Zastosowanie obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali nierdzewnej

Elementy złączne ze stali nierdzewnej, w tym śruby, nakrętki, wkręty i podkładki, są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, inżynierii morskiej, petrochemicznym, spożywczym i budowlanym ze względu na ich doskonałą odporność na korozję, właściwości mechaniczne i trwałość. Jednakże stal nierdzewna odlana lub uformowana często nie spełnia rygorystycznych wymagań eksploatacyjnych złożonych środowisk pracy, takich jak wysoka wytrzymałość, odporność na zużycie, stabilność wymiarowa i odporność na spawanie na zimno (zacieranie). Obróbka cieplna, jako kluczowa technologia przetwarzania, może regulować mikrostrukturę elementów złącznych ze stali nierdzewnej bez znaczącej zmiany ich kształtu, optymalizując w ten sposób ich właściwości mechaniczne i żywotność. W artykule omówiono typowe procesy obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali nierdzewnej, zasady ich stosowania, adaptacje do specyficznych materiałów i praktyki zastosowań przemysłowych.

1. Przegląd obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali nierdzewnej

Podstawowym celem obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali nierdzewnej jest dostosowanie wewnętrznej struktury kryształu, wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych powstających podczas formowania (takich jak kucie na zimno i obróbka skrawaniem) oraz zrównoważenie zależności pomiędzy wytrzymałością, twardością, ciągliwością, wytrzymałością i odpornością na korozję. W przeciwieństwie do elementów złącznych ze stali węglowej, stal nierdzewna zawiera pierwiastki stopowe, takie jak chrom (Cr), nikiel (Ni), molibden (Mo) i tytan (Ti), które tworzą na powierzchni pasywną warstwę tlenku, odporną na korozję. Dlatego obróbka cieplna elementów złącznych ze stali nierdzewnej musi nie tylko poprawić właściwości mechaniczne, ale także unikać uszkodzenia tej warstwy pasywnej lub zmniejszenia odporności na korozję.

Wybór procesów obróbki cieplnej zależy od rodzaju stali nierdzewnej (austenityczna, martenzytyczna, ferrytyczna, duplex), wymagań użytkowych elementów złącznych i scenariuszy ich zastosowania. Typowe procesy obejmują obróbkę przesycającą, wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie, utwardzanie wydzieleniowe, utwardzanie powierzchniowe i odprężanie, każdy z nich ma inną charakterystykę i zakres zastosowań.

2. Typowe procesy obróbki cieplnej i ich zastosowania

2.1 Obróbka roztworem (wyżarzanie roztworem)

Obróbka roztworowa to najbardziej podstawowy i powszechnie stosowany proces obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali austenitycznej (takich jak gatunki 304, 316, 321) i elementów złącznych ze stali nierdzewnej duplex. Proces polega na podgrzaniu elementów złącznych do temperatury powyżej granicy rozpuszczalności węglików (zwykle 1000–1200°C dla austenitycznej stali nierdzewnej), utrzymaniu ich w tej temperaturze przez pewien czas, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie węglików (takich jak węgliki chromu) w osnowie austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu (hartowaniu) ich w wodzie lub powietrzu w celu uzyskania jednolitej mikrostruktury austenitycznej.

Kluczową funkcją obróbki roztworowej jest eliminacja międzykrystalicznego wytrącania węglików, co zapobiega korozji międzykrystalicznej – powszechnej przyczynie awarii elementów złącznych ze stali nierdzewnej w środowiskach korozyjnych, takich jak przemysł morski i chemiczny. Dodatkowo obróbka rozpuszczająca poprawia ciągliwość i wytrzymałość elementów złącznych, ułatwiając późniejsze procesy formowania (takie jak walcowanie gwintów) i zapewniając stabilność wymiarową podczas pracy. Na przykład elementy złączne ze stali nierdzewnej 316L stosowane w sprzęcie morskim muszą zostać poddane obróbce roztworowej w celu zwiększenia ich odporności na korozję chlorkową i utrzymania integralności strukturalnej w słonym, wilgotnym środowisku.

2.2 Wyżarzanie

Wyżarzanie to proces obróbki cieplnej, którego celem jest zmiękczenie elementów złącznych ze stali nierdzewnej, zmniejszenie naprężeń wewnętrznych, poprawa obrabialności i ujednolicenie mikrostruktury. Proces ten różni się nieznacznie w zależności od rodzaju stali nierdzewnej: w przypadku austenitycznej stali nierdzewnej wyżarzanie często łączy się z obróbką przesycającą (wyżarzanie rozpuszczające); w przypadku ferrytycznej stali nierdzewnej wyżarzanie przeprowadza się w temperaturze 700–900°C, po czym następuje powolne chłodzenie w celu wyeliminowania naprężeń szczątkowych i poprawy plastyczności; w przypadku martenzytycznej stali nierdzewnej wyżarzanie stosuje się w celu zmiękczenia materiału po hartowaniu, zmniejszenia kruchości i ułatwienia obróbki skrawaniem.

W produkcji elementów złącznych ze stali nierdzewnej często stosuje się wyżarzanie przed obróbką kucia na zimno lub gwintowaniem. Na przykład przed śrubami ze stali martenzytycznej 17-4 PH na zimno, wyżarzanie w temperaturze 800–850°C może zmiękczyć materiał, zmniejszyć opór podczas formowania na zimno i uniknąć pękania elementów złącznych lub nadmiernego zużycia form, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji. Dodatkowo wyżarzanie odprężające (rodzaj wyżarzania) stosuje się do obróbki elementów złącznych po spawaniu lub obróbce mechanicznej, podgrzewając je do temperatury 600–800°C i powoli schładzając, aby zapobiec odkształceniom lub pęknięciom spowodowanym naprężeniami szczątkowymi podczas pracy.

2.3 Hartowanie i odpuszczanie

Hartowanie i odpuszczanie stosuje się głównie do elementów złącznych ze stali martenzytycznej (takich jak gatunki 410, 420) oraz niektórych elementów złącznych ze stali nierdzewnej utwardzanych wydzieleniowo, które wymagają dużej wytrzymałości i twardości, takich jak elementy złączne stosowane w częściach mechanicznych poddawanych dużym naprężeniom i komponentom lotniczym. Proces składa się z dwóch etapów: hartowania i odpuszczania.

Hartowanie polega na podgrzaniu elementów złącznych do temperatury austenityzowania (850–1050°C dla stali nierdzewnej martenzytycznej), przetrzymaniu ich przez pewien czas, a następnie szybkim schłodzeniu w oleju lub wodzie w celu przekształcenia osnowy austenitycznej w martenzyt, co znacznie zwiększa twardość i wytrzymałość elementów złącznych. Jednakże hartowane elementy złączne ze stali martenzytycznej są bardzo kruche i zawierają znaczne naprężenia szczątkowe, dlatego natychmiast po hartowaniu należy przeprowadzić odpuszczanie.

Odpuszczanie polega na ponownym podgrzaniu zahartowanych elementów złącznych do niższej temperatury (150–650°C), przetrzymaniu ich przez określony czas, a następnie ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Proces ten zmniejsza kruchość, łagodzi naprężenia szczątkowe i reguluje równowagę pomiędzy twardością, wytrzymałością i wytrzymałością elementów złącznych. Na przykład śruby ze stali nierdzewnej 410 stosowane w elementach silników samochodowych poddawane są hartowaniu i odpuszczaniu, aby osiągnąć twardość HRC 35–45, co gwarantuje, że wytrzymają duże obciążenia i powtarzające się wibracje bez deformacji i pęknięć.

2.4 Utwardzanie wydzieleniowe

Hartowanie wydzieleniowe (znane również jako utwardzanie wydzieleniowe) to specjalistyczny proces obróbki cieplnej elementów złącznych ze stali nierdzewnej utwardzanych wydzieleniowo, takich jak gatunki 17-4 PH, 17-7 PH, które są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i energetycznym ze względu na ich wysoką wytrzymałość i dobrą odporność na korozję. Proces składa się z trzech etapów: obróbki przesycającej, chłodzenia (w celu uzyskania przesyconego roztworu stałego) i starzenia (wytrącanie faz wzmacniających).

Najpierw elementy złączne poddaje się obróbce rozpuszczającej w temperaturze 1020–1060°C w celu rozpuszczenia pierwiastków stopowych (takich jak miedź, niob) w osnowie austenitu, a następnie szybko schładza do temperatury pokojowej w celu uzyskania przesyconego martenzytu lub stałego roztworu austenitu. Następnie przeprowadza się obróbkę starzeniową w temperaturze 480–620°C, podczas której z przesyconego roztworu stałego wytrącają się drobne, jednolite fazy wzmacniające (takie jak osady bogate w miedź), co znacznie poprawia wytrzymałość i twardość elementów złącznych bez utraty odporności na korozję. Na przykład elementy złączne ze stali nierdzewnej 17-4 PH po utwardzeniu wydzieleniowym mogą osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie do 1170 MPa i twardość Rockwella C38, dzięki czemu nadają się do elementów samolotów i wysokociśnieniowego sprzętu petrochemicznego.

2.5 Hartowanie powierzchniowe

Elementy złączne ze stali nierdzewnej często ulegają zatarciu (spawanie na zimno) podczas montażu i demontażu, szczególnie w przypadku kontaktu metal-metal z wysokimi momentami dokręcania. Zacieranie jest spowodowane głównie niską twardością powierzchni, nadmierną chropowatością powierzchni lub brakiem smarowania i może prowadzić do zakleszczania się elementów złącznych, co niezwykle utrudnia demontaż bez uszkodzenia elementów. Hartowanie powierzchniowe jest skutecznym rozwiązaniem tego problemu, ponieważ utwardza ​​tylko warstwę powierzchniową (kilka do kilkudziesięciu mikronów) elementów złącznych, poprawiając odporność na zużycie i odporność na zacieranie, zachowując jednocześnie odporność na korozję i wytrzymałość materiału podstawowego.

Typowe procesy utwardzania powierzchniowego elementów złącznych ze stali nierdzewnej obejmują azotowanie, nawęglanie i opatentowane procesy oparte na dyfuzji, takie jak Kolsterising® i Super Expanite®. Kolsterising®, proces dyfuzji w niskiej temperaturze, znacznie zwiększa twardość powierzchni elementów złącznych (zwykle powyżej 1000 HV) bez zmiany ich wymiarów i wykończenia powierzchni, dzięki czemu nadaje się do elementów złącznych ze stali austenitycznej i duplex stosowanych w urządzeniach precyzyjnych. Super Expanite® rozwiązuje wady tradycyjnych procesów utwardzania powierzchniowego (takie jak zmniejszona odporność na korozję i mała głębokość hartowania) poprzez utwardzanie zarówno najbardziej zewnętrznej warstwy, jak i materiału znajdującego się pod spodem, co dodatkowo poprawia odporność na korozję i zużycie. Te procesy utwardzania powierzchniowego są szeroko stosowane w elementach złącznych sprzętu medycznego, maszynach precyzyjnych i procesach chemicznych, gdzie odporność na zacieranie i korozję mają kluczowe znaczenie