Stal to jeden z najważniejszych materiałów wykorzystywanych w przemyśle i budownictwie. Dzięki procesowi, jakim jest obróbka cieplna, rodzaje i poszczególne stopy stali można dopasować do konkretnych zastosowań, poprawiając właściwości i charakterystykę tego surowca. Choć nazwa może sugerować jednolitą procedurę, w rzeczywistości istnieje wiele metod obróbki cieplnej. W niniejszym artykule przyjrzymy się tym najpopularniejszym, wskazując na ich główne cechy.
Obróbka cieplna – rodzaje i wybór odpowiedniej metody
Stal to niejednorodna grupa materiałów o różnych składach chemicznych, strukturach krystalicznych i właściwościach mechanicznych. W związku z tym poszczególne jej typy wymagają specyficznych warunków obróbki, aby osiągnąć pożądane właściwości i charakterystykę. Odpowiednia obróbka cieplna stali może m.in. zwiększyć twardość surowca, poprawić jego plastyczność, ciągliwość, odporność na korozję czy działanie innych czynników mechanicznych i zewnętrznych. Rodzaje obróbki cieplnej stali można klasyfikować na podstawie wielu kryteriów, takich jak: panująca podczas procesu temperatura, czas trwania, medium chłodzące, sekwencja etapów czy cel obróbki. Istotą każdej metody jest osiągnięcie specyficznych zmian w mikrostrukturze stali, które przekładają się na pożądane właściwości końcowego produktu. Różnorodność metod obróbki cieplnej nie jest przypadkowa. Każda z nich została opracowana w odpowiedzi na konkretne wymagania poszczególnych gałęzi przemysłu. W miarę postępu technologicznego oraz rosnących oczekiwań co do jakości i specyfikacji materiałów produkcyjnych, sposoby obróbki stali były (i nadal są) modyfikowane i udoskonalane.Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stali
Obróbka cieplna stali to proces umożliwiający uzyskanie optymalnych właściwości tego materiału, zwiększający jego zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu. Poniżej przedstawiamy powszechnie wykorzystywane, podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stali.
Wyżarzanie
Wyżarzanie to jedna z najpopularniejszych metod obróbki stali. Umożliwia zwiększenie plastyczności surowca, obniżenie jego twardości, usunięcia naprężeń wewnętrznych oraz uzyskania jednorodnej struktury ziarnistej. Poprawia właściwości mechaniczne metalu, jego strukturę mikroskopową i zapewnia odporność na różne formy korozji.
Podczas wyżarzania stal jest podgrzewana do określonej temperatury, w zależności od rodzaju stopu i celu obróbki. Po osiągnięciu pożądanej temperatury jest ona utrzymywana na jednolitym poziomie przez odpowiedni czas, co powoduje przemiany w strukturze krystalicznej materiału. W następnym etapie stal jest powoli chłodzona – w piecu lub poza nim.
Trzeba pamiętać, że dobór odpowiedniego rodzaju wyżarzania oraz parametrów procesu jest kluczowy dla uzyskania oczekiwanych rezultatów. Możemy wyróżnić kilka rodzajów wyżarzania, w tym:
- wyżarzanie normalizujące – stosowane do stali o niskiej i średniej zawartości węgla. Polega na podgrzewaniu materiału do temperatury wyżej niż temperatura przemiany austenitycznej, a następnie chłodzeniu na powietrzu,
- wyżarzanie odprężające – ma na celu usunięcie naprężeń wewnętrznych powstałych w wyniku obróbki skrawaniem, kucia, walcowania czy hartowania. Stal jest podgrzewana do temperatury poniżej temperatury przemiany austenitycznej, a następnie powoli chłodzona,
- wyżarzanie miękczące – stosowane głównie dla stali o wysokiej zawartości węgla. Celem jest uzyskanie struktury ferrytycznej z drobnymi węglikami, co prowadzi do poprawy plastyczności i zmniejszenia twardości stopu,
- wyżarzanie rekryształizacyjne – sprawdza się w przypadku stali po obróbce plastycznej, np. po walcowaniu czy ciągnieniu. Ma na celu przywrócenie plastyczności materiału przez wytworzenie nowych ziaren o regularnej strukturze.
Hartowanie
Hartowanie jest rodzajem obróbki stali, mającym na celu zwiększenie jej twardości oraz odporności mechanicznej. Na początkowym etapie stal jest podgrzewana do odpowiedniej temperatury austenityzacji, uzależnionej od rodzaju i składu chemicznego konkretnego stopu. W przypadku większości gatunków stali węglowych i stopowych temperatura ta waha się w granicach od 800°C do 930°C.
Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury, którą należy utrzymywać przez określony czas, stal jest natychmiastowo chłodzona. W tym celu wykorzystuje się środki chłodzące, takie jak woda, oleje, czy solanki. Zarówno wybór środka chłodzącego jak i szybkość chłodzenia zależy od pożądanych właściwości końcowych. Szybkie chłodzenie prowadzi do przekształcenia austenitu w martensyt, co jest kluczowym etapem w procesie hartowania, który nadaje stali jej charakterystyczną twardość.
Często po hartowaniu stal zostaje poddana dodatkowemu procesowi, jakim jest odpuszczanie. Jego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń i kruchości martensytu, przy jednoczesnym zachowaniu twardości uzyskanej w procesie hartowania. Hartowana stal charakteryzuje się:
- wysoką twardością,
- zwiększoną wytrzymałością mechaniczną,
- niższą plastycznością w porównaniu do stali niehartowanej,
- potencjalną podatnością na pękanie i kruchym zachowaniem w wyniku zbyt dużego naprężenia wewnętrznego lub nieodpowiedniej techniki hartowania.
Utwardzanie powierzchniowe
Utwardzanie powierzchniowe to proces, którego celem jest poprawa własności powierzchniowych stali przy zachowaniu odpowiednio miękkiego i plastycznego jej wnętrza. Metoda pozwala na uzyskanie materiału o wysokiej odporności na ścieranie i korozję, co jest szczególnie ważne w elementach narażonych na duże obciążenia mechaniczne lub działanie niekorzystnych czynników zewnętrznych.
Podstawowe sposoby utwardzania powierzchniowego to:
- nawęglanie – polega na nasycaniu powierzchniowej warstwy stali węglem, a następnie podgrzewaniu jej w odpowiedniej atmosferze do temperatury 900-950°C przez kilka godzin. Następnie przeprowadza się hartowanie poprzez szybkie chłodzenie, np. w oleju lub wodzie,
- azotowanie – czyli nasycanie powierzchniowej warstwy stali azotem, a następnie podgrzewanie jej w atmosferze bogatej w azot w temperaturach 500-600°C przez kilka godzin. Proces azotowania nie wymaga kolejnego hartowania,
- cyjanowanie – metoda polegająca na nawęglaniu stali w kąpieli solnej zawierającej cyjanki. Proces obejmuje podgrzewanie materiału do temperatury około 800-900°C, a następnie hartowanie poprzez szybkie chłodzenie,
- borowanie – inaczej nasycanie powierzchniowej warstwy stali borem. W początkowym etapie stal jest podgrzewana w kąpieli solnej bogatej w bór lub w atmosferze borującej w temperaturze 850-950°C. Następnie może (ale nie musi) zostać poddana hartowaniu.
Odprężanie
Obróbka cieplna stali metodą odprężania jest jednym z podstawowych procesów umożliwiających usunięcie naprężeń wewnętrznych w materiale. Naprężenia te mogą powstawać w wyniku różnych etapów obróbki, takich jak walcowanie, kucie, spawanie czy hartowanie. Ich akumulacja może prowadzić do niepożądanych deformacji, pękania czy obniżenia trwałości stali.
Proces odprężania polega na podgrzewaniu materiału do określonej, stosunkowo niskiej temperatury, a następnie jej powolnym chłodzeniu. Temperatura podgrzania musi być niższa niż temperatura przemiany austenitycznej, ale wystarczająco wysoka, aby umożliwić reorganizację struktury krystalicznej stali, doprowadzając do relaksacji naprężeń wewnętrznych. Dla większości stali węglowych i niskostopowych odprężanie odbywa się w zakresie temperaturowym 550-650°C.
Proces odprężania może również wpłynąć na zmianę innych właściwości stali, takich jak jej twardości, wytrzymałości czy ziarnistość struktury. Obróbka cieplna metodą odprężania jest stosunkowo prosta i ekonomiczna, dlatego jest szeroko stosowana w przemyśle.
Metody obróbki cieplnej stali. Podsumowanie
Cieplna obróbka metali takich jak stal jest skutecznym sposobem na modyfikację ich właściwości i struktury w celu osiągnięcia pożądanych cech materiału końcowego. Różnorodność dostępnych metod wynika z konieczności dostosowania surowca do zróżnicowanych potrzeb i specyfiki konkretnych dziedzin i technologii przemysłowych.
Rodzaje obróbki cieplnej stali różnicujemy ze względu na parametry takie jak temperatura, czas trwania oraz środowisko przeprowadzenia procesu. Wybór odpowiedniej metody zależy od wielu czynników, w tym od rodzaju stopu, pożądanych właściwości oraz końcowego zastosowania produktu. Znajomość charakterystyki i możliwości poszczególnych sposobów na przetwarzanie cieplne pozwoli podjąć najlepszą decyzję, która zapewni optymalne i skuteczne efekty.
