Celem obróbki cieplnej jest poprawa właściwości mechanicznych rur stalowych i precyzyjnych rur stalowych, wyeliminowanie naprężeń szczątkowych i poprawa obrabialności metali stalowych. W zależności od konkretnych celów procesy obróbki cieplnej można ogólnie podzielić na dwie kategorie: przygotowawczą obróbkę cieplną i końcową obróbkę cieplną.
Obróbka cieplna przygotowawcza
Celem przygotowawczej obróbki cieplnej jest poprawa obrabialności, wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych i przygotowanie korzystnej struktury metalurgicznej do końcowej obróbki cieplnej. Procesy obejmują wyżarzanie, normalizowanie, starzenie oraz hartowanie i odpuszczanie.
(1) Wyżarzanie i normalizowanie
Wyżarzanie i normalizowanie stosuje się do półfabrykatów obrabianych na gorąco. Stale węglowe i stale stopowe o zawartości węgla większej niż 0.5% są często wyżarzane w celu zmniejszenia ich twardości i ułatwienia cięcia. Natomiast te o zawartości węgla poniżej 0.5% są poddawane normalizacji w celu uniknięcia nadmiernej miękkości, która może prowadzić do przywierania narzędzia podczas cięcia. Wyżarzanie i normalizowanie udoskonalają również strukturę ziarna, homogenizują mikrostruktury i przygotowują materiał do późniejszej obróbki cieplnej. Procesy te są zazwyczaj wykonywane po wytworzeniu półfabrykatu i przed obróbką zgrubną.
(2) Leczenie starzenia
Starzenie jest stosowane przede wszystkim w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych powstających podczas produkcji i obróbki półfabrykatów. W przypadku części wymagających ogólnej precyzji, jedno starzenie przed wykończeniem jest wystarczające, aby uniknąć nadmiernego transportu. Jednak w przypadku części o wyższych wymaganiach dotyczących precyzji (takich jak skrzynia współrzędnościowej maszyny do wytaczania), konieczne mogą być dwa lub więcej starzeniowych zabiegów. Proste części zazwyczaj nie wymagają starzenia.
Oprócz odlewów, precyzyjne części o słabej sztywności (np. precyzyjne śruby pociągowe) często przechodzą wielokrotne zabiegi starzenia pomiędzy obróbką zgrubną i półwykańczającą w celu wyeliminowania naprężeń wewnętrznych i ustabilizowania dokładności obróbki. Niektóre części osiowe wymagają również obróbki starzenia po prostowaniu.
(3) Hartowanie i odpuszczanie
Hartowanie i odpuszczanie obejmuje hartowanie, po którym następuje hartowanie w wysokiej temperaturze. Proces ten daje jednolitą i drobnoziarnistą strukturę hartowanego sorbitu, przygotowując materiał do zmniejszonej deformacji podczas późniejszego hartowania powierzchni i azotowania. Tak więc hartowanie i odpuszczanie może również służyć jako przygotowawcza obróbka cieplna.
Ze względu na doskonałe właściwości mechaniczne, hartowanie i odpuszczanie może być stosowane jako końcowa obróbka cieplna w przypadku części o umiarkowanych wymaganiach dotyczących twardości i odporności na zużycie.
Ostateczna obróbka cieplna
Celem końcowej obróbki cieplnej jest poprawa właściwości mechanicznych, takich jak twardość, odporność na zużycie i wytrzymałość.
(1) Hartowanie
Hartowanie może być hartowaniem powierzchniowym lub całkowitym. Hartowanie powierzchniowe jest szeroko stosowane ze względu na minimalne odkształcenia, utlenianie i odwęglenie. Zapewnia wysoką wytrzymałość zewnętrzną, dobrą odporność na zużycie i utrzymuje dobrą wewnętrzną wytrzymałość i odporność na uderzenia. Aby poprawić właściwości mechaniczne części hartowanych powierzchniowo, często wykonuje się wcześniej przygotowawcze obróbki cieplne, takie jak hartowanie i odpuszczanie lub normalizowanie. Typowy przepływ procesu jest następujący: cięcie → kucie → normalizowanie (lub wyżarzanie) → obróbka zgrubna → hartowanie i odpuszczanie → obróbka półwykończeniowa → hartowanie powierzchni → obróbka wykończeniowa.
(2) Nawęglanie i hartowanie
Nawęglanie i hartowanie są odpowiednie dla stali niskowęglowych i niskostopowych. Proces ten zwiększa zawartość węgla w powierzchni części, co skutkuje wysoką twardością powierzchni po hartowaniu, podczas gdy rdzeń zachowuje umiarkowaną wytrzymałość, wysoką wytrzymałość i plastyczność. Nawęglanie może być pełne lub częściowe, przy czym to drugie wymaga środków anty-nawęglania (np. miedziowania lub powłok anty-nawęglania) dla obszarów nienawęglanych. Ze względu na znaczną deformację i głębokość nawęglania zwykle między 0.5 a 2 mm, proces nawęglania jest zazwyczaj zaplanowany między obróbką półwykończeniową a wykańczającą.
Typowy przebieg procesu wygląda następująco: cięcie → kucie → normalizowanie → obróbka zgrubna i półwykańczająca → nawęglanie i hartowanie → obróbka wykańczająca.
Jeżeli nienawęglona część częściowo nawęglonej części zostanie powiększona w celu umożliwienia usunięcia nadmiaru warstw nawęglonych, ten etap usuwania powinien nastąpić po nawęglaniu, ale przed hartowaniem.
(3) Azotowanie
Azotowanie polega na infiltracji atomów azotu do powierzchni metalu w celu utworzenia warstwy związków azotu. Warstwa azotowana zwiększa twardość powierzchni części, odporność na zużycie, wytrzymałość zmęczeniową i odporność na korozję. Ponieważ azotowanie odbywa się w niskich temperaturach przy minimalnym odkształceniu i wytwarza cienką warstwę (zwykle nie większą niż 0.6-0.7mm), proces azotowania należy zaplanować tak późno, jak to możliwe. Aby zminimalizować odkształcenie podczas azotowania, zazwyczaj po cięciu wykonuje się odprężające odpuszczanie w wysokiej temperaturze.
