RODZAJE PROCESÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ -
KLASYFIKACJA I OMÓWIENIE
 
Definicje

 
(1)

Podstawowym zadaniem obróbki cieplnej jest

polepszenie własności mechanicznych i fizyko-
chemicznych metali i stopów poprzez wykorzystanie
jednej lub kilku operacji prowadzących do zmian
struktury w stanie stałym w wyniku zmian
temperatury, czasu oraz działania środka.
(2)

Obróbka cieplna jest to operacja cieplna lub

zestaw operacji obróbki cieplnej odpowiednio
dobranych dla uzyskania w wyniku przemian
fazowych lub innych procesów dyfuzyjnych zmian
struktury prowadzących do zmiany własności
użytkowych stopów metali.

OBRÓBKA CIEPLNA

 

Uwagi podstawowe

 

Każda obróbka cieplna polega na:
          nagrzaniu z określoną szybkością do odpowiedniej

temperatury,

          wygrzaniu w tej temperaturze w ciągu określonego

czasu

(w określonym środowisku)

          ochłodzeniu z określoną szybkością

 

Klasyfikacja

 
Klasyfikację procesów obróbki cieplnej przedstawia Polska Norma
PN-93/H-01200, „Obróbka cieplna metali i stopów.
Terminologia.”

OBRÓBKA CIEPLNA

 

Procesy obróbki cieplnej (klasyczne)

 

WYŻARZANIE

wspólną cechą wszystkich operacji wyżarzania to
doprowadzenie stopu
w pełnym lub niepełnym stopniu do stanu równowagowego
(równowagi termodynamicznej)

OBRÓBKA CIEPLNA

 
    

   

ujednoradniające (homogenizujące)

nagrzewamy stal do temperatur 1000-1250C i wytrzymujemy długo

(kilkanaście do kilkudziesięciu godzin) w tej temperaturze; celem

jest

wyrównanie składu chemicznego; stosujemy tylko w przypadku stali

wysokostopowych

       

normalizujące

polega na nagrzaniu stali do zakresu austenitu, 30-50C ponad linię

GSE

na wykresie równowagi żelazo-cementyt (tj. powyżej temperatur

A

c3

-A

cm

)

i następnym powolnym studzeniu na powietrzu; celem jest silne

rozdrobnienie

ziarna i ujednorodnienie struktury stali

       

zupełne

przeprowadza się jak normalizowanie, jednak studzimy stal bardzo

wolno

z zakresu austenitu z piecem; celem jest osiągnięcie struktury

równowagowej,

zmniejszenie twardości i poprawa ciągliwości

       

niezupełne

polega na nagrzaniu stali 30-50C ponad linię A

c1

(czyli pomiędzy A

c1

i A

c3

dla stali podeutektoidalnych lub A

c1

i A

cm

dla stali

nadeutektoidalnych); cel jest

podobny jak przy wyżarzaniu zupełnym ale przekrystalizowaniu

ulega jedynie

perlit, ferryt pozostaje niezmieniony.

OBRÓBKA CIEPLNA

 

       

izotermiczne (wytrzymanie poniżej A

r1

)

przeprowadza się jak normalizowanie, jednak od temperatury

austenityzowania szybko ochładzamy poniżej A

r1

i wytrzymujemy w

tej

temperaturze, aż do zajścia przemiany perlitycznej; celem jest

zmniejszenie

twardości stali, zwykle przed obróbką skrawaniem

       

perlityzujące

polega na ostudzeniu stali poniżej A

r1

aby zaszła przemiana

perlityczna

po czym nagrzewa się ją ponownie do temperatury

austenityzowania celem

zahartowania; w wyniku perlityzowania uzyskujemy rozdrobnienie

ziarna

austenitu – jak zawsze przy nagrzaniu powyżej A

c1

– zwieksza to

dyspersję

martenzytu i poprawia własności

       

sferoidyzujące (zmiękczające)

polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy; można to

osiągnąć

wygrzewając stal albo powyżej, albo poniżej temperatury A

c1

lub

stosując

tzw. wyżarzanie wahadłowe; celem jest zmniejszenie twardości i

polepszenie

skrawalności

OBRÓBKA CIEPLNA

 

       

rekrystalizujące

jest stosowane po uprzednim zgniocie tj. przeróbce plastycznej na

zimno;

wyżarzamy poniżej temperatury A

c1

, ale powyżej temperatury

rekrystalizacji;

celem jest usuniecie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności

stali
      

  odprężające

polega na nagrzaniu do temperatury poniżej A

c1

(zwykle poniżej

650C),

wygrzaniu w tej temperaturze i następnie powolnym ochłodzeniu;

celem jest

zmniejszenie naprężeń własnych; stosuje się do odprężania

odlewów

staliwnych i elementów spawanych

       

stabilizowanie

jest odmianą wyżarzania odprężającego; przeprowadza się go w

temperaturze

poniżej 150C w ciągu długiego czasu; stosuje się np. do odprężania

walców

OBRÓBKA CIEPLNA

HARTOWANIE

Proces obróbki cieplnej, której celem jest doprowadzenie do
przemiany martenzytycznej, czasami bainitycznej; prowadzi do
powstania struktury odbiegającej od stanu równowagi
termodynamicznej.
Wszystkie rodzaje hartowania muszą być poprzedzone
austenityzowaniem
(30-50C powyżej linii GSK, czyli A

c3

dla stali podeutektoidalnych i

A

c1

dla stali nadeutektoidalnych); celem tej obróbki jest

maksymalne zwiększenie twardości materiału, przy równoczesnym
obniżeniu jego ciągliwości.

*

stale nadeutektoidalne austenityzujemy w zakresie austenit+cementyt wtórny z kilku

powodów:
a/ w temperaturze poniżej A

cm

austenit jest mniej nasycony węglem i pierwiastkami

stopowymi, dzieki czemu temperatury M

s

i M

f

nie ulegają zbytniemu obniżeniu, co

skutkuje zmniejszeniem ilości austenitu szczątkowego w zahartowanej stali;
b/ unikamy rozrostu ziarna austenitu który występuje powyżej temperatury A

cm

gdyż

wówczas znikają cząstki cementytu hamujące rozrost ziarna, a wyższa temperatura
dodatkowo go przyspiesza;
c/ cementyt wtórny pozostający w strukturze zahartowanej stali jest twardy i nie obniża
jej walorów użytkowych

OBRÓBKA CIEPLNA

 

       

zwykłe

po austenityzowaniu szybko oziębiamy w wodzie (stale węglowe)

lub w oleju

(stale stopowe); celem jest uzyskanie struktury martenzytycznej

       

przerywane

po austenityzowaniu oziębiamy w dwóch ośrodkach: najpierw w

wodzie

(do temperatury ciemnoczerwonego żaru), a następnie w oleju; taka

obróbka

zmniejsza naprężenia zachowując wysoką twardość wyrobu i

eliminuje

pęknięcia

       

stopniowe

po austenityzowaniu oziębiamy w kąpieli solnej lub metalowej o

temperaturze

wyższej od M

s

(temperatury początku przemiany martenzytycznej)

i wytrzymujemy aż do wyrównania temperatury na przekroju

hartowanego

przedmiotu, nie dopuszczając jednak do rozpoczęcia przemiany

bainitycznej;

dalsze chłodzenie może następować na powietrzu; celem jest

zmniejszenie

naprężeń własnych (szczególnie ważne przy skomplikowanych

kształtach)

przy zachowaniu wysokiej twardości

OBRÓBKA CIEPLNA

 

      

  izotermiczne (bainityczne)

podobnie jak w przypadku hartowania stopniowego, lecz czas

wytrzymania

w kapieli izotermicznej wydłużamy do zajścia przemiany

bainitycznej, dalsze

chłodzenie może następować na powietrzu; celem jest uzyskanie

struktury

bainitu dolnego

       

powierzchniowe

jest rodzajem obróbki powierzchniowej polegającej na wytworzeniu

struktury

martenzytycznej tylko w cienkiej warstwie przypowierzchniowej,

dzięki

szybkiemu nagrzewaniu tylko tej strefy; w wyniku uzyskujemy

korzystna

kombinacje własności: trwałą powierzchnię, odporną na ścieranie i

zmęczenie

oraz ciągliwy rdzeń

OBRÓBKA CIEPLNA

 

ODPUSZCZANIE

proces obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu zahartowanej stali do
temperatur
w zakresie od 150C do A

1

w zależności od rodzaju i celu odpuszczania; na

przebieg procesu odpuszczania istotny wpływ wywierają składniki stopowe

       

niskie

nagrzewamy stal do temperatury ok. 150-250C; celem jest

usunięcie
naprężeń pohartowniczych przy zachowaniu dużej twardości i
odporności
na ścieranie
       

średnie

nagrzewamy stal do temperatury ok. 300-450C; taka operacja

powoduje
wyraźne zmniejszenie twardości, uzyskujemy dobrą wytrzymałość
sprężystość
       

wysokie

temperatura od 500C do A

1

; taka operacja prowadzi do uzyskania

maksymalnej udarności, zwiększa się wartość stosunku R

e

/R

m

który jest miarą
ulepszenia cieplnego stali
 

OBRÓBKA CIEPLNA

 
 

Ujemne skutki odpuszczania



to kruchość odpuszczania I rodzaju (nieodwracalna)

Spadek udarności spowodowany przemianą austenitu
szczątkowego
i nierównomiernym rozkładem martenzytu (najłatwiejszym na
granicach ziarn)


to kruchość odpuszczania II rodzaju (odwracalna)

spowodowana segregacją fosforu i innych domieszek do granic
ziarn
w wyniku zbyt małej szybkości chłodzenia od temperatury
odpuszczania
(stale konstrukcyjne stopowe).
Może być usunięta przez powtórzenie obróbki z szybszym
oziębieniem
lub dodatek Mo w ilości 0,2÷0,3%.
 

OBRÓBKA CIEPLNA

 

UTWARDZANIE WYDZIELENIOWE

proces polegający na wydzieleniu w stanie stałym dyspersyjnych
faz powodujących umocnienie stopu, tj. zwiększających jego
wytrzymałość
i twardość, przy obniżeniu ciągliwości (wydłużenia A i przewężenia
Z);
proces może być stosowany wyłącznie w stopach w których istnieje
zmienna rozpuszczalność składników z temperaturą (maleje z
temperaturą)
 
      

  przesycanie

nagrzewamy stop powyżej linii zmiennej rozpuszczalności i szybko
oziębiamy
w wodzie; celem jest otrzymanie przesyconego roztworu stałego
       

starzenie

wytrzymujemy przesycony stop w temperaturze otoczenia
(starzenie
naturalne) albo podwyższonej (starzenie przyspieszone lub
sztuczne)
w czasie potrzebnym do wydzielenia drobnych dyspersyjnych
cząstek (ze
wzrostem czasu starzenia rośnie twardość); przy starzeniu
przyspieszonym
następuje znaczne skrócenie czasu starzenia, jednak pojawia się
efekt
przestarzenia tj. spadku twardości po przekroczeniu granicznego
czasu
starzenia w wyniku koagulacji wydzieleń

OBRÓBKA CIEPLNA

 

PATENTOWANIE

Jest to specjalna odmiana obróbki cieplnej stosowana najczęściej do drutów,

a czasem i do taśm. Polega ona na tym, ze po austenityzowaniu prowadzimy
wytrzymanie izotermiczne (w temperaturach pośrednich pomiędzy
tworzeniem się perlitu, a bainitu).
W wyniku patentowania otrzymujemy zatem strukturę bardzo drobnego
perlitu (troostytu)
z ewentualna minimalną domieszką bainitu górnego która cechuje się
wysoką wytrzymałością i bardzo dobrą plastycznością. Umożliwia to
stosowanie znacznych odkształceń podczas przeciągania (w przypadku
taśm - walcowania) i uzyskanie bardzo dobrej wytrzymałości.

Parametry obróbki cieplnej:

Temperaturę austenityzowania dobiera się w zależności od
zawartości węgla
w stali i średnicy drutu w granicach 860-950C. Te wyższe niż

normalnie temperatury powodują rozrost ziarna austenitu, jest to
jednak korzystne
ze względu na własności po patentowaniu i ciągnieniu*.

 
*

Wzory empiryczne do określania parametrów procesu:

temperatura austenityzowania, C

t

A

= 900 – 50 C + 10 D

czas grzania (nagrzewania i wygrzewania), s

 = 30 + 5 D

2

dla D  5

mm

oraz  = 30 + ((5+D)/2) D

2

dla D 

5 mm
temperatura kąpieli chłodzącej, C

t

k

= 490 + 60 C – 15 D

gdzie:

C – zawartość węgla w %,

D – średnica drutu w mm

OBRÓBKA CIEPLNA