Obróbka cieplna żeliwa

Obróbka cieplna to zespół zabiegów technologicznych, których proces polega kolejno na nagrzaniu przedmiotu do pożądanej temperatury, utrzymaniu go w niej przez wymagany czas, aby ostatecznie chłodzić go z zadaną prędkością. Dzięki temu można uzyskać odpowiednie właściwości obiektu podlegającego obróbce cieplnej. Nas natomiast, w dzisiejszym tekście, interesować będzie obróbka cieplna żeliwa – stopu żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, w którym zawartość węgla wynosi od 2%, maksymalnie do 3,8% - 6,7%.

Chcesz dowiedzieć się więcej o żeliwie? Zajrzyj do naszej Bazy Wiedzy, gdzie opisujemy różne gatunki żeliwa, różnice pomiędzy staliwem a żeliwem i wiele więcej. 

Z tego artykułu dowiesz się

• czym konkretnie jest obróbka cieplna żeliwa,
• jakie są cele obróbki cieplnej żeliwa,
• jak, pokrótce, klasyfikuje się zabiegi obróbki cieplnej,
• w jaki sposób faktycznie poprawia się strukturę odlewu.

Obróbka cieplna żeliwa - cele

Technologia obróbki cieplnej żeliwa jest skutecznym sposobem na poprawę właściwości użytkowych odlewów, a przez to wytworzenie struktury gwarantującej określone właściwości mechanicznych lub korektę wadliwej struktury otrzymanej na różnych etapach procesu technologicznego.

Dzięki temu poddane obróbce cieplnej odlewy są idealnie kompatybilne z zastosowaniem zgodnym z potrzebami klienta. 

Obróbka cieplna żeliwa stosowana jest zarówno w przypadku odlewów z żeliwa stopowego i niestopowego. Co więcej, szczególnie ważną rolę spełnia w procesie odlewów z żeliwa sferoidalnego. Wynika to przede wszystkim z oddziaływania osnowy na właściwości mechaniczne odlewów, znacznie silniejszego niż niż w porównaniu do chociażby żeliwa szarego z grafitem płytkowym.

Obróbka cieplna żeliwa - klasyfikacja

Zabiegi obróbki cieplnej możemy podzielić na trzy kategorie, a mianowicie: wyżarzanie, ulepszanie cieplne i, wreszcie, umacnianie wydzieleniowe. Ich klasyfikację przedstawimy w tabeli poniżej.

Metody obróbki cieplnej żeliwa i poprawy struktury odlewu

Obróbka cieplna żeliwa, ze względu na pożądane parametry, może podlegać różnym metodom i technikom. Dla przykładu i w uogólnieniu, należą do nich:

1. 1. wyżarzanie i odprężanie stosowane w celu ograniczenia lub usunięcia naprężeń odlewniczych bez zmiany mikrostruktury i właściwości mechanicznych,
   2. wyżarzanie zmiękczające ferrytyzujące lub grafityzujące, stosowane w celu zmniejszenia twardości i zwiększenia skrawalności , ale też dla poprawy właściwości plastycznych,
   3. wyżarzanie normalizujące stosowane w celu ujednorodnienia mikrostruktury i poprawy właściwości wytrzymałościowych,
   4. hartowanie i ulepszanie cieplne stosowane w celu poprawy odporności na zużycie ścierne oraz zwiększenia właściwości mechanicznych,
   5. hartowanie z przemianą izotermiczną, stosowane głównie w technologii żeliwa sferoidalnego ADI oraz żeliwa szarego z grafitem płatkowym AGI i z grafitem wermikularnym AVCI,
   6. hartowanie powierzchniowe stosowane w celu zwiększenia twardości i odporności na zużycie ścierne warstwy wierzchniej odlewu.

 Odlewnictwo współczesne. Poradnik odlewnika, Tom I, wyd. Stowarzyszenia Technicznego Odlewników Polskich, 2013, s. 290

Na czym polegają poszczególne kategorie metod obróbki cieplnej żeliwa?

Wyżarzanie

Wyżarzanie jest metodą obróbki cieplnej metali, która - krótko mówiąc - polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, utrzymaniu go w tej temperaturze, a następnie powolnym studzeniu. Celem obróbki żeliwa przez wyżarzanie jest przybliżenie w ten sposób stanu materiału do warunków równowagi.

Rozróżniamy wyżarzanie:

• ujednorodniające,
• zupełne,
• normalizujące,
• zmiękczające (sferoidacja),
• ferrytyzujące,
• grafityzujące,
• odprężające.

Ulepszanie cieplne

Ulepszanie cieplne to grupa technik obróbki żeliwa, które mają za zadanie zwiększenie własności mechanicznych, szczególnie wytrzymałościowych, żeliwa. Polega ono na obróbce cieplnej prowadzonej w warunkach nierównowagowych, szczególnie w przypadku chłodzenia, które jest na tyle szybkie, że ogranicza lub uniemożliwia procesy dyfuzyjne (samorzutne mieszanie się substancji). 

Do zabiegów ulepszania cieplnego należeć będą więc:

• odpuszczanie (niskie, średnie i wysokie),
• wymrażanie, prowadzone w temperaturze 80➗150℃ poniżej zera, dzięki czemu odlew zyskuje jednolitą mikrostrukturę i bardzo dobrą wytrzymałość.
• hartowanie.

Temu ostatniemu warto jednak poświęcić osobny punkt.

Hartowanie

Hartowanie jest zabiegiem polegającym na szybkim chłodzeniu mającym na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego w Fe∝, czyli tzw. martenzytu, którego sieć krystalograficzna jest inna niż sieć fazy, z której powstał. 

Tłumacząc więc pokrótce, hartowanie, które stosuje się aby zwiększyć wytrzymałość odlewów polega na:

• nagrzaniu odlewu do temperatury austenityzowania (hartowania), czyli takiej, która jest wyższa o 30-50˙C od temperatury początku przemiany (A1),
• wygrzaniu odlewu w tej temperaturze,
• a na koniec chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej.

Wyróżniamy hartowanie:

• izotermiczno-bainityczne,
• powierzchniowe.

Umacnianie wydzieleniowe i dyspersyjne

To metoda obróbki cieplnej metali, a konkretnie sposób na zwiększenie ich wytrzymałości mechanicznej oraz granicy plastyczności, szczególnie w przypadku materiałów ciągliwych. Na stosowane w tym celu metody umacniania wydzieleniowego i dyspersyjnego składają się:

• przesycanie, czyli szybkie chłodzenie stopu celem uzyskania przesyconego roztworu stałego, poprzedzone wyżarzaniem w podwyższonej temperaturze,
• starzenie, podczas którego dochodzi do wydzielania się z roztworu składnika przesycającego w postaci drobnych faz o określonym stopniu dyspersji; tym samym wyróżnia się starzenie naturalne, odbywające się w temperaturze pokojowej i sztuczne, czyli takie, które następuje w skutek wygrzewania materiału przez określony czas w wymaganej temperaturze.

Obróbka cieplna żeliwa - efekty

Końcowy efekt obróbki cieplnej jest wynikową wielu parametrów, w tym, między innymi:

• szybkości nagrzewania,
• temperatury,
• czasu wygrzewania w określonej temperaturze (niezbędnego do wyrównania temperatury w całej objętości odlewu oraz całkowitego przebiegu wymaganych przemian albo zjawisk, chociażby dyfuzyjnych),
• szybkości chłodzenia (to bądź co bądź najistotniejszy element obróbki cieplnej odlewów).

Podsumowując, wybrane metody i cele obróbki cieplnej zestawiliśmy w tabeli poniżej, jako przykład podając ulepszania cieplnego odlewów przez hartowanie. 

Tabela za Odlewnictwo współczesne. Poradnik odlewnika, Tom I, wyd. Stowarzyszenia Technicznego Odlewników Polskich, 2013, s. 297

Potrzebujesz pomocy w wycenie odlewów i doborze materiałów odlewniczych? Napisz do nas.

Chcesz zlecić wykonanie odlewów profesjonalistom? W tym przypadku sprawdź naszą ofertę.