Obróbka cieplna (2/2) – podział procesów

Obróbka cieplna stali – hartowanie czy może wyżarzanie?

Kontynuujemy tematykę związaną z obróbką cieplną stali. Przed nami druga i zarazem ostatnia część cyklu poświęconego temu procesowi. W pierwszym materiale skupiliśmy się na podstawach począwszy od sprawdzenia tego czym właściwie ta obróbka cieplna jest. Następnie omówiliśmy poszczególne zagadnienia związane z pirometrią, do których zaliczyć możemy chociażby badanie rozkładu temperatury (TUS) oraz sprawdzenie dokładności systemu (SAT). Przyjrzeliśmy się również piecom a dokładniej ich niezbędnemu wyposażeniu. Na koniec dotknęliśmy także tematyki materiałoznawstwa poprzez omówienie różnych zagadnień związanych ze stalą. Począwszy od samej definicji, poprzez odmiany alotropowe, na składnikach strukturalnych kończąc. Natomiast w tej części skupimy się na samych operacjach, które klasyfikują się jako obróbka cieplna w odniesieniu do różnych gatunkach stali. Dowiemy się dlaczego czasem dany proces wykonuje się w temperaturze ujemnej a także sprawdzimy jakie urządzenia możemy wykorzystać w procesie. Na koniec zaś omówimy sobie jeszcze tematykę badań, które są wykonywane, aby mieć pewność, że osiągniemy zamierzony efekt. Miłej lektury!

W skrócie

Czytając ten artykuł dowiesz się:

• Na jakie procesy dzieli się obróbka cieplna oraz czym uwarunkowany jest ten podział.
• Czym różni się obróbka cieplna zwykła od cieplno-chemicznej.
• Czym różnią się poszczególne typy wyżarzania.
• Co jest krytyczne dla procesu hartowania oraz czym różni się utwardzanie cieplne od ulepszania cieplnego.
• Kiedy wykonujemy hartowanie a kiedy przesycanie i jakie procesy po nich występują.
• Jakie badania wykonujemy, aby potwierdzić, że wykonana obróbka cieplna była efektywna.

Ten materiał stanowi drugą i zarazem ostatnią część cyklu poświęconego procesowi obróbki cieplnej. Pierwsza część dostępna jest poniżej:

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

Obróbka cieplna stali – procesy

Proces jakim jest obróbka cieplna dzieli się na cztery grupy różniące się czynnikami, które wpływają na osiągnięte właściwości danego stopu. Mamy zatem:
– obróbkę cieplną zwykłą
– obróbkę cieplno-chemiczną
– obróbkę cieplno-mechaniczną, oraz
– obróbkę cieplno-magnetyczną.

Przyjrzyjmy się zatem szczegółowo każdej z grup, aby dowiedzieć się jakie w ich ramach wykonuje się operacje oraz jaki efekt można osiągnąć.

Obróbka cieplna zwykła

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany strukturalne zachodzące w stopie zależą od temperatury oraz czasu trwania procesu. Jest to najbardziej rozbudowana i najpowszechniejsza grupa operacji, która dzieli się na kolejne trzy podgrupy procesów. Wśród nich wyróżnić możemy wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie a także przesycanie i starzenie.

Wyżarzanie

Wyżarzanie w prostych słowach polega na nagrzaniu stali do danej temperatury, wygrzaniu jej oraz powolnym studzeniu w piecu lub na wolnym powietrzu. Zakres temperatur procesu jest dość szeroki i zależy od celu w jakim wykonywana jest obróbka cieplna. Wyżarzanie może być wykonywane bez przemiany alotropowej stali lub z tą przemianą. Jak pamiętamy z części pierwszej materiału przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ rozpoczyna się od temperatury 912°C. Zacznijmy jednak od najniższych temperatur w jakich wykonywane jest wyżarzanie. Przy czym warto pamiętać, że podane zakresy temperatur są dość ogólne. Docelowa temperatura procesu zależy bowiem od gatunku danej stali.

W ramach tej podgrupy operacji obróbki cieplnej wyróżniamy zatem:
– wyżarzanie odprężające – wykonywane poniżej temperatury przemiany eutektoidalnej Ac1 (linia PSK na wykresie żelazo-cementyt). Przeważnie w zakresie temperatur – ok. 400 – 550°C. Jego celem jest usunięcie naprężeń własnych występujących w materiale. Proces wykonywany jest po operacjach kucia, spawania, czy też zgrubnej obróbce mechanicznej. Co ciekawe odprężanie materiału zachodzi również samorzutnie jednak jest to dość długotrwały proces, który może trwać nawet kilka lat. Zatem wyżarzanie odprężające pomaga ten czas znacząco skrócić.

– wyżarzanie rekrystalizujące – wykonywane powyżej temperatury rekrystalizacji, która w przypadku stali wynosi ok. 550°C. Może się ona oczywiście różnić w przypadku poszczególnych gatunków tego stopu. Proces stosowany jest po obróbce plastycznej na zimno lub pomiędzy poszczególnymi operacjami tej obróbki. Jej przykładami są walcowanie i ciągnienie. Wyżarzanie rekrystalizujące ma na celu usunięcie umocnienia zgniotowego. W rezultacie czego następuje proces zdrowienia. Usuwane są powstałe podczas wspomnianych procesów defekty strukturalne. Jednocześnie spada także twardość i wytrzymałość materiału, zaś rośnie jego plastyczność. O tym czym jest zgniot przeczytacie chociażby w wikipedii.

– wyżarzanie sferoidyzujące – znane również jako wyżarzanie zmiękczające. Proces wykonywany jest w okolicach wspomnianej przed chwilą temperatury Ac1. Ma na celu przemianę cementytu płytkowego w kulkowy znany jako sferoidyt. Stąd też nazwa procesu. W efekcie czego znacząco spada twardość danego materiału ułatwiając jego dalszą obróbkę.

– wyżarzanie normalizujące – wykonywane w temperaturze o około 30-50°C wyższej od temperatury przemiany alotropowej – Ac3 (oznaczanej na wykresie żelazo-cementyt linią GSE).
Proces stosowany jest po operacjach przeróbki plastycznej na gorąco, jak chociażby kuciu. W jego efekcie otrzymujemy jednolitą, drobnoziarnistą strukturę a także lepsze własności mechaniczne materiału. Wykonywany dla stali węglowych i niskostopowych.

– wyżarzanie zupełne – jest to bliźniaczy proces do wyżarzania normalizującego z tą różnicą, że stosuje się go w przypadku stali stopowych. Wykonywany również w temperaturze o około 30-50°C wyższej od Ac3 – linia GSE na wykresie żelazo-cementyt.

– wyżarzanie ujednorodniające – wykonywane w temperaturze ok. 1000-1300°C. Stosowany przeważnie do obróbki cieplnej wlewków stalowych. Jak sama nazwa wskazuje celem tego wyżarzania jest zwiększenie jednorodności składu chemicznego.

Hartowanie i odpuszczanie

Są to dwa następujące po sobie procesy. Najpierw zaczniemy od hartowania, które różni się od omawianego przed chwilą wyżarzania między innymi prędkością chłodzenia. W przypadku wyżarzania mieliśmy do czynienia z powolnym studzeniem, najczęściej na wolnym powietrzu. Hartowanie zaś wymaga szybkiego schłodzenia danego materiału, aby osiągnąć zamierzony efekt, którym jest przemiana austenitu w
– martenzyt – struktury stali charakteryzującej się wysoką twardością, lub
– bainit – struktury o mniejszej twardości od martenzytu, ale lepszych właściwościach plastycznych.

– hartowanie – proces wykonywany jest w temperaturze o 30-50°C wyższej od temperatury Ac3 (stale o zawartości węgla poniżej 0,77%) lub Ac1 (stale o zawartości węgla powyżej 0,77%),  tak aby zaszła przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ. Samo nagrzewanie może być ciągłe lub w przypadku bardziej skomplikowanych elementów stopniowe. Zapobiega to powstawaniu naprężeń cieplnych mogących skutkować pękaniem materiału. Następnym krokiem jest wygrzewanie zwane również austenityzacją. W tym czasie następuje przemiana fazowa w wyniku, której otrzymujemy strukturę austenitu. Na koniec części wymagają jeszcze szybkiego schłodzenia dzięki czemu zachodzi przemiana austenitu w martenzyt. To jak szybko należy schłodzić daną część zależy między innymi od procentowej zawartości węgla oraz obecności pierwiastków stopowych. Im wyższa zawartość węgla tym mniejsza jest krytyczna szybkość chłodzenia. Na jej zmniejszenie wpływają również wspomniane pierwiastki stopowe.

Co ważne, aby zahartować dany wyrób konieczne będzie zapewnienie, że szybkość chłodzenia będzie większa od krytycznej w całym jego przekroju. Dlatego stale niskowęglowe bardzo często nie są możliwe do zahartowania lub odbywa się to wyłącznie powierzchniowo. W takim wypadku austenit przemienia się ponownie w ferryt, cementyt lub perlit.

Do chłodzenia stali węglowych stosowana jest woda, zaś w przypadku stali stopowych, dla których wymagana szybkość jest mniejsza częściej używany jest olej.

Stal po hartowaniu cechuje się wysoką twardością i wytrzymałością na rozciąganie jednak również i małą plastycznością, ciągliwością oraz dużą kruchością. Jej struktura zbudowana jest z martenzytu oraz w małym stopniu z austenitu szczątkowego.

– odpuszczanie – jest to proces następujący po hartowaniu, który wykonywany jest w temperaturze poniżej Ac1. Jego celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz obniżenie twardości przy jednoczesnym podniesieniu plastyczności materiału. Osiągnięty efekt zależy od temperatury procesu, na bazie której odpuszczanie dzieli się na:
– niskie – wykonywane w temperaturze 150-250°C. W rezultacie usunięte zostają naprężenia hartownicze oraz minimalnie zmniejsza się twardość materiału. Odpuszczanie niskie ma zastosowanie głównie do narzędzi.
– średnie – odbywa się w temperaturze 250-500°C. Maleje twardość materiału przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości i sprężystości. Odpuszczanie średnie stosuje się sprężyn, matryc, czy też młotów kuźniczych.
– wysokie – wykonywane jest w temperaturze powyżej 500°C, ale oczywiście niżej niż temperatura Ac1. Twardość maleje do poziomu, który umożliwia dalszą obróbkę skrawaniem.

Połączenie procesu hartowania oraz odpuszczania niskiego znane jest pod nazwą utwardzanie cieplne. Innym określeniem stosowanym w obróbce cieplnej jest ulepszanie cieplne, które polega na hartowaniu i odpuszczaniu wysokim.

Na tym etapie warto wspomnieć o jeszcze jednym procesie, który w niektórych przypadkach stosowany jest tuż po hartowaniu. Jest nim obróbka podzerowa zwana również wymrażaniem. Jej celem jest zmniejszenie udziału austenitu szczątkowego w danym materiale na rzecz martenzytu. Sam proces powoduje jednak wzrost naprężeń cieplnych, które w rezultacie mogą prowadzić do powstawania pęknięć.

Przesycanie i starzenie

Wspominaliśmy o problemach z hartowaniem stali niskowęglowych. Aby jednak operacja hartowania w ogóle miała sens dana stal musi wykazywać przemiany alotropowe. Są jednak takie stopy, gdzie takowa przemiana nie zachodzi. Przykładem są kwasoodporne stale austenityczne tzw. kwasówki. Charakteryzują się one dużą zawartością chromu (12-25%) oraz niklu (8-29%). Chrom zwiększa odporność danego stopu na korozję natomiast rolą niklu jest stabilizowanie struktury austenitycznej. Aby poprawić wytrzymałość oraz odporność korozyjną stali austenitycznych wykonuje się utwardzanie wydzieleniowe. Proces ten składa się z operacji przesycania i starzenia.

– przesycanie – rolą procesu jest uzyskanie struktury jednofazowej. Aby do tego doszło należy rozpuścić jeden składnik w roztworze stałym – austenicie w przypadku wspomnianych stali austenitycznych. Odbywa się to powyżej temperatury granicznej rozpuszczalności. Wygrzany w tej temperaturze stop poddawany jest szybkiemu chłodzeniu w celu zatrzymania przesyconej struktury. Jest ona jednak nietrwała, bowiem składnik, który został rozpuszczony będzie dążył do wydzielenia. W wyniku przesycania zmniejsza się twardość i wytrzymałość stali kosztem wzrostu jest plastyczności.

– starzenie – jest procesem, który wykonywany jest na przesyconym stopie. Jego rolą jest wzrost twardości i wytrzymałości, co skutkuje jednak spadkiem ciągliwości danego materiału. Starzenie polega na nagrzaniu i wygrzaniu stali do temperatury, która jest niższa od granicznej rozpuszczalności. Następnie materiał jest powolnie studzony. W przypadku niektórych stopów metali jak chociażby Aluminium proces starzenia może zachodzić również w temperaturze pokojowej. W takim wypadku mówimy o starzeniu samorzutnym lub naturalnym. W większości jednak przypadków konieczne będzie przeprowadzenie procesu w wyższej temperaturze.

Hartowanie objętościowe i powierzchniowe

Dotychczas omawialiśmy operacje obróbki cieplnej wykonywane w piecu. Podczas procesu ważne było, aby podczas zabiegu nagrzewania dany stop osiągnął wymaganą temperaturę w całym przekroju części. Grubość zahartowanej warstwy zależała natomiast od procentowej zawartości węgla w stopie, innych pierwiastków zwanych dodatkami stopowymi a w rezultacie również i od szybkości chłodzenia. Ponieważ procesowi poddana była cała część nazywamy go hartowaniem objętościowym.

Natomiast hartowanie powierzchniowe stosowane jeśli chcemy zachować ciągliwy rdzeń, ale również uzyskać odpowiednią twardość, ale wyłącznie na powierzchni części. W tym celu musimy odpowiednio szybko nagrzać wierzchnią warstwę materiału do wymaganej głębokości a następnie analogicznie jak w przypadku hartowania objętościowego równie szybko ją schłodzić. Przykładem zastosowania procesu mogą być koła zębate. Ze względu na metodę nagrzewania procesu hartowanie powierzchniowe dzieli się na:
– hartowanie indukcyjne – część nagrzewana jest poprzez prąd elektryczny o wysokiej częstotliwości indukowany przez zmienne pole magnetyczne
– hartowanie płomieniowe – polega na nagrzewaniu obrabianej powierzchni palnikiem gazowym
– hartowanie kąpielowe – polega na zanurzeniu obrabianej części w rozgrzanej kąpieli solnej lub ołowianej
– hartowanie elektrolityczne – nagrzewanie odbywa się poprzez przepływ prądu o dużym natężeniu w elektrolicie, w którym zanurzona jest część
– hartowanie laserowe – dana powierzchnia nagrzewana jest za pomocą wiąski lasera. Co ciekawe, prędkość nagrzewania jest na tyle szybka, że w momencie zaprzestania oddziaływania lasera obrabiana powierzchnia schładza się samoistnie. Jest to zatem jedyna z powyższych metod, która nie wymaga zastosowania wody bądź oleju do uzyskania struktury martenzytycznej.

Innymi mniej popularnymi metodami hartowania powierzchniowego są jeszcze hartowanie impulsowe oraz kontaktowe.

Obróbka cieplno-chemiczna

Jako obróbkę cieplno-chemiczną klasyfikujemy grupę procesów, które mają za zadanie zmianę właściwości powierzchniowej warstwy materiału. Najczęściej wykonywana jest ona w celu zwiększenia odporności na ścieranie oraz wytrzymałości zmęczeniowej. Czynnikami, które oddziaływują podczas wykonywania procesu są zarówno temperatura jak i ośrodek, do którego zaliczamy atmosferę, kąpiel, pasty lub proszek zawierające jeden lub więcej pierwiastków chemicznych. W rezultacie zmienia się skład chemiczny na obrabianej powierzchni natomiast sam rdzeń materiału pozostaje bez zmian.

Istnieje kilka metod wykonywania obróbki cieplno-chemicznej. Daną powierzchnię możemy nasycać zarówno innymi metalami jak i niemetalami. Procesami podczas, których dyfuzyjnie wprowadzany jest jeden pierwiastek chemiczny są:
– metale: chromowanie, aluminiowanie, tytanowanie, wanadowanie
– niemetalami: nawęglanie, azotowanie, borowanie, utlenianie i krzemowanie.

Natomiast podział obróbki cieplno-chemicznej dla grupy piewiastków, którymi nasycana będzie dana powierzchnia wygląda następująco:
– metal-metal: chromo-aluminiowanie, chromo-wanadowanie
– metal-niemetal: węglo-chromowanie, boro-chromowanie
– niemetal-niemetal: węglo-azotowanie, krzemo-borowanie, siarko-azotowanie, tleno-azotowanie.

Do najpopularniejszych procesów obróbki cieplno-chemicznych zalicza się nawęglanie i azotowanie.

Nawęglanie

Jak sama nazwa mówi rolą procesu jest nasycenie obrabianej powierzchni w węgiel. W zależności od zastosowanego ośrodka proces odbywa się w temperaturze:
– 850-950°C – nawęglanie gazowe
– 900-950°C – nawęglanie w proszkach.

Grubość otrzymanej warstwy zależy od czasu procesu i mieści się między 0,5 a 2 mm. Przy czym największa dyfuzja węgla zachodzi na początku obróbki. Dodatkowo warto wiedzieć, że po zakończeniu nawęglania konieczne jest wykonanie hartowania i odpuszczania niskiego. W rezultacie otrzymujemy części z dużą twardości wynoszącą około 60 HRC. Jest to jednak twardość wyłącznie na powierzchni . Rdzeń w dalszym ciągu pozostaje ciągliwy. Obrobiony materiał cechuje się dużą odpornością na ścieranie.

Azotowanie

Analogicznie jak to miało miejsce w przypadku nawęglania azotowanie zapewnia zwiększenie poziomu twardości obrabianej powierzchni. Może ona sięgać nawet poziomu 70 HRC, czyli większej niż ta uzyskana podczas nawęglania. Jednak grubość otrzymanej warstwy jest cieńsza i wynosi 0,02–0,25 mm. Dodatkowo azotowanie zwiększa odporność danego stopu na korozję. Sam proces wykonywany jest w temperaturze około 500-550°C. W przeciwieństwie do nawęglania obróbka cieplna musi odbyć się przed azotowanie. Składają się na nią hartowanie i odpuszczanie wysokie.

Obróbka cieplno-mechaniczna

Proces znany również jako obróbka cieplno-plastyczna polega na nagrzaniu materiału do wymaganej temperatury, wykonaniu odkształcenia plastycznego a następnie schłodzeniu.

Dzieli się na obróbkę cieplno-mechaniczną:
– wysokotemperaturową – temperatura procesu podczas odkształcenia plastycznego jest powyżej temperatury rekrystalizacji. Zwiększa się plastyczność materiału przy małych zmianach wytrzymałości.
– niskotemperaturową – podczas wykonywania procesu temperatura jest poniżej temperatury rekrystalizacji danego stopu. W rezultacie wzrasta wytrzymałość przy braku spadku plastyczności.

Celem obróbki cieplno-mechanicznej jest ukształtowanie materiału wraz z polepszeniem jego właściwości mechanicznych. Przykładem może być kucie na gorąco, ciągnienie na gorąco, walcowanie na gorąco, lub wysokotemperaturowe prasowanie izostatyczne (HIP – ang. Hot Isostatic Pressure).

Obróbka cieplno-magnetyczna

Jest to połączenie obróbki cieplnej i oddziaływania pola magnetycznego na obrabiany materiał. Pozwala na uzyskanie lepszych właściwości magnetycznych, mechanicznych oraz strukturalnych. Przykładem takiej obróbki może być wspomniane wcześniej hartowanie indukcyjne, czy też obróbka cieplna w polu magnetycznym.

Badanie właściwości materiałów obrabianych cieplnie

Jak wspominaliśmy w części pierwszej obróbka cieplna jest procesem specjalnych co oznacza, że bez wykonania badań niszczących nie jesteśmy w stanie w pełni potwierdzić skuteczności danego procesu. Aby jednak tego uniknąć z pomocą przychodzą nam różnego rodzaju badania, które zamiast na części często wykonywane są na próbkach dołączanych do obrabianego cieplnie wsadu. Ważną kwestią jest, aby próbki pochodziły z tego samego wytopu co obrabiane części.

Twardość – wykonywana najczęściej na powierzchni części w miejscu określonym przez rysunek konstrukcyjny. Podczas wykonywania badania wgłębnik wciskany jest w daną powierzchnię do momentu spowodowania odształceń trwałych. Najczęściej twardość bada się metodą:
– Rockwella – oznaczenie HR oraz litera zastosowanej skali. W przypadku stali hartowanej będzie to C lub A, czyli HRC lub HRA.
– Brinella – HB do twardości 350 HB, powyżej HBS – kulka stalowa, lub HBW – kulka z węglików.

Wytrzymałość na rozciąganie i właściwości plastyczne materiału – badanie przeprowadzane jest podczas statycznej próby rozciągania, podczas której określamy
Rm [Mpa] – wytrzymałość na rozciąganie
Re [Mpa] – granicę plastyczności
A [%] – wydłużenie
Z [%] – przewężenie.

Udarność – badanie wykonywane przy użyciu młota Charpy’ego. Polega na złamaniu próbki z karbem a następnie ocenie udarności, która oznaczana jest literą K [J].

Innymi przykładami jest badanie poziomu odwęglenia lub wytrzymałości na ściskanie.

Podsumowanie

Obróbka cieplna stanowi dość rozbudowaną grupę procesów specjalnych, które wykorzystywane są do zmiany właściwości wielu produktów. Stosowana w przypadku wielu wyrobów począwszy od prostych przedmiotów codziennego użytku po skomplikowane i wysokowytrzymałe elementy wykorzystywane w przemyśle lotniczym oraz kosmicznym. Aby zrozumieć cel i sens wykonywania procesu musimy zaglądnąć w głąb materiału i przeanalizować zachodzące w nim przemiany alotropowe lub też proces rozpuszczania składników w roztworze stałym. Jak w przypadku każdego procesu specjalnego kluczowa jest jego kontrola. Dlatego tak duży nacisk kładzie się zarówno na pirometrię jak i badania właściwości materiałowych. Jak wspominaliśmy w pierwszej części celem tej serii były wyłącznie wprowadzenie w świat obróbki cieplnej dlatego wiele kwestii zostało celowo pominiętych lub uproszczonych. Mimo wszystko mam nadzieje, że udało się odpowiedzieć przynajmniej na część nurtujących Was pytań. Podzielcie się swoimi spostrzeżeniami w sekcji komentarzy poniżej artykułu. Do zobaczenia w następny poniedziałek!

Jeśli interesuje Cię tematyka procesów specjalnych to zapraszam do przeczytania innych artykułów, które są dostępne po kliknięciu w poniższy banner: