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

Obróbka cieplna stopów żelaza - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (1.2 MB)
25 strona
420Liczba 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 / 25
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.
materialoznawstwo-_skrypt cz2.pdf

63 JW

5. OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ELAZA

Zwi!zek mikrostruktury z w"asno#ciami mechanicznymi stali

W asno!ci wytrzyma o!ciowe i technologiczne stali s" zwi"zane z jej mikrostruktur" zale#n" w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej, tj. od ró#norodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlega a. Wykorzystuj"c fizykochemiczne zjawiska wyst$puj"ce przy ogrzewaniu i ozi$bianiu stali mo#na doprowadzi% do wytworzenia si$ w niej najbardziej po#"danych sk adników strukturalnych, nadaj"cych je okre!lone w asno!ci wytrzyma o!ciowe. I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wy#arza si$ zmi$kczaj"co lub normalizuje, w wyniku czego powstaje struktura ferrytyczno-perlityczna, odznaczaj"ca si$ ma " twardo!ci" i wytrzyma o!ci", ale do!% znaczn" ci"gliwo!ci". W asno!ci takie u atwiaj" wykonanie obróbki wiórowej, wi$c w tym przypadku s" one po#"dane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego.

Natomiast w gotowym wyrobie, podlegaj"cym znacznym napr$#eniom, struktura ferrytyczno- perlityczna cz$sto nie zapewnia wystarczaj"cej wytrzyma o!ci i twardo!ci. W celu polepszenia tych w asno!ci, przy jednoczesnym uzyskaniu dobrej ci"gliwo!ci i udarno!ci, stosuje si$ ulepszanie cieplne, polegaj"ce na hartowaniu i odpuszczaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura sorbityczna. Stal w stanie ulepszonym jest

materia em konstrukcyjnym znacznie bardziej warto!ciowym ni# ta sama stal w stanie nieulepszonym. Dlatego jest regu ", #e wysokojako!ciow" stal konstrukcyjn", zw aszcza stopow", nale#y stosowa% jedynie w stanie ulepszonym. Z kolei wyroby podlegaj"ce !cieraniu (np. narz$dzia) powinny odznacza% si$ bardzo du#" twardo!ci". Wykorzystuje si$ wtedy wysok" twardo!% jak" odznacza si$ struktura martenzytyczna powstaj"ca przy hartowaniu. Obróbka cieplna zwyk a jest to rodzaj obróbki cieplnej, w wyniku której uzyskuje si$ zmiany w asno!ci metali i stopów b$d"ce g ównie funkcj" temperatury i czasu.

Czasem jednak "czy si$ równie# zabiegi obróbki cieplnej z odkszta caniem-plastycznym, z dzia aniem pola magnetycznego lub te# z dzia aniem chemicznym !rodowiska. Mamy wówczas do czynienia odpowiednio z obróbk" cieplno-plastyczn", cieplno-magnetyczn" lub cieplno- chemiczn".

Zwi!zek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi

Aby do danego stopu mo#na by o stosowa% poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny si$ w nim dokonywa% przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinne zachodzi% przemiany alotropowe lub powinna wyst$powa% wyra&na zmiana rozpuszczalno!ci pewnych jego sk adników.

Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego uk adu mo#na ustali% jak; rodzaj obróbki cieplnej mo#na zastosowa% do danego stopu i w jakich zakresach temperatury nale#y t$ obróbk$ przeprowadzi%.

W zwi"zku z tym proces obróbki cieplnej stali nale#y rozpatrywa%, korzystaj"c wykresu równowagi fazowej uk adu #elazo-cementyt (rys. 5.1). Temperatury równowagi faz w tym uk adzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyj$to powszechnie oznacza% liter" A z odpowiednim wska&nikiem. Najni#sza z tych temperatur A1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A2 jest temperatur" przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A3, wyznaczona przez punkty le#"ce na linii GS, jest temperatur" graniczn" równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.

Aby odró#ni% temperatury pocz"tku i ko'ca przemian podczas nagrzewania od tych#e temperatur podczas ch odzenia dodaje si$ do litery A wska&nik c w przypadku nagrzewania lub wska&nik r w przypadku ch odzenia (np. Ac1, Ar3).

docsity.com

64 JW

Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej #elazo-cementyt

5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali zwi!zane z obróbk! ciepln! Przemiany fazowe w stali s" wynikiem tego, #e wskutek zmiany warunków, np. temperatury,

jeden stan staje si$ mniej trwa y ni# drugi. To w a!nie jest przyczyn" przemian zachodz"cych w stali. Nale#y zaznaczy%, #e mo#e w niej wyst$powa% kilka podstawowych struktur, a istot" najwa#niejszych przemian jest w a!nie przej!cie jednej struktury w drug". Tymi podstawowymi strukturami s":

W procesach obróbki cieplnej stali wyst$puj" nast$puj"ce podstawowe przemiany I. Przemiana ferrytu w austenit

Fe (C) ! Fe"(C)

II. Przemiana austenitu w ferryt

Fe "(C) ! Fe (C)

III. Przemiana perlitu w austenit

(Fe (C) + Fe3C) ! Fe"(C)

IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne)

Fe"(C) ! Fe (C) + Fe3C

V. Przemiana austenitu w martenzyt

Fe"(C) ! Fe ’ (C)

VI. Przemiana martenzytu w mieszanin$ ferrytu i cementytu

Fe’ (C) ! Fe (C) + Fe3C

ferryt Fe (C)

austenit Fe"(C)

martenzyt Fe '(C)

perlit (Fe (C)+Fe3C)

sta y roztwór w$gla w #elazie , sta y roztwór w$gla w #elazie " ,

sta y, przesycony roztwór w$gla w #elazie (jest to faza metastabilna),

eutektoidalna mieszanina ferrytu Fe (C) i cementytu Fe3C.

docsity.com

65 JW

5.1.1. Przemiana perlitu w austenit

Przemiana perlitu w austenit przebiega powy#ej temperatury równowagi austenitu z ferrytem i cementytem. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, tj. zachodzi rozpuszczanie si$ cementytu i równomierne rozmieszczanie si$ w$gla w austenicie drog" dyfuzji. W zwyk ych warunkach stosunkowo szybkiego nagrzewania stali wyst$puje opó&nienie przemiany i konieczne jest podwy#szenie temperatury, aby przemiana zasz a w okre!lonym czasie. Perlit przegrzany powy#ej temperatury Ac1 przemienia si$ w austenit z ró#n" szybko!ci", zale#nie od stopnia przegrzania. Szybko!% przebiegu tej przemiany zale#y równie# w znacznym stopniu od pocz"t- kowej struktury stali, tj. od stopnia dyspersji cementytu i od jego kszta tu. Im drobniejsze s" cz"stki cementytu, a tym samym wi$ksza ich ogólna powierzchnia, tym szybciej zachodz" opisane przemiany.

Zabieg cieplny polegaj"cy na wygrzewaniu stali w celu wytworzenia struktury austenitu przed ch odzeniem nazywany jestaustenityzowaniem.

4.1.2. Zmiana wielko#ci ziarna austenitu

Przekroczenie temperatury przemiany Ac1 zaznacza si$ raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo powsta e ziarna austenitu s" zawsze bardzo drobna i w zasadzie ich wymiary nie zale#" od wielko!ci ziarn perlitu, z którego utworzy si$ austenit. Rozdrobnienie ziarna austenitu w czasie przemiany jest zwi"zane z tworzeniem si$ du#ej liczby zarodków nowych ziarn na olbrzymiej i bardzo rozwini$tej powierzchni granicznej mi$dzy ferrytem i cementytem.

Dalsze nagrzewanie (lub wygrzewanie) po dokonanej przemianie wywo uje rozrost ziarn austenitu (rys. 5.2 i 5.3).

Rys. 5.2. Schemat zmiany wielko!ci ziarna stali eutektoidalnej w czasie nagrzewania powy#ej temperatury A1

Zjawisko rozrostu jest procesem samorzutnym, gdy# jego nast$pstwem jest zmniejszenie "cznej powierzchni ziarn (zmniejsza si$ energia powierzchniowa), wysoka temperatura zapewnia dostatecznie szybki przebieg tego procesu.

W praktyce rozró#nia si$ dwa typy stali (rys. 5.3): stale wykazuj"ce sk onno!% do rozrostu ziarn austenitu, który zaczyna si$ po niewielkim

przekroczeniu temperatury Ac1 stale te nazywamy gruboziarnistymi; stale nie maj"ce sk onno!ci do rozrostu ziarn austenitu bezpo!rednio po przekroczeniu

temperatury Ac1 W stalach tych ziarno zaczyna si$ rozrasta% dopiero po nagrzaniu ich do temperatury ok. 1000°C.

Zbyt wysokie i d ugotrwa e wygrzewanie stali podczas austenityzowania powoduje wi$c rozrost ziarn austenitu. Z kolei wielko!% ziarna perlitu zale#y od wyj!ciowej wielko!ci ziarna austenitu, z którego powsta perlit. Im wi$ksze s" ziarna austenitu, tym wi$ksze tworz" si$ na ogó ziarna perlitu. Powstanie struktury gruboziarnistej jest niepo#"dane, gdy# stal taka charakteryzuje si$ ni#sz" wytrzyma o!ci" i udarno!ci". Dlatego w czasie austenityzowania stali sk onnych do rozrostu ziarna nale#y !ci!le przestrzega% okre!lonych temperatury i czasu grzania.

docsity.com

66 JW

Rys. 5.3. Schemat przedstawiaj"cy zmian$ wielko!ci ziarna austenitu w czasie nagrzewania stali gruboziarnistej (krzywa a) i stali drobnoziarnistej (krzywa b)

Rys. 5.4. Stal w$glowa o zawarto!ci 0,45%C Rys. 5.5. Stal w$glowa o zawarto!ci 0,45% C w stanie wy#arzonym o strukturze gruboziar- w stanie normalizowanym. Struktura drobno- nistej. Widoczne ciemne pola perlitu i jasne ziarnista. Traw. 5% Nitalem. Powi$ksz. 100x ziarna ferrytu. 5% Nital. Powi$ksz.100x

Na rysunku 5.4 przedstawiona jest struktura stali w$glowej podeutektoidalnej o zawarto!ci 0,45% C w stanie przegrzanym, charakteryzuj"cej si$ du#ym ziarnem. Z kolei na rys. 5.5 widoczna jest struktura drobnoziarnista tej samej stali w stanie normalizowanym, tj. po

nagrzewaniu do temperatury tylko ok. 30 # 50 o C powy#ej temperatury A3 i ch odzeniu na

powietrzu.

5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne

Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze

ni#szej ni# A1. Rozpoczyna si$ przy pewnym przech odzeniu, gdy energia swobodna mieszaniny ferrytu z cementytem (perlitu) stanie si$ mniejsza od energii swobodnej austenitu. Im ni#sza jest temperatura przemiany, tj. im wi$ksze przech odzenie, tym wi$ksza jest ró#nica swobodnych energii i tym szybciej przebiega przemiana.

Z drugiej strony przemianie austenitu w perlit towarzyszy dyfuzja po "czona z przegrupowaniem w$gla, gdy# powstaj" dwie fazy znacznie ró#ni"ce si$ zawarto!ci" w$gla od austenitu. Ferryt zawiera bardzo ma o w$gla (maks. ok. 0,02%). cementyt za! 6,67% w$gla. Szybko!% dyfuzji raptownie zmniejsza si$ przy obni#aniu temperatury, w zwi"zku z tym wzrost przech odzenia powoduje zmniejszenie szybko!ci przebiegu przemiany. W wyniku "cznego dzia ania obu czynników szybko!% przemiany pocz"tkowo zwi$ksza si$ ze wzrostem przech odzenia, osi"gaj"c przy pewnej warto!ci przech odzenia swe maksimum, a potem zmniejsza si$.

docsity.com

67 JW

Wykresy CTP

Przebieg procesu przemiany przech odzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywa% na podstawie wykresów rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura,

przemiana). Na wykresach tych naniesione s" linie pocz"tku i ko'ca przemian we wspó rz$dnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozró#nia si$ wykresy dla przemian austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w

warunkach ch odzenia ci"g ego, oznaczane CTPc. Na rysunku 4.6 podany jest schematycznie wykres CTP; dla stali w$glowej eutektoidalnej. Trwa o!% przech odzonego austenitu zmienia si$ w zale#no!ci od temperatury. Dla stali eutektoidalnej przy ma ych przech odzeniach trwa o!% austenitu jest du#a, nast$pnie zmniejsza si$ i minimum wyst$puje w temperaturze ok. 500°C, po czym znowu trwa o!% austenitu jest coraz wi$ksza a# do temperatury ok. 200°C, poni#ej której przech odzony austenit przechodzi w martenzyt. Wykresy CTPi, buduje si$ wykorzystuj"c krzywe kinetyczne przemiany austenitu, dla okre!lonego stopnia przech odzenia, wskazuj"ce ilo!% wytworzonego perlitu w zale#no!ci od czasu jaki up yn" od pocz"tku przemiany.

Rys. 5.6. Wykres CTPi przedstawiaj"cy linie pocz"tku i ko'ca przemian austenitu przech odzonego w warunkach izotermicznych

Na rysunku 5.7 pokazano kilka krzywych kinetycznych obrazuj"cych przebieg przemiany w ró#nych temperaturach, a wi$c i przy ró#nych stopniach przech odzenia. Jak wida%, w pocz"tkowym okresie przemiana odbywa si$ z bardzo ma " pr$dko!ci", jest to tzw. okres inkubacyjny. Punkty p1, p2, p3 wskazuj" czas, w którym do!wiadczalnie stwierdza si$ pocz"tek przemiany (wytworzone jest ju# wówczas ok. 0,5% perlitu). W miar$ up ywu czasu wzrasta szybko!% przemiany (szybko!% ta jest maksymalna, gdy przemianie uleg o ok. 50% austenitu), nast$pnie przebiega ona coraz wolniej, a# wreszcie ko'czy si$ w punktach k1, k2, k3. Z krzywych kinetycznych obrazuj"cych przemian$ austenitu w perlit odmierza si$ czasy od pocz"tku ch odzenia do pocz"tków i ko'ców przemiany, a odpowiadaj"ce im przy ró#nych temperaturach punkty pikrozmieszcza si$ w uk adzie temperatura-log czasu, na prostych poziomych odpowiadaj"cych tym temperaturom. Otrzymuje si$ w ten sposób wykres CTPi, (rys. 5.7 II).

Struktury, jakie otrzymuje si$ w wyniku przemiany, zale#" od stopnia przech odzenia austenitu, czyli od temperatury przemiany.

Zakres temperatury od A1 do ok. 500°C odpowiada przemianie austenitu w perlit. Perlit utworzony w temperaturze wysokiej przy ma ym stopniu przech odzenia jest grubop ytkowy.

docsity.com

68 JW

Natomiast w miar$ obni#ania temperatury perlit staje si$ coraz drobniejszy, jego p ytki staj" si$ coraz cie'sze i powstaje struktura o stosunkowo du#ym stopniu dyspersji, która nosi nazw$ perlitu drobnego.

Rys. 5.7. Wykres izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej;

A - austenit, P - perlit, B - bainit, M –martenzyt

Stopie' dyspersji perlitu wp ywa na jego w asno!ci mechaniczne, tak np. twardo!% perlitu grubego w przypadku stali w$glowej eutektoidalnej wynosi ok. 15 HRC, a perlitu bardzo drobnego dochodzi do 40 HRC (rys. 5.7).

W stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przemiana perlityczna poprzedzona jest

innymi przemianami strukturalnymi. W stali podeutektoidalnej z austenitu tworzy si$ najpierw ferryt, a w stalach nadeutektoidalnych przed rozpocz$ciem przemiany perlitycznej wydziela si$ z austenitu cementyt (rys. 5.8). Dalsza przemiana perlityczna przebiega podobnie, jak w stali

eutektoidalnej. Na rysunku 5.9 podany jest schematycznie wykres CTPi, dla stali w$glowej podeutektoidalnej, na którym naniesiono dodatkowe linie przemian izotermicznych (dla ró#nych temperatur) prowadz"cych do powstania odpowiednich struktur. Z kolei rys. 5.10 przedstawia wykres dla tej samej stali ale przy ch odzeniu ci"g ym (CTPc); zaznaczono równie# linie ch odzenia prowadz"ce do powstania ró#nych struktur.

Rys. 5.8. Wykres CTP dla stali: a) podeutektoidalnej, b) nadeutektoidalnej

docsity.com

69 JW

Obni#enie temperatury rozpadu austenitu powoduje, #e przemiana zachodzi w warunkach utrudnionej dyfuzji. Struktura produktów rozpadu austenitu w takich linkach nosi nazw$ bainitu. W przypadku stali eutektoidalnych przemiana austenitu w bainit zachodzi w temperaturze ok.

500-200°C (rys. 5.6, 5.7), przy czym rozró#nia si$ bainit dolny o strukturze drobnoiglastej i jeszcze wi$kszym stopniu dyspersji wydziele' cementytu. W odró#nieniu od perlitu ferryt w bainicie zawiera znacznie wi$cej w$gla (tym wi$cej, im ni#sza by a temperatura przemiany). Bainit górny wykazuje twardo!% ok. 45 HRC, natomiast twardo!% bainitu dolnego wynosi ok. 55 HRC. T$ stosunkowo du#" twardo!% t umaczy si$ znaczn" dyspersj" struktury oraz zniekszta ceniem sieci.

Rys. 5.10. Wykres przemian austenitu w warunkach ch odzenia ci"g ego (CTPc) dla stali podeutektoidalnych

Przyk adowe wykresy CTPi I CTPc dla stali 45 (w$glowa konstrukcyjna wy#szej jako!ci) przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5.11 i 5.12.

Rys. 5.11. Wykres CTPi stali 45

docsity.com

70 JW

Rys. 5.12. Wykres CTPc stali 45

Na wykresach CTPi izotermy reprezentuj" temperatury Ac1, Ac3 lub Acm oraz Ms i Mf. Krzywe mi$dzy izotermami Ac1 i Ms przedstawiaj" pocz"tek i koniec przemian dyfuzyjnych. Dodatkowa linia przed krzyw" pocz"tku przemiany odpowiada pocz"tkowi wydzielania ferrytu lub cementytu (w$glików) w stalach odpowiednio przed- lub zaeutektoidalnych. Czasami na wykresach umieszcza si$ dodatkowo: krzywa odpowiadaj"c" zaawansowaniu przemian dyfuzyjnych w 50%, izotermy odpowiadaj"ce uzyskaniu 20, 50 lub 90% martenzytu oraz podaje twardo!ci struktur- produktów przemian. Na wykresach CTPc ponadto nanoszone s" linie reprezentuj"ce poszczególne szybko!ci ch odzenia i odpowiadaj"ce im twardo!ci Brinella lub Vickersa (w kó kach).

5.1.4. Przemiana austenitu w martenzyt Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poni#ej okre!lonej dla danej stali temperatury,

oznaczonej zwykle symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura ko'ca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W przypadku stali w$glowych temperatury Ms i, Mf obni#aj" si$ wraz ze wzrostem zawarto!ci w$gla i sk adników stopowych, tak #e przy wi$kszej ich zawarto!ci temperatura Mf mo#e by% ni#sza od 0°C (rys. 5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko cz$!ciowo W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilo!% tzw. austenitu szcz"tkowego. Ze wzgl$du na nisk" temperatur$ procesu przemiana martenzytyczna jest przemian" bezdyfuzyjn". W jej wyniku nast$puje przebudowa sieci sze!ciennej zwartej (regularnej !ciennie centrowanej) austenitu na sie% sze!cienn" centrowan" (regularn" przestrzennie centrowan") #elaza alfa bez dyfuzji umo#liwiaj"cej wydzielanie w$gla. Martenzyt w stalach w$glowych jest wi$c przesyconym roztworem sta ym w$gla w #elazie alfa. Wtr"cony mi$dzyatomowo w$giel zniekszta ca struktur$ #elaza alfa, tak, #e po przemianie martenzyt ma sie% tetragonaln". Stopie' tetragonalno!ci zwi$ksza si$ proporcjonalnie do zawarto!ci w$gla w martenzycie; przy zawarto!ci ok. 1,2% C stopie' tetragonalno!ci, czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05.

Makroskopowo martenzyt ma charakterystyczn" struktur$ iglast", co t umaczy si$ tym, #e martenzyt sk ada si$ z p ytek przesyconego w$glem ferrytu, które w p aszczy&nie przeci$cia (wykonania szlifu metalograficznego) s" podobne do igie (rys. 5.14).

docsity.com

71 JW

Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ci"g e obni#anie temperatury w zakresie od Ms doMf.. Przy sta ej temperaturze powstawanie martenzytu ustaje. Ponadto przemiana austenitu w martenzyt mo#e zaj!% dopiero przy odpowiednio du#ej szybko!ci ch odzenia. Najmniejsza szybko!% ch odzenia, w wyniku której austenit przechodzi wy "cznie w martenzyt, nazywana jest krytyczn! szybko#ci! ch"odzeniaVk (rys. 5.15).

Rys. 5.13. Po o#enie punktów pocz"tku Ms Rys. 5.14. Typowa struktura martenzytu. i ko'ca Mf przemiany martenzytycznej w Stal 35 zahartowana w wodzie. Traw. 2% zale#no!ci od zawarto!ci w$gla Nitalem, x500

Rys. 5.15. Przebieg ch odzenia stali z ró#n" szybko!ci" na tle wykresu CTP; Vk —szybko!% krytyczna ch odzenia

Na kszta t krzywych CTP du#y wp yw maj" sk adniki stopowe dodawane do stali konstrukcyjnych. Sk adniki te powoduj" przesuni$cie linii pocz"tku i ko'ca przemiany austenitu w prawo w stosunku do po o#enia tych linii dla stali w$glowych (rys. 5.16a) lub powoduj" jednoczesne przesuni$cie i zmian$ kszta tu tych linii polegaj"c" na ich rozdwojeniu (rys. 5.16b). Zjawisko to jest korzystne o tyle, #e krytyczna szybko!% ch odzenia Vk dla stali stopowych jest w rezultacie znacznie ni#sza ni# w przypadku stali w$glowych.

docsity.com

72 JW

Rys. 4.14. Porównanie po o#enia i kszta tu linii pocz"tku przemiany przech odzonego austenitu na wykresach CTP: a) dla stali w$glowej i dla stali stopowych zawieraj"cych pierwiastki nie tworz"ce w$glików, b) dla stali w$glowej i dla stali stopowych zawieraj"cych pierwiastki w$glikotwórcze

4.1.5. Przemiany zachodz!ce podczas odpuszczania martenzytu

Martenzyt, który powstaje w wyniku szybkiego ch odzenia austenitu, czyli hartowania, jest struktur" metastabiln", która ju# po niewielkim podgrzaniu zaczyna ulega% przemianom. Operacja obróbki cieplnej, polegaj"ca na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur le#"cych poni#ej temperatury A1, i nast$pnie ch odzeniu, nosi ogólnie nazw$odpuszczania.

Podczas odpuszczania martenzytu w stalach w$glowych i niskostopowych mo#na obserwowa% kolejno, w poszczególnych zakresach temperatur, nast$puj"ce zmiany: I. W zakresie temperatury 80-200°C nast$puje przemiana martenzytu tetragonalnego w

martenzyt regularny - zwany te# martenzytem odpuszczonym - co zwi"zane jest z wydzielaniem w$gla z martenzytu w postaci w$glika $. W$glik ten wykazuje zmienny sk ad wahaj"cy si$ w granicach Fe2C-Fe3C. Przemiana w tym zakresie temperatury zwi"zana jest ze skurczem próbki, co mo#na zarejestrowa% za pomoc" bada' dylatometrycznych (rys. 5.17).

Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiaj"ca ró#ne stadia przemian

zachodz"cych w czasie odpuszczania stali zahartowanej; %l - przyrost d ugo!ci próbki

docsity.com

73 JW

II. W zakresie temperatury 200 -300°C zachodzi przemiana austenitu szcz"tkowego w martenzyt odpuszczony i w$glik #elaza, a tak#e zachodzi w dalszym ci"gu wydzielanie w$glika z martenzytu. Poniewa# obj$to!% w a!ciwa austenitu jest mniejsza ni# martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje si$ rozszerzanie si$ próbki (rys. 5.18).

III. W zakresie temperatury 300-400°C nast$puje zarodkowanie i wzrost wydziele' cementytu Fe3C, przy czym w$glik $ rozpuszcza si$, a w$giel dyfunduje do rosn"cych wydziele' cementytu Fe3C. W tym stadium zachodzi równie# intensywny proces zanikania napr$#e' w asnych. W temperaturze ok. 400°C zawarto!% w$gla w ferrycie osi"ga ju# warto!% odpowiadaj"c" stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje si$ skurcz próbki.

IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powy#ej 400°C nast$puje proces koagulacji wydziele' cementytu, a wyj!ciowe ig y martenzytu ulegaj" zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwy#szych temperaturach odpuszczania procesami dominuj"cymi staj" si$ rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura sk ada si$ z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazw$sorbitu (rys. 5.18).

Rys. 5.18. Mikrostruktura stali o zawarto!ci 0,35% C zahartowanej i odpuszczonej w 600°C. Sorbit. Traw. 2% Nitalem. x500

Na rysunku 4.17 przedstawione s" schematycznie kolejne stadia procesów zawodz"cych w czasie odpuszczania zahartowanej stali.

Rys. 5.19. Schemat przedstawiaj"cy procesy zachodz"ce podczas odpuszczania zahartowanej stali

docsity.com

74 JW

5.2. Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stali

Schemat klasyfikacji podstawowych operacji obróbki cieplnej zwyk ej stopów #elaza przedstawiono na rys. 5.20. W obróbce cieplnej stali rozró#nia si$ trzy g ówne grupy operacji cieplnych: operacje wy#arzania, operacje hartowania i odpuszczania, operacje przesycania i starzenia. Najwi$ksze znaczenie spo!ród wymienionych rodzajów obróbki cieplnej stali ma hartowanie martenzytyczne z nast$puj"cym po nim odpuszczaniem, czyli tzw. ulepszanie cieplne lub utwardzanie cieplne. Ulepszanie cieplne polepsza znacznie ca y zespó mechanicznych w asno!ci stali i jest obecnie podstawowym rodzajem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych.

5.3. Wy$arzanie

Wy#arzanie jest operacj" obróbki cieplnej polegaj"c" na nagrzaniu stali do okre!lonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym ch odzeniu w celu otrzymania struktury bardziej zbli#onej do stanu równowagi.

Rozró#nia si$ kilka rodzajów wy#arzania stali, z których ka#dy ma na celu osi"gni$cie okre!lonych w asno!ci materia u, cz$sto bardzo ró#ni"cych si$ pomi$dzy sob" (rys. 5.20).

Zakresy temperatury, w jakich przeprowadza si$ poszczególne, wa#niejsze rodzaje operacji wy#arzania, podane s" na rys. 5.21.

Rys. 5.20. Podstawowe operacje obróbki cieplnej zwyk ej stopów #elaza

Wy$arzanie ujednorodniaj!ce (ujednorodnianie, homogenizowanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury niewiele ni#szej od temperatury solidusu, d ugotrwa ym wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym ch odzeniu w celu zmniejszenia niejedno-rodno!ci sk adu chemicznego i struktury. Zakres praktycznie stosowanej temperatur} wynosi ok. 1050-1250°C.

Czas wygrzewania wynosi dla wlewków ok. 12-15 h

Niejednorodno!% sk adu chemicznego wyst$puje w stali na skutek likwacji w czasie krzepni$cia wlewka oraz segregacji dendrytycznej. Podczas wygrzewana pierwiastki nierównomiernie roz o#one w stali, np. w$giel lub sk adniki stopowe dyfunduj" z miejsc bogatszych do ubo#szych, przez co wyrównuje si$ sk ad chemiczny stali. Przez ujednorodnianie mo#na zmniejszy% w znacznym stopniu segregacj$ dendrytyczn", nie daje si$ natomiast usun"% likwacji strefowej, co mo#e nast"pi% dopiero przez obróbk$ plastyczn", np. kucie lub walcowanie.

Wysoka temperatura i d ugi czas wy#arzania ujednorodniaj"cego powoduj" silny rozrost ziarna i dlatego w celu poprawienia struktury przeprowadza si$ dodatkow" obróbk$ ciepln" — wy#arzanie normalizuj"ce.

Podczas ujednorodniania zachodz" równie# takie niekorzystne procesy, jak odw$glenie powierzchniowe i utlenienie powierzchni, co powoduje straty materia u.

docsity.com

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 Ac1lecz 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$biania wk"pieli solnej o temperaturze nieco wy#szej od Ms, w ci"gu czasu niezb$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$bianiu w k"pieli solnej o temperaturze bliskiej, lecz nieco wy#szej od Msi wytrzymaniu w tej k"pieli w czasie zapewniaj"cym ca kowite uko'czenie przemiany bainitycznej i nast$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$dzie mniejsza od krytycznej szybko!ci hartowania Vkrto pr$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 niskieprzeprowadza 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 #rednieprzeprowadza 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 wysokieprzeprowadza 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 rodzajupowstaje 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!ciw 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 $elaza Przesycaniemnazywa si$ 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 Starzeniepolega 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