Hání oceli: účel, fáze, typy

Žíhání je jedním z nejoblíbenějších druhů tepelného zpracování ocelí a slitin náchylných k technologickému zpevnění (například při plastické deformaci za studena). Tento proces se datuje stovky let do minulosti, jak dokládá etymologie samotného termínu, který pochází ze středoanglického „anelen“, což znamená podpálit, zapálit, upéct, ztvrdnout. Střední angličtinou se v Anglii mluvilo a psalo v letech 1150 až 1500 a zhruba od stejné doby jsou známy i slavné japonské katany (viz obr. 1), které byly nutně určeny k následnému zpracování.

Co je žíhání: definice a podstata

Operace není typem normalizace. Hlavním úkolem procesu tepelného zpracování je uvolnění vnitřních pnutí, zvýšení tažnosti a snížení tvrdosti materiálu. Tyto změny jsou důsledkem snížení počtu dislokací v krystalové struktuře žíhaného produktu. Žíhání hypereutektoidních ocelí se často provádí po kalení výrobku bez popouštění, aby se zabránilo křehkému porušení v důsledku přítomnosti vnitřních pnutí.

Změna těchto mechanických vlastností prostřednictvím takového tepelného zpracování je důležitá z mnoha důvodů:

1. Dochází ke zvýšení tvařitelnosti materiálu: tvrdé, křehké obrobky se obtížně ohýbají nebo stlačují bez zničení.
2. Dochází ke zlepšení obrobitelnosti ocelových dílů, což zvyšuje životnost nástroje a snižuje opotřebení.
3. Odstraní se zbytková pnutí, která mohou následně způsobit praskliny a jiná mechanická poškození celistvosti.

Proces využívá všechny ty materiály, jejichž strukturu a vlastnosti lze účinně měnit tepelným zpracováním. Jedná se především o oceli a tvářené slitiny hliníku s hořčíkem, zinkem apod. Zpracování litiny a slitin mědi je méně efektivní.

Operační proces

Proces se skládá ze tří hlavních fází:

• zotavení;
• namáčení (pro rekrystalizaci/rekrystalizaci);
• růst obilí.

Ve fázi regenerace se používá pec nebo jiný typ ohřívacího zařízení (viz obr. 2), schopné zahřát kov v určitém prostředí na teplotu, při které se zcela odstraní existující vnitřní pnutí, nežádoucí při obrábění.

Během fáze rekrystalizace se součásti vyrobené z uhlíkových a nerezových ocelí zahřívají na teplotu vyšší než je teplota rekrystalizace, ale pod teplotu tavení. To vede k tvorbě nových zrn, která již neobsahují vnitřní pnutí.

k čemu to je? Během růstu zrna jsou nové částice zcela transformovány. Dynamiku růstu lze řídit chlazením kovu při dané rychlosti.

Výsledkem těchto tří stupňů je výsledný obrobek, který má zvýšenou (oproti výchozím ukazatelům) tažnost a nižší tvrdost a jeho struktura se vlivem jevu homogenizace dostává do rovnováhy. Po žíhání lze v závislosti na konkrétních požadavcích použít další operace, které vedou ke změnám mechanických vlastností.

Režimy se dělí na úplné a neúplné (střední). První možnost již byla popsána, druhá se používá v procesu plastické deformace za studena kovů a slitin se sníženou tažností, např. středně uhlíkatých a vysokolegovaných ocelí, které mají sklon k mechanickému zpevnění. Žíhání je zahrnuto jako jeden z technologických přechodů v obecné posloupnosti přechodů ražení a může být provedeno několikrát. Účinnost přechodových přechodů je kontrolována časem celého výrobního cyklu součásti. Pokud je jednodušší použít kování za tepla spíše než kování za studena, pak se mezistupeň neprovádí.

• úplný;
• neúplný;
• rekrystalizace;
• difúze;
• izotermický.

Vizuální znázornění těchto typů je uvedeno v diagramu teplota-obsah uhlíku, viz Obr. 3:

Běžná použití pro žíhané kovy zahrnují:

• tvrzené materiály, jako je plech, který prošel procesem ražení nebo tyč tažená za studena;
• drát tažený za studena, který prochází deformací z většího příčného rozměru na menší;
• některé obráběcí operace, které jsou doprovázeny uvolňováním značného množství tepla nebo vedou ke smyku zpracovávaného materiálu;
• svarové spoje, ve kterých se vytvářejí významná zbytková napětí, což má za následek deformaci a potřebu znovu vytvořit jednotné fyzikální vlastnosti nebo makrostrukturu.

Metalografie procesu

Po žíhání se mění nejen fyzikální, ale i chemické vlastnosti obrobku. Zde záleží na rychlosti ochlazování, která závisí na typu žíhaných kovů. Například železné kovy (ocel, některé slitiny na bázi železa) při úplném, částečném, rekrystalizačním, difuzním a izotermickém žíhání se obvykle nechávají vychladnout na pokojovou teplotu na klidném vzduchu, zatímco měď, stříbro a mosaz lze chladit pomalu na vzduchu popř. rychle ochlazené uhasit ve vodě.

Zvýšení teploty materiálu za podmínek úplných a neúplných variant způsobuje změnu umístění atomů v mřížce. To pomáhá snížit celkový počet dislokací. Během procesu chlazení podléhá kov/slitina rekrystalizaci. Velikost zrn a jejich fázové složení jsou dány dobou trvání a intenzitou ohřevu a ochlazování. Ty zase určují konečné vlastnosti materiálu.

Dále prováděné lisování polotovarů za tepla nebo za studena druhotně mění krystalovou strukturu, kterou lze řídit podle úrovně požadovaných vlastností hotového výrobku.

Dynamika chování cementitu přítomného v oceli, stejně jako všechny deformace mřížky pohybující se v celém objemu, je znázorněna na Obr. 4 a vývoj mikrostruktury pro feritické oceli je znázorněn na Obr. 5.

Při znalosti složení kovu a fázového diagramu lze režim přiřadit tak, že tvrdost kovu klesá a snižuje se složitost přípravných operací před komplexní deformací. To zabraňuje křehkému lomu, zvyšuje míru využití kovu a snižuje zmetkovitost po lisování.

Výhody

Hlavním cílem operace je zvýšit teplotu ohřátého obrobku nad práh rekrystalizace a následně jej ochladit tak, aby materiál zůstal po určitou dobu na konstantní teplotě. To je nutné, aby obrobky prošly kompletní rekrystalizací a byl zcela dokončen nezbytný pohyb atomů.

Tento proces se používá k vytvoření součástí složitých tvarů, které by správně fungovaly. Zdá se, že se kov vrací do stavu blízkého jeho předzpracovanému stavu. Tento typ tepelného zpracování je důležitý pro zachování tažnosti a snížení tvrdosti po deformaci za studena. Některé kovy jsou navíc žíhány, aby se zvýšila jejich elektrická vodivost.

Operace může být také provedena na slitinách, přičemž částečné nebo úplné žíhání je jedinou metodou používanou pro slitiny, které nejsou přístupné tradičnímu tepelnému zpracování.

Výhody procesu žíhání jsou v tom, že zvyšuje zpracovatelnost materiálu a také jeho rázovou houževnatost a zároveň snižuje tvrdost a křehkost. Při zahřívání a následném ochlazování obrobků se zvyšuje zpracovatelnost kovu, lze zlepšit jejich magnetické vlastnosti.

Omezením procesu je doba jeho realizace, což se vysvětluje vlastnostmi tepelné setrvačnosti materiálu. V případě zvláště vysokých tolerancí kvality hotového výrobku dochází ke snížení teploty přirozeným způsobem, přičemž obrobky zůstávají uvnitř pracovního prostoru vypnuté pece, viz obr. 6:

Žíhání je tepelné zpracování oceli, aby se získala rovnovážná struktura. V kovoobrábění se používá několik typů žíhání, založených na ohřevu materiálu, ale konkrétní způsob, stejně jako volba teploty, závisí na jakosti oceli. Postup lze použít jako přípravnou nebo konečnou operaci při kalení, svařování, řezání nebo lisování výrobků.

Co je žíhání kovů a podstata metody

Během mechanického nebo tepelného zpracování oceli se její vnitřní struktura dostává do nerovnováhy v důsledku kombinace různých fázových složek v ní. Podle toho se mění chemické složení a krystalová struktura kovu, což vede i ke změně fyzikálních vlastností: tvrdosti, pevnosti, tažnosti a vnitřního napětí. Jednoduše řečeno, takový produkt není stabilní a často má vlastnosti, které nesplňují provozní požadavky. Zpracováním se jeho mikrostruktura vrátí do původního stavu, odstraní se vnitřní pnutí, materiál se stane plastičtějším a měkčím.

Tato technologie je jednou z metod tepelného zpracování a ve zjednodušené podobě se provádí podle následujícího schématu:

1. Obrobek se zahřeje na teplotu nad bodem austenitu.
2. Díl je udržován po určitou dobu v daném tepelném režimu.
3. V konečné fázi se ocel pomalu ochladí na pokojovou teplotu.

Výsledkem žíhání je uspořádání krystalické struktury oceli. Mění se tvar a velikost strukturních zrn, eliminuje se heterogenita chemického složení slitiny, eliminuje se vnitřní mechanická pnutí zajišťující fyzikální stabilitu součásti.

Tato technologie tepelného zpracování umožňuje:

• uvést vlastnosti kovu do souladu s požadavky dalšího zpracování kovů;
• zlepšit vlastnosti obrobku před obráběním;
• zabránit deformaci a odstranit vnitřní pnutí výrobků získaných odléváním nebo svařováním;
• obnovit původní kvalitu kovu po neúspěšném vytvrzení.

Primární tepelné zpracování žíháním je zaměřeno na odstranění vad, které vznikají na obrobku při procesu plechování, kování nebo protahování. Tento způsob obrábění kovů je také použitelný pro přípravu materiálu pro další kalení nebo obrábění na strojích. Konkrétní režim tepelného zpracování (teplota ohřevu, doba výdrže a rychlost chlazení) se volí na základě úkolu technologického procesu.

Oblasti použití a výhody technologie

Operace je zaměřena na zlepšení technologických vlastností obrobku nebo hotového výrobku. Použití této technologie v kovoobrábění poskytuje řadu výhod:

• Umožňuje snížit tvrdost obrobku. Díky tomu se snižuje čas a pracnost potřebná pro mechanické zpracování produktu. Zároveň se snižuje počet operací nutných pro finální přípravu dílu a výrazně se rozšiřuje seznam nástrojů používaných při obrábění kovů.
• Zlepšuje mikrostrukturu kovu. Vysokoteplotní expozice, trvající po určitou dobu, zlepšuje strukturu materiálu na mikroúrovni, dodává jednotnost, což má pozitivní vliv na náchylnost dílu k dalšímu obrábění.
• Uvolňuje vnitřní stres. V důsledku toho je eliminována heterogenita krystalické struktury oceli, díky čemuž se její fyzikální vlastnosti stávají předvídatelnými.
• Díky správné volbě teploty, doby výdrže a chlazení je zajištěno dosažení potřebných fyzikálních vlastností kovu v souladu s technickými požadavky.

Klíčovým faktorem je nejen čas a teplota, ale také správná volba metody. Záleží na typu slitiny, účelu výrobku a požadovaných vlastnostech.

Typy žíhání

Existuje několik metod, které se obvykle dělí na dva podtypy: první a druhý druh. Při žíhání 1. typu se neprovádí fázová rekrystalizace kovu, ale zároveň získává všechny potřebné kvality a odpadají i následky jeho mechanického zpracování. Žíhání 1. druhu zahrnuje následující způsoby ovlivnění:

• Homogenizace (difúze). Homogenizace se aplikuje na jakosti legované oceli a umožňuje snížit intragranulární heterogenitu. Provádí se zahřátím kovu na vysoké (až 1200 stupňů) teploty, výdrží 12–20 hodin, rychlým ochlazením na 800–820 stupňů a následným přirozeným ochlazením na vzduchu. V důsledku tepelného zpracování ocel získává hrubozrnnou strukturu, která je dále drcena mechanicky nebo jinými druhy tepelných účinků.
• Rekrystalizace. Tato metoda se používá pro zpracování ocelových polotovarů po procesu tváření za studena nebo mezi těmito procesy. V závislosti na obsahu uhlíku ve slitině je teplota ohřevu 680–700 stupňů (0,08–0,2 % uhlíku) nebo 680–750 stupňů (u slitin s vysokým obsahem uhlíku) a doba výdrže je 0,5–1,5 hodiny.
• Ke zmírnění vnitřního stresu. Výrobky získané odléváním, svařováním a plastickou deformací se zpracovávají podobným způsobem. Pro zmírnění pnutí při svařování se tepelné zpracování provádí při teplotách 650–700 stupňů.

Hlavním účelem žíhání typu 1 je snížení pevnosti a zvýšení elasticity, což usnadňuje další zpracování obrobku a zvyšuje spolehlivost a životnost výrobku.

Žíhání 2. typu je doprovázeno fázovou rekrystalizací oceli a zahrnuje následující metody:

• Úplné žíhání. Při této metodě se obrobek zahřeje o 30–50 stupňů nad kritickou teplotu, udržuje se a poté se pomalu ochladí. Výsledkem je, že ocel získává jednofázovou strukturu s jemnějšími zrny a získává zvýšenou houževnatost a tažnost. Aby byl kov chráněn před oxidací a oduhličením, provoz se provádí v ochranném prostředí. Rychlost ochlazování závisí na chemickém složení slitiny a je 100–150 stupňů za hodinu pro uhlíkové oceli nebo 40–60 stupňů za hodinu pro slitinové kovy. Tento způsob zpracování se obvykle používá u výrobků z dlouhých výrobků, tvarových odlitků a výkovků na bázi středně uhlíkatých ocelí.
• Neúplné žíhání. Tato metoda zahrnuje zahřátí oceli na 750–770 stupňů, ochlazení na 600 stupňů po dobu 2–2,5 hodiny a následné ochlazení na vzduchu. Metoda se aplikuje na podeutektoidní slitiny s obsahem uhlíku vyšším než 0,8 %, legované a uhlíkové oceli a poskytuje zlepšené zpracování kovů řezáním.
• Normalizace. Technicky jde o proces mezi žíháním a kalením, díky čemuž je kov méně křehký, ale tvrdší. Metoda normalizace tepelné expozice je široce používána ve strojírenství a často se provádí pomocí válcování. Profily válcované za tepla se obvykle žíhají vysokofrekvenčními proudy.
• Izotermické žíhání. Postup má mnoho společného s úplným žíháním, ale vyznačuje se zrychleným ochlazením obrobku na teplotu nižší, než je teplota potřebná k udržení rekrystalizace. To je výhoda metody – umožňuje zkrátit dobu tepelného zpracování oceli. Tento typ tepelného zpracování je použitelný pro výkovky a malorozměrové válcované výrobky z legovaných ocelí a používá se k přípravě drátu pro tažení za studena.

Při žíhání 2. typu ocelových obrobků se získá rovnovážná struktura, která zcela nebo částečně nahradí původní.

Vlastnosti žíhání neželezných kovů a slitin

Žíhání je jednou z nejběžnějších metod tepelného zpracování neželezných kovů a jejich slitin a používá se mnohem častěji než popouštění a kalení (nejsou obecně použitelné pro některé typy slitin). Rovněž chemicko-tepelné zpracování se pro neželezné kovy pro nedostatek praktického významu nepoužívá.

V metalurgii neželezných kovů a kovoobrábění má největší význam žíhání prvního druhu z několika důvodů:

• u velké skupiny neželezných slitin vede žíhání typu 2 k nekontrolované změně vlastností, což činí tento typ tepelného zpracování nepraktickým;
• v jednofázových mosazích, bronzech a elektrických slitinách niklu nedochází k žádným fázovým přeměnám v pevném stavu, což činí metodu typu 2 zásadně nepoužitelnou.

Nejpoužívanější typy tepelného zpracování žíháním pro neželezné kovy jsou:

• Difúze (homogenizace). Umožňuje vyrovnat chemickou mikroheterogenitu zrn a provádí se zahřátím obrobku na 450–520 stupňů, držením po dobu 4–40 hodin a ochlazením v peci nebo otevřenou metodou.
• Rekrystalizace. Zde je její uplatnění ještě širší než ve vztahu k ocelím. Zpracování se provádí při teplotě 300–500 stupňů s dobou výdrže 0,5–2 hodiny a pomalým chlazením.

Žíhání neželezných kovů a jejich slitin se používá v kovoobrábění za účelem úplného odstranění kalení, ke kterému dochází při procesu kalení a stárnutí materiálu.