Sferoidyt

Sferoidyt – struktura cementytu kulkowego w osnowie ferrytu, powstała w wyniku zwiększania temperatury powyżej 600 °C aktywujących procesy koagulacji cementytu i zdrowienia (niekiedy też rekrystalizacji) osnowy ferrytycznej^[1]. Charakteryzuje się bardzo dobrymi własnościami plastycznymi, ale najgorszymi własnościami wytrzymałościowymi wśród mikrostruktur stali. Twardość sferoidytu nie przekracza 300 HB^[2][3].

Sferoidyt jest uzyskiwany poprzez zastosowanie specjalnej obróbki cieplnej zwanej wyżarzaniem sferoidyzującym (zmiękczającym) ze struktury perlitu, bainitu lub martenzytu. Celem takiego zabiegu jest zmniejszenie twardości wskutek zmiany kształtu cementytu na sferoidalny^[4]. Proces koagulacji i tworzenia się sferoidytu nie jest do końca poznany. Powstało sześć głównych teorii opisujących proces sferoidyzacji z perlitu:

• teoria perturbacji Rayleigha-Schrödingera
• zmodyfikowana teoria perturbacji Mullinsa-Nicholsa
• teoria rowków trawiennych oparta na równaniu Gibbsa-Thomsona
• teoria migracji defektów
• dojrzewanie Ostwalda
• teorie mieszane^[5].

Skład chemiczny roztworu podczas sferoidyzacji nie zmienia się. Zmianie ulega jedynie kształt wydzieleń cementytu^[6].

Sferoidyt może być uzyskany poprzez podgrzewanie mikrostruktury perlitycznej lub bainityczną mikrostruktury do temperaturze poniżej eutektoidalnej przez odpowiednio długi czas (np. około 700 °C pomiędzy 18 a 24 godzin). Zamiast płytek perlitu lub mikrostruktury bainitu, cementyt przekształci się w kulki cząsteczek wbudowanych w osnowę ferrytyczną. Koagulacja jest napędzana przez dodatkową dyfuzją węgla bez zmian w składzie i względnej ilości fazy ferrytu i cementytu. Siłą pędną tej przemiany jest wydzielanie na granicy międzyfazowej α-Fe₃C. Kinetyka powstawania sferoidytu nie obowiązuje w przypadku przemiany izotermicznej^[7].

Obróbka plastyczna stali o średniej i wysokiej zawartości węgla oraz mikrostrukturze zawierającej nawet gruboziarnisty perlit może nadal być zbyt trudne do wykonania. Materiał można poddać wyżarzaniu zmiękczającemu w celu uzyskania struktury sferoidytu. Takie stale charakteryzują się dużą plastycznością i dużo łatwiej się obrabiają. Uzyskanie takiej mikrostruktury poprzez obróbkę cieplną może odbyć na się kilka sposobów:

• nagrzanie materiału do temperatury tuż poniżej eutektoidalnej na układzie żelazo-cementyt. Jeżeli struktura będzie perlityczna to czas sferoidyzacji zwykle wynosi od 15 do 25 godzin.
• nagrzanie do temperatury nieco powyżej temperatury eutektoidalnej, a następnie chłodzenie bardzo powoli w piecu lub wytrzymanie w tej samej temperaturze.
• cykliczne nagrzewanie i chłodzenie w zakresie ± 50 °C temperatury eutektoidalnej^[8].

Istnieje zależność pomiędzy mikrostrukturą wyjściową a szybkością sferoidyzacji. Wykazano doświadczalnie, że im drobniejszy perlit wchodził w skład mikrostruktury wyjściowej tym po tej samej obróbce cieplnej uzyskanie sferoidytu było szybsze. Spowodowane to jest występowaniem krótszej drogi dyfuzji w drobnoziarnistym perlicie. Zastosowanie obróbki plastycznej na zimno przed sferoidyzacją zwiększało szybkość koagulacji cementytu^[5][8].

• zmiękczenie materiału przed dalszymi etapami formowania (najczęściej przed przeróbką plastyczną na zimno)
• potrzeba projektowania materiałów do pracy w wysokich temperaturach. Aktywacja cieplna koagulacji w stali powoduje powstanie struktury sferoidalnej o dużo gorszych własnościach wytrzymałościowych (tzw. odpuszczalność)^[5].