Dr inż. Jerzy Bielanik
Wykład 9
Obróbka cieplna zwykła
Rozróżniamy 3 rodzaje obróbki cieplnej:
Obróbka cieplna zwykła, którą realizujemy stosując 2 parametry: t, τ
Obróbka cieplno-chemiczna, którą realizujemy stosując parametry:
t, τ oraz aktywne chemicznie środowisko
Obróbka cieplno-mechaniczna, którą realizujemy stosując parametry:
t, τ oraz odkształcenie plastyczne
1. Najczęściej stosowane operacje obróbki cielnej zwykłej
Operacje wyżarzania
Operacje hartowania i
odpuszczania
Operacje przesycania i
starzenia
Wyżarzanie:
1. ujednorodniające
2. normalizujące
3. zupełne
4. niezupełne
5. sferoidyzujące
6. zmiękczające
7. rekrystalizujące
8. odprężające
Hartowanie:
1. objętościowe
1.1.
ciągłe
1.2.
stopniowe
1.3.
z przemianą izotermiczną
1.4.
powierzchniowe
1.5.
indukcyjne
1.6.
płomieniowe
1.7.
kontaktowe
1.8.
kąpielowe
1.9.
elektrolityczne
2. Odpuszczanie
2.1.
niskie (do 250
O
C)
2.2.
średnie (do 500
O
C)
2.3.
wysokie (pow. 250
O
C)
Przesycanie
Starzenie
Przesycanie z następnym
starzeniem nazywamy
utwardzaniem
dyspersyjnym
lub utwardzaniem
wydzieleniowym
Hartowanie z następnym odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym
Hartowanie z następnym odpuszczaniem wysokim nazywamy ulepszaniem cieplnym
2. Terminologia
Operacje obróbki cieplnej składają się z prostych zabiegów cieplnych, dla których stosuje
się terminologię (schemat na rys.1.:
A – podgrzewanie, B – wygrzewanie, C – dogrzewanie,
D - wygrzewanie, A + B + C + D = grzanie,
E - podchładzanie, F – wychładzanie, G – dochładzanie,
E + F + G = chłodzenie.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Schemat zabiegów obróbki cieplnej
Bardzo szybkie chłodzenie nazywamy oziębianiem,
bardzo powolne chłodzenie nazywamy studzeniem,
chłodzenie poniżej 0°C nazywamy wymrażaniem.
3. Podstawowe rodzaje operacji wyżarzania stali
a) Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) - polega na nagrzaniu stali do 1050 –
1250°C, wygrzaniu w tej temperaturze przez kilkadziesiąt godzin i następnym powolnym
chłodzeniu. Celem tego wyżarzania jest zmniejszenie niejednorodności składu
chemicznego w obszarach poszczególnych ziaren. Wyżarzanie to jest przyczyną
znacznego rozrostu ziaren stali oraz strat materiału w wyniku utlenienia i odwęglenia
warstwy wierzchniej, którą należy usunąć metodami obróbki mechanicznej.
t [°C]
τ [min]
A
B
C
D
E
F
G
Dr inż. Jerzy Bielanik
b) Wyżarzanie normalizujące – polega na nagrzaniu stali do 30 – 50°C powyżej
temperatury przemian A
C3
lub A
Cm
, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i
następnym powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tego wyżarzania jest
rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury równowagowej, co wpływa na poprawę
właściwości mechanicznych stali. Wyżarzanie stosuje się bardzo często jako obróbkę
ciepną poprzedzającą operację hartowania, a w przypadku stali węglowych jako obróbkę
cieplną końcową.
c) Wyżarzanie zupełne – polega na nagrzaniu stali do 30 – 50°C powyżej temperatury
przemian A
C3
lub A
Cm
, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i studzeniu
wraz z piecem. Celem tego wyżarzania jest rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury
równowagowej, co wpływa na poprawę właściwości mechanicznych stali. Wyżarzanie
stosuje się dla stali stopowych o podwyższonej hartowności, które podczas chłodzenia w
spokojnym powietrzu ulegają częściowemu zahartowaniu, w wyniku którego nie uzyskują
strukturę równowagowej, lecz inną, np. ferrytyczno, perlityczną z bainitem i martenzytem.
Wyżarzanie zupełne stosuje się jako obróbkę ciepną poprzedzającą operację hartowania.
Wykres CTP
C
Druga odmiana wyżarzania zupełnego polega na nagrzaniu stali do 30 – 50°C powyżej
temperatury przemian A
C3
lub A
Cm
, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny
i następnym wychładzaniu stali w temperaturze najmniejszej trwałości austenitu
przechłodzonego (ok. 550°C). Do przeprowadzenia tej odmiany wyżarzania niezbędne są
2 piece, jeden do grzania a drugi do wychładzania wsadu.
Wykres CTP
i
t,°C
A
C1
τ, sec
A
C3
α
M
S
V
k
B
P
T, °C
A
C1
τ, sec
A
C3
α
M
S
B
P
Dr inż. Jerzy Bielanik
d) Wyżarzanie sferoidyzujące - polega na nagrzaniu stali do temperatury przemian
A
C1
/A
Cm
, wygrzaniu wahadłowym w temperaturze ± 20°C wokół temperatury przemian
A
C3
/A
Cm
(723°C) przez okres kilkudziesięciu godzin i następnym chłodzeniu w
spokojnym powietrzu. Celem tego wyżarzania jest uzyskanie struktury ziarnistego
cementytu w osnowie ferrytycznej, zapewniającej możliwie najniższą twardość stalom
wysokowęglowym, tj. stalom zawierającym powyżej 0,6%C. Wyżarzanie stosuje się dla
ułatwienia obróbki mechanicznej twardych stali, lub przed dalszą obróbką cieplną.
e) Wyżarzanie rekrystalizujące - polega na nagrzaniu stali powyżej temp. rekrystalizacji
lecz poniżej temperatury przemiany A
C1
, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres
kilkudziesięciu minut, a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu.
Celem wyżarzania jest usunięcie skutków zgniotu po obróbce plastycznej stali na zimno
(odbudowa
struktury
ziarnistej,
przywrócenie
właściwości
plastycznych
i
wytrzymałościowych). Wyżarzanie stosuje się jako obróbkę międzyoperacyjną przed
kolejnymi cyklami operacji obróbki plastycznej, lub jako obróbkę cieplną końcową, po
zakończeniu obróbki plastycznej.
f) Wyżarzanie odprężające - polega na nagrzaniu stali poniżej temperatury wywołującej
zmiany strukturalne stali (zawsze poniżej temperatury przemiany A
C1
), wygrzaniu w tej
temperaturze przez okres kilku godzin i następnie powolnym chłodzeniu w spokojnym
powietrzu lub z piecem.
Celem wyżarzania jest zredukowanie do minimum naprężeń własnych bez wywołania
zmian strukturalnych stali. Wyżarzanie stosuje się do wyrobów spawanych, po obróbce
plastycznej, odlewów, po zakończeniu niektórych operacji cieplnych – zawsze przed
końcową obróbką mechaniczną.
4. Hartowanie stali
Rozróżnia się hartowanie objętościowe i hartowanie powierzchniowe.
Hartowanie objętościowe – polega na grzaniu przedmiotu ze stali w całym przekroju
(na wskroś) do temperatury austenityzacji (30 – 50°C powyżej temperatury przemian
A
C3
/A
Cm
), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie chłodzeniu/oziębianiu z szybkością
nie mniejszą od szybkości krytycznej, w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Po
hartowaniu stali uzyskuje się wysoką twardość i wytrzymałość stali oraz obniżoną jej
plastyczność
.
Temperatura grzania stali w operacjach hartowania
Dr inż. Jerzy Bielanik
Przebieg chłodzenia stali w operacji hartowania ciągłego
Rozróżnia się następujące odmiany hartowania objętościowego:
Zwykłe, które polega na chłodzeniu ciągłym przedmiotów od temperatury
hartowania do temperatury otoczenia,
Stopniowe, które polega na podchładzaniu stalowych przedmiotów od
temperatury hartowania do temperatury nieco wyższej od temperatury
przemiany martenzytycznej (M
S
), wychładzaniu w tej temperaturze w czasie
niezbędnym do wyrównania się temperatury pomiędzy powierzchnią i
rdzeniem, a następnie dochładzaniu w powietrzu do temperatury otoczenia.
Podchładzanie i wychładzanie wyrobów przeprowadza się w stopionych solach
nagrzanych do temperatury nieco wyższej od M
S.
Hartowanie stopniowe zmniejsza naprężenia własne, zmniejsza ryzyko
wystąpienia pęknięć hartowniczych oraz zmniejsza odkształcenia hartowanych
przedmiotów. Hartowanie tego rodzaju stosuje się dla wyrobów ze stali o
odpowiednio dużej hartowności i o skomplikowanych kształtach.
Z przemiana izotermiczną (bainityczną), które polega na podchładzaniu
stalowych przedmiotów od temperatury hartowania do temperatury nieco
wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej (M
S
), wychładzaniu w tej
temperaturze w czasie niezbędnym do zakończenia przemiany bainitycznej, a
następnie dochładzaniu w powietrzu do temperatury otoczenia. Hartowanie z
przemianą izotermiczną zmniejsza ryzyko wystąpienia odkształceń i pęknięć
hartowniczych w jeszcze większym stopniu niż hartowanie stopniowe.
Rodzaje hartowania: a)zwykłe, b) stopniowe, c) z przemiana izotermiczną
T, °C
A
C1
τ, sec
A
C3
α
M
S
V
k
B
P
Dr inż. Jerzy Bielanik
N a p r ę ż e n i a w ł a s n e g e n e r o w a n e w o b r ó b c e c i e p l n e j
Naprężenia własne są wynikiem zróżnicowanej gęstości materiału, która może
zostać wywołana różnicą temperatury lub różnicą struktury powierzchni i rdzenia
grzanego lub chłodzonego wyrobu.
Naprężenia własne wywołane różnicą temperatury nazywamy naprężeniami
cieplnymi. Im szybciej wsad nagrzewamy lub chłodzimy, tym różnica temperatur
pomiędzy powierzchnią i rdzeniem jest większa.
Objętościowe grzanie wsadu w piecu:
a) grzanie powolne – grzanie wsadu razem z piecem,
b) grzanie wsadu w piecu nagrzanym do temp. docelowej,
c) grzanie wsadu w piecu nagrzanym do temp. wyższej od docelowej.
Naprężenia własne wywołane przemianami fazowymi (strukturalnymi) nazywamy
naprężeniami strukturalnymi. Naprężenia te wynikają z różnej gęstości ( ρ= [g/cm
3
] )
faz tworzących strukturę materiału przed i po przemianie, np.: ρFeα’˂ ρFeα ˂ ρFeγ.
Jeśli ρFeγ ˂ ρFeα’ to oznacza, że wyrób o strukturze austenitycznej po przemianie w
strukturę martenzytyczne zajmuje większą objętość.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Hartowanie powierzchniowe – polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstewki
wierzchniej wyroby stalowego (0,2 – 5 mm) do temperatury austenityzacji (ok. 100°C
powyżej temperatury przemiany A
C3
, i następnie szybkim chłodzeniu przez natrysk wody
lub emulsji hartowniczej w celu uzyskania struktury martenzytycznej na powierzchni
wyrobu i struktury nie zahartowanej pod powierzchnią.
W zależności od sposobu grzania wyrobów stalowych rozróżniamy następujące
sposoby hartowania:
płomieniowe
indukcyjne
kąpielowe,
kontaktowe
elektrolityczne
a) - hartowanie płomieniowe ciągłe posuwowe, b) - hartowanie płomieniowe jednoczesne obrotowe
c) hartowanie płomieniowe ciągłe posuwowo – obrotowe
Z a s a d a h a r t o w a n i a i n d u k c y j n e g o
Przez cewkę zwaną wzbudnikiem płynie prąd zmienny. Wokół cewki powstaje zmienne
pole magnetyczne. W przedmiocie w postaci wałka wykonanego z materiału
ferromagnetycznego umieszczonego wewnątrz cewki linie zmiennego pola magnetycznego
indukują prąd zmienny o analogicznej częstotliwości. W miarę wzrostu częstotliwości prądu
w cewce prąd indukowany skupia się w coraz węższej warstwie powierzchniowej wałka,
osiągając natężenie wystarczające do szybkiego grzania jego wierzchniej warstwy. Im
większa częstotliwość prądu, tym grubość nagrzanej warstwy jest mniejsza. Zastosowanie po
grzaniu wałka chłodzenia natryskiem cieczy powoduje zahartowanie jego wierzchniej
warstwy.
a)
b)
c)
Dr inż. Jerzy Bielanik
Hartowanie indukcyjne ciągłe posuwowo - obrotowe
5. Operacje odpuszczania zahartowanych stali
Po hartowaniu stali przeprowadza się jej odpuszczanie, zawsze w temperaturze niższej od
temp. przemiany Ac
1
, najczęściej w czasie 2 godzin. Po odpuszczaniu stosuje się powolne
chłodzenie. Wyjątkiem są stale do ulepszania cieplnego bez molibdenu – wrażliwe na
kruchość odpuszczania drugiego rodzaju, które po wysokim odpuszczaniu chłodzi się
szybko w oleju hartowniczym. W tym przypadku po odpuszczeniu stali należy
przeprowadzić wyżarzanie odprężające w temperaturze nie przekraczającej 400
O
C.
Rozróżniamy:
Odpuszczanie niskie w temperaturach 150 - 250
O
C.
W zakresie temperatur 80 – 200
O
C z przesyconego węglem martenzytu (tetragonalnego)
wydziela się nadmiar węgla w postaci węglika ε. Martenzyt tetragonalny po zmniejszeniu
stopnia przesycenia węglem staje się regularny. Po przekroczeniu temperatury 200
O
C w
stalach o zawartości powyżej 0,6%C zostaje zapoczątkowana przemiana austenitu
szczątkowego w martenzyt niskoodpuszczony, który jest mieszaniną niejednorodnego
roztworu węgla w Fe
α
o budowie iglastej i bardzo drobnych cząstek węglika ε. Celem tego
odpuszczania jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych przy zachowaniu wysokiej
twardości. Odpuszczanie niskie stosuje się do wyrobów wykonanych ze stali
wysokowęglowych oraz dla wyrobów nawęglanych.
Odpuszczanie średnie w temperaturach 250 - 500
O
C
W zakresie temperatur 250 – 300
O
C w martenzycie w dalszym ciągu wydziela się węglik ε
i jednocześnie zostaje zakończona przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt. W
zakresie temperatur 300 – 400
O
C z martenzytu wydziela się nadmiar węgla w postaci
cementytu i jednocześnie węglik ε ulega przemianie w cementyt. W wyniku procesu
wydzieleniowego węgla z martenzytu następuje znaczące zmniejszenie naprężeń własnych.
Powyżej temperatury 400
O
C rozpoczynają się procesy koalescencji wydzieleń cementytu.
Uzyskaną strukturę (mieszaninę niejednorodnego roztworu węgla w Fe
α
o budowie iglastej
i bardzo
drobnych cząstek cementytu Fe
3
C) określa się mianem martenzytu
średnioodpuszczonego. Odpuszczanie średnie stosuje się do sprężyn, resorów i narzędzi od
których wymaga się wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy nieco obniżonej twardości.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Odpuszczanie wysokie w temperaturach 500 - 650
O
C
W zakresie temperatur 500 – 650
O
C zachodzą zmiany strukturalne polegające na koagulacji
(zaokrągleniu wydzieleń) i koalescencji (wzrost większych wydzieleń i zanik mniejszych)
wydzielonych cząstek cementytu oraz zdrowieniu i rekrystalizacji iglastego martenzytu, który
przyjmuje postać pierzastą. Strukturę taką nazywamy sorbitem.
Odpuszczanie wysokie stosuje się dla wyrobów wykonanych ze stali średniowęglowych w
celu nadania im wysokiej udarności i granicy plastyczności przy obniżonej twardości.
Kruchość odpuszczania
Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju - występuje po odpuszczaniu stali w temp.
300 - 350
O
C. Kruchość 300 jest wywołana obecnością wydzieleń węglika ε oraz
segregacją zanieczyszczeń arsenem, antymonem i cyną. Unika się odpuszczania stali w
zakresie temperatur 300 - 350
O
C.
Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju - występuje po odpuszczaniu stali w temp.
400 - 600
O
C (największe nasilenie kruchości występuje po odpuszczaniu stali w temp.
500 - 525
O
C). Kruchość ta występuje w stalach stopowych do ulepszania cieplnego, które
w składzie chemicznym nie zawierają dodatku 0,2 – 0,4% Mo lub 0,4 – 0,8% W.
Odpuszczanie stali skłonnych do kruchości drugiego rodzaju przeprowadza się w temp.
przekraczającej 600
O
C , a następnie poddaje się je szybkiemu chłodzeniu w oleju, co
skraca czas przebywania stali w zakresie temperatur wywołujących kruchość.
Przykładowe struktury stali niestopowych - zależne od stężenia węgla
i przeprowadzonej obróbki cieplnej
Obróbka cieplna
Struktura stali
C ≤ 0,6%
C = 0,61 ÷ 0,8%
C ˂ 0,8%
Po wyżarzaniu
normalizującym
Ferrytyczno - perlityczna
Perlityczna
Perlityczna z Fe
3
C
II
Hartowaniu (H)
Martenzyt
Martenzyt + austenit
szczątkowy
Martenzyt + austenit
szczątkowy Fe
3
C
II
H + O
(niskie)
Martenzyt nisko-
odpuszczony
Martenzyt nisko-
odpuszczony +
austenit szczątkowy
Martenzyt nisko-
odpuszczony +
austenit szczątkowy +
Fe
3
C
II
H + O
(średnie)
Martenzyt średnio-
odpuszczony
Martenzyt średnio-
odpuszczony
Martenzyt średnio-
odpuszczony + Fe
3
C
II
H + O
wysokie
Sorbit
Sorbit
Sorbit + + Fe
3
C
II
H + O (700 - Ac
1
)
Sferoidyt (w ziarnach ferrytu występują sferoidalne cząstki cementytu)
6. Przesycanie i starzenie stopów metali
Stopy metali, które nie wykazują przemian alotropowych, w tym stale austenityczne i
ferrytyczne nie są podatne do hartowania.
W przypadku, gdy stopy takie charakteryzują się zmienną rozpuszczalnością jednego ze
składników w roztworze stałym, to mogą one podlegać utwardzaniu dyspersyjnemu
(umacnianiu), w wyniku przeprowadzonych operacji: przesycania, a następnie starzenia.
Dr inż. Jerzy Bielanik
Schemat przebiegu utwardzania dyspersyjnego (przesycania i starzenia) stopu metali, w
którym podczas nagrzewania wykazuje zwiększoną rozpuszczalność składnika B w
roztworze stałym α.
Przesycanie polega na nagrzaniu stopu 30 – 50
O
C powyżej granicznej rozpuszczalności w
celu rozpuszczenia w roztworze stałym wydzielonego składnika, wygrzaniu w tej
temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycenia sto uzyskuje
strukturę jednofazową roztworu stałego. Stopy w stanie przesyconym wykazują obniżone
właściwości wytrzymałościowe i podwyższone cechy plastyczne.
Temperatura grzania w operacji przesycania stopu „I”
Wpływ temperatury i czasu starzenia na zmiany stopu
Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od
granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. Podczas
wygrzewania z przesyconego roztworu wydziela się nadmiar rozpuszczonego składnika B
w postaci dyspersyjnych cząstek fazy A
n
B
m
bogatej w składnik B. Starzenie powoduje
wzrost wytrzymałości stopu i zmniejszenie jego plastyczności. W miarę wzrostu
temperatury starzenia maleje efekt umocnienia stopu. Wzrost temperatury starzenia skraca
czas, po którym stop uzyskuje maksymalną wytrzymałość.