Obróbka cieplna i odpuszczanie stali

Obróbka cieplna i

odpuszczanie stali

Błażej Major

Mateusz Siudy

Inżynieria materiałowa

Semestr 3

Obróbka cieplna



Obróbka cieplna – zabieg lub połączenie
zabiegów, pod wpływem których zmienia się w
stanie stałym struktura stopów, a tym samym ich
własności fizyczne i mechaniczne



Operacja obróbki cieplnej – część procesu
technologicznego, wykonywana w sposób ciągły



Zabiegi obróbki cieplnej – cykl zmian
temperatur rozpoczynający się i kończący w
temperaturze otoczenia

Operacje obróbki cieplnej



Hartowanie



Wyżarzanie



Odpuszczanie



Starzenie



Przesycanie

Hartowanie

Hartowanie polega na nagrzaniu stali
powyżej temperatury przemiany

austenitycznej,

wygrzaniu jej, czyli austenityzowaniu,

następnie szybkim ochłodzeniu w celu
uzyskania struktury martenzytycznej

lub

bainitycznej

Podział hartowania



Hartowanie można podzielić na:

•

Hartowanie objętościowe

•

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie objętościowe

Ze względu na rodzaj uzyskiwanej
struktury hartowanie objętościowe

można

podzielić na:



Martenzytyczne



Bainityczne

Hartowanie martenzytyczne

Schematyczny wykres przemian austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu ciągłym (CTPc)
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Hartowanie martenzytyczne



Martenzyt listwowy – stal
niskowęglowa, niemal wszystkie
stopy żelaza z pierwiastkami
stopowymi



Martenzyt płytkowy/iglasty – stal
średnio i wysoko węglowa, nieliczne
stopy żelaza z pierwiastkami
stopowymi

Hartowanie bainityczne

Schematyczny wykres przemian austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu
izotermicznym (CTPi)
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Bainit górny

Składa się z ziarn przesyconego

węglem

ferrytu o nieregularnych kształtach z
nieregularnymi wydzieleniami

węglików

oraz austenitu szczątkowego

Bainit dolny

Składa się z przesyconego węglem

ferrytu

o postaci listwowej, zbliżonego do
martenzytu oraz płytkowych węglików

równoległych rzędach

Hartowanie powierzchniowe

Najczęściej stosowanymi metodami
hartowania powierzchniowego są:



Hartowanie płomieniowe



Hartowanie indukcyjne



Hartowanie kąpielowe



Hartowanie laserowe

Hartowanie płomieniowe

Polega na nagrzewaniu powierzchni
płomieniem gazowym, zwykle
acetylenowo-tlenowym, za pomocą

palnika

o dużej wydajności, i na intensywnym
oziębianiu strumieniem wody.

Hartowanie indukcyjne

Polega na nagrzewaniu warstwy
powierzchniowej przedmiotu prądami
wirowymi, wzbudzonymi przez prąd
zmienny o wysokiej częstotliwości,

płynący

we wzbudniku w postaci cewki, a

następnie

szybkim oziębianiu natryskiem

wodnym

Hartowanie kąpielowe

Polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli
saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu
przez krótką chwilę. Temperatura kąpieli
musi być na tyle wysoka, by w jej czasie
powierzchnia przedmiotu podniosła się
ponad temperaturę przemiany
austenitycznej

Hartowanie laserowe

Powierzchniowe hartowanie za pomocą
wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany
przedmiot miejscowo. Głowica lasera
umieszczona jest na manipulatorze
laserowym, zaś ślad hartowniczy
wyznaczany jest komputerowo za pomocą
metody CAD/CAM

Dobór czasu grzania elementów

Wymiary charakterystyczne S i współczynnik kształtu K dla różnych przedmiotów
obrabianych cieplnie
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Dobór czasu grzania elementów

Współczynniki względnego czasu nagrzewania wsadu „n” w zależności od kształtu przedmiotów i sposobu ich ułożenia
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Wyżarzanie

Wyżarzanie to operacja zwykłej

obróbki

cieplnej polegająca na nagrzaniu stali

określonej temperatury, wygrzaniu w

tej

temperaturze i studzeniu w celu

uzyskania

struktury zbliżonej do stanu

równowagi

Wyżarzanie



Ujednorodniające



Rekrystalizujące



Odprężające



Normalizujące



Zupełne



Sferoidyzujące

Wyżarzanie ujedonorodniające



Temperatura: 100-200°C poniżej
solidusu



Cel: Ograniczenie niejednorodności
składu chemicznego



Zastosowanie: Głównie dla wlewków
stalowych

Wyżarzanie ujednorodniające

Fragment wykresu Fe-Fe

C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania stali węglowych

Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Wyżarzanie rekrystalizujące



Temperatura: Wyższa od temperatury
rekrystalizacji



Cel: Zmniejszenie twardości i wytrzymałości,
zwiększenie własności plastycznych metali



Zastosowanie: Jako międzyoperacyjne
podczas walcowania lub ciągnienia metali na
zimno, w celu umożliwienia dalszej obróbki
plastycznej na zimno

Wyżarzanie rekrystalizujące

Fragment wykresu Fe-Fe

C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania stali węglowych

Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Wyżarzanie odprężające



Temperatura: Poniżej Ac



Cel : Usunięcie naprężeń bez
wprowadzania znaczących zmian
strukturalnych



Zastosowanie: Usunięcie naprężeń
odlewniczych, spawalniczych, cieplnych
lub spowodowanych obróbką plastyczną

Wyżarzanie odprężające

Fragment wykresu Fe-Fe

C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania

stali węglowych
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Wyżarzanie normalizujące



Temperatura: 30-50°C powyżej Ac



Cel: Uzyskanie jednorodnej struktury
drobnoziarnistej, a przez to polepszenie
własności mechanicznych



Zastosowanie: Do stali niestopowych
konstrukcyjnych i staliwa, często przed
dalszą obróbką cieplną

Wyżarzanie zupełne



Temperatura: 30-50° powyżej linii
GSK



Cel: Uzyskanie struktury zbliżonej do
równowagowej, usunięcie naprężeń
wewnętrznych, polepszenie
obrabialności, zwiększenie
ciągliwości



Zastosowanie: Stale stopowe

Wyżarzanie normalizujące

Fragment wykresu Fe-Fe

C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania stali

węglowych
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Wyżarzanie sferoidyzujące

(zmiękczanie)



Temperatura: Zbliżona do temperatury Ac



Cel: Zmiana kształtu wydzieleń cementytu
na sferoidalny – zmniejszenie twardości



Zastosowanie: Polepszenie skrawalności
oraz podatności na odkształcenia
plastyczne w czasie obróbki plastycznej na
zimno.

Wyżarzanie sferoidyzujące

(zmiękczanie)

Fragment wykresu Fe-Fe

C z zaznaczonymi zakresami temperatury wyżarzania i hartowania

stali węglowych
Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo

Odpuszczanie

Odpuszczanie polega na nagrzaniu

stali zahartowanej do temperatury

niższej od Ac1, wygrzaniu w tej

temperaturze i ochłodzeniu do

temperatury pokojowej.

Cel odpuszczania

Celem odpuszczania jest usunięcie

naprężeń hartowniczych oraz zmiana

własności fizycznych zahartowanej

stali, a przede wszystkim

zmniejszenie twardości,

a podniesienie udarności

zahartowanej stali.

Podczas wygrzewania w temperaturze

niższej od A1 i studzenia stali uprzednio

zahartowanej zachodzą w niej liczne

przemiany fazowe. Należą do nich:



rozkład martenzytu,



przemiana austenitu szczątkowego w

fazę α,



wydzielanie węglika ε i cementytu, a w

stalach stopowych również innych

węglików,



koagulacja węglików wydzielonych we

wcześniejszych stadiach odpuszczania.

Odpuszczanie prowadzi się w zakresie

temperatury od 150 do 650 °C,

przetrzymywaniu w tej temperaturze

przez pewien czas, a następnie

schłodzeniu. W czasie

odpuszczania całość lub część martenzytu

zawartego w zahartowanej stali rozpada

się. W wyniku tego rozpadu wydzielają się

bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc

fazy noszące nazwy: „martenzyt

odpuszczania”

„troostyt odpuszczania”.

„sorbit odpuszczania”

Siłą pędną przemian podczas

odpuszczania jest różnica energii

swobodnej między metastabilnym

martenzytem a mieszaniną faz złożoną z

ferrytu i węglików. W zależności od

warunków odpuszczania, głównie zaś

temperatury, można wyróżnić kilka

stadiów tego procesu, w których

przeważa jedna z przemian. Śledzenie

przemian podczas odpuszczania

umożliwiają badania dylatometryczne

Pierwsze stadium, rozpoczyna się od

temperatury 80 do 200 °C, jest

związane z rozkładem martenzytu i

wydzieleniem w nim węglika ε-

C o strukturze heksagonalnej.

Następuje zmniejszenie stężenia

węgla w martenzycie, zmniejszenie

tetragonalności martenzytu i tworzy

się martenzyt o sieci regularnej, tzw.

martenzyt odpuszczania.

Drugie stadium, w temperaturze 200–300

°C, jest związane z dalszym

wydzielaniem się w stopie węglika ε,

skutkiem czego zawartość węgla w

martenzycie maleje do około 0,15%.

Równocześnie zachodzi dyfuzyjna

przemiana austenitu szczątkowego w

strukturę o charakterze bainitycznym.

W etapie tym powstaje mieszanina

ferrytu nieznacznie przesyconego

węglem oraz węglika ε.

Trzecie stadium przebiega w

temperaturze 300–400 °C. Następuje

całkowite wydzielenie węgla z

roztworu, a węglik ε ulega

przemianie w cementyt; struktura

otrzymana na tym etapie jest

mieszaniną ferrytu i cementytu

(troostyt odpuszczania).

Czwarte stadium przebiega w

temperaturze 400–650 °C. Zachodzi

koagulacja cząsteczek cementytu,

wzrastająca ze wzrostem

temperatury. Struktura otrzymana w

tym zakresie temperatur, będąca

mieszaniną ferrytu i cementytu,

nazywa się sorbitem odpuszczania

(cząstki cementytu mają kształt

globularny). Na tym etapie następuje

całkowite usunięcie naprężeń.

Odpuszczanie stali stopowych

W stalach stopowych, przede

wszystkim o dużym stężeniu

pierwiastków stopowych, przemiany

fazowe podczas odpuszczania są

znacznie bardziej złożone. W

zależności od temperatury

odpuszczania, w temperaturze

wyższej od ok. 450°C następuje

wydzielanie różnych węglików, np.

M7C3, MC lub M2C, po uprzednim

rozpuszczeniu się w osnowie

cementytu oraz węglików

wydzielonych w niższej temperaturze

odpuszczania.

Węgliki pierwiastków stopowych w

początkowym stadium wydzielania są

koherentne z osnową martenzytyczną,

co jest przyczyną wzrostu twardości ,

decydując o tzw. twardości wtórnej.

Przemiana austenitu

szczątkowego może wówczas zachodzić

podczas chłodzenia z temperatury

odpuszczania zgodnie z mechanizmem

przemiany martenzytycznej.

Odwracalna kruchość odpuszczania

W zależności od sposobu chłodzenia

po odpuszczaniu, zwłaszcza stali

nisko i średniostopowych, występuje

tzw. kruchość odpuszczania.

Zjawisko to przejawia się

zmniejszeniem udarności stali

zahartowanej i powoli studzonej po

odpuszczaniu w zakresie

temperatury 400÷600°C, a

najwyraźniej w zakresie 500÷525°C.

Stale zahartowane w identyczny

sposób, lecz po odpuszczaniu
oziębione w wodzie lub oleju,

uzyskują natomiast znacznie wyższą

udarność.

Obecnie sądzi się, że procesy

wywołujące zjawisko kruchości

odpuszczania w tym zakresie

temperatury są odwracalne, co

można osiągnąć przez wyżarzanie w

temperaturze niższej od Ac1 z

następnym szybkim chłodzeniem,

którą to operację wykonuje się

bezpośrednio po odpuszczaniu.

Kruchość odpuszczania występuje

przede wszystkim w stalach

stopowych, szczególnie

manganowych, chromowych,

chromowo–manganowych oraz

chromowo– niklowych.

Tendencja do kruchości odpuszczania

wzmaga się wraz ze zwiększeniem

stężenia zanieczyszczeń: fosforu,

arsenu, antymonu i cyny w stali.

Skłonność stali do kruchości

odpuszczania zmniejszają dodatki

wolframu :0,4÷0,8%, a nawet

do ok. 1,5%, oraz molibdenu :

0,2÷0,4%, a nawet do ok. 0,6%.

Sądzi się, że zjawisko odwracalnej

kruchości odpuszczania jest

powodowane segregacją manganu,

chromu i niklu, tworzących roztwory

różnowęzłowe, a także węgla i

fosforu oraz innych pierwiastków

międzywęzłowych na granicach ziarn

austenitu lub ferrytu.

Kruchości odpuszczania można

przeciwdziałać przez obniżenie

stężenia niepożądanych

zanieczyszczeń w stali, dodanie W lub

Mo, wyżarzanie w temperaturze

niższej od Ac1, zmniejszenie wielkości

ziarn i przez to

zmniejszenie segregacji składników

stopowych, a także przez stosowanie

dużych szybkości chłodzenia po

odpuszczaniu.

Nieodwracalna kruchość

odpuszczania

Poza odwracalną kruchością

odpuszczania, po odpuszczaniu w

zakresie temperatury 300÷350°C

występuje obniżenie udarności stali,

często określane „kruchością 300“.

Zjawisko to jest związane z

rozpuszczaniem się węglika ε w

osnowie martenzytu odpuszczonego,

co powoduje silne wzbogacenie

osnowy w węgiel i zwiększenie

naprężeń sieciowych.

Na spadek ciągliwości wpływa również

zachodzące jednocześnie

zarodkowanie cementytu, głównie na

dyslokacjach. Sądzi się, że przyczyną

„kruchości 300“ może być również

rozpoczęcie segregacji niepożądanych

zanieczyszczeń arsenu, antymonu,

cyny i głównie fosforu w

bezpośrednim otoczeniu

rozpuszczających się węglików ε.

Ponieważ „kruchość 300“ jest

zjawiskiem, którego nie można

wyeliminować, unika się go

zmniejszając stężenie niepożądanych

zanieczyszczeń w stali. W celu

uniknięcia nieodwracalnej kruchości

odpuszczania można także zastosować

odpuszczanie w temperaturze niższej od

ok. 200°C albo wyższej od ok. 400°C.

Rodzaje odpuszczania



Niskie



Średnie



wysokie

Odpuszczanie niskie

Odpuszczanie niskie (odprężające) jest

wykonywane w temperaturze

150÷200°C i stosowane

głównie dla narzędzi i sprężyn.

Celem tej operacji jest usunięcie

naprężeń hartowniczych z

zachowaniem dużej twardości,

wytrzymałości i odporności na

ścieranie.

Odpuszczanie średnie

Odpuszczanie średnie, odbywające 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.

Odpuszczanie wysokie

Odpuszczanie wysokie, wykonywane w

temperaturze wyższej od 500°C, lecz

niższej od Ac1, ma na celu

osiągnięcie możliwie dobrych

własności plastycznych stali.

Stosowane jest między innymi dla

elementów maszyn, od których

wymagana jest wysoka granica

plastyczności Re.

Struktury stali

odpuszczonych

W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje

się strukturę martenzytu

niskoodpuszczonego, który w stalach

węglowych jest mieszaniną martenzytu

tetragonalnego z dyspersyjnymi
węglikami typu ε oraz austenitu

szczątkowego. Martenzyt

średnioodpuszczony cechuje się małym

odkształceniem tetragonalnym oraz

dyspersyjnymi wydzieleniami cementytu.

Martenzyt wysokoodpuszczony nie jest

przesycony węglem i charakteryzuje się

bardzo małą gęstością dyslokacji, stając

się podobny do ferrytu. Występują w nim

natomiast wydzielenia cementytu, w dużej

mierze skoagulowane. W stalach

stopowych wydzielają się węgliki stopowe,

ulegające również koagulacji w wyższej

temperaturze odpuszczania. Po wysokim

odpuszczaniu w strukturze stali stopowych

nie ma już austenitu szczątkowego, lub

jego udział jest

niewielki.

Utwardzanie i ulepszanie cieplne

Hartowanie i niskie odpuszczanie

wykonane łącznie są nazywane

utwardzaniem cieplnym. Hartowanie

i wysokie odpuszczanie stanowią

łącznie tzw. Ulepszanie cieplne.

Miarą skuteczności ulepszania

cieplnego jest stosunek Re : Rm.

Utwardzanie

wydzieleniowe

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:



przesycania,



starzenia.

Przesycanie

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do

temperatury wyższej o ok. 30÷50°C

(temperatura tp dla stopu I na rys.) 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

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. W

niektórych przypadkach starzenie

zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz

stref Guiniera–Prestona, będących

kompleksami, w których segregują atomy

rozpuszczonew sieci rozpuszczalnika

Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające

się zwiększeniem własności

wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności

plastycznych. Przebieg starzenia – jako procesu

dyfuzyjnego – zależy od czasu i temperatury

Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje

efekt przestarzenia polegający na koagulacji

wydzieleń i zaniku ich koherencji, co nie

powoduje wzrostu twardości w stosunku do

stanu przesyconego,

a przeciwnie – wpływa na jej obniżenie.

Starzenie jest przyspieszane przez

odkształcenie plastyczne na zimno.
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.

Bibliografia



Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i
metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-
Techniczne, 2006



Głowacka Maria: Metaloznastwo, Wydawnictwo
Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 1996



Hucińska Joanna: Metaloznastwo, Wydawnictwo
Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 1995



http://pl.wikipedia.org/wiki/Odpuszczanie

Document Outline