Obróbka cieplna

Obróbka cieplna metali

Obróbka cieplna jest niezwykle istotną częścią procesów wytwarzania produktów wykonanych z metalu. Obróbka termiczna wpływa na zmianę własności elementu metalowego, aby mógł on zapewnić spełnienie określonych oczekiwań i wypełniać swoją rolę jeszcze lepiej. Dzięki niej materiały mogą być plastyczne i dawać się formować w fantazyjne kształty, mogą też być bardzo twarde i służyć jako narzędzia do obróbki mechanicznej. Procesy obróbki cieplnej mogą również wpłynąć na tak nieoczywiste własności jak przewodność elektryczna i cieplna, a także własności magnetyczne danego materiału.

Obróbka cieplna pojawiła się zaraz po tym jak ludzie nauczyli się wytapiać metale z rud. Na początku opierała się na metodzie prób i błędów i wynikała z obserwacji, że najpierw ogrzany a potem doprowadzony do temperatury niższej materiał miał często inne własności mechaniczne niż wyjściowy kawałek metalu. Jako nauka metalurgia wyodrębniła się w już średniowieczu, ale jej rozkwit był możliwy dopiero po odkryciu i zastosowaniu nowoczesnych metod analizy składu metali, ich struktury wewnętrznej, przemian fazowych i ich wpływu na własności materiału. W artykule przeczytasz, czym charakteryzuje się dany rodzaj obróbki metalu.

Definicja obróbki cieplnej

Według encyklopedii obróbka cieplna to zbiorcza nazwa  procesów obróbki produktów metalowych, polegających na nagrzewaniu materiału aż osiągnięta zostanie odpowiednia temperatura, wygrzewaniu go przez pewien czas w danej temperaturze, a następnie chłodzeniu do zadanej temperatury z określoną szybkością chłodzenia. Efektem tych zabiegów są  przemiany struktury wewnętrznej materiału i zmiany własności stopów w stanie stałym, bez przechodzenia do stanu ciekłego.  Czasem operacje obróbki cieplnej przeprowadza się z zastosowaniem innych dodatkowych czynników np. obróbki mechanicznej (hartowanie elementów pod naciskiem prasy) lub poddając obrabiany cieplnie element działaniu pola magnetycznego o odpowiednich parametrach w celu osiągnięcia pożądanych rezultatów.

Obróbka cieplno-chemiczna

Osobną i szeroką dziedziną procesów jest obróbka cieplno-chemiczna, gdzie dodatkowo stosuje się czynnik chemiczny. Do materiału wprowadza się dodatkowe pierwiastki lub związki które zmieniają skład chemiczny i pod wpływem których zmianie ulegają własności materiału. W zależności od rodzaju procesów można wprowadzać je miejscowo np. w warstwy przypowierzchniowe lub do całej objętości elementu.

W dalszej części artykułu naszym przedmiotem zainteresowania będzie obróbka cieplna stali, która to jest najczęściej stosowanym w technice materiałem metalowym. Tylko pobieżnie wspomnimy o obróbce cieplnej innych metali i ich stopów.

Zmiany własności fizycznych stopu stali

Dlaczego tak stosunkowo prosty proces jak podgrzanie i chłodzenie elementu wpływa tak drastycznie na zmianę właściwości materiału użytkowych elementów stalowych? W uproszczeniu spowodowane jest to przemianami fazowymi wewnętrznej struktury krystalicznej stopów żelaza w stanie stałym. W zależności od tego jaka jest jej temperatura, zawartość węgla i innych pierwiastków, a także od szybkości ochładzania pojawiają się w stali różne struktury, które mają zróżnicowane własności mechaniczne jak twardość, plastyczność itp.

Struktury powstające w czasie obróbki cieplnej

Przyjrzyjmy się najważniejszym strukturom, które mogą powstać w stali:

• Ferryt występuje do temp. ok. 910ºC to kryształ prawie czystego, miękkiego żelaza.
• Cementyt istnieje do ok. 1135ºC To bardzo twardy węglik żelaza Fe₃C.
• Perlit spotykany do temp. 723ºC to mieszanina cementytu i ferrytu .
• Trostyt  również występuje do granicy 723ºC to  odmiana perlitu o drobnych ziarnach. Charakteryzuje się większą twardością, ale mniejszą ciągliwością niż perlit.
• Sorbit do 723ºC to odmiana perlitu o jeszcze lepszych właściwościach plastycznych, która zachowuje przy tym stosunkowo dobrą twardość.
• Austenit występuje w zakresie 723 do 1500ºC. To roztwór węgla w żelazie  γ, czyli odmianie żelaza, która powstaje w przemianie fazowej i ma zdolność do przyjmowania innych atomów np. węgla w miejsce pierwotnych atomów żelaza w krysztale. Skutkuje to powstawaniem roztworu stałego wydzielanej fazy, co zwiększa jego zdolność do tworzenia roztworów z innymi związkami lub pierwiastkami i poprawia jego rozpuszczalność w tym roztworze.
• Martenzyt spotykany poniżej 723ºC to bardzo twarda struktura o drobnych ziarnach powstała z austenitu w wyniku gwałtownego chłodzenia. To najtwardsza i także najbardziej krucha struktura występująca w stali w temperaturze otoczenia.
• Bainit również występujący poniżej 723ºC. To drobnoziarnista struktura, która powstaje z austenitu w wyniku wolniejszego chłodzenia.  Ma ona lepsze od martenzytu właściwości plastyczne (ciągliwość, udarność), ale charakteryzuje się mniejszą twardością.

Zabieg nagrzewania elementu powyżej określonej temperatury prowadzi do powstania struktury austenitu, czyli zajścia przemiany austenitycznej, z kolei podczas chłodzenia mogą zajść przemiany ferrytyczna, perlityczna, bainityczna oraz martenzytyczna w zależności od tego, jaka struktura powstaje w wyniku przemiany fazowej.

W dużym uproszczeniu wynikiem przeprowadzenia obróbki cieplnej jest mieszanina powyższych struktur mogących istnieć w temperaturze otoczenia. Od proporcji struktur twardych i kruchych oraz tych bardziej plastycznych i miękkich zależą wypadkowe własności mechaniczne elementu. Odpowiednio dobierając parametry i sposób prowadzenia obróbki cieplnej możemy wpływać na skład i proporcje powstających struktur wewnętrznych w materiale i w efekcie na jego własności.

Rodzaje obróbki cieplnej

Obróbkę cieplną dzielimy ze względu na stosowane w niej czynniki na:

• Obróbka cieplna zwykła
• Obróbka cieplno-chemiczna
• Obróbka cieplno-mechaniczna
• Obróbka cieplno-magnetyczna

Procesy obróbki cieplnej zwykłej

W tym artykule skupimy się na obróbce cieplnej zwykłej. Obróbkę cieplną zwykłą  dzieli się na procesy:

• Wyżarzania
• Hartowanie i odpuszczanie
• Przesycania i starzenia

Mamy również procesy, które są połączeniem hartowania i odpuszczania:

• ulepszanie cieplne
• utwardzanie cieplne.

Oraz będące połączeniem przesycania i starzenia:

• utwardzanie wydzielinowe

Przebieg obróbki cieplnej

Krótko omówimy teraz poszczególne procesy obróbki cieplnej:

Wyżarzanie

Na tę obróbkę cieplno plastyczną składają się operacje: nagrzania materiału aż osiągnięta zostanie wymagana temperatura, utrzymania materiału w niej przez pewien czas (wygrzewania), a następnie powolnego studzenia. Celem obróbki jest zbliżenie stanu materiału do warunków równowagi. Przeprowadzane jest w wyższych temperaturach niż starzenie.

Rodzaje wyżarzania

W zależności od przemian, które zachodzą podczas wyżarzania, możemy mówić o różnych odmianach tej obróbki:

Gdy materiał zostaje doprowadzony do przemiany alotropowej, ale nie jest ona istotą procesu mamy wyżarzenia ujednorodniające.

Celem wyżarzania ujednorodniającego jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego materiału. Stosowana głównie dla wlewków i elementów, w których nastąpiła segregacja domieszki. Wyżarzanie ujednorodniające polega na podgrzaniu materiału do ok. 1200°C, wyżarzaniu przy tym poziomie temperatury, a następnie szybkim studzeniu.

Gdy przemiany alotropowe zachodzą i są istotą procesu mamy wyżarzania normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) to operacja polegająca na nagrzewaniu elementu, wygrzaniu go, a potem wolnym studzeniu aż osiągnięta zostanie temperatura otaczającego powietrza przy jednoczesnym zapewnieniu małego przepływu powietrza. Uzyskuje się dzięki temu jednorodną strukturę drobnoziarnistą, a w efekcie lepsze właściwości mechaniczne. Proces ten stosuje się zazwyczaj w przypadku stali konstrukcyjnych niestopowych oraz staliwa.

Wyżarzanie zupełne to metoda obróbki znajdująca zastosowanie w przypadku stali stopowych. Najpierw wykonuje się nagrzewanie, kolejno wygrzewanie i powolne obniżanie temperatury, na końcu stal stygnie na powietrzu.

Wyżarzanie izotermiczne to proces polegający na podgrzaniu i wyżarzaniu stali w 900-1100°C, a następnie chłodzeniu izotermicznym w ok. 550°C. Również stosowane do stali stopowych, w jego wyniku dostajemy mniejszą twardość i lepszą obrabialność niż w wyżarzaniu zupełnym.

Wyżarzanie sferoidyzujące  lub zmiękczające zachodzi w określonej temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Najpierw przeprowadza  się wygrzewanie, a następnie bardzo powolne schładzanie. Jego wynikiem jest podniesienie obrabialności elementu.

Gdy nie zachodzi przemiana alotropowa mamy wyżarzania rekrystalizujące, odprężające.

Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja). Temperatura wyżarzania jest niższa, wynosi 550-650°C.  Metodę stosuje się w przypadku wyrobów obrabianych plastycznie na zimno, ponieważ usuwa wpływ zgniotu.

Proces wyżarzania odprężającego to nagrzewanie materiału do wysokich temperatur, jego wyżarzanie,  a na końcu powolne studzenie. Proces ten usuwa naprężenia odlewnicze, cieplne oraz spawalnicze.

Obróbka termiczna połączeń spawanych

Warto tu wspomnieć, że proces wyżarzania normalizującego i odprężającego często stosuje się w przypadku elementów spawanych. Połączenia spawane są narażone na uszkodzenia, ze względu na swoją strukturalną niestabilność. Po obróbce termicznej złącze ulega ustabilizowaniu, usuwane są naprężenia wprowadzane przez spawanie i połączenie staje się stabilniejsze. W przypadku spoin operacja wyżarzania może być częściowa lub całkowita. Częściowe wyżarzanie polega na podgrzaniu miejscowym spoiny i jej okolic za pomocą urządzeń grzejnych gazowych lub elektrycznych. Całkowite to poddanie całej konstrukcji ogrzewaniu do określonej temperatury w specjalnie przystosowanych piecach.

Hartowanie

Hartowanie to proces technologiczny polegający na nagrzaniu stali do temperatur austenityzowania, krótkim wygrzaniu i następnie oziębieniu z szybkością, która pozwoli uzyskać strukturę martenzytu lub bainitycznej. Hartowanie przedmiotów ma na celu poprawę ich właściwości mechanicznych, pozwala na uzyskanie wysokiej twardości i pozwala na zwiększenie wytrzymałości elementu.

Rodzaje hartowań

W zależności od sposobu chłodzenia wyróżnia się hartowanie zwykłe (ciągłe), stopniowe oraz hartowanie z przemianą izotermiczną.

Hartowanie zwykłe polega na prowadzeniu ciągłego obniżania temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej szybkości chłodzenia (najmniejsza szybkość chłodzenia). Chłodzenie zachodzi w ośrodku o poziomie temperatur niższym od temperatur początku przemiany martenzytycznej.

Aby wybrać prawidłowe medium chłodzące, należy zweryfikować materiał poddawany zahartowaniu oraz rodzaj struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu obróbki cieplnej. Stale węglowe chłodzimy najczęściej w wodzie lub roztworach soli, natomiast stale stopowe w oleju lub powietrzu.

Metoda hartowania stopniowego to proces technologiczny, w którym występują dwa etapy chłodzenia. Najpierw obrabiany element jest chłodzony w kąpieli o temperaturach wyższych od temperatury początku przemiany martenzytycznej, przez czas konieczny do wyrównania temperatur na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu. Potem następuje jego powolne chłodzenie do temperatury otoczenia.

Dzięki wyrównaniu temperatury na powierzchni i w rdzeniu materiału oraz jej powolnym chłodzeniu, w przekroju elementu dochodzi do zanikania naprężeń hartowniczych oraz zmniejsza się skłonność elementów do pękania i paczenia. Jako kąpieli hartowniczych w pierwszym etapie używa się najczęściej stopionych soli azotanów i azotynów sodu oraz soli potasu, bo zapewniają one szybki odbiór ciepła od schładzanych elementów.

Hartowanie z przemianą izotermiczną inaczej izotermiczne (bainityczne), przebiega podobnie jak w hartowaniu stopniowym. Stal poddana w wysokich temperaturach przemianom austenitycznym następnie ochładza się w kąpieli solnej w zakresie temperatur 250-400C, wytrzymuje w tej temperaturze do czasu zakończenia przemiany bainitycznej i ostatecznie chłodzi się w powietrzu. Uzyskana tak struktura bainityczna posiada dużą twardość, a jednocześnie większą ciągliwość i udarność niż struktura martenzytyczna.

Inny podział hartowania

Ze względu na zasięg, w którym zachodzi przemiana austenityczna w hartowanym elemencie, procesy hartowania metali dzielimy na: objętościowe i powierzchniowe.

Hartowanie objętościowe , (hart. na wskroś) występuje wtedy, gdy przemiana austenityczna obejmuje całą objętość obrabianych cieplnie przedmiotów.

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu do temperatury zahartowania wyłącznie warstwy powierzchniowej elementu i następnie na jej szybkim ochłodzeniu. Ten rodzaj zahartowania umożliwia ograniczenie nagrzewania tylko do warstwy powierzchniowej i tylko w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie, bo zależy nam na podniesieniu ich twardości lub ścieralności. Obróbka może być zastosowana do hartowań powierzchni wałków, gdzie zależy nam na twardości i odporności na ścieranie tylko warstwy powierzchniowej a prawie cała pozostała średnica wałka to bardziej sprężysty materiał o większej udarności. Zastosowanie powierzchniowego zhartowania nie wprowadza dużego odkształcenia cieplnego ani nie dochodzi przy nim do dużych naprężeń cieplnych.

Metody nagrzewania w hartowaniu powierzchniowym

Hartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzieli się na: indukcyjne, płomieniowe, wiązkowe (laserowe, elektronowe, jonowe), kąpielowe.

SPRAWDŹ USŁUGI HARTOWANIA W MetalTop.PL

Odpuszczanie

Odpuszczanie to obróbka cieplna, której poddawany jest produkt ze stali, na którym wcześniej wykonana została obróbka zahartowania. Obróbka ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmianę własności mechanicznych produktów z zahartowanej stali, przede wszystkim podniesienie udarności materiału kosztem zmniejszenia twardości.

To obróbka termiczna polegająca na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu aż osiągnięta zostanie temperatura w zakresie 150 do 650 °C, przetrzymaniu go w tej temperaturze przez konieczny czas, a następnie schłodzeniu. Ta obróbka cieplna sprawia, że całość lub pewna część martenzytu obecnego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając drobnoziarnisty cementyt.

Podział metod odpuszczania ze względu na temperaturę

Odpuszczanie niskie. Wykonywane przy temperaturach z zakresu 150–250 °C. Celem jest usunięcie naprężeń wprowadzanych przy zahartowaniu elementu, przy zachowaniu wysokiego udziału martenzytu, czyli zachowanie wysokiej twardości elementu. Stosuje się je przy stalach narzędziowych.

Odpuszczanie średnie. Prowadzi się je w temperaturach w granicach 250–500 °C. Stosowane w celu uzyskania pożądanych właściwości: wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znaczącym obniżeniu twardości. Wykorzystywane przy obróbce sprężyn, resorów, części pracujących na uderzenie (np. bijaków młotów), części samochodowych, części uzbrojenia, itp.

Odpuszczanie wysokie. Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C . Umożliwia uzyskanie wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko ma właściwości pozwalające na jej obróbkę skrawaniem.

Ulepszanie termiczne (cieplne)

Obróbka cieplna stanowiąca połączenie procesu hartowania powierzchniowego z wysokim odpuszczaniem. Stosowana dla wymagających produktów stalowych, które poddawane procesom obróbki skrawaniem: wałów korbowych, wałów okrętowych i samochodowych, itp.

Ulepszanie to umożliwia: wzrost właściwości plastycznych, wzrost ciągliwości, wzrost odporności na pękanie, przy spadku twardości. Ulepszaniu poddaje się stale średnio węglowe, o wysokiej hartowności, zwykle zawierające dodatek stopowy Cr, Mo, Ni.

Wysokie odpuszczanie stali przeprowadza się w temperaturze ok. 500 °C. Konkretne wartości, jakie powinny osiągnąć temperatury dla odpowiedniego typu stali, można odnaleźć w normach. Niewłaściwie przeprowadzony proces może prowadzić do tzw. kruchości drugiego rodzaju.

Utwardzanie cieplne

To też obróbka termiczna metali będąca połączeniem hartowania z niskim odpuszczaniem. Stosowana jest w celu zwiększenia twardości przy jednoczesnym usunięciu naprężeń wprowadzanych przy zahartowaniu. Umożliwia polepszenie własności narzędzi.

 Przesycanie

Obróbka cieplna stosowana dla stali, w której efekcie dochodzi do stabilizacji austenitu. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję.

Przesycanie polega na nagrzaniu stali do temperatur przemiany austenitycznej, a następnie, jak w zahartowaniu na szybkim jej schłodzeniu. Różnica między tymi procesami polega na tym, że przy przesycaniu chcemy uniknąć przeprowadzenia przemiany martenzytycznej.

Możliwe jest to tylko dla stali, w których temperatura początku przemiany martezytycznej jest niższa od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki obniżające tę temperaturę takie jak chrom. Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Starzenie

Starzenie stopu to obróbka termiczna, której poddawany jest przesycony stop metali . Ten proces technologiczny powoduje poprawę właściwości wytrzymałościowych materiału i twardości oraz zmniejszenie plastyczności materiału (inaczej szybkość odkształcenia plastycznego).

Rodzaje starzenia

Wyróżniamy starzenie naturalne (samorzutne) oraz przyspieszone (sztuczne)

Starzenie przyspieszone (sztuczne) to proces polegający na nagrzaniu stopu przesyconego metalu w temperaturze granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu go w tej temperaturze i powolnym wychłodzeniu. Podczas starzenia w przesyconym roztworze wydziela się rozpuszczony składnik będący w nadmiarze w postaci fazy drobnoziarnistej.

Proces starzenia zachodzący w temperaturze pokojowej nazywamy starzeniem samorzutnym lub starzeniem naturalnym.

Utwardzanie wydzieleniowe

Obróbka cieplna stanowiąca połączenie procesów przesycania i starzenia jest nazywana utwardzaniem wydzieleniowym. Poddawane są mu stopy wykazujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym. Metoda może służyć poprawianiu własności i zwiększeniu wytrzymałości mechanicznej oraz granicy plastyczności wielu stopowych materiałów konstrukcyjnych w tym metali nieżelaznych m.in. stopów aluminium, magnezu, niklu, tytanu oraz stopowych nierdzewnych stali austenitycznych i ferrytycznych.

Dla specjalnych stali nierdzewnych utwardzanych wydzieleniowo można uzyskać odporność i ochronę przed skutkami korozji oraz wytrzymałość mechaniczną wymaganą w szczególnych warunkach, np. wysoką wytrzymałość i odporność na odkształcenia w podwyższonych temperaturach.

Podsumowanie

Obróbka cieplna stosowana jest dziś niemal we wszystkich branżach nowoczesnego przemysłu. Elementy poddane tym obróbkom znajdziemy w samochodach, samolotach, komputerach, ale także w tak prozaicznych miejscach jak kuchnia, gdzie zachodzi obróbka termiczna żywności. Często obróbka cieplna jest jednym z etapów w długim ciągu nadawania produktowi pożądanych kształtów i właściwości obok np: obróbki skrawaniem, pokryć galwanicznych jak chromowanie, pokryć PVD, itp

Każdy z elementów, który ma zostać poddany obróbkom musi być poddany wielospektowej analizie na etapie projektowania, aby osiągnąć pożądane właściwości użytkowe. Znajomość, a potem dobór odpowiednich operacji obróbki cieplnej jest dziś niezbędny, aby optymalnie dostosować produkt do wymagań rynku.