Obróbka cieplna to kluczowy proces w metalurgii, który służy do zmiany właściwości fizycznych i mechanicznych stali. Nie wszystkie jednak stale mogą być poddane obróbce cieplnej w tradycyjnym rozumieniu. Najbardziej znanym przykładem takich stali są austenityczne stale nierdzewne.
Stal nierdzewna to unikalny typ stali austenitycznej, który charakteryzuje się wysoką zawartością chromu i niską zawartością węgla. Te właściwości sprawiają, że jest wyjątkowo odporna na korozję, ale jednocześnie nie nadaje się do tradycyjnych procesów obróbki cieplnej mających na celu zwiększenie twardości i wytrzymałości stali.
Struktura austenityczna i jej stabilność
Typowe austenityczne stale nierdzewne, takie jak gatunki 304 i 316, zawierają znaczne ilości niklu i/lub manganu. Te pierwiastki stabilizują strukturę austenityczną stali, która utrzymuje się nawet w temperaturze pokojowej. W przeciwieństwie do innych typów stali, stale austenityczne nie ulegają przemianie w martenzyt podczas chłodzenia, co jest kluczowym momentem obróbki cieplnej w przypadku innych stali.
Transformacja martenzytyczna, która zachodzi w innych stalach podczas obróbki cieplnej, znacząco zwiększa ich twardość i wytrzymałość. Jednak stal austenityczna nierdzewna nie podlega takiej transformacji, zachowując swoją pierwotną strukturę austenityczną, która jest z natury bardziej miękka i plastyczna.
Brak możliwości tradycyjnej obróbki cieplnej
Próby zastosowania tradycyjnej obróbki cieplnej do austenitycznych stali nierdzewnych nie przynoszą oczekiwanych rezultatów. Stale te nie przechodzą w martenzyt, a zatem nie zyskują zwiększonej twardości i wytrzymałości. Zachowanie struktury austenitycznej oznacza, że tradycyjne metody obróbki cieplnej, takie jak hartowanie i odpuszczanie, po prostu nie działają w przypadku tego rodzaju stali.
Alternatywne metody wzmacniania
Mimo braku możliwości tradycyjnej obróbki cieplnej, istnieją inne metody poprawy właściwości mechanicznych austenitycznych stali nierdzewnych. Jedną z takich metod jest obróbka na zimno. Obróbka na zimno polega na deformacji stali w niskich temperaturach, co wywołuje dyslokacje w strukturze krystalicznej materiału. Dyslokacje te przyczyniają się do zwiększenia wytrzymałości bez potrzeby stosowania procesów cieplnych.
Metale i stopy, które nie poddają się obróbce cieplnej
- Stopy aluminium z serii 1XXX (czyste aluminium): Czyste aluminium i jego stopy z serii 1XXX nie poddają się obróbce cieplnej. Można je hartować jedynie przez obróbkę na zimno.
- Niektóre stopy magnezu: Niektóre stopy magnezu nie mogą być wzmacniane obróbką cieplną i można je wzmacniać jedynie przez obróbkę na zimno.
- Stopy miedzi: Miedź i niektóre jej stopy, takie jak mosiądz (miedź z cynkiem) i brąz (miedź z cyną), nie poddają się obróbce cieplnej. Wzmacnia się je przez obróbkę na zimno.
- Tytan i stopy tytanu: Nie wszystkie stopy tytanu można poddawać obróbce cieplnej. Czysty tytan i niektóre komercyjne stopy można wzmacniać jedynie przez obróbkę na zimno.
Przyczyny braku możliwości obróbki cieplnej:
- Brak przemian fazowych: Niektóre metale i stopy nie przechodzą przemian fazowych, które mogłyby być wykorzystywane do obróbki cieplnej.
- Brak pierwiastków stopowych: W niektórych stopach brakuje pierwiastków stopowych zdolnych do tworzenia roztworów stałych lub faz, niezbędnych do obróbki cieplnej.
- Specyfika struktury krystalicznej: Metale o określonej strukturze krystalicznej (np. regularna sieć ściennie centrowana czystego aluminium) mogą nie podlegać wzmacnianiu przez obróbkę cieplną.
Obróbka cieplna to skuteczny sposób zmiany właściwości wielu stali, ale nie wszystkich. Austenityczne stale nierdzewne, jak i niektóre inne specjalistyczne stopy, pozostają stabilne i nie poddają się tradycyjnym metodom obróbki cieplnej. Dla takich materiałów opracowano alternatywne metody obróbki, które pozwalają na poprawę ich właściwości mechanicznych przy zachowaniu unikalnych cech, takich jak wysoka odporność na korozję.