OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna to kontrolowany proces termiczny, który zmienia metalurgiczną mikrostrukturę stali w celu uzyskania wymaganych właściwości mechanicznych. W zależności od zastosowanego procesu obróbka cieplna może zwiększyć wytrzymałość, twardość, udarność, odporność na zużycie oraz odporność elementu złącznego na działanie podwyższonej temperatury.

PRZEGLĄD PROCESÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ

Wybór odpowiedniego procesu obróbki cieplnej zależy od składu stali, wymiarów elementu złącznego, wymaganej klasy właściwości oraz planowanego zastosowania.

Proces	Przybliżona temperatura lub metoda	Cel	Typowe zastosowania w elementach złącznych
Wyżarzanie	Tuż poniżej 721°C	Zmiękcza stal i nadaje jej strukturę sferoidalną, ułatwiając formowanie	Walcówka i półfabrykaty przed formowaniem na zimno
Normalizowanie	800–920°C, następnie chłodzenie na powietrzu	Rozdrabnia gruboziarnistą strukturę powstałą po obróbce na gorąco	Półfabrykaty walcowane lub kute na gorąco
Wyżarzanie odprężające	550–650°C	Zmniejsza naprężenia szczątkowe powstałe podczas formowania na zimno	Elementy złączne formowane na zimno o niższych klasach właściwości, jeśli jest to wymagane
Hartowanie	Zwykle powyżej 800°C, następnie szybkie chłodzenie	Tworzy twardą mikrostrukturę martenzytyczną	Pierwszy etap hartowania i odpuszczania
Odpuszczanie	Około 200–650°C	Zmniejsza kruchość i dostosowuje twardość oraz udarność	Stosowane po hartowaniu
Hartowanie i odpuszczanie	Hartowanie i szybkie chłodzenie, następnie odpuszczanie w temperaturze około 340–650°C	Łączy wysoką wytrzymałość z odpowiednią udarnością i ciągliwością	Klasy właściwości 8.8, 10.9 i 12.9
Nawęglanie	Atmosfera bogata w węgiel, następnie hartowanie	Tworzy twardą, odporną na zużycie powierzchnię i bardziej ciągliwy rdzeń	Wkręty samogwintujące, formujące i nacinające gwint, wkręty do płyt wiórowych oraz niektóre wkręty samowiercące
Hartowanie indukcyjne	Miejscowe nagrzewanie indukcyjne wysokiej częstotliwości, następnie szybkie chłodzenie	Zapewnia miejscową twardość i odporność na zużycie	Pręty gwintowane i elementy specjalne

Uwaga: Podane temperatury mają charakter orientacyjny. Dokładny cykl zależy od składu stali, wymiarów elementu złącznego, używanego wyposażenia, wymaganych właściwości oraz obowiązującej normy produktowej.

WYŻARZANIE

Stal jest utrzymywana przez kilka godzin w temperaturze tuż poniżej 721°C, a następnie powoli chłodzona. W trakcie tego procesu struktura zmienia się z twardego perlitu płytkowego w bardziej miękki perlit kulkowy lub sferoidalny. Powstaje w ten sposób stan materiału szczególnie odpowiedni do kucia na zimno oraz innych procesów formowania.

NORMALIZOWANIE (REKRYSTALIZACJA)

Stal jest przez określony czas nagrzewana do temperatury od około 800°C do 920°C, a następnie chłodzona na powietrzu. Proces ten rozdrabnia gruboziarnistą strukturę, która może powstać w wyniku walcowania lub kucia na gorąco. Zmniejszenie wielkości ziarna może poprawić granicę plastyczności i udarność bez znacznego obniżenia wytrzymałości na rozciąganie.

WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE

Formowanie na zimno powoduje powstawanie naprężeń szczątkowych i umocnienie odkształceniowe materiału. Nagrzewanie stalowych elementów złącznych do temperatury od około 550°C do 650°C przez określony czas pozwala zredukować znaczną część tych naprężeń. Następnie elementy złączne są powoli i równomiernie chłodzone, aby zapobiec powstawaniu nowych naprężeń cieplnych. W zależności od materiału i procesu produkcyjnego zabieg ten może być stosowany w przypadku niektórych elementów złącznych formowanych na zimno o niższych klasach właściwości.

HARTOWANIE

Jeśli stal o odpowiedniej zawartości węgla zostanie nagrzana powyżej krytycznej temperatury przemiany — w przypadku stali stosowanych do elementów złącznych często powyżej 800°C — a następnie szybko schłodzona w oleju, wodzie lub innym odpowiednim medium, może powstać twarda, lecz krucha mikrostruktura martenzytyczna.

Uzyskana twardość zależy od zawartości węgla, składu stopowego, przekroju materiału oraz prędkości chłodzenia. Cienkie elementy złączne wykonane z odpowiedniej stali węglowej mogą zostać zahartowane aż do rdzenia. W przypadku większych średnic ciepło nie może zostać wystarczająco szybko odprowadzone z rdzenia. Dlatego do stali można dodawać pierwiastki stopowe, takie jak bor, mangan, chrom, nikiel i molibden, które zwiększają hartowność.

Do hartowania elementów złącznych często wykorzystuje się olej, ponieważ zapewnia bardziej kontrolowaną prędkość chłodzenia niż woda. Woda chłodzi intensywniej, ale może zwiększać ryzyko odkształceń i powstawania pęknięć hartowniczych.

Martenzytyczna mikrostruktura stali po hartowaniu, przedstawiona w skali 50 µm

ODPUSZCZANIE

Wraz ze wzrostem twardości zwiększają się również naprężenia hartownicze i kruchość. Dlatego po hartowaniu należy jak najszybciej przeprowadzić drugi proces obróbki cieplnej, zwany odpuszczaniem. W temperaturach do około 200°C kruchość zmniejsza się tylko nieznacznie, a twardość pozostaje w dużej mierze zachowana. Przy wyższych temperaturach odpuszczania zmniejszają się naprężenia wewnętrzne i twardość, natomiast poprawiają się udarność oraz ciągliwość.

HARTOWANIE I ODPUSZCZANIE

Hartowanie i odpuszczanie to proces łączony, w którym po hartowaniu i szybkim chłodzeniu następuje odpuszczanie w wysokiej temperaturze, zazwyczaj w zakresie od około 340°C do 650°C. Jest to jeden z najważniejszych procesów obróbki cieplnej elementów złącznych o wysokiej wytrzymałości. Zapewnia równowagę pomiędzy wysoką wytrzymałością na rozciąganie i granicą plastyczności a udarnością niezbędną do przenoszenia obciążeń zewnętrznych i dynamicznych. Klasy właściwości 8.8, 10.9 i 12.9 uzyskuje się poprzez kontrolowane hartowanie i odpuszczanie zgodnie z obowiązującymi wymaganiami.

KLASY WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW ZŁĄCZNYCH I OBRÓBKA CIEPLNA

Klasy właściwości określają minimalne właściwości mechaniczne, a nie jedną obowiązkową handlową klasę stali. Materiał i proces produkcyjny są dobierane tak, aby uzyskać wymagane właściwości mechaniczne i fizyczne.

Klasa właściwości	Typowy proces lub obróbka cieplna	Minimalna wytrzymałość na rozciąganie R_m (MPa)	Typowa grupa materiałów
4.6	Zwykle nie jest hartowana i odpuszczana; proces dobiera się tak, aby uzyskać wymagane właściwości	400	Stal niskowęglowa
4.8	Zwykle nie jest hartowana i odpuszczana; można stosować formowanie na zimno lub wyżarzanie odprężające	420	Stal niskowęglowa
5.6	Zwykle nie jest hartowana i odpuszczana; proces dobiera się tak, aby uzyskać wymagane właściwości	500	Stal węglowa
5.8	Zwykle nie jest hartowana i odpuszczana; można stosować formowanie na zimno lub wyżarzanie odprężające	520	Stal niskowęglowa lub stal węglowa
6.8	Zwykle nie jest hartowana i odpuszczana; proces dobiera się tak, aby uzyskać wymagane właściwości	600	Stal węglowa
8.8, d ≤ 16 mm	Hartowana i odpuszczana	800	Stal węglowa lub stal stopowa z borem
8.8, d > 16 mm	Hartowana i odpuszczana	830	Stal stopowa z borem lub inna stal stopowa
10.9	Hartowana i odpuszczana	1 040	Stal średniowęglowa, stal stopowa z borem lub stal stopowa
12.9	Hartowana i odpuszczana	1 220	Stal stopowa

Uwaga: Minimalne wartości wytrzymałości na rozciąganie opierają się na normie ISO 898-1 dla odpowiednich śrub, wkrętów i trzpieni gwintowanych ze stali węglowej oraz stopowej, badanych w temperaturze otoczenia. Gatunki materiałów, skład chemiczny oraz procesy produkcyjne mogą różnić się w zależności od producenta, wymiarów elementu złącznego i specyfikacji produktu.

NAWĘGLANIE

Nawęglanie to proces wzbogacania powierzchni w węgiel, przeprowadzany w atmosferze bogatej w ten pierwiastek. Węgiel dyfunduje do zewnętrznej powierzchni nagrzanego elementu, tworząc cienką warstwę, którą można zahartować w celu uzyskania wysokiej odporności na zużycie, podczas gdy rdzeń pozostaje bardziej ciągliwy i udarny. Nawęglanie jest często stosowane w przypadku wkrętów samogwintujących, formujących i nacinających gwint, wkrętów do płyt wiórowych oraz niektórych wkrętów samowiercących. Do procesów pokrewnych należą węgloazotowanie, azotowanie w kąpieli solnej oraz azotowanie gazowe.

HARTOWANIE INDUKCYJNE

W zastosowaniach specjalnych warstwę odporną na zużycie można uzyskać poprzez szybkie nagrzanie wybranego obszaru za pomocą cewki indukcyjnej wysokiej częstotliwości, bez bezpośredniego kontaktu z obrabianym elementem. Nagrzany obszar jest następnie szybko chłodzony w oleju, wodzie lub innym kontrolowanym medium.

Hartowanie indukcyjne stosuje się wtedy, gdy zwiększona twardość i odporność na zużycie są wymagane tylko w określonej części elementu. Metoda ta może być również odpowiednia dla długich elementów, takich jak pręty gwintowane. Poniższy wykres przedstawia zależność pomiędzy zawartością węgla w stali, temperaturami obróbki cieplnej, kategoriami stali oraz uzyskiwanymi właściwościami mechanicznymi.

Wykres przedstawiający zależność między zawartością węgla w stali, temperaturami obróbki cieplnej, rodzajami stali i właściwościami mechanicznymi

Zależność pomiędzy zawartością węgla, temperaturami obróbki cieplnej, kategoriami stali i właściwościami mechanicznymi

CZĘSTO ZADAWANE PYTANIA DOTYCZĄCE OBRÓBKI CIEPLNEJ

Dlaczego śruby o wysokiej wytrzymałości w klasach 8.8, 10.9 i 12.9 muszą być hartowane i odpuszczane?

Hartowanie tworzy twardą strukturę martenzytyczną niezbędną do uzyskania wysokiej wytrzymałości, jednak bezpośrednio po hartowaniu element złączny jest zbyt kruchy. Dlatego zaraz po nim przeprowadza się odpuszczanie, które zmniejsza naprężenia wewnętrzne i przywraca udarność, zachowując większość uzyskanej wytrzymałości. Połączenie tych procesów zapewnia wymagany poziom wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i ciągliwości w wysoko wytrzymałych połączeniach śrubowych.

Jaka jest różnica między nawęglaniem a hartowaniem na wskroś?

Podczas hartowania na wskroś mikrostruktura zmienia się w całym przekroju elementu złącznego, zwykle poprzez hartowanie i odpuszczanie. Nawęglanie tworzy jedynie cienką, twardą i odporną na zużycie warstwę zewnętrzną, podczas gdy rdzeń pozostaje bardziej ciągliwy i udarny. Proces ten jest często stosowany w przypadku wkrętów samogwintujących, formujących i nacinających gwint, wkrętów do płyt wiórowych oraz niektórych wkrętów samowiercących.

Czy obróbkę cieplną można odwrócić?

Obróbki cieplnej nie można w prosty sposób odwrócić tak, aby zagwarantować odzyskanie pierwotnych właściwości. Wyżarzanie może zmiękczyć zahartowaną stal, po czym można przeprowadzić nowy, kontrolowany cykl obróbki cieplnej. Na efekt końcowy mogą jednak wpływać rozrost ziarna, odwęglenie, odkształcenie oraz wcześniejsze procesy produkcyjne. Spawanie lub niekontrolowane nagrzewanie może obniżyć wytrzymałość elementu złącznego poddanego obróbce cieplnej i powinno być wykonywane wyłącznie wtedy, gdy wyraźnie zezwala na to zatwierdzona procedura.

Jak można sprawdzić, czy elementy złączne zostały prawidłowo poddane obróbce cieplnej?

Oznaczenia na łbie wskazują deklarowaną klasę właściwości i producenta, ale same w sobie nie potwierdzają, że dana partia produkcyjna została prawidłowo poddana obróbce cieplnej. Weryfikacja może obejmować pomiary twardości, próby rozciągania, analizę chemiczną oraz badania metalograficzne. Akredytowane laboratorium Fabory może ocenić właściwości mechaniczne i mikrostrukturę materiału.

Czy obróbka cieplna wpływa na powłokę powierzchniową elementów złącznych?

Obróbkę cieplną przeprowadza się zwykle przed nałożeniem powłoki powierzchniowej. Podczas cynkowania elektrolitycznego wodór może przenikać do stali o wysokiej wytrzymałości lub stali utwardzanej powierzchniowo. Dlatego proces nakładania powłoki musi spełniać wymagania normy ISO 4042 i obejmować odpowiednie środki ograniczające ryzyko. Wygrzewanie po nałożeniu powłoki może zmniejszyć ryzyko kruchości wodorowej, ale nie eliminuje go całkowicie. Cynkowanie ogniowe elementów złącznych reguluje norma ISO 10684. Przydatność tego procesu zależy od klasy właściwości, materiału, procesu trawienia, temperatury cynkowania oraz pierwotnej temperatury odpuszczania. W przypadku elementów złącznych o wysokiej wytrzymałości należy zawsze ocenić zgodność powłoki.

KUP ELEMENTY ZŁĄCZNE PODDANE OBRÓBCE CIEPLNEJ W FABORY

POWIĄZANE PORADNIKI TECHNICZNE

Cynkowanie ogniowe — Dowiedz się, jak powłoki cynkowane ogniowo oddziałują na elementy złączne poddane obróbce cieplnej i dlaczego norma ISO 10684 ma zastosowanie do gwintowanych elementów złącznych.
Cynkowanie elektrolityczne i powłoki ze stopów cynku — Dowiedz się więcej o elektrolitycznych systemach powłokowych oraz ryzyku kruchości wodorowej.
Laboratorium Jakości i Inżynierii — Poznaj możliwości badawcze Fabory w zakresie wytrzymałości na rozciąganie, twardości, składu chemicznego i mikrostruktury.

Ostatnia aktualizacja: lipiec 2026