Tone Razinger, dipl. inž. Železarna Jesenice DK: 621.784.39 ASM/SLA: J23 Uvajanje postopka mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem v industrijskih žarilnih pečeh Za mehko žarenje nizko legiranih orodnih jekel, jekel za poboljšanje ter jekel za kvalitetne vijake v industrijskih pečeh, kontinuirnih in stacionarnih, smo uvedli postopek žarenja s kontinuiranim ohlajenjem. Prednosti tega postopka pred izotermnim žarenjem so v tem, da dosežemo zahtevano trdoto jekla ter visoko stopnjo koagula-cije cementita ob boljšem razmešanju strukturnih komponent, v krajšem času. Poboljša se nam torej kvaliteta jekla ter poviša storilnost žarilnih peči. 1. UVOD Orodna jekla ter jekla za poboljšanje v vroče valjanem stanju navadno niso takoj primerna za nadaljno predelavo v hladnem, ker so pretrda in nimajo ugodne mikrostrukture. Jekla imajo v vroče valjanem stanju zelo neenakomerno mikrostruk-turo po preseku. Odvisna je od vrste jekla, dimenzije valjancev, pogojev vročega valjanja in ohlajevanja po valjanju. Da bi bilo mogoče jeklo hladno predelati, ga je torej potrebno ustrezno toplotno obdelati. Predelava v hladnem obsega: obdelavo z odrezovanjem (s tvorbo odrezka) plastično preoblikovanje (brez tvorbe odrezka). Obdelava jekla z odrezovanjem zahteva zadovoljivo vzdržnost rezalnega orodja, plastično preoblikovanje pa veliko plastičnost jekla. V zadnjem desetletju zaznavamo v obdelovalni tehniki tendenco zamenjati preoblikovanje v vročem stanju ter obdelavo z odrezovanjem s plastičnim preoblikovanjem v hladnem stanju z velikimi pritiski in globokim vlečenjem. To ugotovitev potrjuje hitro naraščanje proizvodnje strojev za plastično preoblikovanje v hladnem, hkrati s tem pa tudi velika aktivnost znanstveno raziskovalnega dela na tem področju. Pri obeh načinih predelave v hladnem se primarno zahteva nizka trdnost jekla. Izkušnje pri predelavi jekel kažejo, da je oblika mikrostrukture za obnašanje jekel pri predelavi v hladnem bolj pomembna kakor nizka trdnost. Mikrostruktura toplotno obdelanega jekla je sestavljena iz ferita in karbidov. Karbidi so lahko v obliki lamel ali kroglic. V splošnem pa velja: čim večja je razdalja med karbidi, tem bolj odprta je struktura in jeklo je mehkejše. Lamelami perlit je normalni produkt transformacije avstenita nizko in srednje legiranih jekel. Čim višja je temperatura transformacije, tem bolj grobe so lamele perlita in jeklo je mehkejše. Kljub nizki trdoti pa je lamelama oblika cementita lahko vzrok razpokam, ki se pojavljajo že pri relativno ostrejši hladni deformaciji jekla. Pri obdelavi jekla z odrezovanjem ima lamelama oblika cementita sicer ugoden vpliv na kvaliteto površine obdelo-vancev, vendar pa je obraba rezalnega orodja večja kot pri obdelavi z odrezovanjem jekel, ki imajo krogličasto obliko cementita. Iz navedenih vzrokov lahko v splošnem zaključimo, da je lamelama oblika cementita neprimerna za hladno predelavo orodnih jekel ter jekel za poboljšanje, kjer se zahteva visoka plastičnost ali pa dobra obdeloval-nost jekla z odrezovanjem.1 Pri teh jeklih je torej potrebno s toplotno obdelavo vroče valjanega jekla doseči nizko trdoto s krogličasto obliko cementita. Postopek toplotne obdelave, ki vodi h krogličasti obliki cementita, imenujemo mehko žarjenje. Uspeh mehkega žarjenja se ocenjuje z doseženo trdoto ter deležem koaguliranega cementita. Najstarejši in najenostavnejši postopek mehkega žarjenja je izotermno žarjenje jekla, in sicer pri temperaturah pod kritično točko Acj (si. 3 a). Uspeh tega žarjenja je zelo odvisen od izhodne mikrostrukture jekla. Ta postopek mehkega žar- Slika 1 Mikrostruktura jekla č 4146 v vroče valjanem stanju jenja je posebno primeren za žarjenje jekel z mar-tenzitno, bainitno ali sorbitno strukturo ali pa za jekla v hladno predelanem stanju. Orodna jekla ter jekla za poboljšanje pa imajo v vroče valjanem stanju zelo neenakomerno mikrostrukturo, srednje do grobo lamelarnega perlita. Za koagulacijo tako oblikovanega cementi ta z izotermnim žarjenjem so potrebni zelo dolgi časi. Po mehkem žarjenju ostanejo karbidi neenakomerno porazdeljeni po preseku, saj v tem primeru ne pride do razmešanja strukturnih komponent (si. 2). Čas Slika 3 Shema postopkov mehkega žarjenja jekla Ker poteka mehko žarjenje po hitri metodi na različnih temperaturnih nivojih, so za mehko žarjenje obravnanih jekel najbolj primerne večconske kontinuirne žarilne peči.6 Vendar pa je mogoče hitre metode uporabiti tudi za mehko žarjenje jekel v stacionarnih žarilnih pečeh. 2. TEORETIČNE OSNOVE 2.1 Perlitska premena na globularni cementit Iz dosegljivih virov posnemamo naslednjo teoretično razlago perlitne premene na globularni cementit. Med ogrevanjem se v jeklu postopoma vršijo naslednje pretvorbe: 1. začetek premene ferita v avstenit na kritični temperaturi Acj. 2. začetek topnosti karbidov v avstenitu — hete-rogeni avstenit 3. konec premene ferita v avstenit na temperaturi Ac3 4. konec topnosti karbidov v avstenitu — homogeni avstenit 850 Slika 2 Mikrostruktura jekla C 1430 po izotermnem žarjenju x 500 Iz navedenih razlogov je torej postopek izo-termnega žarjenja za mehko žarjenje orodnih jekel ter jekel za poboljšanje neekonomičen in za mnoge svrhe uporabe jekla, kjer se zahteva enakomerna porazdelitev strukturnih komponent, tudi neprimeren. Že leta 1925 sta Korber in Koster predlagala »hitro metodo« mehkega žarjenja orodnih jekel ter jekel za poboljšanje. Bistvo te metode je v tem, da se jeklo za kratek čas ogreje nad kritično temperaturo Ac, ter nato iz te temperature počasi ohlaja. Različne variante te metode mehkega žarjenja lahko združimo v dva postopka, ki sta she-matsko prikazana na si. 3. 800 e. 0 k. a, 1 700 0.5% avstenit \ \ \ \ \ homo \ avste \ geni nit j \ / \ avste \ / V \ 5 % \ nit \ \ \ \ \ \ avstenit z s \ X \ \ \ \ \ \ \ avstenit in preostali karbidnimi snehomogeno \ \ \ \ N. strni 'v \ \ 0 karbidi \ O s \ > it,avstenit in stali karbidi N \ S. V \ perlit \preo AC1 .. . i 10 100 lOOOs i5min lh Čas Slika 4 Pretvorba perlita v avstenit pri evtektoidnem jeklu Na sliki 4 so razvidne vse faze pretvorbe perlita v avstenit v evtektoidnem jeklu (0,78 % ogljika) v odvisnosti od temperature ogrevanja ter časa držanja na temperaturi. tis t nr Osnovni pogoj, ki odloča o obliki cementita po končanem žarjenju, je iskati v začetnih pogojih žarjenja, t. j. v obliki kali v osnovni strukturi. Dokazano je bilo namreč naslednje2: če so kali orientirane in imajo obliko lamel ali diskov, je tudi cementit po žarjenju v obliki lamel; če pa imajo kali krogličasto ali ovalno obliko, pa ima tudi cementit po žarjenju ovalno obliko. Jasno je, da obstaja tudi stanje, ko sta prisotni obe vrsti kali. Pogoji za razvoj omenjenih kali so podani s stanjem izhodne strukture, iz katere se jeklo počasi ohlaja. Medtem, ko v homogenem avstenitu nastanejo orientirane kali le na mejah avstenitnih zrn, pa so v heterogenem avstenitu kali že prisotne, tako na mejah avstenitnih zrn kakor tudi znotraj le-teh. V heterogenem avstenitu nastopajo tako kot kali neraztopljeni karbidi kakor tudi lokalne nehomogenosti ogljika na mestih raztopljenih karbidov. Če izhajamo iz stanja, ki pogojuje tvorbo samo globularnega cementita in ogrevamo jeklo v smeri stanja, ki pogojuje tvorbo samo lamelarnega cementita, bo rezultirajoča struktura samo globular-ni cementit le do neke spodnje kritične meje, pri kateri količina prisotnih kali v heterogenem avstenitu ne pade pod neko spodnje kritično število. V kolikor pa je homogenizacija avstenita večja in je količina prisotnih kali v keterogenem avstenitu pod spodnjim kritičnim številom, nastajajo v avstenitu področja, v katerih niso dani pogoji za tvorbo globularnega cementita. Globularni cementit se izloča le do neke zgornje kritične meje. Nad zgornjo kritično mejo rezultira po ohlajevanju samo lamelami cementit. 2.2 Postopek mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem Celotni postopek mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem je potrebno obravnavati po posameznih fazah, ki ga sestavljajo. Vodenje vsake od teh faz pa je odviso od kemične sestave jekla, ki ga mehko žarimo. Shematično je obravnavani po- Ta Tp 0 1 th I Ta J Acl -—p-f TH \ \ \ \ \ \ \ \ i 'P ta th hitro ohlajanje to oredgr avsteni-tizacija poč. ohlajanje ogrevanje C as Slika 5 Shema postopka mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajenjem stopek žarjenja s kontinuirnim ohlajevanjem predstavljen na sliki 5. Karakteristike posameznih faz žarjenja so naslednje: 2.2.1 Temperatura avstenitizacije (TA) Stopnja heterogenosti avstenita je odvisna od temperature avstenitizacije jekla. Jeklo je treba ogreti na temperaturo, ki leži pod spodnjo kritično mejo. Pri teh temperaturah ostane namreč velika količina karbidov neraztopljena. Proces, ki se odvija na tej temperaturi, sestoji iz raztapljanja finih karbidov ob istočasni rasti grobih karbidov zaradi izločanja iz nasičenega avstenita.2 Rast večjih karbidov se lahko pospeši s prehodnim žarje-njem na temperaturi, ki leži pod kritično temperaturo Ac, (Tp). To fazo žarjenja imenujemo predgrevanje.1 čim nižja bo temperatura avstenitizacije, tem bolj bomo oddaljeni od pogojev, ki so podani s spodnjo kritično mejo. Globule cementita bodo sicer v pribitku, vendar pa bodo v strukturi mehko žarjenega jekla gnezda z nedokončano koa-guliranim cementitom. Nobena še tako majhna hitrost ohlajevanja ne zadostuje za nastanek koaguliranega cementita, če ni zadovoljive velikosti in porazdelitve kali v osnovni strukturi jekla pred pričetkom ohlajevanja. 2.2.2 Trajanja avstenitizacije (ta) Če žarimo jekla v najugodnejšem temperaturnem območju avstenitizacije, ima trajanje avstenitizacije na homogenizacijo avstenita podoben vpliv kot znižanje ali zvišanje temperature avstenitizacije. Kljub temu pa dolgo zadrževanje na nižjih temperaturah avstenitizacije ne da ugodnih rezultatov, ker v jeklu ni potrebnega števila kali. 2.2.3 Ohlajanje iz temperature avstenitizacije Pogoje ohlajevanja iz temperature avstenitizacije določa oblika TTT diagramov za določeno vrsto jekla, ki jo žarimo. Pogoji ohlajevanja so podani z: a) optimalno hitrostjo ohlajevanja b) minimalno temperaturo, do katere se jeklo počasi ohlaja (TH) Da bi dosegli naj mehkejšo strukturo, je potrebno pretvorbo heterogenega avstenita končati pri čim višjih temperaturah. Visoka temperatura transformacije pa je pogojena z nizkimi ohlajeval-nimi hitrostmi. Za prakso je primerno, da izberemo takšno temperaturo transformacije, ki jo dosežemo v doglednem času. Najbolj pogosto se izvrši transformacija s kontinuirnim ohlajanjem. Mogoče pa je tudi stopničasto ohlajevanje z izotermnimi žarjenji na različnih temperaturnih nivojih. Če je temperatura transformacije enaka, sta si oba načina ohlajevanja ekvivalentna. Po pričetku ohlajevanja je ugodno jeklo podhladiti4. S tem se poveča število kali, kar med razpadanjem avstenita ugodno vpliva na tvorbo koaguliranega cementita. 3. EKSPERIMENTALNO DELO V LABORATORIJU Da bi lahko uvedli »hitre metode« za mehko žarjenje orodnih jekel ter jekel za poboljšanje v industrijskih žarilnih pečeh, je bilo potrebno izvršiti številne laboratorijske poizkuse. Za posamezne kvalitetne grupe jekel so bili na osnovi TTT diagramov5 ter dilatometrične preiskave kritičnih premenskih točk izdelani poizkusni programi žarjenja, po katerih smo žarili vzorce jekla v laboratorijski programski peči, ki je prikazana na sliki 6 . Slika 6 Laboratorijska programska žarilna peč Namen teh preiskav je bil ugotoviti optimalne pogoje v posameznih fazah žarjenja, kar naj bi, upoštevajoč specifične zahteve posameznih kvalitet jekel, vodilo k optimalni storilnosti industrijskih žarilnih peči. Posebno pozornost smo posvetili tudi združevanju režimov žarjenja za posamezne grupe jekel. Minimalno število ciklusov žarjenja je namreč eden izmed osnovnih pogojev za dosego optimalne storilnosti peči. S poizkusnimi programskimi žarjenji v laboratorijski žarilni peči smo študirali optimalne cikluse za mehko žarjenje orodnih jekel, jekel za kvalitetne vijake ter nizko legiranih konstrukcijskih jekel za poboljšanje. Problematika osvajanja mehkega žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajevanjem je za posamezne obravnavane kvalitetne grupe jekel naslednja: 3.1 Orodna jekla Z mehkim žarjenjem orodnih jekel je treba doseči čimbolj popolno sferoidizacijo karbidov, ob predpisani zrnatosti karbidnih zrn. Orodna jekla moramo torej sferoidizacijsko žariti.4 Pri naših poizkusih smo obravnavali predvsem problematiko sferoidizacijskega žarjenja nizkolegi-ranih orodnih jekel (legirano s Cr, Cr-V, Cr-W-V). jekel. Vsa ta jekla imajo glede premenskih točk veliko skupnega, kar zelo olajša sestavljanje enotnega ciklusa za sferoidizacijsko žarjenje obravnavanih jekel. Te skupne točke so: a) jekla vsebujejo karbidotvorne elemente Cr, W, V, ki tvorijo v jeklu stabilne karbide, kar zvišuje spodnjo kritično mejo; b) kritične premenske točke ležijo zelo skupaj; tudi višina temperature kritičnih točk je za vsa obravnavana jekla približno enaka. c) vsa ta jekla imajo zelo podoben potek TTT krivulj v zgornjem perlitnem območju, ki je pomembno za sferoidizacijsko žarjenje. Karakteristično obliko TTT diagrama lahko prestavimo z diagramom za orodno jeklo za 1 % C in 1,5 % Cr (slika 7). Slika 7 TTT krivulja za orodno jeklo 1 % C in 1,5 % Cr Na sliki 7 so s prekinjenimi črtami vrisane tudi krivulje za kontinuirno ohlajevanje iz temperature Acj. S križki so označene temperature, kjer se pri kontinuirnem ohlajevanju transformacija zaključi. Iz vsega povedanega sledi, da je za efekt sferoidizacijskega žarjenja nizko legiranih orodnih jekel, ob upoštevanju osnovnih zahtev, primarna hitrost ohlajevanja iz temperature avstenitizacije, saj le-ta določa temperaturo konca transformacije. Znano pa je da, čim višja je temperatura transformacije, tem mehkejše je jeklo. S poizkusi je potrebno določiti hitrost ohlajevanja, oz. temperaturo konca transformacije, pri kateri dobimo zaželeno strukturo jekla v ekonomsko utemeljenem času trajanja ciklusa. Nizko legirana orodna jekla je torej mogoče sferoidizacijsko žariti po enotnem ciklusu žarjenja, pri katerem, z ozirom na zahtevano trdoto in zrna-tost karbidov, spreminjamo hitrost ohlajevanja. Temperaturni pogoji žarjenja so naslednji: — temperatura avstenitizacije 770—800° C — temperatura ohlajevanja 600° C. Vpliv hitrosti ohlajevanja na zrnatost karbidov pri sferoidizacijskem žarjenju nizko legiranega orodnega jekla (1 % C, 1,5 % Cr) je prikazana na sliki 8 in si. 9. Z namenom, da čimbolj skrajšamo potreben čas za sferoidizacijsko žarjenje nizkolegiranih orodnih jekel, smo opravili tudi preizkuse sferoidizacijskega žarjenja z vmesno fazo podhlajevanja. Slika Mikrostruktura nizkolegiranega orodnega jekla po sfero-idizacijskem žarjenju (hitrost ohlajevanja — 9° C/h X 500) -v V •'•.JaS^^ ...... -m® •'•vti i; V';-?. i' SI o 300 750 7C0 650 600 550 500 \ 1 1 Ta \ 1 I \ 1 N 1 1 \ / Tž \ 1 \ / \ 1 \rH 1 1 \ \ ! \ i i i /7 t2 13 ?4 Slika 9 Mikrostruktura nizkolegiranega orodnega jekla po sfero-idizacijskem žarjenju (hitrost ohlajevanja — 45° C/h x 500) Potek takega ciklusa je prikazan v diagramu na sliki 10. Dosežena oblika mikrostrukture orodnega jekla, sferoidizacijsko žarjenega po tem ciklusu, je prikazana na sliki 11. 3.2 Jekla za kvalitetne vijake Tehnologija izdelave vijakov in matic združuje plastično preoblikovanje in obdelavo z odrezova-njem. Da bi zadovoljili zahtevam po dobri plastičnosti in obdelovalnosti, morajo biti jekla sferoidizacijsko žar j ena. Zahtevana stopnja sferoidizacije cementita znaša min. 90 %. Zaželena je tudi enakomerna porazdelitev zrn cementita v feritni osnovi. Struktura ogljikovih, pa tudi nizko legiranih jekel za kvalitetne vijake v vroče valjanem stanju je feritno perlitna in navadno zaradi karakteristik perlita (gnezda, široke lamele) za sferoidizacijo zelo neugodna. Čas v urah Slika 10 Ciklus sferoidizacijskega žarjenja z vmesno fazo pod-hlajevanja Slika 11 Mikrostruktura nizkolegiranega orodnega jekla po sfero-idizacijskem žarjenju s podhlajevanjem x 500 V laboratoriju smo pristopili k študiju postopka sferoidizacijskega žarjenja jekel za kvalitetne vijake na naslednji način: Na osnovi premenskih točk, TTT diagramov in priporočil iz literature smo sestavili dva osnovna ciklusa žarjenja ter preiskali vpliv posameznih parametrov žarjenja na doseženo stopnjo sferoidizacije jekel. Posebno pozornost smo posvetili tudi študiju vpliva oligo elementov Cu in Ni, ki sta v vse večji meri prisotna v naših jeklih, na koagu-lacijo cementita.3 Pri študiju optimalnega režima sferoidizacijskega žarjenja nizkolegiranih jekel za kvalitetne vijake, smo se držali že opisanega zaporedja faz, ki sestavljajo ciklus mehkega žarjenja s kontinuir-nim ohlajevanjem. Pri študiju optimalnega režima sferoidizacijskega žarjenja ogljikovih jekel za kvalitetne vijake, pa smo se odločili za poseben režim, ki je prikazan na sliki 12. K^.v.-J d 01 a E L?" 800 750 700 650 600 550 500 ta / \ TŽ \ / \ th \ \ \ \ ti 12 t3 t4 Z naraščanjem vsebnosti oligo elementov — Cu in Ni v jeklu se veča odpor proti sferoidizaciji cementita. Pri žarjenju s hitrim ohlajevanjem (žaritev C) je ta efekt manjši kot pri žarjenju s počasnim ohlajevanjem (žaritev A). Vpliv vsebnosti Cu in Ni na doseženo stopnjo sferoidizacije pri optimalnem ciklusu s počasnim ohlajevanjem ter pri postopku s hitrim ohlajevanjem ilustriramo z diagramom na sliki 14 in metalografskimi posnetki si. 15, 16 in 17. 50 40 C as v urah Slika 12 Shema režima sferoidizacijskega žarjenja ogljikovih jekel za kvalitetne vijake Posebnost tega postopka je podhlajevanje, kateremu sledi izotermno mehko žarjenje pod temperaturo Act. Pri proučevanju posameznih faz cikla smo ugotovili naslednje: a) jekla je potrebno avstenitizirati pri temperaturi pod 770° C, s tem da doba trajanja avstenitiza-cije ni večja od 4 ur. Ta rezultat je v skladu z nizko spodnjo kritično temperaturno mejo, ki je lastna nelegiranim jeklom, pri katerih ni stabilnih karbidov. b) jeklo se mora pohladiti do temperature 650° C s hitrostjo ohlajevanja, ki ni večja od 50° C/uro. Poizkusi so pokazali, da so ugodne tudi velike hitrosti ohlajevanja, npr. ohlajevanje na zraku do 300° C. To si lahko razlagamo z ugodnim vplivom fino lamelarnega perlita, ki se izloča pri hitrem ohlajevanju in ki se v nadaljnji fazi izo-termnega žarjenja zelo lahko sferoidizira. V kontinuirnem diagramu na si. 13 za jeklo CQ 45 sta vnešeni obe hitrosti ohlajevanja. N? a "S 30 a o D) O, £ Qj E .g Jc Qj g 10 20 Žaritev A - C----- / / 0.30 0.60 Cu+Ni (%) 0.90 1.20 Slika 14 Vpliv vsebnosti Cu in Ni na doseženo stopnjo sferoidizacije pri različnih hitrostih ohlajevanja Slika 13 Kontinuirni TTT diagram za jeklo CQ 45 Slika 15 Mikrostruktura jekla CQ 45 po žarjenju s počasnim ohlajevanjem (vsebnost Cu + Ni pod 0,3 % X 500) 3.3 Nizkolegirana jekla za poboljšanje Namen laboratorijskih žarenj je bil, poiskati tak režim mehkega žarjenja nizko legiranih jekel za poboljšanje, s katerim bi pri maksimalni storilnosti peči dosegli optimalno (maks. dovoljeno) Slika 16 Mikrostruktura jekla CQ 45 po žarjenju s počasnim ohlajevanjem (vsebnost Cu + M = 1,2 °/o X 500) Cos v urah Slika 18 Eksperimentalni ciklusi mehkega žarjenja nizkolegiranih jekel za poboljšanje območju 26° C/uro. Pri takšni hitrosti ohlajevanja bo pri vseh obravnavanih jeklih premena končana v visoko perlitnem območju na položnem delu krivulje na TTT diagramu, kar je tudi razvidno iz primera na sliki 19. Slika 19 Kontinuirni TTT diagram za Cr-V jeklo za poboljšanje Slika 17 Mikrostruktura jekla CQ 45 po žarjenju s hitrim ohlajevanjem (vsebnost Cu + Ni = 1,2 % x 500) trdoto jekla, s čim višjo stopnjo sferoidiziranega cementita. S poizkusnimi žarjenji v laboratorijski programski peči smo obdelali vsa nizkolegirana jekla za poboljšanje, legirana s Cr, Cr-V, Cr-Mo, CrNiMo in CrSi, ki jih navaja DIN 17200 (JUS C0.B9.021) ter na podlagi dobljenih rezultatov sestavili enoten ciklus za mehko žarjenje nizkolegiranih jekel za poboljšanje v industrijskih žarilnih pečeh. Vrednosti za kritične točke premene ter TTT diagrame smo vzeli iz tujih katalogov5 ter iz rezultatov ustreznih preiskav na Raziskovalnem oddelku železarne Jesenice. Na osnovi teh podatkov smo sestavili dva osnovna ciklusa za programsko žarjenje v laboratorijski peči. Oba ciklusa sta v koordinatah temperatura — čas prikazana na sliki 18. Hitrost ohlajevanja iz temperature avstenitizacije je enaka pri obeh ciklusih in znaša v kritičnem Iz kontinuirnih TTT diagramov je tudi razvidno, da je temperatura ohlajevanja TH 650° C, kjer se lahko prične s hitrim ohlajevanjem. Dosežena trdota (HB kp/mm2) po mehkem žarjenju ter delež koaguliranega cementita v strukturi jekla je prikazan v tabeli 1, mikrostruktura jekel pa na slikah 20 in 21. Tabela 1 — Rezultati mehkega žarenja nekaterih nizkolegiranih jekel za poboljšanje po eksperimentalnih ciklusih vrsta jekla vroče valj. stanje HB HB HB O/o Sf. % Sf. HB HB % Sf. % Sf. C 4130 228 158 50 % 156 50 % C 4830 316 185 80 % 170 95 % C 4730 209 152 100 % 159 100 % Č 4731 267 180 80 % 168 100 % C 4732 281 196 80 % 164 100 % Č 5430 302 226 50 % 179 100 % Slika 20 Mikrostruktura jekla C 4731 po mehkem žarenju (eksp. program 13 x 500) Slika 21 Mikrostruktura jekla C 4731 po mehkem žarenju (eksp. program 14 x 500) 4. APLIKATIVNO DELO Postopek mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem smo uvedli v kontinuirnih pečeh ter v stacionarnih žarilnih pečeh. Pri definiranju posameznih faz žarjenja je bilo potrebno izkoristiti možnosti, ki izhajajo iz same konstrukcije posameznih tipov industrijskih peči. Rešitev problema osvajanja postopka mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem je za posamezne vrste industrijskih peči naslednja: 4.1 Kontinuirna žarilna peč Kontinuirna žarilna peč nam služi za žarjenje paličnih jekel in žice v manjših kolobarjih. Zaradi svoje konstrukcije in funkcionalnosti je primerna za najbolj zahtevna žarjenja. Zunanji videz peči je prikazan na sliki 22. Oblika peči je razvidna iz sheme na sliki 23. Žarjenje se vrši v zaščitni atmosferi NX in RX plina v temperaturnem območju 680—930° C. Peč ogrevamo z žarilnimi cevmi z notranjim izgorevanjem. Ti ogrevalni elementi so montirani nad pogonskimi valjčnicami in pod njimi. Število teh ogrevalnih elementov je v posameznih conah različno, ker je odvisno od funkcije posameznih con. Kot gorivo se uporablja kurilno olje ali nafta, kot pilot plin pa služi plin butan — propan. V žarilne cevi II. do VI. cone se za pospešeno ohlajanje lahko dovaja tudi mrzel zrak. Ker so posamezne cone med seboj ločene z obzidanimi pregradami, so lahko med njimi večje temperaturne razlike. Za izenačevanje temperature v posameznih conah služijo ventilatorji. Vstopna in izstopna veža sta opremljeni s premičnimi pokrovi ter z železno zaveso za tesnjenje peči. Na obeh koncih vež je predvidena še zračna zavesa. Višino temperature kontroliramo na vsaki coni posebej. Gorivo se v žarilne peči dozira avtomatično. Kapaciteta ogrevanja od 0 — 730° C je v I. coni 2200 kg/uro, v I. in II. coni pa 2400 kg/uro. Kapaciteta ohlajanja od temperature 870° na 760° v II. — VI. coni znaša 2200 kg/uro. Vložek se pomika skozi peč po transportnih valjčnicah. Prva in druga polovica peči imata poseben pogon, seveda pa ima cela peč lahko enako hitrost, ki znaša od 0,7 — 7,3 m/uro. 4.1.12 Rezultati žarjenja Za obravnavani postopek mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem je opisana kontinuirna peč posebno primerna. Programi žarjenja so definirani z višino temperature po posameznih conah ter hitrostjo pomika vložka skozi peč. Pri danih parametrih žarjenja je dosežena storilnost odvisna od naložitve vložka (kg/m), kar je zopet odvisno od oblike (dimenzija, ravnost) vložka. Pri mehkem žarjenju legiranih jekel za poboljšanje dosežemo maksimalno storilnost peči 2400 kg na uro pri dovoljeni maksimalni obremenitvi valjč-nic 1800 kg/m in hitrosti pomika skozi peč 2 m/uro. Temperaturni režim v peči pri mehkem žarjenju nekaterih CrV, CrMo jekel za poboljšanje je prikazan na sliki 24. Pri sferoidizacijskem žarjenju nizko legiranih orodnih jekel dosežemo nižje storilnosti, okoli 1800 kg/uro, kar je posledica manjših hitrosti pomika jekla skozi peč in nižje dovoljene obremenitve peči. Temperaturni režim v peči za sferoidizacijsko žarjenje orodnih jekel je prikazan na sliki 25. Uspešnost sferoidizacijskega žarjenja orodnih jekel po prikazanem ciklusu ilustrirajo podatki, navedeni v tabeli 2. Slika 22 Šestconska kontinuirna žarilna peč Tabela 2 — Rezultati sferoidizacijskega žarje-nja nizkolegiranih orodnih jekel velikost . , , dim. trdota HB stopnja % karbidov vrsta jeKia 0 mm pQ žarjenju sferoid. (skala Diiergarten) C 4146 C 4146 C 6841 C 6841 55 16 12 15 186—189 179—182 182—186 179—182 100 100 100 100 2.05.1 2.05.2 2.05.2 2.05.2 mj.........,.................. —U^ Ta =780 700 600 c / 7— \ l \ 1 \ i i \ i i \ \ i \ 7 2 3 4 5 Porazdelitev peči po conah Slika 24 Ciklus žarjenja v kontinuirni žarilni peči 6 izstopna cona tj:;. . rj ;. r ; Ir. .jrj Slika 23 Shema 6-conske kontinuirne žarilne peči Uspešnost sferoidizacijskega žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajevanjem v kontinuirni žarilni peči najlepše ilustrira primer sferoidizacijskega žarjenja jekla za kvalitetne vijake, vrste 41 Cr4 (DIN 1654). Pogoji žarjenja so naslednji: 1 2 3 4 5 6 izstopna cona Porazdelitev peči po conah Slika 25 Temperaturni režim za sferoidizacijsko žarjenje orodnih jekel a) temperaturni režim v peči: cona I 740°C cona II 760° C cona III 760° C cona IV 750° C cona V 720° C cona VI 650° C b) hitrost pomika 1,8 m/uro c) atmosfera: zaščitni plin NX Efekt sferoidizacijskega žarjenja je razviden iz posnetka mikrostrukture žarjenega jekla na sliki 26. Siika 26 Mikrostruktura jekla 41 Cr 4 po sferoidizacijskem žarjenju X 500 4.2 Stacionarne žarilne peči Vložek v stacionarnih žarilnih pečeh ima obliko velikega »zaboja«, ki se ogreva v obravnavanih stacionarnih pečeh z električnim tokom z vseh strani preko uporovnih grelnih elementov. Normalno se registrirajo temperature oboka in dna peči. Zaradi velike višine in širine vložka pa obstaja večja temperaturna razlika med površino in sredino vložka, ki jo je potrebno pri postopku mehkega žarenja s kontinuirnim ohlajevanjem upoštevati. V vseh stacionarnih žarilnih pečeh, kjer smo uvedli postopek mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem, smo zato vgradili še dodatne termoelemen-te, ki so vloženi v sredino vložka in registrirajo temperaturo na tem mestu. Prav tako smo v fazi eksperimentov merili temperaturo na zgornji površini vložka. Že iz eksperimentalnega dela je razvidno, da lahko za večino nizkolegiranih jekel za poboljšanje sestavimo enoten režim mehkega žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajanjem. Izjema so le manganova in krom-nikelj-molibdeno-va jekla. V vseh obravnavanih stacionarnih pečeh je tako mogoče postaviti enoten režim mehkega žarjenja nizkolegiranih jekel za poboljšanje, ki se zaradi razlik v konstrukciji posameznih peči razlikujejo le v načinu ohlajevanja iz temperature avstenitizacije. Tak unificiran režim mehkega žarjenja nam v vsakem slučaju omogoča polne naložitve peči, kar je za dosego visoke storilnosti žarilnih agregatov zelo pomembno. Osnovni parameter žarjenja, ki regulira ciklus, pa je v vseh primerih temperatura v sredini vložka. Pogoji mehkega žarjenja nizko legiranih jekel za poboljšanje v stacionarnih pečeh so naslednji: V periodi ogrevanja se temperatura nastavi na 800° C. Ko peč doseže to temperaturo, se le-ta preklopi na temperaturo 780° C. Pregrevanje na tej temperaturi traja toliko časa, dokler sredina vložka ne doseže 750° C. Po eni uri se peč izklopi. Ohlajanje je končano v momentu, ko sredina vložka doseže temperaturo 650° C. 4.2.1 Tunelska žarilna peč Tunelska žarilna peč služi za mehko žarjenje debele pločevine, gredic, toplo valjanih trakov v svitkih in večjih kolobarjev toplo valjane žice. Zunanji videz te peči je prikazan na sliki 27, presek peči z vsemi glavnimi elementi, ki jo sestavljajo, pa je shematsko prikazan na sliki 28. Priključna moč peči znaša 950 kW — vložek pri enkratni naložitvi 40—50 ton. Celoten ciklus mehkega žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajanjem je prikazan na diagramu na sliki 29. Ostali parametri cikla so bili naslednji: — vrsta jekla Č 4732, C 4730, C 3230; — teža vložka 43320 kg; — trajanje ciklusa 38 ur; —■ dosežena storilnost peči 1140kg/uro; — specifična poraba energije 182 kW/tono. Slika 27 Tunelska žarilna peč 700 Slika 28 Shema tunelske žarilne peči Iz diagrama lahko razberemo še naslednje časovne pokazatelje ciklusa: Čas ogrevanja in pregrevanja: 19 ur čas izenačevanja —■ površina 7 ur sredina 6 ur Čas ohlajanja 12 ur Hitrost ohlajanja peči Sredina vložka 0 g 550 § 500 1 A 450 <00 1 i \ s- / / l \ 30 "O 5 "C /h / i i / / / \ \ \ \ \ \ 1 i i i / \ \ \ \ \ i i i / \ \ s •* , \ N / \ \ N i i i i / \ \ i i i i i ji u ?mp. srec =mp. povr mp.sten line vložka šine vložka _ ___ S i 1 0 4 8 12 16 20 24 Ogrevanje in predgrevanje Slika 29 28 32 36 40 Hlajenje s hladilnimi cevmi ca. 50° C/uro Ciklus mehkega žarjenja po postopku s kontinuirnim 8—15° C/uro ohlajanjem v tunelski peči Dosežena nizka hitrost ohlajevanja zagotavlja visoko končno temperaturo transformacije. Mehanske lastnosti mehko žarjenih jekel za poboljšanje, žarjenih po prikazanem ciklusu, v vseh primerih zadovoljujejo. Dosežena trdota se giblje pod HB 200 kp/mm2. Mikrostruktura jekla po žarjenju kaže visoko stopnjo sferoidizacije, kar je razvidno iz slike 30. Slika 30 Mikrostruktura jekla C 4730 po mehkem žarjenju v tunelski peči x 500 pHP 4.2.2 Zvonaste žarilne peči V zvonastih žarilnih pečeh se žarijo paketi tanke in srednje pločevine ter palično jeklo, gredice in lamele. Zunanji videz zvonaste žarilne peči je prikazan na sliki 31. Zvonasto žarilno peč sestavljajo naslednji elementi: Trije podstavki, na katerih je naložen vložek; žarilni zvon, pod katerim se vložek ogreva; hladilni zvon, pod katerim se vložek ohlaja. Uporovni in grelni elementi so vgrajeni v podstavke, ter stene in strop žarilnega zvona. Hladilni zvon je obzidan s šamotno opeko, za ohlajevanje pa služi 6 odprtin na stropu, ki se odpirajo in zapirajo s čepi. Priključna moč peči znaša 350 kW, optimalni vložek pri enkratnem zalaganju pa je 15 ton. Mehko žarjenje po postopku s kontinuirnim ohlajevanjem se v zvonastih pečeh vrši na naslednji način: Vložek se ogreva na zahtevano temperaturo avstenitizacije pod žarilnim zvonom. Ko sredina vložka doseže zahtevano temperaturo, se prične z ohlajanjem na ta način, da se žarilni zvon zamenja s hladilnim zvonom. Zamenjava žarilnega zvona s hladilnimi zvonovi se izvrši s pomočjo Slika 31 Zvonasta žarilna peč i mHm m& dveh žerjavov in je končana v ca. 3 minutah. Po zamenjavi se žarilni zvon postavi na podstavek z mrzlim vložkom, ker se zopet prične z ogrevanjem. Na tretjem prostem podstavku se že žarjeni vložek razklada in pripravlja nov vložek za mehko žarjenje. Shema zvonaste žarilne peči je prikazana na si. 32. 5900 900 800 700 600 500 o 400 0 1 300 o Qj 100 0. / / . // u L /rt / t ;/ 1/ u / \ ! / r i i l / / \ 1 l i / / 1 i l t / i !/ / ,. ... / / emp. površine vložki imp. 1 polovice pods imp. sten .................. ■ ------- i -1 t i. i 0 4 8 12 16 Ogrevanje pod žarilnim zvonom 20 časa ogrevanja vložka, saj je ohlajevanje, ki se vrši v drugem podstavku istočasno, končano nekaj ur prej. Celoten ciklus mehkega žarjenja v zvonastih pečeh ilustriramo s primerom mehkega žarjenja jekla, vrste č 4732 in C 3734 v palicah, v diagramu na sliki 33. Teža vložka je znašala 13410 kg doba ogrevanja je bila 22 ur dosežena storilnost pa 510 kg/uro. Hitrost ohlajevanja je bila 11° C/uro,, vložek se je ohlajal do temperature 600° C čas ohlajanja je trajal 14 ur. Trdota jekla po žarjenju (poprečje 10 meritev) = C 4732 — HB 162 kp/mm2, C 4734 — HB 176kp/mm2. Visoka stopnja sferoidizacije cementita po mehkem žarjenju je prikazana na sliki 34, kar potrjuje uspešnost uporabljenega postopka. Slika 32 Shema zvonaste žarilne peči Mehko žarjenje po postopku s kontinuirnim ohlajanjem poteka v zvonastih pečeh neprekinjeno, brez mrtvih časov, kar omogoča maksimalno izkoriščanje peči. Storilnost peči je torej odvisna le od 0 4 8 12 14 h Hlajenje pod hladilnim zvonom Slika 33 Ciklus mehkega žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajevanjem v zvonastih pečeh Slika 34 Mikrostruktura jekla C 4732 po mehkem žarjenju x 500 5. ZAKLJUČKI Za hladno predelavo orodnih jekel ter jekel za poboljšanje, kjer se zahteva visoka plastičnost ali dobra obdelovalnost, je s toplotno obdelavo vroče valjanega jekla potrebno doseči nizko trdoto ter mikrostruktura jekla s krogličasto obliko cementita v feritni osnovi. Hitre metode mehkega žarjenja jekel, ki vodijo k nizki trdoti in želj eni obliki mikrostrukture jekel pri visoki storilnosti industrijskih žarilnih peči, so osnovane na postopku s kontinuirnim ohlajanjem. Pri tem postopku se jeklo za krajši čas ogreje nad kritično temperaturo Ac, in nato počasi ohlaja. Pogoji žarjenja po postopku s kontinuirnim ohlajanjem so odvisni od vrste jekla, ki ga žarimo, to je vrednosti kritičnih premenskih točk ter oblike TTT diagrama za določeno jeklo. Različne kvalitete jekel znotraj obravnavanih kvalitetnih grup imajo toliko skupnega, da je mogoče sestaviti za posamezne kvalitetne grupe jekel enotne cikluse žarjenja. Ker poteka postopek žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem na različnih temperaturnih nivojih, so za ta postopek najbolj primerne kontinuirne več-conske žarilne peči, v katerih je mogoče sferoidiza-cijsko žariti jekla po najbolj zahtevnih programih. V stacionarnih pečeh se lahko kontrolirano vodi le enostaven režim mehkega žarjenja s kontinuirnim ohlajanjem na osnovi temperature, merjene v sredini vložka. Zaželjeno optimalno hitrost ohlajanja dosežemo s pravilnim izkoriščanjem konstrukcijskih elementov, ki sestavljajo stacionarne peči. Literatura 1. Payson P. The Metallurgy of Tool Steels John Wiley Co Sons. ine Neu York 1962 2. Dr. ing. Labonek F. »Podminky pro vznik globularniho perlity pri žihani nadeutektoidnich oceli, zvlašte oceli pro voliva ložiska« Hutniche listy čislo 3 rok 1965 str 190—194 3. Dr. ing. Labonek F. »Zpresneni zpusobu žihani oceli pro voliva Iožisha s prihlednutim k obsahu Ni, Cu a Mn Hutniche listy čislo 7 rok 1961 str 471—475 4. Rao F. S. »The spheroidisation of Steel« Machinery and Production Engineering March 2 1966 str 483—486 5. Wever F., Rose A. Atlas zur vvarmebehandlung der Stahle Verlag Stahleisen M. B. H. Dusseldorf 1954/56 6. Light R. J. Significance of Time — Temperature — Atmos-phere Relations in Continuous Annealing Iron and Steel Engineer, April 1969, str. 62—71 7. Tehnički priručnik Železarne Jesenice. Progres — Novi Sad 1961, str. 96—115 ZUSAMMENFASSUNG Fiir die niedriglegierten Werkzeug- und Vergiitungs-stahle und Stahle fiir die kalt zu formende Schrauben wurde ein Weichgluhverfahren in Durchlauf und stationa-ren Industriegluhofen mit kontinuierlicher Abkiihlung entvvickelt. Die Vorteile dieses Verfahrens vor dem isothermen Gliihen sind in dem, dass man die verlangte Harte des Stahles und einen hohen Grad der Koagulierung des Zementites beim besseren Vermischen der Gefiige-bestandteile in kiirzerer Zeit erreicht. Die Stahlqualitat wird dementsprechend verbessert und die Leistung der Industriegluhofen wird erhoht. Der optimale Gluhungsverlauf fiir die einzelnen Stahl-gruppen wurde durch das Gliihen der Proben in einem programmierten Laborofen festgestellt, mit der Voraus-setzung, dass die Werkzeugstahle und die Stahle fiir kalt zu formende Schrauben vollkommen vveich gegluht, die Vergiitungsstahle aber auf eine maximal erlaubte Harte und mit bis zum hochsten Mass koaguliertem Zementit gegluht sein miissen. Besondere Aufmerksamkeit vvurde dem Vereinigen der Gliihverfahren der einzelnen Stahl- gruppen gevvidmet, wass eine volle Besetzung der Ofen beim jeden Gliihen ermoglichen solite. Bei der Einfuhrung des Weichgliihverfahrens mit kontinuierlicher Abkiihlung in den Industrieofen ist es notig in einzelnen Phasen des Zykluses die Moglichkeiten welche die Ofenkonstruktion bietet, auszunutzen. Das anspruchvolle Sferoidisationsgliihen wurde im konti-nuirlichen Gliihofen ausgefuhrt in welchen das Gliihverfahren mit kontinuirlicher Abkiihlung keine Probleme verursacht, wenn die Gliihparameter Zeit — Temperatur gegeben sind. Die stationaren Gliihofen miissen zuerst mit allen notigen Elementen fiir die Kiihlung kompletiert werden, soeben wurden noch zusatzliche Thermoelemente eingebaut, welche die Temperatur im inneren des Ein-satzes messen. Die Grundparameter welche den Gliihzyklus fiihren sind die Temperatur in der Mitte des Einsatzes und die Ab-kiihlungsgeschwindigkeit. Sie liess sich in den letzt ge-nannten Ofen ohne weiteres regeln. SUMMARY A method of annealing with continuous cooling was introduced for annealing low-carbon tool steels, steels for quality screws, and low-alloyed steels for tempering in industrial annealing furnaces, continuous and stationery ones. Advantage of this method over the isothermal annealing is in obtaining the demanded hardness of steel and a high degree of cementite coagulation at better separation of structure components in a shorter time. Quality of steel is thus improved and capacity of industrial annealing furnaces is increased. The optimal conditions for annealing different groups of steels were studied by annealing steel samples in a laboratory programmed furnace. Demands were taken in account that the tool steels and the steels for quality screws must be spheroidisedly annealed, and the steels for tempering annealed to the maximal allowed hardness at simultaneous maximal amount of coagulated cementite. A special attention was given also to combinations of annealing conditions for individual steel groups what should enable the full exploitation of the furnace at each annealing. Introducing the method of annealing with continuous cooling into industrial annealing furnaces demands to make use of the possibilities in individual phases of the cycle, due to the design of different discussed types of industrial annealing furnaces. The most exacting spheroidi-sed annealing were directed into the continuous annealing furnace where introduction of the annealing with continuous cooling does not present any problem if para-meters of annealing — the temperature — time — are given in different phases. At stationary annealing furnaces, the furnaces had to be completed at first vvith ali the belonging elements for cooling, and additional thermo-couples inserted in the center of the charge had to be built in. The basic parameters of annealing which control the cycle are the temperature in the center of the charge and the cooling rate which also did not cause problems in the discussed furnaces. 3AKAI0HEHHE Aah MarKora naKaAHBaHna HH3KoyrAepoAHCTbix HHCTpeyMeH-TaAtHHX CTaAefl, CTaAefl AAa Ka«ecTBeHHi>ix biihtob a TaioKe hibko-AernpoaBaiiHMX CTaAefl AAa o0Aaropa>KiiBaHHa b iienpepbiBHbix H CTaunonapHbix npoMbHHAeHHbix nenax AAa HaicaAHBaHHa, BBeAeH cno-co6 OT>Kiira c HenpepepbiBHMM 0XAaacAeHHeM. npenMymecTBO 3Tora cnocoGa b cpaBHemin c HSOTepMimecKHM otjkhtom coctoiit b tom, HTO mojkho nOAyHHTb Tpe6yiOM\TO IBepAHOCTb CTaAH H BbICOKyK) KoaryAamiio ueMeHTHTa npn AyHineM pa3MeiueHino cTpyKTypHbix komitohcht B SoAee kopotkom BpGMCHH. YAymuaeTCa KaijeCTBO CTaAH H 3c)xj>eKTHBHOCTb IipOMbllllACHHOH neHH. OnTHMaAbHbiii peHCHM OT>KHra AAa oTAeAbHbix rpynn CTaAefl SbiA H3ya3ax miKAyca ncn0Ab30BaTb B03M0HCH0CTii KOTOpbie npo-HcxoAaT H3 KOHCTpyKHHH thhob nenefl. HanSoAee TpeSoBaTeAbHbifl otjkht Ha 3epHHCTbii1 nepAHT 6 bi A BbinoAHeH b HenpepbiBHOft nemi B KOTOPOH BBCAeHHe OTJKHra c HenpepbiBHbiM 0XAajKAeHHeH He AaAO npenaTCTBHii, npn ycnoBHH ecAH cyinecTByK>T napaMeTpbi AAa ot->KHra — TeMn. n BpeMa AAa OTAeAbHbix a3. npn CTaHHOHapHbix nenax Hy>KHO 6mao cnepBa o6opyAbmaTb nemi c BceMH Heo6xoAHMbiMH 3AeMeHTaMH aah oxAaatAeHHa h BCTa-BHTb TepM03AeMeHTbI KOTOpbie BCTaBAeHbl B IHHXTOBOH MaTepHaA. Ochobhoh napaMeTp oT>Knra cyTb TeM.-a b cepeAHHbi HinxTOBOra MaTepnaAa a SbiCTpoTa oxAa>KAeHHs; b neqax KOTOpbie 6mah yno-TpeSAeHii OKa3aAOCb hto He SbiAO HHKaKiix npoSAeMOB.