Obróbka cieplna — wszystko, co powinien wiedzieć inżynier jakości

Nie tak dawno przeczytałeś/-aś na blogu na temat pomiarów twardości różnych materiałów, w tym metali. W celu uzyskania pożądanej twardości, ale również innych własności metali i ich stopów stosuje się obróbkę cieplną. Czasami zabiegi obróbki cieplnej łączy się m.in. z odkształceniem plastycznym lub działaniem ośrodka chemicznego. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat zagadnienia, jakim jest obróbka cieplna, zapraszam na kolejny, gościnny wpis Syntii Maciuk.

CO TO JEST OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna jest bardzo ważną częścią procesu produkcyjnego i umożliwia ona ulepszenie elementu metalowego, aby mógł on spełniać swoją rolę. W zależności od tego, jakie musisz uzyskać własności materiału, poprzez zastosowanie obróbki cieplnej możesz doprowadzić do tego, aby materiał być twardszy lub bardziej plastyczny. Proces tej obróbki może również wpłynąć na przewodność elektryczną, a także cieplną danego materiału. Czym w ogóle jest obróbka cieplna i dlaczego jest ważna?

Na obróbkę cieplną składają się zabiegi technologiczne, pociągające za sobą zmianę w strukturze pod wpływem czasu, temperatury oraz działania ośrodka chłodzącego. Prowadzi to do polepszenia własności fizykochemicznych, a także mechanicznych metali oraz ich stopów. Najprościej mówiąc jest to proces polegający na nagrzaniu metalu do określonej temperatury, wytrzymaniu w tej temperaturze, a następnie schłodzeniu. W procesie OC (w ten sposób będę poniżej określać sformułowanie „obróbka cieplna”) warto wyróżnić dwa pojęcia, jakimi są zabieg oraz operacja. Operacją może być proces technologiczny, np. hartowanie, zaś zabiegiem nagrzewanie, wygrzewanie czy chłodzenie. Zabieg nagrzewania prowadzi do powstania struktury austenitu, z kolei podczas chłodzenia zachodzą przemiany ferrytyczna, perlityczna, bainityczna oraz martenzytyczna.

Na tzw. przemiany fazowe zachodzące w materiale mają wpływ różne czynniki (np. skład chemiczny, temperatura austenityzowania, wielkość ziarna austenitu, czy szybkość odkształcenia). Ważną rzeczą, a przede wszystkim wskazówką do procesu, jakim jest obróbka cieplna, jest zrozumienie wykresu żelazo-węgiel (zapewne jeśli ukończyłeś kierunki inżynierskie, znasz doskonale to zagadnienie, jeśli nie, to zapraszam do przeczytania archiwalnego wpisu Artura: https://inzynierjakosci.pl/2017/11/uklad-zelazo-wegiel-lub-zelazo-cementyt/). 

Od czego zależy rezultat OC? Tak naprawdę wpływ ma wiele czynników, takich jak czas nagrzewania, czas utrzymania części w określonej temperaturze, szybkość chłodzenia, medium chłodzące, czy warunki otoczenia. 

WYKRESY CTP- PRZEMIANY I ICH KINETYKA

Przemiany przechłodzonego austenitu oraz ich kinetykę przedstawia się na wykresach CTP (czas, temperatura, przemiana), które umożliwiają interpretację zmian mikrostruktury. Wyróżnia się:

• CTP_i – wykresy przemiany izotermicznej, przedstawiające rozwój przemiany austenitu w funkcji czasu w stałej temperaturze. Na podstawie tych wykresów możesz określać czas rozpoczęcia oraz końca przemiany, ustalać warunki OC oraz udział poszczególnych faz dla różnych temperatur. Oprócz tego za pomocą tego rodzaju wykresu określisz czas i temperaturę wygrzewania i chłodzenia (wyżarzanie izotermiczne, hartowanie ciągłe lub izotermiczne. Wykresy te opracowywane są na podstawie różnych badań, tj. metalograficznych, magnetyczno-indukcyjnych, dylatometrycznych i elektrycznych).

• CTP_c – wykresy procesów chłodzenia ciągłego, które przedstawiają postęp przemiany austenitu
• w funkcji szybkości chłodzenia. Na wykresach CTP_c znajdziesz szybkości chłodzenia oraz twardości, które są mierzone po ukończonym chłodzeniu z poszczególnymi szybkościami. Na podstawie uzyskanych wykresów można również określić szybkość krytyczną, czyli najmniejszą szybkość chłodzenia, która umożliwia otrzymanie struktury martenzytycznej. Wykresy te opracowuje się na podstawie badań dylatometrycznych oraz metalograficznych. 

Obróbka cieplna – rodzaje

Czytając o obróbce cieplnej, możesz się spotkać z następującym podziałem:

• cieplna zwykła;
• cieplno-chemiczna
• cieplno-mechaniczna
• cieplno-magnetyczna.

Obróbka cieplna – zwykła

Obróbkę cieplną zwykłą można podzielić w następujący sposób:

• wyżarzanie (ujednorodniające, normalizujące, zupełne, niezupełne, sferoidyzujące, zmiękczające, rekrystalizujące oraz odprężające).

Wyżarzaniem nazywa się operację obróbki cieplnej, która polega na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu oraz powolnym chłodzeniu. Za pomocą różnych rodzajów wyżarzania osiąga się określone własności materiału, które różnią się między sobą.

• hartowanie (martenzytyczne, bainityczne) oraz odpuszczanie (niskie, średnie i wysokie).

Najpopularniejszą operacją obróbki cieplnej jest tzw. hartowanie, polegające na nagrzewaniu do temperatury, w której powstaje austenit, a następnie szybkim chłodzeniu, aby uzyskać strukturę martenzytu. Wyróżnić można hartowanie zwykłe (ciągłe) oraz stopniowe.

Podczas hartowania zwykłego oziębianie zachodzi z szybkością większą od krytycznej, przy czym środowisko powinno charakteryzować się temperaturą niższą niż temperatura początku przemiany martenzytycznej. W celu uniknięcia deformacji jak i pęknięć obrabianego elementu, stosowane jest hartowanie stopniowe. Wyróżnia się również hartowanie z przemianą izotermiczną oraz powierzchniowe.

Hartowanie izotermiczne jest związane z oziębianiem w kąpieli solnej przy temperaturze niewiele wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany bainitycznej oraz chłodzenia w powietrzu. Celem tej obróbki jest zmniejszenie naprężeń powstałych w strukturze i zmniejszenie powstawania pęknięć. Stal po hartowaniu z przemianą izotermiczną cechuje duża udarność. Podczas hartowania powierzchniowego cienka warstwa obrabianego przedmiotu jest nagrzewana powyżej temperatury austenityzacji, a następnie oziębiana z dużą szybkością.

Poprzez hartowanie powierzchniowe uzyskuje się wysoką twardość oraz odporność na ścieranie, zachowując ciągliwy rdzeń. Do metod hartowania powierzchniowego zalicza się hartowanie płomieniowe, indukcyjne, kąpielowe, kontaktowe, elektrolityczne. 

Odpuszczanie

Odpuszczaniem nazywa się operację OC polegającą na nagrzaniu stali która została uprzednio zahartowana do temperatury niższej niż temperatura przemiany eutektoidalnej oraz chłodzeniu do temperatury otoczenia. Odpuszczanie ma na celu zmniejszenie naprężeń własnych oraz zwiększenie plastyczności i ciągliwości. Odpuszczanie niskie (150-250°C) ma na celu usunięcie naprężeń hartowniczych. Zachowana zostaje duża twardość oraz odporność na ścieranie. Odpuszczanie średnie (250-500°C) ma na celu uzyskanie dużej sprężystości oraz wytrzymałości, kosztem zmniejszenia twardości. Odpuszczane wysokie (powyżej 500°C) ma na celu uzyskanie jak najwyższej udarności stali. 

• przesycanie i starzenie, czyli tzw. utwardzanie wydzieleniowe.

Proces przesycania polega na nagrzaniu do temperatury przejścia do roztworu stałego wydzielanej fazy (powyżej temperatury granicznej rozpuszczalności), wygrzaniu oraz oziębianiu, aby rozpuszczony składnik został zatrzymany w przesyconym roztworze. Przesycanie ma na celu uzyskanie większej plastyczności, kosztem zmniejszenia twardości oraz wytrzymałości.

Starzenie wykonuje się na przesyconym roztworze i polega na nagrzaniu oraz wytrzymaniu w temperaturze granicznej rozpuszczalności, aby w następstwie mogły wydzielić się składniki, które znajdują się w nadmiarze w przesyconym roztworze. Starzenie może być samorzutne, czyli naturalne oraz sztuczne. Połączenie przesycania i starzenia nazywane jest utwardzaniem wydzieleniowym. 

Obróbka cieplna – cieplno-chemiczna

Tak jak wspominałam we wstępie, oprócz zwykłej obróbki cieplnej, można wyróżnić m.in obróbkę cieplno-chemiczną, którą stosuje się poprzez wprowadzanie do przypowierzchniowej warstwy przedmiotu pierwiastka, aby dokonać zmian we własnościach (uzyskanie wysokiej twardości warstwy powierzchniowej i ciągliwego rdzenia). Obróbka cieplno-chemiczna ma na celu zapewnienie wysokiej wytrzymałości na obciążenia dynamiczne oraz odporność na ścieranie, a także zabezpieczenie przed skutkami korozji. 

W przypadku tego rodzaju obróbki możesz się spotkać z nasyceniem:

• niemetalami (np. nawęglanie, czy azotowanie, borowanie),
• metalami (np. chromowanie, cynkowanie lub aluminiowanie);
• wieloskładnikowym (np. węglotytanowanie lub węgloazotowanie). 

Do najpopularniejszych metod nasycania niemetalami zaliczyć można nawęglanie, bądź azotowanie. Nawęglanie skupia w sobie operacje takie jak nasycanie węglem przypowierzchniowych stref, hartowanie oraz niskie odpuszczanie. Nawęglanie może odbywać się w proszkach, bądź może być gazowe. Z kolei azotowanie polega na nasycaniu dyfuzyjnym azotem stref przypowierzchniowych stali, które zostały wcześniej zahartowane oraz wysoko odpuszczone, przy czym w następstwie nie jest już stosowana dodatkowa obróbka cieplna.

Azotowanie można podzielić na utwardzające oraz przeciwkorozyjne. Metalizowanie w zależności od wykorzystanego metalu ma na celu utworzenie warstwy wysoko odpornej na ścieranie, bardzo twardej, odpornej w dużym stopniu na korozję oraz odporną na utlenianie w wysokich temperaturach. Metalizowanie przeprowadzane jest w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych. 

Przy omawianiu nanoszenia warstw, warto również zwrócić uwagę na metody PVD i CVD. Metoda PVD, czyli tzw. fizyczne osadzanie z fazy gazowej. Proces polega na otrzymaniu par nanoszonego materiału, transporcie par pomiędzy źródłem, a podłożem oraz na wzroście warstwy. Pary metalu nanoszone są różnymi sposobami, tj. poprzez naparowanie, platerowanie jonowe, rozpylanie jonowe, magnetronowe rozpylanie jonowe.

Metoda CVD, czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej związana jest z reakcjami chemicznymi zachodzącymi na podłożu. W celu rozkładu gazowych reagentów lub do przebiegu reakcji chemicznych stosowane są wysokie temperatury

Obróbka cieplna – cieplno-mechaniczna

Obróbka cieplno-mechaniczna jest zwana inaczej obróbką cieplno-plastyczną. Celem tego rodzaju obróbki jest powstanie struktury, która zależna jest od takich czynników jak temperatura, stopień gniotu oraz szybkość odkształcenia plastycznego. Połączenie OC oraz odkształcenia plastycznego inicjuje przemianę fazową zachodzącą podczas wzrostu gęstości defektów sieci, które wywołane są odkształceniem. Stosując obróbkę cieplno-plastyczną możliwe jest uzyskanie wzrostu wytrzymałości bez spadku plastyczności.

W zależności od tego, jaka temperatura jest zastosowana do odkształcenia plastycznego, wyróżnia się obróbkę cieplno-plastyczną:

• wysokotemperaturową;
• niskotemperaturową;
• kombinowaną;
• wielostopniową.

Obróbka cieplna – cieplno magnetyczna

Jest to proces technologiczny polegający na zmianie magnetycznych właściwości stopów na skutek działania temperatury, czasu oraz działania pola magnetycznego. Jest to najmniej popularny rodzaj obróbki cieplnej. 

PODSUMOWANIE

Większość materiałów poddawanych obróbce cieplnej to stale, jednak również wyroby nieżelazne poddaje się tejże obróbce w celu poprawy własności: stopy aluminium (poprawa twardości i wytrzymałości), elementy z mosiądzu i brązu (zwiększenie wytrzymałości oraz zapobieżenie pękaniu), stopy tytanu (poprawa wytrzymałości w wysokich temperaturach).

Obróbka cieplna obejmuje przemysł samochodowy, lotniczy, wojskowy, a także sprzęt komputerowy. Każdy z materiałów, który ma zostać obrobiony należy przeanalizować pod różnymi kątami w celu osiągnięcia pożądanych rezultatów- własności, jakimi element powinien się charakteryzować. Dobór odpowiednich operacji oraz zabiegów obróbki cieplnych jest niezbędny, aby móc te własności uzyskać. 

Musisz mieć świadomość, że informacje zawarte we wpisie są bardzo ogólne. Do każdego z opisanych wyżej zagadnień niezbędne jest poszerzenie wiedzy. Jeśli jesteś czymś konkretnie zainteresowany/-a, napisz komentarz bądź odezwij w mediach społecznościowych (Instagram, Linkedin, Facebook). 

Dziękuję za uwagę!

Krótka bibliografia:1. A. Ciszewski, T. Radomski, A. Szummer, „Materiałoznawstwo”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009

2. https://fractory.com/heat-treatment-methods/

3. https://www.generalkinematics.com/blog/heat-treatment/

4. https://docplayer.pl/23472173-6-obrobka-cieplno-plastyczna.html