5.5. Projektowanie operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej w procesie technologicznym

Istnieją liczne rodzaje obróbek cieplnych i cieplno-chemicznych, które muszą być właściwie zaplanowane w trakcie opracowywania procesów technologicznych. Do najczęściej występujących obróbek cieplnych i cieplno-chemicznych zalicza się:

- wyżarzanie,

- ulepszanie cieplne,

- hartowanie i odpuszczanie,

- nawęglanie, hartowanie i odpuszczanie,

- węgloazotowanie, hartowanie i odpuszczanie,

- azotowanie,

- azotonasiarczanie.

Obróbkę cieplną i cieplno-chemiczną narzuca konstruktor, podając ją na rysunku warsztatowym części. Są jednak przypadki, a dotyczą one głównie wyżarzania odprę­żającego np. konstrukcji spawanych, kiedy konstruktor o tej obróbce zapomina, nie może jednak o niej zapomnieć technolog. W zależności od rodzaju obróbki cieplnej występuje ona na początku procesu, np. wyżarzanie odprężające, przed obróbką wy­kańczającą, np. hartowanie, i na końcu procesu, np. azotowanie.

Opracowanie szczegółowe instrukcji obróbek cieplnych i cieplno-chemicznych, szczególnie narzucenie parametrów tych obróbek, powinien wykonać technolog spe­cjalista z metaloznawstwa i obróbki cieplnej bądź doświadczony technolog z dziedzi­ny projektowania procesów technologicznych.

5.5.1. Wyżarzanie

W procesach technologicznych występują najczęściej trzy formy wyżarzania. Są to:

- wyżarzanie odprężające,

- wyżarzanie zmiękczające,

- wyżarzanie stabilizujące.

5.5.1.1. Wyżarzanie odprężające

Jest to sposób obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu wsadu do temperatury poniżej A_C1, wygrzanie w tej temperaturze i studzenie wraz z piecem w celu zmniejszenia naprę­żeń własnych, bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki. Naprężenia powstają głównie w półfabrykatach, takich jak odle­wy, konstrukcje spawane, w wyniku nierównomiernego stygnięcia metalu przy odlewa­niu czy też spawaniu. W procesie technologicznym wyżarzanie odprężające można za­planować przed obróbką skrawaniem, ale przebiega ona znacznie pewniej po obróbce zgrubnej, po zdjęciu zewnętrznej warstwy materiału (naskórka). Stąd dla półfabrykatów, które mają duże naddatki na obróbkę, liczne obrabiane powierzchnie, należy najpierw wykonać obróbkę zgrubną a dopiero po niej wyżarzanie odprężające.

Naprężenia własne powstają również podczas procesu skrawania, szczególnie w takich operacjach jak obróbka zgrubna oraz obróbka wykańczająca szlifowaniem.

5.5.1.2. Wyżarzanie zmiękczające

Polega na nagrzaniu wsadu do temperatury poniżej A_C1 dla stali węglowych, nisko-i średniostopowych lub nieco powyżej A_C2 dla stali wysokostopowych, następnie wy­grzanie w tej temperaturze i powolne chłodzenie. Ten sposób obróbki jest stosowany głównie w przypadku odkuwek, w celu zmniejszenia twardości, zwiększenia plastycz­ności, polepszenia skrawalności. Operacja wyżarzenia zmiękczającego jest stosowana przed procesem obróbki skrawaniem.

5.5.1.3. Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie)

Dla części bardzo dokładnych, w celu usunięcia naprężeń powstałych w czasie ob­róbki skrawaniem, po obróbce wykańczającej wstępnej stosuje się obróbkę cieplną wyżarzania stabilizującego. Polega ona na nagrzaniu przedmiotu (przedmiotów) do określonej temperatury (zwykle poniżej 150°C) i wygrzaniu w tej temperaturze od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin.

5.5.2. Ulepszanie cieplne

Jest to proces obróbki cieplnej hartowaniem ze średnim lub wysokim odpuszczaniem, w celu uzyskania optymalnych dla określonego zadania właściwości mechanicznych, a zwłaszcza podwyższenia granicy plastyczności R_C. Gdy wymagana twardość nie prze­kracza 32-36HRC obróbkę tę prowadzi się na półfabrykatach, przed rozpoczęciem procesu obróbki. Przy wymaganych wyższych twardościach ulepszanie cieplne powinno się prowadzić po obróbce zgrubnej i kształtującej, a przed obróbką wykańczającą.

5.5.3. Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie jest to proces obróbki cieplnej polegający na austenityzowaniu wsadu, a następnie jego oziębieniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej, odznaczającej się większą niż w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz mniejszą plastycznością. Hartowanie jest ściśle powiązane z procesem odpusz­czania, którego celem jest poprawa ciągliwości i zmniejszenia kruchości, kosztem zmniejszenia twardości oraz występujących po hartowaniu naprężeń własnych. Tem­peratury hartowania i odpuszczania przedstawiono na rys. 5.22.

RYS. 5.22. Temperatury hartowania i odpuszczania na tle wykresu żelazo-węgiel

W procesie hartowania należy rozróżnić:

• hartowanie na wskroś,

• hartowanie powierzchniowe.

5.5.3.1. Hartowanie na wskroś

Nie nastręcza ono większych trudności, gdyż cały przedmiot (przedmioty) jest pod­grzewany w piecu do wymaganej temperatury, a następnie gwałtownie studzony. Wy­soka temperatura, jak również gwałtowne studzenie, stwarzają niebezpieczeństwo wystąpienia odkształceń. Stopień odkształceń jest zależny od wielu czynników, z któ­rych najważniejszymi są: kształt przedmiotu, jego wielkość i materiał. Operacja ob­róbki cieplnej musi być tak zaplanowana, aby odkształcenia zmniejszyć do minimum. Uzyskuje się to przez staranne ułożenie przedmiotów w piecu i odpowiednim podpar­ciu ich, a następnie studzeniu pod prasą (rys. 5.23). Odkształcenia powodują, że ob­róbkę cieplną prowadzi się po obróbce zgrubnej i kształtującej, a przed obróbką wy­kańczającą.

RYS. 5.23. Hydrauliczna prasa do hartowania kół zębatych stożkowych

5.5.3.2. Hartowanie powierzchniowe

Jest to hartowanie z grzaniem powierzchniowym (indukcyjnym, płomieniowym, lase­rowym, plazmowym) tylko warstwy wierzchniej wsadu, w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości zmęczeniowej z zachowaniem plastyczności rdzenia oraz zmniejszenia odkształceń. Najczęściej stosowaną metodą jest podgrzewanie prądami wysokiej często­tliwości, czyli tzw. hartowanie indukcyjne. Metoda ta zapewnia równomierną grubość] warstwy zahartowanej, a krótki czas nagrzewania (rzędu kilku sekund), chroni przed przegrzaniem materiału, jak również znacznie zmniejsza niebezpieczeństwo wystąpienia odkształceń. W produkcji seryjnej są stosowane specjalne maszyny hartownicze. W pierwszej fazie (rys. 5.24a) następuje grzanie indukcyjne, po czym wzbudnik jest odsuwany, a nagrzany przedmiot chłodzony natryskiem cieczy (rys. 5.24b)

RYS. 5.24. Hartowanie indukcyjne: a) nagrzewanie przedmiotu, b) chłodzenie natryskowe; 1 - przed­miot hartowany, 2 - wzbudnik, 3 - urządzenie na­tryskowe

Hartowanie indukcyjne jest coraz częściej zastępowane hartowaniem lasero­wym, które za pomocą wiązki laserowej umożliwia podgrzanie określonej powierzchni do temperatury austenityzacji. Wymagana do uzyskania martenzytu wysoka prędkość chłodzenia jest osiągnięta bez środka chłodzącego, a tylko przez odprowadzenie ciepła w głąb zimnego przedmiotu. Między wiązką lasera a przedmiotem musi wystąpić ruch względny, ażeby uzyskać liniowo uformowane tory zahartowane i przez ich nałożenie mogą być zahartowane dowolne powierzchnie. Dla zewnętrznych powierzchni wal­cowych proces len prowadzi się najczęściej na tokarce. Dzięki temu istnieje możli­wość bezpośredniego przetoczenia powierzchni w celu usunięcia ewentualnych od­kształceń powstałych w wyniku obróbki cieplnej. W ten sposób uzyskuje się znaczne skrócenie czasów tych zabiegów w stosunku do ich prowadzenia w oddzielnych ope­racjach.

Założeniem dla równomiernych i powtarzalnych wyników hartowania laserowe­go jest drobna, szybkoaustenityzująca się struktura z odpowiednią zawartością węgla. Warunek ten spełniają stale do ulepszania cieplnego. Osiągana głębokość warstwy zahartowanej jest zależna od wielu czynników. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć: parametry procesu, intensywność i czas działania wiązki laserowej, właści­wości materiałowe obrabianego przedmiotu, jak i jego objętość. Możliwe do uzyska­nia głębokości warstwy zahartowanej wynoszą od 0,3 do 1,5 mm. Podstawową korzyścią hartowania laserowego w stosunku do hartowania induk­cyjnego i płomieniowego jest minimalne obciążenie termiczne części hartowanej i dzięki temu minimalne jej odkształcenie.

Metodą zastępczą, która przy odpowiednim oprzyrządowaniu może dać zadowa­lające wyniki, jest podgrzewanie hartowanej powierzchni palnikiem acetylenowo-tlenowym i następnie chłodzenie. Chodzi tutaj przede wszystkim o równomierny prze­suw palnika wzdłuż i wokół hartowanej powierzchni. W przypadku hartowania czopów wału dobre wyniki można uzyskać, stosując do tego celu tokarkę (rys. 5.25).

RYS.5.25. Powierzchniowe hartowanie płomienio­we; 1 - przedmiot hartowany, 2 - palnik, 3 - uchwyt mocujący przedmiot, 4 - urządzenie natryskowe

Dzięki po suwowi wzdłużnemu suportu uzyskuje się równomierny przesuw, a dzięki obrotowi przedmiotu nagrzanie całej powierzchni. Bezpośrednio za palnikiem może być do­prowadzona ciecz chłodząca.

Na rysunku 5.26 pokazano podgrzewanie palnikiem pojedynczego zęba dużego koła zębatego. Przesuw palnika wzdłuż każdego zęba odbywa się mechanicznie, po­tem następuje obrót koła o jedną podziałkę i cykl podgrzewania się powtarza.

RYS. 5.26. Urządzenie do hartowania płomieniowego; 1 - palnik, 2- koło obrabiane

Duże perspektywy hartowania powierzchniowego są związane z hartowaniem zużyciem ciepła powstającego w procesie szlifowania, które przenika do przedmiotu (rys. 5.27). Aby proces hartowania mógł wystąpić, musi być osiągnięta odpowiednia temperatura na powierzchni przedmiotu. Można to uzyskać przez:

• stosunkowo dużą objętość zeskrawanego materiału w czasie,

• dobranie takiej ściernicy, aby nie wystąpił efekt samoostrzenia,

• dobranie ściernicy o małej przewodności cieplnej,

• szlifowanie na sucho, bez stosowania płynu obróbkowego.

W celu zogniskowania ciepła w przedmiocie należy stosować małe prędkości obrotowe przedmiotu i stosunkowo małe prędkości skrawania.

Jak wynika z rys. 5.27 przedmiot szlifowany przyjmuje dużą ilość ciepła po­wstającego w tym procesie. Zwiększy się jeszcze ona przy szlifowaniu na sucho, gdyż dotychczasowe ciepło odprowadzone z płynem obróbkowym będzie przejęte przez j przedmiot i przez wióry.

RYS. 5.27. Przenikanie ciepła w procesie szlifowania

Główne korzyści, jakie można osiągnąć z takiego procesu, są następujące:

- Skrócenie ciągów technologicznych przez wyeliminowanie obróbki cieplnej. Oszczęd­ność uzyskuje się tutaj na transporcie części. W konwencjonalnej obróbce części po obróbce zgrubnej i kształtującej są transportowane do wydziału obróbki cieplnej, gdzie są hartowane, a następnie znowu powracają na wydział obróbki mechanicznej, w celu wykonania obróbki wykańczającej. Według nowej technologii części po obróbce zgrubnej i kształtującej są transportowane na stanowisko szlifierskie.

• Proces może być prowadzony na konwencjonalnej szlifierce. Jest to istotna zaleta tego sposobu obróbki nie wymagająca jakichkolwiek nowych inwestycji.

• Wyeliminowanie płynu obróbkowego. Proces ten wychodzi naprzeciw dążeniom, ze względów ekologicznych, do obróbki na sucho lub znacznego ograniczenia pły­nu obróbkowego. W tym przypadku zastosowanie płynu obróbkowego będzie tylko okresowe, będzie on niezbędny do obciągnięcia ściernicy.

5.5.4. Nawęglanie, hartowanie i odpuszczanie

Jest to proces najczęściej stosowany w praktyce. Nawęglanie wykonuje się w proszkach, bądź nawęgla się w gazach. W wyniku hartowania i odpuszczania uzyskuje się twardą powierzchnię i miękki, ciągliwy rdzeń. Czas procesu nawęglania zależy od grubości warstwy nawęglanej i temperatury. Przy najczęściej stosowanych grubościach, od 1,0 do 1,2 mm i temperaturze od 880 do 950°C, czas ten wynosi od 2 do 5 godz. W praktyce jednak wymagania konstruktorów dotyczą tylko niektórych powierzchni. W takich przypadkach pozostałe powierzchnie muszą być chronione bądź też nawęglona po­wierzchnia musi być usunięta. Istnieją następujące sposoby stosowane w praktyce.

Miedziowanie. Stanowi ono dobrą i pewną ochronę przed dyfuzją węgla w głąb materiału. Najczęściej jest to metoda galwanicznego nakładania powłoki miedzianej. Jest to jednak sposób drogi i może być stosowany jedynie do części drobnych. Trzeba w tym przypadku wykonać kłopotliwą w praktyce operację ochrony przed miedzio­waniem tych powierzchni, które następnie mają być nawęglane. Jednym ze sposobów może być np. pokrywanie woskiem.

Usunięcie warstwy nawęglonej. Jest to praktyczna metoda powszechnie do­tychczas stosowana. Polega ona na nawęglaniu wszystkich powierzchni, a następnie na usunięciu warstwy nawęglonej z tych powierzchni, które mają pozostać miękkie.

Powlekanie pastami ochronnymi. Ostatnio w krajach uprzemysłowionych sto­suje się coraz powszechniej powlekanie tych powierzchni, które mają pozostać mięk­kie, pastami ochronnymi. Działanie ochronne past polega na tworzeniu się w czasie procesu na powierzchni chronionej powłoki metalowej lub bardzo szczelnej powłoki szklistej. Pasty nanosi się na powierzchnie chronione podobnie jak materiały malar­skie za pomocą pędzla, przez natrysk lub przez zanurzenie. Zazwyczaj powłoka taka składa się z 2 lub 3 warstw. Stosowanie past ochronnych ze względu na łatwość ich nakładania i usuwania pozostałości po procesie, jak również zabezpieczenia tylko wybranych powierzchni, umożliwia skrócenie procesu, zmniejszenie strat materiało­wych, a tym samym uzyskanie znacznych korzyści ekonomicznych. W praktyce sto­suje się następujące gatunki past ochronnych, których producentem jest Instytut Me­chaniki Precyzyjnej:

• CP-21 - do ochrony stali przed dyfuzją węgla w procesach nawęglania w prosz­kach, w granicach temperatur 750-950°C. Działanie ochronne pasty CP-21 polega na wydzielaniu się warstewki miedzi podczas procesu nawęglania.

• CG-74 - do ochrony stali przed dyfuzją węgla w procesach nawęglania gazowego oraz przed dyfuzją węgla i azotu w procesach węgloazotowania gazowego w gra­nicach temperatur 800-960°C. Podczas nawęglania tworzy się powłoka szklista, izolująca chronione powierzchnie od znajdujących się w piecu gazów.

Usunięcie powłok dokonuje się przez rozpuszczenie w odpowiednich rozpusz­czalnikach. W przypadku powłoki miedzianej może to być mieszanina chromowa, w przypadku zaś powłoki szklistej jest to węglan sodu lub roztwory alkaliczne.

Ramowe procesy technologiczne z obróbką cieplno-chemiczną nawęglaniem, hartowaniem i odpuszczaniem są podane w rozdz. 8 i 12.

5.5.5. Węgloazotowanie, hartowanie i odpuszczanie

Jest to proces złożony, w którym zachodzi jednocześnie nawęglanie i azotowanie j przedmiotu. Polega on na nasyceniu powierzchni przedmiotów równomiernie węglem (C) i azotem (N). Warstwa zewnętrzna po zahartowaniu staje się twarda i odporna na ścieranie.

Proces węgloazotowania gazowego, powszechnie dzisiaj stosowany, polega na przepuszczeniu przez komorę, w której znajdują się przedmioty, gazu nawęglającego i azotującego. Gazem nawęglającym jest gaz świetlny, propan lub butan, a gazem azotującym - amoniak. Węgloazotowanie przebiega w nieco niższych temperaturach (820-860°C) niż nawęglanie. Z tego względu proces hartowania można wykonać bezpośrednio po węgloazotowaniu. Dzięki temu nie ma konieczności ochładzania wsadu przed hartowaniem, co niekiedy musi występować po nawęglaniu.

Ramowe procesy technologiczne z obróbką cieplno-chemiczną węgloazotowaniem i hartowaniem przebiegają w sposób identyczny z procesami obejmującymi na­węglanie i hartowanie.

5.5.6. Azotowanie

Azotowanie jest procesem polegającym na nasyceniu warstwy wierzchniej azotem w celu uzyskania bardzo twardej i odpornej na ścieranie powierzchni. W praktyce stosuje się azotowanie gazowe w amoniaku. Proces przebiega w temperaturze 500-550°C. Azotowanie w porównaniu z nawęglaniem i węgloazotowaniem ma wiele istotnych zalet. Do najważniejszych należą: uzyskanie wysokiej twardości po­wierzchni bez dokonania operacji hartowania, a także niska temperatura azotowania, która sprawia, że przedmiot nie ulega odkształceniu i dlatego w zasadzie nie przewi­duje się po azotowaniu mechanicznej obróbki wykańczającej. Tylko w nielicznych przypadkach, gdy chodzi o uzyskanie powierzchni bardzo czystej i dokładnej, prowa­dzi się po azotowaniu obróbkę bardzo dokładną- docieranie. Chodzi o to, aby zdej­mować tylko bardzo małą warstwę. Dodatkową zaletą powierzchni azotowanych jest ich odporność na korozję. Azotowanie gazowe jest znacznie rzadziej stosowane niż nawęglanie i hartowanie, mimo że jest to proces wykazujący istotne zalety w porów­naniu do nawęglania. Zilustrowano to w tabl. 5.1.

TABLICA 5.1. Porównanie procesów nawęglania i azotowania

Lp.	Kryteria	Nawęglanie	Azotowanie
1.	Zakres stosowanych stali	Zakres ograniczony	Szeroki zakres, włączając w to stale austenityczne
2.	Temperatura obróbki	850 - 950°C	460 - 600°C
3.	Obróbka cieplna po procesie dyfuzyjnym	Niezbędne hartowanie i odpuszczanie	Nie wymagana żadna dodatkowa obróbka cieplna
4.	Odkształcenia	Mogą być znaczne	Wobec niskiej temperatury brak odkształceń lub są one bardzo małe
5.	Oczyszczanie powierzchni	W większości przypadków wymagane jest mycie w celu usunięcia pozostałości oleju hartowniczego	Nie wymagane jest mycie po procesie
6.	Twardość powierzchni	60 - 65 HRC	Zależnie od gatunku stali może osiągać powyżej 70 HRC
7.	Grubość warstwy	0,4-1,5 mm	0,3-0,5 mm

Ramowy proces technologiczny z obróbką cieplno-chemiczną azotowaniem jest podany w rozdz. 12.

5.5.7. Azotonasiarczanie

Azotonasiarczanie jest procesem stosunkowo nowym. Zastąpiło ono stosowany do niedawna w Polsce proces cyjanonasiarczania kąpielowego, tzw. sulfinus.

Proces azotonasiarczania wykonuje się w piecach w atmosferze amoniaku (NH3) i par siarki (S₈). Jest to więc azotonasiarczanie gazowe. Przebiega ono w temperatu­rze 500-700°C. Czas trwania procesu w zależności od grubości warstwy wynosi 0,5 - 6,0 h.

Podczas tej obróbki powierzchnie części obrabianych wzbogacają się w azot i siarkę, w wyniku czego otrzymuje się warstwę dyfuzyjną, składającą się z azotków i siarczków żelaza. Warstwy azotonasiarczanie odznaczają się małym współczynni­kiem tarcia, dużą odpornością na zużycie i odpornością na zatarcie.

Z reguły azotonasiarczanie, podobnie jak azotowanie, można uznać za operację końcową. Tylko dla części bardzo dokładnych można przewidywać operację dociera­nia wykańczającego. Należy zdać sobie sprawę, że grubość warstwy azotonasiarczanie wynosi od kilku do 100 μm.

Metodą azotonasiarczania gazowego można obrabiać różne gatunki stali oraz żeliwa. Istnieje możliwość prowadzenia tego procesu (po niewielkiej adaptacji) w urządzeniach do azotowania.

---