Obróbka cieplna stali, Prezentacje z Mechatronika

Pobierz Obróbka cieplna stali i więcej Prezentacje w PDF z Mechatronika tylko na Docsity!

Obróbka cieplna stali

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury , czasu oraz działania ośrodka.

Rodzaje obróbki cieplnej

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

- obróbkę cieplną zwykłą , - obróbkę cieplno-chemiczną , - obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną), - obróbkę cieplno-magnetyczną. W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu. Podczas obróbki cieplno-chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek , w którym odbywa się obróbka. W obróbce cieplno-mechanicznej (cieplno-plastycznej) na własności obrabianego materiału wpływa ponadto odkształcenie plastyczne. W obróbce cieplno-magnetycznej istotne znaczenie odgrywa natomiast pole magnetyczne. Klasyfikację obróbki cieplnej przedstawiono na rysunkach 9. 1 i 9. 2. Bardziej szczegółowe informacje na ten temat podano w PN- 93 /H- 01200. Terminologię związaną z obróbką cieplną stopów żelaza zawiera PN-EN 10052 : 1999.

Rysunek 9. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej.

Operacje i zabiegi obróbki cieplnej

Operacja obróbki cieplnej jest częścią procesu technologicznego , wykonywaną w sposób ciągły , przeważnie na jednym stanowisku roboczym (rys. 9. 3 ). Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej (rys. 9. 4 ). Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:

- nagrzewanie , - wygrzewanie , - chłodzenie. Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Rysunek 9. Zmiany temperatury podczas operacji obróbki cieplnej.

Rysunek 9. Zabiegi obróbki cieplnej.

Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z

szybkością dużą - oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w

pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane

wychładzaniem (rys. 9. 4 ).

Przemiany w stali podczas chłodzenia

W stali nagrzanej do temperatury austenityzowania , podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany zgodnie z wykresem równowagi faz żelazo-cementyt. Znacznie większe szybkości chłodzenia stosowane w praktyce powodują przesunięcie przemian do niższej temperatury. W czasie chłodzenia austenitu , w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury przechłodzenia , mogą zachodzić przemiany :

- martenzytyczna , - bainityczna , - perlityczna.

Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200 °C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej vk. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt , czyli przesycony roztwór węgla w żelazie a (rys. 9. 6 ). Rysunek 9. Sieciowa komórka elementarna martenzytu (wg A.B. Greningera i A.R. Troiano).

Przemiana bainityczna

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450 - 200 °C. W wyniku przemiany powstaje bainit , będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna (rys. 9. 9 a ). W obszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania bardzo drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu , ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytycznej. W obszarach, które uległy przemianie martenzytycznej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika e , a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie , a nie szybkością przemiany martenzytycznej.

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się (rys. 9.9):

- bainit górny , - bainit dolny. Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego. Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego. Rysunek 9. Schematy a) przemiany bainitycznej (wg A.P. Gulajewa) oraz tworzenia się bainitu: b) górnego i c) dolnego (wg E. C. Rollasona)

Rysunek 9. Schemat przebiegu przemiany perlitycznej a) tworzenie się płytek cementytu i ferrytu z przechłodzonego austenitu, b) zapoczątkowanie przemiany perlitycznej w ziarnach przechłodzonego austenitu, c) wzrost kolonii perlitu

Rysunek 9. Schemat tworzenia się perlitu z przechłodzonego austenitu a) wydzielanie płytki cementytu, b) tworzenie się płytek ferrytu, c) wyekstrapolowane równowagowe stężenia węgla w przechłodzonym austenicie z ferrytem C a i cementytem Cc Rysunek 9. Schemat wzrostu czołowego płytek perlitu (wg R.F. Mehla i W.C. Hagela) Utworzone kolonie perlitu mają kształt kulisty, gdyż szybkości dobudowywania nowych płytek i ich rozrostu czołowego są jednakowe. W wyniku dyfuzji węgla do płytek cementytu następuje zróżnicowanie składu chemicznego austenitu przed frontem przemiany (rys. 9. 12 ).

Rysunek 9. Schematyczne przebiegi nagrzewania a) powolnego, b) przyspieszonego, c) szybkiego; tn - temperatura nagrzewania, t - temperatura pieca, tv - temperatura powierzchni wsadu, t - temperatura rdzenia wsadu, D t - gradient temperatury.

Rodzaje ośrodków grzejnych ciekłych

Oprócz powietrza, ośrodków gazowych i złóż fluidalnych bardzo duże znaczenie w obróbce cieplnej metali mają ośrodki grzejne ciekłe. Zalicza się je do ośrodków nagrzewających z największymi szybkościami. Należą do nich:

- kąpiele solne ( W zwykłej obróbce cieplnej są wykorzystywane roztopione sole hartownicze chlorkowe będące mieszaniną BaCl 2 , NaCl, CaCl 2 , Si0 2 i A1 203 oraz saletrzankowe zawierające NaNCL, KN0 3 , NaN0 2 , K 2 Cr0 4 i K 2 Cr 207 ), - kąpiele metalowe ( Do kąpieli metalowych należą głównie ciekły bizmut, antymon, cyna i ołów. Kąpiele te nie zyskały takiego znaczenia jak kąpiele solne). Rysunek 9. Zależność czasu nagrzewania od temperatury grzania i średnicy wsadu w piecach: a) elektrycznym, b) gazowym muflowym, c) elektrodowym solnym, d) elektrycznym wgłębnym o wymuszonym obiegu powietrza (wg O. Pattermana)

Rysunek 9. Zdolność chłodząca: a) wody spokojnej, b) wody z cyrkulacją, c) 15% wodnego roztworu NaCl, d) oleju hartowniczego OH- 70 świeżego, e) oleju hartowniczego OH- 70 eksploatowanego przez 7 miesięcy, f) emulsji wodno-olejowej zawier. 10% oleju. Charakterystyki zdolności chłodzenia różnych ośrodków przedstawiono na rysunku 9. 15. Do ośrodków najintensywniej chłodzących należą roztopione sole i metale, chociaż bardzo dużą zdolność chłodzenia wykazują również roztwory wodne soli i zasad. Woda chłodzi z intensywnością znacznie większą niż olej hartowniczy.

Wyżarzanie

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury (rys. 9. 16 ), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje :

• podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (jak w przypadku wyżarzania ujednorodniającego),
• podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające),
• podczas których zachodzą przemiany alotropowe , decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące). Rysunek 9. Fragment wykresu Fe-Fe 3 C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania stali węglowych.