania. Odmiana wyżarzania odprężającego może być częściowa lub całkowita. Odmiana wyżarzania odprężającego częściowa polega na podgrzaniu miejscowym spoiny i jej okolic za pomocą urządzeń grzejnych gazowych lub elektrycznych. Odmiana wyżarzania odprężającego całkowita to poddanie całej konstrukcji ogrzewaniu do określonej temperatury w specjalnie przystosowanych piecach i krytyczna szybkość chłodzenia. Wyżarzanie przeprowadza dla przedłużenia żywotności i utrzymania wymiarów komponentów.

Wyżarzanie rekrystalizacyjne

Wyżarzanie rekrystalizacyjne to proces obróbki cieplnej stosowany głównie po odkształceniu plastycznym na zimno (np. walcowaniu, ciągnieniu, gięciu), którego celem jest usunięcie stref zgniotu oraz większa wytrzymałość stali i plastyczność stali. Odmianą tego wyżarzania jest wyżarzanie procesowe. Wyżarzanie procesowe stosowane jest w toku produkcji, między kolejnymi etapami obróbki plastycznej na zimno. Usuwa ono naprężenia wewnętrzne i poprawia wytrzymałość na pękanie.

Wysokotemperaturowe wyżarzanie stali

Wysokotemperaturowe wyżarzanie stali odbywa się w temperaturze powyżej 900°C i obejmuje aspekty wyżarzania stali omówione powyżej, głównie istotna jest poprawa mikrostruktury stali. Ten rodzaj wyżarzania polega zwykle na grzaniu elementów w piecach.

Sprzęt do wyżarzania stali

Nowoczesny sprzęt do wyżarzania umożliwia precyzyjną kontrolę temperatury, zapewniając że temperatura wyżarzania mieści się w zadanych granicach, kontrolę atmosfery procesowej (gazy osłonowe) oraz prędkości chłodzenia. W Hartowni Łódź stosujemy piece elektryczne oraz systemy monitoringu procesu, zapewniając jakość każdego wyżarzanego detalu i kontrolując etapy wyżarzania stali .

Wyżarzanie oporowe

Wyżarzanie oporowe – rodzaj wyżarzania polega na tym że ciepło potrzebne do nagrzania materiału powstaje wskutek przepływu prądu elektrycznego przez przewodzący materiał (czyli sam obrabiany metal). Zmieniając parametry prądu wprowadzamy podwyższanie temperatury wyżarzania.

Wyżarzanie piecowe

Wyżarzanie piecowe to najczęściej stosowana metoda wyżarzania, obejmuje każdy rodzaj stali. Proces wyżarzania polega na nagrzewaniu materiału w piecu grzewczym do określonej temperatury, wygrzewaniu go przez odpowiedni czas i powolnym lub kontrolowanym chłodzeniu. Zaletą jest stosunkowo proste podwyższanie temperatury wyżarzania, zapewnienie że temperatura wyżarzania mieści się w odpowiednim zakresie. W piecach osiągana jest zwykle wyższa temperatura niż w innych metodach, łatwiej utrzymać krytyczny zakres temperatur. W piecach mogą być stosowane gazy osłonowe. Zadawanie i opis temperatury dzięki automatyce jest prosty, a temperatura otoczenia nie wpływa na proces dzięki izolacji pieca. Piece pozwalają stosować różne rodzaje wyżarzania, a także na inne operacje jak odpuszczanie

Wyżarzanie indukcyjne

Wyżarzanie indukcyjne to proces obróbki cieplnej, w którym stal (lub inny metal) jest nagrzewana za pomocą prądu indukcyjnego – czyli ciepło powstaje wewnątrz materiału na skutek indukowania w nim prądów wirowych. Wyżarzanie indukcyjne jest szybkie, precyzyjne, ograniczone miejscowo. Co pozwala stosować miejscowe rodzaje obróbek wyżarzania. Łatwo uzyskać temperatury krytyczne i poniżej temperatur krytycznych, a wyższa temperatura aplikowana jest miejscowo. regulując parametry prądu wprowadzamy podwyższanie temperatury wyżarzania.

Wyżarzanie próżniowe

Wyżarzanie próżniowe to proces wyżarzania stali, przeprowadzany w piecu próżniowym, czyli w środowisku o obniżonym ciśnieniu (próżni technicznej lub wysokiej). Celem jest uniknięcie utleniania i zanieczyszczenia powierzchni oraz uzyskanie bardzo czystych, jednorodnych właściwości metalu co poprawia wytrzymałość stali. Piec próżniowy pozwala uzyskać krytyczny zakres temperatur, stosować gazy osłonowe, możliwa jest obróbka cieplna stali stopowych. Temperatura wyżarzania mieści się w zadanych granicach

Inny sprzęt do wyżarzania

Układy chłodzenia – wentylatory, chłodnice wodne (do kontrolowanego chłodzenia po wyżarzaniu). Obsługują etapy wyżarzania stali obejmujące chłodzenie: osiągana jest krytyczna szybkość chłodzenia, temperatura celu uzyskania jest prosta do ustawienia,

Podsumowanie

Znaczenie wyżarzania stali w obecnym przemyśl jest nie do przecenienia. Ten proces obróbki cieplnej jest kluczowym elementem procesów obróbki cieplnej. Odpowiednio przeprowadzony proces wyżarzania stali zapewnia poprawę właściwości mechanicznych, strukturę wolną od naprężeń i przygotowanie materiału do dalszych zastosowań przemysłowych. W Hartowni Łódź realizujemy wszystkie rodzaje rodzaje obróbek wyżarzania, dostosowując je do indywidualnych potrzeb klienta. Posiadamy nowoczesny sprzęt do wyżarzania.

Oferujemy hartowanie, odpuszczanie, proces normalizowania stali, wyżarzanie odprężające polega na usuwaniu naprężeń, realizowana jest odmiana wyżarzania zupełnego, inne obróbki.