Obróbka cieplna metali i stopów odgrywa kluczową rolę w poprawie ich właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych. Proces ten pozwala na osiągnięcie określonych właściwości, takich jak twardość, wytrzymałość, plastyczność i odporność na korozję, które sprawiają, że materiały nadają się do różnych gałęzi przemysłu. Jednak każdy stop wymaga indywidualnego podejścia do obróbki cieplnej. Zastanówmy się, jak prawidłowo wybrać tryb dla najpopularniejszych rodzajów stopów.
1. Cechy obróbki cieplnej stali
Stal jest jednym z najpopularniejszych materiałów w inżynierii i budownictwie. Istnieje wiele rodzajów stali, które różnią się składem chemicznym i dlatego wymagają różnych trybów przetwarzania.
Stal węglowa. Procesy normalizacji i wyżarzania są optymalne dla stali niskowęglowych (do 0,25% węgla). Normalizacja poprawia ziarnistość metalu, zwiększając jego wytrzymałość i plastyczność. Stale średnio- i wysokowęglowe najczęściej poddawane są hartowaniu, a następnie odpuszczaniu. Hartowanie nadaje stali twardość, a odpuszczanie zmniejsza kruchość.
Stale stopowe. W zależności od dodatków (chrom, nikiel, molibden) stale stopowe mogą wymagać bardziej złożonych sposobów przetwarzania. Na przykład stale chromowe są utwardzane w temperaturze 850-900°C, a następnie odpuszczane w celu zmniejszenia naprężeń.
Właściwy wybór trybu obróbki stali zależy od wymagań stawianych gotowemu produktowi. Jeśli wymagana jest wysoka wytrzymałość i odporność na zużycie, stosuje się hartowanie i odpuszczanie. Jeśli ciągliwość i spawalność są ważne, preferowane jest normalizowanie i wyżarzanie.
2. Stopy aluminium: dobór temperatury i reżimów
Stopy aluminium charakteryzują się dużą odpornością na korozję oraz lekkością, co czyni je niezastąpionymi w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i budowlanym. Jednakże obróbka cieplna stopów aluminium wymaga precyzyjnej kontroli temperatury, aby uniknąć utraty właściwości.
Hartowanie. Główną metodą obróbki cieplnej stopów aluminium jest hartowanie, po którym następuje starzenie. Do hartowania zwykle wybiera się temperaturę 450-550°C, po czym następuje szybkie chłodzenie wodą lub olejem. Proces ten nadaje materiałowi wytrzymałość i odporność na odkształcenia.
Starzenie się. Stopy hartowane poddawane są naturalnemu lub sztucznemu starzeniu. Naturalne starzenie odbywa się w temperaturze pokojowej przez kilka dni, natomiast sztuczne starzenie wymaga podgrzania do temperatury 150-200°C, co przyspiesza proces.
Wybór konkretnego sposobu obróbki cieplnej stopów aluminium zależy od ich marki. W przypadku stopów o dużej wytrzymałości (na przykład duraluminium) zaleca się hartowanie, a następnie sztuczne starzenie w celu uzyskania maksymalnej wytrzymałości.
3. Stopy magnezu: reżimy temperaturowe i wpływ na właściwości
Stopy magnezu są stosowane w budowie samolotów i samochodów ze względu na ich lekkość i dużą wytrzymałość. Jednak ich obróbka cieplna wymaga specjalnego podejścia ze względu na wrażliwość magnezu na wysokie temperatury i możliwe zmiany strukturalne.
Wyżarzanie. W celu poprawy plastyczności stopy magnezu poddaje się wyżarzaniu w temperaturze 300-400°C. Proces ten łagodzi naprężenia wewnętrzne powstające podczas odlewania lub formowania na zimno.
Hartowanie i starzenie. W przeciwieństwie do stopów aluminium, magnez nie wymaga wysokich temperatur do hartowania. Zwykle proces odpuszczania odbywa się w temperaturze 200-300°C, a starzenie – w temperaturze około 150°C. Pozwala to na poprawę właściwości mechanicznych, takich jak twardość i wytrzymałość.
Właściwy dobór temperatury i czasu obróbki stopów magnezu zależy od wymagań dotyczących końcowych właściwości materiału, takich jak wytrzymałość czy plastyczność.
4. Stopy tytanu: złożone systemy zapewniające maksymalną wytrzymałość
Tytan jest materiałem stosowanym w przemyśle lotniczym i medycznym ze względu na unikalne połączenie lekkości, wytrzymałości i odporności na korozję. Jednakże jego obróbka cieplna wymaga starannego doboru trybów ze względu na tendencję tytanu do tworzenia warstw tlenkowych w wysokich temperaturach.
Wyżarzanie. Główną metodą obróbki tytanu jest wyżarzanie, które przeprowadza się w temperaturze 700-900°C. Wyżarzanie pozwala na zmniejszenie naprężeń wewnętrznych, poprawę plastyczności i zwiększenie udarności.
Hartowanie i starzenie. Stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, hartuje się w temperaturze 900-950°C, a następnie starze w temperaturze 480-600°C. Pozwala to uzyskać wysoką wytrzymałość i odporność na korozję.
Właściwy sposób obróbki tytanu zależy od wymagań stawianych gotowemu produktowi i jego właściwościom użytkowym. Dokładna kontrola temperatury jest ważna, aby zapobiec kruchości i zmniejszonej odporności na korozję.
5. Stopy miedzi i brązu: wybór miękkiego wykończenia
Miedź i brąz to stopy stosowane w elektronice i budownictwie ze względu na ich wysoką przewodność i odporność na korozję. Ich obróbka cieplna ma na celu poprawę plastyczności i zmniejszenie naprężeń wewnętrznych.
Wyżarzanie. W przypadku stopów miedzi stosuje się tryby wyżarzania miękkiego w temperaturze 400-600°C, co pozwala poprawić skrawalność i wyeliminować naprężenia wewnętrzne.
Hartowanie. W przeciwieństwie do stali i aluminium, stopy miedzi rzadko ulegają uszkodzeniu