RODZAJE OBRÓBKI CIEPLNEJ

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali

i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

• obróbkę cieplną zwykłą,

• obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),

• obróbkę cieplno-chemiczną,

• obróbkę cieplno-magnetyczną.

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane

głównie zmianami temperatury i czasu.

W obróbce cieplno-mechanicznej (cieplno-plastycznej) na własności obrabianego

materiału wpływa ponadto odkształcenie plastyczne.

Podczas obróbki cieplno-chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę

i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek, w którym odbywa

obróbka.

W obróbce cieplno-magnetycznej istotne znaczenie odgrywa natomiast

magnetyczne.

Klasyfikację obróbki cieplnej przedstawiono na rysunkach 4.38 i 4.39. Bardziej

szczegółowe informacje na ten temat podano w PN-93/H-01200. Terminologię

związaną z obróbką cieplną stopów żelaza zawiera PN-EN 10052:1999.

ZABIEGI JAKO CZĘŚCI OPERACJI OBRÓBKI CIEPLNEJ

Operacja obróbki cieplnej jest częścią procesu technologicznego, wykonywaną

w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym (rys. 4.40). Częściami

operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej (rys. 4.41).

Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej

należą (rys. 4.40):

• nagrzewanie,

• wygrzewanie,

• chłodzenie.

Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem

temperatury elementu obrabianego

cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu

obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej

temperaturze. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe

obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie

z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast

z szybkością dużą - oziębianiem. Wytrzymanie

elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub

docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane

wychładzaniem (rys. 4.41).

ISTOTA OBRÓBKI CIEPLNO-MECHANICZNEJ

W metalu odkształconym plastycznie powstaje podstruktura zależna od:

1. temperatury,

2. stopnia gniotu,

3. szybkości odkształcenia.

Zatrzymanie odkształcenia po utworzeniu odpowiedniej podstruktury z następnym

kontrolowanym oziębianiem jest stosowane w celu polepszenia własności mechanicznych

produktów i stanowi istotę obróbki cieplno-mechanicznej nazywanej

także obróbką cieplno-plastyczną.

W zależności od tego, czy temperatura odkształcenia plastycznego metalu poddawanego

obróbce cieplno-mechanicznej jest wyższa czy niższa od temperatury

rekrystalizacji, wyróżnia się obróbkę cieplno-mechaniczną:

wysokotemperaturową,

niskotemperaturową.

WYSOKOTEMPERATUROWA OBRÓBKA CIEPLNO-MECHANICZNA

W przypadku gdy odkształcenie plastyczne odbywa się na gorąco, tzn. powyżej

temperatury rekrystalizacji, obróbka cieplno-mechaniczna jest nazywana obróbką

wysokotemperaturową. Powoduje ona zwykle polepszenie własności ciągliwych

i plastycznych przy niewielkich zmianach własności wytrzymałościowych. Uzyskanie

maksymalnej efektywności wysokotemperaturowej obróbki cieplno-mechanicznej

sprowadza się do doboru optymalnych warunków odkształcenia plastycznego

na gorąco, zapewniających utworzenie komórkowej podstruktury dyslokacyjnej

lub podziarn.

NISKOTEMPERATUROWA OBRÓBKA CIEPLNO-MECHANICZNA

Niskotemperaturowa obróbka cieplno-mechaniczna polega na odkształceniu

plastycznym na zimno, tzn. poniżej temperatury rekrystalizacji i następnie kontrolowanym

chłodzeniu. Podczas odkształcenia w tych warunkach zachodzi wyłącznie

zdrowienie dynamiczne, przy czym szybkość tego procesu poniżej temperatury

rekrystalizacji jest ograniczona i dlatego w metalu występuje znacznie większa

gęstość dyslokacji niż po obróbce wysokotemperaturowej. Obróbka niskotemperaturowa

powoduje więc zwykle znaczne zwiększenie wytrzymałości bez pogorszenia

własności plastycznych metali i stopów.

OBRÓBKA CIEPLNO-MECHANICZNA STALI

O STRUKTURZE MARTENZYTYCZNEJ

W stalach i innych stopach, doznających przemian alotropowych i zwykle poddawanych

hartowaniu, podstruktura odkształconego plastycznie austenitu jest

dziedziczona przez martenzyt i decyduje o własnościach po odpuszczaniu.

W przypadku stali poddawanych zwykle hartowaniu i odpuszczaniu, wysokotemperaturowa

obróbka cieplno-mechaniczna polega na nagrzaniu stali do temperatury

austenityzowania, odkształceniu plastycznym austenitu na gorąco w warunkach

zapewniających uzyskanie komórkowej podstruktury dyslokacyjnej (porównaj

rozdz. 4.4.1) i następnym oziębieniu w celu zahartowania stali. Uzyskany w ten

sposób martenzyt wykazuje strukturę wybitnie drobnoziarnistą, co zapewnia

znaczne polepszenie ciągliwości przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych

stali oraz własności użytkowych wykonanych z nich elementów. Odkształcenie

plastyczne w takich przypadkach może być realizowane np. przez kucie, walcowanie

lub ciągnienie.

Obróbka cieplno-mechaniczna coraz powszechniej jest stosowana w praktyce

przy wykonywaniu wielu elementów konstrukcyjnych, ale również i narzędzi, co

dodatkowo powoduje znaczne oszczędności energetyczne, gdyż hartowanie może

być wykonane bezpośrednio z temperatury zakończenia odkształcenia plastycznego

na gorąco, bez ponownego nagrzewania.

Wprzypadku niskotemperaturowej obróbki cieplno-mechanicznej stali o strukturze

martenzytycznej, proces technologiczny jest analogiczny jak podczas obróbki

wysokotemperaturowej, z tym że odkształcenie plastyczne realizowane jest na

zimno, tzn. poniżej temperatury rekrystalizacji. Zapewnia to polepszenie własności

mechanicznych stali bez zmiany własności ciągliwych.

REGULOWANE WALCOWANIE

Otrzymanie drobnoziarnistej struktury stali konstrukcyjnych, zapewniającej

wysoką granicę plastyczności i niską temperaturę przejścia w stan kruchości, wymaga

obniżenia temperatury końca odkształcenia plastycznego do ok. 850°C. Powoduje

to ograniczenie rozrostu ziarn austenitu zrekrystalizowanego dynamicznie,

metadynamicznie lub statycznie, podczas kucia lub walcowania. Stanowi to istotę

technologii regulowanego walcowania (rys. 4.102), nazywanego także walcowaniem

termomechanicznym. Stal poddawana jest walcowaniu wstępnemu w temperaturze

wyższej od temperatury rekrystalizacji, kiedy zachodzi rekrystalizacja dynamiczna,

a w przerwach między kolejnymi przepustami - rekrystalizacja metadynamiczna

austenitu, a następnie walcowaniu wykończającemu w temperaturze niższej

od temperatury rekrystalizacji TR, kiedy przebiega już tylko zdrowienie dynamiczne

i statyczne austenitu. W wyniku przemiany silnie wydłużonych i spłaszczonych

ziarn austenitu, podczas chłodzenia w powietrzu z temperatury końca walcowania

niższej od Ar3, powstaje drobnoziarnista struktura ferrytu. Chłodzenie między

walcowaniem wstępnym a wykończającym wpływa jednak na zmniejszenie wydajności

produkcji.

Metody obróbki cieplno-mechanicznej, oszczędne pod względem zużycia energii

i jednostkowego czasu pracy, zapewniające uzyskanie dużej wytrzymałości i odporności

na pękanie w temperaturze obniżonej, stosowane są do stali z mikrododatkami

metali przejściowych, o dużej aktywności względem węgla i azotu, tj. Nb,

Ti, V, a niekiedy także Zr, oraz metaloidów N i B, wprowadzanymi do stali w ilości

do ok. 0,1%. Produkty z tych stali uzyskują zespół takich własności mechanicznych

dzięki wybitnie drobnoziarnistej strukturze, która powstaje przy zachowaniu

regulowanych warunków odkształcenia plastycznego stali na gorąco i chłodzeniu

zapewniającym wydzielanie się dyspersyjnych cząstek azotków, węglikoazotków

lub węglików mikrododatków wprowadzanych do stali. Cząstki wtórne tych faz powodują

ponadto utwardzanie wydzieleniowe stali.

WALCOWANIE ZE STEROWANĄ REKRYSTALIZACJĄ

Oprócz walcowania regulowanego, często z przyspieszonym chłodzeniem produktów

z temperatury końca obróbki plastycznej, w celu uzyskania drobnoziarnistej

struktury ferrytyczno-bainitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej dla stali

z mikrododatkami, stosuje się wydajniejszą technologię walcowania ze sterowaną

rekrystalizacją. Temperatura początku walcowania jest wówczas niższa niż podczas

walcowania konwencjonalnego i regulowanego, a temperatura końca walcowania

jest porównywalna z temperaturą końca walcowania regulowanego. Czas

między kolejnymi przepustami dobiera się natomiast tak, aby każdorazowo została

zakończona rekrystalizacja, a nie nastąpił wówczas rozrost ziarn austenitu. Stosowanie

tej technologii wymaga znajomości oddziaływania mikrododatków na kinetykę

rekrystalizacji austenitu w funkcji temperatury odkształcenia plastycznego.

Dla ułatwienia prawidłowego doboru warunków odkształcenia plastycznego opracowano

zatem nomogramy (rys. 4.103), ujmujące zależność między wielkością wyjściowego i zrekrystalizowanego ziarna austenitu a temperaturą i stopniem gniotu

realizowanym w kolejnych przepustach walcowania. Omówione procesy technologiczne

stosowane są do produkcji blach grubych i cienkich, produktów długich

profilowych, prętów żebrowanych i innych, przeznaczonych na różnorodne konstrukcje

spawane o dużej nośności i niezawodności działania, np. mosty, wiadukty,

wieże przekaźnikowe, zbiorniki ciśnieniowe, cysterny stałe lub ruchome, dźwigi

i urządzenia transportowe oraz konstrukcje morskie i budowlane.

DEFINICJA OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół

operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy

powierzchniowej stopu (a przez to zmianę własności obrabianych elementów)

w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbka

cieplno-chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego

warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich

ich własności użytkowych.

ZASTOSOWANIE OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Obróbce cieplno-chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza, głównie stale,

chociaż znalazła ona również zastosowanie w technologii elementów z metali nieżelaznych,

np. molibdenu, wolframu, tytanu i innych. Obróbce cieplno-chemicznej

są poddawane zarówno elementy konstrukcyjne, w tym elementy maszyn, jak

i narzędzia. Celem obróbki cieplno-chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych

o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne,

o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększenie odporności

elementów na zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni.

UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ ŻELAZO-PIERWIASTEK NASYCAJĄCY

Wprzypadku stopów żelaza, procesy obróbki cieplno-chemicznej mogą prowadzić

do uzyskania trzech podstawowych typów układów równowagi fazowej żelaza,

stanowiącego podłoże, ze składnikami nasycającymi (rys. 4.107÷4.109):

• typ I, np. Fe-C,

• typ II, np. Fe-N,

• typ III, np. Fe-B.

Typ I charakteryzuje się odpowiednio dużym obszarem roztworów stałych żelaza

ze składnikami nasycającymi. Wzbogacanie żelaza w składnik nasycający zachodzi

tylko do stężeń odpowiadających obszarowi roztworu stałego (rys. 4.107).

Typ II układów równowagi, takich jak Fe-N lub Fe-C, charakteryzuje się występowaniem

niewielkiego zakresu stężeń odpowiadających roztworom stałym żelaza

i pierwiastka nasycającego. Wzbogacanie stopu pierwiastkiem nasycającym powyżej

obszaru rozpuszczalności powoduje powstanie określonych faz (rys. 4.108).

Typ III układów równowagi, takich jak Fe-B, cechuje się występowaniem bardzo

małych zakresów stężeń odpowiadających roztworom stałym żelaza i pierwiastków

nasycających (rys. 4.109).

Wzbogacanie pierwiastkami nasycającymi do określonych stężeń powoduje powstawanie

faz międzymetalicznych, po utworzeniu których przebiega dyfuzja danego

składnika.

---