Obróbka cieplna metali i stopów

Obróbka cieplna to zespół procesów technologicznych mających na celu zmianę struktury i właściwości metali i stopów poprzez kontrolowane nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie.

Obróbka cieplna pozwala zwiększyć wytrzymałość, twardość, plastyczność, odporność na zużycie i trwałość wyrobów metalowych, a także usunąć naprężenia wewnętrzne powstające po spawaniu, odlewaniu lub obróbce mechanicznej. Konkretne parametry obróbki dobiera się z uwzględnieniem gatunku materiału, wymiarów części i warunków jej eksploatacji.

Główne etapy obróbki cieplnej

Proces obróbki cieplnej obejmuje trzy główne etapy:

  1. Nagrzewanie. Metal nagrzewa się do zadanej temperatury, w której rozpoczynają się wymagane przemiany strukturalne.
  2. Wygrzewanie. Wyrób utrzymuje się przez określony czas w ustalonej temperaturze. Jest to niezbędne do równomiernego nagrzania i zakończenia przemian strukturalnych.
  3. Chłodzenie. Metal chłodzi się z zadaną prędkością. To właśnie warunki chłodzenia w dużej mierze decydują o końcowej twardości, wytrzymałości, plastyczności i strukturze materiału.

Chłodzenie może odbywać się w piecu, na powietrzu, w wodzie, oleju lub w specjalnym ośrodku. Wybór sposobu zależy od rodzaju obróbki i wymaganego rezultatu.

Główne rodzaje obróbki cieplnej

Wyżarzanie

Wyżarzanie polega na nagrzaniu metalu do ustalonej temperatury, wygrzaniu i następnie powolnym chłodzeniu.

Główne cele wyżarzania:

  • zmniejszenie twardości;
  • zwiększenie plastyczności;
  • poprawa skrawalności;
  • usunięcie naprężeń wewnętrznych;
  • ujednorodnienie struktury materiału.

Wyżarzanie często przeprowadza się przed obróbką mechaniczną, spawaniem lub dalszą obróbką cieplną wyrobu.

Normalizowanie

Normalizowanie jest w zasadzie podobne do wyżarzania, ale różni się chłodzeniem metalu na powietrzu. Proces pomaga usunąć wady strukturalne powstałe po odlewaniu, kuciu lub spawaniu, a także poprawić wytrzymałość i jednorodność materiału.

Normalizowanie stosuje się w celu przygotowania wyrobów do dalszej obróbki i uzyskania bardziej równomiernej, drobnoziarnistej struktury.

Hartowanie

Hartowanie polega na nagrzaniu metalu do wymaganej temperatury, a następnie szybkim chłodzeniu w wodzie, oleju lub innym ośrodku hartowniczym.

Głównym celem hartowania jest zwiększenie twardości, wytrzymałości i odporności wyrobu na zużycie. Materiał może przy tym stać się bardziej kruchy, dlatego po hartowaniu zwykle przeprowadza się odpuszczanie.

Wybór ośrodka chłodzącego ma duże znaczenie. Woda zapewnia intensywniejsze chłodzenie, a olej pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo odkształceń i powstawania pęknięć.

Odpuszczanie

Odpuszczanie przeprowadza się po hartowaniu. Metal ponownie nagrzewa się do temperatury poniżej temperatury krytycznej, wygrzewa i chłodzi.

Proces pozwala:

  • zmniejszyć kruchość;
  • usunąć naprężenia własne;
  • zwiększyć plastyczność;
  • zachować wymagany poziom twardości i wytrzymałości.

W zależności od temperatury rozróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie. Konkretne parametry dobiera się z uwzględnieniem przeznaczenia części.

Austenityzacja

Austenityzacja to nagrzewanie stali do temperatury, w której powstaje struktura austenityczna. Etap ten zwykle poprzedza hartowanie lub normalizowanie i zapewnia warunki niezbędne do dalszych przemian strukturalnych.

Hartowanie izotermiczne

Podczas hartowania izotermicznego metal chłodzi się do zadanej temperatury i wygrzewa w ośrodku izotermicznym przez określony czas.

Taki proces pozwala uzyskać bardziej stabilną strukturę, zwiększyć udarność i zmniejszyć ryzyko powstawania pęknięć i odkształceń.

Porównanie rodzajów obróbki cieplnej

Rodzaj obróbkiGłówny celOrientacyjna temperaturaCzas wygrzewaniaSposób chłodzenia
WyżarzanieObniżenie twardości, usunięcie naprężeń, poprawa struktury600–850 °C1–10 godzinPowolne chłodzenie w piecu
NormalizowaniePoprawa struktury i właściwości mechanicznych850–950 °C1–2 godzinyChłodzenie na powietrzu
HartowanieZwiększenie twardości, wytrzymałości i odporności na zużycie750–900 °C30–60 minutSzybkie chłodzenie w wodzie, oleju lub specjalnym ośrodku
OdpuszczanieZmniejszenie kruchości po hartowaniu200–600 °COd 30 minut do 2 godzinChłodzenie na powietrzu
AustenityzacjaUzyskanie struktury austenitycznej przed dalszą obróbką900–1100 °CZależy od gatunku staliZgodnie z kolejnym procesem
Hartowanie izotermiczneZwiększenie udarności i zmniejszenie ryzyka pęknięć250–450 °C1–3 godzinyWygrzewanie w ośrodku izotermicznym

Podane temperatury i czasy wygrzewania są orientacyjne. Dokładne parametry zależą od gatunku metalu, składu chemicznego, wymiarów wyrobu i wymaganych właściwości.

Obróbka cieplna złączy spawanych

Podczas spawania metal jest poddawany nierównomiernemu nagrzewaniu i chłodzeniu. Może to prowadzić do powstania naprężeń własnych, odkształceń, struktury gruboziarnistej i obniżenia wytrzymałości złącza spawanego.

W celu usunięcia tych skutków stosuje się kilka metod.

Wyżarzanie odprężające

Złącze spawane nagrzewa się do około 600–700 °C, wygrzewa i powoli chłodzi. Obróbka zmniejsza naprężenia własne i obniża ryzyko odkształceń lub zniszczenia konstrukcji podczas eksploatacji.

Normalizowanie spoin

Normalizowanie pozwala poprawić strukturę metalu w strefie wpływu ciepła, zmniejszyć niejednorodność i przywrócić wymagane właściwości mechaniczne złącza.

Hartowanie z następnym odpuszczaniem

Taką obróbkę stosuje się w przypadku odpowiedzialnych konstrukcji spawanych, które wymagają zwiększonej twardości, wytrzymałości i odporności na obciążenia mechaniczne.

Specyfika obróbki stali węglowej

Właściwości stali węglowej w dużej mierze zależą od zawartości węgla.

  • Stal niskowęglowa zawiera do 0,25% węgla. Charakteryzuje się dobrą plastycznością, stosunkowo niską twardością i dobrą spawalnością.
  • Stal średniowęglowa zawiera od 0,25 do 0,6% węgla. Ma zwiększoną wytrzymałość, ale wymaga dokładniejszego doboru parametrów obróbki.
  • Stal wysokowęglowa zawiera ponad 0,6% węgla. Materiał ten ma wysoką twardość i odporność na zużycie, ale jest bardziej kruchy.

W przypadku stali węglowych stosuje się wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie. Parametry dobiera się w zależności od zawartości węgla i przeznaczenia wyrobu.

W przypadku części, które wymagają twardej, odpornej na zużycie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia, można zastosować nawęglanie. Proces polega na nasyceniu warstwy wierzchniej węglem i jest stosowany przy produkcji kół zębatych, wałów i innych obciążonych części.

Specyfika obróbki stali niskostopowej

Stal niskostopowa zawiera niewielką ilość pierwiastków stopowych, takich jak chrom, nikiel, molibden, mangan lub wanad. Dodatki te pozwalają zwiększyć wytrzymałość, odporność na zużycie i odporność materiału na czynniki zewnętrzne.

Główne cele obróbki cieplnej stali niskostopowej:

  • zwiększenie wytrzymałości i twardości;
  • poprawa plastyczności i udarności;
  • usunięcie naprężeń po spawaniu i obróbce mechanicznej;
  • uzyskanie jednorodnej struktury;
  • zmniejszenie ryzyka odkształceń i pęknięć.

W przypadku tych stali również stosuje się wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie. Do hartowania często używa się oleju, ponieważ zapewnia on mniej intensywne chłodzenie niż woda i zmniejsza prawdopodobieństwo uszkodzenia wyrobu.

Gdzie stosuje się obróbkę cieplną

Obróbka cieplna jest stosowana praktycznie we wszystkich branżach związanych z produkcją i eksploatacją wyrobów metalowych.

Budowa mostów i przemysł stoczniowy

Przy wytwarzaniu dużych konstrukcji spawanych obróbka cieplna pomaga usunąć naprężenia wewnętrzne, poprawić strukturę złączy spawanych i wydłużyć okres eksploatacji konstrukcji stalowych.

Przemysł motoryzacyjny

Hartowanie i odpuszczanie stosuje się przy produkcji wałów korbowych, kół zębatych, łożysk i innych części pracujących przy zwiększonych obciążeniach i tarciu.

Produkcja narzędzi skrawających

Wiertła, noże, piły i inne narzędzia skrawające poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu w celu zwiększenia ich twardości, odporności na zużycie i zdolności do zachowania właściwości skrawających.

Maszyny rolnicze

Obróbkę cieplną stosuje się przy produkcji lemieszy, noży kosiarek i innych części, które stale stykają się z glebą i ulegają zużyciu ściernemu.

Podsumowanie

Obróbka cieplna metali i stopów pozwala celowo zmieniać strukturę i właściwości eksploatacyjne materiału. Prawidłowo dobrane parametry nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia zwiększają wytrzymałość, twardość, plastyczność i odporność wyrobów na zużycie, a także pomagają zmniejszyć naprężenia wewnętrzne i ryzyko przedwczesnego zniszczenia.

Aby uzyskać przewidywalny rezultat, parametry obróbki cieplnej należy dobierać indywidualnie, z uwzględnieniem gatunku stali, geometrii części, wcześniejszych operacji technologicznych i warunków dalszej eksploatacji.

°C
Potrzebujesz obróbki cieplnej metali?
Wykonujemy obróbkę cieplną elementów metalowych: hartowanie, odpuszczanie, normalizowanie oraz inne procesy technologiczne. Zapoznaj się z naszymi możliwościami, parametrami technicznymi i warunkami realizacji prac.
Więcej o usłudze →
Przewijanie do góry