Obróbka cieplna (1/2) – Jak poprawić właściwości stali

Obróbka cieplna stali od podstaw

Czy zastanawiałeś się kiedykolwiek dlaczego dwa z pozoru identyczne przedmioty mogą być w innym stopniu odporne na uszkodzenia? Jak to się dzieje, że jeden produkt może służyć przez lata a drugi wygina się przy pierwszym kontakcie z czymś twardym? Nie są to jednak żadne czary mary, ale z góry zaplanowany efekt. Wszystko zależy od potrzeb na bazie, których tworzone są założenia projektowe. To właśnie na tym etapie podejmowana jest decyzja co do gatunku materiału oraz jego późniejszych właściwości mechanicznych, fizyko-chemicznych czy też plastycznych. Gotowy projekt trafia do realizacji. Na jego podstawie opracowywany jest proces technologiczny uwzględniający różne operacje, dzięki którym otrzymujemy produkt o odpowiedniej twardości, wytrzymałości na rozciąganie, czy przykładowo udarności.

Rozpoczynamy krótką, bo raptem dwuczęściową serię artykułów, których tematyką będzie obróbka cieplna stali. W pierwszym z nich sprawdzimy czym właściwie ta obróbka jest. Powiemy sobie również jakie warunki muszą zostać spełnione, aby nasz proces był kontrolowany i powtarzalny. Na koniec zaś przyglądniemy się bliżej samej stali.

Natomiast druga część poświęcona będzie wyłącznie obróbce cieplnej. Sprawdzimy między innymi jakie różne operacje możemy wykonywać w jej ramach. Czym one się różnią między sobą oraz jakie jest ich zastosowanie. Zanim przejdziemy do meritum warto podkreślić jeszcze jedną rzecz. Mianowicie, celem tego artykułu jest przybliżenie w możliwie najprostszy sposób podstaw obróbki cieplnej z pominięciem wielu szczegółów, które nie są konieczne na tym etapie do zrozumienia zagadnienia. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

• Co to jest obróbka cieplna i po co w ogóle się ją wykonuje.
• Czym są TUS i SAT oraz jak określić klasę pieca?
• Czym różni się stal od żeliwa a także kiedy mówimy o stali stopowej a kiedy o stali niestopowej.
• Jakie przemiany alotropowe zachodzą w stali.
• Jakie są składniki strukturalne stali i od czego zależy ich występowanie.

Ten materiał stanowi pierwszą część cyklu poświęconego obróbce cieplnej stali. W jego ramach ukazał się również drugi artykuł:

• Obrobka cieplna (2/2) – Podział procesów

Co to jest obróbka cieplna?

Operacja obróbki cieplnej to nic innego jak trzy następujące po sobie zabiegi. Obejmują one nagrzewanie, czyli podnoszenie temperatury danego wyrobu. Następnie następuje jego wygrzewanie, czyli właściwa część procesu. Zaś ostatnim krokiem jest chłodzenie danej części. Zarówno nagrzewanie jak i chłodzenie może być ciągłe lub stopniowe. Mamy więc jak na razie dwa czynniki wpływające na proces: temperaturę oraz czas procesu. Kolejną ważną kwestią jest atmosfera w jakiej odbywać się będzie dana operacja. Najczęściej spotkamy się z powietrzem, próżnią lub atmosferą ochronną. Na koniec potrzebujemy jeszcze urządzenia, które zapewni nam osiągniecie założonej temperatury oraz odpowiednią prędkość chłodzenia jeśli jest ona wymagana. Na tym etapie skupimy się na piecach jednak w drugiej części opiszemy również inne metody, które mogą być stosowane. Ponieważ obróbka cieplna jest procesem specjalnym to nie będziemy w stanie zweryfikować skuteczności wykonanych operacji bez zniszczenia danej części. O tym czym jest proces specjalny przeczytacie w osobnym artykule na blogu:
Procesy Specjalne – czym są oraz po co je wykonujemy.

Aby zatem wiedzieć czy wykonana obróbka cieplna została przeprowadzona w prawidłowy sposób, ale bez wspomnianego niszczenia części, będziemy musieli zweryfikować również sam proces. W tym celu w raz z produktem do wsadu dołączymy także dodatkowe próbki z tego samego wytopu materiału. Będziemy musieli również sprawdzić, czy nasze urządzenie spełnia wymagania dotyczące pirometrii, czyli w prostych słowach czy wykonywane pomiary temperatury są zgodne.

Obróbka cieplna – jak kontrolować proces?

Jeśli spojrzymy na rysunek części to zauważymy, że wymiary posiadają swoje tolerancje. Analogicznie jest w przypadku procesu jakim jest obróbka cieplna. Z tą różnicą, że zamiast wymiarów będziemy musieli zapewnić osiągnięcie różnych właściwości, jak chociażby twardości. Możemy spotkać się zarówno z wartością minimalną, maksymalną lub też wymaganym przedziałem. W takim wypadku niezbędne będzie określenie odpowiednich parametrów w jakich odbywać się będzie obróbka cieplna. W większości przypadków bazować będziemy na specyfikacji przywołanej w dokumentacji konstrukcyjnej wyrobu. To tam bowiem znajdziemy opis poszczególnych operacji wraz z wymaganym czasem procesu oraz temperaturą. Przykładem takich norm jest ogólnoprzemysłowa seria AMS 2759. Tego typu specyfikacje narzucają nam nie tylko wspomniane parametry, ale również inne wymagania wśród, których jedną z ważniejszych rzeczy jest klasa pieca. Dzięki niej możemy się dowiedzieć jaka jest tolerancja temperatury dla danego procesu. Jednak o tym jakie są to wartości najczęściej dowiemy się z normy na pirometrię. Najpowszechniej stosowaną z nich jest AMS 2750 i na niej właśnie będziemy bazować w tym materiale. To ona odpowie nam na pytanie dotyczące kontroli procesu jakim jest obróbka cieplna.

Obróbka cieplna – klasa pieca

Im wyższą klasę posiada nasz piec tym bardziej dokładnie jest wykonywany nasz proces. AMS 2750 definiuje sześć różnych klas pieca numerowanych od 1 do 6. Przy czym najdokładniejsze urządzenie będzie sklasyfikowane jako klasa 1. Będzie ono musiało osiągać dokładność rzędu ± 3°C lub 5°F. W jaki jednak sposób możemy sprawdzić, czy dane urządzenie spełnia te wymagania? W tym celu niezbędne będzie wykonanie badania rozkładu temperatury – TUS (ang. Temperature Uniformity Survey). Potwierdzi nam ono czy dany piec jest w stanie osiągnąć i utrzymać w danej tolerancji założoną temperaturę. Pomiaru dokonujemy przy zastosowaniu od kilku do kilkunastu termopar. Ich ilość zależy od powierzchni roboczej danego urządzenia. Badanie wykonywane jest przez minimum 30 minut od momentu ustabilizowania się temperatury. Natomiast samo zbieranie danych powinno rozpocząć się wcześniej. Musimy posiadać zapis dla każdego czujnika jeszcze zanim osiągnie on temperaturę o 55°C niższą od tej, która jest naszym nominałem. Co ważne, nie jest to badanie jednorazowe, ale okresowe. Częstotliwość zaś zależy od tego, czy proces wykonywany jest na surowym materiale, czy też częściach a także od klasy pieca oraz typu oprzyrządowania.

Obróbka cieplna – oprzyrządowanie pieca

Obróbka cieplna powinna odbywać się w urządzeniu, które jest wyposażone w dany typ oprzyrządowania. W tym przypadku mamy oznaczenia literowe: A, B, C, D, D+ oraz E. Najlepiej wyposażonym piecem będzie ten oznaczony literą A, zaś najgorzej literą E. Aby nie było jednak tak łatwo typ B i C różni się od siebie rodzajem zainstalowanego oprzyrządowania. Oba zawierają instrumenty wymagane dla typu D, czyli rejestrator, kontroler oraz regulator zabezpieczający, ale poza tym:
– typ B zawiera termoparę wsadową (ang. load thermocouple), zaś
– typ C zawiera dwie dodatkowe termopary zainstalowane w najgorętszym i najzimniejszym punkcie danego urządzenia – zwane często gorącym i zimnym punktem (ang. hottest and coldest locations). Oba z nich wyznaczane są podczas badania rozkładu temperatury, ale oczywiście wyłącznie wtedy jeśli nasze urządzenie posiada wspomniane instrumenty. Ich położenie nie jest stałe i może się zmieniać w zależności od otrzymanych wyników TUS.

Natomiast typ D+ to rozwinięcie typu D w postaci dodania dodatkowego czujnika rejestrującego dla każdej strefy roboczej pieca.

Oprzyrządowanie naszego pieca powinno być okresowe kalibrowane lub w przypadku niektórych typów termopar wymieniane. Dodatkowo również w odpowiednich odstępach czasu powinniśmy wykonać badanie dokładności systemu – SAT (ang. System Accuracy Test). Podczas tego testu porównujemy wyniki z naszego pieca z odczytem z urządzenia wyższego rzędu – w tym przypadku terenowego (ang. Field test instrument). Otrzymane wyniki powinny mieścić w tolerancji wymaganej dla danego typu i klasy pieca. Odpowiednio wyposażony i skalibrowany piec pozwoli nam, aby obróbka cieplna danego materiału przeprowadzona była w sposób kontrolowany i powtarzalny. W naszym wypadku wspomnianym materiałem będzie stal.

Jak zdefiniować stal

Pojęcie stali jest znane praktycznie każdemu. I nie mam na myśli tutaj żadnego klubu piłkarskiego o tej nazwie, bo znajdziemy ich w naszym kraju całkiem sporo a stop żelaza z węglem. Mniej wtajemniczeni traktują co prawda nazwę stal i metal jako synonim, ale nie jest to poprawne.

Aby to wytłumaczyć musimy zrobić sobie ekspresową powtórkę z chemii. Układ okresowy zawiera różne pierwiastki wśród, których wyróżnić możemy dwie grupy: metale i niemetale. Przykładem metalu może być zatem żelazo, zaś niemetalem jest węgiel.

Na bazie pierwiastków będących metalami możemy tworzyć stopy. Jest to nic innego jak substancja, w skład której wchodzą dwa lub więcej różnych pierwiastków. Ważne jednak jest to, aby przewagę stanowił pierwiastek będący metalem. I w tym momencie dochodzimy do stali. Jest to bowiem stop żelaza z węglem, przy czym maksymalna zawartość tego drugiego pierwiastka wynosi 2,11%. Co ważne, aby ten stop stał się stalą musi zostać obrobiony plastycznie i być obrabialny cieplnie. Warto również wiedzieć, że jeśli zawartość węgla w stopie jest powyżej  2,11%, ale również nie większa 6,67% to mamy do czynienia z żeliwem.

Rodzaje stali

Istnieje kilka różnych klasyfikacji stali, którą możemy podzielić ze względu na chociażby skład chemiczny, zastosowanie, postać, stan, sposób wytwarzania czy też odtleniania. W tym materiale skupimy się na pierwszej z wymienionych klasyfikacji, czyli składzie chemicznym, gdzie mamy podział na stal niestopową i stopową.

Stal niestopowa

W przypadku stali niestopowej mamy do czynienia ze stopem żelaza z węglem oraz śladowymi ilościami innych pierwiastków, które nie powinny mieć wpływu na strukturę i własności stali. Maksymalne stężenie graniczne zależy między innymi od rodzaju danego pierwiastka, ale również i normy.

Stal niestopowa znana również jako stal węglowa, dzieli się na trzy podgrupy:
– stal niskowęglową – o zawartości węgla do 0,25%, charakteryzuje się niską twardością oraz wytrzymałością na rozciąganie a także wysoką plastycznością. Jest najpowszechniej stosowaną stalą ze względu na uniwersalne właściwości, które znajdują zastosowanie w wielu branżach. Wykonujemy z niej śruby, nity, czy łańcuchy.
– stal średniowęglową – zawartość węgla mieści się w przedziale od 0,25% do 0,6%. Wraz z jego wzrostem rośnie również jej twardość oraz wytrzymałość, zaś maleje plastyczność. Dzieje się tak, bowiem zwiększa się udział twardego i jednocześnie kruchego cementytu kosztem miękkiego ferrytu. Czym jest cementyt i ferryt powiemy sobie w dalszej części tego materiału. Stal średniowęglowa stosowana jest do wyrobu elementów, które wymagają wyższego poziomu wytrzymałości. Przykładami mogą być wały korbowe, koła zębate, czy przekładnie ślimakowe.
– stal wysokowęglową – o zawartości węgla powyżej 0,6%. Charakteryzuje się największą twardoscią oraz odpornością na zużycie ze wszystkich stali węglowych. Jest to jednak równoznaczne z najmniejszą plastycznością. Znajduje zastosowanie do wyrobu narzędzi tnących, łożysk czy sprężyn.

Stal Stopowa

W stalach stopowych również mamy do czynienia ze stopem żelaza z węglem jednak w tym przypadku przekroczona została graniczna zawartość co najmniej jednego dodatkowego pierwiastka. Pamiętajmy, że pierwiastki te wprowadzane są do stali celowo, aby zmienić jej właściwości. Mają one zasadniczy wpływ na zwiększenie hartowności oraz ułatwienie obróbki cieplnej. Pierwiastki stopowe zwiększają również wytrzymałość danego stopu, oraz jego odporność na korozję. Stal stopowa analogicznie jak stal węglowa również dzieli się na trzy podgrupy.
– stal niskostopowa – w tym wypadku stężenie żadnego z dodatkowych pierwiastków nie przekracza 2%, zaś sumaryczna ilość wszystkich pierwiastków stopowych nie jest większa od 3,5%.
– stal średniostopowa – o zawartości jednego dodatkowego pierwiastka w zakresie od 2% do 8% oraz wszystkich pierwiastków stopowych w ilości nie przekraczającej 12%.
– stal wysokostopowa – zawartość jednego z pierwiastków stopowych jest większa niż 8%, zaś łączna ich ilość nie przekracza 55%.

Przykładami pierwiastków stopowych są: chrom, nikiel, kobalt, wanad, aluminium, mangan, molibden czy też wolfram. Stale stopowe znane są również pod innymi nazwami, które zależą właśnie od głównych pierwiastków będących częścią stopu. Jedną z popularniejszych, z którą najczęściej mamy do czynienia jest stal chromowo-niklowa.

Odmiany alotropowe żelaza

Skoro już wiemy, czym jest stal, oraz jak się dzieli ze względu na skład chemiczny to warto byłoby sprawdzić co właściwie się z nią dzieje, gdy wykonywana jest obróbka cieplna. Aby jednak lepiej zrozumieć temat omówmy sobie najpierw różne stany skupienia, ale na bazie wody. Ma ona postać ciekłą, ale pod wpływem między innymi temperatury oraz ciśnienia potrafi się zmienić w:
– lód – czyli stan stały, oraz
– parę wodną – czyli stan gazowy.

W przypadku żelaza mamy natomiast dwa stany skupienia. Graniczną temperaturą pomiędzy stanem stałym a ciekłym jest 1538°C. Jest jednak coś jeszcze – odmiany alotropowe, które występują w stanie stałym. Różnią się one między innymi temperaturą występowania:
– żelazo α – występuje do temperatury 912°C
– żelazo γ – występuje w zakresie od 912°C do 1394°C.
– żelazo α (δ) – występuje w zakresie od 1394°C do 1538°C.

Co ważne podczas przemiany żelaza α w żelazo γ przebudowuje się struktura sieci krystalicznej. Dzięki czemu zwiększa się rozpuszczalność węgla lub innego pierwiastka w roztworze. Jest to jednoznaczne ze zmianami właściwości danego materiału. O tym jakie przemiany zachodzą w stali możemy dowiedzieć się z układu żelazo-cementyt, który wykorzystywany jest w procesie obróbki cieplnej.

Układ żelazo-cementyt – fazy i przemiany fazowe

Kolejnymi pojęciami, z którymi się zapoznamy będą fazy i przemiany fazowe na podstawie wykresu żelazo-cementyt. Zależą one od temperatury i zawartości procentowej węgla. Najważniejszymi fazami są:
– roztwór ciekły – a dokładniej roztwór ciekły węgla w żelazie występujący powyżej temperatury 1538°C. Na wykresie żelazo-cementyt oznaczany rzymskim numerem I.
– ferryt – roztwór stały węgla w żelazie α(δ) i α. Oznaczany odpowiednio numerem V w zakresie temperatur od 1394°C do 1538°C oraz X poniżej temperatury 912°C.
– austenit – jest to roztwór stały węgla w żelazie γ. Oznaczany jako VII.
– cementyt – czyli węglik żelaza będący fazą międzymetaliczną. W układzie oznaczany jako IV – roztwór ciekły + cementyt, VIII – austenit + cementyt, oraz XI – ferryt + cementyt.

W omawianym przed chwilą przykładzie proces zmiany stanu skupienia wody nazywany jest przemianą fazową. W przypadku stali przemiana fazowa to nie tylko zmiana stanu skupienia, ale również zmiana jednej fazy lub pary faz w inne. Najważniejszą z punktu widzenia obróbki cieplnej jest przemiana eutektoidalna, gdzie z austenitu otrzymujemy mieszaninę eutektoidalną ferrytu i cementytu zwaną perlitem. Czym on jest dowiemy się omawiając składniki strukturalne występujące w układzie żelazo-cementyt.

Układ żelazo-cementyt – składniki strukturalne

Składniki strukturalne stali to nic innego jak jedna lub kilka faz tworzących dany stop. Sam układ żelazo-cementyt zawiera siedem różnych składników strukturalnych jednak z punktu widzenia stali najważniejszymi są składniki jednofazowe: ferryt, austenit, cementyt a także składnik dwufazowy: perlit.

Jak sama nazwa wskazuje składnik jednofazowy składa się z jednej fazy, zaś dwufazowy jest mieszaniną dwóch faz. W przypadku perlitu mamy, więc do czynienia z mieszaniną eutektoidalną ferrytu oraz cementytu. Jej zawartość węgla wynosi 0,77%.

Natomiast cementyt dzieli się na:
– cementyt wtórny zwany także drugorzędowym – wydziela się on z austenitu oraz występuje w stopach stali o zawartości węgla od 0,8%.
– cementyt trzeciorzędowy – wydziela się ferrytu oraz występuje w stopach o zawartości węgla od 0,008% do 0,0218%.

Warto wiedzieć, że istnieje również cementyt pierwotny, ale nie występuje on w stali lecz w żeliwie białym o zawartości węgla wynoszącej co najmniej 4,3%.

Poza tym układ żelazo-cementyt definiuje również trzy inne składniki strukturalne:
– występujące w żeliwie ledeburyt oraz ledeburyt przemieniony, a także
– roztwór ciekły węgla w żelazie występujący powyżej temperatury 1538°C.

Podsumowanie części pierwszej…

Obróbka cieplna jest dość szeroką dziedziną podczas, której wykonujemy proces technologiczny mający na celu zmianę właściwości danego materiału. Najczęściej wykonywana jest w odniesieniu do stali jednakże spotkamy się z nią również w przypadku innych stopów takich jak chociażby aluminium lub tytan. Sama stal to jak wspomnieliśmy stop żelaza z węglem, przy czym maksymalne stężenie tego drugiego pierwiastka wynosi 2,11%. Dodatkowo w składzie stali znaleźć możemy również inne pierwiastki będące zanieczyszczeniem, lub wprowadzone tam celowo. Jeśli występują one w śladowych ilościach, które nie przekraczają określonych wartości granicznych to mówimy o stalach węglowych. W przeciwnym razie mamy do czynienia ze stalą stopową. W tym materiale sprawdziliśmy również w jaki sposób kontrolować proces, aby zapewnić jego powtarzalność. Nasz piec wyposażony będzie musiał być w zależności od typu oprzyrządowania w rejestrator procesu, regulator prowadzący, regulator zabezpieczający, czy termopary spełniające różne funkcje. Sama dokładność pieca określona zostanie na podstawie badania rozkładu temperatury. W następnej części natomiast przyjrzymy się bliżej poszczególnym operacjom obróbki cieplnej jakie wykonywane są w odniesieniu do stali. Sprawdzimy jaką rolę spełnia między innymi wyżarzanie normalizujące a jaką rekrystalizujące. Powiemy sobie jakie są metody hartowania stali oraz jaki proces po nim następuje. A jakie są Wasze doświadczenia z procesem jakim jest obróbka cieplna? Czy firma, w której pracujecie wykonuje dane operacje, czy może zleca je na zewnątrz? Podzielcie się swoją opinią w sekcji komentarzy pod artykułem. Do zobaczenia w drugiej części!

Jeśli interesują Was procesy specjalne to zapraszam do zapoznania się z wszystkimi materiałami na ten temat jakie jak dotąd zostały opublikowane na blogu. Znajdziecie je klikając w poniższy baner: