Odpuszczanie stali – na czym polega ten proces?

Odpuszczanie stali to obróbka cieplna wykonywana po hartowaniu. Polega na nagrzaniu zahartowanego materiału do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu go i kontrolowanym chłodzeniu. Proces modyfikuje niestabilny martenzyt, zmniejsza naprężenia hartownicze oraz pozwala uzyskać wymagany kompromis między twardością, wytrzymałością, plastycznością i odpornością na pękanie.

Dlaczego stal po hartowaniu wymaga odpuszczania?

Hartowanie prowadzi do powstania martenzytu, czyli przesyconego roztworu węgla w żelazie o silnie zniekształconej sieci krystalicznej. Taka struktura zapewnia dużą twardość, ale jest termodynamicznie niestabilna. Bezpośrednio po hartowaniu stal może mieć małą plastyczność, niską udarność oraz znaczne naprężenia wewnętrzne, które zwiększają ryzyko pękania.

W zahartowanym materiale może występować także austenit szczątkowy. Jego ilość zależy między innymi od składu chemicznego stali i parametrów austenityzacji. Późniejsze przemiany tego składnika mogą powodować zmiany wymiarowe i utrudniać uzyskanie stabilnych właściwości elementu.

Odpuszczanie nie jest prostym „zmiękczaniem” stali. To kontrolowana modyfikacja struktury hartowniczej. W wielu gatunkach powoduje spadek twardości w porównaniu ze stanem bezpośrednio po hartowaniu, ale równocześnie zwiększa plastyczność, udarność i odporność na kruche pękanie.

Na czym polega proces odpuszczania?

Klasyczny cykl obejmuje trzy etapy:

1. Nagrzanie zahartowanej stali do temperatury niższej od Ac1.
2. Wygrzanie materiału przez czas dobrany do gatunku stali, przekroju elementu i wymaganych właściwości.
3. Chłodzenie w warunkach określonych przez technologię materiału.

Temperatura Ac1 oznacza początek powstawania austenitu podczas nagrzewania. Jej wartość zależy od składu chemicznego, dlatego nie można przyjmować jednej uniwersalnej granicy dla wszystkich stali. Odpuszczanie powinno przebiegać poniżej tego poziomu, ponieważ jego celem nie jest ponowna pełna austenityzacja.

Proces ma w dużej mierze charakter dyfuzyjny. Pod wpływem temperatury atomy węgla zyskują większą ruchliwość, co umożliwia stopniowy rozpad przesyconego martenzytu i przebudowę jego struktury. Końcowy efekt zależy nie tylko od temperatury, ale również od czasu wygrzewania i szybkości chłodzenia.

Co dzieje się z martenzytem podczas odpuszczania?

W pierwszym etapie odpuszczania zmienia się rozmieszczenie węgla uwięzionego w sieci martenzytu. Następnie mogą powstawać przejściowe fazy węglikowe, a przy intensywniejszym odpuszczaniu wydziela się cementyt. W stalach stopowych tworzą się także węgliki zawierające pierwiastki takie jak chrom, molibden, wanad lub wolfram.

Wydzielanie węglików zmniejsza przesycenie martenzytu. Maleje jego tetragonalność, zmniejsza się gęstość defektów sieciowych, a naprężenia wewnętrzne ulegają rozproszeniu. Przy wyższych temperaturach wydzielenia mogą koagulować i rosnąć, co zwykle prowadzi do dalszego obniżenia twardości.

Produktem tych przemian jest martenzyt odpuszczony. Nie oznacza on jednej, identycznej struktury dla wszystkich stali. Jego budowa zależy od gatunku materiału, temperatury, czasu oraz stanu po hartowaniu. W starszej terminologii spotyka się także określenia troostyt odpuszczania i sorbit odpuszczania. Są one związane z drobnością i morfologią wydzieleń, ale nie powinny zastępować dokładnego opisu rzeczywistej mikrostruktury konkretnej stali.

Rodzaje odpuszczania według temperatury

Podział na odpuszczanie niskie, średnie i wysokie ma charakter technologiczny. Podane zakresy są orientacyjne, ponieważ właściwe parametry zawsze wynikają z gatunku stali oraz wymagań wobec elementu.

Odpuszczanie niskie stosuje się wtedy, gdy najważniejsze jest zachowanie dużej twardości i odporności na zużycie. Redukcja naprężeń jest wtedy większa niż w stanie bezpośrednio po hartowaniu, ale materiał nadal pozostaje stosunkowo twardy.

Odpuszczanie średnie pozwala przesunąć właściwości w stronę większej sprężystości i odporności na obciążenia dynamiczne. Twardość zwykle spada bardziej niż po odpuszczaniu niskim, a struktura hartownicza ulega dalszej przebudowie.

Odpuszczanie wysokie po hartowaniu jest podstawą ulepszania cieplnego. W tym przypadku celem nie jest maksymalna twardość, lecz korzystne połączenie wytrzymałości, granicy plastyczności, ciągliwości i odporności zmęczeniowej.

W wielu stalach węglowych i niskostopowych wzrost temperatury odpuszczania oznacza spadek twardości oraz wytrzymałości, przy jednoczesnym wzroście plastyczności. Zależność ta nie jest jednak uniwersalna. W wysokostopowych stalach narzędziowych może pojawić się twardość wtórna, związana z wydzielaniem bardzo drobnych węglików stopowych.

Co decyduje o wyniku odpuszczania?

Parametry procesu dobiera się na podstawie kilku wzajemnie powiązanych czynników:

• Gatunek stali – skład chemiczny decyduje o rodzaju przemian i odporności na odpuszczanie.
• Temperatura – określa intensywność dyfuzji, rodzaj wydzieleń oraz końcowe właściwości mechaniczne.
• Czas wygrzewania – wpływa na stopień zaawansowania rozpadu martenzytu i procesów wydzieleniowych.
• Stan po hartowaniu – udział martenzytu, austenitu szczątkowego i innych składników zmienia przebieg procesu.
• Sposób chłodzenia – ma znaczenie zwłaszcza w stalach podatnych na kruchość odpuszczania.
• Liczba cykli – w niektórych stalach narzędziowych konieczne jest wielokrotne odpuszczanie.

Istotną rolę odgrywa skład chemiczny. Węgiel wpływa na twardość martenzytu i ilość faz węglikowych. Chrom, molibden, wanad i wolfram mogą zwiększać odporność na odpuszczanie, stabilizować węgliki oraz sprzyjać twardości wtórnej. Z tego powodu parametry stosowane dla zwykłej stali węglowej nie mogą być automatycznie przenoszone na stal wysokostopową lub narzędziową.

Zależność między temperaturą a czasem można analizować między innymi za pomocą parametru Hollomona-Jaffe’a. Koncepcja ta pokazuje, że w pewnym zakresie podobny efekt odpuszczania może wynikać z różnych kombinacji temperatury i czasu. Nie zastępuje jednak danych technologicznych dla konkretnego gatunku, wymiaru elementu i wymaganej struktury.

Parametry odpuszczania trzeba dobierać do konkretnego gatunku stali, stanu po hartowaniu i wymaganych właściwości. Uniwersalna temperatura ani uniwersalny czas nie istnieją.

Kruchość odpuszczania i inne zagrożenia

Kruchość odpuszczania obejmuje zjawiska, w których ciągliwość lub udarność stali pogarszają się wskutek określonego przebiegu obróbki. Nie ma jednego zakresu temperatur obowiązującego dla wszystkich gatunków. Wrażliwość zależy od składu chemicznego, czasu przebywania w danym zakresie, obecności zanieczyszczeń oraz sposobu chłodzenia.

Wyróżnia się między innymi kruchość pierwszego rodzaju, zwykle związaną z określonymi niższymi zakresami temperatur, oraz kruchość drugiego rodzaju, która może wystąpić w niektórych stalach stopowych przy przebywaniu lub powolnym chłodzeniu przez wyższy zakres temperatur. Granice tych obszarów nie powinny być traktowane jako stałe wartości dla wszystkich materiałów.

W praktyce należy zwrócić uwagę na następujące błędy:

• Zastosowanie parametrów opracowanych dla innego gatunku stali.
• Zbyt krótki czas wygrzewania, który nie pozwala na pełny przebieg wymaganych przemian.
• Dobór zbyt wysokiej temperatury, prowadzący do niezamierzonego spadku twardości i wytrzymałości.
• Nieprawidłowe chłodzenie przez zakres, w którym stal jest podatna na kruchość odpuszczania.
• Pominięcie austenitu szczątkowego, szczególnie w stalach narzędziowych wymagających kilku cykli.
• Brak kontroli atmosfery pieca, skutkujący utlenianiem lub odwęgleniem powierzchni.

W przypadku elementów wymagających dobrej jakości powierzchni stosuje się atmosfery ochronne albo piece próżniowe. Ogranicza to tworzenie zgorzeliny i zmiany zawartości węgla w warstwie przypowierzchniowej.

Odpuszczanie a hartowanie, wyżarzanie i normalizowanie

Najważniejsza różnica polega na tym, że odpuszczanie jest bezpośrednio związane ze stanem po hartowaniu. Normalizowanie i większość rodzajów wyżarzania prowadzą materiał przez zakres austenityczny lub wykorzystują inne mechanizmy przemian. Nie należy też utożsamiać odpuszczania z wyżarzaniem odprężającym. Redukcja naprężeń jest wspólnym efektem, ale odpuszczanie dodatkowo przebudowuje mikrostrukturę martenzytyczną.

Ulepszanie cieplne oznacza konkretną sekwencję: hartowanie oraz wysokie odpuszczanie. Każde odpuszczanie jest więc obróbką po hartowaniu, ale nie każde odpuszczanie stanowi ulepszanie cieplne. Odpuszczanie niskie narzędzia zachowującego wysoką twardość nie jest tym samym procesem technologicznym co wysokie odpuszczanie stali konstrukcyjnej.

Dobór parametrów powinien wynikać z dokumentacji gatunku, wymaganej twardości, przekroju elementu oraz oczekiwanej odporności na obciążenia. Właściwie przeprowadzone odpuszczanie nie usuwa po prostu twardości, lecz przekształca stan po hartowaniu tak, aby stal mogła pracować bez nadmiernego ryzyka pękania i niestabilności wymiarowej.