Obróbka cieplna polega na odpowiednim nagrzewaniu, wygrzewaniu i chłodzeniu do zadanych temperatur i z określoną szybkością, w celu zmiany własności materiału – stopu w stanie stałym. Celem stosowania operacji i zabiegów obróbki cieplnej jest np. zmiana własności mechanicznych i plastycznych poprzez zmianę struktury. Operacje te przeprowadza się również z zastosowaniem dodatkowych czynników np. obróbki mechanicznej lub chemicznej.

Obróbka cieplna dzieli się na zwykłą – tu wyróżniamy wyżarzanie, hartowanie i odpuszczanie, przesycanie i starzenie, cieplno-plastyczną (niskotemperaturową, wysokotemperaturową i z przemianą izotermiczną), cieplno-chemiczną (nasycanie jednym pierwiastkiem i wieloma pierwiastkami) oraz cieplno-magnetyczną. W ramach obróbki cieplnej zwykłej wyróżnia się również inne akcje, na przykład łączące wybrane spośród powyższych procesów. Najpopularniejszymi procesami obróbki cieplnej jest hartowanie i wyżarzanie.

Hartowanie polega na nagrzaniu danego materiału do odpowiedniej temperatury zwanej temperaturą hartowania, wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do przebudowy struktury wewnętrznej materiału (głównie przemian fazowych) oraz następnym odpowiednio szybkim schłodzeniu. Po tak przeprowadzonym zabiegu w materiale powstają lokalne koncentracje naprężeń powodujące zwykle wzrost własności wytrzymałościowych: twardości, wytrzymałości, granicy plastyczności i sprężystości oraz odporności na ścieranie kosztem wzrostu kruchości oraz spadku plastyczności i wydłużenia.

Wyżarzanie z kolei polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze oraz następnym powolnym studzeniu. Celem obróbki jest przybliżenie stanu materiału do warunków jego równowagi. Jednym z najpopularniejszych przykładów jest wyżarzanie normalizujące, którego celem jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej w materiale, a w konsekwencji poprawienie jego własności wytrzymałościowych.

Rys. 1. Analiza procesów produkcyjnych materiałów stanowi jeden z podstawowych elementów szkoleń z obróbki cieplnej [1]

Obróbka cieplna to jedno z najbardziej podstawowych zagadnień nauki o materiałach. Wykorzystywane jest ono niemal wszędzie tam, gdzie o materiałach mowa – w kontekście ich wytwarzania, kształtowania struktury i własności, produkowania z nich wyrobów o konkretnych kształtach, ich jakości i trybologii. Dla osób, które zajmują się projektowaniem detali z materiałów metalowych, technologią ich produkcji, nastawianiem maszyn produkcyjnych oraz weryfikacją jakości wyrobów finalnych obróbka cieplna powinna stanowić bazę wiedzy do dalszego rozwoju. Udział w dedykowanym, dobrze dobranym szkoleniu pozwala osobom, które nie ukończyły studiów wyższych technicznych na pozyskanie niezbędnej wiedzy, która znacznie ułatwi pracę w środowisku przetwórstwa metali. Kierunki takie jak mechanika i budowa maszyn, materiałoznawstwo, lecz także inżynieria biomedyczna czy inżynieria produkcji zapoznają swoich absolwentów z wybranymi aspektami zagadnienia obróbki cieplnej, odpowiednimi do ich specjalizacji. W przypadku inżynierii biomedycznej omawia się obróbkę cieplną w kontekście stali, stopów tytanu, kobaltu.

Na mechanice i budowie maszyn porusza się zagadnienia związane z trybologią, wytrzymałością zmęczeniową, a także niezawodnością elementów maszyn obrabianych cieplnie. Studia poświęcone naukom o materiałach to zaś idealna okazja do poznania całości tematyki obróbki cieplnej i dogłębnego zrozumienia tematu, szczególnie w kontekście praktycznym. Z praktycznym podejściem mają także do czynienia absolwenci techników materiałowych, np. materiałów ogniotrwałych czy wiążących. Szkolenie to kolejny przykład źródła zarówno wiedzy teoretycznej o obróbce cieplnej, jak i jej odsłony w praktyce. Podczas szkolenia stosuje się bowiem nie tylko podejście informacyjne, lecz także analityczne – uczestnicy analizują profesjonalne nagrania z hal produkcyjnych, przedstawiające proces obrabiania cieplnie materiałów metalowych o konkretnych kształtach i zastosowaniu.

Rys. 2. Proces obróbki cieplnej powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby uzyskać konkretne parametry wynikowe wyrobów [2].

Celem szkolenia podstawowego jest nabycie kompleksowej wiedzy z zakresu obróbki cieplnej materiałów metalowych inżynierskich, poznanie własności metalowych materiałów inżynierskich w stanie eksploatacyjnym i przetwórczym oraz metod ich badań, omówienie doboru parametrów decydujących o obróbce cieplnej i ich wpływu na późniejsze własności użytkowe. Analizie poddaje się składniki fazowe występujące w stopach metali żelaznych i nieżelaznych oraz ich przemiany w czasie nagrzewania, przemiany fazowe w czasie chłodzenia stopów metali żelaznych i stopów metali nieżelaznych oraz wady występujące na skutek źle dobranych parametrów obróbki cieplnej.

Osoby, które nie zaczynają z poziomu podstawowego, a posiadają już wiedzę o obróbce cieplnej i chciałyby dowiedzieć się nieco więcej, powinny zwrócić uwagę na zakres kursów zaawansowanych. Można na nich poznać obróbkę cieplną zwykłą, obróbkę cieplno-chemiczną, cieplne metody wytwarzania warstw powierzchniowych, technologii obróbki cieplnej części maszyn i narzędzi, a także wady obróbki cieplnej i metody kontroli jakości procesu oraz urządzenia wykorzystywane w obróbce cieplnej metali, bez których żaden z procesów obróbki nie byłby możliwy.
Szkolenie powinno być prowadzone przed doświadczonego trenera, który z obróbką cieplną ma do czynienia na co dzień. Dzięki temu przekaże on uczestnikom nie tylko suche fakty, lecz przede wszystkim to, co w szkoleniu najcenniejsze – dobre rady praktyczne na przyszłość, informacje o tym jak unikać wad w obróbce i zapewniać jak najlepszą jakość wyrobów. Istotne z punktu widzenia kursanta jest to, aby osoba trenera wiedziała jak wygląda praca z obróbką metali i znała charakterystykę środowiska produkcyjnego.

 Autor: mgr inż. Agnieszka Hyla, konsultantka ds. optymalizacji produkcji Centrum Szkoleń Inżynierskich EMT-Systems sp. z o. o., doktorantka Wydziału Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej

Źródła:
[1] Obróbka cieplna metalowych materiałów inżynierskich, EMT-Systems, http://emt-systems.pl/kurs-obrobka-cieplna-zarys-podstawy.html, dostęp z dnia 23.12.2017.
[2] Urządzenia do obróbki cieplnej, EMT-Systems, http://emt-systems.pl/kurs-urzadzenia-do-obrobki-cieplnej.html, dostęp z dnia 23.12.2017.