[2]Obróbka cieplna jest zabiegiem lub połączeniem zabiegów cieplnych, pod wpływem których zmienia się w stanie stałym struktura stopów, a tym samym ich własności mechaniczne i fizyko-chemiczne.
Operacją obróbki cieplnej nazywamy część procesu technologicznego wykonywaną w sposób ciągły przeważnie na jednym stanowisku roboczym.
Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej.
Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego
Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze
Nagrzewanie i wygrzewanie określa się jako grzanie.
Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury. Chłodzenie z małą szybkością nazywamy studzeniem, natomiast z dużą – oziębianiem.
[4] Podstawowymi operacjami obróbki cieplnej są : hartowanie, starzenie, odpuszczanie i przesycanie oraz wyżarzanie
[5] Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury powyżej przemiany austenitycznej, wygrzewaniu i szybkim ochłodzeniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej.
[6] Temperaturę austenityzowania dla stali węglowych dobiera się na podstawie wykresu żelazo węgiel. Powinna być ona o 30-50C wyższa od temperatury powstawania austenitu, którą wyznacza linia GSK. W przypadku stali stopowych temperatura austenityzowania jest znacznie wyższa, ze względu na wprowadzone pierwiastki stopowe.
[7] Rozróżnia się dwie główne metody hartowania: objętościowe i powierzchniowe.
[8]Hartowanie objętościowe zachodzi gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie elementu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia.
Martenzyt to przesycony roztwór, węgla w żelazie a. Strukturę martenzytyczną uzyskuje się przy chłodzeniu stali z szybkością większa niż krytyczna. Szybkość krytyczna odpowiada stycznej do obszaru o najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego. Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną
[10] Martenzyt listwowy charakteryzuje się dużą gęstością dyslokacji. Powstaje niemal we wszystkich stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi oraz w stalach niskowęglowych.
Martenzyt płytkowy ma postać różnej wielkości płytek, które na zgładzie metalograficznym mają postać igieł, stąd nazywa się go również martenzytem iglastym.Powstaje tylko w nielicznych stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi, oraz w stalach średnio i wysokowęglowych. Z drobnoziarnistego austenitu powstaje martenzyt drobnoiglasty, natomiast z gruboziarnistego – grubo iglasty. W stalach stopowych szybkotnących występuje również bardzo drobny, ledwo widoczny martenzyt skryto iglasty.
Strukturę bainityczną uzyskuje się przy chłodzeniu stali do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej, a następnie wytrzymaniu materiału w tej temperaturze, aż do zakończenia wszelkich przemian austenitu. Późniejsza szybkość chłodzenia nie ma już znaczenia, gdyż nie ma już austenitu który mógłby się przemienić.
Zależnie od temperatury chłodzenia możemy uzyskać bainit górny lub dolny.
[12] Bainit górny Składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz austenitu szczątkowego . Powstaje w zakresie przemiany pomiędzy temperaturą 550-350C.
[13] Bainit dolny Składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu oraz płytkowych węglików w równoległych rzędach. Powstaje w zakresie przemiany pomiędzy temperaturą 350C a Ms.
[14] Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania a nastepnie szybkim ochłodzeniu. Umożliwia to ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach które powinny być obrobione cieplnie. W efekcie nie wywołuje dużych naprężeń i odkształceń cieplnych.
[15]Hartowanie płomieniowe Polega na nagrzewaniu powierzchni płomieniem gazowym, zwykle acetylenowo-tlenowym, za pomocą palnika o dużej wydajności, i na intensywnym oziębianiu strumieniem wody.
[16]Hartowanie indukcyjne Polega na nagrzewaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu prądami wirowymi, wzbudzonymi przez prąd zmienny o wysokiej częstotliwości, płynący we wzbudniku w postaci cewki, a następnie szybkim oziębianiu natryskiem wodnym
[17]Hartowanie kąpielowe Polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu przez krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej
[18]Hartowanie laserowe Powierzchniowe hartowanie za pomocą wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany przedmiot miejscowo. Głowcia lasera umieszczona jest na manipulatorze laserowym, zaś ślad hartowniczy wyznaczany jest komputerowo za pomocą metody CAD/CAM.
Hartowanie laserowe dodatkowo zużywa mniej energii niż w przypadku piecowego lub indukcyjnego, co eliminuje powstawanie odkształceń elementów, oraz ogranicza występowanie naprężeń pohartowniczych.
[19] Praktycznie można przyjąć, że w przypadku obróbki cieplnej stali węglowej w piecu komorowym czas grzania wynosi 1 minuta na 1 mm średni lub boku przekroju przedmiotu. W przypadku kształtów bardziej złożonych, takich jak kula czy szcześcian przyjmuje się wymiar redukowany wyznaczany jako iloczyn wmiaru charakterystycznego S i współczynnika kształtu K.
[20] Ze względu ułożenie elementów w piecu,oraz powierzchnię jaką stykają się z podstawą komory, czas grzania również ulega zmianie. Na widocznej tablicy można zauważyć jak zmienia się współczynnik względnego czasu nagrzewania wsadu „n” w przypadku różnych sytuacji. Spowodowane jest to nierównomiernym nagrzewaniem się przedmiotów.
[21] Wyżarzanie -Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi
[22] Występuje kilka rodzajów wyżarzania takich jak: ujednorodniające, rekrystalizujące, odprężające, normalizujące, zupełne, izotermiczne oraz sferoidyzujace
[24]Wyżarzanie ujednorodniające - Polega na nagrzaniu stali do temperatury o około 100-200°C niższej od solidusu, długotrwałym wygrzewaniu i następnie studzeniu. Celem jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego. Stosowane głównie dla wlewków stalowych.
[25]Wyżarzanie rekrystalizujące – polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne, podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości oraz wytrzymałości, zwiększając tym samym własności plastyczne i umożliwiając ponowną obróbkę plastyczną na zimno.
[26] Wyżarzanie odprężające – polega na nagrzaniu stali do temp. Poniżej Ac1, wygrzewaniu w tej temp. I powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzeniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury wyżarzania odprężając ego jest szeroki i zależy od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia.
[27] Wyżarzanie normalizujące – polega na nagrzaniu stali do temperatury 30-50C wyższej od Ac3, wygrzewaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbką cieplną – w celu ujednolicenia struktury
[28] Wyżarzanie zupełne - polega na nagrzaniu stali do temperatury 30-50C powyżej linii GSK, wygrzaniu i po pewnym czasie wolnym studzeniu. Stosowane jest do stali stopowych, w celu uzyskaniu struktury zbliżonej do równowagowej, usunięciu naprężeń wewnętrznych, polepszenia obrabialności i poprawienia ciągliwości
[29] Wyżarzanie sferoidyzujące – nazywane również zmiękczaniem, polega na nagrzaniu materiału do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze ,bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Celem wyżarzania jest zmniejszenie twardości w wyniku zmiany kształtu wydzieleń cementytu na sferoidalny.Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność, oraz dobrą podatność na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.