Obróbka cieplna stopów żelaza - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Obróbka cieplna stopów żelaza - Notatki - Materiałoznastwo - Część 2 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity!

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 11/

Vk � szybkość krytyczna chłodzenia

Na kształt krzywych CTP duży wpływ mają składniki stopowe dodawane do stali konstrukcyjnych. Składniki te powodują przesunięcie linii początku i końca przemiany austenitu w prawo w stosunku do położenia tych linii dla stali węglowych (rys. 5.16a) lub powodują jednoczesne przesunięcie i zmianę kształtu tych linii polegającą na ich rozdwojeniu (rys. 5.16b). Zjawisko to jest korzystne o tyle. że krytyczna szybkość chłodzenia Vk dla stali stopowych jest w rezultacie znacznie niższa niż w przypadku stali węglowych.

Rys. 4.14. Porównanie położenia i kształtu linii początku przemiany przechłodzonego austenitu na wykresach CTP: a) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki nie tworzące węglików, b) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki węglikotwórcze

4.1.5. Przemiany zachodzące podczas odpuszczania martenzytu

Martenzyt, który powstaje w wyniku szybkiego chłodzenia austenitu, czyli hartowania, jest strukturą metastabilną, która już po niewielkim podgrzaniu zaczyna ulegać przemianom. Operacja obróbki cieplnej, polegająca na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur leżących poniżej temperatury A 1 , i następnie chłodzeniu, nosi ogólnie nazwę odpuszczania.

Podczas odpuszczania martenzytu w stalach węglowych i niskostopowych można obserwować kolejno, w poszczególnych zakresach temperatur, następujące zmiany:

I. W zakresie temperatury 80-200°C następuje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny - zwany też martenzytem odpuszczonym - co związane jest z wydzielaniem węgla z martenzytu w postaci węglika e. Węglik ten wykazuje zmienny skład wahający się w granicach Fe 2 C-Fe 3 C. Przemiana w tym zakresie temperatury związana jest ze skurczem próbki, co można zarejestrować za pomocą badań dylatometrycznych (rys. 5.17).

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 12/

Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiająca różne stadia przemian zachodzących w czasie odpuszczania stali zahartowanej; D l - przyrost długości próbki

II. W zakresie temperatury 200-300°C zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony i węglik żelaza, a także zachodzi w dalszym ciągu wydzielanie węglika z martenzytu. Ponieważ objętość właściwa austenitu jest mniejsza niż martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje się rozszerzanie się próbki (rys. 5.18).

III. W zakresie temperatury 300-400°C następuje zarodkowanie i wzrost wydzieleń cementytu Fe 3 C, przy czym węglik e rozpuszcza się, a węgiel dyfunduje do rosnących wydzieleń cementytu Fe 3 C. W tym stadium zachodzi również intensywny proces zanikania naprężeń własnych. W temperaturze ok. 400°C zawartość węgla w ferrycie osiąga już wartość odpowiadającą stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje się skurcz próbki.

IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powyżej 400°C następuje proces koagulacji wydzieleń cementytu, a wyjściowe igły martenzytu ulegają zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwyższych temperaturach odpuszczania procesami dominującymi stają się rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura składa się z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazwę sorbitu (rys. 5.18).

Rys. 5.18. Mikrostruktura stali o zawartości 0,35% C zahartowanej i odpuszczonej w 600°C. Sorbit. Traw. 2% Nitalem. x

Na rysunku 5.19 przedstawione są schematycznie kolejne stadia procesów zawodzących w czasie odpuszczania zahartowanej stali.

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 14/

Rys. 5.20. Podstawowe operacje obróbki cieplnej zwykłej stopów żelaza

Wyżarzanie ujednorodniające (ujednorodnianie, homogenizowanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury niewiele niższej od temperatury solidusu, długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu w celu zmniejszenia niejedno-rodności składu chemicznego i struktury. Zakres praktycznie stosowanej temperatur} wynosi ok. 1050-1250°C. Czas wygrzewania wynosi dla wlewków ok. 12-15 h

Niejednorodność składu chemicznego występuje w stali na skutek likwacji w czasie krzepnięcia wlewka oraz segregacji dendrytycznej. Podczas wygrzewana pierwiastki nierównomiernie rozłożone w stali, np. węgiel lub składniki stopowe. dyfundują z miejsc bogatszych do uboższych, przez co wyrównuje się skład chemiczny stali. Przez ujednorodnianie można zmniejszyć w znacznym stopniu segregację dendrytyczną, nie daje się natomiast usunąć likwacji strefowej, co może nastąpić dopiero przez obróbkę plastyczną, np. kucie lub walcowanie.

Wysoka temperatura i długi czas wyżarzania ujednorodniającego powodują silny rozrost ziarna i dlatego w celu poprawienia struktury przeprowadza się dodatkową obróbkę cieplną � wyżarzanie normalizujące.

Podczas ujednorodniania zachodzą również takie niekorzystne procesy, jak odwęglenie powierzchniowe i utlenienie powierzchni, co powoduje straty materiału.

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 15/

Rys. 5.20. Zakresy temperatury wyżarzana stali węglowych na tle wykresu żelazo-cmentyt

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu stali ok. 30-50°C powyżej Ac3 lub Acm (w przypadku stali nadeuktoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna i równomiernego rozłożenia składników strukturalnych. Stosunkowo krótkie czasy wygrzewania i dość szybkie chłodzenie w spokojnym powietrzu powoduje uzyskanie korzystnej struktury drobnoziarnistej (rys. 5.5). Normalizowanie polepsza własności wytrzymałościowe stali i w pewnych przypadkach poprawia jej przydatność do obróbki mechanicznej przez skrawanie.

Normalizowanie stosuje się też często przed dalszą obróbką cieplną w seryjnej produkcji celem nadania stali jednakowej struktury wyjściowej, co ma wpływ na własności stali po obróbce cieplnej.

Wyżarzanie zupełne różni się od normalizowania tylko sposobem studzenia stali.

Polega na nagrzaniu stali powyżej Ac3 i następnie powolnym studzeniu (zwykle z piecem) do temperatury poniżej Ar1, w celu zupełnego przekrystalizowania stali. Dalsze studzenie może się już odbywać na wolnym powietrzu. Wyżarzaniu temu poddaje się szczególnie stale stopowe, w przypadku których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu po normalizowaniu jest tak duża, że może już doprowadzić do zahartowania. Stal po wyżarzaniu zupełnym ma dobrą

plastyczność, małą twardość i dobrą obrabialność.

Wyżarzanie niezupełne jest to wygrzewanie stali podeutektoidalnej w zakresie temperatury Ac1 ¸ Ac3 i studzenie do temperatury poniżej >Ar1 w celu częściowego przekrystalizowania stali. Jako celowa obróbka cieplna ten rodzaj wyżarzania jest rzadziej stosowany.

Wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzowanie) polega na nagrzaniu do temperaturyty bliskiej Ac1 (nieco wyższej), wygrzewaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu sferoidyzacji węglików. Czas wygrzewania jest stosunkowo długi i może wynosić od kilku do kilkudziesięciu godzin. W wyniku wyżarzania sferoidyzującego otrzymuje się strukturę ziarnistego cementytu w osnowie ferrytycznej (rys. 5.21). Cementyt ziarnisty powstaje przez koagulację podczas wygrzewania w temperaturze bliskiej Ac1. Zaokrąglenie wydzieleń cementytu następuje w tych warunkach przez dążność tej fazy do zmniejszenia energii powierzchniowej. Struktura taka charakteryzuje się małą twardością, co zapewnia optymalną podatność na odkształcenia plastyczne przy obróbce plastycznej na zimno, a także dobrą skrawalność. W stali eutektoidalnej i nadeutektoidalnej wyżarzanie sferoidyzujące pozwala otrzymać korzystną strukturę wyjściową do hartowania pod warunkiem, że cementyt będzie drobny i równomiernie rozłożony w osnowie ferrytu (rys, 5.21).

Rys.5.21. Cementyt ziarnisty (sferoidyt) w stali o zawartości ok. 1% C. Traw. 5% nitalem.x

Wyżarzanie zmiękczające (zmiękczanie) jest to wyżarzanie mające na celu zmniejszenie twardości.

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 17/

austenitu i zwiększa się możliwość powstania dużych naprężeń hartowniczych. Rozrost ziarn austenitu powoduje, że w stali zahartowanej otrzymuje się strukturę martenzytu o grubych igłach i grubokrystaliczny przełom, co jest powodem małej ciągliwości i niskiej udarności stali.

Hartowanie zwykłe polega na hartowaniu z ciągłym (nie przerywanym) oziębianiu z szybkością większą od krytycznej w środowisku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej (rys. 5.23a). Stale węglowe hartuje na ogół w wodzie a stale stopowe w oleju. Przy chłodzeniu w powietrzu nie uzyskuje się szybkości krytycznych wymaganych dla stali węglowych i niskostopowych. Jedynie stale wysokostopowe o malej szybkości krytycznej ulegają zahartowaniu w powietrzu; są to tak zwane stale samohartujące się.

Rys. 5.23. Różne rodzaje hartowania stali. Schemat przebiegu chłodzenia na tle wykresu CTP: a) hartowanie zwykłe, b) hartowanie stopniowe, c) hartowanie z przemianą izotermiczną (bainityczne); p � powierzchnia, r � rdzeń przedmiotu

Hartowanie stopniowe. Zwykłe hartowanie martenzytyczne powoduje powstawanie naprężeń cieplnych i strukturalnych, co jest często przyczyną deformacji i pęknięć elementów obrabianych cieplnie. Aby tego uniknąć, stosuje się w niektórych przypadkach hartowanie stopniowe. Jest to hartowanie z pierwszym stopniem oziębiania w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyższej od Ms, w ciągu czasu niezbędnego do oziębienia całego przekroju przedmiotu do temperatury kąpieli, i z drugim stopniem oziębiania w powietrzu. Czas przetrzymywania w kąpieli solnej nie może być dłuższy niż wynosi czas trwałości austenitu w tej temperaturze - rys. 5.23b. Hartowanie stopniowe jest stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów o małych przekrojach i skomplikowanym kształcie.

Hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną jest zabiegiem cieplnym polegającym na hartowaniu i oziębianiu w kąpieli solnej o temperaturze bliskiej lecz nieco wyższej od Ms i wytrzymaniu w tej kąpieli w czasie zapewniającym całkowite ukończenie przemiany bainitycznej i następnie ochłodzeniu na powietrzu (rys. 5.23c). Ten rodzaj hartowania ma wszystkie dodatnie cechy hartowania stopniowego, a więc zmniejszenie naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszenie możliwości powstawania pęknięć i deformacji, a ponadto zapewnia uzyskanie przez stal dużej udarności, lecz niższej twardości od martenzytu.

5.5. Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstw. powierzchniowej przedmiotu do temperatury powyżej A^ (temperatury austenityzacji) i oziębieniu z dużą szybkością niezbędną do uzyskania struktury martenzytycznej w tej warstwie. Celem hartowania powierzchniowego jest nadanie warstwie powierzchniowej wysokiej twardości i odporności na ścieranie, przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Hartowaniu powierzchniowemu poddaje się stale węglowe o zawartości 0,4-0,6% oraz stale niskostopowe o zawartości 0,3-0,6% C. Elementy, od których wymaga się większej wytrzymałości, przed hartowaniem powierzchniowym poddaje się ulepszaniu cieplnemu, tj. hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu. Najczęściej

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 18/

stosowanymi metodami hartowania powierzchniowego są:

a) hartowanie płomieniowe � polegające na nagrzewaniu powierzchni płomieniem gazowym, zwykle acetylenowo-tlenowym, za pomocą palnika o dużej wydajności, i na intensywnym oziębieniu strumieniem wody;

b) hartowanie indukcyjne � polegające na nagrzewaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu prądami wirowymi, wzbudzonymi przez prąd zmienny o wielkiej częstotliwości płynący we wzbudniku w postaci uzwojenia, i następnie szybkim oziębianiu natryskiem wodnym;

c) hartowanie kąpielowe � polegające na nagrzewaniu powierzchni przez krótka zanurzenie do kąpieli solnej lub metalowej i następnie oziębieniu;

d) hartowanie kontaktowe lub oporowe, przy którym powierzchnia przedmiotu nagrzewa się w miejscu styku elektrody w postaci rolki dociskowej z powierzchni przedmiotu na skutek oporu omowego;

e) hartowanie elektrolityczne, podczas którego grzanie odbywa się w elektrolic k;

wskutek przepływu prądu o dużym natężeniu przez elektrolit, przy czym katodą je?a przedmiot nagrzewany.

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

Wspólną cechą metod hartowania powierzchniowego jest zapewnienie tak szybkie go nagrzewania, aby przedmiot osiągnął temperaturę hartowania tylko do pewnej zadanej głębokości. Temperatura warstwy powierzchniowej przy szybkim nagrzewania przekracza zwykle znacznie (o ok. 100°C) właściwą temperaturę hartowania, a jednak nie wywiera ujemnego wpływu na własności stali, gdyż czas nagrzewania jest dużo krótszy niż przy hartowaniu zwykłym i praktycznie rozrost ziarn nie występne.

Wszystkie metody hartowania powierzchniowego wymagają bardzo dokładnego opracowania warunków nagrzewania i ścisłego dostosowania ich do kształtu i żądanej charakterystyki hartowanej powierzchni.

Wybór jednej z metod hartowania powierzchniowego oraz sposób wykonania zabiegu zależą m.in. od wielkości i kształtu obrabianych przedmiotów, od ich ilości oraz od żądanej głębokości utwardzenia.

Hartowanie płomieniowe pozwala na osiągnięcie głębokości zahartowania od około 2 do 8 mm, przy minimalnej średnicy przedmiotu 20 mm. Na wyniki hartowania mają wpływ takie czynniki, jak: wydajność palnika, kształt jego końcówek, szybkość posuwu palnika lub przedmiotu, odległość palnika od powierzchni, czas upływający między końcem grzania a początkiem chłodzenia, intensywność chłodzenia.

Zależnie od kształtu i wielkości hartowanego przedmiotu rozróżnia się dwa sposoby hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowo-obrotowe.

Metoda jednoczesnego hartowania polega na nagrzewaniu od razu całej powierzchni przedmiotu i po osiągnięciu właściwej temperatury na jej szybkim ochłodzeniu. Najczęściej spotykaną odmianą tego sposobu jest hartowanie obrotowe, w czasie którego palnik jest nieruchomy, a przedmiot obraca się z określoną prędkością - rys. 5.24. Sposób ten stosowany jest do przedmiotów okrągłych o niewielkich średnicach.

keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm 20/

Głębokość warstwy zahartowanej zależy od trzech czynników: częstotliwości prądu, mocy właściwej urządzenia (mocy we wzbudniku przypadającej na jednostkę powierzchni nagrzewanego przedmiotu) oraz czasu nagrzewania. Ze względu na konieczność szybkiego nagrzewania powierzchni przedmiotu w grzejnictwie indukcyjnym stosowane są częstotliwości prądu w granicach 1-5000 kHz.. Dla przykładu można podać, że przy częstotliwości f = 1000 Hz głębokość hartowania d = 6 mm, natomiast przy f = 450 000 Hz

• d = 0,9 mm.

Wielkość nagrzewanej powierzchni zależy od mocy generatora. Orientacyjne zapotrzebowanie mocy niezbędnej do nagrzania l cm^2 wynosi 0,3-3,0 kW. Rozrzut ten jest spowodowany zróżnicowaną konstrukcją wzbudników, których kształt uzależniony jest od hartowanej powierzchni. Dużą rolę odgrywa też szczelina pomiędzy wzbudnikiem a powierzchnią nagrzewaną. W praktyce szczelina ta powinna zawierać się w granicach 1-3 mm.

Rys. 5.25. Hartowanie powierzchniowe płomieniowe ciągle posuwowe

Rys. 5.26. Hartowanie powierzchnie płomie-niowe ciągle posuwowo-obrotowe