Przesycanie – obróbka cieplna stopów i uzyskiwanie przesyconego roztworu stałego

Przesycanie jest procesem obróbki cieplnej polegającym na nagrzaniu stopu do temperatury, w której określone składniki lub fazy ulegają rozpuszczeniu w osnowie, wygrzaniu materiału w tej temperaturze, a następnie odpowiednio szybkim chłodzeniu w celu ograniczenia ich ponownego wydzielania. W rezultacie w temperaturze otoczenia można otrzymać przesycony roztwór stały, czyli stan zawierający większą ilość rozpuszczonego składnika niż odpowiada stanowi równowagi w tej temperaturze.
Przesycanie jest szczególnie ważne w przypadku materiałów przeznaczonych do umacniania wydzieleniowego. Stan uzyskany bezpośrednio po przesycaniu jest termodynamicznie niestabilny lub metastabilny i może stanowić punkt wyjścia do późniejszego starzenia, podczas którego z przesyconego roztworu wydzielają się drobne fazy zwiększające twardość, granicę plastyczności i wytrzymałość materiału.
Proces stosowany jest między innymi w stopach aluminium, stalach nierdzewnych, stalach umacnianych wydzieleniowo PH, superstopach na osnowie niklu oraz wybranych stopach innych metali.

Na czym polega przesycanie?

Podstawą procesu jest zależność rozpuszczalności składników stopowych od temperatury. W wielu układach wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się ilość składnika, która może pozostawać rozpuszczona w roztworze stałym.
Materiał nagrzewa się więc do temperatury umożliwiającej rozpuszczenie wymaganej części faz wtórnych w osnowie. Następnie utrzymuje się go w tej temperaturze przez czas pozwalający na odpowiednie zmiany strukturalne i wyrównanie składu w wymaganej skali.
Po zakończeniu wygrzewania materiał zostaje odpowiednio szybko schłodzony. Celem chłodzenia jest ograniczenie dyfuzji i ponownego wydzielania składników podczas przechodzenia przez zakres temperatur, w którym ich równowagowa rozpuszczalność maleje.
W efekcie w temperaturze otoczenia zostaje zachowany przesycony roztwór stały.

Co to jest przesycony roztwór stały?

Roztwór stały jest jednorodną fazą krystaliczną, w której atomy jednego lub kilku składników znajdują się w sieci krystalicznej składnika podstawowego.
Jeżeli w wysokiej temperaturze osnowa może rozpuścić większą ilość danego składnika niż w temperaturze pokojowej, szybkie chłodzenie może czasowo zatrzymać ten składnik w roztworze.
Powstaje wtedy roztwór przesycony.
Stan taki nie odpowiada pełnej równowadze termodynamicznej. Przy odpowiedniej temperaturze i czasie nadmiar rozpuszczonego składnika może zacząć wydzielać się z osnowy. Zjawisko to stanowi podstawę późniejszego starzenia i umacniania wydzieleniowego.

Etapy procesu przesycania

1. Nagrzewanie. Materiał nagrzewa się do temperatury przesycania właściwej dla konkretnego stopu.
2. Wygrzewanie. Stop utrzymuje się w zadanej temperaturze przez czas umożliwiający rozpuszczenie wymaganych faz i uzyskanie odpowiedniego składu roztworu stałego.
3. Szybkie chłodzenie. Materiał chłodzi się z szybkością wystarczającą do ograniczenia wydzielania składników podczas chłodzenia.
4. Uzyskanie przesyconego roztworu stałego. W temperaturze otoczenia w osnowie pozostaje większa ilość rozpuszczonych składników niż wynikałoby z warunków równowagowych.
5. Starzenie – jeżeli przewiduje je technologia. Kontrolowane wydzielanie drobnych faz może następnie zwiększać twardość i wytrzymałość materiału.

Temperatura przesycania

Nie istnieje jedna uniwersalna temperatura przesycania. Zakres temperatur zależy od rodzaju materiału, jego składu chemicznego, diagramu równowagi fazowej, rodzaju faz przeznaczonych do rozpuszczenia oraz wymagań dotyczących końcowej mikrostruktury.
Temperatura musi być wystarczająco wysoka, aby zwiększyć rozpuszczalność odpowiednich składników i umożliwić rozpuszczenie wymaganych faz, ale jednocześnie nie może prowadzić do niepożądanego topnienia, nadmiernego rozrostu ziarna lub innych niekorzystnych zmian strukturalnych.

Dlaczego po przesycaniu stosuje się szybkie chłodzenie?

Podczas wygrzewania w temperaturze przesycania składniki stopowe znajdują się w osnowie w ilości możliwej do utrzymania w wysokiej temperaturze. Wraz ze spadkiem temperatury ich równowagowa rozpuszczalność może maleć.
Jeżeli chłodzenie przebiega zbyt wolno, atomy mają wystarczająco dużo czasu na dyfuzję i tworzenie wydzieleń jeszcze podczas chłodzenia. Może to uniemożliwić uzyskanie wymaganego przesyconego roztworu stałego.
Odpowiednio szybkie chłodzenie ogranicza dyfuzję i pozwala zachować metastabilny stan przesycony.
W zależności od materiału i wymaganej szybkości chłodzenia stosowane mogą być różne media chłodzące. Nie można więc przyjąć jednej uniwersalnej metody chłodzenia dla wszystkich stopów.

Przesycanie a hartowanie – czym różnią się te procesy?

Przesycanie i hartowanie mogą obejmować podobną sekwencję technologiczną: nagrzewanie, wygrzewanie i szybkie chłodzenie. Mechanizm i podstawowy cel tych procesów są jednak różne.

Przesycanie a starzenie

Przesycanie i starzenie są ze sobą ściśle związane w materiałach umacnianych wydzieleniowo.
Przesycanie przygotowuje materiał poprzez wprowadzenie odpowiednich składników do roztworu stałego. Starzenie umożliwia następnie kontrolowane powstawanie bardzo drobnych wydzieleń.
Schemat można przedstawić następująco:

Drobne wydzielenia stanowią przeszkody dla ruchu dyslokacji. W rezultacie mogą zwiększać twardość, wytrzymałość na rozciąganie Rm oraz granicę plastyczności.
Jeżeli starzenie trwa zbyt długo lub odbywa się w zbyt wysokiej temperaturze, wydzielenia mogą rosnąć i tracić optymalną zdolność hamowania ruchu dyslokacji. Stan taki określa się jako przestarzenie.

Przesycanie stali nierdzewnych

Przesycanie jest ważnym procesem obróbki cieplnej wielu stali nierdzewnych austenitycznych.
Materiał nagrzewa się do odpowiednio wysokiej temperatury w celu rozpuszczenia określonych wydzieleń, a następnie szybko chłodzi, aby ograniczyć ich ponowne powstawanie podczas przechodzenia przez niekorzystny zakres temperatur.
Szczególne znaczenie ma zachowanie chromu. W określonych warunkach cieplnych mogą tworzyć się wydzielenia bogate w chrom, powodując lokalne zubożenie osnowy w ten pierwiastek. Może to pogarszać odporność na korozję międzykrystaliczną.
Prawidłowo dobrane przesycanie może doprowadzić do rozpuszczenia takich wydzieleń i ponownego wprowadzenia składników do roztworu stałego.
Przykładem stali poddawanej przesycaniu jest 1.4550 / X6CrNiNb18-10 / AISI 347, dla której parametry obróbki zależą od wymagań normy, postaci wyrobu i technologii.

Przesycanie stali PH – umacnianych wydzieleniowo

Szczególne znaczenie przesycanie ma w przypadku stali nierdzewnych umacnianych wydzieleniowo PH.
W materiałach tych przesycanie jest etapem przygotowującym mikrostrukturę do późniejszego starzenia.
Po odpowiednim nagrzaniu i szybkim chłodzeniu materiał poddaje się starzeniu, podczas którego powstają drobne wydzielenia odpowiedzialne za zwiększenie wytrzymałości i twardości.
W stalach PH istotną rolę mogą odgrywać między innymi nikiel, miedź, glin, tytan i niob.

Przesycanie stopów aluminium

Przesycanie jest jednym z podstawowych etapów obróbki cieplnej wielu stopów aluminium przeznaczonych do umacniania wydzieleniowego.
W wysokiej temperaturze zwiększa się rozpuszczalność określonych składników stopowych w osnowie aluminium. Po odpowiednim wygrzaniu i szybkim chłodzeniu możliwe jest zatrzymanie ich w przesyconym roztworze stałym.
Następnie materiał może podlegać starzeniu naturalnemu w temperaturze otoczenia albo starzeniu sztucznemu w podwyższonej temperaturze.
W zależności od grupy stopów ważną rolę mogą odgrywać między innymi miedź, magnez, krzem i cynk.

Przesycanie stopów niklu

Przesycanie stosuje się również w superstopach na osnowie niklu. W zależności od gatunku proces może służyć do rozpuszczania określonych faz i przygotowania struktury do późniejszego starzenia.
W stopach tych występują między innymi nikiel, chrom, molibden, niob, tytan, glin i kobalt.
Dobór temperatury przesycania i późniejszego starzenia jest ściśle związany z konkretnym gatunkiem stopu i wymaganym układem faz.

Wpływ pierwiastków stopowych na przesycanie i umacnianie wydzieleniowe

Przesycanie a wyżarzanie homogenizujące

Przesycania nie należy utożsamiać z wyżarzaniem homogenizującym, mimo że oba procesy wykorzystują dyfuzję i mogą wymagać wysokiej temperatury.

Przesycanie a wyżarzanie

Przesycanie bywa w praktyce określane jako wyżarzanie przesycające, szczególnie w odniesieniu do stali nierdzewnych i niektórych stopów specjalnych. Nie oznacza to jednak, że jego mechanizm i cel są identyczne z każdym rodzajem wyżarzania.
Wyżarzanie pełne, wyżarzanie odprężające, wyżarzanie rekrystalizujące i wyżarzanie sferoidyzujące realizują inne cele technologiczne.

Wpływ przesycania na właściwości materiału

Efekt przesycania zależy od materiału i nie powinien być sprowadzany wyłącznie do zwiększenia twardości.
Bezpośrednio po przesycaniu materiał może być stosunkowo miękki i plastyczny. Znaczny wzrost twardości, wytrzymałości na rozciąganie Rm i granicy plastyczności może nastąpić dopiero podczas późniejszego starzenia.

Najczęstsze błędy podczas przesycania

• Zbyt niska temperatura – niewystarczające rozpuszczenie wymaganych faz.
• Zbyt krótki czas wygrzewania – niepełne nagrzanie przekroju lub niepełne rozpuszczenie faz.
• Zbyt wysoka temperatura – ryzyko rozrostu ziarna, lokalnego nadtopienia lub innych niekorzystnych zmian strukturalnych.
• Zbyt wolne chłodzenie – możliwość wydzielania składników jeszcze podczas chłodzenia.
• Nierównomierne chłodzenie – możliwość powstawania gradientów temperatury, naprężeń i odkształceń.
• Nieprawidłowy dobór czasu pomiędzy przesycaniem a starzeniem – szczególnie istotny w materiałach, w których przemiany mogą zachodzić już w temperaturze otoczenia.

Jak kontroluje się skuteczność przesycania?

Ocena procesu może obejmować badania mikrostruktury, ilości i rozmieszczenia faz, składu osnowy oraz właściwości mechanicznych.
W zależności od materiału wykorzystuje się między innymi:

• mikroskopię optyczną i elektronową,
• analizę wydzieleń i faz wtórnych,
• pomiary twardości,
• badanie wytrzymałości na rozciąganie Rm,
• oznaczanie granicy plastyczności,
• badania odporności korozyjnej w przypadku stali nierdzewnych,
• kontrolę właściwości po późniejszym starzeniu.

Sam fakt szybkiego schłodzenia materiału nie oznacza jeszcze, że proces przesycania został przeprowadzony prawidłowo. O skuteczności decyduje cały cykl: temperatura, czas wygrzewania, stan początkowy materiału oraz szybkość chłodzenia.

Przesycanie jest obróbką cieplną prowadzącą do uzyskania przesyconego roztworu stałego poprzez rozpuszczenie odpowiednich składników lub faz w wysokiej temperaturze i ograniczenie ich ponownego wydzielania podczas chłodzenia.
Proces stanowi podstawę obróbki wielu stopów aluminium, stali nierdzewnych, stali PH oraz superstopów niklu.
W materiałach umacnianych wydzieleniowo przesycanie jest zazwyczaj pierwszym etapem prowadzącym do uzyskania wysokiej wytrzymałości. Dopiero późniejsze starzenie powoduje kontrolowane wydzielanie drobnych faz utrudniających ruch dyslokacji.
Przesycania nie należy utożsamiać z klasycznym hartowaniem stali. Mimo podobieństwa technologicznego polegającego na nagrzewaniu i szybkim chłodzeniu, podstawowym celem przesycania jest zachowanie składników w przesyconym roztworze stałym, a nie wytworzenie struktury martenzytycznej.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Przesycanie jest tylko jednym z procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie, etc,  oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak nawęglanie, azotowanie i inne

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.