Obróbka cieplna jest to zespół odpowiednio dobranych zabiegów cieplnych prowadzących do zmiany właściwości stali poprzez zmiany struktury w stanie stałym w wyniku zmian tem-peratury i czasu.
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury oraz właściwości metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:
• obróbkę cieplną zwykłą,
• obróbkę cieplno-chemiczną,
• obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),
• obróbkę cieplno-magnetyczną.
Każdy proces obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie) wykonywana w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym, natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewa-nie, wygrzewanie, chłodzenie).
Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy. Podczas nagrzewania stopnio-wego rozróżnia się: podgrzewanie - nagrzewanie do temperatury pośredniej i dogrzewanie - nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia stopniowego wyróżniamy pojęcia: podchładzanie - chłodzenie do temperatury pośredniej oraz wychładzanie - chłodzenie do temperatury końcowej. Chłodzenie powolne (w piecu, spokojnym powietrzu) nazywamy studzeniem, natomiast chłodzenie szybkie (w wodzie, oleju) nazywamy oziębianiem. Ochłodzenie i wytrzymanie materiału w temperaturze poniżej 0°C nazywamy wymrażani
Przemiana austenityczna.
Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury Ac1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury Ac3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.
Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfa-zowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austeni-tycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach:
• utworzenie austenitu niejednorodnego,
• utworzenie austenitu jednorodnego,
• rozrost ziaren austenitu.
Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejedno-rodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych ko-nieczne jest dalsze wygrzewanie.
Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna (rys.3), jednak dalszy wzrost temperatury lub czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren austenitu zależy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które możemy podzielić na dwie grupy:
• stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie tempera-tur do 900-950°C,
• stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po zakoń-czeniu przemiany austenitycznej.
Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu są dyspersyjne cząstki obcych faz, uniemożliwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą skłonno-ścią do rozrostu ziaren należą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają dysper-syjne cząstki Al2O3 i AlN) oraz tale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno rozpusz-czalne węgliki. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na gorąco. Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę właściwości mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i ulepszanych ciepl-nie.
Przemiany podczas chłodzenia
Austenit jest fazą trwałą tylko w pewnym zakresie temperatur i po ochłodzeniu poniżej temperatury Ar, ulega przemianie perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej. Dane doty-czące zależności struktury i właściwości stali od temperatury i czasu przemiany przechłodzo-nego austenitu zawierają wykresy CTP (czas - temperatura - przemiana). W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:
• CTPi - przy chłodzeniu izotermicznym,
• CTPc - przy chłodzeniu ciągłym
Rozpoczęcie przemiany austenitu wymaga pewnego czasu zwanego „czasem inkubacji au-stenitu”, który jest potrzebny do przegrupowania atomów oraz powstania zarodków nowej fazy. Czas inkubacji austenitu przy chłodzeniu izotermicznym zależy przede wszystkim od temperatury i jest najdłuższy w temperaturze bezpośrednio poniżej temperatury A1. Wraz z obniżeniem temperatury czas trwałości przechłodzonego austenitu ulega skróceniu osiągając minimum w temperaturze 500-550°C. Poniżej temperatury 550°C czas inkubacji austenitu wydłuża się aż do osiągnięcia temperatury początku przemiany martenzytycznej.
Przemiana perlityczna.
Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur pomiędzy temperaturą Ar1, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550°C. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemiany dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzi przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków (rys.5). Zarodkowanie perlitu przebiega homogenicznie na granicach ziaren austenitu czy nierozpuszczonych cząst-kach innych faz, przy czym z danych doświadczalnych wynika, że w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubożenie zawartości węgla w otaczającym ją austenicie. Gdy stężenie węgla w austenicie spadnie do poziomu odpowiadającego jego zawartości w ferrycie - powstaje płytka ferrytu, co prowadzi do wzbogacenia sąsiednich obszarów austenitu w węgiel do zawartości wymaganej dla powstania płytki cementytu. Kolonia perlitu rośnie poprzez dobudowywania nowych płytek ferrytu i cementytu oraz przez wzrost czołowy, który zachodzi na drodze dyfuzyjnego przegrupowywania atomów węgla.
W warunkach chłodzenia izotermicznego odległość między płytkami ferrytu i cementytu zmniejsza się wraz z przechłodzeniem austenitu. Na przykład w perlicie utworzonym w temperaturze 700°C odległość między płytkami m.m, a w perlicie utworzonym w temperaturze 600°C - 0,1 wynosi ok.1
Przemiana bainityczna.
Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia izoter-micznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący się w zakresie temperatury poniżej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400°C oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400°C a temperaturą początku prze-miany martenzytycznej.
Przemiana bainityczna rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu na granicach ziaren austenitu. Obecnie przyjmuje się, że przemiana sieci austenitu w sieć ferrytu jest typu mar-tenzytycznego czyli zachodzi na drodze bezdyfuzyjnego ścinania. Natomiast węgliki tworzą się w wyniku dyfuzji węgla i zarodkowania nowej fazy. Wynika stąd, że bainit jest mieszani-ną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, że zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie cementytu zachodzi na granicy . Morfologia tworzącego się cementytu na granicach międzyfazowej listew ferrytu zależy od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych występują izolowane cząstki cementytu, natomiast przy większych zawartościach cementyt przyjmuje postać cien-kiej błonki węglików po granicach listew ferrytu. W bainicie dolnym zarodki ferrytu krystali-zują na granicy ziaren austenitu oraz na już istniejących płytkach ferrytu. Istotną cechą baini-tu dolnego jest również to, że wydzielanie się węglików zachodzi wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zależności od warunków przemiany, może wydzielić się cementyt lub o wzorze chemicznym Fe24C zawiera 8,4% C i. Węglik węglik krystalizuje w układzie heksagonal-nym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.
Wraz z obniżeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu ba-initycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew ferrytu bainitycznego rośnie również ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem morfolo-gicznym bainit górny jest bardziej zbliżony do perlitu drobnego, a bainit dolny do martenzy-tu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyróżnia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny, występu-jący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach nadeutekto-idalnych powyżej temperatury 350°C.
Przemiana martenzytyczna.
Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ms (ang. martensite start) z prędko-ścią równą lub większą od prędkości krytycznej.W wyniku powyższej przemiany , opowstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie strukturze tetragonalnej, powstającej przez zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Parametry sieci tetragonalnej martenzytu, a tym samym jego właści-wości zależą głównie od zawartości węgla w martenzycie. Martenzyt cechuje wysoka twar-dość i mała ciągliwość spowodowana obniżeniem symetrii sieci i wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych (dyslokacji, mikrobliźniaków).
Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi z bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi ok.10-7s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury aż do osiągnięcia temperatury Mf (ang. martensite finish), poniżej której przemiana marten-zytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.
Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem szcząt-kowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około 3-4%, co powoduje wzrost naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy od: zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej, temperatury auste-nityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf.
Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz zawartość austenitu szczątkowego w stali węglowej przedstawiono na rys.6 i 7. W miarę wzrostu za-wartości węgla w stali zarówno temperatura Ms, jak i Mf ulega obniżeniu, przy czym w sta-lach o zawartości ponad 0,6% C temperatura Mf leży poniżej zera °C i dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego w stali wzrasta również jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf próbka zostanie izotermicznie wytrzymana.
Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany wydłużenia próbki.
Powyżej temperatury 400°C rozpoczyna się czwarte stadium odpuszczania, w którym zachodzą procesy koagulacji cementytu, polegające na stopniowym rozpuszczaniu się mniejszych cząstek cementytu i wzroście większych. W temperaturze ok. 600°C następuje sferoidyzacja cementytu. Struktura składa się z wysokoodpuszczonego martenzytu (złożonego z bardzo drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytu).
PROCESY OBRÓBKI CIEPLNEJ.
Obróbka cieplna ma na celu zmianę właściwości poprzez zmianę struktury, lecz bez zmiany kształtu obrabianego przedmiotu. W zależności od parametrów obróbki cieplnej oraz zmian zachodzących w strukturze pod wpływem obróbki cieplnej wyróżnia się: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie i starzenie.
Wyżarzanie
Przez wyżarzanie rozumie się zabiegi cieplne, których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością. Ze względu na temperaturę, w której wyżarzanie przebiega, dzieli się je na wyżarzanie: z przekrystalizowaniem i bez przekrystalizowania
Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrza-niu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury marten-zytycznej lub bainitycznej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30-50°C powyżej linii GSK Natomiast stale wysokostopowe (nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temperatur znacznie wyższych (1100-1200°C) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi.
W zależności od sposobu chłodzenia wyróżnia się hartowanie zwykłe (ciągłe), stopniowe oraz z przemianą izotermiczną.
Hartowanie zwykłe polega na ciągłym obniżaniu temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej. Dobór ośrodka chłodzącego uzależniony jest od hartowanego materiału oraz rodzaju struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu procesu.
Stale węglowe chłodzimy najczęściej w wodzie lub roztworach soli, natomiast stale sto-powe w oleju lub powietrzu (np. stale maraging).
Hartowanie stopniowe polega na chłodzeniu obrabianego elementu w kąpieli o tempera-turze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej tem-peraturze przez okres konieczny do wyrównania temperatury na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu lecz nie dłużej niż czas trwałości austenitu w tej temperaturze i powolnym chło-dzeniu do temperatury otoczenia. Dzięki wyrównaniu temperatury na powierzchni i w rdze-niu materiału oraz powolnemu chłodzeniu po wytrzymaniu izotermicznym w przekroju ele-mentu zanikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania i paczenia elementów. Jako kąpieli hartowniczych używa się najczęściej stopionych soli azotanów i azotynów sodu oraz soli potasu, które zapewniają szybki odbiór ciepła od ochładzanych elementów.
Hartowanie izotermiczne (bainityczne) przebiega podobnie jak hartowanie stopniowe, tzn. po austenityzowaniu stal ochładza się w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms, zwykle w zakresie 250-400°C, wytrzymuje w tej temperaturze do czasu zakończenia przemiany baini-tycznej i chłodzi w powietrzu. Uzyskana struktura bainityczna posiada dużą twardość (40-50 HRC), a zarazem większą ciągliwość i udarność niż struktura martenzytyczna.
Ze względu na zasięg austenityzowania obrabianego cieplnie przedmiotu hartowanie dzie-limy na: objętościowe i powierzchniowe.
Hartowanie objętościowe występuje wtedy, gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość zahartowanej warstwy zależy wyłącznie od wła-sności materiału i szybkości chłodzenia.
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie po-wierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie, nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzieli się na:
• indukcyjne,
• płomieniowe,
• kąpielowe,
• wiązkowe (laserowe, elektronowe, jonowe).
Hartowność stali, jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej. Właściwość ta jest ściśle związana z krytyczną szybkością chłodzenia stali; im większa jest wymagana szyb-kość chłodzenia tym hartowność mniejsza. Z pojęciem hartowności związane są następujące cechy:
• głębokość hartowania,
• maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni,
• skłonność do tworzenia rys i pęknięć hartowniczych.
Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wy-grzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od tempera-tury, w której prowadzony jest proces, rozróżnia się odpuszczanie:
• niskie 100-250°C,
• średnie 250-500°C,
• wysokie 500°C - Ac1.
Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury powyżej granicznej rozpuszczalno-ści drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu w celu zatrzyma-nia rozpuszczonego składnika w roztworze stałym (rys.17). W wyniku przesycania poprawia-ją się właściwości plastyczne natomiast zmniejsza się wytrzymałość i twardość. Przesycanie jest szeroko stosowane do stali Cr-Ni o strukturze austenitycznej w celu rozpuszczenia węglików i uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej, co zwiększa odporność na korozję międzykrystaliczną oraz do uszlachetniania wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych właściwościach magnetycznych.
Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu z roztworu przesyconego wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze w postaci drobnodyspersyjnych faz. Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje poprawę właściwości wytrzymałościowych i twardości oraz pogorszenie plastyczności.
Utwardzanie wydzieleniowe. Połączone procesy przesycania i starzenia określa się wspólną nazwą utwardzanie wy-dzieleniowe. Utwardzaniu wydzieleniowemu poddawane są stopy charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym i ma zastosowanie do umacniania metali nieżelaznych oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych.