35. Obróbka stopów Fe-C ™

Obróbką cieplną nazywamy zespół zabiegów technologicznych polegających na nagrzaniu przedmiotu do wymaganej temperatury, wytrzymaniu w niej przez określony czas oraz chłodzeniu z zadaną prędkością w celu wywołania zamierzonych zmian struktury, zapewniających uzyskanie odpowiednich własności mechanicznych. Podstawowym zadaniem obróbki cieplnej jest „naprawa „ wadliwej struktury albo wytworzenie w materiale struktury gwarantujące wymagane właściwości mechaniczne. Wykorzystanie możliwości otrzymania różnorodnych struktur podczas przemiany austenitu przechłodzonego wymaga wcześniejszego podgrzania do temperatury powyżej A_c3 lub A_cm ( w zależności od stężenia węgla) i wytrzymaniu w tej temp. Przez cały czas niezbędny dla zapewnienia jednorodnego rozkładu węgla w austenicie. Czas jest odwrotnie proporcjonalnie krótszy ( im wyższa temp. krótszy czas) lecz przegrzanie może spowodować nadmierny rozrost ziarna (dla stali gruboziarnistych).Po wytrzymaniu w temp. austenityzacji stal chłodzi się z prędkością wymaganą dla uzyskania odpowiedniej mikrostruktury.

PRZEMIANA PERLITYCZNA

przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu.

PRZEMIANA BAINITYCZNA

Zachodzi w warunkach przechłodzenia austenitu i jest realizowana najczęściej w postaci chłodzenia izotermicznego. Znaczne przechłodzenie austenitu praktycznie uniemożliwia dyfuzję z wyjątkiem dyfuzji międzywęzłowej. W temp. do ok. 400^oC przemiana rozpoczyna się od zarodkowania ferrytu, który rozrasta się w postaci drobnych igieł lub płytek. Utworzona podczas przamiany struktura nosi nazwę bainitu górnego a jego twardość wynosi 280-340HB. Bainit dolny powstaje podczas przemiany w niższych temp.(poniżej 400^oC). Wtedy dyfuzja węgla w austenicie jest wolniejsza.

PRZEMIANA MARTENZYTYCZNA

zachodzi w warunkach szybkiego chłodzenia nagrzanego materiału, a polega na zmianie symetrii sieci krystalograficznej metalu, zachodzącej bez udziału dyfuzji. Jest to możliwe wskutek uporządkowanego przemieszczenia się grup atomów bez zmiany najbliższych sąsiadów. Pierwiastki węglikotwórcze: Cr, Mo, W, V, Ti powodują dodatkowo rozdzielanie zakresu minimalnej trwałości austenitu przechłodzonego. Bardzo istotny wpływ dodatków stopowych na temperaturę początku i końca tej przemiany gdyż ich położenie determinuje udział austenitu szczątkowego. W tym wypadku dominująca rolę odgrywa węgiel który obniża obie temp. t_o i t_k .Gdy t_o tej przemiany będzie poniżej 0^oC to będą mieć strukturę austenityczną.

PRZEMIANY PODCZAS ODPUSZCZANIA

Struktura martenzytyczna, zawierająca szczątkową ilość austenitu jest metastabilna. Odpuszczanie – rodzaj obróbki cieplnej, której poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazy noszące nazwy: "martenzyt odpuszczania", sorbitem odpuszczania" i "troostyt odpuszczania". Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy:

• I: w temperaturze 80–200 °C, jest związane z rozkładem martenzytu i wydzieleniem w nim węglika ε-Fe₂C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie stężenia węgla w austenicie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzy się martenzyt o sieci regularnej, tzw. martenzyt odpuszczania).

• II: w temperaturze 200–300 °C, jest związane z dalszym wydzielaniem się z roztworu węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około 0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym; w etapie tym powstaje mieszanina ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika ε. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje.

• III: przebiega w temperaturze 300–400 °C. Następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu, a węglik ε ulega przemianie w cementyt; struktura otrzymana na tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu (troostyt odpuszczania).

• IV: przebiega w temperaturze 400–650 °C. Zachodzi koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur, będąca mieszaniną ferrytu i cementytu, nazywa się sorbitem odpuszczania (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje całkowite usunięcie naprężeń.

WYŻARZANIE STOPÓW Fe-C

Jego celem jest otrzymanie w materiale mikrostruktury najbliższej stanowi równowagi. Jego rodzaje zależa od cech materiału poddanego obróbce. Wyżarzanie dzielimy na dwie grupy:

- bez przemiany fazowej(perlit => austenit)

- z przemianą fazową

Do obróbki trzeba dobrać odpowiednią temp. oraz czas wyżarzania , szybkość nagrzewania i chłodzenia.

Wyżarzanie bez przemiany fazowej dzielimy na:

• Ujednoradniające- usunięcie niejednorodności chemicznej związanej z procesem krzepnięcia

• Rekrystalizujące- usunięcie umocnienia odkształceniowego co zwiększa plastyczność materiału

• Odprężające- usunięcie naprężeń własnych bez wywołania zmian struktury i właściwości

Wyżarzanie z przemianą fazową dzielimy na:

• Zupełne- w temp. 20-50^oC; polega na: uzyskaniu jednorodnej struktury zgodnej z układem równowagi Fe-Fe₃C, dobrej ciągliwości oraz obrabialności

• Normalizujące- polega na uzyskaniu jednorodnej, drobnoziarnistej mikrostruktury perlityczno-ferrytycznej

• Zmiękczająco-Sferoidyzujące- doprowadza do sferoidyzacji cementytu w perlicie. Dzięki temu uzyskuje się minimalną twardość stali i lepszą obrabialność.

36.NAWĘGLANIE

Polega na wzbogaceniu powierzchniowej warstwy stali w węgiel (głownie dla stali niskowęglowych konstrukcyjnych <0,25% C), które wykazują niewielką hartowność. Przeprowadza się w szczelnych skrzynkach wykonanych ze stali żaroodpornych lub stopów niklowo-chromowych. Nawęglanie gazowe stosuje się rzadko-mało skuteczne.

Zalety: grubsza warstwa, brak szkodliwych związków, węgiel jest odporny na ścieranie;

Wady: mniejsza twardość, kłopot z uniknięciem zanieczyszczeń.

AZOTOWANIE

Polega na wzbogaceniu warstwy pow. w azot. Celem jest uzyskanie bardzo dużej twardości powierzchniowej. Stosuje się głownie do stali konstrukcyjnych średniowęglowych zawierających dodatkowo pierwiastki aktywne względem azotu: Al, Ti, Mo, V.

Zalety: 2rodzaje(utwardzające oraz antykorozyjne), największe twardości

Wady: cienka warstwa, w procesie powstają cyjanki azotu (szkodliwe!!).

37.OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA

Jest połączeniem umacniania kształceniowego i obróbki cieplnej. Dzieli się na dwa etapy: obróbkę cieplną umożliwiającą przemianę w inne fazy i obróbkę plastyczną w celu umocnienia austenitu. Metody:

Obróbka cieplno-plastyczna wysokotemperaturowa - stal austenityzuje się powyżej A_C3 a następnie odkształca plastycznie w temp. wyższej niż temp. rekrystalizacji.Następnie stal się hartuje i chłodzi ale nie za szybko aby otrzymać jednakową strukturę w całym przekroju aby uzyskać jednakową strukturę drobnoiglastego martenzytu.

Obróbka cieplno-plastyczna niskotemperaturowa- polega na austenityzacji stali i chłodzeniu do temp. max. Trwałości austenitu przechłodzonego, poniżej(550^oC) . W tej temp. przeprowadza się obróbkę plastyczną po czym stali się chłodzi do temp. niższej niż Ms3 aby uzyskać jednakową strukturę drobnoiglastego martenzytu.

38. Własności stali konstrukcyjnych:

-mniejsza zawartość zanieczyszczeń;

-mniejszy rozrzut;

-większa jednorodność struktury;

-polepszona skrawalność

-hartowana izotermicznie

39. Stal stopowa- stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali. Dodatki stopowe dodaje się by:

-podnieść hartowność stali,

-uzyskać większą wytrzymałość,

-zmienić pewne właściwości fizyczne i chemiczne.

Stale stopowe, zwykle bardzo drogie, używane są w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie jest to uzasadnione ekonomicznie. Do najczęściej stosowanych dodatków w stalach zalicza się:

Ni, Cr, Mn, W, Mb, W, Si, Al, T, Nb, A, Cu, K.

40. Stal narzędziowa.

Jej twardość musi być dużo większa od twardości obrabianego wyrobu( dla max. Żywotności narzędzia). Dobrze byłoby, aby materiał na narzędzia zapewniał właściwą pracę przy obciążeniach statycznych i dynamicznych. Stale narzędziowe dzielimy na :

-Stal narzędziowa niestopowa- zawiera 0,50-1,35% C i są przezanczone na narzędzia pracujące w temp. poniżej 200^oC. Stale narzędziowe węglowe są stalami klasy jakości specjalnych, a podstawą ich klasyfikacji jest zawartość węgla. Wykonuje się z nich proste narzędzia tnące do materiałów o nie dużej twardości.

-Stal narzędziowa stopowa- oprócz węgla używa się do nich dodatków stopowych. Dzielimy na:

• Do pracy na zimno – w temp. max 200^oC ale zawartość węgla obrabianego materiału musi być niska.

• Do pracy na gorąco- w temp. 250^o-700^oC przy dużych naciskach i uderzeniach. Takie warunki wymagają wysokiej ciągliwości, którą zapewnia niska ilość węgla.

-Stal szybkotnąca- przeznaczona do wysokowydajnych narzędzi skrawających pracujących w temp. do 650^oC. Oprócz węgla w stalach tych występują : W, Co, Cr i V których łączna zawartość sięga 20%.