Materiałoznawstwo

W – 9

Metale jako materiały

inżynierskie

Materiałoznawstwo

W – 9

Metale jako materiały

inżynierskie

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

węgla

Odmiany alotropowe żelaza:







żelazo

zelazo



 





 



 





 



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

o twardości pomiędzy

korundem i

diamentem (9,5 w skali Mohsa)

Żelazo do 768

jest ferromagnetykiem,

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

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

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

C i



1394-1538

Austenit

Roztwór stały węgla w żelazie



Cementyt

pierwotny

wtórny

trzeciorzędowy

Węglik złożony Fe

- 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

Ledeburyt

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

C do 1148

Ledeburyt

przemienion

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

Wykres równowagi żelazo
- węgiel

Stal eutektoidalna

Temp. topnienia =
temp. krzepnięcia
= 723

ABCD - Linia likwidusu (Liquidus)

AHJECF

–

linia solidusu

(Solidus)

1538

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

(1538

0%)

(1148

, 2,08

(0,09

ciecz

III

Ciecz + kryształy
austenitu

’

(1148

6,67 %)

Ciecz + kryształy

C pierwotnego

VII

Austenit (

)

Austenit +
ledeburyt
+ cem. wtórny

738

723

(912

0%)

(727

0,77%)

Perlit
+ ferryt

Perlit
+ Fe

wtórny

Perlit + Fe

wtórny
+ ledeburyt
przem.

pierwotny
+ ledeburyt
przemieniony

(20

, 0,08%)

Austenit
+ Fe

wtórny

(

(1227

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’

(1154

2,08%)

(1148, 4,30

)

D’

(0,17

II ciecz + ferryt


Fe-Fe

Fe-C

(1495

0,53 %)

VIII a

VIII b

VIII c

Ledeburyt +
cementyt
pierweotny

IX Ferryt
+austenit

X Ferryt


(727

, 6,67%)

(1394

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

C (powyżej linii PSK) w wyniku przemiany
alotropowej żelaza



w żelazo



( następuje

rozpuszczanie węgla).

Temperaturę początku
przemiany







oznacza

się litera A

. (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:

dysocjacja — polegająca na rozkładzie

cząsteczek gazu i utworzeniu aktywnych atomów

pierwiastka dyfundującego, np.

2CO  CO

+ C,

 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

zwykła

Wyżarzani

Hartowanie

Odpuszczani

Przesycani

starzenie

ujednorodniaj

ące

normalizując

zupełne

niezupełne

rekrystalizują

zmiękczające

sferoidyzując

odprężająjące

martenzytycz

bainityczna

niskie

średnie

wysokie

utwardzanie cieplne

ulepszanie cieplne

naturaln

sztuczne

utwardzanie

wydzieleniowe

Obróbka cieplna stopów żelaza

Wyżarzani

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

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

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

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

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

Stosuje się do stali hartowanych i ma na celu usunięcie

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

C) Likwiduje

naprężenia ale zachowuje wysoką twardość i

odporność na ścieranie (narzędzia, sprężyny

śrubowye drut patentowy) .

b) Średnie – ( w temp. 250 - 500

C) – pozwala

na zachowanie dużej wytrzymałości i

sprężystości ale zmniejsza twardość.n

(sprężyny, resory młotki itp.)

c) Wysokie – ( w temp. powyżej 500

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

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

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

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

Dalej dwutlenek węgla reaguje z węglem:

+C 2CO

Tlenek węgla reaguje z żelazem:

3Fe + 2 CO  Fe

C + CO

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

węgla

Cementyt rozpuszcza się w żelazie tworząc

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

żelazem (katalizatorem) ulega rozkładowi:

2CO

CO

3Fe + C  Fe

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.

O +C

 H

+ CO

O +C

 2H

+ CO

C + H

 CH

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

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

węgla

Nawęglanie i węgloazotowanie
gazowe

Nawęglanie

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

szerokie

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

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

węgla

Azotowanie

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

C dysocjuje

wg równania:

2NH

 2 N + 3H

dostarczając do stali bardzo aktywny azot, który

reagując z żelazem daje azotki żelaza:

2m Fe + 2 N

 2Fe

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

węgla

Azotowanie

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

naazotowanej, b) twardość warstwy

naazotowanej

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

węgla

Wymiary użytkowe

pieców:

1000 x 1500

800 x 2000

1200 x 2500

Maksymalna masa

wsadu:

4000 kg

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

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

C, w którym

dominuje dyfuzja węgla,

• węgloazotowanie przeprowadzane zwykle w
zakresie temperatury 500-600

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

i węglan sodu

Materiałoznawstwo: W
- 9

Obróbka stopów żelaza i

węgla

Dziękuję

Document Outline