Odpuszczanie to proces obróbki cieplnej, w którym hartowany przedmiot jest ponownie podgrzewany do odpowiedniej temperatury poniżej temperatury krytycznej Ac₁, utrzymywany w tej temperaturze przez określony czas, a następnie chłodzony w określonym tempie w celu zwiększenia wytrzymałości materiału. Jest to kluczowy proces, który determinuje mikrostrukturę i właściwości stali w stanie eksploatacji.
Chociaż hartowana stal (np. stal o strukturze martenzytycznej) wykazuje niezwykle wysoką twardość i odporność na zużycie, ma dwa kluczowe problemy: po pierwsze, wewnątrz pozostaje duża ilość naprężeń wewnętrznych po hartowaniu, co łatwo powoduje pękanie lub deformację części stalowej; po drugie, ma bardzo słabą udarność i wysoką kruchość, co sprawia, że nie jest w stanie wytrzymać uderzeń lub złożonych obciążeń. Dostosowując temperaturę nagrzewania i czas wygrzewania, odpuszczanie w szczególny sposób rozwiązuje te problemy, mając następujące konkretne cele:
- Eliminacja naprężeń wewnętrznych: Nagrzewanie zapewnia atomom stali pewien stopień ruchliwości, łagodząc naprężenia wewnętrzne generowane przez szybką transformację mikrostrukturalną podczas hartowania (np. szybkie chłodzenie austenitu do martenzytu) i zmniejszając ryzyko pękania podczas późniejszej obróbki lub eksploatacji części stalowej.
- Dostosowanie właściwości mechanicznych: „Dostosowanie” właściwości stali do wymagań. W przypadku zastosowań wymagających wysokiej twardości (np. narzędzia tnące, matryce) można wybrać odpuszczanie w niskiej temperaturze, aby zachować większość twardości po hartowaniu; w przypadku zastosowań wymagających wysokiej udarności (np. wały, koła zębate) można zastosować odpuszczanie w wysokiej temperaturze, aby znacznie poprawić udarność, jednocześnie zmniejszając pewną twardość.
- Stabilizacja mikrostruktury i wymiarów: Przekształcenie niestabilnej mikrostruktury po hartowaniu (np. martenzyt, austenit szczątkowy) w bardziej stabilną (np. martenzyt odpuszczony, sorbit), zapobiegając wahaniom wymiarów spowodowanym ciągłymi zmianami mikrostrukturalnymi podczas długotrwałej eksploatacji i zapewniając precyzję.
- Poprawa obrabialności: Zmniejszenie twardości hartowanej stali w celu ułatwienia późniejszej obróbki mechanicznej, takiej jak cięcie i szlifowanie (np. stal narzędziowa staje się łatwiejsza do szlifowania po odpuszczaniu).
- Części stalowe nie mogą być używane bezpośrednio po hartowaniu i muszą być niezwłocznie odpuszczone.
- Dostosowanie twardości, wytrzymałości, plastyczności i udarności przedmiotu obrabianego w celu spełnienia wymagań eksploatacyjnych. Hartowana stal ma na ogół wysoką twardość i kruchość, a odpuszczanie może dostosować jej twardość i udarność.
- Eliminacja lub redukcja naprężeń wewnętrznych powstałych podczas hartowania w celu zapobiegania deformacjom lub pękaniu.
- Stabilizacja mikrostruktury i wymiarów w celu zapewnienia precyzji. Mikrostruktura hartowanej stali składa się z hartowanego martenzytu i austenitu szczątkowego, z których oba są metastabilne i mają tendencję do przekształcania się w stabilne struktury (tj. spontanicznie przekształcają się w ferryt i cementyt). Ta transformacja może powodować zmiany w rozmiarze i kształcie przedmiotu obrabianego. Odpuszczanie przekształca hartowany martenzyt i austenit szczątkowy w bardziej stabilne mikrostruktury, zapewniając brak zmian w rozmiarze lub kształcie podczas eksploatacji.
Proces odpuszczania obejmuje cztery rodzaje reakcji: rozkład martenzytu; wydzielanie, transformacja, agregacja i wzrost węglików; regeneracja i rekrystalizacja ferrytu; oraz rozkład austenitu szczątkowego.
Gdy hartowana stal jest podgrzewana poniżej 200°C, drobne węgliki ε (FeₓC) zaczynają wydzielać się z martenzytu, zmniejszając przesycanie martenzytu i częściowo eliminując naprężenia wewnętrzne. Mikrostruktura złożona z tych ultra-drobnych węglików ε i roztworu stałego α o niskim nasyceniu nazywana jest martenzytem odpuszczonym (Mₜₑₘₚ).
Po przekształceniu hartowanego martenzytu w martenzyt odpuszczony, jego objętość kurczy się, zmniejszając nacisk na austenit szczątkowy. W tym momencie austenit szczątkowy rozkłada się, tworząc strukturę bainityczną.
Ta transformacja jest stosunkowo oczywista w stalach średniowęglowych i wysokowęglowych. W przypadku stali węglowych i niskostopowych o zawartości węgla poniżej 0,4%, ilość austenitu szczątkowego jest tak mała, że ta transformacja jest zasadniczo pomijalna. Dlatego mikrostruktura odpuszczona pozostaje martenzytem odpuszczonym w temperaturze 200–300°C.
Gdy temperatura przekracza 250°C, rozkład martenzytu jest zakończony, a jego tetragonalność znika. Węgliki ε przekształcają się w drobne, stabilne cementyty (Fe₃C), a większość naprężeń wewnętrznych po hartowaniu jest eliminowana. Odpuszczanie w temperaturze 300–500°C wytwarza mieszaną mikrostrukturę składającą się z osnowy ferrytycznej i dużej liczby drobno rozproszonych ziarnistych cementytów, znanych jako troostyt odpuszczony (Tₜₑₘₚ).
Gdy temperatura odpuszczania osiąga powyżej 400°C, ferryt warstwowy ulega poligonizacji, podczas gdy drobny ziarnisty Fe₃C sferoidyzuje i agreguje, aby rosnąć. Naprężenia wewnętrzne po hartowaniu są całkowicie eliminowane. Odpuszczanie w temperaturze 500–650°C skutkuje mikrostrukturą składającą się z wielokątnej osnowy ferrytycznej z rozmieszczonymi w niej stosunkowo dużymi ziarnistymi cementytami, zwaną sorbitem odpuszczonym (Sₜₑₘₚ).
Odpuszczanie jest klasyfikowane na odpuszczanie w niskiej temperaturze, odpuszczanie w średniej temperaturze i odpuszczanie w wysokiej temperaturze w oparciu o zakres temperatur.
- Temperatura odpuszczania: 150–250°C
- Mikrostruktura: Martenzyt odpuszczony (Mₜₑₘₚ) — mieszanina ultra-drobnych węglików ε i roztworu stałego α o niskim nasyceniu. Pod mikroskopem optycznym martenzyt odpuszczony wydaje się czarny, a austenit szczątkowy biały.
- Cel: Utrzymanie wysokiej twardości (zazwyczaj 58–64 HRC) i odporności na zużycie hartowanego przedmiotu obrabianego, jednocześnie zmniejszając naprężenia szczątkowe po hartowaniu i kruchość.
- Zastosowania: Stosowane głównie do obróbki cieplnej narzędzi ze stali wysokowęglowej, narzędzi tnących, narzędzi pomiarowych, matryc, łożysk tocznych, części nawęglanych i części hartowanych powierzchniowo.
- Temperatura odpuszczania: 350–500°C
- Mikrostruktura: Troostyt odpuszczony (Tₜₑₘₚ) — mikrostruktura drobnych ziarnistych cementytów rozmieszczonych na osnowie ferrytycznej, która zachowuje morfologię martenzytyczną.
- Cel: Osiągnięcie wysokiej granicy sprężystości, granicy plastyczności i pewnego stopnia udarności; większość naprężeń wewnętrznych jest eliminowana, przy twardości 35–45 HRC.
- Zastosowania: Stosowane głównie do obróbki cieplnej sprężyn, sprężyn zegarowych, matryc do kucia i narzędzi udarowych.
- Temperatura odpuszczania: 500–650°C
- Mikrostruktura: Sorbit odpuszczony (Sₜₑₘₚ) — mikrostruktura ziarnistego Fe₃C rozmieszczonego na wielokątnej osnowie ferrytycznej.
- Cel: Uzyskanie doskonałych kompleksowych właściwości mechanicznych (zrównoważona wytrzymałość, plastyczność i udarność); naprężenia wewnętrzne są całkowicie eliminowane, przy twardości 25–35 HRC. Ponieważ sorbit odpuszczony ma dobre kompleksowe właściwości mechaniczne, połączenie „hartowania + odpuszczania w wysokiej temperaturze” jest powszechnie określane jako hartowanie i odpuszczanie (QT), lub po prostu „odpuszczanie” w szerszym sensie.
- Zastosowania: Hartowanie i odpuszczanie są stosowane głównie jako ostateczna obróbka cieplna dla różnych ważnych części konstrukcyjnych (np. korbowody, wały i koła zębate podlegające obciążeniom zmiennym i wymaganiom wysokiej odporności na zmęczenie). Jest również często stosowane jako obróbka wstępna dla części hartowanych powierzchniowo, części azotowanych, precyzyjnych narzędzi tnących, narzędzi pomiarowych i matryc.
Należy zauważyć, że powyższe zakresy temperatur dla procesów odpuszczania mają zastosowanie do stali węglowych i niskostopowych i nie mają zastosowania do stali średnio- i wysokostopowych o wysokiej zawartości pierwiastków stopowych.
Udarność hartowanej stali zmienia się wraz z temperaturą odpuszczania. Wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania twardość stali ma tendencję do zmniejszania się, podczas gdy udarność na ogół wzrasta. Jednak w zakresach temperatur 250–400°C i 450–650°C pojawiają się dwie wartości minimalne. Zjawisko to nazywane jest kruchością odpuszczania i dzieli się na kruchość odpuszczania w niskiej temperaturze i kruchość odpuszczania w wysokiej temperaturze.
Odnosi się to do kruchości wykazywanej przez hartowaną stal po odpuszczaniu w temperaturze 250–400°C. Ponieważ powstała kruchość nie może być wyeliminowana przez ponowne podgrzanie, nazywana jest również nieodwracalną kruchością odpuszczania. Główną przyczyną jest to, że podczas odpuszczania w tym zakresie temperatur martenzyt rozkłada się, a cementyt wydziela się na granicach ziaren, zmniejszając wytrzymałość na pękanie granic ziaren i niszcząc ciągłość osnowy. Prawie wszystkie stale wykazują ten rodzaj kruchości odpuszczania i obecnie nie ma skutecznej metody całkowitego jej wyeliminowania. Dlatego hartowana stal na ogół nie jest odpuszczana w zakresie 250–350°C.
Odnosi się to do kruchości wykazywanej przez hartowaną stal po powolnym chłodzeniu po odpuszczaniu w zakresie 450–650°C. Udarność można przywrócić, jeśli stal zostanie ponownie podgrzana do temperatury powyżej 600°C i szybko schłodzona, dlatego nazywana jest również odwracalną kruchością odpuszczania.
Ten rodzaj kruchości występuje głównie w stalach konstrukcyjnych zawierających pierwiastki stopowe, takie jak Cr, Ni, Si i Mn. Kluczową cechą jest to, że szybkie chłodzenie (chłodzenie olejem) po odpuszczaniu nie powoduje kruchości, podczas gdy powolne chłodzenie (chłodzenie powietrzem) tak. Kiedy te stale muszą być odpuszczane w wysokich temperaturach, są one zwykle podgrzewane do temperatury powyżej 600°C i szybko chłodzone. Oczywiście szybkie chłodzenie z tej temperatury nie powoduje utwardzania, ponieważ nie występuje austenityzacja.
Ogólnie rzecz biorąc, aby uzyskać dobre kompleksowe właściwości mechaniczne, stale konstrukcyjne stopowe są często odpuszczane w trzech różnych zakresach temperatur: stale o bardzo wysokiej wytrzymałości w temperaturze około 200–300°C; stale sprężynowe w temperaturze około 460°C; oraz stale hartowane i odpuszczane w temperaturze 550–650°C. Stale narzędziowe węglowe i stopowe, które wymagają wysokiej twardości i wytrzymałości, są na ogół odpuszczane w temperaturach nieprzekraczających 200°C. Stale konstrukcyjne stopowe, stale matrycowe i stale szybkotnące są odpuszczane w zakresie 500–650°C.
- Odpuszczanie jest bez znaczenia dla nieobrobionej hartowanej stali; dlatego jest stosowane jako końcowy proces obróbki cieplnej w połączeniu z hartowaniem.
- Aby zapobiec deformacji lub pękaniu hartowanych części podczas przechowywania, części stalowe muszą być niezwłocznie odpuszczone po hartowaniu.
- Niewystarczające odpuszczanie można zrekompensować dodatkowym odpowiednim procesem odpuszczania; jednak jeśli wystąpi nadmierne odpuszczanie, wszystkie poprzednie wysiłki zostaną zmarnowane, a część musi zostać ponownie zahartowana.
- Odpuszczanie nie jest metodą utwardzania; wręcz przeciwnie, polega na ponownym podgrzaniu obrobionej cieplnie utwardzonej stali w celu złagodzenia naprężeń, zmiękczenia materiału i poprawy plastyczności.
- Zmiany mikrostrukturalne i modyfikacje właściwości spowodowane odpuszczaniem zależą od temperatury, do której stal jest ponownie podgrzewana. Im wyższa temperatura, tym bardziej znaczące efekty. Dlatego wybór temperatury zależy zwykle od stopnia, w jakim twardość i wytrzymałość są poświęcane w celu uzyskania plastyczności i udarności.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!