Obróbka cieplna

Obróbka cieplna jest bardzo ważną częścią procesu produkcyjnego gdyż umożliwia ulepszenie elementu metalowego, tak aby mógł on lepiej spełniać swoją rolę. Przez zastosowanie obróbki cieplnej można zmienić własności elementu, na przykład sprawić aby materiał był twardszy lub bardziej plastyczny. Proces obróbki cieplnej może również wpłynąć na przewodność elektryczną, a także cieplną danego materiału.

Wśród materiałów poddawanych obróbce cieplnej przeważają stale różnych rodzajów. Metale nieżelazne także poddaje się obróbce cieplnej w celu poprawy ich własności.

Podział obróbki cieplnej

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury oraz właściwości metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

Obróbkę cieplną (zwykłą)

Proces ma na celu zmianę właściwości materiału poprzez zmianę struktury, lecz bez zmiany kształtu obrabianego przedmiotu.

Obróbkę cieplno-chemiczną

Proces ma na celu wprowadzanie do określonej warstwy lub całego przedmiotu dodatkowego pierwiastka, aby dokonać zmian we własnościach (np. uzyskanie wysokiej twardości i odporności na ścieranie warstwy powierzchniowej i ciągliwości rdzenia).

Obróbkę cieplno-mechaniczną (cieplno-plastyczną)

W tym rodzaju obróbki na materiał oprócz temperatury działają również siły nacisku powodujące deformacje struktury. Obróbka zależna jest od takich czynników jak temperatura, stopień gniotu oraz szybkość odkształcenia plastycznego.

Obróbkę cieplno-magnetyczną

Proces technologiczny który polega na zmianie magnetycznych właściwości stopów metali na skutek działania temperatury, czasu oraz pola magnetycznego.

Przebieg obróbki cieplnej (zwykłej)

Najprościej mówiąc jest to proces polegający na nagrzaniu metalu do wymaganej temperatury, wytrzymaniu w określonej temperaturze przez konieczny czas, a następnie schłodzeniu do temperatury otoczenia (lub niższej) za pomocą odpowiedniego ośrodka chłodzącego w wymaganym tempie.

Rodzaje obróbki cieplnej

W zależności od parametrów obróbki cieplnej oraz zmian zachodzących w strukturze materiału pod wpływem obróbki cieplnej wyróżnia się: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie i starzenie.

Wyżarzanie

Jako wyżarzanie określa się zabiegi cieplne, których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale 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, w której wyżarzanie przebiega, dzieli się je na:

Wyżarzanie odprężające

Odprężanie polega na nagrzaniu materiału do temperatury 600-650C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie niekorzystnych naprężeń wprowadzonych w wyniku wcześniejszej obróbki, bez zmian struktury i właściwości. 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 150C. 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 1000-1200C, długotrwałym wygrzaniu w tych wysokich temperaturach 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 na powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa. Często przeprowadzane przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

Wyżarzanie zupełne

Operacja polega na nagrzaniu stali, jak przy wyżarzaniu normalizującym do stanu austenitycznego 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

Polegający na 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 mniejszą twardość i lepszą obrabialność niż w wyżarzaniu zupełnym.

Wyżarzanie sferoidyzujące

Zachodzi określonej temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Najpierw przeprowadza się wygrzewanie, a następnie bardzo powolne schładzanie. Jego wynikiem jest podniesienie obrabialności elementu.

Hartowanie

Hartowanie to proces obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrzaniu i następnie oziębieniu, z szybkością która pozwoli na uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Hartowanie stali ma na celu poprawę jej właściwości mechanicznych. Pozwala na uzyskanie wysokiej twardości i wytrzymałości elementu.

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. Stale węglowe chłodzimy najczęściej w wodzie lub roztworach soli, natomiast stale stopowe w oleju lub powietrzu.

Hartowanie stopniowe

Hartowanie stopniowe metali jest stosowane jako obróbka cieplna pozwalająca na zabezpieczenie obrabianych elementów przed pęknięciami i deformacjami. To proces hartowania w którym występują dwie operacje chłodzenia. Najpierw obrabiany element jest chłodzony w kąpieli o temperaturach wyższych od temperatury w której zaczyna się przemiana martenzytyczna stali, przez czas konieczny do wyrównania temperatury na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu. Potem następuje jego powolne chłodzenie do temperatury otoczenia.

Dzięki wyrównaniu temperatury na powierzchni i w rdzeniu materiału oraz niskiej szybkości chłodzenia, dochodzi do zanikania naprężeń hartowniczych w przekroju elementu oraz zmniejsza się skłonność do pękania i paczenia elementu przy chłodzeniu.

Hartowanie z przemianą izotermiczną

Hartowanie izotermiczne (bainityczne), przebiega podobnie jak w hartowaniu stopniowym. Stal poddawana w wysokich temperaturach przemianom austenitycznym jest następnie ochładzana w kąpieli w zakresie temperatur 250-400C. Utrzymywana jest w tej temperaturze do czasu zakończenia przemiany bainitycznej i ostatecznie chłodzi się w powietrzu.

Hartowanie powierzchniowe i objętościowe

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

Hartowanie objętościowe (na wskroś)

Hartowanie to zachodzi wtedy gdy przemiana austenityczna obejmuje całą objętość obrabianych cieplnie metali. Produkty uzyskują te same właściwości w całym przekroju.

Hartowanie powierzchniowe

Polega na szybkim nagrzaniu do temperatury hartowania wyłącznie warstwy powierzchniowej elementu i następnie na jej szybkim ochłodzeniu. Obróbka może być zastosowana wszędzie tam, gdzie produkt ma osiągnąć własności twardości i odporności na ścieranie w warstwie powierzchniowej i mieć sprężysty rdzeń.

Odpuszczanie

Odpuszczanie to obróbka cieplna przeprowadzana na stali wcześniej poddanej procesowi hartowania. Obróbka polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej niż temperatura przemiany eutektoidalnej oraz chłodzeniu do temperatury otoczenia.

Celem odpuszczania jest zmniejszenie naprężeń własnych oraz zwiększenie własności plastyczności i ciągliwości stali. Wyróżniamy następujące odmiany odpuszczania:

Odpuszczanie niskie

Ten rodzaj odpuszczaniaktóre zachodzi w temp. (150-250°C) ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych. Zachowane zostaje zwiększenie twardości oraz odporność na ścieranie uzyskana przez stal w wyniku hartowania. Odpuszczanie niskie stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo.

Odpuszczanie średnie

Ten proces obróbki zachodzi w temp. (250-500°C). Przeprowadza się go po hartowaniu. Ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych oraz uzyskanie własności dużej sprężystości oraz wytrzymałości stali, kosztem zmniejszenia twardości. Odpuszczanie średnie jest stosowane głównie do stali sprężynowych oraz konstrukcyjnych.

Odpuszczane 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.

Utwardzanie i ulepszanie cieplne

Procesy obróbki cieplnej stali mogą być łączone, co pozwala uzyskać produkty o odpowiedniej twardości i wytrzymałości. Połączenie procesu hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym. Połączona obróbka umożliwia polepszenie własności narzędzi głównie twardości i wytrzymałości.

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 w tych wysokich temperaturach i szybkim chłodzeniu, w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze stałym. W wyniku obróbki cieplnej przesycania poprawiają się właściwości plastyczne stali natomiast zmniejsza się wytrzymałość i twardość.

Przesycanie jest szeroko wykorzystywane dla stali Cr-Ni (chromowo-niklowej) oraz do uszlachetniania wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych właściwościach magnetycznych.

Starzenie

Starzenie powoduje poprawę własności wytrzymałościowych i twardości oraz pogorszenie plastyczności. Starzenie polega na kolejnym wykonywaniu zabiegów: Najpierw nagrzewanie stopu metali uprzednio przesyconego do temperatury poniżej 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 wspólną nazwą utwardzanie wydzieleniowe. Utwardzaniu wydzieleniowemu poddawane są stopy metali charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym.

Ta obróbka cieplna ma zastosowanie do umacniania wytrzymałości metali nieżelaznych: stopów aluminium, magnezu, niklu, tytanu oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych.

Proces pozwala także na uzyskanie odpornej na korozję stali stopowej. Pozwala także uzyskać 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.

Obróbka cieplno-chemiczna ma na celu zwiększyć odporność metali na ścieranie, a także zabezpieczenie ich przed korozją. Jej wynikiem jest także zapewnienie wysokiej wytrzymałości na obciążenia dynamiczne. Obróbka cieplno-chemiczna metali to proces, który wykonuje się przede wszystkim na stopach żelazo-węgiel czyli stali, staliwie i żeliwie.

Przebieg obróbki cieplno-chemicznej

Opierają się one 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.

W przypadku tego rodzaju obróbki można się spotkać z procesami:

Nawęglanie

Nawęglanie skupia w sobie operacje takie jak nasycanie węglem przypowierzchniowych stref, hartowanie oraz niskie odpuszczanie. Nawęglanie może odbywać się w proszkach, bądź może być gazowe.

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 w wysokich temperaturach.

Borowanie 

To nasycanie metalu borem w temperaturze ok. 1000oC. 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 1250oC) w ośrodku stałym lub gazowym zawierającym związki krzemu. Proces ten prowadzi do uodpornienia materiału na żar oraz działanie kwasów.

Nasiarczanie 

Inaczej siarkowanie to obróbka cieplno-chemiczna przeprowadzana w temperaturze od 200 do 900oC 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 w temperaturze 900-1000oC lub w kąpieli aluminiowej (750-800oC). Ta obróbka cieplno-chemiczna daje efektywne zabezpieczenie przed korozją.

Węgloazotowanie

Węgloazotowanie pozwala stworzyć twardą i odporną na zużycie warstwę. To obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasyceniu stali jednocześnie węglem i azotem w temperaturze 500–950 °C. W zależności od rodzaju ośrodka wydzielającego węgiel i azot rozróżnia się procesy węgloazotowania kąpielowego - cyjanowania lub gazowego - w atmosferze amoniaku.

Usługa Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna

Systemowy Park Technologiczny MetalTop.pl pozwala na łatwe wyszukiwanie usług z zakresu cieplno-chemicznej obróbki metali w piecach komorowych.