Stal wychodzi z huty z określonymi właściwościami, ale rzadko są one idealne dla gotowego elementu. Wał, koło zębate czy narzędzie skrawające wymagają innej twardości i innej plastyczności, a tę zmianę umożliwia obróbka cieplna. Polega ona na nagrzewaniu metalu do ustalonej temperatury, przetrzymaniu go i schłodzeniu w kontrolowany sposób. Poniżej wyjaśniamy, jak działają trzy podstawowe zabiegi i jaki sprzęt jest do nich potrzebny.
Jak działa obróbka cieplna metali?
Obróbka cieplna metali to zmiana struktury wewnętrznej materiału za pomocą temperatury i czasu, bez zmiany kształtu elementu. Stal składa się z kryształów, a ich układ decyduje o twardości, wytrzymałości i odporności na pękanie. Gdy nagrzejesz stal powyżej temperatury przemiany (dla większości gatunków jest to około 750 do 900°C), jej struktura się przebudowuje. Szybkość późniejszego chłodzenia decyduje o tym, jaka struktura zostanie zachowana.
Każdy z trzech zabiegów ma inny cel. Wybór zależy od tego, czego oczekujesz od gotowego elementu:
- hartowanie zwiększa twardość i odporność na ścieranie, ponieważ stal po szybkim schłodzeniu w wodzie, oleju lub polimerze uzyskuje strukturę martenzytyczną,
- odpuszczanie następuje po hartowaniu i zmniejsza kruchość, a temperatura zabiegu mieści się zwykle w zakresie 150 do 650°C, w zależności od wymaganej twardości,
- wyżarzanie zmiękcza materiał, usuwa naprężenia po spawaniu lub odkształcaniu na zimno i poprawia obrabialność skrawaniem,
- normalizowanie wyrównuje strukturę po kuciu lub odlewaniu, a stal chłodzi się wtedy swobodnie na powietrzu.
Zabiegi te rzadko występują osobno. Typowy element konstrukcyjny przechodzi najpierw hartowanie, a zaraz po nim odpuszczanie, co określa się łącznie ulepszaniem cieplnym. Taka kolejność daje połączenie wysokiej wytrzymałości z zachowaną ciągliwością.
Hartowanie stali przemysłowej i dobór parametrów
Hartowanie stali przemysłowej zaczyna się od nagrzania elementu do temperatury austenityzowania, a następnie przetrzymania go tak długo, aż ciepło przeniknie do rdzenia. Przyjmuje się orientacyjnie około minuty na każdy milimetr grubości, choć dokładny czas zależy od gatunku stali i sposobu załadunku. Potem następuje szybkie chłodzenie. Woda daje największą szybkość, ale zwiększa ryzyko pęknięć i odkształceń, dlatego do stali stopowych częściej stosuje się olej albo gaz pod ciśnieniem.
Nie każda stal nadaje się do hartowania. Materiał musi zawierać odpowiednią ilość węgla, zwykle powyżej 0,3%, inaczej twardość po zabiegu będzie niewielka. Zanim zlecisz lub zaplanujesz zabieg, sprawdź kilka rzeczy:
- gatunek stali i jej skład chemiczny, bo od niego zależy temperatura hartowania,
- grubość i kształt elementu, ponieważ ostre naroża i nagłe zmiany przekroju sprzyjają pęknięciom,
- wymaganą twardość końcową, podawaną najczęściej w skali Rockwella (HRC),
- dopuszczalne odkształcenia, które mogą wymagać późniejszego szlifowania,
- atmosferę w piecu, gdyż utlenianie i odwęglenie powierzchni pogarszają jakość warstwy.
Pamiętaj, że po hartowaniu stal jest twarda, ale krucha, więc element zwykle trzeba odpuścić jeszcze tego samego dnia. Opóźnienie zwiększa ryzyko pęknięć wynikających z naprężeń wewnętrznych. Dobrze dobrana temperatura odpuszczania pozwala wyregulować końcowe właściwości: niższa zostawia większą twardość, wyższa poprawia udarność.
Piece przemysłowe w obróbce cieplnej: rodzaje i zastosowanie
Piece przemysłowe różnią się konstrukcją, sposobem grzania i atmosferą roboczą. Piec komorowy sprawdza się przy zróżnicowanych partiach i pojedynczych sztukach, natomiast piec przepychowy lub taśmowy obsługuje produkcję seryjną drobnych elementów. Piec studzienny przeznaczony jest do długich detali, takich jak wały i pręty, które zawiesza się pionowo, co ogranicza ich uginanie. Piec próżniowy chroni powierzchnię przed utlenianiem i zapewnia czystą, jasną powierzchnię po zabiegu.
Wybór sprzętu zależy od skali produkcji i wymagań jakościowych. Gdy planujesz piec do fabryki, zwróć uwagę na następujące zagadnienia:
- zakres temperatur roboczych, który dla większości zabiegów stali powinien sięgać co najmniej 1000°C,
- równomierność rozkładu temperatury w komorze, określaną tolerancją podawaną w stopniach Celsjusza,
- sposób grzania, czyli elektryczny lub gazowy, co wpływa na koszty eksploatacji i dokładność regulacji,
- układ sterowania z rejestracją przebiegu cyklu, przydatny przy kontroli jakości,
- możliwość stosowania atmosfer ochronnych albo próżni,
- wymiary komory dopasowane do największych obrabianych elementów.
Dokładność pomiaru temperatury ma duże znaczenie, bo odchyłka rzędu kilkunastu stopni potrafi zmienić twardość o kilka jednostek HRC. Dlatego piece w przemyśle poddaje się okresowym kontrolom równomierności i kalibracji termopar, a wymagania w tym zakresie określają normy, na przykład AMS 2750 w branży lotniczej. Systematyczne badanie pieca pozwala uniknąć kosztownych braków i powtórnej obróbki.