Wyżarzanie (nauka o materiałach) - Annealing (materials science)

W metalurgii i inżynierii materiałowej , wyżarzanie jest obróbka cieplna , który zmienia właściwości fizyczne i chemiczne, czasami z materiału w celu zwiększenia jego plastyczności i zmniejszenia twardości , co sprawia, że bardziej realne. Polega na podgrzaniu materiału powyżej jego temperatury rekrystalizacji , utrzymywaniu odpowiedniej temperatury przez odpowiedni czas, a następnie schłodzeniu.

Podczas wyżarzania atomy migrują w sieci krystalicznej i liczba dyslokacji maleje, co prowadzi do zmiany ciągliwości i twardości. Gdy materiał się ochładza, rekrystalizuje. W przypadku wielu stopów, w tym stali węglowej, wielkość ziarna kryształu i skład fazowy, które ostatecznie decydują o właściwościach materiału, zależą od szybkości nagrzewania i szybkości chłodzenia. Obróbka na gorąco lub na zimno po procesie wyżarzania zmienia strukturę metalu, dlatego w celu uzyskania wymaganych właściwości można zastosować dalszą obróbkę cieplną . Wiedzy o składzie i wykresu fazowego , obróbka cieplna może być stosowana do regulacji z twardszych i bardziej krucha z bardziej miękkiego i bardziej plastyczny.

W przypadku metali żelaznych , takich jak stal , wyżarzanie polega na podgrzaniu materiału (na ogół do rozżarzania) przez chwilę, a następnie powolnym pozostawieniu go do ostygnięcia do temperatury pokojowej w nieruchomym powietrzu. Miedź , srebro i mosiężne może być albo powoli ochłodzono w powietrzu lub szybko przez hartowanie w wodzie. W ten sposób metal jest zmiękczany i przygotowywany do dalszych prac, takich jak kształtowanie, tłoczenie lub formowanie.

Termodynamika

Wyżarzanie następuje poprzez dyfuzję atomów w materiale stałym, dzięki czemu materiał zbliża się do stanu równowagi. Ciepło zwiększa szybkość dyfuzji, dostarczając energię potrzebną do zerwania wiązań. Ruch atomów powoduje redystrybucję i likwidację dyslokacji w metalach i (w mniejszym stopniu) w ceramice. Ta zmiana istniejących przemieszczeń umożliwia łatwiejsze odkształcanie się metalowego przedmiotu, zwiększając jego plastyczność.

Ilość energii swobodnej Gibbsa inicjującej proces w odkształconym metalu jest również redukowana przez proces wyżarzania. W praktyce i przemyśle to zmniejszenie swobodnej energii Gibbsa nazywa się odprężaniem .

Łagodzenie naprężeń wewnętrznych jest procesem termodynamicznie spontanicznym ; jednak w temperaturze pokojowej jest to bardzo powolny proces. Wysokie temperatury, w których następuje wyżarzanie, służą przyspieszeniu tego procesu.

Reakcja, która ułatwia powrót obrabianego na zimno metalu do stanu wolnego od naprężeń, ma wiele ścieżek reakcji, głównie obejmujących eliminację gradientów wakatu sieci w ciele metalu. Tworzenie wakatów w sieci jest regulowane przez równanie Arrheniusa , a migracja/dyfuzja wakatów w sieci rządzi się prawami dyfuzji Ficka.

W stali istnieje mechanizm odwęglania, który można opisać jako trzy różne zdarzenia: reakcję na powierzchni stali, dyfuzję międzywęzłową atomów węgla i rozpuszczanie węglików w stali.

Gradacja

Trzy etapy procesu wyżarzania, które przebiegają wraz ze wzrostem temperatury materiału, to: odzyskiwanie, rekrystalizacja i wzrost ziarna. Pierwszym etapem jest odzyskiwanie , a jego efektem jest zmiękczenie metalu poprzez usunięcie przede wszystkim defektów liniowych zwanych dyslokacjami oraz wywołanych przez nie naprężeń wewnętrznych. Odzyskiwanie następuje w niższych temperaturach wszystkich procesów wyżarzania i przed pojawieniem się nowych, wolnych od odkształceń ziaren. Wielkość i kształt ziarna nie ulegają zmianie. Drugim etapem jest rekrystalizacja , podczas której nowe, pozbawione naprężeń ziarna zarodkują i rosną, aby zastąpić te odkształcone przez naprężenia wewnętrzne. Jeśli pozwala się na kontynuowanie wyżarzania po zakończeniu rekrystalizacji, następuje wzrost ziarna (etap trzeci). Podczas wzrostu ziarna mikrostruktura zaczyna się chudnąć i może spowodować utratę przez metal znacznej części swojej pierwotnej wytrzymałości. Można to jednak odzyskać po utwardzeniu .

Atmosfery kontrolowane

Wysoka temperatura wyżarzania może powodować utlenianie powierzchni metalu, co prowadzi do powstawania kamienia. Jeśli trzeba unikać zgorzeliny, wyżarzanie przeprowadza się w specjalnej atmosferze , takiej jak gaz endotermiczny (mieszanina tlenku węgla , gazowego wodoru i gazowego azotu ). Wyżarzanie odbywa się również w gazie formującym , mieszaninie wodoru i azotu.

Te magnetyczne właściwości mumetal (rdzenie Espey) są wprowadzane przez wyżarzanie stopu, w atmosferze wodoru.

Konfiguracja i wyposażenie

Zazwyczaj do procesu wyżarzania stosuje się duże piece. Wnętrze pieca jest wystarczająco duże, aby umieścić obrabiany przedmiot w takiej pozycji, aby uzyskać maksymalną ekspozycję na krążące ogrzane powietrze. Do wyżarzania w dużych ilościach często stosuje się opalane gazem piece przenośnikowe. W przypadku dużych przedmiotów lub części o dużej ilości stosuje się piece z dnem samochodowym, dzięki czemu pracownicy mogą łatwo wnosić i wysuwać części. Po pomyślnym zakończeniu procesu wyżarzania przedmioty obrabiane są czasami pozostawiane w piecu, aby części chłodziły się w kontrolowany sposób. Podczas gdy niektóre przedmioty są pozostawiane w piecu do kontrolowanego schłodzenia, inne materiały i stopy są usuwane z pieca. Po wyjęciu z pieca przedmioty obrabiane są często szybko schładzane w procesie zwanym hartowaniem. Typowe metody hartowania materiałów obejmują media takie jak powietrze, woda, olej lub sól. Jako medium hartownicze stosuje się sól najczęściej w postaci solanki (słonej wody). Solanka zapewnia szybsze chłodzenie niż woda. Dzieje się tak dlatego, że gdy przedmiot jest hartowany w wodzie, na jego powierzchni tworzą się pęcherzyki pary, zmniejszając pole powierzchni, z którą styka się woda. Sól w solance ogranicza tworzenie się pęcherzyków pary na powierzchni obiektu, co oznacza, że ​​w kontakcie z wodą obiekt ma większą powierzchnię, co zapewnia szybsze chłodzenie. Hartowanie jest ogólnie stosowane do niektórych stopów żelaza, ale nie do stopów miedzi.

Wyżarzanie dyfuzyjne półprzewodników

W branży półprzewodników płytki krzemowe są wyżarzane, dzięki czemu atomy domieszek , zwykle boru , fosforu lub arsenu , mogą dyfundować do pozycji substytucyjnych w sieci krystalicznej, powodując drastyczne zmiany właściwości elektrycznych materiału półprzewodnikowego.

Cykle specjalistyczne

Normalizacja

Normalizacja to proces wyżarzania stosowany do stopów żelaza w celu nadania materiałowi jednorodnej, drobnoziarnistej struktury i uniknięcia nadmiernego zmiękczenia stali. Polega na podgrzaniu stali do 20–50 °C powyżej jej górnego punktu krytycznego, moczeniu jej przez krótki czas w tej temperaturze, a następnie pozostawieniu jej do schłodzenia w powietrzu. Ogrzewanie stali tuż powyżej jej górnego punktu krytycznego tworzy ziarna austenityczne (znacznie mniejsze niż poprzednie ziarna ferrytyczne), które podczas chłodzenia tworzą nowe ziarna ferrytyczne o jeszcze bardziej rozdrobnionym rozmiarze ziarna. Proces ten wytwarza twardszy, bardziej plastyczny materiał i eliminuje ziarna słupkowe oraz segregację dendrytyczną, która czasami występuje podczas odlewania. Normalizacja poprawia skrawalność elementu i zapewnia stabilność wymiarową w przypadku poddania go dalszym procesom obróbki cieplnej.

Wyżarzanie procesowe

Wyżarzanie proces, zwany również pośrednim wyżarzaniu , podkrytycznym wyżarzania , lub w procesie wyżarzania jest cykl obróbki cieplnej, który przywraca pewne ciągliwości do wyrobu, który jest zimny, pracuje więc może być dalej obrabiane na zimno bez złamania.

Zakres temperatur dla wyżarzania procesowego wynosi od 260 °C (500 °F) do 760 °C (1400 °F), w zależności od danego stopu. Proces ten nadaje się głównie do stali niskowęglowej. Materiał jest podgrzewany do temperatury tuż poniżej dolnej temperatury krytycznej stali. Stal obrabiana na zimno ma zwykle zwiększoną twardość i zmniejszoną ciągliwość, co utrudnia obróbkę. Wyżarzanie procesowe poprawia te właściwości. Odbywa się to głównie na stali walcowanej na zimno, takiej jak stal ciągniona, odlewana odśrodkowo rura z żeliwa sferoidalnego itp.

Pełne wyżarzanie

Pełne zakresy temperatur wyżarzania

Pełne wyżarzanie zwykle daje drugi najbardziej plastyczny stan, jaki metal może przyjąć dla stopu metalu. Jego celem jest stworzenie jednolitej i stabilnej mikrostruktury, która najbardziej przypomina mikrostrukturę diagramu fazowego metalu w równowadze, dzięki czemu metal uzyskuje stosunkowo niski poziom twardości, granicy plastyczności i wytrzymałości przy wysokiej plastyczności i ciągliwości. Na przykład, aby przeprowadzić pełne wyżarzanie stali, stal jest podgrzewana do temperatury nieco wyższej od temperatury austenitycznej i utrzymywana przez czas wystarczający, aby materiał mógł w pełni uformować strukturę ziarna austenitu lub austenitu-cementytu. Następnie materiał pozostawia się do bardzo powolnego schłodzenia, aby uzyskać mikrostrukturę równowagi . W większości przypadków oznacza to, że materiał może ostygnąć w piecu (piec jest wyłączony, a stal jest wpuszczana do środka), ale w niektórych przypadkach jest chłodzony powietrzem. Szybkość chłodzenia stali musi być dostatecznie wolna, aby austenit nie przekształcił się w bainit lub martenzyt , ale raczej aby całkowicie przekształcił się w perlit i ferryt lub cementyt . Oznacza to, że stale, które są bardzo utwardzalną (to mają tendencję do tworzenia martenzyt pod stopy umiarkowanie niskiej chłodzenia) musi być piec ochłodzono. Szczegóły procesu zależą od rodzaju metalu i konkretnego stopu. W każdym przypadku rezultatem jest bardziej plastyczny materiał, ale o niższej granicy plastyczności i niższej wytrzymałości na rozciąganie . Proces ten jest również nazywany wyżarzaniem LP dla perlitu płytkowego w przemyśle stalowym, w przeciwieństwie do wyżarzania procesowego , które nie określa mikrostruktury i ma jedynie na celu zmiękczenie materiału. Często materiał do obróbki jest wyżarzany, a następnie poddawany dalszej obróbce cieplnej w celu uzyskania końcowych pożądanych właściwości.

Wyżarzanie w krótkim cyklu

Wyżarzanie w krótkim cyklu służy do przekształcania zwykłego ferrytu w ferryt ciągliwy. Polega na ogrzewaniu, chłodzeniu, a następnie ponownym ogrzewaniu od 4 do 8 godzin.

Ogrzewanie rezystancyjne

Ogrzewanie rezystancyjne może być wykorzystane do skutecznego wyżarzania drutu miedzianego ; system grzewczy wykorzystuje kontrolowane zwarcie elektryczne . Może to być korzystne, ponieważ nie wymaga pieca z regulowaną temperaturą , jak inne metody wyżarzania.

Proces składa się z dwóch przewodzących krążków ( krążków krokowych ), przez które przechodzi drut po przeciągnięciu. Oba koła pasowe mają na sobie potencjał elektryczny , co powoduje zwarcie drutu. Efekt Joule'a powoduje wzrost temperatury drutu do około 400 °C. Na tę temperaturę wpływa prędkość obrotowa kół pasowych, temperatura otoczenia i przyłożone napięcie. Gdzie T jest temperaturą przewodu, K jest stałą, V jest napięciem stosowane, R jest liczbą obrotów kół na minutę, a t jest temperatura otoczenia ,

.

Stała K zależy od średnicy kół pasowych i rezystywności miedzi.

Czysto pod względem temperatury drutu miedzianego, wzrost prędkości drutu przez układ krążka ma taki sam efekt jak spadek rezystancji.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Praca dyplomowa, Wytwarzanie kabli oraz Badania ogólnego użytku i energii . Jorge Luis Pedraz (1994), UNI, Akta, Peru.
  • „Dynamiczne wyżarzanie drutu miedzianego przy użyciu kontrolowanego zwarcia”. Jorge Luis Pedraz (1999), Peru: Lima, CONIMERA 1999, INTERCON 99,

Linki zewnętrzne