Starzenie metali i stopów

Starzenie jest z reguły końcowym etapem umacniającej obróbki cieplnej stopów, które zostały wcześniej przesycone i zahartowane w celu zachowania przesyconego roztworu stałego. Podczas wygrzewania w strukturze materiału wydzielają się drobne, rozproszone cząstki faz umacniających. Utrudniają one ruch dyslokacji, a dzięki temu zwiększają wytrzymałość, granicę plastyczności i twardość stopu.

W odróżnieniu od hartowania z przemianą polimorficzną, które utrwala strukturę nierównowagową poprzez szybkie chłodzenie, starzenie w sposób kontrolowany rozwija zmiany zapoczątkowane na etapie wygrzewania przesycającego i hartowania. Z tego względu zalicza się je do umacniających, a nie zmiękczających rodzajów obróbki cieplnej.

Kluczowym warunkiem starzenia jest zmniejszanie się rozpuszczalności pierwiastków stopowych lub domieszkowych w osnowie stopu wraz ze spadkiem temperatury. Podczas wygrzewania przed hartowaniem pierwiastki te przechodzą do roztworu stałego. Szybkie chłodzenie uniemożliwia ich całkowite wydzielenie, dlatego powstaje stan przesycony i termodynamicznie niestabilny. Podczas kolejnego wygrzewania nadmiarowe atomy stopniowo tworzą fazy umacniające. Dobierając temperaturę i czas trwania procesu, technolog kontroluje stopień rozpadu roztworu oraz końcowe właściwości elementu.

Dlaczego starzenie umacnia metal

Podstawą umocnienia jest mechanizm utwardzania wydzieleniowego. Na wczesnych etapach starzenia w stopie powstają skupiska atomów oraz drobne wydzielenia. W niektórych stopach aluminium tworzą się strefy Guiniera–Prestona, po których mogą pojawiać się pośrednie fazy metastabilne i fazy równowagowe. Dokładna kolejność przemian zależy od składu chemicznego materiału.

Drobne cząstki fazy umacniającej powodują lokalne odkształcenia sieci krystalicznej i utrudniają ruch dyslokacji. Największy wzrost wytrzymałości uzyskuje się zazwyczaj przy optymalnym rozmiarze, gęstości i równomierności rozmieszczenia wydzieleń. Jeżeli czas wygrzewania zostanie nadmiernie wydłużony lub temperatura przekroczy ustalone parametry, cząstki ulegają rozrostowi, odległość między nimi zwiększa się, a wytrzymałość i twardość spadają w porównaniu ze stanem maksymalnego umocnienia. Zjawisko to nazywa się przestarzeniem.

Przestarzenie nie zawsze jest wadą. W przypadku niektórych wyrobów stosuje się je celowo, gdy wymagane jest zwiększenie plastyczności, udarności, stabilności wymiarowej lub odporności na korozję. Parametry procesu dobiera się więc nie tylko pod kątem maksymalnej twardości, lecz także z uwzględnieniem całego zestawu wymagań eksploatacyjnych.

Rodzaje starzenia

Ze względu na temperaturę procesu rozróżnia się starzenie naturalne i sztuczne. Naturalne starzenie stali przebiega w temperaturze pokojowej bez dodatkowego nagrzewania: po hartowaniu właściwości stopu stopniowo zmieniają się w określonym czasie. Starzenie sztuczne przeprowadza się w podwyższonej temperaturze w piecu. Przyspiesza ono rozpad przesyconego roztworu stałego i pozwala w kontrolowanym czasie uzyskać wymagane połączenie wytrzymałości, twardości, plastyczności oraz stabilności właściwości.

Ze względu na mechanizm zmian strukturalnych wyróżnia się starzenie cieplne i odkształceniowe. Starzenie cieplne zachodzi w uprzednio zahartowanym stopie pod wpływem temperatury i czasu. Starzenie odkształceniowe występuje po odkształceniu plastycznym na zimno, na przykład po walcowaniu, tłoczeniu lub ciągnieniu, w temperaturach niższych od temperatury rekrystalizacji.

W stalach niskowęglowych starzenie odkształceniowe jest związane przede wszystkim z oddziaływaniem atomów węgla i azotu z dyslokacjami. W efekcie granica plastyczności może wzrosnąć, ale jednocześnie zmniejszają się plastyczność i udarność. W określonych warunkach zwiększa to ryzyko kruchego zachowania materiału, dlatego starzenie odkształceniowe należy uwzględniać podczas projektowania technologii produkcji oraz późniejszej eksploatacji wyrobów.

Jakie materiały poddaje się starzeniu

Starzenie jest podstawową metodą umacniania wielu stopów, których nie można skutecznie utwardzić przez hartowanie z przemianą polimorficzną. Klasycznym przykładem są stopy aluminium, w tym durale: główny wzrost ich wytrzymałości po hartowaniu jest uzyskiwany właśnie dzięki późniejszemu starzeniu.

Technologię tę stosuje się również w przypadku brązów berylowych, wielu stopów miedzi, magnezu, tytanu i niklu, a także innych stopów żarowytrzymałych. Odrębną grupę stanowią stale maraging. Ich wysoka wytrzymałość jest osiągana głównie dzięki wydzielaniu faz międzymetalicznych z niskowęglowego martenzytu, co pozwala łączyć wysokie parametry wytrzymałościowe z dobrą ciągliwością i podatnością technologiczną.

Jakie właściwości zapewnia starzenie elementu

Przy prawidłowo dobranych parametrach starzenie pozwala zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i twardość materiału. W przypadku niektórych stopów obróbka pomaga także ustabilizować strukturę, zmniejszyć część naprężeń szczątkowych oraz poprawić stabilność wymiarową wyrobu. Stopień tego efektu zależy od gatunku stopu, geometrii elementu, parametrów wcześniejszego hartowania oraz warunków starzenia.

Stabilność wymiarowa ma szczególne znaczenie w przypadku elementów precyzyjnych, narzędzi, form i odpowiedzialnych podzespołów. Starzenie nie wyklucza jednak możliwości odkształcenia wyrobu, jeżeli technologia zostanie naruszona lub element ma skomplikowaną geometrię. Dlatego parametry procesu należy dobierać indywidualnie, a w razie potrzeby uzupełniać proces o pośrednią kontrolę geometrii i właściwości mechanicznych.

Zwiększeniu wytrzymałości zazwyczaj towarzyszy pewne zmniejszenie plastyczności. Zadaniem technologa jest dobranie takiego cyklu temperaturowo-czasowego, który zapewni wymagany balans twardości, wytrzymałości, udarności, plastyczności i stabilności wymiarowej.

Starzenie metali i stopów w firmie „KARBAZ”

Firma „KARBAZ” wykonuje starzenie metali i stopów, dobierając parametry temperaturowo-czasowe do gatunku materiału, geometrii wyrobu oraz wymagań eksploatacyjnych. Obróbka może być przeprowadzana jako samodzielna operacja po hartowaniu wykonanym przez klienta albo jako część pełnego procesu technologicznego obejmującego wcześniejsze przesycanie i hartowanie.

Własne wyposażenie produkcyjne i laboratoryjne pozwala kontrolować temperaturę obróbki, czas wygrzewania i sposób chłodzenia, a także sprawdzać twardość oraz inne parametry uzgodnione w specyfikacji technicznej. W razie potrzeby wykonywane są również badania struktury materiału. Takie podejście pomaga uzyskać wymagane właściwości oraz ograniczyć ryzyko niedostatecznego starzenia lub przestarzenia stopu.

Specjaliści firmy „KARBAZ” doradzają w zakresie wyboru parametrów procesu z uwzględnieniem gatunku stopu, początkowego stanu półfabrykatu oraz przeznaczenia gotowego elementu. Po zakończeniu obróbki kontrolowane są właściwości określone w zamówieniu. Koszt usługi i warunki udzielania rabatów są obliczane z uwzględnieniem rodzaju materiału, wymiarów wyrobów, złożoności procesu oraz wielkości partii.