Obróbka cieplna metali
Obróbka cieplna umożliwia ulepszanie elementu metalowego, by mógł on lepiej wypełniać swoje zadanie. Stosowanie obróbki cieplnej może nadać mu odpowiednią twardość lub plastyczność, jak również wpłynąć na przewodność elektryczną i cieplną materiału.
Najczęściej obróbce cieplnej poddaje się stale różnych rodzajów. Obróbka cieplna metali nieżelaznych także stosowana jest w celu poprawy ich właściwości.
Obróbkę cieplna zwykła
Obróbka termiczna to proces technologiczny, który ma na celu zmianę właściwości materiału poprzez zmiany struktury stopów, bez zmiany składu chemicznego. Obróbka cieplna zwykła przebiega w temperaturach niższych niż temperatura topnienia.
Obróbkę cieplno-chemiczną
Proces technologiczny ma na celu wprowadzanie do określonej warstwy lub całego przedmiotu dodatkowego pierwiastka, aby dokonać zmian we własnościach elementu.
Obróbkę cieplno-mechaniczna (cieplno-plastyczną)
W obróbce plastycznej na materiał oprócz temperatury działają również siły nacisku powodujące deformacje struktury.
Obróbkę cieplno-magnetyczna
Proces technologiczny, który polega na zmianie magnetycznych właściwości stopów metali na skutek działania temperatury, czasu oraz pola magnetycznego.
Obróbka cieplna zwykła i jej przebieg
Na obróbkę cieplną składają się odpowiednio dobrane zabiegi cieplne, które poprzez zmiany struktury krystalicznej materiału w stanie stałym, prowadzą do zmiany właściwości metalu i jego stopów. To proces polegający na nagrzaniu metalu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w określonej temperaturze przez konieczny czas, a następnie schłodzeniu do temperatury otoczenia (lub niższej) za pomocą odpowiedniego ośrodka chłodzącego w odpowiednim tempie.
Odpowiednio dobierając parametry i sposób prowadzenia obróbki cieplnej możemy wpływać na wielkość ziarna austenitu oraz skład i proporcje powstających w czasie chłodzenia struktur wewnętrznych w materiale i w efekcie na jego własności.
Rodzaje obróbki cieplnej
W zależności od parametrów obróbki cieplnej oraz zmian w strukturze wyróżnia się : wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie i starzenie.
Wyżarzanie
To obróbka cieplna, której celem jest uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością. Ze względu na temperaturę dzieli się je na:
Wyżarzanie odprężające
Odprężanie polega na nagrzaniu materiału do temperatury 600-650 °C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Wyżarzanie to usuwa naprężenia odlewnicze, cieplne oraz spawalnicze. Stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.
Wyżarzanie stabilizujące
Wyżarzanie przeprowadza się w temperaturze do 150 °C. Ma ono na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Stosowane do narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, walców hutniczych.
Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi nazwę sezonowanie.
Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące)
Polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200 °C, długotrwałym wygrzaniu aż do wyrównania składu chemicznego, oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności, jakie ma skład chemiczny materiału.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie)
Polega na nagrzaniu stali do stanu austenitycznego, a następnie studzeniu jej na powietrzu. Celem jest poprawa właściwości mechanicznych stali. Często przeprowadzane przed dalszą obróbką cieplną. Stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa.
Wyżarzanie zupełne
Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu metalu do określonej temperatury i powolnym studzeniu w komorze pieca. Poddaje się jej stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu jest za duża i może prowadzić do zahartowania stali. Celem jest zmniejszenie twardości, usunięcie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali.
Wyżarzanie izotermiczne
Polega na podgrzaniu i wyżarzaniu stali w temperaturze 900-1100°C, a następnie chłodzeniu izotermicznym w ok. 550°C. Również stosowane do stali stopowych, w jego wyniku dostajemy obniżenie twardości i lepszą podatność do obróbki skrawaniem niż w wyżarzaniu zupełnym.
Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczające)
Zachodzi w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Charakteryzuje je bardzo powolne schładzanie. Jego wynikiem jest podniesienie obrabialności elementu.
Wyżarzanie rekrystalizujące
Wyżarzanie rekrystalizujące jest stosowane do metali poddanych obróbce plastycznej na zimno. Jego wynikiem jest zmniejszenie wytrzymałości i twardości oraz poprawa plastyczności materiału.
Hartowanie
Hartowanie to obróbka cieplna polegający na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrzaniu i następnie szybkim chłodzeniu, które pozwoli na uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Hartowanie stali pozwala na uzyskanie wysokiej twardości i zwiększenie wytrzymałości elementu. Hartowność stali zależy od zawartości węgla i dodatków stopowych. Uzyskiwana twardość zależy od szybkości chłodzenia.
Hartowanie zwykłe
Hartowanie to polega na prowadzeniu ciągłego obniżania temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej szybkości chłodzenia. Chłodzenie zachodzi w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do uzyskania pełnej struktury martenzytycznej.
Hartowanie stopniowe
Hartowanie stopniowe metali to proces hartowania, w którym występują dwie operacje chłodzenia. Najpierw obrabiany element jest chłodzony w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej stali, przez czas konieczny do wyrównania temperatury na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu. Potem następuje jego powolne chłodzenie do temperatury pokojowej.
Pozwala to uniknąć naprężeń hartowniczych w przekroju elementu oraz zmniejsza skłonność elementu do pękania i paczenia przy chłodzeniu.
Hartowanie z przemianą izotermiczną
Hartowanie izotermiczne (bainityczne), przebiega podobnie jak w hartowaniu stopniowym. Stal nagrzana do odpowiedniej temperatury jest następnie ochładzana w kąpieli w zakresie temperatur 250-400 °C. Utrzymywana jest w niej do czasu zakończenia przemiany bainitycznej i ostatecznie chłodzi się w powietrzu.
Hartowanie z przemianą izotermiczną umożliwia otrzymanie struktury bainitycznej, która posiada dużą twardość, a jednocześnie większą ciągliwość i udarność.
Hartowanie powierzchniowe i objętościowe
Ze względu na zasięg grubości warstwy, w której zachodzi obróbka cieplna metali . Procesy hartowania metali dzielimy na: objętościowe i powierzchniowe.
Hartowanie objętościowe (na wskroś)
Hartowanie to zachodzi wtedy gdy zasięg przemiany martenzytycznej obejmuje całą objętość obrabianych cieplnie metali. Produkty uzyskują te same właściwości w całym przekroju.
Hartowanie powierzchniowe
Polega na nagrzaniu do temperatury hartowania wyłącznie warstwy powierzchniowej elementu i następnie na jej szybkim ochłodzeniu. Obróbka jest stosowana gdy potrzebne są różne właściwości stali na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu.
Czas nagrzewania jest krótszy dzięki specjalnym sposobom nagrzewania elementu. Stosuje się nagrzewanie: indukcyjne, płomieniowe, wiązkowe (laserowe, elektronowe, jonowe), kąpielowe.
Odpuszczanie
Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej niż temperatura przemiany eutektoidalnej oraz chłodzeniu do temperatury otoczenia. To obróbka cieplna przeprowadzana na stali wcześniej poddanej procesowi hartowania.
Celem odpuszczania jest zmniejszenie naprężeń własnych oraz zwiększenie własności plastyczności i ciągliwości stali. Wyróżniamy następujące odmiany odpuszczania:
Odpuszczanie niskie
Zachodzi w temperaturze 150-250°C i ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych. Zachowane zostaje zwiększenie twardości oraz odporność na ścieranie. Odpuszczanie niskie stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo.
Odpuszczanie średnie
Zachodzi w temperaturze 250-500°C. Ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych, uzyskanie dużej sprężystości i wytrzymałości stali. Odpuszczanie średnie jest stosowane głównie do stali sprężynowych oraz w konstrukcyjnych stalach niskowęglowych.
Odpuszczanie wysokie
W tej obróbce cieplnej nagrzewanie stali do temp. powyżej 500°C i chłodzenie, ma na celu otrzymanie jak najwyższej udarności stali. Odpuszczanie wysokie stosowane jest głównie do stali konstrukcyjnych o różnej zawartości węgla.
Utwardzanie i ulepszanie cieplne
Procesy obróbki cieplnej stali mogą być łączone. Połączenie procesu hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym. Umożliwia ono zwiększenie wytrzymałości i twardości narzędzi..
Połączenie procesu hartowania z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywamy ulepszaniem cieplnym. To obróbka cieplna, której poddaje się wymagające produkty stalowe, przed zastosowaniem obróbki skrawaniem np.: wały korbowe, wały okrętowe i samochodowe, itp.
Przesycanie
Przesycanie polega na nagrzaniu stopu metali do temperatury powyżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu, w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze stałym. W wyniku tej obróbki cieplnej poprawiają się właściwości plastyczne stali.
Starzenie
Starzenie powoduje poprawę wytrzymałości i twardości oraz pogorszenie plastyczności stali. Najpierw następuje nagrzewanie stopu metali uprzednio przesyconego do temperatury niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, potem wygrzaniu w tej temperaturze i wreszcie powolnym chłodzeniu.
Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej, to nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego.
Utwardzanie wydzielinowe
Połączenie procesu przesycania i starzenia określa się nazwą utwardzanie wydzieleniowe. Poddawane są mu stopy metali charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym.
Ta obróbka cieplna ma zastosowanie do metali nieżelaznych: stopów aluminium, magnezu, niklu, tytanu oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych. Proces umożliwia uzyskanie odpornej na korozję stali stopowej oraz nadaje stali wysoką wytrzymałość i odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach.
Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbka cieplno-chemiczna ma na celu zmienić skład chemiczny materiału przez wprowadzanie do przypowierzchniowej warstwy przedmiotu pierwiastka, aby dokonać zmian we własnościach (np. uzyskanie wysokiej twardości warstwy powierzchniowej i ciągliwego rdzenia).
Obróbka cieplno-chemiczna ma na celu zwiększyć odporność metali na ścieranie, a także zabezpieczenie ich przed skutkami korozji. Jej wynikiem jest także zapewnienie wysokiej wytrzymałości na obciążenia dynamiczne. Obróbka cieplna chemiczna metali to proces, który wykonuje się przede wszystkim na stopach żelaza o różnej zawartości węgla, czyli stali, staliwie i żeliwie.
Przebieg obróbki cieplno-chemicznej
Ta obróbka cieplno-chemiczna jest oparta na zjawisku dyfuzji zachodzącym w chemicznie aktywnej atmosferze i przy określonej temperaturze. Składniki wnikają do stali i pozwalają nadać powierzchni wiele nowych cech lub wzmocnić już posiadane.
Nawęglanie
Nawęglanie zmienia zawartość węgla przypowierzchniowych stref materiału, może odbywać się w proszkach lub atmosferach gazowych. Następnie wykonuje się hartowanie i niskie odpuszczanie.
Azotowanie
Azotowanie polega na nasycaniu dyfuzyjnym azotem stref przypowierzchniowych stali, które zostały wcześniej zahartowane oraz wysoko odpuszczone, więc nie jest już stosowana dodatkowa obróbka cieplna.
Borowanie
To nasycanie metalu borem w kąpieli solnej w temperaturze ok. 1000 °C . W efekcie metal staje się bardziej odporny na działanie kwasu solnego.
Krzemowanie dyfuzyjne
Krzemowanie dyfuzyjne polega na nasycaniu wierzchniej warstwy metalu krzemem w wyniku wygrzewania go w ekstremalnie wysokich temperaturach (od 950 do 1250 °C ) w ośrodku stałym lub gazowym zawierającym związki krzemu. Proces ten prowadzi do uodpornienia materiału na żar oraz działanie kwasów.
Nasiarczanie
Inaczej siarkowanie to obróbka cieplna chemiczna przeprowadzana w temperaturze od 200 do 900 °C w środowisku, do którego dostarczany jest siarkowodór. Proces ten zwiększa własności ślizgowe materiału oraz jego odporność na korodowanie
Aluminiowanie
Jest procesem nasycania metalu glinem, który przeprowadza się w ośrodku gazowym lub w kąpieli aluminiowej. Zastosowanie tej obróbki cieplnej chemicznej daje efektywne zabezpieczenie przed korozją.
Węgloazotowanie
Węgloazotowanie to obróbka cieplno-chemiczna polegająca na jednoczesnym zwiększeniu zawartości węgla i azotu. Po hartowaniu i odpuszczaniu zyskuje się twardą i odporną na ścieranie warstwę powierzchniową. W zależności od rodzaju ośrodka rozróżnia się procesy węgloazotowania kąpielowego - cyjanowania lub gazowego - w atmosferze amoniaku.
Usługa obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
Systemowy Park Technologiczny MetalTop.pl umożliwia łatwe wyszukiwanie usług z zakresu obróbki cieplnej i obróbki cieplno-chemicznej metali. W naszej bazie znajdziesz wykonawców z całego kraju i bez problemu dobierzesz firmę najbardziej odpowiadającą Twoim wymaganiom, a szczegółowe filtry umożliwiają idealne dopasowanie ofert.
