Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie rekrystalizujące, zwane niekiedy zmiękczającym, ma na celu przywrócenie pierwotnych własności materiałowi odkształconemu. Zakres tem­peratur wyżarzania rekrystalizującego wiąże się ściśle z temperaturą rekrysta­lizacji. Wyznaczyć ją można na podstawie krzywych przedstawiających zmianę twardości w zależności od temperatury wygrzewania.

Rys.4.9. Zmiany twardości mosiądzu M68 w zależności od temperatury wygrzewania, wyznaczone dla próbek poddanych różnym odkształceniom. [12]

Krzywe takie dla mo­siądzu przedstawiono na rys. 4.9. Można przyjąć, że odcięte punktów prze­gięcia krzywych twardości określają temperaturę rekrystalizacji. Z rysunku tego widać, że temperatura rekrystalizacji maleje wraz ze wzrostem odkształ­cenia materiału. Rozpiętość tych temperatur jest znaczna, gdyż dla badanego zakresu odkształceń wynosi ponad 100°C.

Zwiększenie czasu wyżarzania powoduje obniżenie temperatury rekrysta­lizacji, jednakże wpływ ten jest dużo mniejszy niż wpływ odkształcenia. Obec­ność nawet bardzo małych ilości niektórych domieszek zmienia wyraźnie tem­peraturę rekrystalizacji. Wpływ ten nie jest jednak jednoznaczny.

Niektóre domieszki powodują obniżenie, inne natomiast podwyższenie temperatury re­krystalizacji.

Temperatura rekrystalizacji T_r jest związana również z temperaturą top­nienia Tt. Orientacyjnie przyjmuje się, że dla metali czystych temperatura rekrystalizacji T_r = 0,4 T_t  [K], natomiast dla stopów

T_r = 0,6 T_t [K].

Zakres temperatur wyżarzania rekrystalizującego rozciąga się od temperatur wyższych od temperatury rekrystalizacji o 50^oC – 150°C aż do temperatur bliskich temperatury rekrystalizacji wtórnej.

Ustalenie dolnej temperatury wyżarzania rekrystalizującego, wyższej od temperatury rekrystalizacji, ma na celu zapewnienie uzyskania półwyrobów o możliwie jednakowych własnościach mechanicznych. Prowadzenie wyżarza­nia w temperaturze za bardzo zbliżonej do temperatury rekrystalizacji może spowodować otrzymanie półwyrobów o znacznie różniących się własnościach, gdyż wskutek istniejącego rozrzutu temperatur w piecach przemysłowych moż­liwe jest, że pewna część przedmiotów będzie ogrzana do temperatur odpowia­dających gwałtownym zmianom własności mechanicznych materiału.

Również ze względu na możliwość wystąpienia dużych różnic w wielkości ziarna w półwyrobie nie należy stosować temperatur za bardzo zbliżonych do temperatury rekrystalizacji wtórnej.

Wyżarzanie rekrystalizujące może być stosowane wielokrotnie, ale nieko­niecznie po każdej operacji odkształcania.

Zależy to od wartości odkształcenia, jakiemu uległ materiał w poszczególnych operacjach obróbki plastycznej na zimno.

Zakresy temperatur rekrystalizacji i wyżarzania rekrystalizującego dla niektórych materiałów podano w tabeli 4.1.

TABELA.4.1.  Temperatury rekrystalizacji i wyżarzania rekrystalizującego dla kilku wybranych materiałów. [12]

Wyżarzanie rekrystalizujące to jeden z podstawowych procesów obróbki cieplnej metali, stosowany w celu przywrócenia im właściwości plastycznych utraconych w wyniku intensywnego odkształcenia na zimno. Proces ten polega na podgrzaniu uprzednio zgniotowanego metalu do odpowiednio wysokiej temperatury, utrzymaniu go w tej temperaturze przez określony czas, a następnie chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest inicjacja i rozwój procesu rekrystalizacji, czyli formowania się nowych, wolnych od naprężeń wewnętrznych ziaren, które zastępują zdeformowaną, zgniotowaną strukturę krystaliczną. Efektem tego procesu jest odbudowa struktury materiału, co prowadzi do zwiększenia jego plastyczności i obniżenia twardości.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się zazwyczaj po intensywnych operacjach plastycznych na zimno, takich jak walcowanie, ciągnienie, gięcie czy tłoczenie. W wyniku tych procesów w materiale nagromadzona zostaje znaczna liczba dyslokacji i innych defektów sieci krystalicznej, co prowadzi do znacznego wzrostu twardości i wytrzymałości na rozciąganie, ale jednocześnie do obniżenia ciągliwości i odporności na pękanie. Przeprowadzenie wyżarzania w odpowiednich warunkach pozwala usunąć te niekorzystne skutki, przywracając materiałowi jego zdolność do dalszego odkształcenia.

Proces wyżarzania rekrystalizującego przebiega etapowo. W pierwszym etapie, zwanym relaksacją naprężeń lub wyżarzaniem odprężającym, dochodzi do częściowego uporządkowania struktury wewnętrznej i usunięcia niektórych defektów. W drugim etapie zaczynają powstawać zarodki nowych ziaren w miejscach największego nagromadzenia energii wewnętrznej, czyli tam, gdzie koncentracja dyslokacji jest największa. Etap ten nazywany jest właściwą rekrystalizacją. Ostatecznie następuje wzrost ziaren, który trwa do momentu osiągnięcia równowagi energetycznej w strukturze materiału.

Temperatura wyżarzania rekrystalizującego zależy od rodzaju metalu, stopnia wcześniejszego odkształcenia, a także od składu chemicznego materiału. Zwykle przyjmuje się, że proces ten zachodzi w zakresie od 0,3 do 0,5 temperatury topnienia danego metalu (w skali Kelwina). Dla stali niskowęglowej typowa temperatura wyżarzania rekrystalizującego wynosi około 600–700°C, natomiast dla miedzi może być to już zakres 200–300°C. Czas utrzymywania w temperaturze również ma istotne znaczenie – zbyt krótki nie pozwoli na pełną rekrystalizację, zbyt długi może prowadzić do nadmiernego wzrostu ziaren, co niekiedy obniża wytrzymałość materiału i pogarsza jego inne właściwości użytkowe.

Ważnym aspektem jest także sposób chłodzenia po zakończeniu procesu. W większości przypadków stosuje się chłodzenie powietrzem, które zapewnia stopniowe obniżanie temperatury i umożliwia zakończenie procesów wewnętrznych bez powstawania nowych naprężeń. W niektórych przypadkach konieczne może być chłodzenie bardziej kontrolowane, zwłaszcza w przypadku metali o specyficznych wymaganiach dotyczących struktury końcowej.

Z technicznego punktu widzenia wyżarzanie rekrystalizujące może być przeprowadzane w piecach komorowych, taśmowych, tunelowych lub z wykorzystaniem metod indukcyjnych. Wybór technologii zależy od rodzaju i wielkości przetwarzanego materiału, a także od skali produkcji. W przemyśle metalurgicznym i maszynowym proces ten znajduje zastosowanie między innymi przy wytwarzaniu blach, prętów, drutów oraz elementów konstrukcyjnych wymagających dobrej ciągliwości i podatności na dalsze kształtowanie.

Z punktu widzenia inżynierii materiałowej wyżarzanie rekrystalizujące jest także wykorzystywane jako narzędzie do kontrolowania struktury ziarnistej metalu. Poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu możliwe jest uzyskanie materiału o drobnoziarnistej strukturze, co poprawia jego właściwości mechaniczne, takie jak granica plastyczności, wytrzymałość zmęczeniowa oraz odporność na kruche pękanie. Drobne ziarna zwiększają też odporność korozyjną oraz poprawiają spawalność metalu, co ma duże znaczenie w wielu gałęziach przemysłu.

Podsumowując, wyżarzanie rekrystalizujące to nieodzowny etap obróbki cieplnej metali, pozwalający na usunięcie skutków odkształcenia plastycznego na zimno oraz odbudowę pierwotnej struktury krystalicznej. Dzięki niemu możliwe jest przywrócenie materiałowi pożądanej plastyczności i obniżenie jego twardości, co otwiera drogę do dalszego kształtowania lub poprawy właściwości eksploatacyjnych. Zastosowanie wyżarzania rekrystalizującego w praktyce przemysłowej umożliwia produkcję komponentów o wysokiej jakości, jednorodnej strukturze i przewidywalnych parametrach użytkowych.