Metody i rodzaje obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali – porównanie procesów

Obróbka cieplna stali obejmuje procesy technologiczne, w których poprzez odpowiednio dobrane nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie zmienia się mikrostrukturę oraz właściwości materiału bez zamierzonej zmiany jego składu chemicznego. Pozwala między innymi zwiększać lub zmniejszać twardość, poprawiać wytrzymałość i plastyczność, redukować naprężenia własne, rozdrabniać ziarno oraz przygotowywać stal do dalszej obróbki.
Osobną grupę stanowi obróbka cieplno-chemiczna. Oprócz oddziaływania temperatury następuje w niej dyfuzyjne nasycanie warstwy wierzchniej określonym pierwiastkiem. Do najważniejszych procesów należą nawęglanie, podczas którego powierzchnia wzbogacana jest w węgiel, oraz azotowanie, wykorzystujące dyfuzję azotu. Do tej grupy należą również węgloazotowanie, azotonawęglanie, borowanie, chromowanie dyfuzyjne i aluminiowanie dyfuzyjne.
Nie istnieje jedna metoda obróbki cieplnej odpowiednia dla wszystkich stali i zastosowań. Dobór procesu zależy między innymi od gatunku stali, zawartości węgla i pierwiastków stopowych, stanu wyjściowego materiału, geometrii elementu, wymaganej mikrostruktury oraz oczekiwanych właściwości mechanicznych i użytkowych.

Obróbka cieplna a obróbka cieplno-chemiczna

Najważniejsze metody obróbki cieplnej stali

Normalizowanie stali

Normalizowanie stali polega na nagrzaniu materiału do odpowiedniego zakresu austenityzacji, wygrzaniu i następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu.
Proces stosuje się przede wszystkim w celu ujednolicenia mikrostruktury, rozdrobnienia ziarna i przygotowania materiału do kolejnych operacji technologicznych. W porównaniu z wyżarzaniem pełnym szybsze chłodzenie w powietrzu prowadzi zwykle do uzyskania drobniejszej mikrostruktury i większej twardości.

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające służy przede wszystkim do zmniejszenia naprężeń własnych powstałych podczas spawania, odlewania, kucia, walcowania, obróbki skrawaniem, szlifowania lub wcześniejszej obróbki cieplnej.
Proces prowadzi się zasadniczo poniżej zakresu przemian powodujących pełną austenityzację. Jego zadaniem nie jest całkowita przebudowa mikrostruktury, lecz przede wszystkim zmniejszenie naprężeń przy możliwie małej zmianie pozostałych właściwości materiału.

Zmiękczanie stali

Zmiękczanie stali należy traktować jako cel technologiczny realizowany różnymi rodzajami wyżarzania, a nie jako jeden proces o uniwersalnej temperaturze.
Do metod prowadzących do zmniejszenia twardości należą między innymi wyżarzanie pełne, sferoidyzujące i odpowiednio dobrane procesy wyżarzania izotermicznego. Celem może być poprawa obrabialności, zwiększenie plastyczności lub przygotowanie materiału do dalszego kształtowania i obróbki cieplnej.

Wyżarzanie pełne

Wyżarzanie pełne stali obejmuje austenityzację, odpowiednie wygrzanie i bardzo powolne chłodzenie, zazwyczaj wraz z piecem.
W przypadku klasycznego wyżarzania pełnego stali podeutektoidalnych temperaturę dobiera się względem temperatury krytycznej Ac₃. Powolne chłodzenie umożliwia przebieg przemian zbliżonych do warunków równowagowych i prowadzi do powstania struktury ferrytu i perlitu.

Wyżarzanie izotermiczne

Wyżarzanie izotermiczne różni się od klasycznego wyżarzania pełnego sposobem prowadzenia chłodzenia. Po austenityzacji stal jest stosunkowo szybko chłodzona do odpowiednio dobranej temperatury przemiany, a następnie utrzymywana w tej temperaturze przez czas potrzebny do przebiegu przemiany izotermicznej.
Proces umożliwia uzyskanie bardziej kontrolowanej i jednorodnej mikrostruktury oraz może skrócić czas obróbki w porównaniu z bardzo powolnym chłodzeniem piecowym.

Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące

Wyżarzanie kulkowe, czyli sferoidyzujące, prowadzi do zmiany morfologii cementytu lub innych węglików i uzyskania ich bardziej kulistej postaci w osnowie ferrytycznej.
Proces ma szczególne znaczenie dla stali wysokowęglowych, narzędziowych i łożyskowych. Sferoidyzacja może znacząco poprawić obrabialność materiału i przygotować stal do późniejszego hartowania.

Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się przede wszystkim do materiału wcześniej odkształconego plastycznie na zimno.
Podczas procesu zachodzi powstawanie nowych, zasadniczo wolnych od zgniotu ziaren, które zastępują strukturę odkształconą. Następuje zmniejszenie twardości i wytrzymałości wynikającej ze zgniotu oraz przywrócenie plastyczności. Proces nie wymaga austenityzacji stali.

Wyżarzanie homogenizujące – ujednorodniające

Wyżarzanie homogenizujące stosuje się w celu zmniejszenia niejednorodności składu chemicznego powstałych między innymi podczas krzepnięcia materiału. Proces prowadzony jest w wysokiej temperaturze, umożliwiającej intensyfikację dyfuzji i wyrównywanie lokalnych różnic stężenia pierwiastków stopowych.
Homogenizacja znajduje zastosowanie przede wszystkim w przypadku wlewków, odlewów oraz materiałów wykazujących segregację składu chemicznego. Długotrwałe wygrzewanie w wysokiej temperaturze może powodować rozrost ziarna, dlatego proces wymaga odpowiedniego doboru temperatury i czasu.

Hartowanie i odpuszczanie stali

Hartowanie stali

Hartowanie stali polega na odpowiednim nagrzaniu do zakresu austenityzacji, wygrzaniu oraz chłodzeniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie wymaganej mikrostruktury, najczęściej z dużym udziałem martenzytu.
Temperatura austenityzacji, czas wygrzewania i intensywność chłodzenia zależą od gatunku stali. Medium chłodzącym może być między innymi woda, roztwór polimerowy, olej, gaz lub powietrze – zależnie od hartowności stali i technologii.
Hartowanie prowadzi do znacznego zwiększenia twardości i wytrzymałości, ale jednocześnie może zwiększyć kruchość i naprężenia własne. Z tego powodu elementy zahartowane są zazwyczaj następnie odpuszczane.

Odpuszczanie stali

Odpuszczanie jest procesem wykonywanym po hartowaniu. Polega na nagrzaniu zahartowanej stali do temperatury poniżej Ac₁, wygrzaniu i odpowiednim chłodzeniu.
W zależności od temperatury i czasu procesu możliwe jest kształtowanie relacji pomiędzy twardością, wytrzymałością, plastycznością i odpornością na pękanie. Stosuje się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie, zależnie od materiału i wymaganych właściwości.

Ulepszanie cieplne

Ulepszanie cieplne jest połączeniem hartowania i następującego po nim wysokiego odpuszczania. Celem nie jest uzyskanie maksymalnej możliwej twardości, lecz korzystnego zestawu wytrzymałości, plastyczności i odporności na pękanie.

Hartowanie powierzchniowe stali

W hartowaniu powierzchniowym tylko określona strefa przy powierzchni elementu jest nagrzewana do zakresu austenityzacji i następnie szybko chłodzona. Skład chemiczny warstwy nie jest celowo zmieniany.
Powstaje dzięki temu twarda warstwa powierzchniowa przy zachowaniu właściwości rdzenia. Do najważniejszych technologii należą hartowanie indukcyjne i płomieniowe.

Hartowanie indukcyjne

Hartowanie indukcyjne wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Prądy wirowe generowane w materiale powodują bardzo szybkie nagrzewanie warstwy powierzchniowej, która następnie zostaje intensywnie schłodzona.
Głębokość i charakter nagrzewania zależą między innymi od częstotliwości prądu, mocy, czasu nagrzewania, geometrii wzbudnika, odległości wzbudnika od elementu, właściwości materiału i przewodzenia ciepła.

Hartowanie płomieniowe

Hartowanie płomieniowe wykorzystuje intensywne lokalne nagrzewanie powierzchni płomieniem palnika, po którym następuje szybkie chłodzenie.
Technologia jest szczególnie przydatna w przypadku dużych elementów oraz powierzchni, których lokalne utwardzenie byłoby trudne lub nieekonomiczne przy zastosowaniu innych metod.

Przesycanie i starzenie stali

Przesycanie

Przesycanie jest obróbką cieplną polegającą na nagrzaniu materiału do temperatury umożliwiającej rozpuszczenie określonych faz lub składników w osnowie, wygrzaniu oraz odpowiednio szybkim chłodzeniu w celu zatrzymania przesyconego roztworu stałego.
Proces ma szczególne znaczenie między innymi dla austenitycznych stali nierdzewnych, stali umacnianych wydzieleniowo PH oraz niektórych innych stopów. W stalach nierdzewnych przesycanie może służyć między innymi rozpuszczeniu wydzieleń i uzyskaniu jednorodnej struktury oraz wymaganej odporności korozyjnej.

Starzenie – utwardzanie wydzieleniowe

Starzenie jest procesem prowadzącym do kontrolowanego wydzielania drobnych faz z przesyconego roztworu stałego. Powstające wydzielenia utrudniają ruch dyslokacji, dzięki czemu możliwe jest zwiększenie twardości, granicy plastyczności i wytrzymałości materiału.
Proces jest szczególnie ważny dla stali nierdzewnych umacnianych wydzieleniowo, takich jak 1.4542 / X5CrNiCuNb16-4 / 17-4PH. Właściwości tych materiałów mogą być kształtowane przez odpowiedni dobór warunków starzenia.

Porównanie metod obróbki cieplnej stali

Obróbka cieplno-chemiczna stali

Obróbka cieplno-chemiczna polega na jednoczesnym oddziaływaniu temperatury i odpowiednio dobranego ośrodka technologicznego, którego składniki dyfundują do warstwy wierzchniej materiału. W odróżnieniu od klasycznej obróbki cieplnej następuje więc celowa zmiana składu chemicznego warstwy powierzchniowej.
Celem procesów cieplno-chemicznych może być zwiększenie twardości powierzchniowej, odporności na zużycie, właściwości zmęczeniowych, odporności na korozję, utlenianie lub działanie podwyższonej temperatury.

Azotowanie stali

Azotowanie stali polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej azotem. Proces prowadzony jest zasadniczo w temperaturach niższych od temperatur austenityzacji stosowanych podczas klasycznego hartowania.
W warstwie powstają fazy i wydzielenia zawierające azot, które mogą zapewnić bardzo dużą twardość powierzchniową, odporność na zużycie oraz korzystne właściwości zmęczeniowe. W przeciwieństwie do nawęglania końcowe hartowanie po właściwym azotowaniu zasadniczo nie jest wymagane.

Nawęglanie stali

Nawęglanie stali polega na dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy wierzchniej w węgiel podczas przebywania stali w stanie austenitycznym.
Samo nawęglanie zmienia przede wszystkim skład chemiczny warstwy. Wysoką twardość uzyskuje się zasadniczo dopiero po odpowiednim hartowaniu i późniejszym odpuszczaniu. Pozwala to otrzymać wysokowęglową, twardą warstwę powierzchniową oraz rdzeń o właściwościach wynikających z niższej zawartości węgla i składu stopowego stali bazowej.

Węgloazotowanie

Węgloazotowanie jest procesem cieplno-chemicznym polegającym na jednoczesnym wzbogacaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel i azot. Proces jest zbliżony do nawęglania, lecz obecność azotu wpływa na przemiany zachodzące w warstwie oraz jej właściwości.
Po węgloazotowaniu stosuje się odpowiednio dobraną obróbkę cieplną, zazwyczaj obejmującą hartowanie i odpuszczanie. Proces umożliwia uzyskanie twardej i odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu właściwości rdzenia.

Azotonawęglanie – nitrokarburacja

Azotonawęglanie, określane również jako nitrokarburacja, polega na dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy powierzchniowej przede wszystkim w azot oraz w mniejszym stopniu w węgiel. Proces prowadzony jest w innym zakresie parametrów niż klasyczne węgloazotowanie i nie należy obu technologii traktować jako nazw tego samego procesu.
Azotonawęglanie stosuje się przede wszystkim w celu zwiększenia odporności na zużycie, zatarcie i zmęczenie powierzchniowe. W zależności od odmiany procesu może być prowadzone w atmosferze gazowej, kąpieli solnej lub metodami plazmowymi.

Borowanie stali

Borowanie jest procesem dyfuzyjnego nasycania warstwy wierzchniej stali borem. W wyniku procesu mogą powstawać bardzo twarde borki żelaza i borki pierwiastków stopowych.
Warstwy borowane charakteryzują się przede wszystkim bardzo dużą twardością oraz wysoką odpornością na zużycie ścierne. Technologia stosowana jest między innymi do elementów pracujących w warunkach intensywnego tarcia i ścierania.

Chromowanie dyfuzyjne

Chromowanie dyfuzyjne polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej materiału chromem. W przeciwieństwie do nakładania klasycznej powłoki chromowej chrom wprowadzany jest dyfuzyjnie do warstwy wierzchniej materiału.
Proces może służyć do zwiększenia odporności na utlenianie, korozję i zużycie powierzchniowe, zależnie od materiału bazowego oraz parametrów procesu.

Aluminiowanie dyfuzyjne

Aluminiowanie dyfuzyjne polega na nasycaniu warstwy wierzchniej aluminium. Proces stosowany jest przede wszystkim w celu zwiększenia odporności materiału na utlenianie i korozję wysokotemperaturową.
Warstwa wzbogacona w aluminium może podczas eksploatacji tworzyć ochronne warstwy tlenkowe, ograniczające dalsze utlenianie materiału. Technologia znajduje zastosowanie między innymi w elementach pracujących w wysokiej temperaturze.

Porównanie metod obróbki cieplno-chemicznej stali

Jak obróbka cieplna wpływa na mikrostrukturę stali?

Właściwości stali wynikają nie tylko z jej składu chemicznego, ale również z mikrostruktury. Odpowiednio zaprojektowana obróbka cieplna pozwala wpływać między innymi na udział i morfologię ferrytu, perlitu, bainitu, martenzytu, austenitu szczątkowego oraz węglików.
Przykładowo powolne chłodzenie po austenityzacji sprzyja przemianom dyfuzyjnym, natomiast dostatecznie szybkie chłodzenie odpowiedniej stali może zahamować te przemiany i umożliwić powstanie martenzytu. Wyżarzanie sferoidyzujące zmienia przede wszystkim morfologię węglików, a wyżarzanie rekrystalizujące prowadzi do powstawania nowych ziaren w materiale umocnionym odkształceniowo.

Znaczenie temperatur krytycznych Ac1 i Ac3

W wielu procesach obróbki cieplnej stali nie należy posługiwać się jedną uniwersalną temperaturą. Znacznie ważniejsze są temperatury krytyczne właściwe dla danego składu chemicznego i warunków nagrzewania.
Ac₁ oznacza temperaturę, przy której podczas nagrzewania rozpoczyna się przemiana prowadząca do powstawania austenitu. Ac₃ odnosi się do temperatury zakończenia przemiany ferrytu w austenit podczas nagrzewania stali podeutektoidalnej.
W stalach o innym składzie oraz przy określaniu parametrów konkretnych technologii znaczenie mogą mieć również inne temperatury charakterystyczne. Z tego powodu parametry obróbki powinny być zawsze dobierane do konkretnego materiału.

Szybkość chłodzenia a właściwości stali

Temperatura nagrzewania jest tylko jednym z parametrów procesu. Równie ważny jest sposób i szybkość chłodzenia.
Ta sama stal po austenityzacji może uzyskać różną mikrostrukturę w zależności od przebiegu chłodzenia. Chłodzenie piecowe, chłodzenie w powietrzu oraz intensywne hartowanie w wodzie, oleju, polimerze lub gazie prowadzą do różnych warunków przemian fazowych.
Właśnie dlatego tabele porównawcze nie powinny być interpretowane jako zestaw uniwersalnych receptur technologicznych. Parametry należy dobierać z uwzędnieniem gatunku, przekroju elementu, hartowności oraz wymaganych właściwości.

Jak dobrać metodę obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej stali?

Dobór procesu powinien wynikać z wymaganej funkcji elementu, gatunku materiału i jego stanu wyjściowego.

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.

Obróbka cieplna stali umożliwia szerokie kształtowanie mikrostruktury i właściwości materiału bez celowej zmiany jego nominalnego składu chemicznego. Normalizowanie i różne rodzaje wyżarzania służą między innymi do ujednolicania mikrostruktury, zmniejszania twardości, redukcji naprężeń i przywracania plastyczności. Hartowanie i odpuszczanie pozwalają natomiast uzyskać większą twardość i wytrzymałość oraz odpowiednio dostosować właściwości materiału do warunków pracy.
Hartowanie indukcyjne i płomieniowe umożliwiają lokalne utwardzenie warstwy powierzchniowej bez celowej zmiany jej składu chemicznego. Przesycanie i starzenie mają szczególne znaczenie między innymi dla stali nierdzewnych oraz materiałów umacnianych wydzieleniowo.
Obróbka cieplno-chemiczna obejmuje procesy, w których oprócz oddziaływania temperatury następuje celowa dyfuzyjna zmiana składu chemicznego warstwy wierzchniej. Do najważniejszych metod należą nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie, azotonawęglanie, borowanie, chromowanie dyfuzyjne oraz aluminiowanie dyfuzyjne.
Podane opisy mają charakter porównawczy. Temperatura, czas, szybkość nagrzewania, sposób chłodzenia i pozostałe parametry procesu powinny być każdorazowo dobierane do konkretnego gatunku stali, wymiarów elementu, stanu wyjściowego materiału oraz wymaganych właściwości końcowych.