Obróbka cieplna: co to jest i jakie są rodzaje obróbki stali

Obróbka cieplna to zabieg polegający na nagrzaniu metalu do określonej temperatury, wygrzaniu go i schłodzeniu w kontrolowany sposób, by zmienić jego strukturę i właściwości. Dzięki niej stal może stać się twardsza, bardziej plastyczna albo wolna od naprężeń, choć skład chemiczny pozostaje ten sam. Rodzaje obróbki cieplnej różnią się temperaturą, czasem wygrzewania i szybkością chłodzenia.

Na czym polega obróbka cieplna stali

W stali, w zależności od temperatury, zmienia się układ atomów żelaza i węgla. Po nagrzaniu powyżej temperatury przemiany tworzy się struktura zwana austenitem. To, w co przekształci się ona po schłodzeniu, zależy od szybkości odprowadzania ciepła. Powolne chłodzenie daje struktury miękkie, szybkie chłodzenie struktury twarde, ale kruche.

O wyniku decydują temperatura, czas wygrzewania i ośrodek chłodzący. Dobiera się je do gatunku stali, wymiarów elementu i oczekiwanego wyniku, zwykle według kart materiałowych i wytycznych zakładu obróbki cieplnej.

Znaczenie ma także zawartość węgla. Stale o bardzo niskiej zawartości węgla praktycznie się nie hartują, a im więcej węgla, tym większa twardość po hartowaniu, ale i większe ryzyko pęknięć. Grubość elementu również się liczy, bo rdzeń grubego przekroju stygnie wolniej niż powierzchnia i nie zawsze osiąga tę samą strukturę.

Rodzaje obróbki cieplnej

Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do zakresu austenitu i szybkim schłodzeniu w wodzie, oleju, roztworze polimeru lub powietrzu. Ośrodek dobiera się do hartowności stali, bo zbyt gwałtowne chłodzenie grozi pęknięciami i odkształceniami. Po hartowaniu stal ma strukturę zwaną martenzytem, bardzo twardą, ale kruchą.

Odpuszczanie następuje zaraz po hartowaniu. Element nagrzewa się do temperatury niższej niż przy hartowaniu i wygrzewa, co zmniejsza naprężenia wewnętrzne i przywraca część ciągliwości. Im wyższa temperatura odpuszczania, tym niższa twardość i większa plastyczność. Takie połączenie stosuje się w narzędziach, wałkach, kołach zębatych i elementach maszyn.

Wyżarzanie i normalizowanie

Wyżarzanie jest rodziną zabiegów, które mają zmiękczyć materiał, uporządkować strukturę albo zdjąć naprężenia po odlewaniu, spawaniu, obróbce plastycznej czy skrawaniu. Różne odmiany, takie jak wyżarzanie zmiękczające, odprężające czy rekrystalizujące, różnią się temperaturą i celem. Część elementów po odprężeniu mniej się odkształca podczas dalszej obróbki.

Normalizowanie przypomina wyżarzanie, ale chłodzenie odbywa się na powietrzu, więc jest szybsze. Struktura jest drobnoziarnista, co poprawia właściwości mechaniczne i ułatwia późniejszą obróbkę. Zabieg stosuje się często przed hartowaniem.

Obróbka cieplno-chemiczna

Do tej grupy należą nawęglanie i azotowanie. Nawęglanie wzbogaca warstwę wierzchnią niskowęglowej stali w węgiel, a po hartowaniu powstaje twarda powłoka przy ciągliwym rdzeniu. Azotowanie wprowadza do powierzchni azot i tworzy twardą, odporną na zużycie warstwę, zwykle w niższej temperaturze niż hartowanie, co zmniejsza ryzyko odkształceń.

Typowe problemy i kontrola jakości

Najczęstsze wady to odkształcenia i pęknięcia hartownicze, odwęglenie powierzchni, zbyt mała twardość oraz niejednorodność struktury. Ograniczają je prawidłowy dobór stali, zaokrąglenie ostrych krawędzi, równomierne nagrzewanie i właściwe chłodzenie. Wynik kontroluje się pomiarem twardości, a w razie potrzeby badaniem metalograficznym próbki.

Nie tylko stal

Metale nieżelazne też poddaje się obróbce cieplnej. Dla stopów aluminium typowe jest przesycanie z następującym po nim starzeniem, które podnosi wytrzymałość. Stale nierdzewne austenityczne, opisywane w artykule stal 304 czy 316, nie hartują się klasycznie, a ich właściwości zmienia się przede wszystkim przez przeróbkę plastyczną i rozpuszczanie węglików.

Wpływ na dalszą obróbkę i montaż

Twardość po obróbce cieplnej wpływa na wybór narzędzi skrawających i sposób mocowania. Elementy twarde trudniej się obrabia, więc zwykle skrawa się je przed hartowaniem, a po nim szlifuje. Przy mocowaniu detalów do obróbki często używa się płyt magnetycznych, o zaletach i ograniczeniach których piszemy w tekście o mocowaniu detali do obróbki. Spawanie elementów hartowanych wymaga osobnej technologii, bo strefa wpływu ciepła zmienia ich strukturę, a metody takie jak spawanie TIG pozwalają to ciepło dawkować precyzyjniej.