Odpuszczanie stali to zabieg obróbki cieplnej, który wykonuje się po hartowaniu. Polega na nagrzaniu zahartowanej stali do określonej temperatury poniżej przemiany, wygrzaniu i następnie schłodzeniu. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych, zmniejszenie kruchości i uzyskanie wymaganych właściwości: twardości, wytrzymałości i ciągliwości.
Wyjaśniamy, czym jest odpuszczanie stali, jakie są rodzaje odpuszczania stali, w jakiej temperaturze i jak długo odpuszcza się stal oraz czym jest kruchość odpuszczania.
Spis treści:
- Czym jest odpuszczanie stali?
- Dlaczego stal po hartowaniu wymaga odpuszczania?
- Przemiany zachodzące podczas odpuszczania
- Rodzaje odpuszczania stali
- W jakiej temperaturze odpuszcza się stal?
- Jak długo odpuszczać stal?
- Wielokrotne odpuszczanie i twardość wtórna
- Kruchość odpuszczania
- Kontrola jakości po odpuszczaniu
- Co podać przy zamawianiu hartowania i odpuszczania?
- Hartowanie i odpuszczanie w Sacher CNC
- Odpuszczanie stali – FAQ
Czym jest odpuszczanie stali?
Odpuszczanie polega na ponownym rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury niższej niż temperatura hartowania, zwykle w zakresie 150–650°C i zawsze poniżej ok. 700°C. Stal wygrzewa się w tej temperaturze, a następnie chłodzi. Odpuszczanie stali składa się więc z trzech etapów: nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia. Celem procesu jest uzyskanie właściwości materiału, których wymaga konstrukcja.
Odpuszczanie stali jest kluczowym etapem obróbki cieplnej, a obróbka cieplna stali bez niego jest niepełna. Samo hartowanie daje wysoką twardość, ale stal jest wtedy krucha i pełna naprężeń. Dopiero połączenie hartowania i odpuszczania stali pozwala na uzyskanie wysokiej wytrzymałości przy zachowaniu odpowiedniej odporności na pękanie. Spotyka się też określenie „cieplne odpuszczanie”, a hartowanie z odpuszczaniem wysokim nazywa się ulepszaniem cieplnym.
Więcej o samym hartowaniu przeczytasz w artykule Hartowanie stali – jak przebiega proces i co ma na celu?.
Dlaczego stal po hartowaniu wymaga odpuszczania?
Podczas hartowania szybkie chłodzenie tworzy martenzyt – twardą, ale kruchą strukturę. Nierównomierne stygnięcie powierzchni i rdzenia wywołuje naprężenia wewnętrzne. Naprężenia wewnętrzne i struktura martenzytu sprawiają, że zahartowanej stali nie można od razu używać. Bez odpuszczania element mógłby pęknąć w czasie pracy, a nawet podczas leżakowania w magazynie.
Dlatego każda stal po hartowaniu wymaga odpuszczania, a odpuszczanie po hartowaniu wykonuje się możliwie szybko. Celem odpuszczania jest:
- usunięcie naprężeń hartowniczych i naprężeń własnych,
- zmniejszenie kruchości i zwiększenie ciągliwości,
- poprawa udarności stali i odporności na pękanie,
- stabilizacja wymiarów elementu,
- ustawienie twardości stali na wymaganym poziomie.
Odpuszczanie stali przyczynia się do tego, że element przenosi obciążenia dynamiczne i zmienne obciążenia bez pęknięć. Odpuszczanie pozwala uzyskać optymalny kompromis między twardością a plastycznością.
Przemiany zachodzące podczas odpuszczania
Przemiany zachodzące podczas odpuszczania stali zależą od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury martenzyt w zahartowanej stali rozpada się, a z roztworu wydzielają się drobne węgliki. Przy niższych temperaturach powstaje martenzyt odpuszczony, w średnich – troostyt odpuszczania, a w wysokich – sorbit odpuszczania. Austenit szczątkowy, który pozostał po hartowaniu, przemienia się w martenzyt lub bainit.
Im wyższa temperatura, tym mniejsze naprężenia wewnętrzne i większa ciągliwość, ale też niższa twardość stali. Wyższa temperatura odpuszczania zmniejsza twardość stali, dlatego jej dobór to zawsze wybór między twardością a udarnością.
Rodzaje odpuszczania stali
Rodzaje odpuszczania stali dzieli się według zakresu temperatur, w którym prowadzi się odpuszczanie stali. Wyróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie. Granice temperatur odpuszczania są orientacyjne – rzeczywiste parametry zależą od gatunku stali.
Odpuszczanie niskie (150–250°C)
Odpuszczanie niskie zapewnia zachowanie wysokiej twardości i odporności na ścieranie, a jednocześnie redukuje naprężenia. Typowe zastosowania to narzędzia skrawające, wykrojniki, sprawdziany, elementy nawęglane i łożyska. Odpuszczanie niskie stosuje się w stalach narzędziowych i wszędzie tam, gdzie liczy się utrzymanie wysokiej twardości powierzchni.
Odpuszczanie średnie (250–500°C)
Odpuszczanie średnie zapewnia wysoką granicę sprężystości. Znajduje zastosowanie przy sprężynach, resorach i elementach sprężystych. W tym zakresie temperatur powstaje troostyt odpuszczania, a twardość spada wyraźniej niż przy odpuszczaniu niskim.
Odpuszczanie wysokie (500–650°C)
Odpuszczanie wysokie daje dobre połączenie wytrzymałości i ciągliwości. Hartowanie z wysokim odpuszczaniem to ulepszanie cieplne – podstawowy zabieg dla stali do ulepszania cieplnego. Po ulepszaniu cieplnym stal ma rdzeń o wysokiej wytrzymałości i dobrą udarność. Wysokie odpuszczanie stosuje się w przypadku części maszyn pracujących pod dużymi i zmiennymi obciążeniami. Typowe przykłady to wały, osie, koła zębate, sworznie i śruby. Koła zębate po ulepszaniu cieplnym często hartuje się dodatkowo powierzchniowo. To części narażone na uderzenia, dla których ważniejsza jest udarność niż maksymalna twardość.
W jakiej temperaturze odpuszcza się stal?
Odpuszczanie stali odbywa się w zakresie temperatur 150–650°C. O wyborze odpowiedniej temperatury decydują gatunek stali i wymagana twardość. Skład chemiczny, zwłaszcza zawartość węgla i dodatków stopowych, zmienia odporność stali na odpuszczanie: stale stopowe tracą twardość wolniej niż węglowe.
Do konkretnego gatunku stali producent podaje wykres odpuszczania – zależność twardości od temperatury. Na jego podstawie dobiera się temperatury odpuszczania dla wymaganej twardości. Temperatury odpuszczania z kart materiałowych są punktem wyjścia, a parametry odpuszczania stali ustala technolog. Dla konkretnego gatunku stali dwa detale odpuszczone w różnych temperaturach mogą różnić się twardością o kilka lub kilkanaście HRC. Niska temperatura oznacza wyższą twardość, a znaczne obniżenie twardości przynosi dopiero wysokie odpuszczanie.
Jak długo odpuszczać stal?
Czas odpuszczania stali zależy od rodzaju stali, grubości przekroju i wielkości wsadu. W czasie odpuszczania całość wsadu musi osiągnąć zadaną temperaturę – czas wygrzewania liczy się dopiero od wyrównania temperatury w przekroju. Czas wygrzewania wpływa na zmiany mikrostruktury i właściwości stali.
Warto odróżnić czas wygrzewania od czasu całego cyklu. Przykładowo producent stali narzędziowej Uddeholm Sverker 21 (odpowiednik 1.2379) zaleca dwukrotne odpuszczanie z chłodzeniem do temperatury pokojowej między cyklami i minimalnym wygrzewaniem 2 godziny na cykl. Daje to ok. 4 godziny samego wygrzewania, a cały proces trwa dłużej, bo wsad trzeba nagrzać i schłodzić. Zwykle stosuje się powolne chłodzenie na powietrzu.
Wielokrotne odpuszczanie i twardość wtórna
Wielokrotne odpuszczanie stosuje się głównie w stalach narzędziowych wysokostopowych i szybkotnących. W tych stalach podczas odpuszczania w zakresie ok. 500–560°C wydzielają się drobne węgliki stopowe, a austenit szczątkowy przemienia się w martenzyt. Mówimy wtedy o występowaniu zjawiska twardości wtórnej – twardość po odpuszczaniu może być nawet wyższa niż po samym hartowaniu.
Nowy martenzyt powstały z austenitu szczątkowego także trzeba odpuścić, dlatego cykl powtarza się dwa lub trzy razy. Dla stali Uddeholm Vanadis 4 Extra producent zaleca co najmniej dwa cykle, a dla wysokiej stabilności wymiarowej i ciągliwości – trzy cykle w temperaturze nie niższej niż 540°C.
Kruchość odpuszczania
W niektórych zakresach temperatur udarność stali spada zamiast rosnąć. To kruchość odpuszczania, którą trzeba uwzględnić przy doborze parametrów odpuszczania stali i odporności na pękanie gotowej części.
Kruchość nieodwracalna
Kruchość nieodwracalna (I rodzaju) pojawia się po odpuszczaniu w zakresie ok. 250–400°C. Ponowne odpuszczanie w tym samym zakresie jej nie usuwa, dlatego tych temperatur unika się przy elementach narażonych na udary.
Kruchość odwracalna
Kruchość odwracalna (II rodzaju) występuje w niektórych stalach stopowych po wolnym chłodzeniu z zakresu ok. 450–600°C. Zapobiega jej szybkie chłodzenie po odpuszczaniu wysokim, np. w oleju, albo odpowiedni skład chemiczny stali, np. dodatek molibdenu.
Kontrola jakości po odpuszczaniu
Kontrola jakości obejmuje pomiar twardości zgodnie z normami PN-EN ISO, najczęściej metodą Rockwella lub Vickersa. Przy wyższych wymaganiach wykonuje się badania mikrostruktury, które oceniają zmiany w materiale podczas obróbki cieplnej i ich wpływ na właściwości materiału, oraz badania nieniszczące. Nowoczesne piece do hartowania i odpuszczania zapisują parametry procesu, więc dla każdego wsadu można odtworzyć temperatury i czasy – to ważne przy produkcji seryjnej i powtarzalnej kontroli jakości.
Co podać przy zamawianiu hartowania i odpuszczania?
Aby hartownia dobrała parametry hartowania i odpuszczania stali, warto przekazać:
- gatunek materiału wraz z atestem,
- rysunek techniczny i liczbę sztuk,
- wymaganą twardość z tolerancją,
- informację o wcześniejszej obróbce cieplnej,
- wymagania techniczne dotyczące odkształceń, powierzchni i kontroli,
- warunki pracy części, jeśli są istotne.
Dzięki temu można dobrać rodzaj odpuszczania i temperatury odpuszczania do wymaganych właściwości detalu.
Hartowanie i odpuszczanie w Sacher CNC
Sacher CNC ma własną hartownię z piecami próżniowymi, w której wykonujemy hartowanie i odpuszczanie, nawęglanie oraz azotowanie plazmowe. Obróbka skrawaniem, obróbka cieplna stali i szlifowanie są realizowane w jednym zakładzie, co skraca terminy i ułatwia kontrolę jakości przy średnich i dużych seriach. Więcej na stronie Obróbka cieplna oraz w artykule Czym jest hartowanie próżniowe?.
Prześlij rysunek do wyceny – podaj gatunek materiału, wymaganą twardość i liczbę sztuk.
Odpuszczanie stali – FAQ
Na czym polega odpuszczenie?
Odpuszczenie polega na nagrzaniu zahartowanej stali do temperatury niższej niż temperatura hartowania, wygrzaniu i schłodzeniu. Proces prowadzi do usunięcia naprężeń i zmniejszenia kruchości. Odpuszczanie stali zawsze następuje po hartowaniu.
W jakiej temperaturze odpuszcza się stal?
Zwykle w zakresie 150–650°C: odpuszczanie niskie 150–250°C, średnie 250–500°C, wysokie 500–650°C. Dokładna temperatura zależy od gatunku stali i wymaganej twardości.
Jak długo odpuszczać stal?
Wygrzewanie trwa zwykle co najmniej 1–2 godziny na cykl, liczone od wyrównania temperatury w przekroju. Stale narzędziowe często odpuszcza się dwa lub trzy razy.
Jakie są metody odpuszczania?
Metody odpuszczania stali to odpuszczanie niskie, średnie i wysokie oraz wielokrotne odpuszczanie w stalach narzędziowych. Odpuszczanie prowadzi się w piecach z powietrzem, w atmosferze ochronnej, w próżni lub w kąpielach olejowych i solnych.