Metaloznawstwo4

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół operacji i zabiegów, wywołujących zmianę własności mechanicznych, technologicznych i fizyko- chemicznych oraz użytkowych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym, pod wpływem temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

Rodzaje obróbki

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie temperaturą i czasem.

W obróbce cieplno - mechanicznej (cieplno - plastycznej) na strukturę i własności obrabianego materiału wpływa również odkształcenie plastyczne, które wykonuje się podczas tej operacji.

Podczas obróbki cieplno - chemicznej znaczący wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej ma ośrodek, w którym odbywa się ta operacja.

W obróbce cieplno - magnetycznej znaczenie ma pole magnetyczne, wykorzystywane w tej operacji.

Do najważniejszych zabiegów należą:

Nagrzewanie ,wygrzewanie, chłodzenie.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Nagrzewanie -ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury elementu obrabianego cieplnie.

Wygrzewanie - wytrzymywanie elementu obrabianego cieplnie w docelowej (nominalnej) lub pośredniej temperaturze.

Chłodzenie -ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu.

Ziarno pierwotne jest w stali bezpośrednio po zakrzepnięciu wlewka lub odlewu. Po krystalizacji w stali jest austenit pierwotny.

Podczas obróbki cieplnej lub obróbki plastycznej, to ostatnie ziarno austenitu nazywa się ziarnem wtórnym lub rzeczywistym.

Na szybkość przemiany perlitu w austenit mają wpływ następujące czynniki:

Stopień dyspersji perlitu – zwiększenie stopnia dyspersji perlitu, powoduje wzrost powierzchni rozdziału pomiędzy ferrytem a cementytem i przyspiesza przemianę,

Postać cementytu w perlicie – szybkość przemiany jest większa dla perlitu z cementytem pasemkowym niż dla perlitu z cementytem kulkowym,

Skład chemiczny stali, a przede wszystkim zawartość węgla i pierwiastków stopowych.

Pojęcie przegrzewności – jest to skłonność austenitu do rozrostu ziarn stali pod wpływem temperatury i czasu.

Stale o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu nazywa się stalami drobnoziarnistymi, a stale o duże skłonności do rozrostu - nazywa się stalami gruboziarnistymi.

Drobnoziarnista struktura austenitu przeważnie wpływa na poprawę własności mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i ulepszonych cieplnie.

Ujawnienie ziaren w stali można wykonać metodą:

Metoda nawęglania stali niskowęglowej w ośrodku stałym z następnym kontrolowanym chłodzeniem umożliwia obserwacje metalograficzne siatki cementytu na granicach ziaren austenitu pierwotnego w warstwie nawęglonej, wytrawionej nitalem lub zasadowym pikrynianem sodu.

Metoda utleniania polega na obserwacji siatki ferrytu, utworzonej na granicach ziarn austenitu pierwotnego, powstałej w wyniku odwęglenia przygranicznych obszarów ziarn w czasie

austenityzowania stali eutektoidalnej w atmosferze utleniającej i następnym ochłodzeniu w wodzie lub powietrzu.

Metodę siatki ferrytu lub cementytu stosuje się do obserwacji ziarna austenitu pierwotnego w stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych. Na granicach ziarn austenitu podczas odpowiedniego chłodzenia wydziela się - w zależności od stężenia węgla - ferryt lub cementyt w postaci siatki.

Metoda trawienia roztworem kwasu pikrynowego i kwasu solnego w alkoholu etylowym umożliwia obserwację ziarn austenitu pierwotnego w stalach, przede wszystkim stopowych, zahartowanych na martenzyt. W celu wyraźniejszego wytrawienia granic ziarn austenitu pierwotnego w niektórych stalach korzystne jest zastosowanie uzupełniającego odpuszczania w temperaturze ok. 450 °C.

Przemiana austenitu w martenzyt jest drugą podstawową przemianą przechłodzonego austenitu w stali.

Poniżej temperatury Ms (pozioma linia na rys. 8.13) przemiana ma zupełnie inny charakter, gdyż w tych temperaturach ruchliwość jest bardzo mała i dyfuzja węgla nie zachodzi. Następuje więc tylko przebudowa sieci przestrzennej Feγ na Feα bez zmiany koncentracji węgla w roztworze stałym. Tego rodzaju przemiana bezdyfuzyjna nazywa się przemianą martenzytyczną, a otrzymaną strukturę - martenzytem.

Martenzyt jest przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie α

Martenzyt cechuje się: dużą twardością, dużą kruchością, największą objętością właściwą ,dużym przesyceniem roztworu α węglem, martenzyt ma kształt płytek o niewielkiej grubości.

Martenzyt powstaje z przechłodzonego austenitu poniżej temperatury Ms, która nazywa się temperaturą początku przemiany martenzytycznej.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wytrzymywanie stali w stałej temperaturze w zakresie temperatur przemiany izotermicznej (Ms – Mf) nie tylko nie powoduje dodatkowej przemiany austenitu w martenzyt, lecz zmniejsza zdolność austenitu do przemiany przy dalszym chłodzeniu. Zjawisko to nazywa się stabilizacją austenitu.

Po przechłodzeniu austenitu do zakresu temperatur odpowiadających środkowemu obszarowi na wykresie izotermicznej przemiany austenitu CTPi (około 550 ÷ 200 0C dla stali węglowej) zachodzi przemiana bainityczna (nazywana od nazwiska E. Baina).

Przemiana ta zawiera w sobie elementy przemiany zarówno martenzytycznej, jak i perlitycznej, różniąc się jednak w swoisty sposób od obu tych przemian. W tym zakresie temperatur szybkość dyfuzji węgla w austenicie jest bardzo mała.

Bainit jest mieszaniną dwóch faz: ferrytu przesyconego węglem i wydzieleń węglików.

Mikrostruktura górnego bainitu ma postać pierzastą, a dolnego - iglastą. Im niższe temperatury powstania bainitu, tym jest on twardszy. Twardość górnego bainitu wynosi 32 ÷ 40 HRC, a twardość dolnego bainitu - około 55 HRC.

Przemiany mikrostruktury stali hartowanej podczas nagrzewania (odpuszczania)

Podczas nagrzewania i wygrzewania w temperaturze niższej od A1 i studzenia stali uprzednio zahartowanej zachodzą w strukturze przemiany. Należą do nich:

przemiana – rozpad martenzytu,

przemiana austenitu szczątkowego w fazę α,

- wydzielanie węglików ε i Fe3C, a w stalach stopowych również innego typu węglików,

- koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania.

Martenzyt jest fazą nietrwałą. Poniżej 80 0C nie stwierdza się zmian w mikrostrukturze zahartowanej stali. Dopiero nagrzanie do temperatury powyżej 80 0C, zwiększająca się ruchliwość atomów węgla, ułatwia przebieg przemian zachodzących w martenzycie – proces ten nosi nazwę odpuszczanie.

Przemiany zachodzące podczas nagrzewania stali zahartowanej dzieli się na:

- I stadium przemiany martenzytu, polega na wydzielaniu się z przesyconego roztworu α’ węglika żelaza o składzie chemicznym Fe2,4C, zwanego węglikiem ε. W wyniku odpuszczania poniżej 200 oC stal ma iglastą mikrostrukturę, która jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem oraz węglików (twardość w zakresie 60÷65 HRC). Austenit szczątkowy, występujący w stali po zahartowaniu, w tym stadium nie ulega żadnym przemianom.

-II stadium (200 ÷300 oC)

Przy nagrzewaniu do zakresu temperatur 200 ÷300 oC następuje drugie stadium przemiany, polegające na dalszym wydzielaniu się z roztworu węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w roztworze α’ maleje do około 0,15% w temperaturze 300 oC. Równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze

bainitycznym. W wyniku procesów zachodzących w tym zakresie temperatur stal ma mieszaninę ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika ε (o twardości 50 ÷55 HRC). W miarę wydzielania się węglika z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej (c/a) maleje (rys.8.31).

-III stadium (300 ÷ 400 oC)

W trzecim stadium jest całkowite wydzielanie węgla z przesyconego roztworu α’ i wydzielony węglik ε rozpuszcza się w osnowie i niezależnie od tego wydziela się cementyt. W tym stadium stal osiąga stan równowagi, a jej mikrostruktura jest mieszaniną ferrytu i cementytu o twardości 40 ÷ 45 HRC. Mikrostruktura zahartowanej stali po odpuszczaniu w zakresie temperatur 150 ÷ 300 oC nazywa się martenzytem odpuszczonym, a w zakresie 300 ÷ 400 oC–martenzytem wysoko odpuszczonym (zwany niekiedy także sorbitem). Sorbit jest złożony z bardzo drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytu.

-IV stadium (400÷600 oC)

W tym zakresie temperatur zachodzi przemiana, w której koagulują wydzielenia cementytu, zakres tego procesu zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania. Twardość mikrostruktury składającej się z ferrytu i cementytu, wynosi 30 ÷ 40 HRC. Taka struktura nazywa się sorbitem. W tym stadium przemiany następuje całkowite usunięcie naprężeń.

Wpływ temperatury odpuszczania na niektóre procesy zachodzące w fazie α’ przedstawia rys. 8.32.

Odpuszczanie powyżej 600 oC powoduje koagulację Fe3C, której towarzyszy zdrowienie i rekrystalizacja osnowy. W wyniku tego uzyskuje się strukturę sferoidytu, tj. cementytu kulkowego w osnowie ferrytu o twardości mniejszej od 300 HB.

Kruchość odpuszczania występuje w zależności od sposobu chłodzenia po odpuszczaniu, zwłaszcza stali nisko- i średniostopowych. Zjawisko to objawia się zmniejszeniem udarności stali zahartowanej i powoli studzonej po odpuszczaniu w zakresie temperatur 400 ÷ 600 oC, a najwyraźniej – w zakresie 500 ÷ 525 oC. Stale zahartowane w identyczny sposób, lecz po odpuszczaniu oziębione w wodzie lub oleju, mają znacznie wyższą udarność.

Przy odpuszczaniu w zakresie temperatur 300 ÷ 350 oC jest obniżenie udarności, często określane „kruchość 300” .

Zjawisko to jest związane z rozpuszczeniem się węglika ε w martenzycie odpuszczonym, co przyczynia się do silnego wzbogacenia w węgiel i zwiększenie naprężeń sieciowych. Na spadek plastyczności wpływa również zachodzące jednocześnie zarodkowanie cementytu, głównie na dyslokacjach. Uważa się, że przyczyną tej kruchości może być również rozpoczęcie segregacji niepożądanego arsenu, antymonu, cyny i głównie fosforu w bezpośrednim otoczeniu rozpuszczających się węglików ε.

W celu uniknięcia nieodwracalnej „kruchości” można także zastosować odpuszczanie w temperaturze niższej np. ok. 200 oC lub wyższej np. ok. 400 oC.

Dodatkami stopowymi są nazywane pierwiastki celowo wprowadzone do stali, w procesie metalurgicznym, o zawartości przekraczającej minimalne stężenie, przy którym nie stwierdza się wyraźnego wpływu pierwiastka na strukturę i własności stali

Najczęściej stosowane pierwiastki stopowe to: Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, V; bardzo często są dodawane Al, Co, Cu, Ti i Nb.

Celem wprowadzenia pierwiastków stopowych jest:

-wywołanie określonych zmian mikrostruktury,

-poprawy wytrzymałości i polepszenia niektórych własności chemicznych lub fizycznych,

-zwiększenie hartowności,

-polepszenie efektywności i ułatwienie obróbki cieplnej.

Struktura stali stopowych zależy od stężenia węgla i pierwiastków stopowych.

Mn, Ni i Co to pierwiastki austenitotwórcze, które dodane w niewielkiej ilości, w zależności od zawartości węgla przyczyniają się do powstania struktury: pod- lub nad- eutektoidalnej

Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany alotropowe żelaza:

Pierwiastki stopowe rozpuszczające się w żelazie wpływają na zmianę temperatury przemian alotropowych A3 i A4. Cr, Mn, Ni, Cu, C i N, Cu, C i N obniżają temperaturę A3, a te same pierwiastki z wyjątkiem Cr i ponadto Co, powodują podwyższenie temperatury A4.

Pierwiastki Ti, Mo, Si, W i Cr podwyższają temperaturę przemiany eutektoidalnej, podczas gdy Mn i Ni ją obniżają

Prawie wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w roztworach stałych (α, γ) w sposób znaczący decydują o przebiegu przemian strukturalnych zachodzących podczas obróbki cieplnej.

W szczególności wpływ ten dotyczy procesów tworzenia i ujednorodnienia austenitu w czasie

wygrzewania stali, kinetyki przemian tej fazy podczas chłodzenia oraz związanej z tym hartowności stali.

Oddziaływanie kilku pierwiastków stopowych:

Jeżeli do stali doda się kilka pierwiastków stopowych to działanie ich jest łączne, czyli bardziej skuteczne niż poszczególnych pierwiastków dodanych osobno, chociaż pojedyncze oddziaływanie poszczególnych pierwiastków może być nawet przeciwstawne.

Pierwiastki stopowe mogą występować w stali w postaciach:

-w roztworze stałym, -jako węgliki, -jako wtrącenia niemetaliczne,

-jako związki międzymetaliczne, -wolne.

Spawalność metalurgiczna stali

Skład chemiczny stali spawalnych podlega więc ograniczeniom i jest dobierany z uwzględnieniem wartości równoważnika węgla obliczonego według wzoru:

Stale na narzędzia powinny cechować się znaczną odpornością na przenoszenie obciążeń bez odkształceń plastycznych, a także odpornością na zużycie, w tym głównie na ścieranie. Odporność na ścieranie stali na narzędzia jest zależna przede wszystkim od jej twardości. Wzrost twardości stali powoduje niekorzystne zazwyczaj spadek jej ciągliwości. Stąd maksymalna twardość po obróbce cieplnej tylko w nielicznych przypadkach jest uznanym kryterium doboru parametrów obróbki cieplnej stali stopowych na narzędzia. Ze względu na zastosowanie stale stopowe na narzędzia dzielą się:

-szybkotnące, -do pracy na gorąco, -do pracy na zimno.

Stale te są stosowane głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często na narzędzia wykrojnikowe, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i gorąco.

Stale szybkotnące mają dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze do ok. 600 oC.

Wymagane własności stale szybkotnące, w tym dużą hartowność oraz efekt twardości wtórnej mają po odpowiedniej kombinacji stężenia C i takich pierwiastków stopowych jak: Cr, W, Mo, V, a także w wielu gatunkach dodatkowo - Co.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco są stosowane na narzędzia, które mogą skrawać w zakresie temperatur 250-700 oC . W najniższej temperaturze pracują narzędzia: kuźnicze i noże do cięcia na gorąco, w najwyższej – matryce pras kuźniczych i do wyciskania oraz formy do odlewania pod ciśnieniem.

Skład chemiczny stali narzędziowych do pracy na gorąco oraz ich obróbka cieplna gwarantują dużą wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze pracy.

W stalach stężenie węgla jest ograniczone. Głównymi pierwiastkami stopowymi są; Cr, W, Mo i V, powodujące efekt twardości wtórnej podczas odpuszczania.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno są stosowane na narzędzia pracujące w temperaturze powyżej 200 oC. Stale te, w porównaniu ze stalami narzędziowymi węglowymi, mają podwyższoną hartowność, wynikającą ze zwiększonej zawartości Mn, Cr a w niektórych gatunkach – także W, V i Ni. Wobec tego stale te mogą być hartowane w oleju, a niekiedy w powietrzu, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo zmian wymiarowych, paczenia i pęknięć hartowniczych.

Dodatki stopowe węglikotwórcze (V, Cr, W) wpływają na tworzenie w stalach narzędziowych węglików stopowych, które powodują uzyskanie dużej odporności stali na ścieranie.

Pierwiastki stopowe: V, Cr i W powodują dużą skrawalność stali, opóźniają rozpad martenzytu i spadek twardości podczas odpuszczania.

Stale o szczególnych własnościach są to stale o własnościach fizycznych, chemicznych lub mechanicznych, jednoznacznie decydujących o ich zastosowaniu.

W grupie stali i stopów specjalnych można wyróżnić:

•stale żaroodporne,

•stale żarowytrzymałe,

•stale zaworowe,

•stale odporne na korozję,

•stale o szczególnych własnościach fizycznych.

Żaroodporność to odporność na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej od 550 oC.

Żarowytrzymałość jest to odporność na odkształcenia, z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w temperaturze powyżej 550 oC. żarowytrzymałość jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie

Stale zaworowe

Stale stosowane na zawory w silnikach spalinowych stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750 oC. Odporność tą zapewniają głównie dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali – silchromy.

Stopy oporowe są przeznaczone na elementy grzejne pieców i innych urządzeń termotechnicznych do obróbki cieplnej. Stale i stopy oporowe produkuje się w postaci drutów i taśm. Materiały mają następujące cechy:

•duża oporność właściwa,

•mały temperaturowy współczynnik oporności,

•mały temperaturowy współczynnik rozszerzalności,

•mała przewodność cieplna,

•wysokie własności mechaniczne w temperaturze pokojowej,

•duża odporność na pełzanie w wysokiej temperaturze,

•duża odporność na korozję gazową.

Pod względem odporności na korozję stale dzieli się na:

•trudno rdzewiejące,

•odporne na korozję.

Podział stali ze względu na strukturę:

•ferrytyczne,

•martenzytyczne,

•martenzytyczne umacniane wydzieleniowo

•austenityczne,

•ferrytyczno-austenityczne.

Podział stali według składu chemicznego:

•wysokochromowe,

•chromowo-niklowe,

•chromowo-niklowo-manganowe.

Stale ferrytyczne odporne na korozję (wysokochromowe)

W tych stalach podstawowym dodatkiem jest chrom. W stężeniu większym od 13%, co powoduje zmniejszenie poniżej zera standardowego potencjału Fladego

Stale martenzytyczne odporne na korozję (wysokochromowe)

Stale zawierające 13 i 17 % Cr przy stężeniu węgla większym od odpowiednio 0,1 i 0,05 % w wysokiej temperaturze mają strukturę dwufazową α+γ, a przy jeszcze większym stężeniu węgla – strukturę jednofazową γ

Stale austenityczne odporne na korozję

(chromowo-niklowe)

Duża odporność na korozję elektrochemiczną mają stale i stopy jednofazowe. Gdy doda się więcej niż 8 % Ni do stali z 18 % Cr, to w całym zakresie temperatur mają strukturę austenityczną

Grzanie

•Proces grzania polega na doprowadzeniu ciepła w ciągu założonego czasu, w celu uzyskania określonej temperatury przez całą masę nagrzewanego przedmiotu.

•Grzanie składa się z zabiegów nagrzewania i wygrzewania.

•W większości zabiegów obróbki cieplnej stosuje się raczej niewielkie szybkości nagrzewania, wynoszące średnio 10÷20°C na minutę, w celu osiągnięcia możliwie równomiernego nagrzewania obrabianego cieplnie elementu.

•Pozwala to uniknąć niebezpiecznych naprężeń, a w konsekwencji odkształceń, a nawet pęknięć.

•Grzanie musi zapewnić uzyskanie jednakowej temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu.

•Praktycznie czas grzania dobiera się na podstawie wykresów i tablic.

•Rodzaje ośrodków grzejnych: - powietrze, ośrodki gazowe i złoże fluidalne, -kąpiele solne, -kąpiele metalowe.

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje: 1) - podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające), 2) - podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące). 3) - podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (wyżarzanie ujednorodniające).

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050÷1200°C, o ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu.

Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji,

wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością.

Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1 , wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu.

Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną.

Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych.

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac1 , wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu.

Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali.

Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa -często przed dalszą obróbką cieplną -w celu ujednolicenia struktury.

Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1.

Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury

o 3O÷5O°C wyższej od Ac1 , wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1 , wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu.

Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość.

Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia.

W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy w osnowie ferrytu, tzw. sferoidyt

Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno

WYŻARZANIE GRAFITYZUJĄCE

tzw. Grafityzacja Ma na celu rozkład cementytu na grafit i austenit.

Stosowane do niektórych gatunków żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego.

WYŻARZANIE ODWĘGLAJĄCE

Ma na celu wypalenie węgla z powierzchni elementu, np.: - w celu uzyskania białego żeliwa ciągliwego, - przy produkcji blach transformatorowych.

WYŻARZANIE PRZEGRZEWAJĄCE

Celem jest uzyskanie gruboziarnistej struktury np. dla polepszenia obrabialności stali.

Polega na nagrzewaniu stali do temperatury w której następuje silny wzrost ziaren, wygrzewaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu.

Pojęcie utwardzania wydzieleniowego

Stale o strukturze austenitycznej, a także inne stopy - głównie metali nieżelaznych - nie wykazujące przemian alotropowych, lecz charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym, mogą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu.

Proces ten stanowią połączone operacje technologiczne:

a) przesycania, b) starzenia.

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 3O÷5O°C od granicznej rozpuszczalności, w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika (w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem. Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. Niekiedy starzenie przebiega już w temperaturze pokojowej, wówczas nosi nazwę starzenia samorzutnego. Starzenie może być również procesem niepożądanym, np. w blachach do głębokiego tłoczenia oraz w stalach kotłowych, gdyż powoduje zmniejszenie własności plastycznych i wzrost kruchości. Przeciwdziałaniem starzenia jest silne odazotowanie i odtlenienie dodatkiem Al lub Al+Ti w procesie metalurgicznym. Zmniejsza to starzenie lub nawet całkowicie mu zapobiega.

Jeżeli austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia, hartowanie jest nazywane hartowaniem objętościowym. Hartowanie dzieli się na:

martenzytyczne, bainityczne.

Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej

Temperatura austenityzowania

Temperatura austenityzowania dla stali węglowych podeutektoidalnych jest o 30÷50°C wyższa od temperatury Ac3.

Wyższa temperatura austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziaren austenitu, co wpływa na powstanie struktury martenzytu gruboiglastego po hartowaniu, powodującej pogorszenie niektórych własności mechanicznych i użytkowych oraz zwiększenie kruchości stali.

Podczas hartowania martenzytycznego zwykłego chłodzenie z temperatury austenityzowania wykonuje się w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej, do temperatury niższej od temperatury Ms, a w przypadku wielu stali, np. konstrukcyjnych, niższej nawet od Mf

Hartowane stale charakteryzują się:

–bardzo dużą twardością - 60÷65 HRC w zależności od stężenia węgla,

–dużymi własnościami wytrzymałościowymi,

–małymi własnościami plastycznymi,

–małą udarnością.

Hartowania martenzytyczne stopniowe polega na:

1) podchładzaniu w stopionej soli lub gorącym oleju do temperatury wyższej o 30÷50°C od temperatury Ms, 2) wytrzymywaniu w stopionej soli lub gorącym oleju o tej temperaturze, w czasie niezbędnym do wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu, lecz zapewniającym trwałość austenitu przechłodzonego, 3) studzeniu, zazwyczaj w powietrzu, do temperatury otoczenia.

Hartowanie bainityczne zwykłe charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością mniejszą od krytycznej -taką, by mogła zajść przemiana bainityczna.

Celem operacji jest uzyskanie struktury bainitu, ewentualnie z martenzytem lub austenitem szczątkowym.

Uzyskuje się większe własności plastyczne i większą udarność stali niż po ulepszaniu cieplnym.

Większa jest również odporność stali na zmęczenie, a niższa granica sprężystości i plastyczności.

Podczas hartowania bainitycznego z przemianą izotermiczną, zwanego również hartowaniem izotermicznym, chłodzenie jest wielozabiegowe i polega na kolejnym:

–podchładzaniu austenitu do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej,

–wytrzymywaniu izotermicznym w kąpieli chłodzącej lub innym ośrodku, o temperaturze wyższej od temperatury Ms, tj. 250÷400°C, w czasie gwarantującym pełną przemianę bainityczną,

–chłodzeniu do temperatury pokojowej z dowolną szybkością, zwykle w spokojnym powietrzu

Hartowanie z przemianą izotermiczną zapewnia uzyskanie struktury bainitycznej, przy znacznym ograniczeniu naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszeniu możliwości powstania pęknięć i odkształceń.

Hartowanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej przedmiotów o małych przekrojach oraz dużych przedmiotów ze stali wysokostopowych

Hartowanie powierzchniowe:

•polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie oziębianiu.

•umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie.

•nie wywołuje dużych naprężeń i odkształceń cieplnych.

•umożliwia automatyzację i mechanizację procesów technologicznych obróbki cieplnej.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Acγ wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej.

W zależności od temperatury odpuszczanie może być:

•niskie, •średnie, •wysokie.

odpuszczanie niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷250°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów itp.,

celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.

odbywa się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn,

w wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość.

wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C (500÷650°C ), lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali i jak największej udarności przy wystarczającej wytrzymałości na rozciąganie,

stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Rp

w wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu tetragonalnego z drobno dyspersyjnymi węglikami ε oraz austenitu szczątkowego.

w wyniku odpuszczania średniego, martenzyt cechuje się małym odkształceniem tetragonalnym oraz dyspersyjnymi wydzieleniami cementytu

wyniku odpuszczania wysokiego martenzyt wysokoodpuszczony (sorbit) nie jest przesycony węglem i charakteryzuje się bardzo małą gęstością dyslokacji, stając się podobny do ferrytu,

występują w nim wydzielenia cementytu, w dużej mierze skoagulowane,

w stalach stopowych wydzielają się węgliki stopowe, ulegające również koagulacji w wyższej temperaturze odpuszczania,

w strukturze stali stopowych nie ma już austenitu szczątkowego lub jego udział jest niewielki.

wysokie odpuszczanie po hartowaniu nazywa się ulepszaniem cieplnym. Miarą skuteczności ulepszania cieplnego jest porównanie Rp do Rm

OBRÓBKA CIEPLNO - CHEMICZNA

Dziedzina obróbki cieplnej obejmująca zespół operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego

i struktury warstwy podpowierzchniowej stali (a przez to zmianę własności elementów), w wyniku działania temperatury i ośrodka chemicznego .

Polega na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy podpowierzchniowej elementów stalowych, w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych.

Obróbce cieplno-chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza, głównie stale, chociaż znalazła ona również zastosowanie w technologii elementów z metali nieżelaznych, np. molibdenu, wolframu, tytanu i innych.

Obróbce cieplno-chemicznej są poddawane zarówno elementy konstrukcyjne, w tym części maszyn, jak i narzędzia.

Celem obróbki cieplno - chemicznej jest:

–wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne,

–zwiększenie odporności korozyjnej i erozyjnej,

–często zwiększenie odporności elementów na zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni.

NAWĘGLANIE

•Polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy.

•Odbywa się najczęściej w temperaturze 900÷950°C.

•O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5÷2 mm, decyduje temperatura i czas nawęglania. Czas dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej.

W warstwie nawęglonej stali węglowych wyróżnia się strefy:

•nadeutektoidalną - o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych przypadkach występującego w postaci siatki na granicach ziarn byłego austenitu,

•eutektoidalną - o strukturze perlitycznej,

•podeutektoidalną - o strukturze perlityczno- ferrytycznej. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej są ponadto węgliki stopowe

NAWĘGLANIE W OŚRODKACH STAŁYCH

•Nawęglanie w ośrodkach stałych, obecnie nie stosowane, odbywa się w proszku węgla drzewnego, często wymieszanego ze sproszkowanymi węglanami sodu, wapnia, litu lub baru, zwykle w temperaturze ok. 900°C.

•W wyniku reakcji spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO, z którego tworzy się CO2 i węgiel atomowy, nasycający powierzchnię stali.

•Do nawęglania mogą być również wykorzystywane pasty zawierające np. 50% sadzy, 20% węglanu baru, 20% węglanu sodu i 10% żelazocyjanku potasu lub 50% sadzy, 40% węglanu sodu, 10% żelazochromu, związane melasą.

•Sposób ten umożliwia otrzymanie warstw nawęglonych na wybranych powierzchniach przedmiotu stalowego.

•Zawartość węgla w warstwie nawęglonej zależy przede wszystkim od temperatury i czasu nawęglania oraz od aktywności karboryzatora i rodzaju stali,

•Im wyższa temperatura wygrzania, tym większa koncentracja węgla w warstwie nawęglanej,

•Podwyższenie temperatury prowadzi również do zwiększenia grubości warstwy nawęglonej,

•Podobnie wpływa również czas wygrzewania. Im jest on dłuższy, tym warstwa nawęglona jest grubsza i ma większą zawartość węgla, a przejście pomiędzy warstwą nawęgloną i rdzeniem jest bardziej łagodne.

NAWĘGLANIE W ROZTOPIONYCH SOLACH

Nawęglanie wykonuje się również przez zanurzanie w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych, zawierających np. 47,5% węglanu sodu, 47,5% chlorku potasu i 5% węglika wapnia lub 60% węglanu sodu, 5% węglanu baru, 20% chlorku sodu i 15% węglika krzemu. Temperatura nawęglania w tym ośrodku wynosi 830÷850oC.

Nawęglanie gazowe, obecnie stosowane, wykonuje się w temperaturze ok. 920°C w atmosferze tlenku węgla.

Metody otrzymywania ośrodka nawęglającego polegają na:

–spalaniu węglowodorów w powietrzu,

–wytwarzaniu atmosfery nawęglającej z nafty,

metanolu lub acetonu, rozkładających się w temperaturze ok. 700°C na węgiel i wodór

Gazy nawęglające są specjalnie oczyszczane, co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu się sadzy na powierzchni, utrudniającej adsorpcję węgla.

Poza temperaturą i czasem nawęglania o wynikach procesu decyduje potencjał węglowy i natężenie przepływu ośrodka nawęglającego.

NAWĘGLANIE W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH

•Złoże fluidalne jest tworzone przez cząstki ciała stałego, np. piasku lub tlenku glinu, utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający przepływający przez złoże od dołu ku górze.

•Przedmioty obrabiane cieplno-chemicznie zanurza się w złożu fluidalnym, podobnie jak w cieczy

NAWĘGLANIE PRÓŻNIOWE

–Nawęglanie może odbywać się także pod obniżonym ciśnieniem w atmosferze metanu, propanu i innych gazów

–W metodzie tej atomowy węgiel jest uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów.

–Nawęglanie próżniowe zapewnia lepszą adsorpcję węgla z atmosfery o niskim ciśnieniu i mniejsze zużycie gazu.

NAWĘGLANIE JONIZACYJNE

Podejmowane są udane próby nawęglania jonizacyjnego, które polega na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego pomiędzy przedmiotem stanowiącym katodę, a anodą.

W tych warunkach następuje wyładowanie jarzeniowe i wytworzenie plazmy.

W wyniku aktywacji plazmą powstają jony węgla, przyspieszane w polu potencjału w pobliżu powierzchni przedmiotu, który jest przez nie bombardowany, co znacznie ułatwia adsorpcję węgla przez stal.

Metoda ta zapewnia wysoką wydajność procesu, umożliwia regulację grubości i skład mikrostruktury warstwy nawęglonej.

OBRÓBKA CIEPLNA PO NAWĘGLANIU

Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250÷300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo małe ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu.

W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej;

–w szczególności dąży się do otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie podpowierzchniowej,

–zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC,

–zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w nienawęglonym rdzeniu.

Nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest błędem technologicznym i staje się niecelowe

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia:

•dużą twardość powierzchni obrobionych elementów,

•dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe,

•powiększa wytrzymałość zmęczeniową.

Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno- chemicznej i cieplnej wykazuje:

•dużą ciągliwość,

•dużą sprężystość,

•odporność na dynamiczne działanie obciążeń

Azotowanie polega na nasycaniu warstwy podpowierzchniowej stali azotem przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu.

•Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niższej od Ac1

•Azotowanie może być:

–krótkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do kilku godzin,

–długookresowe, gdy wynosi kilkadziesiąt godzin. Przy stałej temperaturze azotowania struktura warstw wierzchnich obrabianej stali zależy od czasu tej operacji

–W wyniku azotowania długookresowego na powierzchni stali tworzy się ciągła strefa azotków typu ε w stali węglowej Fe2-3N, a często węglikoazotków Fe2(C,N)1-x.

–W sprzyjających warunkach pod strefą azotków ε powstaje cienka strefa azotków γ'.

–Strefa ta przechodzi do wnętrza strefy dyfuzyjnej ferrytu przesyconego z wydzieleniami azotków γ' i metastabilnych azotków ά"-Fe16N2.

•Do azotowania stosuje się stale stopowe zawierające dodatki aluminium, tytanu, wanadu, molibdenu i chromu.

•Składniki te tworzą z azotem związki zwane azotkami, które odznaczają się dużą trwałością i twardością oraz drobnodyspersyjnością (najtrwalszy jest azotek aluminium AlN).

•Wyroby azotowane oprócz dużej twardości powierzchniowej mają dużą wytrzymałość rdzenia. Z tego względu zawierają one zwykle 0,30 ÷ 0,45% węgla

WPŁYW STRUKTURY WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ NA WŁASNOŚCI STALI AZOTOWANEJ

•Strefa azotków i węglikoazotków ε decyduje o odporności na ścieranie stali węglowych.

•W przypadku stali stopowych na własności te wpływa dodatkowo strefa dyfuzyjna.

•Warstwa azotowana wykazuje największą odporność na ścieranie, gdy jest twarda i nieporowata i ma grubość 0,02÷0,025 mm.

•Pod względem strukturalnym warstwa taka jest złożona z mieszaniny azotków i węglikoazotków α”+ γ'.

AZOTOWANIE W PROSZKACH

•Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko.

•Proszek stosowany do takiego azotowania zawiera 80% cyjamidu wapniowego CaC(CN), 15% węglanu sodowego Na2CO3, 3% żelazomanganu i 2% węglika krzemu SiC.

•Temperatura operacji zależy od rodzaju stali oraz wymiarów przedmiotu i najczęściej jest 500 ÷ 600°C.

•Czas azotowania w proszkach jest zwykle 0,5 ÷ 10 h w zależności od wymiarów i przeznaczenia obrabianego przedmiotu oraz stali.

AZOTOWANIE GAZOWE

•Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w strumieniu zdysocjowanego amoniaku w temperaturze 500÷600°C:

wg reakcji; 2NH3 -» 6H + 2N.

•Żelazo działa katalitycznie na przebieg tej reakcji

AZOTOWANIE JONIZACYJNE

•Azotowanie jonizacyjne odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu w urządzeniu składającym się ze szczelnej retorty, pompy próżniowej, urządzenia dozującego gaz oraz zasilacza.

•Azotowane przedmioty nie dotykająścianek retorty, która jest anodą. Przedmioty podłączone są do bieguna ujemnego.

•Przyłożone napięcie wynosi 0,5 ÷ 1,5 kV, a ciśnienie azotu lub mieszaniny z wodorem w retorcie jest obniżane do 10-2 kPa.

AZOTOWANIE W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH

•Podobnie jak nawęglanie azotowanie może odbywać się w złożach fluidalnych.

OBRÓBKA CIEPLNA PRZED AZOTOWANIEM

•Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym.

•Azotowaniu poddaje się stale zahartowane i odpuszczone w temperaturze wyższej od temperatury azotowania.

•W niektórych przypadkach operacja odpuszczania może być połączona z operacją azotowania.

•Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej przedmioty azotowane nie stosuje się szlifowania wykańczającego.

ZASTOSOWANIE AZOTOWANIA

•Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali niestopowych i stopowych, maszynowych i narzędziowych, narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających.

•Azotowaniu są poddawane bardzo liczne części silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, tuleje cylindrowe, koła zębate, wałki, tłoki, pierścienie i sworznie tłokowe, cylindry, nurniki pomp.

PIERWIASTKI NASYCAJĄCE WPROWADZANE WRAZ Z AZOTEM

Coraz szersze znaczenie praktyczne ma azotowanie z jednoczesnym nasycaniem innymi pierwiastkami, a głównie:

•węglem, •tlenem, •siarką.

WĘGLOAZOTOWANIE

•Węgloazotowanie polega na jednoczesnym nasycaniu

powierzchni stali węglem i azotem w ośrodkach gazowych lub ciekłych.

•W zależności od temperatury procesu węgloazotowanie może być: - wysokotemperaturowe (azotonawęglanie) - w 750÷950°C, stosowane powszechnie np. dla ele- mentów konstrukcyjnych w przemyśle samochodowym, - niskotemperaturowe - w 450÷600°C.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Złożone konstrukcje metalowe
Konstrukcje metalowe egzamin1
Konstrukcje metalowe 1 Przyklad 8 Polaczenia srubowe
D semestr 5 konstrukcje metalowe wstępny Model (2
7 wyklad konstrukcji metalowych
Sprawko badanie twardosci, Studia, WIP PW, I rok, MATERIAŁY METALOWE I CERAMICZNE, SPRAWOZDANIA
sciaga egzam ULA, Studia, Konstrukcje metalowe I, Egzamin
CERAMIKA, Studia, Materiałoznastwo, Metaloznastwo i Podstawy Obrobki Cieplnej, Meteloznastwo
Konstrukcje metalowe - Tematy zajęć, Budownictwo S1, Semestr IV, Konstrukcje metalowe, Labolatorium
s1, Studia, Materiałoznastwo, Metaloznastwo i Podstawy Obrobki Cieplnej, Meteloznastwo
biegus, konstrukcje metalowe podstawy, Długości wyboczeniowe prętów
biegus, konstrukcje metalowe podstawy, Słupy złożone
instrukcja bhp czyszczenia mycia i dezynfekcji metalowych opakowan zwrotnych
Metaloproteinazy
Projekt konstrukcje metalowe
Konstrukcje Metalowe Danka Witczak

więcej podobnych podstron