Obróbka cieplna - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
mellow_99
mellow_9914 March 2013

Obróbka cieplna - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (632.0 KB)
13 strona
735Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: obróbka cieplna stopów żelaza.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 13
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
08_Obrobka_cieplna cz2.pdf

75 JW

Rys. 5.20. Zakresy temperatury wy arzana stali w!glowych na tle wykresu elazo-cmentyt

Wy arzanie normalizuj!ce (normalizowanie) polega na nagrzaniu stali ok. 30-50°C

powy ej Ac3 lub Acm (w przypadku stali nadeuktoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna i równomiernego

roz"o enia sk"adników strukturalnych. Stosunkowo krótkie czasy wygrzewania i do#$ szybkie ch"odzenie w spokojnym powietrzu powoduje uzyskanie korzystnej struktury drobnoziarnistej (rys. 5.5). Normalizowanie polepsza w"asno#ci wytrzyma"o#ciowe stali i w pewnych przypadkach poprawia jej przydatno#$ do obróbki mechanicznej przez skrawanie.

Normalizowanie stosuje si! te cz!sto przed dalsz% obróbk% ciepln% w seryjnej produkcji celem nadania stali jednakowej struktury wyj#ciowej, co ma wp"yw na w"asno#ci stali po obróbce cieplnej.

Wy arzanie zupe!ne ró ni si! od normalizowania tylko sposobem studzenia stali. Polega na nagrzaniu stali powy ej Ac3 i nast!pnie powolnym studzeniu (zwykle z piecem) do temperatury poni ej Ar1, w celu zupe"nego przekrystalizowania stali. Dalsze studzenie mo e si! ju odbywa$ na wolnym powietrzu. Wy arzaniu temu poddaje si! szczególnie stale stopowe, w przypadku których szybko#$ ch"odzenia w spokojnym powietrzu po normalizowaniu jest tak du a, e mo e ju doprowadzi$ do zahartowania. Stal po wy arzaniu zupe"nym ma dobr% plastyczno#$, ma"% twardo#$ i dobr% obrabialno#$.

Wy arzanie niezupe"ne jest to wygrzewanie stali podeutektoidalnej w zakresie temperatury

Ac1 Ac3 i studzenie do temperatury poni ej Ar1 w celu cz!#ciowego przekrystalizowania stali. Jako celowa obróbka cieplna ten rodzaj wy arzania jest rzadziej stosowany.

Wy arzanie sferoidyzuj"ce (sferoidyzowanie) polega na nagrzaniu do temperaturyty bliskiej Ac1

(nieco wy szej), wygrzewaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu sferoidyzacji w!glików. Czas wygrzewania jest stosunkowo d"ugi i mo e wynosi$ od kilku do kilkudziesi!ciu godzin. W wyniku wy arzania sferoidyzuj%cego otrzymuje si! struktur! ziarnistego cementytu w osnowie ferrytycznej (rys. 5.21). Cementyt ziarnisty powstaje przez koagulacj! podczas wygrzewania w temperaturze bliskiej Ac1. Zaokr%glenie wydziele& cementytu nast!puje w tych warunkach przez d% no#$ tej fazy do zmniejszenia energii powierzchniowej. Struktura taka charakteryzuje si! ma"% twardo#ci%, co zapewnia optymaln% podatno#$ na odkszta"cenia plastyczne przy obróbce plastycznej na zimno, a tak e dobr% skrawalno#$. W stali eutektoidalnej i nadeutektoidalnej wy arzanie sferoidyzuj%ce pozwala otrzyma$ korzystn% struktur! wyj#ciow% do hartowania pod warunkiem, e cementyt b!dzie drobny i równomiernie roz"o ony w osnowie ferrytu (rys, 5.21).

docsity.com

76 JW

Rys.5.21. Cementyt ziarnisty (sferoidyt) w stali o zawarto#ci ok. 1% C. Traw. 5% nitalem.x500

Wy arzanie zmi#kczaj!ce (zmi!kczanie) jest to wy arzanie maj%ce na celu zmniejszenie twardo#ci. Przeprowadza si! je zwykle w temperaturze bliskiej Ac1

Wy arzanie rekrystalizuj!ce (rekrystalizowanie) jest to wy arzanie stali utwardzonej plastycznie na zimno, w temperaturze wy szej od temperatury pocz%tku rekrystalizacji, w celu usuni!cia skutków zgniotu i uzyskania okre#lonej wielko#ci ziarna. W praktyce wy arzanie rekrystalizuj%ce stosuje si! najcz!#ciej jako zabieg mi!dzyoperacyjny, który usuwa skutki zgniotu, co umo liwia wykonywanie dalszych operacji obróbki plastycznej na zimno. Zakres temperatury wy arzania rekrystalizuj%cego jest podany na rys. 5.20.

Wy arzanie odpr# aj!ce ma na celu usuni!cie napr! e& mo liwie bez wprowadzenia zmian strukturalnych w stali. Napr! enia wyst!puj% w odlewach, spoinach materia"ach odkszta"conych plastycznie oraz hartowanych. Napr! enia te mog% by$ w pewnych przypadkach tak znaczne, e powoduj% powstawanie p!kni!$ w materiale. Aby temu zapobiec, stosuje si! wy arzanie odpr! aj%ce, polegaj%ce na nagrzaniu i wygrzaniu przedmiotu w temperaturze poni ej Ac1 i powolnym studzeniu Zale nie od rodzaju materia"u oraz od przyczyn wywo"uj%cych napr! enia stosuje si! ró n% temperatur! (rys. 5.20) i ró ny czas wygrzewania. Na ogó" im wy sza temperatura, tym krótszy czas wygrzewania (do kilku godzin).

5.4. Hartowanie

Hartowanie polega na nagrzewaniu przedmiotu do temperatury, w której nast!puje wytworzenie struktury austenitu, i nast!pnie szybkim ch"odzeniu w wodzie lub oleju w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Temperatur! hartowania stali okre#la si! w zale no#ci od temperatur Ac1 Ac3 Acm. Optymalna temperatura hartowania stali podeutektoidalnych jest zwykle

wy sza o 30 50°C od temperatury Ac3, a stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych - wy sza o 30 50°C od Acm. Zakres temperatury hartowania stali w!glowych podany jest schematycznie na rys. 5.22 na tle wykresu elazo-cementyt.

Rys. 5.22. Zakres temperatury hartowania stali w!glowych

docsity.com

77 JW

Hartowanie stali podeutektoidalnych od temperatury wy szej od Ac1 lecz ni szej Ac3 jest niekorzystne, poniewa w strukturze martenzytu wyst!puje równie pewna ilo#$ wolnego ferrytu, który zmniejsza twardo#$ i pogarsza w"asno#ci mechaniczne po odpuszczeniu. Natomiast w przypadku stali nadeutektoidalnych zakres temperatury hartowania powy ej Ac1 i poni ej Acm (rys. 5.22) jest korzystny. Nie uzyskuje si! wprawdzie pe"nego przej#cia stali w austenit, lecz pozostaj%cy w strukturze cementyt drugorz!dowy jest sk"adnikiem o wysokiej twardo#ci i nie pogarsza w"asno#ci mechanicznych. Nagrzewanie za# powy ej Acm jest niebezpieczne i zbyteczne, poniewa nie zwi!ksza twardo#ci stali zahartowanej, lecz przeciwnie - nawet nieco zmniejsza wskutek zwi!kszenia ilo#ci austenitu szcz%tkowego i rozpuszczania si! cementytu. Ponadto podczas nagrzewania powy ej Acm ro#nie ziarno austenitu i zwi!ksza si! mo liwo#$ powstania du ych napr! e& hartowniczych. Rozrost ziarn austenitu powoduje, e w stali zahartowanej otrzymuje si! struktur! martenzytu o grubych ig"ach i grubokrystaliczny prze"om, co jest powodem ma"ej ci%gliwo#ci i niskiej udarno#ci stali.

Hartowanie zwyk"e polega na hartowaniu z ci%g"ym (nie przerywanym) ozi!bianiu z szybko#ci% wi!ksz% od krytycznej w #rodowisku o temperaturze ni szej od temperatury pocz%tku przemiany martenzytycznej (rys. 5.23a). Stale w!glowe hartuje na ogó" w wodzie a stale stopowe w oleju. Przy ch"odzeniu w powietrzu nie uzyskuje si! szybko#ci krytycznych wymaganych dla stali w!glowych i niskostopowych. Jedynie stale wysokostopowe o malej szybko#ci krytycznej ulegaj% zahartowaniu w powietrzu; s% to tak zwane stale samohartuj%ce si!.

Rys. 5.23. Ró ne rodzaje hartowania stali. Schemat przebiegu ch"odzenia na tle wykresu CTP: a) hartowanie zwyk"e, b) hartowanie stopniowe, c) hartowanie z przemian% izotermiczn% (bainityczne); p — powierzchnia, r — rdze& przedmiotu

Hartowanie stopniowe. Zwyk"e hartowanie martenzytyczne powoduje powstawanie napr! e& cieplnych i strukturalnych, co jest cz!sto przyczyn% deformacji i p!kni!$ elementów obrabianych cieplnie. Aby tego unikn%$, stosuje si! w niektórych przypadkach hartowanie stopniowe. Jest to hartowanie z pierwszym stopniem ozi!biania w k%pieli solnej o temperaturze nieco wy szej od Ms, w ci%gu czasu niezb!dnego do ozi!bienia ca"ego przekroju przedmiotu do temperatury k%pieli, i z drugim stopniem ozi!biania w powietrzu. Czas przetrzymywania w k%pieli solnej nie mo e by$ d"u szy ni wynosi czas trwa"o#ci austenitu w tej temperaturze - rys. 5.23b. Hartowanie stopniowe jest stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów o ma"ych przekrojach i skomplikowanym kszta"cie.

Hartowanie bainityczne z przemian! izotermiczn! jest zabiegiem cieplnym polegaj%cym na hartowaniu i ozi!bianiu w k%pieli solnej o temperaturze bliskiej, lecz nieco wy szej od Ms i wytrzymaniu w tej k%pieli w czasie zapewniaj%cym ca"kowite uko&czenie przemiany bainitycznej i nast!pnie och"odzeniu na powietrzu (rys. 5.23c). Ten rodzaj hartowania ma wszystkie dodatnie cechy hartowania stopniowego, a wi!c zmniejszenie napr! e& cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszenie mo liwo#ci powstawania p!kni!$ i deformacji, a ponadto zapewnia uzyskanie przez stal du ej udarno#ci, lecz ni szej twardo#ci od martenzytu.

docsity.com

78 JW

5.5. Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstwy powierzchniowej

przedmiotu do temperatury powy ej Ac3 (temperatury austenityzacji) i ozi!bieniu z du % szybko#ci% niezb!dn% do uzyskania struktury martenzytycznej w tej warstwie. Celem hartowania powierzchniowego jest nadanie warstwie powierzchniowej wysokiej twardo#ci i odporno#ci na #cieranie, przy zachowaniu ci%gliwego rdzenia. Hartowaniu powierzchniowemu poddaje si! stale w!glowe o zawarto#ci 0,4-0,6% oraz stale niskostopowe o zawarto#ci 0,3-0,6% C. Elementy, od których wymaga si! wi!kszej wytrzyma"o#ci, przed hartowaniem powierzchniowym poddaje si! ulepszaniu cieplnemu, tj. hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu. Najcz!#ciej stosowanymi metodami hartowania powierzchniowego s%: a) hartowanie p"omieniowe — polegaj%ce na nagrzewaniu powierzchni p"omieniem gazowym, zwykle acetylenowo-tlenowym, za pomoc% palnika o du ej wydajno#ci, i na intensywnym ozi!bieniu strumieniem wody; b) hartowanie indukcyjne — polegaj%ce na nagrzewaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu pr%dami wirowymi, wzbudzonymi przez pr%d zmienny o wielkiej cz!stotliwo#ci p"yn%cy we wzbudniku w postaci uzwojenia, i nast!pnie szybkim ozi!bianiu natryskiem wodnym; c) hartowanie k%pielowe — polegaj%ce na nagrzewaniu powierzchni przez krótkie zanurzenie do k%pieli solnej lub metalowej i nast!pnie ozi!bieniu; d) hartowanie kontaktowe lub oporowe, przy którym powierzchnia przedmiotu nagrzewa si! w miejscu styku elektrody w postaci rolki dociskowej z powierzchni przedmiotu na skutek oporu

omowego;

e) hartowanie elektrolityczne, podczas którego grzanie odbywa si! w elektrolicie wskutek przep"ywu pr%du o du ym nat! eniu przez elektrolit, przy czym katod% jest przedmiot nagrzewany.

Stosowane jest równie hartowanie z grzaniem powierzchniowym laserowym, elektronowym i plazmowym.

Wspóln% cech% metod hartowania powierzchniowego jest zapewnienie tak szybkiego nagrzewania, aby przedmiot osi%gn%" temperatur! hartowania tylko do pewnej zadanej g"!boko#ci. Temperatura warstwy powierzchniowej przy szybkim nagrzewania przekracza zwykle znacznie (o ok. 100°C) w"a#ciw% temperatur! hartowania, a jednak nie wywiera ujemnego wp"ywu na w"asno#ci stali, gdy czas nagrzewania jest du o krótszy ni przy hartowaniu zwyk"ym i praktycznie rozrost ziarn nie wyst!puje.

Wszystkie metody hartowania powierzchniowego wymagaj% bardzo dok"adnego opracowania warunków nagrzewania i #cis"ego dostosowania ich do kszta"tu i %danej charakterystyki hartowanej powierzchni.

Wybór jednej z metod hartowania powierzchniowego oraz sposób wykonania zabiegu zale % m.in. od wielko#ci i kszta"tu obrabianych przedmiotów, od ich ilo#ci oraz od %danej g"!boko#ci utwardzenia.

Hartowanie p"omieniowe pozwala na osi%gni!cie g"!boko#ci zahartowania od oko"o 2 do 8 mm, przy minimalnej #rednicy przedmiotu 20 mm. Na wyniki hartowania maj% wp"yw takie czynniki, jak: wydajno#$ palnika, kszta"t jego ko&cówek, szybko#$ posuwu palnika lub przedmiotu, odleg"o#$ palnika od powierzchni, czas up"ywaj%cy mi!dzy ko&cem grzania a pocz%tkiem ch"odzenia, intensywno#$ ch"odzenia.

Zale nie od kszta"tu i wielko#ci hartowanego przedmiotu rozró nia si! dwa sposoby hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ci%g"e posuwowe lub posuwowo- obrotowe.

Metoda jednoczesnego hartowania polega na nagrzewaniu od razu ca"ej powierzchni przedmiotu i po osi%gni!ciu w"a#ciwej temperatury na jej szybkim och"odzeniu. Najcz!#ciej spotykan% odmian% tego sposobu jest hartowanie obrotowe, w czasie którego palnik jest nieruchomy, a przedmiot obraca si! z okre#lon% pr!dko#ci% - rys. 5.24. Sposób ten stosowany jest do przedmiotów okr%g"ych o niewielkich #rednicach.

docsity.com

79 JW

Rys. 5.24. Hartowanie powierzchniowe p"omieniowe jednoczesne obrotowe

Metoda hartowania ci%g"ego polega na post!powym ci%g"ym nagrzewaniu powierzchni i post!puj%cym za nim ozi!bianiu ci%g"ym za pomoc% natryskiwacza znajduj%cego si! za palnikiem. Metod! t! stosuj! si! do przedmiotów o du ej powierzchni p"askiej – rys. 5.25, lub krzywoliniowej, d"ugich przedmiotów walcowych (hartowanie posuwowo-obrotowe – rys. 5.26 oraz przedmiotów o du ej #rednicy.

Hartowaniu p"omieniowemu poddaje si! przedmioty wykonane ze stali w!glowych o zawarto#ci 0,45 0,60% C oraz niektóre gatunki stali manganowych chromowych i chromowo- wanadowych. Najwi!ksze zastosowanie ta metoda hartowania znalaz"a przy miejscowym utwardzaniu du ych cz!#ci maszyn produkowanych pojedynczo lub w niewielkich seriach. Stosowana jest równie przy hartowaniu kó" z!batych o du ych modu"ach oraz wa"ów o du ych #rednicach I d"ugo#ci do 10 m.

Hartowanie indukcyjne (rys. 5.27) pozwala na osi%gni!cie mniejszych g"!boko#ci zahartowania ni przy hartowaniu p"omieniowym (ok. 0,2 - 5 mm).

G"!boko#$ warstwy, w której indukuj% si! pr%dy wirowe mo na obliczy$ za pomoc% empirycznego wzoru:

gdzie: ! - oporno#$ w"a#ciwa " - przenikalno#$ magnetyczna

f - cz!stotliwo#$ pr%du w Hz Przenikalno#$ magnetyczna stali w!glowej gwa"townie maleje w temperaturze

przemiany magnetycznej (punkt Curie) i przy dalszym nagrzewaniu prawie nie

ulega zmianie. G"!boko#$ przenikania pr%dów wirowych wynosi dla:

f Cd

#"

! $

]mm[ f

600 d:austenitu

]mm[ f

17 d:ferrytu

Fe

Fe

$

$

%

&

docsity.com

80 JW

G"!boko#$ warstwy zahartowanej zale y od trzech czynników: cz!stotliwo#ci pr%du, mocy w"a#ciwej urz%dzenia (mocy we wzbudniku przypadaj%cej na jednostk! powierzchni nagrzewanego przedmiotu) oraz czasu nagrzewania. Ze wzgl!du na konieczno#$ szybkiego nagrzewania powierzchni przedmiotu w grzejnictwie indukcyjnym stosowane s% cz!stotliwo#ci pr%du w granicach 1-5000 kHz.. Dla przyk"adu mo na poda$, e przy cz!stotliwo#ci f = 1000 Hz g"!boko#$ hartowania d = 6 mm, natomiast przy f = 450 000 Hz - d = 0,9 mm.

Wielko#$ nagrzewanej powierzchni zale y od mocy generatora. Orientacyjne zapotrzebowanie mocy niezb!dnej do nagrzania l cm2 wynosi 0,3-3,0 kW. Rozrzut ten jest spowodowany zró nicowan% konstrukcj% wzbudników, których kszta"t uzale niony jest od hartowanej powierzchni. Du % rol! odgrywa te szczelina pomi!dzy wzbudnikiem a powierzchni% nagrzewan%. W praktyce szczelina ta powinna zawiera$ si! w granicach 1-3 mm.

Rys.5.27. Schemat grzania indukcyjnego; l — induktor - wzbudnik, .1 -pr!t nagrzewany, 3 - linie pola magnetycznego, Iw pr%d we wzbudniku, Ip — pr%d w przedmiocie

Czas grzania, niezb!dny do osi%gni!cia temperatury austenityzacji, zale ny jest cz!stotliwo#ci pr%du i mocy generatora. Teoretycznie dla bardzo ma"ych powierzchni i ma"ych g"!boko#ci czas grzania mo e wynosi$ u"amek sekundy, w praktyce zawiera si! wgranicach 2 20 s. Ze wzgl!du na bardzo du y koszt urz%dze&, hartowanie indukcyjne stosuje si! w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Dla ka dego typu przedmiotu wykonuje si! specjalny wzbudnik,

Rys. 5.25. Hartowanie powierzchniowe Rys. 5.26. Hartowanie powierzchnie

p"omieniowe ci%gle posuwowe p"omieniowe ci%gle posuwowo-obrotowe

docsity.com

81 JW

#ci#le dostosowany do kszta"tu i wymiarów przedmiotu. Podobnie jak przy hartowaniu p"omieniowym, równie przy hartowaniu indukcyjnym rozró nia si! dwie podstawowe metody hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ci%g"e posuwowe lub posuwowo- obrotowe – rys. 5.28

Rys. 5.28. Schemat hartowania indukcyjnego ci%g"ego, posuwowo-obrotowego; l - wzbudnik dwuzwojowy, 2 - natryskiwacz, 3 - przedmiot

Ogólna zasada hartowania indukcyjnego jest podobna do hartowania p"omieniowego z t% ró nic%, e w miejscu palników umieszczony jest wzbudnik, który bardzo cz!sto spe"nia rol! natryskiwacza.

W przemy#le najwi!ksze zastosowanie znalaz"o hartowanie indukcyjne, a nast!pnie p"omieniowe. Inne metody hartowania powierzchniowego jak: k%pielowe, kontaktowe czy elektrolityczne, stosowane s% sporadycznie.

5.6. Hartowno$% i utwardzalno$% stali

Cechami charakteryzuj%cymi stal zahartowan% s% utwardzalno#$ i hartowno#$. Poj!cia te s% zbie ne, gdy okre#laj% w"asno#ci stali zahartowanej, które s% #ci#le od siebie uzale nione. Przezutwardzalno#$ rozumie si! zdolno#$ stali do utwardzania si! przy hartowaniu, a okre#la j% maksymalna twardo#$ mierzona na powierzchni stali, któr% uzyskano przy optymalnych parametrach hartowania. Twardo#$ po hartowaniu jest zale na od zawarto#ci w!gla w stali. Wy sza zawarto#$ w!gla w martenzycie zwi!ksza twardo#$ stali, ale tylko do zawarto#ci ok. 0,9% C. W stalach nadeutektoidalnych, dla których optymaln% temperatur% hartowania jest Ac1+ 30°C, zawarto#$ w!gla w martenzycie po hartowaniu jest sta"a, zmienia si! natomiast ilo#$ cementytu, który jednak nie wp"ywa w sposób istotny na zmian! twardo#ci. Z kolei przez hartowno$% rozumie si! g"!boko#$ na jak% stal da si! zahartowa$. Miar% hartowno#ci jest wi!c grubo#$ strefy zahartowanej. Przy hartowaniu przedmiotów stalowych nie nast!puje zwykle zahartowanie na wskro#, gdy szybko#$ ch"odzenia jest wi!ksza na powierzchni, a mniejsza w rdzeniu. Rozk"ad szybko#ci ch"odzenia na przekroju okr%g"ego pr!ta podczas hartowania przedstawiono w przybli eniu lini% ci%g"% na rys. 5.28a. Je eli szybko#$ hartowania w #rodkowej cz!#ci pr!ta b!dzie mniejsza od krytycznej szybko#ci hartowania Vkr to pr!t nie zahartuje si! na wskro#, jego struktura w rdzeniu b!dzie si! sk"ada"a z perlitu i bainitu, a g"!boko#$ strefy zahartowanej b!dzie równa tylko grubo#ci warstwy zakreskowanej.

docsity.com

82 JW Strefa nie zahartowana

Rys. 5.29. Hartowanie pr!ta stalowego Vkr - krytyczna szybko#$ ch"odzenia. Vp - szybko#$ ch"odzenia powierzchni. Vr - szybko#$ ch"odzenia rdzenia

Na rysunku 5.29 przedstawiono równie wykres CTP, na którym naniesiono linie szybko#ci ch"odzenia: powierzchni – Vp i rdzenia - Vr próbki oraz zaznaczono szybko#$ krytyczn% Vkr. Jest oczywiste, e ze zmniejszeniem krytycznej szybko#ci hartowania wzrasta g"!boko#$ warstwy zahartowanej. Tak wi!c, im mniejsza jest Vkr dla danej stali, tym wi!ksza jest jej hartowno#$. Warto#$ Vkr jest #ci#le zwi%zana z szybko#ci% przemiany austenitu w struktury perlityczne, a zatem z po"o eniem krzywej pocz%tku przemiany na wykresie CTP, które z kolei zale ne jest od gatunku stali.

G"!boko#$ warstwy zahartowanej zmienia si! tak e zale nie od u ytego #rodka ozi!biaj%cego. Je eli #rodek ozi!biaj%cy szybciej b!dzie odbiera" ciep"o ze stali, to na wi!kszej g"!boko#ci od powierzchni stal b!dzie ch"odzona z szybko#ci% wi!ksz% od krytycznej. Na przyk"ad warstwy zahartowane w przedmiotach ch"odzonych w wodzie s% grubsze ni warstwy po hartowaniu w oleju.

Jako g"!boko#$ warstwy zahartowanej przyjmuje si! zwykle umownie odleg"o#$ od powierzchni do pocz%tku warstwy o strukturze pó"martenzytycznej, czyli do tej warstwy przekroju, w której struktura sk"ada si! w 50% z martenzytu i w 50% ze struktur niemartenzytycznych. Najwi!ksza #rednica pr!ta okr%g"ego, przy której zachodzi zahartowanie na wskro# (tj. w #rodku pr!ta b!dzie 50% martenzytu), nazywana jest #rednic% krytyczn% Do. Stref! pó"martenzytyczn% mo na "atwo okre#li$ na podstawie bada& mikrostruktury lub, co jest "atwiejsze, na podstawie pomiarów twardo#ci. Nale y zaznaczy$, e twardo#$ strefy pó"martenzytycznej, podobnie jak twardo#ci martenzytu, zale y od zawarto#ci w!gla i dla ró nych gatunków stali b!dzie inna.

Metody okre$lania hartowno$ci

Metoda krzywych U. Hartowno#$ i #rednic! krytyczn% dla danego gatunku stali mo na okre#li$ metod% pomiaru twardo#ci na przekroju poprzecznym zahartowanej próbki. W tym celu poddaje si! hartowaniu w tych samych warunkach kilka próbek ró nych #rednicach, nast!pnie przecina si! je i dokonuje pomiaru twardo#ci wzd"u #rednicy próbki. Wyniki pomiarów nanosi si! na wykres, który wygl%dem przypomina liter! U (rys . 5.30). St%d metoda ta nosi nazw! krzywych U. W celu pe"nego scharakteryzowania hartowno#ci badanej stali, wyniki pomiarów twardo#ci dla wszystkich próbek nanosi si! na jeden zbiorczy wykres. Na rysunku 5.31 przedstawione s% dwa wykresy zbiorcze dla stali w!glowej o zawarto#ci 0,4% C i stali chromowej o zawarto#ci 0,45% C i 1,0% Cr. Twardo#$ struktury pó"martenzycznej dla stali o tej zawarto#ci w!gla wynosi ok. 45 HRC. Jak wida$ na wykresie, stal stopowa ma wi!ksz% hartowno#$, gdy próbka o #rednicy 50 mm zahartowa"a si! na wskro# (Do = 50 mm), natomiast

docsity.com

83 JW

w przypadku stali w!glowej na wskro# zahartowa"a si! jedynie próbka o #rednicy ok. 15 mm (Do = 15 mm).

Rys. 5.30. Badanie hartowno#ci stali metod% krzywych U. Rozk"ad twardo#ci na

przekroju próbki

Rys. 5.31. Krzywe U dla pr!tów o ró nej #rednicy: a) stal w!glowa o zawarto#ci 0,45% C, b) stal stopowa o zawarto#ci 0,40% C i 1,0% Cr

Metoda Jominy'ego. Metoda krzywych U jest do#$ k"opotliwa, gdy wymaga wykonania i przebadania wielu próbek. Z tego wzgl!du obecnie najcz!#ciej stosowan% metod% oznaczania hartowno#ci stali jest metoda hartowania od czo"a (Jminy'ego). Próba ta jest znormalizowana i opisana w normie PN-79/H-04402 polega ona na nagrzaniu próbki o znormalizowanych

wymiarach (' 25 mm, d"ugo#$ 100 mm) do temperatury austenityzacji i nast!pnie ozi!bieniu jej od czo"a strumieniem wody. Nast!pnie po obu stronach próbki wzd"u tworz%cej dokonuje si! pomiarów twardo#ci metod% Rockwella lub Vickersa. 'rednie arytmetyczne kolejnych pomiarów z obu stron próbki nanosi si! na wykres przedstawiaj%cy zmian! twardo#ci w funkcji odleg"o#ci od czo"a (rys. 5.31). Korzystaj%c z tego wykresu oraz znaj%c twardo#$ struktury pó"martenzytycznej dla danej stali, mo na okre#li$, w jakiej odleg"o#ci od czo"a otrzymamy struktur! pó"martenzytyczn%. Nast!pnie na podstawie odpowiednich nomogramów uwzgl!dniaj%cych o#rodek ch"odz%cy mo na okre#li$ #rednic! krytyczn% Dp badanej stali. Wykonuj%c szereg prób hartowno#ci dla ró nych wytopów tego samego gatunku stali i nanosz%c wyniki pomiarów twardo#ci na ten sam wykres, otrzymuje si! tzw.pasmo hartowno#ci (rys. 5.32

docsity.com

84 JW

Rys. 5.32 Kszta"t i wymiary próbki do badania hartowno#ci metod% Jominy'ego; na tle próbki krzywa rozk"adu twardo#ci wzd"u tworz%cej

Rys.5.33. Pasmo hartowno#ci dla stali w!glowej o zaw. ok. 0,50% C

5.7. Odpuszczanie

Hartowanie martenzytyczne jest pierwszym etapem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych.

Ma"a plastyczno#$ i du e napr! enia w"asne uniemo liwiaj% bezpo#rednie stosowanie stali konstrukcyjnej w takim stanie, jaki otrzymuje si! po hartowaniu. Niezb!dny jest nast!pny zabieg cieplny - odpuszczanie, który zwi!ksza plastyczno#$ i ci%gliwo#$, a zmniejsza napr! enia w"asne. Odpuszczanie jest wi!c ko&cowym zabiegiem obróbki cieplnej (ulepszania cieplnego) stali konstrukcyjnej, ustalaj%cym ostatecznie jej w"asno#ci. Wyj%tek stanowi tu jedynie hartowanie bainityczne, po którym odpuszczanie nie jest wymagane.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury ni szej od temperatury przemiany eutektoidalnej i ch"odzeniu do temperatury otoczenia.

Zale nie od stosowanej temperatury rozró nia si! odpuszczanie niskie, #rednie i wysokie. Odpuszczanie niskie przeprowadza si! w zakresie temperatury 150-250°C celem

usuni!cia napr! e& hartowniczych, przy zachowaniu du ej twardo#ci i odporno#ci na #cieranie. Stosuje si! g"ównie do stali narz!dziowych.

Odpuszczanie #rednie przeprowadza si! w zakresie temperatury 250-500°C w celu uzyskania przez stal du ej wytrzyma"o#ci i spr! ysto#ci. Twardo#$ ulega przy tym do#$ znacznemu obni eniu. Tego rodzaju odpuszczaniu poddaje si! spr! yny, resory, matryce, cz!#ci silników, samochodów itp.

Odpuszczanie wysokie przeprowadza si! w zakresie temperatury powy ej 500°C i poni ej Acl. Ma ono na celu m.in. uzyskanie mo liwie najwy szej udarno#ci dla danej stali, przy jednoczesnym zwi!kszeniu stosunku Re do Rm. Stal konstrukcyjna odpuszczona wysoko po hartowaniu uzyskuje struktur! sorbityczn% i odznacza si! z regu"y wy sz% granic% plastyczno#ci i wy szym wyd"u eniem i przew! eniem ni ta sama stal o strukturze perlitycznej. Podczas wysokiego odpuszczania, poza zmianami strukturalnymi, zachodzi

docsity.com

85 JW

jednocze#nie prawie ca"kowite usuni!cie napr! e& powsta"ych podczas hartowania. Odpuszczanie wysokie stosuje si! do wi!kszo#ci stali konstrukcyjnych.

Temperatur! i czas odpuszczania dobiera si! w zale no#ci od w"asno#ci, jakie maj% by$ otrzymane.

Schemat zmian w"asno#ci mechanicznych stali konstrukcyjnych w zale no#ci od temperatury odpuszczania przedstawiony jest na rys. 5.34.

Rys. 5.34. Zmiana w"asno#ci mechanicznych stali konstrukcyjnej w zale no#ci od temperatury odpuszczania

Krucho$% odpuszczania. Temperatura odpuszczania i szybko#$ ch"odzenia przy odpuszczaniu maj% znaczny wp"yw na udarno#$ konstrukcyjnej stali stopowej. W przypadku powolnego ch"odzenia stali po odpuszczaniu krzywa charakteryzuj%ca jej udarno#$ ma dwa minima: dla oko"o 300°C i oko"o 500 ÷ 600°C. Jest to zjawisko tzw. krucho#ci odpuszczania pierwszego i drugiego rodzaju.

Rys. 5.35. Wp"yw temperatury odpuszczania i szybko#ci ch"odzenia po odpuszczaniu na udarno#$ stali

Krucho#$ odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania w

temperaturze oko"o 300°C niezale nie od sk"adu chemicznego stali i szybko#ci ch"odzenia po odpuszczaniu (rys. 5.35 i 5.36). Z tego wzgl!du nale y unika$ odpuszczania w tym zakresie temperatury.

docsity.com

86 JW

Rys. 5.36. Udarno#$ stali w ró nych temperaturach w zale no#ci od szybko#ci ch"odzenia po odpuszczaniu

Krucho#$ odpuszczania drugiego rodzaju ujawnia si! po odpuszczaniu w temperaturze

powy ej 500°C w przypadku, gdy po odpuszczaniu przedmiot jest ch"odzony powoli, natomiast w razie szybkiego ch"odzenia udarno#$ nie zmniejsza si!, wzrasta monotonicznie z podwy szaniem temperatury odpuszczania (rys. 5.35.). Wzrost szybko#ci ch"odzenia po odpuszczaniu powoduje równie przesuni!cie progu krucho#ci w kierunku ni szych temperatur (rys. 5.36). Sk"onno#$ do krucho#ci odpuszczania drugiego rodzaju wykazuj% tylko niektóre konstrukcyjne stale stopowe np. chromowo-manganowe, chromowo-niklowe lub chromowo-wanadowe, natomiast nie s% do niej sk"onne np. stale w!glowe i stale stopowe z dodatkiem Mo.

5.8. Przesycanie i starzenie stopów elaza Przesycaniem nazywa si! operacj! ciepln% polegaj%c% na: 1) nagrzaniu stali do temperatury, w

której wydzielona faza przechodzi do roztworu sta"ego, tj. powy ej temperatury granicznej rozpuszczalno#ci, 2) wygrzaniu w tej temperaturze, 3) ozi!bieniu w celu zatrzymania rozpuszczonego sk"adnika w roztworze przesyconym (rys. 4.37). Stan przesycony jest nietrwa"y i stop d% y do przej#cia w stan równowagi, co mo e nast%pi$ stosunkowo "atwo np. po podgrzaniu. W stanie przesyconym stop ma wi!ksz% plastyczno#$, natomiast twardo#$ i wytrzyma"o#$ ulegaj% zmniejszeniu.

Przesycanie stosowane jest np. do stali chromowo-niklowej o strukturze austenitycznej

(stale kwasoodporne) lub o du ej zawarto#ci manganu. Stale te nagrzewa si! do temperatury ok. 1100°C i nast!pnie ozi!bia si! w wodzie. Celem tego zabiegu jest rozpuszczenie w!glików i uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej. Obróbka taka zwi!ksza przede wszystkim odporno#$ na korozj! mi!dzykrystaliczn% stali typu 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Przesycanie stosuje si! równie w przypadku wysokostopowych stali arowytrzyma"ych i stali o specjalnych w"asno#ciach magnetycznych. Zabieg ten ponadto jest szeroko stosowany do wielu stopów metali nie elaznych.

docsity.com

87 JW Starzenie polega na nagrzaniu i wytrzymaniu uprzednio przesyconego roztworu w

temperaturze znacznie ni szej od temperatury granicznej rozpuszczalno#ci w celu wydzielenia o odpowiednim stopniu dyspersji sk"adnika lub sk"adników znajduj%cych si! w nadmiarze w przesyconym roztworze sta"ym. W przypadku niektórych stopów procesy starzenia zachodz% ju w temperaturze otoczenia, co nosi nazw! starzenia naturalnego (samorzutnego). W czasie starzenia zachodz% zmiany strukturalne zbli aj%ce sk"ad stopu do stanu równowagi. Wydzielanie si! w czasie starzenia sk"adnika (znajduj%cego si! w przesyconym roztworze sta"ym) w postaci skupie& lubfaz o du ej dyspersji powoduje utwardzanie stopu. Z tego wzgl!du po"%czenie zabiegów przesycenia i starzenia nosi nazw! utwardzania wydzieleniowego.

W stalach niskow!glowych przeznaczonych do g"!bokiego t"oczenia, a tak e w stalach kot"owych starzenie jest niekorzystne, gdy obni a plastyczno#$ i powoduje krucho#$. Zjawisko to wyst!puje silniej w stalach nieuspokojonych, gdy oprócz w!gla w ferrycie rozpuszczony jest tak e azot, który tworzy z elazem faz! mi!dzyw!z"ow% Fe4N. Szybkie ch"odzenie np. od temperatury walcowania powoduje zatrzymanie prawie ca"ej ilo#ci rozpuszczonych sk"adników w ferrycie, które nast!pnie wydzielaj% si! podczas starzenia, zw"aszcza na granicach ziarn. Starzenie mo e zachodzi$ ju w temperaturze otoczenia, zw"aszcza w ci%gu d"u szych okresów czasu, i powoduje pogorszenie w"asno#ci plastycznych stali.

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome