Obróbka cieplna stali pozwala nadać elementowi dokładnie takie właściwości, jakich potrzebuje: twardą, odporną na ścieranie powierzchnię, ciągliwy rdzeń albo miękką, pozbawioną naprężeń strukturę, którą łatwo obrabiać skrawaniem. Dobór właściwego procesu jest kluczowy dla części, które ślizgają się po innych elementach lub muszą wytrzymywać uderzenia.
Gdy własne właściwości materiału nie wystarczają, rozwiązaniem jest obróbka cieplna. Przy tak wielu dostępnych procesach dobranie właściwego połączenia materiału i obróbki cieplnej bywa jednak trudne. Ten poradnik omawia obróbki cieplne najczęściej stosowane w elementach maszyn oraz najważniejsze kwestie, o których warto pamiętać, projektując części poddawane obróbce cieplnej.
Czym jest obróbka cieplna stali?
Obróbka cieplna polega na kontrolowanym nagrzewaniu i chłodzeniu elementów w celu zmiany ich struktury: w całym elemencie albo tylko na powierzchni. Zwłaszcza w stalach zawierających węgiel pozwala znacząco zmienić takie właściwości jak twardość, odporność na ścieranie i udarność.
Obróbki cieplne dzielą się na dwie grupy. Obróbka cieplna objętościowa obejmuje cały element i należą do niej hartowanie i odpuszczanie, wyżarzanie oraz normalizowanie. Obróbka cieplna powierzchniowa i cieplno-chemiczna oddziałuje głównie na warstwę wierzchnią: obejmuje hartowanie indukcyjne oraz procesy cieplno-chemiczne – nawęglanie i azotowanie.
Wynik zależy od temperatury nagrzewania, szybkości chłodzenia i ośrodka chłodzącego. Szybkie chłodzenie, jak przy hartowaniu, zwiększa twardość, ale także kruchość. Wolniejsze chłodzenie, jak przy wyżarzaniu i normalizowaniu, rozdrabnia strukturę i usuwa naprężenia w materiale. Typowe sposoby chłodzenia to chłodzenie w wodzie, w oleju, w powietrzu i z piecem.
Reakcja stali zależy także od zawartości węgla. Stal zawierająca ok. 0,8% węgla nazywana jest eutektoidalną; stale poniżej tej wartości są podeutektoidalne, a powyżej nadeutektoidalne. Każda grupa ma inne temperatury przemian, które decydują o właściwej temperaturze obróbki cieplnej.
Metody obróbki cieplnej w skrócie
| Obróbka cieplna | Rodzaj | Główny efekt | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Hartowanie i odpuszczanie | Objętościowa | Wysoka twardość z regulowaną udarnością | Części narażone na zużycie, narzędzia, wały i obciążone elementy maszyn |
| Wyżarzanie | Objętościowa | Zmiękcza, usuwa naprężenia wewnętrzne, poprawia skrawalność | Przygotowanie materiału do obróbki skrawaniem, poprawa płaskości cienkich części |
| Normalizowanie | Objętościowa | Rozdrabnia i ujednorodnia strukturę | Części ze stali odlewanej, kutej lub walcowanej |
| Hartowanie indukcyjne | Powierzchniowa | Twarda, odporna na ścieranie powierzchnia z ciągliwym rdzeniem | Wały i koła zębate |
| Nawęglanie | Powierzchniowa | Wzbogaca powierzchnię w węgiel, dzięki czemu stal niskowęglową można zahartować | Części ze stali niskowęglowej wymagające twardej, odpornej na ścieranie powierzchni |
| Azotowanie | Powierzchniowa | Bardzo twarda powierzchnia przy minimalnych odkształceniach | Części precyzyjne, części narażone na zmęczenie i zużycie |
Obróbka cieplna objętościowa
Hartowanie i odpuszczanie
Gdy stal zostanie nagrzana powyżej temperatury przemiany (zwykle ok. 800–900 °C, w zależności od zawartości węgla), jej struktura przechodzi w austenit. Stale podeutektoidalne nagrzewa się do temperatury ok. 30–50 °C powyżej A3, a stale nadeutektoidalne do ok. 30–50 °C powyżej A1. Przekroczenie tego zakresu lub niedogrzanie prowadzi do niepełnej przemiany albo niepożądanych właściwości, dlatego niezbędna jest precyzyjna kontrola temperatury.
Następnie stal jest szybko chłodzona. W wyniku tego oziębiania powstaje bardzo twarda struktura – martenzyt. Ośrodek chłodzący dobiera się do materiału i oczekiwanego efektu:
- Woda: bardzo szybkie chłodzenie przy niskich kosztach, ale większe ryzyko odkształceń i pęknięć hartowniczych
- Olej: wolniejsze, ale bardziej równomierne chłodzenie, mniejsze odkształcenia
- Roztwory wodne i kąpiele solne: kontrolowane szybkości chłodzenia pomiędzy wodą a olejem
- Powietrze: wolne chłodzenie, odpowiednie tylko dla stali stopowych hartujących się w powietrzu
Hartowanie zwiększa twardość, ale jednocześnie czyni stal kruchą i nienadającą się do natychmiastowego użycia. Dlatego element jest następnie odpuszczany: ponownie nagrzewany do niższej temperatury i powoli chłodzony. Temperatura odpuszczania decyduje o proporcji między twardością a udarnością. Odpuszczanie niskie zachowuje wysoką twardość; odpuszczanie wysokie zmniejsza twardość i zwiększa udarność oraz plastyczność. Hartowanie i odpuszczanie wykonuje się więc niemal zawsze razem; przy wysokim odpuszczaniu mówi się o ulepszaniu cieplnym.
Wyżarzanie
Wyżarzanie polega na nagrzaniu metalu i powolnym schłodzeniu, co daje jednolitą, bardziej miękką strukturę. Usuwa naprężenia wewnętrzne i poprawia skrawalność. W zależności od celu stosuje się różne odmiany: wyżarzanie zupełne, zmiękczające, odprężające, ujednorodniające i sferoidyzujące, każdą z własnym zakresem temperatur. Wyżarzanie najczęściej stosuje się do stali węglowej, ale stosuje się je również do stali nierdzewnej, stopów aluminium i innych materiałów.
Ponieważ wyżarzanie usuwa naprężenia własne, może poprawić końcową dokładność cienkich, obrabianych części. Można je wykonać na materiale wyjściowym lub na elementach częściowo obrobionych. Szczególnie korzystają na nim materiały takie jak EN 1.4301 equiv. (SUS304), które pod wpływem naprężeń obróbkowych mają skłonność do odkształceń, na przykład pod względem płaskości. Omów to wcześnie z wykonawcą, aby zdecydować, czy i kiedy wyżarzanie ma sens.
Normalizowanie
Normalizowanie ujednorodnia i rozdrabnia strukturę stalowych elementów pochodzących z odlewania, kucia lub walcowania, w których mogą powstawać naprężenia wewnętrzne i nierównomierna struktura. Stal nagrzewa się powyżej temperatury przemiany, a następnie chłodzi w powietrzu. Efektem jest jednolita struktura o stabilnych, powtarzalnych właściwościach mechanicznych.
Obróbka cieplna powierzchniowa i cieplno-chemiczna
Hartowanie indukcyjne
Hartowanie indukcyjne nagrzewa wyłącznie powierzchnię elementu, do ponad 800 °C, za pomocą prądu przemiennego. Element umieszcza się w pobliżu cewki, a prąd wysokiej częstotliwości indukowany w powierzchni szybko ją nagrzewa. Po oziębieniu stosuje się odpuszczanie niskie, które usuwa naprężenia hartownicze i zmniejsza kruchość. Proces stosuje się głównie w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości zmęczeniowej wałów i kół zębatych.
Ponieważ obrabiana jest tylko powierzchnia, element zyskuje twardość i odporność na ścieranie, a rdzeń pozostaje ciągliwy, zaś odkształcenia i zmiany wymiarów są niewielkie. Zahartowana powierzchnia znajduje się w stanie ściskających naprężeń własnych, co poprawia odporność na zmęczenie, a jej twardość jest nieco wyższa niż przy konwencjonalnym hartowaniu i odpuszczaniu. Wały mogą jednak nieznacznie się wyginać i wymagać prostowania na prasie. Hartowanie indukcyjne uchodzi za przyjazne środowisku dzięki krótkim czasom nagrzewania, a Ty możesz dokładnie określić, które obszary są hartowane i na jaką głębokość. Pokrewne procesy utwardzania powierzchniowego to hartowanie płomieniowe, hartowanie wiązką elektronów i hartowanie laserowe.
Nawęglanie
Stal potrzebuje węgla, aby można ją było zahartować. Stal węglowa o wyższej zawartości węgla dobrze się hartuje, stal niskowęglowa nie. Stal niskowęglowa jest tania i łatwa w obróbce, ale brakuje jej twardości: nawęglanie rozwiązuje ten problem, wzbogacając powierzchnię w węgiel.
Element nagrzewa się razem ze środkiem nawęglającym, a węgiel dyfunduje w głąb powierzchni. W zależności od środka mówi się o nawęglaniu w proszkach (węgiel drzewny), nawęglaniu w kąpieli solnej lub nawęglaniu gazowym (gaz węglowodorowy). Samo nawęglanie nie utwardza elementu: dopiero późniejsze hartowanie i odpuszczanie zamienia bogatą w węgiel powierzchnię w twardą, odporną na ścieranie warstwę, podczas gdy niskowęglowy rdzeń pozostaje ciągliwy.
Azotowanie
Azotowanie utwardza powierzchnię przez dyfuzję azotu. Typowe metody to azotowanie gazowe, azotowanie w kąpieli solnej, azotonawęglanie (w praktyce nazywane też „miękkim azotowaniem”) i azotowanie jonowe (plazmowe). Proces przebiega w atmosferze zawierającej azot lub amoniak, poniżej temperatury przemiany stali, zwykle w temperaturze ok. 500–590 °C.
Ponieważ stal nie ulega przemianie, po azotowaniu nie jest potrzebne hartowanie, a odkształcenia są minimalne. Azotowanie pozwala uzyskać na odpowiednich stalach twardość powierzchni rzędu 1000 HV; azotonawęglanie daje zwykle ok. 500–700 HV, zależnie od stali, i służy głównie do poprawy odporności na zużycie i zmęczenie. Grubość i twardość warstwy azotowanej zależą od procesu i czasu obróbki; grubość wynosi zwykle ok. 0,1–0,5 mm.
Dzięki niskiej temperaturze obróbki stale ulepszone cieplnie można azotować bez utraty twardości rdzenia. Austenityczne stale nierdzewne, takie jak EN 1.4301 equiv. i EN 1.4401 equiv. (SUS316), można również azotować specjalnymi procesami, obniża to jednak ich odporność na korozję, więc starannie rozważ ten kompromis.
Wskazówki projektowe dla części poddawanych obróbce cieplnej
Obróbka cieplna jest bardzo skuteczna w utwardzaniu powierzchni oraz poprawie odporności na zużycie i uderzenia. Projektując części, które będą poddawane obróbce cieplnej, pamiętaj o następujących kwestiach:
- Uwzględnij odkształcenia. Nagrzewanie i chłodzenie powodują odkształcenia i zmiany wymiarów, więc na powierzchniach precyzyjnych zostaw naddatek na obróbkę wykończeniową po obróbce cieplnej.
- Zaplanuj obróbkę wykończeniową wcześnie. Powyżej ok. 60 HRC zahartowane części trudno obrabiać frezami trzpieniowymi, dlatego z góry zdecyduj, gdzie potrzebne są naddatki i jak będą wykończone.
- Projektuj z myślą o szlifowaniu. Powierzchnie płaskie i walcowe łatwo szlifować; przy kształtach schodkowych dodaj rowki odciążające, aby ściernica nie dotykała sąsiedniej powierzchni.
- Ogranicz liczbę wykańczanych powierzchni. Złożone kształty mogą wymagać specjalnych szlifierek, co podnosi koszt: im mniej powierzchni wymaga wykończenia, tym tańsza część.
- Wybierz azotowanie, gdy odkształcenia są krytyczne. Niska temperatura obróbki ogranicza zmiany wymiarów do minimum.
- Rozważ powłoki jako alternatywę. Jeśli potrzebujesz wyłącznie twardości powierzchni, wystarczyć może chromowanie twarde lub niklowanie chemiczne.
Części po obróbce cieplnej od meviy
meviy produkuje indywidualnie projektowane części na zamówienie z Twoich własnych danych 3D CAD, a nie części standardowe ani katalogowe. W przypadku części wykonywanych metodą frezowania CNC możesz zamówić hartowanie na wskroś i wybrać docelową twardość bezpośrednio podczas konfiguracji części:
| Materiał | Twardość standardowa | Zakres twardości do wyboru |
|---|---|---|
| EN 1.2379 equiv. | HRC 58–63 | HRC 50–63 |
| EN 1.7220 equiv. | HRC 50–55 | HRC 30–55 |
| EN 1.1206 equiv. | HRC 35–45 | HRC 30–50 |
- Części frezowane hartowane na wskroś o wymiarach do 300 × 150 × 60 mm, z określonym przez Ciebie zakresem twardości
- Obróbka cieplna wybranych stali w częściach wykonywanych metodą toczenia CNC
- Azotowanie i azotowanie w kąpieli solnej jako obróbka powierzchniowa zapewniająca odporność na zużycie przy niewielkich odkształceniach
- Chromowanie twarde i niklowanie chemiczne jako alternatywny sposób uzyskania twardej powierzchni
- Natychmiastowa cena i czas realizacji na podstawie modelu 3D, bez rysunku 2D
Materiał, obróbkę cieplną i obróbkę powierzchniową wybierasz bezpośrednio w meviy, dzięki czemu przed zamówieniem możesz porównać opcje dla swoich części wykonywanych w ramach obróbki CNC.
Najczęstsze pytania o obróbkę cieplną stali
Czym różni się hartowanie od odpuszczania?
Podczas hartowania nagrzaną stal szybko się chłodzi, przez co staje się bardzo twarda, ale krucha. Podczas odpuszczania zahartowaną stal ponownie nagrzewa się do niższej temperatury, co zmniejsza kruchość. Oba etapy wykonuje się razem, aby uzyskać właściwą równowagę między twardością a udarnością.
Czym różni się wyżarzanie od normalizowania?
W obu procesach stal się nagrzewa, ale chłodzi w inny sposób. Przy wyżarzaniu stal chłodzi się bardzo powoli, zwykle z piecem, aby zmiękczyć materiał i usunąć naprężenia, co ułatwia obróbkę skrawaniem. Przy normalizowaniu stal chłodzi się w spokojnym powietrzu i służy do rozdrobnienia oraz ujednorodnienia struktury po odlewaniu, kuciu lub walcowaniu.
Która obróbka cieplna powoduje najmniejsze odkształcenia?
Azotowanie, ponieważ przebiega poniżej temperatury przemiany stali i nie wymaga hartowania. Stosunkowo niewielkie odkształcenia powoduje też hartowanie indukcyjne, gdyż nagrzewana jest tylko powierzchnia.
Czym różni się azotowanie od nawęglania?
Nawęglanie wprowadza w wysokiej temperaturze węgiel do powierzchni stali niskowęglowej i wymaga późniejszego hartowania, które może powodować odkształcenia. Azotowanie wprowadza azot w niższej temperaturze, nie wymaga hartowania i ogranicza odkształcenia do minimum, ale zwykle daje cieńszą warstwę utwardzoną.
Wybór właściwej obróbki cieplnej
Obróbki cieplne objętościowe, takie jak hartowanie i odpuszczanie, wyżarzanie i normalizowanie, zmieniają właściwości całego elementu, a obróbki cieplne powierzchniowe, takie jak hartowanie indukcyjne, nawęglanie i azotowanie, tworzą twardą powierzchnię z ciągliwym rdzeniem. Dobierając obróbkę cieplną stali, kieruj się wymaganą twardością, dopuszczalnymi odkształceniami i nakładem pracy na wykończenie – a otrzymasz części, które niezawodnie pracują w Twoich urządzeniach.