Obróbka cieplna stali – metalurgia, hartowanie, odpuszczanie i kontrola mikrostruktury

Wstęp

Obróbka cieplna stali jest jednym z najważniejszych procesów technologicznych w metalurgii i przemyśle narzędziowym. To właśnie ona decyduje o tym, czy dany gatunek stali będzie miękki i łatwy w obróbce, czy bardzo twardy, odporny na ścieranie, sprężysty, udarny albo stabilny wymiarowo.

W praktyce obróbka cieplna polega na kontrolowanym nagrzewaniu, wygrzewaniu i chłodzeniu stali w taki sposób, aby zmienić jej strukturę wewnętrzną, a przez to właściwości mechaniczne. Co istotne, celem nie jest zmiana kształtu elementu, lecz zmiana jego mikrostruktury: układu faz, wielkości ziarna, rozmieszczenia węglików, ilości martenzytu, bainitu, perlitu lub austenitu szczątkowego.

Dla klientów przemysłowych, narzędziowni, producentów części maszyn, form, matryc, wykrojników oraz nożowników zrozumienie podstaw obróbki cieplnej ma bardzo praktyczne znaczenie. Ten sam gatunek stali może zachowywać się zupełnie inaczej w zależności od temperatury austenityzowania, czasu wygrzewania, rodzaju chłodzenia i parametrów odpuszczania.

Czym jest obróbka cieplna stali?

Obróbka cieplna to zespół procesów, w których stal poddaje się działaniu odpowiednio dobranej temperatury i kontrolowanego chłodzenia. Celem jest uzyskanie wymaganych właściwości użytkowych materiału.

Najczęstsze cele obróbki cieplnej to:

• zwiększenie twardości przez hartowanie,
• poprawa odporności na ścieranie,
• zwiększenie wytrzymałości mechanicznej,
• poprawa udarności i ciągliwości przez odpuszczanie,
• zmiękczenie stali przed obróbką skrawaniem,
• usunięcie naprężeń własnych po cięciu, spawaniu, kuciu lub obróbce mechanicznej,
• ujednorodnienie mikrostruktury,
• zmniejszenie wielkości ziarna,
• przygotowanie materiału do dalszych operacji technologicznych.

W uproszczeniu można powiedzieć, że obróbka cieplna jest sposobem sterowania tym, co dzieje się wewnątrz stali. Z zewnątrz element może wyglądać tak samo, ale jego struktura i właściwości po prawidłowej obróbce mogą być zupełnie inne.

Dlaczego mikrostruktura stali jest tak ważna?

Stal nie jest materiałem jednorodnym w sensie metalograficznym. Jej właściwości wynikają z obecności różnych faz i składników strukturalnych. To, czy stal będzie miękka, twarda, krucha, sprężysta albo odporna na zużycie, zależy od tego, jakie struktury powstaną podczas nagrzewania i chłodzenia.
Podstawą zrozumienia tych procesów jest wykres równowagi żelazo-węgiel, czyli układ Fe-C.

Stal to stop żelaza z węglem, w którym zawartość węgla wynosi zwykle poniżej około 2,11% masy.

Powyżej tej wartości materiał klasyfikuje się już jako żeliwo. Oczywiście stale techniczne zawierają nie tylko żelazo i węgiel, ale również pierwiastki stopowe, takie jak chrom, molibden, wanad, mangan, nikiel, wolfram, krzem czy kobalt. To one w dużej mierze decydują o hartowności, odporności na odpuszczanie, odporności na korozję, odporności na ścieranie i stabilności wymiarowej.

Najważniejsze fazy i składniki strukturalne stali

Ferryt

Ferryt jest miękkim i ciągliwym roztworem stałym węgla w żelazie alfa. Ma strukturę regularną przestrzennie centrowaną, określaną jako BCC. Przy temperaturze pokojowej rozpuszcza bardzo małą ilość węgla, dlatego sam ferryt jest strukturą stosunkowo miękką.

W stalach niskowęglowych obecność ferrytu sprzyja plastyczności, podatności na odkształcenia i dobrej obrabialności. Z punktu widzenia stali narzędziowych nadmierny udział ferrytu zwykle nie jest pożądany, jeżeli celem jest wysoka twardość i odporność na ścieranie.

Austenit

Austenit jest roztworem stałym węgla w żelazie gamma. Ma strukturę regularną ściennie centrowaną, czyli FCC. W tej strukturze żelazo może rozpuścić znacznie więcej węgla niż w ferrycie.

Austenit ma kluczowe znaczenie w procesie hartowania. Aby stal mogła zostać zahartowana, najpierw musi zostać nagrzana do zakresu, w którym powstaje austenit. Dopiero szybkie chłodzenie austenitu może doprowadzić do powstania martenzytu.

Cementyt

Cementyt, czyli węglik żelaza Fe₃C, jest fazą bardzo twardą i kruchą. W strukturze stali występuje między innymi jako składnik perlitu albo jako wydzielenia węglikowe.

W stalach wysokowęglowych i narzędziowych rola węglików jest ogromna. Odpowiadają one za odporność na zużycie ścierne, stabilność krawędzi tnącej, trwałość narzędzia i zachowanie twardości w pracy.

Perlit

Perlit jest mieszaniną ferrytu i cementytu. Najczęściej ma strukturę płytkową, czyli lamelarną. Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej austenitu.

Im drobniejszy perlit, tym większa twardość i wytrzymałość stali. Perlit gruboziarnisty jest bardziej miękki i lepiej obrabialny, dlatego może być pożądany po niektórych procesach wyżarzania.

Martenzyt

Martenzyt jest strukturą powstającą podczas szybkiego chłodzenia austenitu. Jest przesyconym roztworem węgla w żelazie alfa. Przemiana austenitu w martenzyt ma charakter bez dyfuzyjny, co oznacza, że atomy nie mają czasu na spokojne przemieszczenie się i utworzenie struktur równowagowych.

To właśnie martenzyt odpowiada za wysoką twardość zahartowanej stali. Jednocześnie jest strukturą kruchą i silnie naprężoną, dlatego po hartowaniu prawie zawsze konieczne jest odpuszczanie.

Austenityzowanie – pierwszy etap hartowania

Austenityzowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której powstaje austenit. Jest to jeden z najważniejszych etapów obróbki cieplnej, ponieważ od niego zależy późniejsza skuteczność hartowania.

W przypadku stali pod eutektoidalnych istotne są temperatury krytyczne:

• Ac₁ – początek przemiany perlitu w austenit,
• Ac₃ – zakończenie przemiany ferrytu w austenit.

W przypadku stali nad eutektoidalnych ważną granicą jest temperatura Accm, związana z rozpuszczaniem węglików wtórnych.

W praktyce przemysłowej nie chodzi tylko o osiągnięcie określonej temperatury na piecu. Ważne jest również to, czy cały przekrój elementu faktycznie osiągnął wymaganą temperaturę. Z tego powodu stosuje się czas wygrzewania.

Czas wygrzewania i wielkość ziarna austenitu

Czas wygrzewania powinien być na tyle długi, aby temperatura wyrównała się w całym przekroju elementu, a wymagane składniki strukturalne uległy przemianie. Zbyt krótki czas może oznaczać niepełne austenityzowanie. Zbyt długi czas może prowadzić do niekorzystnego rozrostu ziarna.

Wielkość ziarna austenitu ma ogromne znaczenie dla właściwości końcowych stali. Drobne ziarno poprawia udarność, ogranicza kruchość i zmniejsza ryzyko pęknięć hartowniczych. Zbyt grube ziarno może powodować pogorszenie wytrzymałości, większą kruchość i mniejszą odporność na obciążenia dynamiczne.

Dlatego przy obróbce cieplnej stali narzędziowych nie należy traktować temperatury austenityzowania jako wartości przypadkowej. Przegrzanie stali może być równie szkodliwe jak niedogrzanie.

Wykresy TTT i CCT – jak przewiduje się przemiany stali?

Do opisu przemian zachodzących podczas chłodzenia stali stosuje się wykresy TTT i CCT.

Wykresy TTT

Wykresy TTT, czyli Time-Temperature-Transformation, opisują przemiany izotermiczne. Oznacza to, że próbka jest szybko chłodzona do określonej temperatury, a następnie przetrzymywana w tej temperaturze.

Takie wykresy pokazują, po jakim czasie rozpoczynają się i kończą przemiany austenitu w inne składniki strukturalne, na przykład perlit, bainit lub martenzyt.

Wykresy CCT

Wykresy CCT, czyli Continuous Cooling Transformation, opisują przemiany podczas ciągłego chłodzenia. Są bliższe rzeczywistym warunkom przemysłowym, ponieważ w praktyce stal zwykle nie jest chłodzona skokowo do jednej temperatury i tam utrzymywana, lecz stygnie w sposób ciągły.

Wykresy CCT są bardzo przydatne przy doborze medium chłodzącego, ocenie hartowności i przewidywaniu struktury po chłodzeniu.

Krytyczna szybkość chłodzenia

Aby uzyskać martenzyt, stal musi zostać schłodzona dostatecznie szybko. Jeśli chłodzenie będzie zbyt wolne, austenit zdąży przemienić się w perlit lub bainit. Jeżeli chłodzenie będzie wystarczająco szybkie, możliwe będzie pominięcie przemian dyfuzyjnych i utworzenie martenzytu.

Minimalna szybkość chłodzenia potrzebna do uzyskania struktury martenzytycznej określana jest jako krytyczna szybkość chłodzenia.

Pierwiastki stopowe takie jak chrom, molibden, mangan, nikiel czy wanad wpływają na przebieg przemian. Wiele z nich przesuwa krzywe przemian na wykresach TTT i CCT w prawo, co oznacza, że stal może być zahartowana przy wolniejszym chłodzeniu. Właśnie dlatego stale stopowe często można hartować w oleju, powietrzu lub gazie, podczas gdy niektóre stale węglowe wymagają bardziej gwałtownego chłodzenia.

Produkty przemiany austenitu

Perlit

Perlit powstaje w wyniku przemiany austenitu w mieszaninę ferrytu i cementytu. Jego twardość zależy między innymi od odległości między płytkami ferrytu i cementytu. Im mniejsza odległość między płytkami, tym większa twardość i wytrzymałość.

Perlit drobny jest twardszy niż perlit gruby. Dlatego szybkość chłodzenia i temperatura przemiany mają bezpośredni wpływ na właściwości stali.

Bainit

Bainit jest strukturą pośrednią między perlitem a martenzytem. Powstaje w zakresie temperatur niższych niż perlit, ale wyższych niż temperatura początku przemiany martenzytycznej.

Wyróżnia się:

• bainit górny, powstający w wyższych temperaturach,
• bainit dolny, powstający w niższych temperaturach.

Bainit dolny często daje korzystną kombinację twardości, wytrzymałości i ciągliwości. Z tego powodu struktury bainityczne są interesujące w zastosowaniach, gdzie wymagana jest dobra odporność na pękanie przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości.

Martenzyt

Martenzyt powstaje przy szybkim chłodzeniu austenitu. Ma najwyższą twardość spośród typowych produktów przemiany austenitu, ale jest też najbardziej naprężony i kruchy.

W stalach niskowęglowych występuje głównie martenzyt listwowy. W stalach wysokowęglowych i narzędziowych częściej spotyka się martenzyt płytkowy lub iglasty.

Wysoka twardość martenzytu jest bardzo pożądana w narzędziach tnących, matrycach, wykrojnikach i nożach, ale sama struktura po hartowaniu nie jest jeszcze gotowym stanem użytkowym. Konieczne jest odpuszczanie.

Hartowanie stali

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do zakresu austenitycznego, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu w odpowiednio dobranym medium. Celem jest uzyskanie struktury martenzytycznej lub martenzytyczno-bainitycznej.

Efektem hartowania jest wzrost:

• twardości,
• wytrzymałości,
• odporności na ścieranie,
• trwałości krawędzi roboczej,
• odporności na odkształcenia plastyczne.

Jednocześnie hartowanie zwiększa naprężenia własne i może powodować kruchość, odkształcenia lub pęknięcia. Dlatego hartowanie nie powinno być traktowane jako osobny proces, ale jako etap całego cyklu obróbki cieplnej, który zwykle obejmuje również odpuszczanie.

Hartowność a twardość – ważna różnica

W praktyce często myli się twardość z hartownością. To nie są te same pojęcia.

Twardość oznacza odporność materiału na wciskanie, zarysowanie lub lokalne odkształcenie powierzchni.

Hartowność oznacza zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej na określoną głębokość przekroju.

Stal może osiągać wysoką twardość przy powierzchni, ale mieć niską hartowność, czyli nie hartować się głęboko w większym przekroju. Z kolei stal stopowa o wysokiej hartowności może uzyskać strukturę martenzytyczną znacznie głębiej, nawet przy łagodniejszym chłodzeniu.

Dla dużych elementów przemysłowych, grubych płyt, narzędzi, matryc i form hartowność jest parametrem krytycznym.

Test Jominy’ego i metoda Grossmanna

Do oceny hartowności stosuje się między innymi test Jominy’ego. Polega on na hartowaniu czołowym znormalizowanej próbki. Jeden koniec próbki jest intensywnie chłodzony strumieniem wody, a następnie mierzy się twardość w określonych odległościach od chłodzonego czoła.

Wynik pokazuje, jak szybko spada twardość wraz z odległością od intensywnie chłodzonego miejsca. Na tej podstawie można określić pasmo hartowności danego gatunku stali.

Metoda Grossmanna opisuje hartowność za pomocą średnicy krytycznej i idealnej średnicy krytycznej. Pozwala ocenić zdolność stali do hartowania niezależnie od konkretnego medium chłodzącego.

Wpływ pierwiastków stopowych na hartowność

Pierwiastki stopowe znacząco wpływają na zachowanie stali podczas hartowania. Szczególnie ważne są:

• chrom – zwiększa hartowność, odporność na ścieranie i w stalach nierdzewnych odporność korozyjną,
• molibden – poprawia hartowność, odporność na odpuszczanie i ogranicza kruchość odpuszczania,
• mangan – zwiększa hartowność i stabilizuje austenit,
• nikiel – poprawia udarność i ciągliwość,
• wanad – tworzy twarde węgliki i ogranicza rozrost ziarna,
• wolfram – poprawia odporność na odpuszczanie i twardość na gorąco,
• krzem – wpływa na wytrzymałość i odporność na odpuszczanie.

Dlatego stale narzędziowe do pracy na zimno, stale narzędziowe do pracy na gorąco, stale szybkotnące, stale nierdzewne martenzytyczne i stale proszkowe wymagają indywidualnie dobranych parametrów obróbki cieplnej.

Odpuszczanie stali po hartowaniu

Odpuszczanie jest procesem nagrzewania zahartowanej stali do temperatury niższej niż temperatura przemiany austenitycznej, wygrzania i chłodzenia. Jego głównym celem jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych i poprawa ciągliwości oraz udarności.

Po hartowaniu stal może mieć bardzo wysoką twardość, ale jednocześnie być zbyt krucha. Odpuszczanie pozwala uzyskać kompromis między twardością a odpornością na pękanie.

W zależności od temperatury odpuszczania można uzyskać różne efekty:

• niskie odpuszczanie pozwala zachować wysoką twardość,
• średnie odpuszczanie poprawia sprężystość i odporność mechaniczną,
• wysokie odpuszczanie zwiększa ciągliwość i stabilność strukturalną.

Etapy odpuszczania

Podczas odpuszczania zachodzi kilka procesów strukturalnych. W uproszczeniu można wyróżnić następujące etapy:

Do około 200°C

Zachodzi wydzielanie drobnych węglików przejściowych, między innymi węglików epsilon. Naprężenia zaczynają się zmniejszać, ale twardość nadal pozostaje wysoka.

Około 200–300°C

Może zachodzić rozpad austenitu szczątkowego. Jest to szczególnie ważne w stalach wysokowęglowych, nierdzewnych i stopowych, gdzie po hartowaniu część austenitu może pozostać nieprzemieniona.

Około 300–600°C

Zachodzi dalszy rozpad struktur przesyconych, koagulacja cementytu oraz zdrowienie ferrytu. Twardość zwykle spada, ale poprawia się stabilność strukturalna i odporność na pękanie.

Wysokie temperatury odpuszczania i twardość wtórna

W stalach stopowych zawierających molibden, wolfram, wanad lub kobalt może wystąpić zjawisko twardości wtórnej. Podczas odpuszczania w wyższych temperaturach wydzielają się drobne węgliki stopowe, które mogą ponownie zwiększyć twardość materiału.

Jest to szczególnie ważne w stalach szybkotnących, stalach do pracy na gorąco i niektórych stalach narzędziowych wysokostopowych.

Austenit szczątkowy – dlaczego ma znaczenie?

Austenit szczątkowy to część austenitu, która po hartowaniu nie przekształciła się w martenzyt. Może występować szczególnie w stalach wysokowęglowych, nierdzewnych, narzędziowych i proszkowych.

Nadmierna ilość austenitu szczątkowego może powodować:

• obniżenie stabilności wymiarowej,
• zmiany wymiarów podczas eksploatacji,
• spadek twardości,
• niestabilność krawędzi tnącej,
• pogorszenie przewidywalności właściwości.

Z tego powodu w wielu stalach narzędziowych stosuje się wielokrotne odpuszczanie, a w niektórych przypadkach także obróbkę kriogeniczną lub wymrażanie.

Wyżarzanie stali

Wyżarzanie obejmuje procesy, których celem jest zmiękczenie stali, usunięcie naprężeń, ujednorodnienie struktury lub przygotowanie materiału do dalszej obróbki.

Wyżarzanie zupełne

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu i powolnym chłodzeniu, najczęściej razem z piecem. Celem jest uzyskanie struktury łatwiejszej do obróbki mechanicznej.

Wyżarzanie zmiękczające

Wyżarzanie zmiękczające, czyli sferoidyzacja, jest szczególnie ważne w stalach wysokowęglowych i narzędziowych. Polega na przekształceniu cementytu płytkowego w formę kulkową.

Taka struktura znacząco poprawia skrawalność i zmniejsza zużycie narzędzi podczas obróbki mechanicznej.

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające wykonuje się poniżej temperatury Ac₁. Jego celem jest zmniejszenie naprężeń powstałych po spawaniu, cięciu, prostowaniu, obróbce mechanicznej lub wcześniejszych operacjach cieplnych.

W przypadku elementów precyzyjnych, form, matryc i narzędzi wyżarzanie odprężające może mieć duże znaczenie dla stabilności wymiarowej.

Normalizowanie stali

Normalizowanie polega na nagrzaniu stali do zakresu austenitycznego, wygrzaniu i chłodzeniu na powietrzu. W porównaniu z wyżarzaniem zupełnym chłodzenie jest szybsze.

Celem normalizowania jest uzyskanie drobniejszej, bardziej jednorodnej struktury ferrytyczno-perlitycznej. Proces ten może poprawić właściwości mechaniczne, usunąć skutki wcześniejszej obróbki plastycznej i przygotować materiał do dalszej obróbki.

Normalizowanie jest często stosowane w stalach konstrukcyjnych i węglowych, ale jego znaczenie zależy od gatunku stali oraz końcowego zastosowania.

Obróbka cieplno-chemiczna i powierzchniowa

Nie zawsze konieczne jest utwardzenie całego przekroju elementu. W wielu przypadkach pożądana jest twarda, odporna na zużycie powierzchnia oraz bardziej ciągliwy, odporny na pękanie rdzeń. W takich sytuacjach stosuje się obróbkę powierzchniową lub cieplno-chemiczną.

Nawęglanie

Nawęglanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali węglem, zwykle w temperaturze około 900–950°C, a następnie hartowaniu. Proces stosuje się głównie dla stali niskowęglowych i niskostopowych.

Po nawęglaniu i hartowaniu powierzchnia jest twarda i odporna na zużycie, natomiast rdzeń pozostaje bardziej ciągliwy.

Azotowanie

Azotowanie polega na dyfuzji azotu do warstwy powierzchniowej stali. Proces odbywa się w niższych temperaturach, zwykle w zakresie ferrytycznym, około 500–580°C.

Na powierzchni powstaje bardzo twarda warstwa związków azotu oraz strefa dyfuzyjna. Azotowanie poprawia odporność na zużycie, zmęczenie i w wielu przypadkach również odporność korozyjną.

Nitrokarburowanie

Nitrokarburowanie, często określane jako FNC, polega na jednoczesnym wprowadzaniu azotu i węgla do warstwy powierzchniowej. Proces poprawia odporność na ścieranie, zatarcie i korozję.

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie indukcyjne lub płomieniowe polega na szybkim nagrzaniu tylko warstwy wierzchniej elementu, a następnie jej natychmiastowym chłodzeniu. Rdzeń pozostaje mniej utwardzony, a powierzchnia uzyskuje wysoką twardość.

Takie rozwiązanie stosuje się między innymi dla wałów, kół zębatych, prowadnic i elementów narażonych na intensywne zużycie powierzchniowe.

Media chłodzące w hartowaniu

Dobór medium chłodzącego ma decydujący wpływ na wynik hartowania. Medium musi zapewnić odpowiednią szybkość chłodzenia, ale jednocześnie nie może powodować nadmiernych naprężeń, odkształceń i pęknięć.

Woda

Woda zapewnia bardzo szybkie chłodzenie. Jest skuteczna, ale agresywna. Może powodować wysokie naprężenia, pęknięcia i duże odkształcenia. Stosuje się ją głównie tam, gdzie stal wymaga bardzo intensywnego chłodzenia.

Olej

Olej chłodzi wolniej niż woda, ale bardziej równomiernie i łagodniej. Jest często stosowany do hartowania stali stopowych, narzędziowych i elementów, w których trzeba ograniczyć ryzyko pękania.

Gazy wysokociśnieniowe

Hartowanie w gazach wysokociśnieniowych jest stosowane między innymi w piecach próżniowych. Pozwala na czysty proces, dobrą kontrolę chłodzenia i ograniczenie zanieczyszczenia powierzchni.

Jest szczególnie ważne przy nowoczesnej obróbce cieplnej stali narzędziowych i wysokostopowych.

Polimery

Roztwory polimerowe pozwalają regulować szybkość chłodzenia między wodą a olejem. Ich zaletą jest możliwość ograniczenia gwałtownego etapu tworzenia poduszki parowej, co może poprawić równomierność chłodzenia.

Naprężenia i odkształcenia po obróbce cieplnej

Obróbka cieplna wiąże się z ryzykiem powstawania naprężeń i odkształceń. Wynikają one z dwóch głównych mechanizmów.

Pierwszym są naprężenia termiczne. Powierzchnia elementu chłodzi się szybciej niż rdzeń. Powoduje to różnice skurczu i powstawanie naprężeń wewnętrznych.

Drugim są naprężenia przemianowe. Przemiana austenitu w martenzyt wiąże się ze zmianą objętości. Jeżeli przemiana zachodzi nierównomiernie w różnych częściach elementu, mogą pojawić się odkształcenia, zmiany wymiarów lub pęknięcia.

Na ryzyko odkształceń wpływają:

• geometria elementu,
• różnice grubości przekroju,
• ostre naroża,
• sposób ułożenia w piecu,
• kierunek i intensywność chłodzenia,
• dobór medium chłodzącego,
• naprężenia po wcześniejszej obróbce mechanicznej,
• stan struktury przed hartowaniem.

Dlatego elementy precyzyjne, narzędzia, formy i części o skomplikowanej geometrii wymagają szczególnie ostrożnie dobranej technologii obróbki cieplnej.

Stale narzędziowe a obróbka cieplna

Stale narzędziowe są jedną z grup materiałów najbardziej zależnych od prawidłowej obróbki cieplnej. Ich końcowe właściwości zależą nie tylko od składu chemicznego, ale również od sposobu hartowania i odpuszczania.

Do tej grupy należą między innymi:

• stale do pracy na zimno,
• stale do pracy na gorąco,
• stale szybkotnące,
• stale odporne na wstrząsy,
• stale narzędziowe hartowane w oleju,
• stale narzędziowe hartowane w powietrzu,
• stale wysokochromowe,
• stale proszkowe PM.

W stalach narzędziowych szczególnie ważne są: twardość, odporność na ścieranie, odporność na pękanie, stabilność wymiarowa i odporność na odpuszczanie.

Przykładowo stal do pracy na zimno może wymagać wysokiej odporności na ścieranie i stabilności wymiarowej, natomiast stal do pracy na gorąco musi zachować właściwości również przy podwyższonej temperaturze pracy.

Stale nierdzewne i ich obróbka cieplna

Stale nierdzewne nie stanowią jednej, jednorodnej grupy pod względem obróbki cieplnej. Wyróżnia się między innymi stale:

• martenzytyczne,
• ferrytyczne,
• austenityczne,
• duplex,
• utwardzane wydzieleniowo.

Z punktu widzenia hartowania szczególnie ważne są stale nierdzewne martenzytyczne. Mogą one być hartowane i odpuszczane, dzięki czemu uzyskują wysoką twardość oraz odporność na zużycie.

Stale austenityczne zwykle nie są hartowane klasycznie przez przemianę martenzytyczną. Ich właściwości poprawia się głównie przez umocnienie zgniotowe lub inne procesy technologiczne.

W stalach nierdzewnych trzeba również uwzględniać wpływ temperatury na odporność korozyjną. Niewłaściwa obróbka cieplna może obniżyć odporność na korozję, szczególnie jeżeli dojdzie do niekorzystnych wydzieleń węglików chromu.

Stale proszkowe PM a obróbka cieplna

Stale proszkowe PM, czyli stale wytwarzane metodą metalurgii proszków, charakteryzują się bardzo równomiernym rozmieszczeniem węglików i możliwością uzyskania składu chemicznego trudnego do osiągnięcia w klasycznej metalurgii.

W praktyce stale proszkowe często zapewniają bardzo wysoką odporność na ścieranie, dobrą stabilność strukturalną i wysokie parametry użytkowe. Jednocześnie wymagają precyzyjnej obróbki cieplnej, szczególnie w zakresie austenityzowania, chłodzenia, odpuszczania i kontroli austenitu szczątkowego.

W przypadku stali wysokostopowych i proszkowych bardzo ważne jest stosowanie się do zaleceń producenta materiału oraz uwzględnienie realnych warunków procesu: typu pieca, atmosfery, przekroju elementu, sposobu chłodzenia i dokładności pomiaru temperatury.

Dlaczego ta sama stal może dawać różne wyniki?

W praktyce warsztatowej i przemysłowej często pojawia się pytanie: dlaczego ten sam gatunek stali po obróbce cieplnej daje różne wyniki?

Najczęstsze przyczyny to:

• różna temperatura austenityzowania,
• inny czas wygrzewania,
• różna grubość elementu,
• inne medium chłodzące,
• różna intensywność chłodzenia,
• brak wyrównania temperatury w przekroju,
• zbyt wolne chłodzenie,
• przegrzanie stali,
• zbyt niskie lub zbyt wysokie odpuszczanie,
• obecność austenitu szczątkowego,
• wcześniejsze naprężenia po obróbce mechanicznej,
• inny stan dostawy materiału.

Dlatego obróbka cieplna nie powinna być sprowadzana wyłącznie do prostego schematu: nagrzać, zahartować, odpuścić. W rzeczywistości jest to proces technologiczny, w którym każdy etap wpływa na wynik końcowy.

Praktyczne znaczenie obróbki cieplnej dla użytkownika stali

Dla użytkownika stali najważniejsze jest to, że właściwości materiału po obróbce cieplnej mogą być diametralnie różne od właściwości materiału w stanie dostawy.

Stal w stanie zmiękczonym może być łatwa do cięcia, wiercenia, frezowania i szlifowania. Po hartowaniu i odpuszczaniu może stać się materiałem o wysokiej twardości, odporności na ścieranie i dużej trwałości roboczej.

W przypadku stali narzędziowych, szybkotnących, nierdzewnych martenzytycznych i proszkowych nieprawidłowa obróbka cieplna może jednak zniweczyć potencjał bardzo dobrego materiału. Nawet stal o wysokiej jakości może nie osiągnąć oczekiwanych właściwości, jeżeli zostanie źle zahartowana, przegrzana, zbyt słabo schłodzona lub nieprawidłowo odpuszczona.

Podsumowanie

Obróbka cieplna stali jest procesem, który łączy metalurgię, praktykę przemysłową i precyzyjną kontrolę parametrów technologicznych. Obejmuje nagrzewanie, austenityzowanie, hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie, normalizowanie oraz różne procesy powierzchniowe i cieplno-chemiczne.

Najważniejsze znaczenie mają:

• skład chemiczny stali,
• wykresy przemian TTT i CCT,
• temperatura austenityzowania,
• czas wygrzewania,
• wielkość ziarna,
• szybkość chłodzenia,
• dobór medium hartowniczego,
• ilość austenitu szczątkowego,
• parametry odpuszczania,
• ryzyko naprężeń i odkształceń.

Dobrze przeprowadzona obróbka cieplna pozwala w pełni wykorzystać potencjał stali. Źle dobrane parametry mogą natomiast prowadzić do zbyt niskiej twardości, pęknięć, kruchości, odkształceń, niestabilności wymiarowej albo szybkiego zużycia narzędzia.

Dlatego w zastosowaniach przemysłowych i narzędziowych warto traktować obróbkę cieplną nie jako dodatek, ale jako jeden z kluczowych etapów pracy ze stalą.

FAQ – obróbka cieplna stali