Materiałoznawstwo

W – 9

Metale jako materiały

Metale jako materiały

inżynierskie

inżynierskie

Materiałoznawstwo

W – 9

Metale jako materiały

Metale jako materiały

inżynierskie

inżynierskie

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Odmiany alotropowe żelaza:







żelazo

żelazo

zelazo

C

C

C

C



 





 





 





 



0

0

0

0

1400

1400

898

910

Mikrostruktura stali

Stal ma budowę krystaliczna i jej ziarna
(krystality) składać się mogą z następujących
składników:

- Ferryt – prawie czyste żelazo o twardości

HB50 –HB70
- Cementyt (Fe

3

C)

o twardości pomiędzy

korundem i

diamentem (9,5 w skali Mohsa)

Żelazo do 768

0

C

jest ferromagnetykiem,

powyżej natomiast paramagnetykiem. W tej
odmianie rozpuszczalność węgla jest
minimalna.

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Składniki strukturalne układu żelazo -
cementyt:

Składnik

struktura

lny

Objaśnienie

Roztwór

ciekły

Roztwór ciekły węgla w żelazie

Ferryt

Roztwór stały węgla w żelazie



(poniżej temp. 912

0

C i



1394-1538

0

C)

Austenit

Roztwór stały węgla w żelazie



Cementyt

pierwotny

wtórny

trzeciorzędowy

Węglik złożony Fe

3

C

- wydzielający się z roztworu ciekłego zgodnie ze zmienną rozpuszczalnością
węgla w cieczy wzdłuż linii C-D

- wydzielający się w stanie stałym z austenitu w wyniku malejącej
rozpuszczalności węgla w roztworze stałym

 wzdłuż linii E-S

- wydzielający się w stanie stałym z ferrytu w wyniku malejącej rozpuszczalności
węgla w roztworze stałym

 wzdłuż linii P-Q

Perlit

Mieszanina etektoidalna ferrytu i cementytu zawierająca 0,77% C
występująca poniżej temperatury 727

0

C

Ledeburyt

Mieszanina etektyczna austenitu i cementytu zawierająca 4,30% C trwała w
temperaturze od 727

0

C do 1148

0

C

Ledeburyt

przemienion

y

Mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z
ledeburytu w perlit trwała poniżej temperatury 727

0

C

Wykres równowagi żelazo
- węgiel

Wykres równowagi żelazo
- węgiel

Stal eutektoidalna

Temp. topnienia =
temp. krzepnięcia
= 723

0

C

ABCD - Linia likwidusu (Liquidus)

AHJECF

–

linia solidusu

(Solidus)

1538

1538

0

0

C

C

temp. topnienia

czystego żelaza

Stal

Surówka

Żeliwo

150
0

140
0

130
0

120
0

110
0

100
0

900

800

700

600

500

400

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

A

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

A

o

o

C

C

A

A

(1538

(1538

0

0

,

,

0%)

0%)

B

B

E

E

(1148

(1148

0

0

, 2,08

, 2,08

%)

%)

H

H

(0,09

(0,09

%)

%)

I

I

ciecz

III

III

Ciecz + kryształy
austenitu

C

C

’

’

F

F

(1148

(1148

0

0

,

,

6,67 %)

6,67 %)

IV

IV

Ciecz + kryształy

Fe

3

C pierwotnego

VII

Austenit (

)

Austenit +
ledeburyt
+ cem. wtórny

738

o

723

o

G

G

(912

(912

0

0

,

,

0%)

0%)

S

S

(727

(727

0

0

,

,

0,77%)

0,77%)

P

P

Perlit
+ ferryt

Perlit
+ Fe

3

C

wtórny

Perlit + Fe

3

C

wtórny
+ ledeburyt
przem.

Fe

3

C

pierwotny
+ ledeburyt
przemieniony

Q

Q

(20

(20

0

0

, 0,08%)

, 0,08%)

Austenit
+ Fe

3

C

wtórny

D

D

(

(1227

o

,

6,67%)

0,0 0,81

1,0

2,0

3,0 4,0

4,3

5,0

6,0

6,7

Stężenie masowe C,
(%)

E’

E’

(1154

(1154

0

0

,

,

2,08%)

2,08%)

C

C

(1148, 4,30

(1148, 4,30

%

%

)

)

D’

D’

J

J

(0,17

(0,17

%)

%)

II ciecz + ferryt


Fe-Fe

3

C

Fe-C

(1495

o

,

0,53 %)

VIII a

VIII b

VIII c

Ledeburyt +
cementyt
pierweotny

P

e

rl

it

IX Ferryt
+austenit

X Ferryt


K

K

(727

(727

0

0

, 6,67%)

, 6,67%)

N

N

(1394

o

,0

%)

V ferryt

V ferryt





Wykres równowagi żelazo – węgiel – podstawowe
pojęcia

Stal eutektoidalna

– stal o zawartości 0,8 % C

( składa się z ziaren zbudowanych z płytek
cementytu i ferrytu) Struktura takiej stali nazywa
się perlityczną.

Stale o innej zawartości węgla: podeutektoidalne
(<0,8 % C) lub nadeutektoidalne (>0,8 % C).

Austenit

– stal o strukturze roztworu stałego węgla

w żelazie. Powstaje przy nagrzewaniu powyżej 723

0

C (powyżej linii PSK) w wyniku przemiany
alotropowej żelaza



w żelazo



( następuje

rozpuszczanie węgla).

Temperaturę początku
przemiany







oznacza

się litera A

1

. (temperatura

etuektoidu) Bardzo silny
wpływ na ten parametr ma
składnik stopowy stali.

Obróbkę cieplno-chemiczną przeprowadza się w

środowisku bogatym w składnik dyfundujący do

stali. W większości przypadków stosuje się

środowisko gazowe i wówczas w czasie obróbki

zachodzą trzy podstawowe procesy:

a)

dysocjacja — polegająca na rozkładzie

cząsteczek gazu i utworzeniu aktywnych atomów

pierwiastka dyfundującego, np.

2CO  CO

2

+ C,

NH

3

 3H + N;

b) adsorpcja — polegająca na wchłanianiu

(rozpuszczaniu) wolnych atomów przez

powierzchnię metalu (zachodzi tylko wtedy, gdy

pierwiastek wprowadzany rozpuszcza się w

obrabianym metalu),

c) dyfuzja — polegająca na przemieszczaniu się

obcych atomów w sieci przestrzennej obrabianego

metalu.

Podstawy obróbki cieplno-chemicznej
metali

Obróbka cieplna stopów żelaza

Obróbka cieplna stopów żelaza jest to zabieg lub
połączenie zabiegów cieplnych, pod wpływem
których zmienia się w STANIE STAŁYM struktura
stopów a tym samym ich właściwości chemiczne,
fizyczne i mechaniczne w celu dostosowania ich do
wymaganych warunków.

Należą do nich :

•Wyżarzanie

•Hartowanie,

•Odpuszczanie

•Ulepszanie cieplne

•Stabilizowanie

Podstawowe procesy obróbki cieplnej
metali

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna

zwykła

zwykła

Wyżarzani

Wyżarzani

e

e

Hartowanie

Hartowanie

Odpuszczani

Odpuszczani

e

e

Przesycani

Przesycani

e

e

starzenie

starzenie

ujednorodniaj

ujednorodniaj

ące

ące

normalizując

normalizując

e

e

zupełne

zupełne

niezupełne

niezupełne

rekrystalizują

rekrystalizują

ce

ce

zmiękczające

zmiękczające

sferoidyzując

sferoidyzując

e

e

odprężająjące

odprężająjące

martenzytycz

martenzytycz

ne

ne

bainityczna

bainityczna

niskie

niskie

średnie

średnie

wysokie

wysokie

utwardzanie cieplne

utwardzanie cieplne

ulepszanie cieplne

ulepszanie cieplne

naturaln

naturaln

e

e

sztuczne

sztuczne

utwardzanie

utwardzanie

wydzieleniowe

wydzieleniowe

Obróbka cieplna stopów żelaza

Wyżarzani

e

Odprężają
ce

Rekrystalizując
e

hartowani
e

Wyżarzanie
zupełne i
normalizujące

Stosuje się np. w celu

usunięcia naprężeń

odlewniczych, spawalniczych i innych cieplnych.
Operacje wyżarzania poprawia wiele
właściwości jak plastyczność, zmniejsza
twardość,

Jeden z procesów
zwykłej obróbki
cieplnej
polegającej na
nagrzaniu stali do
określonej
(zależnie od
rodzaju
wyżarzania)
temperatury,
wygrzaniu w niej i
powolnym
studzeniu w celu
uzyskania
jednolitej
struktury zbliżonej
do stanu
równowagi.

Obróbka cieplna stopów żelaza

Hartowani

e

Jeden z rodzajów obróbki cieplnej, polegający
na nagrzewaniu materiału do odpowiedniej
temperatury

(astenityzowania),

wygrzaniu w tej

temperaturze

(przemiany do postaci austenitu),

a następnie szybkim chłodzeniu w celu
uzyskania zwiększonej twardości w wyniku
zmiany

struktury

(budowy

wewnętrznej)

materiału. Hartowaniu poddaje się głównie
wyroby ze stali, ale również z innych stopów,
np. brązów aluminiowych (stop miedzi i
aluminium), oraz materiały niemetalowe, jak
szkło. 

Obróbka cieplna stopów żelaza

Hartowani

e

Efekt hartowania stali zależy od sposobu nagrzewania oraz
sposobu i prędkości chłodzenia.
Chłodzenie może być przeprowadzone:

• w wodzie

(bardzo szybkie, stosowane przy małym stężeniu

C),

• w oleju,

• w sprężonym azocie,

Przewaga chłodzenia w sprężonym azocie w porównaniu
do oleju polega na znacznym ograniczeniu odkształceń i
wyeliminowaniem pęknięć hartowniczych. Stosując
mniejsze prędkości chłodzenia lub przystanek izotermiczny
w celu wyrównania temperatur powierzchni i rdzenia
narzędzi o bardzo skomplikowanych kształtach lub dużych
wymiarach i grubościach ścian uzyskuje się znacznie
lepsze wyniki w jednorodności struktury i rozkładzie
naprężeń.

Obróbka cieplna stopów żelaza

Odmiany hartowania:
1.

Zwykłe

polega na nagrzaniu i szybkim chłodzeniu.aż do

temperatury otoczenia.
Wady: Przemiana

austenitu w

martenzyt powoduje 1,5

procentowy wzrost objętości kryształów, co jest

przyczyną naprężeń hartowniczych.

2. Stopniowe

polega na nagrzaniu szybkim ochłodzeniu

do temperatury przemiany martenzytycznej i

przetrzymaniu w tej temperaturze (300-350

0

C) przez

krótki czas w celu wyrównania temperatur (kąpiele w

stopionej saletrze). Proces ten pozwala na

zmniejszenie naprężeń hartowniczych.

3. Hartowanie z przemianą izotermiczną

polega na

nagrzaniu i chłodzeniu w kąpieli saletrzanej (300- 500

0

C). Przemiana austenitu przebiega w stałej

temperaturze. Otrzymuje się stal jak po hartowaniu i

odpuszczaniu.

Głębokość hartowania stali węglowych wynosi 3- 10 mm.
Większą głębokość uzyskuje się dla stali stopowych.

Hartowanie powierzchniowe polega na nagrzewaniu tylko

powierzchni elementu. Można je uzyskać przez

nagrzewanie płomieniowe (nagrzewanie palnikiem tylko

miejsca hartowania), indukcyjne (prądami wirowymi) lub

kąpielowe (krótkie zanurzanie w kąpieli ołowiowej o temp.

znacznie wyższej od austenitycznej).

Obróbka cieplna stopów żelaza

Hartowanie próżniowe

Proces hartowania stali narzędziowych w
piecach próżniowych z chłodzeniem w
sprężonym azocie (maksymalne ciśnienie 10
bar) polega na wielostopniowym nagrzewaniu
wsadu z kontrolą temperatury termoparami
giętkimi umieszczonymi we wsadzie.
Następnie przeprowadza się hartowanie
sprężonym azotem z możliwością sterowania
dynamiką chłodzenia. Proces chłodzenia
umożliwia przeprowadzenie martemperingu
lub hartowania izotermicznego

Obróbka cieplna stopów żelaza

Hartowanie próżniowe

Wymiary użytkowe

pieców:

1100 x 750 x 700

700 x 700 x 500
900 x 600 x 400

Maksymalna masa

wsadu:

1000 kg

Maksymalne ciśnienie

chłodzenia:

10 bar abs.

Obróbka cieplna stopów żelaza

Odpuszczani

e

Stosuje się do stali hartowanych i ma na celu usunięcie

Stosuje się do stali hartowanych i ma na celu usunięcie

naprężeń hartowniczych.

naprężeń hartowniczych.

Polega na nagrzaniu do temperatury 180 – 650

stopni, przetrzymaniu i ochłodzeniu.

Martenzyt rozpada się przez wydzielenie

najdrobniejszych ziarenek cementytu.

Rozróżnia się odpuszczanie:
a) Niskie – ( w temp. 150 – 250

0

C) Likwiduje

naprężenia ale zachowuje wysoką twardość i

odporność na ścieranie (narzędzia, sprężyny

śrubowye drut patentowy) .

b) Średnie – ( w temp. 250 - 500

0

C) – pozwala

na zachowanie dużej wytrzymałości i

sprężystości ale zmniejsza twardość.n

(sprężyny, resory młotki itp.)

c) Wysokie – ( w temp. powyżej 500

0

C). Stal ma

wysoką wytrzymałość przy niewiele

obniżonych cechach plastycznych. Jej

twardość sięga 250 – 350 HB i daje się

obrabiać przez skrawanie.

Obróbka cieplno – chemiczna
stopów żelaza

Obróbką cieplno-chemiczną stopów
żelaza nazywa się obróbkę, w czasie której
zmiany strukturalne uzyskuje się poprzez
połączone działanie zabiegów cieplnych oraz
działaniem chemicznym ośrodka, w którym
przedmiot się nagrzewa.

Należą do nich :

•

nawęglanie,

• azotowanie

• węgloazotowanie, azotonawęglanie

(cyjanowanie)

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

NAWĘGLANIE

Nawęglanie jest procesem wysycenia warstwy wierzchniej stali
węglem. Polega na na nagrzaniu stali niskowęglowej (0,3-0,4%
C) w odpowiednim ośrodku do temperatury powyżej A

3

,

wygrzaniu przez pewien czas.

Proces nawęglania prowadzić można między innymi w
karboryzatorach stałych gdzie ośrodkiem nawęglającym jest
węgiel (drzewny) i sole zawierające węgiel (węglany: BaCO

3

,

Na

2

CO

3

).

Nawęglanie zachodzi w obecności fazy gazowej zawierającej
tlen, który reaguje z węglem dając dwutlenek węgla:

Dalej dwutlenek węgla reaguje z węglem:

CO

2

+C 2CO

Tlenek węgla reaguje z żelazem:

3Fe + 2 CO  Fe

3

C + CO

2

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Cementyt rozpuszcza się w żelazie tworząc

roztwór stały – austenit.
Wg innej hipotezy tlenek węgla stykając się z

żelazem (katalizatorem) ulega rozkładowi:

2CO

CO

2

+C

3Fe + C  Fe

3

C

Cementyt rozpuszcza się w żelazie jak

poprzednio tworząc roztwór stały – austenit.
Obecność wilgoci w procesie nawęglania prowadzi

do powstania metanu, który tak, jak tlenek węgla

może być środkiem nawęglającym.

H

2

O +C

 H

2

+ CO

2H

2

O +C

 2H

2

+ CO

2

C + H

2

 CH

4

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

NAWĘGLANIE PRÓŻNIOWE

Nawęglanie próżniowe
(podciśnieniowe) jest
procesem łączącym w sobie
zalety warstw nawęglanych z
technologią obróbki cieplnej w
próżni. Otrzymywane metodą
nawęglania próżniowego
warstwy mają znacznie
ograniczoną w stosunku do
nawęglania konwencjonalnego
(gazowo) możliwość
występowania siatki węglików
oraz korozji
międzykrystalicznej.

W zależności od sposobu hartowania sprężonym gazem lub w oleju
uzyskuje się również znaczne zmniejszenie odkształceń hartowniczych
przy bardzo dobrej jakości powierzchni.

Proces przeprowadzony jest w piecach próżniowych jednokomorowych
(samo nawęglanie) z hartowaniem w oleju w klasycznym piecu z
atmosferą ochronną lub w piecach próżniowych wielokomorowych z
chłodzeniem sprężonym azotem przy ciśnieniu max 18 bar.

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Nawęglanie i węgloazotowanie
gazowe

Nawęglanie

i

węgloazotowanie

gazowe wraz z hartowaniem w oleju
stali stopowych niskowęglowych jest
procesem, który zapewnia uzyskanie
wysokiej twardości na powierzchni
(58-62 HRC) i miękkiego rdzenia
obrabianych detali. Dzięki temu
uzyskujemy wysoką odporność na
ścieranie i jednocześnie elastyczność
obrabianych cieplnie elementów.

Proces prowadzony jest w piecach poziomych, atmosferowych, komorowych
wyposażonych w przedsionek z wanną hartowniczą. Dzięki temu proces
nawęglania i chłodzenia w oleju odbywa się bez dostępu powietrza i detale
nie podlegają odwęgleniu i utlenianiu.
Kontrola potencjału węglowego w piecach jest prowadzona za pomocą
sondy tlenowej, która pozwala na uzyskanie dużej dokładności i
powtarzalności nawęglonej warstwy jak i optymalnego rozkładu twardości
w tej warstwie.
Obróbka

cieplno-chemiczna

nawęglania

gazowego

ma

szerokie

zastosowanie w przemyśle samochodowym i maszynowym ( np. na koła
zębate, wały, sworznie, tuleje itp.). 

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Azotowanie

Azotowanie

Azotowanie przeprowadza się za pomocą amoniaku,
który w temp. 400

0

C dysocjuje

wg równania:

2NH

3

 2 N + 3H

2

dostarczając do stali bardzo aktywny azot, który

reagując z żelazem daje azotki żelaza:

2m Fe + 2 N

 2Fe

m

N

Do azotowania używa się przeważnie stali stopowych

zawierających glin, chrom, tytan i wanad. Azotki tych

związków są bardzo twarde
HV = 9000÷12000 MPa, co przewyższa znacznie

twardość stali nawęglanej i hartowanej.
Stale azotowane mają powierzchnię bardzo twardą ale

jednocześnie bardzo kruchą.

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Azotowanie

Azotowanie

Wpływ czasu i temperatury azotowania stali 38HMJ na: a)
głębokość warstwy

naazotowanej, b) twardość warstwy

naazotowanej

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Wymiary użytkowe

pieców:

1000 x 1500

800 x 2000

1200 x 2500

Maksymalna masa

wsadu:

4000 kg

Azotowanie

Azotowanie

Azotowanie NITREG

® 

jest procesem azotowania gazowego z pełną kontrolą

potencjału azotowego. Daje to w efekcie możliwość uzyskiwania warstw o
kontrolowanym składzie. Proces NITREG

® 

w odróżnieniu do procesów

standardowych azotowania gazowego umożliwia sterowanie parametrami
twardości, grubości strefy dyfuzyjnej czy strefy wydzieleń.
Proces NITREG

® 

jest przeprowadzany w wysoko zaawansowanych technologicznie

piecach produkcji NITREX METAL Co. (Kanada)

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Azotonawęglanie i węgloazotowanie
(cyjanowanie)

Obróbka cieplno-chemiczna polegająca na
jednoczesnym dyfuzyjnym nasycaniu węglem i
azotem przypowierzchniowych stref przedmiotu
dzieli się na:

• azotonawęglanie przeprowadzane zwykle w
zakresie temperatury 800-880

0

C, w którym

dominuje dyfuzja węgla,

• węgloazotowanie przeprowadzane zwykle w
zakresie temperatury 500-600

0

C, w którym

dominuje dyfuzja azotu.

Najczęściej stosowanymi w praktyce procesami są
azotonawęglanie i węgloazotowanie kąpielowe w
roztopionych solach, zawierających zwykle
cyjanek sodu

NaCN

, cyjanek potasu

KCN

, chlorek

sodu

NaCl

, chlorek baru

BaCl

2

i węglan sodu

Na

2

CO

3

.

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

Obróbka stopów żelaza i

węgla

węgla

Dziękuję