Odpuszczanie stali: ważny etap obróbki cieplnej

Odpuszczanie stali to kluczowy proces w obróbce metali, polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, a następnie kontrolowanym chłodzeniu. Proces ten służy do usuwania naprężeń wewnętrznych, które mogą niekorzystnie wpływać na właściwości techniczne wyrobów metalowych.

Główne etapy odpuszczania stali

Proces odpuszczania stali obejmuje trzy kluczowe etapy:

1. Nagrzanie stopu do temperatur początku przemian fazowych.
2. Wygrzewanie w wymaganej temperaturze.
3. Chłodzenie z określoną prędkością.

Etapy te pozwalają uzyskać wymagane właściwości techniczne wyrobów i zminimalizować naprężenia wewnętrzne. Skuteczność usuwania naprężeń własnych zależy bezpośrednio od temperatury obróbki cieplnej i prędkości chłodzenia: im wyższa temperatura i wolniejsze chłodzenie, tym lepszy efekt.

Prędkość chłodzenia zależy od składu chemicznego stopu i oczekiwanego rezultatu:

• Intensywne chłodzenie z temperatury +550…+650 °C zwiększa granicę zmęczenia stali dzięki zachowaniu ściskających naprężeń własnych w warstwie przypowierzchniowej.
• Powolne chłodzenie wyrobów o złożonych kształtach po odpuszczaniu wysokim pozwala uniknąć paczenia.
• Stale stopowe podatne na kruchość odpuszczania chłodzi się szybko po odpuszczaniu w temperaturze +550…+650 °C.

Rodzaje odpuszczania stali

W zależności od temperatury nagrzewania wyróżnia się trzy rodzaje odpuszczania stali: niskie, średnie i wysokie.

Odpuszczanie niskie

Odpuszczanie niskie przeprowadza się, nagrzewając wsad do +250 °C. Jego głównym efektem jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych i poprawa ciągliwości bez znaczącego spadku twardości. Stale średnio- i wysokowęglowe po odpuszczaniu niskim osiągają twardość 58–63 HRC i wysoką odporność na ścieranie. Brak ciągliwego rdzenia czyni je jednak podatnymi na obciążenia dynamiczne. Odpuszczanie niskie stosuje się często do narzędzi skrawających i pomiarowych oraz do wyrobów po nawęglaniu i węgloazotowaniu.

Odpuszczanie średnie

Odpuszczanie średnie przeprowadza się w temperaturze +350…+500 °C i stosuje do takich wyrobów jak sprężyny, resory i matryce. Proces zapewnia wysoką granicę zmęczenia i granicę sprężystości oraz dobrą odporność na relaksację. Uzyskuje się strukturę troostytu lub troostytu z martenzytem o twardości 45–50 HRC. W przypadku sprężyn chłodzenie w wodzie po nagrzaniu do +400…+450 °C sprzyja powstawaniu na powierzchni ściskających naprężeń własnych, co poprawia właściwości wytrzymałościowe stali.

Odpuszczanie wysokie

Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w temperaturze +500…+650 °C, a uzyskana struktura stali to sorbit odpuszczania. Ten rodzaj obróbki pozwala osiągnąć optymalną równowagę między wytrzymałością a ciągliwością. Złożona obróbka cieplna, obejmująca hartowanie i odpuszczanie wysokie, nazywana jest ulepszaniem cieplnym. Przewyższa ona różne rodzaje wyżarzania i normalizowania, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, udarność i przewężenie względne.

Dla stali średniowęglowych o zawartości węgla 0,3–0,5%, od których wymaga się wysokiej udarności i granicy zmęczenia, kluczowymi procesami są hartowanie i odpuszczanie. Zwiększają one wytrzymałość materiału, zmniejszają wrażliwość na karby i skłonność do pękania.

Rodzaje kruchości odpuszczania

Choć podwyższenie temperatury odpuszczania w większości przypadków poprawia właściwości wyrobu, zdarzają się sytuacje, w których prowadzi do pogorszenia właściwości stopu. Metalurdzy wyróżniają dwa rodzaje kruchości odpuszczania: niskotemperaturową (kruchość I rodzaju) i wysokotemperaturową (kruchość II rodzaju).

Kruchość niskotemperaturowa

Kruchość niskotemperaturowa pojawia się przy długotrwałym wygrzewaniu materiału w temperaturze +250…+350 °C. Prędkość chłodzenia nie wpływa na prawdopodobieństwo jej wystąpienia. Przyczyną jest nierównomierne rozmieszczenie węgla w sieci krystalicznej, które prowadzi do zniekształcenia struktury stopu i znacznego wzrostu kruchości. Proces ten jest nieodwracalny i gwałtownie obniża właściwości eksploatacyjne stopu. Aby mu zapobiec, stosuje się odpuszczanie niskie lub średnie.

Kruchość wysokotemperaturowa

Kruchość wysokotemperaturowa występuje przy połączeniu trzech czynników: nagrzania stopu powyżej +500 °C, wysokiej zawartości Cr, Mn i Ni w stali oraz powolnego chłodzenia. Prowadzi to do nierównomiernego rozmieszczenia atomów węgla, chromu, manganu i niklu, co zaburza sieć krystaliczną stali. Problem nasila się, gdy wyroby przebywają w niebezpiecznym zakresie temperatur przez 8–10 godzin. Rozwiązaniem jest ponowne nagrzanie do zadanej temperatury z szybkim chłodzeniem lub stopowanie stali wolframem i molibdenem.

Podsumowując, odpuszczanie stali jest kluczowym procesem pozwalającym osiągnąć optymalne właściwości eksploatacyjne wyrobów metalowych. Właściwy dobór parametrów odpuszczania i kontrola jego przebiegu pozwalają znacząco poprawić wytrzymałość, ciągliwość i inne właściwości stali, zapewniając trwałość i niezawodność gotowych wyrobów.