Politechnika

Wrocławska

Wydział

Mechaniczny

Wojciech Calów

MiBM PMS 2014

2014/2015

Projektowanie Materiałów Inżynierskich

11.06.2014

Temat:

Hartowność stali 41Cr4

Ocena:

1. Wstęp teoretyczny – hartowanie

Hartowanie jest to proces obróbki cieplnej metali, którego celem jest podniesienie

twardości i wytrzymałości oraz innych właściwości mechanicznych. Polega on na
nagrzaniu materiału do temperatury wystąpienia austenitu, przetrzymaniu w tej

temperaturze, a następnie schłodzeniu poniżej krytycznej prędkości chłodzenia.
Austenit występuje ok. 40ºC powyżej temperatury AC3 dla stali podeutektoidalnej, a

dla stali nadeuktoidalnej powyżej temperatury AC1. Aby przemiany zaszły w całej
objętości materiał musi utrzymywać temperaturę hartowania przez odpowiednio długi

czas. Krytyczna prędkość chłodzenia musi zostać zachowana gdyż podczas hartowania
następuje zmiana struktury stopu (przemiany fazowe) w stal martenzytyczną z

pominięciem wydzielenia cementytu.

2. Próbki do badań

Do badań wzięto stop 41Cr4 ze zwiększoną zawartość chromu i zmniejszoną

zawartością węgla (skład podany w tabeli 1). Stop ten stosuje się do bardzo
obciążonych elementów takich jak koła zębate, korbowody, wały czy tuleje. Chrom

poprawia hartowność i twardość stali oraz nadaje jej budowę drobnoziarnistą i
pomaga w otrzymaniu ferrytu. Chrom zapobiega utlenianiu (korozji). Podnosi

temperaturę AC3.
Parametry stali 41Cr4 wg [2]:

Rm = 800 MPa
Re = 660 MPa

HB 240 - w stanie nieutwardzonym,
HRC 56 - w stanie utwardzonym.

Próbki miały kształt walca (wycięte z pręta) o średnicy 10mm i długości 30 mm. Po
hartowaniu każda próbka została zeszlifowana w sposób pokazany na rysunku.

Pomiary twardości były wykonywane na zeszlifowanej powierzchni.

Rys. 1. Kształt próbki i wymiary próbki

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

W

V

Ti

Cu

0,36
0,45

0,5
0,9

0,17
0,37

Max

0,035

Max

0,035

0,8
1,2

Max

0,3

Max

0,1

Max

0,2

Max

0,05

Max

0,05

Max

0,25

Tab. 1. Skład chemiczny stali 41Cr4 wg [1]

3. Dobór parametrów hartowania

Aby określić wpływ chromu na hartowność stali trzy próbki poddaliśmy hartowaniu w

trzech różnych temperaturach: 770ºC, 870ºC, 1050ºC . Nagrzewanie zostało wykonane
w piecu elektrycznym oporowym.

Czas hartowania został dobrany na podstawie zależności :

t

a

=

1,5⋅g=1,5⋅10=15[min]

gdzie:

g – grubość próbki
t_a – czas austenizacji

Należy również dobrać odpowiedni czas chłodzenia. Wartość prędkości chłodzenia w
wodzie 750ºC/s, w oleju 150 ºC/s, a w powietrzu 10 ºC/s (wartości dla temperatur

500-650ºC ). Prędkość chłodzenia zmienia się w zależności od temperatury.

T

Amax

=

1050 ° C

M

s

=

335° C

t

Ms

=

22 s

v

kr

=

T

Amax

−

M

s

t

ms

=

(

1050−355)[° C ]

22 s

=

695[° C ]

22[ s ]

=

31,6

[

° C

s

]

Wymaganą szybkość spełniają dwie metody chłodzenia: w oleju i w wodzie. Mimo że

chłodzenie w oleju jest optymalną metodą, ze względu na utrzymanie czystości w
pracowni wybrano chłodzenie w wodzie. Zapewni ono uzyskanie struktury

martenzytycznej.

Rys. 2. Wykres CTPi wg którego wyznaczono prędkość krytyczną chłodzenia.

4. Wynik obróbki cieplnej

Pomiar twardości dokonano metodą Rockwell'a. Obciążenie wgłębnika wynosiło 150
kg. Dokonano 4 pomiarów dla każdej próbki jednak ze względu na ustalanie się próbki

w twardościomierzu pierwszy pomiar był mało wiarygodny i został odrzucony.

Próbka

[ºC]

Pomiar I

HRC

Pomiar II

HRC

Pomiar III

HRC

Wartość

średnia
HRC

770

44

36

40

40

870

53

54

54

53,66

1050

54

55

53

54

Tab. Wyniki pomiarów twardości próbek.

Dla próbki z temperatury 770ºC pomiar twardości był najniższy. Dla próbek z
temperatur 1050ºC i 870ºC pomiar był bardzo zbliżony.

Celem hartowania jest uzyskanie struktury austenitu o możliwie najmniejszym i
jednorodnym ziarnie. Optymalną temperaturą jest temperatura ok. 40ºC (

±

10ºC)

powyżej AC3. Zgodnie z Rys. 2. próbki 870ºC oraz 1050ºC znajdują się znacznie

powyżej temp. AC3. W przypadku temp. 770ºC znajduje się ona powyżej temp. AC1,
więc w jej strukturze powinien wystąpić również ferryt. Obecność ferrytu w stopie

spowoduje pogorszenie właściwości mechanicznych zwłaszcza twardości.

Rys. 2. Wykres fazowy żelazo węgiel z zaznaczonymi wartościami temperatur

hartowania przy zawartości węgla 0,45 %.

Próbka [ºC]

Mikrostruktura

Twardość HRC

770

Martenzyt + ferryt

40

870

Martenzyt

53,66

1050

Martenzyt

54

Tab.3. Mikrostruktura stali po obróbce cieplnej. Tabelę sporządzono na

podstawie pomiarów twardości oraz wykresu fazowego żelazo-węgiel

Próbka

[ºC]

Rm

Rpl

A

K_1c

H

770

-

-

+

+

-

870

optymalny optymalny optymalny optymalny optymalny

1050

+

+

-

-

+

Tab. 4. Tabela porównawcza dla rożnych temperatur hartowania.

5. Wnioski
•

Jako optymalną temperaturę austenityzacji wybrano 870 ºC. Powyżej tej temperatury

zachodzą niewielkie zmiany.

•

Dla temperatury hartowania 770 ºC dodatkowo obok martenzytu pojawia się w stopie
ferryt, który pogarsza właściwości mechaniczne.

•

Oprócz temperatury austenityzacji bardzo ważną sprawą jest szybkość chłodzenia.

Zbyt duża może doprowadzić do powstania bardzo silnych naprężeń wewnątrz
materiału, a w rezultacie do pęknięcie lub przedwczesnego zużycia.

•

Podczas hartowania na powierzchni wykształciła się zgorzelina, czyli tlenki metali. Jest

ona wynikiem obecności tlenu w komorze pieca.

•

Wraz ze zwiększeniem twardości rośnie wytrzymałość.

Bibliografia:
[1]

http://www.steelnumber.com/

[2] „Poradnik Mechanika”, REA 2008
[3] "Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn: ćwiczenia laboratoryjne: praca

zbiorowa" pod red. W. Dudzińskiego Wyd. Politechniki Wrocławskiej, 1994