Obróbka cieplna dla części obrabianych CNC

Istnieje wiele sposobów na zmianę właściwości metali i ich reakcji na obróbkę precyzyjną. Jedną z tych metod jest obróbka cieplna. Obróbka cieplna wpływa na wiele różnych aspektów metali, w tym na wytrzymałość, twardość, ciągliwość, obrabialność, formowalność, plastyczność i sprężystość. Wpływa także na fizyczne i mechaniczne właściwości metalu, zmieniając w ten sposób jego zastosowanie lub przyszłą pracę z nim. Zmiany te zachodzą w wyniku zmian mikrostruktury, a czasami składu chemicznego materiału.

W tym miejscu dokładnie przeanalizujemy najczęściej stosowane w obróbce CNC obróbki cieplne związane ze stopami metali oraz ich wpływ na części w obróbce precyzyjnej.

Co to jest obróbka cieplna?

Wiele standardowych zakładów produkcyjnych CNC stosuje obróbkę cieplną. Producenci mogą zmienić wytrzymałość, plastyczność i odporność na korozję gotowych komponentów, decydując się na włączenie procesów obróbki cieplnej.

Obróbka ta polega na podgrzaniu stopu metalu do (zwykle) ekstremalnej temperatury, a następnie schłodzeniu w kontrolowanych warunkach w celu zmiany stanu fizycznego lub właściwości mechanicznych materiału. Temperatura, do której materiał jest podgrzewany, czas utrzymywania tej temperatury oraz szybkość chłodzenia mają duży wpływ na końcowe właściwości fizyczne stopu metalu.

Częścią procesu projektowania i inżynierii jest określenie, jakie właściwości fizyczne są wymagane dla danej części, oraz wybór najlepszego metalu, który spełni te wymagania. Obróbka cieplna stopów metali przed lub po przetworzeniu może znacznie poprawić kluczowe właściwości fizyczne. Obróbka cieplna zwiększa twardość, wytrzymałość lub obrabialność metalu.

Rodzaje obróbki cieplnej

Wyżarzanie

Wyżarzanie to proces obróbki cieplnej, w którym materiał jest podgrzewany do temperatury krytycznej, a następnie powoli chłodzony. Proces wyżarzania zmienia strukturę fizyczną materiału, czyniąc go bardziej miękkim i plastycznym.

Wyżarzanie to metoda obróbki cieplnej, w której metal, taki jak aluminium, miedź, stal, srebro lub mosiądz, jest podgrzewany do określonej temperatury i utrzymywany w tej temperaturze przez pewien czas, aby uległ przemianie, a następnie chłodzony powietrzem. Proces ten zwiększa plastyczność metalu i zmniejsza jego twardość, dzięki czemu metal jest łatwiejszy w obróbce. Miedź, srebro i mosiądz mogą być chłodzone szybko lub powoli, natomiast metale żelazne, takie jak stal, muszą być zawsze stopniowo chłodzone, aby mogło dojść do wyżarzania.

Wyżarzanie przeprowadza się zwykle po uformowaniu wszystkich stopów metali, a przed dalszą obróbką, aby je zmiękczyć i poprawić ich obrabialność, dzięki czemu twardsze materiały nie ulegają łatwo pęknięciu lub złamaniu. Jeśli nie określono innej obróbki cieplnej, większość części obrabianych CNC będzie miała właściwości materiału w stanie wyżarzonym.

Odpuszczanie

Odpuszczanie również podgrzewa części w temperaturze niższej niż wyżarzanie, zwykle po hartowaniu stali miękkiej (1045 i A36) oraz stali stopowej (4140 i 4240). Odpuszczanie może być stosowane do zmiany twardości, plastyczności i wytrzymałości metali, co zwykle ułatwia ich obróbkę. Metal jest podgrzewany do temperatury poniżej punktu krytycznego, ponieważ niższa temperatura zmniejsza kruchość przy jednoczesnym zachowaniu twardości.

Odciążanie

Odprężanie polega na podgrzaniu elementu do wysokiej temperatury (ale niższej niż wyżarzanie), a następnie powolnym schłodzeniu go. Zwykle stosuje się ją po obróbce CNC, aby wyeliminować naprężenia szczątkowe powstałe podczas procesu produkcyjnego. W ten sposób można uzyskać części o bardziej spójnych właściwościach mechanicznych.

Usunięcie naprężeń jest warunkiem koniecznym do wyeliminowania naprężeń wewnętrznych materiału powstałych w poprzednim procesie produkcyjnym. W przypadku braku eliminacji naprężeń części będą pękać lub tracić tolerancję podczas użytkowania, co ostatecznie doprowadzi do uszkodzenia części.

Hartowanie

Hartowanie polega na podgrzaniu metalu do bardzo wysokiej temperatury, a następnie przeprowadzeniu etapu szybkiego chłodzenia. Zazwyczaj materiał jest zanurzany w oleju lub wodzie albo wystawiany na działanie strumienia zimnego powietrza. Jednak w zależności od końcowych właściwości mechanicznych wymaganych przez daną część, czasami stosuje się polimery lub sole. Szybkie chłodzenie "utrwala" zmiany mikrostrukturalne, którym ulega materiał po podgrzaniu, co skutkuje bardzo wysoką twardością części.

Części są zwykle hartowane po obróbce CNC, jako ostatni etap procesu produkcyjnego, w celu uzyskania wysokiej twardości powierzchni. Proces odpuszczania może być następnie wykorzystany do kontrolowania twardości wynikowej. Na przykład twardość stali narzędziowej A2 po hartowaniu wynosi 63-65 HRC, ale można ją odpuszczać do twardości pomiędzy 42 a 62 HRC. Odpuszczanie może zmniejszyć kruchość części, a tym samym wydłużyć ich żywotność (najlepsze rezultaty osiąga się, stosując twardość 56-58 HRC).

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie powierzchniowe to seria zabiegów cieplnych, które pozwalają uzyskać wysoką twardość powierzchni części przy jednoczesnym zachowaniu miękkości wewnątrz materiału. Jest to zwykle lepsze rozwiązanie niż dodawanie twardości do całej objętości części (na przykład przez hartowanie), ponieważ twardsze części są również bardziej kruche.

Nawęglanie jest najczęściej stosowaną obróbką cieplną polegającą na nawęglaniu. W przypadku metali o niskiej zawartości węgla (takich jak stal) konieczne jest wstrzyknięcie dodatkowego węgla na powierzchnię, a następnie hartowanie części w celu zablokowania węgla w matrycy metalowej, co zwiększa twardość powierzchni stali w sposób podobny do tego, w jaki anodowanie zwiększa twardość powierzchni stopów aluminium.

Hartowanie powierzchniowe to proces stosowany zwykle jako ostatni etap po obróbce mechanicznej. W wyniku połączenia wysokiej temperatury z innymi pierwiastkami i substancjami chemicznymi powstaje utwardzona warstwa zewnętrzna. Ponieważ hartowanie sprawia, że metale stają się bardziej kruche, hartowanie powierzchniowe jest przydatne w zastosowaniach wymagających elastycznych metali z trwałymi warstwami ścieralnymi.

Kiedy stosuje się obróbkę cieplną?

Stopy metali mogą być poddawane obróbce cieplnej podczas całego procesu produkcyjnego. W przypadku części obrabianych CNC zwykle stosuje się następujące rodzaje obróbki cieplnej:

Przed obróbką CNC: Jeśli wymagane jest dostarczenie znormalizowanego gatunku stopu metalu, dostawca usług CNC będzie bezpośrednio przetwarzał części z materiału magazynowego. Jest to zwykle najlepsza opcja pozwalająca skrócić czas dostawy.

Po obróbce CNC: Niektóre rodzaje obróbki cieplnej mogą znacząco zwiększyć twardość materiału lub są stosowane jako etap wykończeniowy po formowaniu. W takich przypadkach wysoka twardość zmniejsza obrabialność materiału, dlatego obróbka cieplna jest wykonywana po obróbce CNC. Jest to na przykład standardowa praktyka podczas obróbki CNC elementów ze stali narzędziowej.

Jak określić obróbkę cieplną w zamówieniu?

Podczas składania zamówienia CNC istnieją trzy sposoby określenia obróbki cieplnej:

Podać odniesienie do norm produkcyjnych:

Wiele rodzajów obróbki cieplnej zostało znormalizowanych i są one powszechnie stosowane. Na przykład oznaczenie T6 w stopach aluminium (6061-T6, 7075-T6 itp.) oznacza, że materiał został zahartowany metodą opadów atmosferycznych.

Określ wymaganą twardość:

Jest to powszechna metoda określania obróbki cieplnej i hartowania powierzchniowego stali narzędziowych. W ten sposób wskazuje się producentowi, jaką obróbkę cieplną należy przeprowadzić po obróbce CNC. Na przykład, dla stali narzędziowej D2 twardość wynosi zwykle 56-58 HRC.

Określenie cyklu obróbki cieplnej:

Wymaga to zaawansowanej wiedzy metalurgicznej. Jeśli wiesz, w jaki sposób różne rodzaje obróbki cieplnej wpływają na metale, możesz określić wymagany proces obróbki cieplnej, co pozwoli na modyfikację właściwości materiału w danym zastosowaniu.