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