Obróbka cieplna jest zabiegiem technologicznym , umożliwiającym dzięki grzaniu i chłodzeniu materiału zmianę jego mikrostruktury , a w konsekwencji i własności .

Obróbce cieplnej podlegają stopy , w których zabiegi cieplne wywołują w stanie stałym :

• przemianę eutektoidalną ,

• zmianę rozpuszczalności składników .

Ponadto obróbce cieplnej w ograniczonym zakresie można poddawać również stopy jednofazowe i metale techniczne , w których uprzednie procesy technologiczne wytworzyły stan odbiegający od warunków równowagi ( np. niejednorodność składu , naprężenia własne , odkształcenie plastyczne ).

Wyniki obróbki cieplnej zależą od poprawności :

• wyboru zabiegu uwarunkowanego celem ,

• wyboru parametrów zabiegu uwarunkowanego gatunkiem materiału i rodzajem wyrobu.

Zabieg obróbki cieplnej jest to określony zespół czynności nagrzewania , wygrzewania i chłodzenia obrabianego cieplnie stopu .

Nagrzewanie polega na ciągłym lub stopniowym podnoszeniu temperatury do wysokości przewidzianej dla danego zabiegu obróbki cieplnej . Przy nagrzewaniu stopniowym rozróżnia się : podgrzewanie , tj. nagrzewanie do temperatury niższej niż właściwa temperatura obróbki cieplnej oraz dogrzewanie , tj. nagrzewanie podgrzanego przedmiotu do temperatury właściwej dla danego zabiegu obróbki cieplnej .

Wygrzewanie polega na utrzymywaniu temperatury odpowiadającej danemu zabiegowi obróbki cieplnej w czasie potrzebnym do wyrównania temperatury na całym przekroju obrabianego przedmiotu i przebieg zamierzonych przemian w jego strukturze .

Chłodzenie jest to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury przedmiotu do temperatury otoczenia lub innej określonej warunkami zabiegu.

W skład obróbki cieplnej wchodzą następujące zabiegi :

1.Wyżarzanie - zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury , wygrzaniu w tej temperaturze z następnym studzeniem ( czyli powolnym chłodzeniem ). Zależnie od temperatur wygrzania , sposobu studzenia i celu, jaki chcemy osiągnąć , rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzania :

• ujednorodniające - usunięcie segregacji dendrytycznych ,

• rekrystalizujące - usunięcie umocnienia spowodowanego zgniotem

• odprężające - usunięcie naprężeń własnych bez zmiany mikrostruktury ,

• zupełne - całkowite przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej struktury ,

• normalizujące - uzyskanie jednolitej , drobnoziarnistej struktury,

• izotermiczne - zmniejszenie twardości i polepszenie obrabialności ,

• sferoidyzującę - koagulacja węglików ,

• perlityzujące - utworzenie struktury drobno płytkowego perlitu ,

• przegrzewanie - nadanie stali gruboziarnistej struktury .

2. Ulepszanie cieplne

• hartowanie - zabieg cieplny polegający na nagrzewaniu elementu do temperatury 30 - 50⁰ C powyżej A_c3 - A_c1 , wygrzaniu w tej temperaturze z następnym dostatecznie szybkim oziębieniu w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej , a przez to zwiększenie twardości stali .

• odpuszczanie - polega na wygrzewaniu wyrobów w temperaturze od A_c1 przez 2 - 3 godzin i przeważnie powolnym studzeniu na powietrzu . Wyróżnia się trzy zakresy temperatur odpuszczania :

- odpuszczanie niskie - 150 - 250 ⁰ C zapewnia strukturę martenzytu

odpuszczonego i wobec tego dużą wytrzymałość , twardość i odporność

na ścieranie przy minimalnej ciągliwości

- odpuszczanie średnie - 300 - 500 ⁰ C zapewnia drobnodyspersyjną

strukturę sorbityczną o znacznej wytrzymałości przy dość dobrej

ciągliwości .

- odpuszczanie wysokie - 500 - 700 ⁰C - zapewnia strukturę sorbityczną o

małej dyspersji i w związku z tym dobrąwytrzymałość i twardość przy

dużej ciągliwości

Odpuszczanie należy wykonywać bezpośrednio po hartowaniu , aby uniknąć stabilizacji austenitu szczątkowego i ewentualnych skutków naprężeń hartowniczych . Jest to zabieg konieczny po objętościowym hartowaniu martenzytycznym .

3.Utwardzanie dyspersyjne .

a) Przesycanie - polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze i w czasie umożliwiającym rozpuszczenie się w roztworze wydzieleń faz międzymetalicznych , a następnie na szybkim oziębieniu ( wodą , olejem ) do temperatury otoczenia .Zabieg ten zapewnia otrzymanie niestabilnej struktury przesyconego roztworu stałego odznaczającej się dużą ciągliwością .

b) Starzenie - polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze niższej od temperatury nasycenia roztworu przez kilka do kilkunastu godzin , a następnie na powolnym studzeniu do temperatury otoczenia .

Żeliwa są to stopy żelaza z węglem o teoretycznej zawartości

2,11 - 6,67 % węgla .Poza tym stop ten zawiera jeszcze krzem , mangan , fosfor i siarkę , a niekiedy także dodatki stopowe .

Ze względu na postać występowania węgla rozróżniamy :

• Żeliwa białe - cała zawartość węgla związana jest w postaci cementytu

• Żeliwo szare - najwyżej 0,8 % węgla jest związane w postaci cementytu , a pozostała ilość występuje w postaci wolnego grafitu

• Żeliwa stopowe - o mikrostrukturze uzależnionej pod składu chemicznego .

Wśród żeliw szarych zależnie od sposobu wytwarzania , a więc od kształtu wydzieleń grafitu wyróżnia się :

• żeliwa maszynowe o grubym graficie płatkowym ,

• żeliwa modyfikowane o drobnym graficie płatkowym

• żeliwa sferoidalne o graficie kulkowym

• żeliwa ciągliwe o graficie w postaci węgla żarzenia

Żeliwo w którym wydzielenia grafitu mają postać regularnych lub nieregularnych kulek , nosi nazwę żeliwa sferoidalnego .Tego rodzaju postać grafitu powoduje najmniejsze , w porównaniu z innymi formami występowania grafitu , pogorszenie właściwości mechanicznych i dlatego żeliwo sferoidalne ma dobre właściwości wytrzymałościowe oraz wykazuje pewną plastyczność. Sferoidyzację grafitu uzyskuje się przez wprowadzenie przed odlewaniem do ciekłego żeliwa magnezu i jego stopów .

Właściwości żeliwa zależą głównie od osnowy metalicznej , która może być ferrytyczna , ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna . Żeliwo sferoidalne w porównaniu z szarym , odznacza się znacznie większą wytrzymałością i mniejszą kruchością , ale również mniejszą zdolnością tłumienia drgań i większą wrażliwością na działanie karbu. Wydłużenie i udarność żeliwa o osnowie ferrytycznej jest tego samego rzędu co stali obrobionej cieplnie , a o osnowie perlitycznej - małe , ale mierzalne.

Cechy mechaniczne żeliwa sferoidalnego perlitycznego można poprawić , podając je ulepszeniu cieplnemu . Hartowanie od temperatury A_c1 + 50 ⁰C

i odpuszczanie w temperaturze 500 -550 ⁰C nadaje osnowie mikrostrukturę sorbityczną . Drugą możliwością jest wprowadzenie pierwiastków stopowych i zastosowanie ulepszania cieplnego . Znak żeliwa sferoidalnego składa się z symbolu Zs , wskazującego na żeliwo sferoidalne oraz liczby gatunku , w której trzy pierwsze cyfry oznaczają minimalną wytrzymałość na rozciąganie , jedna lub dwie pozostałe - minimalne wydłużenie. Tak np. symbol Zs 400-12 oznacza gatunek żeliwa sferoidalnego o minimalnej wytrzymałości na rozciąganie

400 MPa i minimalnym wydłużeniu A₅ = 12 % . Dzięki swoim dobrym właściwościom żeliwo sferoidalne znajduje coraz szersze zastosowanie , zastępując w budowie maszyn żeliwo stopowe , staliwo , żeliwo ciągliwe a nawet stopy metali nieżelaznych , dając duże efekty ekonomiczne . Z żeliwa sferoidalnego wykonuje się wały korbowe , koła zębate , walce , pierścienie tłokowe , rury itp.

Martenzyt jest międzywęzłowym , przesyconym roztworem stałym węgla w Fe*.W obrazie mikroskopowym o powiększeniu 600 - 800 X ma wygląd ciemnych igieł ułożonych grupami pod kątem 60⁰ lub 120⁰ względem siebie , rozmieszczonych na jasnym tle przechłodzonego austenitu. Wielkość igieł martenzytu zależy od wielkości ziarna austenitu : gruboziarnisty austenit przemienia się w gruboziarnisty martenzyt ,a bardzo drobnoziarnisty austenit , przemienia się w bardzo drobnoziarnisty martenzyt zwany bezpostaciowym lub skrytoiglastym. Martenzyt z powodu naprężeń sieci wywołanych jej tetragonalnym zniekształceniem nadaje stali dużą twardość i równocześnie kruchość , tym większą , im jest bardziej gruboiglasty.

Bainit jest dwufazową mieszaniną ferrytu , przesyconego węglem i drobnymi wydzieleniami cementytu. Wyróżnia się bainit górny ( pierzasty ) tworzący się powyżej 400 ⁰C oraz bainit dolny ( iglasty ) tworzący się poniżej 400 ⁰C . Na obrazie mikroskopowym pierwszy ma postać ciemnych igieł o postrzępionych krawędziach , drugi - jasnych igieł o ostro zarysowanych krawędziach nachylonych do siebie pod kątami 60⁰ i 120⁰ . Bainit górny , w porównaniu z perlitem drobnym nieznacznie powiększa wytrzymałość i twardość stali , natomiast wyraźnie zmniejsza plastyczność. Bainit dolny silniej powiększa wytrzymałość i twardość przy zachowaniu stosunkowo dobrej plastyczności stali.