Obróbka cieplna staliwa

Obróbka cieplna jest zespołem 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 staliwa.

Chcesz dowiedzieć się więcej o staliwie? Zajrzyj do naszej Bazy Wiedzy, gdzie znajdziesz artykuły opisujące różne gatunki staliwa, różnice pomiędzy staliwem a żeliwem i wiele więcej. 

Z tego artykułu dowiesz się:

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

Obróbka cieplna staliwa - cele

Technologia obróbki cieplnej staliwa stanowi skuteczny sposób na poprawę właściwości użytkowych odlewów, a dzięki temu wytworzenie struktury gwarantującej określone właściwości mechaniczne lub korektę wadliwej struktury otrzymanej na różnych etapach procesu technologicznego. Dzięki temu poddane obróbce cieplnej odlewy są idealnie kompatybilne z zastosowaniem zgodnym z bardzo konkretnymi wymaganiami dotyczącymi ich użytkowania.

W czasie krzepnięcia odlewów staliwnych może dojść do pewnych, niekorzystnych zjawisk, takich jak:

• 1. nierównomierna wielkość powstających ziaren na przekroju odlewy, a najbardziej gruboziarnista struktura znajduje się w środku ścianki,
  2. nierównomierna zawartość pierwiastków wchodzących w skład staliwa, tak wewnątrz kryształów (mikrosegregacja) jak i na przekroju odlewu (makrosegregacja),
  3. wydzielenia na granicach ziaren,
  4. duże naprężenie odlewnicze.

Dlatego też obróbka cieplna jest niezbędną operacją technologiczną w procesie produkcji odlewów staliwnych, ponieważ przyczynia się do poprawy struktury krystalicznej, zmniejszania segregacji dendrytycznej, obniżenia naprężeń wewnętrznych, podwyższenia właściwości fizykomechanicznych.

 Odlewnictwo współczesne. Poradnik odlewnika, Tom I, wyd. Stowarzyszenia Technicznego Odlewników Polskich, 2013, s. 413

Obróbka cieplna staliwa - klasyfikacja

Jakie są podstawowe metody obróbki cieplnej odlewów staliwnych? To:

• wyżarzanie ujednorodniające (homogenizacja, wyżarzanie dyfuzyjne),
• wyżarzanie zupełne,
• normalizacja,
• normalizacja+odpuszczanie,
• podwójna normalizacja z dwoma bądź jednym końcowym odpuszczaniem lub bez odpuszczania,
• wyżarzanie zmiękczające,
• ulepszanie cieplne (hartowanie + wysokie odpuszczanie),
• podwójne hartowanie z dwoma lub jednym końcowym odpuszczaniem,
• hartowanie powierzchniowe + niskie odpuszczanie,
• obróbka cieplno-chemiczna.

Metody obróbki cieplnej staliwa i poprawy struktury odlewu

Istotną i dominującą grupę procesów obróbki cieplnej odlewów staliwnych stanowią różne rodzaje wyżarzania. Poszczególne rodzaje tego procesu różnią się między sobą przede wszystkim zakresem wygrzewania i sposobem chłodzenia. Zdarza się również często, że wyżarzanie jest jedynie wstępną obróbką cieplną lub, w przypadku wyżarzania normalizującego (zarówno z odpuszczeniem, jak i bez), końcową obróbką cieplną odlewu staliwnego. 

Poniżej pokrótce opiszemy charakterystykę procesów wyżarzania i hartowania.

Obróbka cieplna staliwa - wyżarzanie

Obróbka cieplna staliwa przez wyżarzanie polega na kolejno:

• nagrzaniu materiału do określonej temperatury, 
• przytrzymaniu go przy tej temperaturze,
• powolnym studzeniu. 

Celem takiej obróbki cieplnej staliwa jest możliwie najbardziej precyzyjne przybliżenie stanu materiału do warunków równowagi.

• • wyżarzanie ujednoradniające (homogenizacja): polega na nagrzewaniu odlewu do bardzo wysokiej temperatury, długotrwałym wygrzewaniu go w tej temperaturze i ochładzaniu – jest to typowy proces dyfuzyjny, dzięki któremu usuwane są wydzieliny znajdujące się na granicach ziaren i nie dochodzi do mikro- i makrosegregacji składu chemicznego. Ma ono jednak również wady – wysoka temperatura i długi czas wygrzewania sprzyjają bowiem odwęglaniu i rozrostowi ziaren. Z tego powodu po tym procesie należy zastosować inny rodzaj wyżarzania, który sprzyja rozdrabnianiu ziaren (np. normalizacja). Ze względu na wysoki koszt, stosuje się go głównie w przypadku dużych odlewów ze staliw stopowych.

• wyżarzanie normalizujące (normalizacja): polega na nagrzaniu staliwa do temperatury ok.30-50℃ powyżej temperatury Acз (temperatura w której ferryt całkowicie przemienia się w austenit), wygrzaniu go w tej temperaturze i chłodzeniu w powietrzu. Dzięki temu rodzajowi wyżarzania uzyskuje się jednolitą, drobnoziarnistą strukturę, zmniejsza się ilość naprężeń i podwyższa właściwości mechaniczne.

• wyżarzanie zupełne od normalizującego różni się jedynie sposobem chłodzenia – w ramach wyżarzania zupełnego chłodzi się odlew wraz z chłodzeniem pieca.

• wyżarzanie zmiękczające (nazywane również wyżarzaniem sferoidyzującym): polega na nagrzaniu odlewów do temperatury nieco (ok. 10-15℃) poniżej lub powyżej Ac₁ (co oznacza punkt przemiany eutektoidalnej, czyli temperatury, w której struktura zaczyna zmieniać się w austenit), a następnie bardzo powolnym chłodzeniu, z szybkością 10➗20℃/h. Warto zaznaczyć, że przez sferoidyzację rozumiemy zmianę postaci cementu z płytkowego na kulkowy, dzięki czemu uzyskuje się zmniejszenie twardości.
• wyżarzanie odprężające: ma na celu usunięcie naprężeń własnych, starając się nie wprowadzać zmian strukturalnych. Ten sposób wyżarzania odlewów stosuje się np. po naprawach odlewów przez spawanie.

Obróbka cieplna staliwa - hartowanie

Hartowanie służy do nadawania elementom szczególnych właściwości mechanicznych w celu zapewnienia, że nadają się do wykorzystania w ramach pożądanego zastosowania. Hartowanie polega na:

• nagrzaniu staliwa do temperatury austenityzacji, która zależy od zawartości węgla,
• wygrzaniu w tej temperaturze w czasie ok. 2,4 min/1mm grubości ścianki odlewu,
• oziębieniu w takich ośrodkach, które pozwolą na otrzymanie struktury martenzytycznej, bainitycznej lub mieszanej, nie powodując przy tym pęknięć i deformacji odlewu.

Wyróżniamy dwie metody hartowania: hartowanie objętościowe i powierzchniowe, a w ich ramach poszczególne grupy.

Na czym polegają?

Metody hartowania objętościowego:

• • zwykłe – najczęściej stosowana metoda, polegająca na oziębianiu ciągłym w jednym ośrodku,

• przerywane – polegające na oziębianiu ciągłym w dwóch ośrodkach, np. wodzie i oleju,
• stopniowe – polega na oziębianiu w dwóch ośrodkach: w pierwszym do utrzymania struktury austenitycznej i w drugim w celu przekształcenia austenitu w martenzyt.

Metody hartowania powierzchniowego:

• indukcyjnie – w ramach którego z pomocą prądów wirowych, wzbudzanych zmiennym polem magnetycznym występującym we wzbudniku, przez który przepływa prąd zmienny, szybko nagrzewa się warstwę powierzchniową odlewu, a następnie szybko oziębia się tę warstwę.
• płomieniowe – czyli takie, do którego stosuje się miedziane końcówki palników konstrukcji dostosowanej do kształtu hartowanej powierzchni. W ramach hartowania płomieniowego ilość ciepła doprowadzonego do powierzchni odlewu musi być znacznie wyższa niż ilość ciepła, która przenika w głąb materiału przez przewodnictwo.

Chłodzenie przy hartowaniu

Po austenizacji, aby otrzymać pożądaną mikrostrukturę staliwa, należy schłodzić odlew z określoną szybkością w ośrodkach charakteryzujących się wymaganymi właściwościami termokinetycznymi, tj. zapewniającymi takie przechłodzenie austenitu, aby mikrostruktura staliwa po po hartowaniu składała się z martenzytu lub bainitu.

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

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