Czym jest obróbka cieplna metali i jakie są jej rodzaje?

Obróbka cieplna metali stanowi jeden z kluczowych obszarów inżynierii materiałowej i pełni istotną rolę w kształtowaniu właściwości mechanicznych, struktury oraz trwałości materiałów. Przemiany zachodzące podczas procesu pozwalają zmodyfikować własności mechaniczne, fizyczne i chemiczne metali, przyczyniając się do polepszenia ich parametrów zgodnie z oczekiwaniami. Czym dokładnie jest obróbka cieplna metali i na czym polega? Jakie są rodzaje obróbki cieplnej metali?

Co to jest obróbka cieplna metali?

W procesach technologicznych wyróżniamy różne rodzaje obróbki metali, a jednym z nich jest obróbka cieplna. Proces ten obejmuje szereg zabiegów, które w wyniku zmiany struktury spowodowanej zmianą temperatury, upływem czasu oraz oddziaływaniem ośrodka powodują zmianę własności mechanicznych, fizycznych oraz chemicznych metali i stopów.

Na czym polega cieplna obróbka metali? Dwa najważniejsze rodzaje obróbki cieplnej to nagrzewanie oraz chłodzenie. W każdym z tych procesów w strukturze materiału zachodzą przemiany fazowe, które powodują zmianę budowy oraz własności fizycznych i chemicznych. Jakie zmiany zachodzą podczas obróbki cieplnej metali? Jest to między innymi wielkość, grubość oraz kształt ziaren, wraz z którymi zmianie ulegają również parametry metali takie jak twardość, wytrzymałość czy odporność na korozję. Różne przemiany fazowe są wykorzystywane w różnych procesach obróbki cieplnej i dla różnych rodzajów materiałów. Jeśli chcesz dowiedzieć się dokładnie, co to jest obróbka metalu, zapoznaj się z pozostałymi materiałami dostępnymi na naszej stronie.

Jakie są rodzaje obróbki cieplnej metali?

Obróbkę cieplną dzielimy ze względu na obecność czynników kształtujących strukturę oraz własności metali i stopów. Jakie są rodzaje obróbki cieplnej metali?

Obróbka cieplna zwykła

W standardowej obróbce cieplnej metali zmiany struktury i własności materiału są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu.

Najważniejsze rodzaje obróbki cieplnej stali to:

• nagrzewanie – ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury przedmiotu obrabianego cieplnie
  1. wygrzewanie – wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w temperaturze pośredniej lub docelowej
• chłodzenie – ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu obrabianego cieplnie
  1. studzenie – chłodzenie elementu obrabianego cieplnie z małą szybkością
  2. oziębianie – chłodzenie elementu obrabianego cieplnie z dużą szybkością
  3. wychładzanie – wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w temperaturze pośredniej lub docelowej

• wyżarzanie – obejmuje nagrzewanie do określonej temperatury, wygrzewanie oraz powolne chłodzenie
• hartowanie – obejmuje nagrzewanie do temperatury, w której powstaje austenit, a następnie szybkie chłodzenie pozwalające uzyskać strukturę martenzytu
• odpuszczanie – obejmuje nagrzewanie materiału zahartowanego wcześniej do temperatury niższej niż temperatura przemiany eutektoidalnej oraz chłodzenie do temperatury otoczenia
• przesycanie – obejmuje nagrzewanie do temperatury przejścia do roztworu stałego wydzielanej fazy, wygrzewanie oraz oziębianie w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w przesyconym roztworze
• starzenie – obejmuje nagrzewanie i wytrzymanie w temperaturze granicznej rozpuszczalności w celu wydzielenia składników znajdujących się przesyconym roztworze w nadmiarze.

Obróbka cieplno-chemiczna

W obróbce cieplno-chemicznej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu, a dodatkowo wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej ma też ośrodek, w którym odbywa się proces. Efektem jest uzyskanie oczekiwanych własności użytkowych materiału – przeważnie zwiększonej odporności na ścieranie i zmęczenie oraz odporności korozyjnej i erozyjnej.

Obróbka cieplno-mechaniczna

W obróbce cieplno-mechanicznej (znanej też jako cieplno-plastycznej) zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu, a dodatkowo na właściwości obrabianego materiału wpływa odkształcenie plastyczne.

W odkształconym plastycznie metalu powstaje podstruktura, której właściwości są zależne od temperatury, stopnia gniotu oraz szybkości odkształcenia. Zatrzymanie odkształcenia połączone z kontrolowanym oziębianiem pozwala ulepszyć własności mechaniczne.

Wyróżniamy dwa rodzaje obróbki cieplno-mechanicznej:

• Wysokotemperaturowa – gdy odkształcenie plastyczne odbywa się powyżej temperatury rekrystalizacji materiału. Taki rodzaj obróbki wpływa przeważnie na polepszenie ciągliwości oraz plastyczności materiału przy niewielkich zmianach własności wytrzymałościowych.
• Niskotemperaturowa – gdy odkształcenie plastyczne odbywa się poniżej temperatury rekrystalizacji materiału. Taki rodzaj obróbki przeważnie wpływa na znaczne zwiększenie wytrzymałości materiału bez pogorszenia jego własności plastycznych.

Obróbka cieplno-magnetyczna

W obróbce cieplno-magnetycznej metali zmiany struktury i własności są spowodowane połączeniem oddziaływania temperatury, czasu oraz pola magnetycznego. Proces ten zmienia główne magnetyczne właściwości stopów magnetycznie twardych w stanie stałym. W przypadku niektórych typów stali oddziaływanie pola magnetycznego pozwala znacznie poprawić własności odpornościowe oraz wytrzymałościowe.

Jak wygląda proces cieplnej obróbki metali i stali?

Na czym polega obróbka cieplna stalii metali? W ustaleniu parametrów obróbki konieczna jest znajomość wykresu żelazo-węgiel opisującego przemiany zachodzące w stali w różnych warunkach.

Nagrzewanie polega na doprowadzeniu ciepła w ciągu założonego czasu w celu uzyskania określonej temperatury przez całą masę nagrzewanego przedmiotu. Szybkość nagrzewania zależy między innymi od przewodności cieplnej materiału, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu obrabianego cieplnie, rodzaju ośrodka nagrzewającego, różnicy temperatur między piecem a nagrzewanym przedmiotem, temperatury nagrzewania, czy mocy pieca. Materiał zostaje nagrzany do temperatury zapewniającej wystąpienie struktury austenitu z mieszanki ferrytu i cementytu.

Chłodzenie natomiast to proces obróbki cieplnej zachodzący w wyniku odprowadzania ciepła przez ośrodek chłodzący. Celem jest obniżenie temperatury przedmiotu obrabianego w całym przekroju do wymaganej wartości. Proces ten musi odbywać się z szybkością, która umożliwi prawidłowy przebieg przemian fazowych. Szybkość chłodzenia, podobnie jak szybkość grzania, zależy m.in. od wybranej metody, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu oraz rodzaju i własności ośrodka chłodzącego.

Rodzaj obróbki, temperatura i czas nagrzewania zostają dobrane w zależności od materiału oraz oczekiwanego efektu. Na przykład cieplna obróbka stali nierdzewnej pozwala zwiększyć jej odporność na korozję oraz plastyczność. Cieplna obróbka blachy metalowej pomaga w osiągnięciu większej wytrzymałości detalu czy odporności na ścieranie przedłużającej jego żywotność. W każdym wypadku istotne jest, aby uzyskać jednakową temperaturę w całym przekroju przedmiotu obrabianego.