Obróbka cieplna stopów. Rodzaje obróbki cieplnej

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Obróbka cieplna stopów jest integralną częścią procesu produkcyjnego hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych. W wyniku tej procedury metale są w stanie zmienić swoje właściwości do wymaganych wartości. W tym artykule rozważymy główne rodzaje obróbki cieplnej stosowane we współczesnym przemyśle.

Esencja obróbki cieplnej

Podczas produkcji półproduktów części metalowe poddawane są obróbce cieplnej w celu nadania im pożądanych właściwości (wytrzymałość, odporność na korozję i zużycie itp.). Obróbka cieplna stopów to zespół sztucznie wytworzonych procesów, podczas których w stopach zachodzą zmiany strukturalne i fizyczne oraz mechaniczne pod wpływem wysokich temperatur, ale skład chemiczny substancji jest zachowany.

Cel obróbki cieplnej

Produkty metalowe używane na co dzień we wszystkich sektorach gospodarki narodowej muszą spełniać wysokie wymagania dotyczące odporności na zużycie. Metal jako surowiec musi być wzmocniony niezbędnymi właściwościami użytkowymi, które możnabyć narażone na działanie wysokich temperatur. Obróbka cieplna stopów w wysokich temperaturach zmienia początkową strukturę substancji, redystrybucję jej składników składowych, przekształca wielkość i kształt kryształów. Wszystko to prowadzi do minimalizacji naprężeń wewnętrznych metalu, a tym samym zwiększa jego właściwości fizyczne i mechaniczne.

Rodzaje obróbki cieplnej

Obróbka cieplna stopów metali sprowadza się do trzech prostych procesów: podgrzewania surowca (półproduktu) do żądanej temperatury, utrzymywania go w określonych warunkach przez wymagany czas oraz szybkiego chłodzenia. W nowoczesnej produkcji stosuje się kilka rodzajów obróbki cieplnej, które różnią się niektórymi cechami technologicznymi, ale ogólnie algorytm procesu pozostaje wszędzie taki sam.

Zgodnie z metodą wykonywania obróbki cieplnej rozróżnia się następujące typy:

• Termiczne (hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie, starzenie, obróbka kriogeniczna).
• Obróbka termomechaniczna obejmuje obróbkę w wysokiej temperaturze połączoną z działaniem mechanicznym na stop.
• Chemoko-termiczna obróbka metalu, po której następuje wzbogacenie powierzchni produktu pierwiastkami chemicznymi (węgiel, azot, chrom itp.).

Wyżarzanie

Wyżarzanie to proces produkcyjny, w którym metale i stopy są podgrzewane do określonej temperatury, a następnie, wraz z piecem, w którym odbywa się ta procedura, schładzają się bardzo powoli w sposób naturalny. W wyniku wyżarzania możliwe jest wyeliminowanie niejednorodności składu chemicznegosubstancji, łagodzą naprężenia wewnętrzne, uzyskują ziarnistą strukturę i poprawiają ją jako taką, a także zmniejszają twardość stopu, aby ułatwić jego dalszą obróbkę. Istnieją dwa rodzaje wyżarzania: wyżarzanie pierwszego i drugiego rodzaju.

Wyżarzanie pierwszej klasy oznacza obróbkę cieplną, w wyniku której zmiana stanu fazowego stopu jest niewielka lub nie ma go wcale. Ma też swoje odmiany: homogenizowane - temperatura wyżarzania 1100-1200, w takich warunkach stopy są przetrzymywane przez 8-15 godzin, wyżarzanie rekrystalizacyjne (przy t 100-200) stosuje się do stali nitowanych, czyli już odkształconych zimno.

Wyżarzanie drugiego rodzaju prowadzi do znacznych zmian fazowych w stopie. Ma również kilka odmian:

• Wyżarzanie pełne - nagrzewanie stopu o 30-50 powyżej temperatury krytycznej znaku charakterystycznego dla tej substancji i chłodzenie z określoną szybkością (200/godz. - stale węglowe, 100/godz. i 50/godz. - niskostopowe i wysokostopowe - odpowiednio stale stopowe).
• Niekompletne - ogrzewanie do punktu krytycznego i powolne chłodzenie.
• Dyfuzja - temperatura wyżarzania 1100-1200.
• Izotermiczne - nagrzewanie odbywa się w taki sam sposób jak przy pełnym wyżarzaniu, jednak po tym następuje gwałtowne schłodzenie do temperatury nieco niższej od krytycznej i pozostawienie do schłodzenia na powietrzu.
• Normalizacja - całkowite wyżarzanie z późniejszym schłodzeniem metalu na powietrzu, a nie w piecu.

Hartowanie

Temperowanie to manipulacjaze stopem, którego celem jest osiągnięcie przemiany martenzytycznej metalu, co zmniejsza ciągliwość produktu i zwiększa jego wytrzymałość. Hartowanie, podobnie jak wyżarzanie, polega na podgrzaniu metalu w piecu powyżej temperatury krytycznej do temperatury hartowania, różnica polega na większej szybkości chłodzenia, która występuje w kąpieli ciekłej. W zależności od metalu, a nawet jego kształtu stosuje się różne rodzaje hartowania:

• Hartowanie w tym samym środowisku, to znaczy w tej samej kąpieli z płynem (woda na duże części, olej na małe części).
• Hartowanie przerywane - chłodzenie odbywa się w dwóch kolejnych etapach: najpierw w cieczy (ostrzejszy płyn chłodzący) do temperatury około 300, a następnie w powietrzu lub w innej kąpieli olejowej.
• Schodkowy - gdy produkt osiągnie temperaturę twardnienia, jest schładzany przez pewien czas w stopionych solach, a następnie chłodzony na powietrzu.
• Izotermiczna - technologia jest bardzo podobna do hartowania krokowego, różni się jedynie czasem utrzymywania produktu w temperaturze przemiany martenzytycznej.
• Hartowanie samoodpuszczające różni się od innych typów tym, że nagrzany metal nie jest całkowicie chłodzony, pozostawiając ciepły obszar w środku części. W wyniku tej manipulacji produkt uzyskuje właściwości zwiększonej wytrzymałości na powierzchni i wysokiej lepkości w środku. Ta kombinacja jest niezbędna w przypadku instrumentów perkusyjnych (młotków, dłut itp.)

Wakacje

Odpuszczanie jest ostatnim etapem obróbki cieplnej stopów, który determinujeostateczna struktura metalu. Głównym celem odpuszczania jest zmniejszenie kruchości produktu metalowego. Zasada polega na podgrzaniu części do temperatury poniżej temperatury krytycznej i schłodzeniu jej. Ponieważ tryby obróbki cieplnej i szybkość chłodzenia wyrobów metalowych do różnych celów mogą się różnić, istnieją trzy rodzaje odpuszczania:

• Wysoka - temperatura grzania wynosi od 350-600 do wartości poniżej krytycznej. Ta procedura jest najczęściej stosowana w przypadku konstrukcji metalowych.
• Średnia - obróbka cieplna w t 350-500, wspólna dla produktów sprężynowych i sprężyn.
• Niska - temperatura nagrzewania produktu nie przekracza 250, co pozwala na uzyskanie wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie części.

Starzenie

Starzenie to obróbka cieplna stopów, powodująca procesy rozkładu przesyconego metalu po hartowaniu. Efektem starzenia jest podwyższenie granic twardości, plastyczności i wytrzymałości gotowego produktu. Starzeniu ulega nie tylko żeliwo, ale również metale nieżelazne, w tym łatwo odkształcalne stopy aluminium. Jeżeli wyrób metalowy poddany hartowaniu jest przechowywany w normalnej temperaturze, zachodzą w nim procesy, które prowadzą do spontanicznego wzrostu wytrzymałości i spadku ciągliwości. Nazywa się to naturalnym starzeniem się metalu. Jeśli ta sama manipulacja zostanie wykonana w podwyższonych temperaturach, zostanie to nazwane sztucznym starzeniem.

Oczyszczanie kriogeniczne

Zmiany struktury stopów,co oznacza, że ich właściwości można osiągnąć nie tylko w wysokich, ale również ekstremalnie niskich temperaturach. Obróbka cieplna stopów w temperaturze t poniżej zera nazywana jest kriogeniczną. Technologia ta znajduje szerokie zastosowanie w różnych sektorach gospodarki narodowej jako uzupełnienie obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze, gdyż może znacząco obniżyć koszty procesów hartowania termicznego.

Obróbkę kriogeniczną stopów przeprowadza się w temperaturze t -196 w specjalnym procesorze kriogenicznym. Technologia ta może znacznie wydłużyć żywotność obrabianej części i właściwości antykorozyjne, a także wyeliminować konieczność ponownej obróbki.

Obróbka termomechaniczna

Nowa metoda obróbki stopów łączy obróbkę metali w wysokich temperaturach z mechaniczną deformacją produktów w stanie plastycznym. Obróbka termomechaniczna (TMT) według metody zakończenia może być trzech rodzajów:

• Niskotemperaturowy TMT składa się z dwóch etapów: odkształcenia plastycznego, po którym następuje hartowanie i odpuszczanie części. Główną różnicą w stosunku do innych typów TMT jest temperatura nagrzewania stopu do stanu austenitycznego.
• Wysokotemperaturowe TMT polega na podgrzaniu stopu do stanu martenzytycznego w połączeniu z odkształceniem plastycznym.
• Wstępne - odkształcenie jest wykonywane w t 20, po którym następuje hartowanie i odpuszczanie metalu.

Obróbka chemiczno-termiczna

Zmień strukturę i właściwości stopówjest to również możliwe za pomocą obróbki chemiczno-termicznej, która łączy oddziaływanie termiczne i chemiczne na metale. Ostatecznym celem tej procedury, oprócz nadania produktowi zwiększonej wytrzymałości, twardości i odporności na zużycie, jest również nadanie części odporności na kwasy i ogień. Ta grupa obejmuje następujące rodzaje obróbki cieplnej:

• Cementowanie przeprowadza się w celu nadania powierzchni produktu dodatkowej wytrzymałości. Istotą zabiegu jest nasycenie metalu węglem. Nawęglanie można wykonać na dwa sposoby: nawęglanie stałe i gazowe. W pierwszym przypadku przerabiany materiał wraz z węglem i jego aktywatorem umieszczany jest w piecu i ogrzewany do określonej temperatury, a następnie przetrzymywany w tym środowisku i schładzany. W przypadku nawęglania gazowego produkt jest podgrzewany w piecu do temperatury 900 pod ciągłym strumieniem gazu węglowego.
• Azotowanie to chemiczno-termiczna obróbka wyrobów metalowych poprzez nasycanie ich powierzchni w środowisku azotu. Efektem tej procedury jest zwiększenie wytrzymałości części na rozciąganie oraz zwiększenie jej odporności na korozję.
• Cyjanizacja to nasycenie metalu azotem i węglem jednocześnie. Medium może być płynne (roztopione sole zawierające węgiel i azot) lub gazowe.
• Powłoka dyfuzyjna to nowoczesna metoda nadawania metalowym wyrobom odporności cieplnej, kwasoodporności i odporności na zużycie. Powierzchnia takich stopów jest nasycona różnymi metalami (aluminium, chrom) oraz metaloidami (krzem, bor).

Funkcjeobróbka cieplna żeliwa

Stopy żeliwa są poddawane obróbce cieplnej przy użyciu nieco innej technologii niż stopy metali nieżelaznych. Żeliwo (szare, wysokowytrzymałe, stopowe) poddawane jest następującym rodzajom obróbki cieplnej: wyżarzanie (przy t 500-650), normalizacja, hartowanie (ciągłe, izotermiczne, powierzchniowe), odpuszczanie, azotowanie (żeliwa szare), aluminiowanie (żeliwa perlityczne), chromowanie. Wszystkie te procedury w rezultacie znacznie poprawiają właściwości końcowych produktów żeliwnych: zwiększają żywotność, eliminują prawdopodobieństwo pęknięć podczas użytkowania produktu, zwiększają wytrzymałość i odporność na ciepło żeliwa.

Obróbka cieplna stopów metali nieżelaznych

Metale nieżelazne i stopy mają różne właściwości, dlatego są przetwarzane różnymi metodami. Stopy miedzi poddawane są zatem wyżarzaniu rekrystalizującemu w celu wyrównania składu chemicznego. W przypadku mosiądzu przewidziana jest technologia wyżarzania niskotemperaturowego (200-300), ponieważ stop ten jest podatny na spontaniczne pękanie w wilgotnym środowisku. Brąz poddawany jest homogenizacji i wyżarzaniu w t do 550. Magnez jest wyżarzany, hartowany i poddawany sztucznemu starzeniu (naturalne starzenie nie zachodzi dla hartowanego magnezu). Aluminium, podobnie jak magnez, poddawane jest trzem metodom obróbki cieplnej: wyżarzaniu, hartowaniu i starzeniu, po których kute stopy aluminium znacznie zwiększają ich wytrzymałość. Obróbka stopów tytanu obejmuje: wyżarzanie rekrystalizujące, hartowanie, starzenie, azotowanie i nawęglanie.

CV

Obróbka cieplna metali i stopów jest głównym procesem technologicznym zarówno w metalurgii metali żelaznych, jak i nieżelaznych. Nowoczesne technologie posiadają różnorodne metody obróbki cieplnej w celu uzyskania pożądanych właściwości każdego rodzaju przetwarzanych stopów. Każdy metal ma swoją temperaturę krytyczną, co oznacza, że obróbka cieplna powinna być prowadzona z uwzględnieniem właściwości strukturalnych i fizykochemicznych substancji. Docelowo pozwoli to nie tylko osiągnąć pożądane rezultaty, ale także znacząco usprawnić procesy produkcyjne.