Obróbka termiczna - rodzaj obróbki, w której określony zabieg technologiczny zmienia w stanie stałym strukturę stopu oraz wszelkie jego własności. Obróbka ta jest stosowana w różnego typu metalach w celu dalszej ich obróbki.
Rodzaje obróbki cieplnej:
wyżarzanie,
hartowanie,
odpuszczanie,
ulepszanie cieplne,
przesycanie,
stabilizowanie.
Wyżarzanie – jest operacją cieplną polegającą na nagrzaniu elementu stalowego do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego.
Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone:
z przemianą alotropową
Wyżarzanie zupełne - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.
Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) - przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15°C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15°C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.
Wyżarzanie ujednorodniające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000÷1200°C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.
Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) - stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.
bez przemiany alotropowej:
Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550÷650°C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.
Wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400÷500°C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.
Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150°C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.
Hartowanie – jest operacją cieplną, któremu poddawana jest stal, składającym się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723°C) (zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczna lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.
Przy hartowaniu niezwykle istotnym jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.
Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.
Metody hartowania: Hartowanie zwykłe - Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.
Hartowanie stopniowe - Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.
Hartowanie izotermiczne - Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.
Hartowanie powierzchniowe - metoda, w której, nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego. Hartowanie płomieniowe - Powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.
Hartowanie indukcyjne - Przedmiot przeciągany jest przez cewkę, otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe, powstałe w przedmiocie, powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania. Hartowanie kąpielowe - Polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej. Hartowanie ślepe - hartowanie poniżej wartości temperaturowej właściwej dla nawęglania - ergo - hartowanie bez nawęglania.
Hartowanie laserowe
Hartowanie kontaktowe
Hartowanie elektrolityczne
Hartowanie impulsowe
Odpuszczanie – jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzaniu ich do temperatury niższej od przemian fazowych, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest ono stosowane w celu polepszenia właściwości elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pękania. Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy. Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne. Pierwsze stadium 80 – 200°C jest związane z rozkładem martenzytu i wydzieleniem w nim węglika Fe2C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie stężenia węgla w austenicie; zmniejszenie tetragonalności martenzytu, tworzy się martenzyt o sieci regularnej – martenzyt odpuszczony. Drugie stadium 200 – 300°C jest związane z dalszym wydzielaniem się z roztworu węglika , skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około 0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym; w etapie tym otrzymujemy mieszaninę ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje Trzecie stadium 300 – 400 C następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu a wydzielone węgliki ulegają przemianie na cementyt; otrzymana struktura w tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu. Czwarte stadium 400 – 650°C zachodzi w nim koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur będąca mieszaniną ferrytu i cementytu nazywa się sorbitem (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje całkowite usunięcie naprężeń.
Wyróżniamy odpuszczanie:
niskie 150°C - 250°C
średnie 250°C - 500°
wysokie 500°C - Ac1