OBRÓBKA CIEPLNA
Jest to zabieg lub grupa zabiegów cieplnych mających na celu zmianę struktury metali i stopów w stanie stałym. Celem jest polepszenie własności fizyko-chemicznych czy też chemicznych. Uzyskuje się to poprzez podnoszenie lub obniżenie temperatury obrabianego cieplnie przedmiotu oraz procesy:
cieplno-chemiczne, gdzie istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera ośrodek, w którym odbywa się obróbka
cieplno-mechaniczna, w której na własności wpływają odkształcenia plastyczne
cieplno-magnetyczna.
Dzięki swoim wysokim własnością mechanicznym, łatwości obróbki, taniości oraz łatwej przeróbki stal i żeliwo zyskało duże znaczenie jako materiał konstrukcyjny, i do produkcji wyrobów codziennego użytku. Jednakże stopy te nie osiągnęły by tak dużego znaczenia , gdyby były używane w stanie nieobrobionym cieplnie. Ponieważ istnieją odmiany alotropowe żelaza można zmieniać własności stopów na drodze obróbki cieplnej, co rozszerza zakres ich stosowania.
Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:
nagrzewanie tj. ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury przedmiotu obrabianego cieplnie,
wygrzewanie polegające na wytrzymaniu przedmiotu w docelowej lub pośredniej temperaturze,
chłodzenie, czyli ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury. Rozróżniamy tutaj studzenie (w piecu lub spokojnym powietrzu), oziębianie (w wodzie lub oleju) oraz wychładzanie.
Do podstawowych zabiegów obróbki cieplnej zwykłej należy:
Wyżarzanie
Jest to zabieg polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w niej i następnym powolnym chłodzeniem (studzeniem). W zależności od celu jaki pragniemy osiągnąć, oraz temperatury wygrzania i sposobu studzenia wyróżniamy:
wyżarzanie ujednoradniające, którego celem jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego głównie wlewków stalowych,
wyżarzanie zupełne mające na celu rozdrobnienie ziarna stali, usunięcie budowy Widmannstattena, usunięcie naprężeń co prowadzi do uzyskania lepszych własności plastycznych,
wyżarzanie normalizujące mające na celu uzyskanie jednorodnej struktury i polepszenie własności mechanicznych,
wyżarzanie z przemianą izotermiczną stosowane głównie dla stali węglowych oraz stopowych mające na celu obniżenie twardości oraz polepszenie obrabialności,
wyżarzanie sferoidyzujące mające na celu koagulację (sferoidyzację) węglików i uzyskania przez to najmiększą i najbardziej plastyczna strukturę jaką można dla danej stali osiągnąć,
wyżarzanie rekrystalizujące, któremu poddaje się przedmioty poddane wcześniej przeróbce plastycznej na zimno i mające na celu usunięcie skutków zgniotu,
wyżarzanie odprężające, nie powodujące zmiany struktury stali i mające na celu zmniejszenie naprężeń własnych powstałych w procesach technologicznych (np. spawanie, obróbka mechaniczna, przeróbka plastyczna na gorąco),
wyżarzanie grafityzujące stosowane najczęściej dla żeliwa białego i mające na celu rozkład cementytu na grafit,
wyżarzanie odwęglające, którego celem jest usunięcie węgla z powierzchni elementu,
wyżarzanie przegrzewajace celem którego jest otrzymanie grubego ziarna np. w celu polepszenia obrabialności stali.
Hartowanie
Jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu przy tej temperaturze i następnie dostatecznie szybkim oziębieniu (w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej). Ma ono na celu zwiększenie twardości stali. Wysokość temperatury nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali, a szczególnie od zawartości węgla. Należy również brać wielkość przedmiotu, a czas wygrzewania musi być na tyle długi aby przemiany zachodzące podczas hartowania nastąpiły w całym przekroju obrabianego elementu. Cecha określającą przydatność stali do obróbki cieplnej jest tzw. hartowność, czyli zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas hartowania. Różne gatunki stali hartują się na różną głębokość. Maksymalna średnica, przy której próbka zostaje zahartowana na wskroś jest nazwana średnicą krytyczną. Średnica krytyczna dla bardziej energicznych ośrodków chłodzących (woda) jest większa niż dla ośrodków chłodzących wolniej.
Ośrodki chłodzące z uwagi na stan skupienia można podzielić na stałe, ciekłe i gazowe. Najczęściej stosowane są ośrodki ciekłe do których zaliczamy:
wodę i roztwory wodne,
oleje i tłuszcze,
stopione sole i metale.
Na hartowność stali ma wpływ wiele czynników, z których najważniejsze to skład chemiczny stali, dodatek inetnsyfikatorów, wielkość ziarna, jego jednorodność oraz nie rozpuszczone cząstki jak tlenki, węgliki, azotki.
Ze względu na sposób chłodzenia wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:
hartowanie zwykłe,
hartowanie stopniowe,
hartowanie izotermiczne.
W zależności od sposobu nagrzewania wyróżniamy:
hartowanie indukcyjne,
hartowanie płomieniowe,
hartowanie kąpielowe,
hartowanie kontaktowe,
hartowanie elektrolityczne
Odpuszczanie
Jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych. Polega on na nagrzaniu przedmiotów do odpowiedniej temperatury niższej niż przy hartowaniu, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym powolnym lub przyśpieszonym chłodzeniem. Ma ono na celu usunięcie naprężeń własnych oraz polepszenie własności plastycznych zahartowanych elementów. Stopień usunięcia naprężeń własnych zależy od temperatury odpuszczania, którą dobiera się w zależności od wymaganych własności. W zależności od temperatury odpuszczania wyróżniamy:
odpuszczanie niskie w temperaturze 150÷250oC, którego celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu wysokiej twardości,
odpuszczanie średnie w temperaturze 250÷500 oC, którego celem jest obniżenie twardości i zwiększenie odporności na uderzenia, zachowuje wysoką wytrzymałość i sprężystość,
odpuszczanie wysokie oC, mające na celu uzyskanie najwyższej udarności, przy wystarczającej wytrzymałości na rozciąganie.
Na wynik odpuszczania ma również wpływ czas trwania operacji, przy czym zbyt krótki czas odpuszczania nie jest zbyt korzystny. Chłodzenie po odpuszczaniu powinno być powolne, jedynie w przypadku stali skłonnych do kruchości odpuszczania stosuje się chłodzenie w wodzie lub oleju.
W celu nagrzana obrabianego przedmiotu można stosować:
grzanie otwartym płomieniem,
grzanie w elektrycznych piecach komorowych,
grzanie w kąpielach
Przesycanie i starzenie
Przesycanie oraz starzenie stanowią proces zwany utwardzaniem dyspersyjnym. Stosuje się go głównie do stopów metali nieżelaznych nie wykazujących przemian alotropowych oraz stali o strukturze austenistycznej. Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu i oziębieniu. W wyniku przesycania uzyskuje się strukturę jednofazową, której następuje niewielkie zmniejszenie własności wytrzymałościowych z równoczesnym zwiększeniem własności plastycznych.
Starzenie polega na nagrzaniu uprzednio przesyconego stopu do temperatury wyższej od temperatury otoczenia a niższej niż przy przesycaniu, wygrzaniu i studzeniu. Powoduje zwiększenie twardości i wytrzymałości stopu przy niewielkim obniżeniu własności plastycznych.
Obróbka podzerowa
Zwana również wymrażaniem polegająca na chłodzeniu stali bezpośrednio po hartowaniu do temperatury niższej od 0oC, wychłodzeniu w tej temperaturze i następnie ogrzaniu do temperatury otoczenia. Powinna być przeprowadzona niezwłocznie po hartowaniu. Ma na celu rozłożenie austenitu na martenzyt.
Dzięki niej uzyskuje się stabilizację wymiarów obrabianych przedmiotów, oraz dokończenie przemiany martenzytycznej (ilość austenitu szczątkowego zostaje zredukowana do minimum), co powoduje wzrost twardości.
Wady powstające podczas obróbki cieplnej
Do podstawowych wad, które mogą być spowodowane obróbką cieplną stali należą:
odkształcenia, które są powodowane naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi
wypaczenia powstające, gdy przedmioty obrabiane cieplnie są zanurzane w kąpieli chłodzącej w sposób nieprawidłowy a szybkość chłodzenia różnych powierzchni jest różna
pęknięcia powstające np. w miejscach koncentracji naprężeń jak gwałtowne zmiany przekroju, miejscowe zagłębienia, występy. Można przeciwdziałać pęknięciom poprzez eliminowanie powyższych przyczyn oraz poprzez łagodne chłodzenie i hartowaniu z możliwie najniższych temperatur.
Przyczyny wad hartowniczych:
złe przygotowanie przedmiotów poprzez np. pozostawienie powierzchni skorodowanych, zaolejonych lub zamalowanych co sprzyja tworzeniu miękkich plam o niskiej twardości,
nieprawidłowe rozmieszczenie przedmiotów w piecu, co powoduje np. krzywienie,
nagrzewanie ze zbyt dużą szybkością bez wstępnego podgrzewania co powoduje wypaczenia i pęknięcia,
zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania co uniemożliwia otrzymanie odpowiedniej struktury,
zbyt wysoka temperatura lub za długi czas nagrzewania (nadtopienia),
brak atmosfery ochronnej (utlenianie, odwęglanie) co powoduje pogorszenie własności mechanicznych,
zbyt duża prędkość chłodzenia i nieprawidłowe zanurzanie co powoduje pęknięcia, wypaczenia, i wykrzywienia.
1
4