Część teoretyczna

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania środowiska.

Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej, zgodnie z PN-93/H-01200

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu.

Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie

Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze

Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu.

Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z szybkością dużą- oziębianiem. Wytrzymanie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem

Wyżarzanie.

Przez wyżarzanie rozumie się zabiegi cieplne, których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością. Ze względu na temperaturę, w której wyżarzanie przebiega, dzieli się je na wyżarzanie: z przekrystalizowaniem i bez przekrystalizowania.

1. Procesy wyżarzania bez przemiany alotropowej

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu materiału do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie pierwotnych właściwości materiału.

Wyżarzanie odprężające (odprężanie) polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej A_c1, najczęściej 600-650°C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

Wyżarzanie stabilizujące przeprowadza się w temperaturze do 150°C i ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Najczęściej jest stosowane do narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, walców hutniczych itp. Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi nazwę sezonowanie.

2. Procesy wyżarzania z przemianą alotropową

Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200°C (o ok.100-200°C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności (mikrosegregacji) składu chemicznego.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50°C powyżej temperatury linii GSE (A_c3, A_cm) i następnie studzeniu w powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali, jak przy wyżarzaniu normalizującym i powolnym studzeniu (np. z piecem). Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości, usunięcie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali. Procesowi temu poddaje się zwykle stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu podczas normalizowania jest za duża i może prowadzić do zahartowania stali.

Wyżarzanie izotermiczne jest odmianą wyżarzania zupełnego i polega na nagrzaniu stali o 30-50°C powyżej temperatury A_c3, A_cm, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim chłodzeniu do temperatury zawartej pomiędzy temperaturą A_r1, a temperaturą najmniejszej trwałości przechłodzonego austenitu i izotermicznym wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej. W wyniku wyżarzania izotermicznego uzyskuje się równomierne rozmieszczenie cementytu w perlicie, ziarna średniej wielkości, dobrą obrabialność oraz twardość w granicach 150 – 220 HB. Z tych względów proces ten jest zalecany dla stali stopowych do nawęglania i ulepszania, przeznaczonych na koła zębate, wałki wielowypustowe itp.

Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_c1 wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze do 20°C powyżej lub poniżej temperatury A_c1. Najbardziej efektywne jest wygrzewanie wahadłowe wokół temperatury A_c1, trudne jednak do realizacji w warunkach przemysłowych.W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego w osnowie ferrytycznej tzw. sferoidyt. Struktura taka odznacza się najmniejszą twardością, dobrą skrawalnością oraz podatnością na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

3. Hartowanie

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30-50°C powyżej linii GSK (rys.13). Natomiast stale wysokostopowe (nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temperatur znacznie wyższych (1100-1200°C) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi.

Hartowanie objętościowe występuje wtedy, gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość zahartowanej warstwy zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia.

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie, nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzieli się na: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, wiązkowe

Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

Hartowanie bainityczne w czasię tego hartowania stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej.

Hartowanie ciągłe polega na ciągłym obniżaniu temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej. Dobór ośrodka chłodzącego uzależniony jest od hartowanego materiału oraz rodzaju struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu procesu.

Hartowanie stopniowe polega na chłodzeniu obrabianego elementu w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze przez okres konieczny do wyrównania temperatury na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu lecz nie dłużej niż czas trwałości austenitu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Dzięki wyrównaniu temperatury na powierzchni i w rdzeniu materiału oraz powolnemu chłodzeniu po wytrzymaniu izotermicznym w przekroju elementu zanikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania i paczenia elementów. Jako kąpieli hartowniczych używa się najczęściej stopionych soli azotanów i azotynów sodu oraz soli potasu, które zapewniają szybki odbiór ciepła od ochładzanych elementów.

4. Odpuszczanie

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od A_c1, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury, w której prowadzony jest proces, rozróżnia się odpuszczanie:

• niskie 100-250°C,

• średnie 250-500°C,

• wysokie 500°C - A_c1.

Odpuszczanie niskie stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo. Celem odpuszczania niskiego jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych, skłonności do kruchego pękania oraz zachowanie dużej twardości i odporności na ścieranie. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu tetragonalnego, wydzielonego węglika i austenitu szczątkowego.

Odpuszczanie średnie jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy zachowanej dużej wytrzymałości i równoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych. Twardość struktury nieznacznie się zmniejsza. Odpuszczanie średnie jest stosowane głównie do stali sprężynowych oraz konstrukcyjnych. Po odpuszczaniu średnim struktura stali węglowych składa się z martenzytu średnio odpuszczonego, tj. martenzytu regularnego i wydzielonego cementytu.

Odpuszczanie wysokie stosowane jest głównie do stali konstrukcyjnych w celu otrzymania najbardziej korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, tj. dużej udarności i wydłużenia przy maksymalnym stosunku R_e/R_m. Struktura stali po wysokim odpuszczaniu składa się ze sferoidalnych wydzieleń cementytu w osnowie ferrytycznej.

Połączenie hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym, natomiast połączenie hartowania z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywamy ulepszaniem cieplnym.

5. Przesycanie i starzenie

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury powyżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze stałym (rys.17). W wyniku przesycania poprawiają się właściwości plastyczne natomiast zmniejsza się wytrzymałość i twardość. Przesycanie jest szeroko stosowane do stali Cr-Ni o strukturze austenitycznej w celu rozpuszczenia węglików i uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej, co zwiększa odporność na korozję międzykrystaliczną oraz do uszlachetniania wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych właściwościach magnetycznych.

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu z roztworu przesyconego wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze w postaci drobnodyspersyjnych faz. Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje poprawę właściwości wytrzymałościowych i twardości oraz pogorszenie plastyczności.

Połączone procesy przesycania i starzenia określa się wspólną nazwą

Utwardzanie wydzieleniowe. Utwardzaniu wydzieleniowemu poddawane są stopy charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym i ma zastosowanie do umacniania metali nieżelaznych oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych.Jeżeli celem utwardzania dyspersyjnego jest uzyskanie maksymalnej twardości i wytrzymałości należy zwrócić szczególną uwagę na dobór odpowiedniej temperatury starzenia (rys.18). Ponieważ przeprowadzenie operacji w zbyt wysokiej temperaturze powoduje tzw. przestarzenie czyli następuje utrata koherencji fazy wydzielonej z osnową oraz koagulacja wydzielonych cząstek. Jest to przyczyną zmniejszenia twardości i wytrzymałości.

Zachodzące procesy starzenia mogą być niekorzystne w stalach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia oraz kotłowych, gdyż powodują zmniejszenie plastyczności i wzrost kruchości.

Zaproponowane rodzaje obróbki cieplnej dla konkretnych stopów miedzi

1. Brąz aluminiowy- CuAl19Fe3

Hartowanie w temp. 950-1000 °C i odpuszczanie w temp. 300-600 °C

2. Brąz berylowy-CuBe2

Utwardzanie dyspersyjne składające się z przesycania z temperatury 720-760°C i starzenia w temperaturze 300-400°C.

3. Brąz krzemowy- CuSi1

Brązy krzemowe poddawane są obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu rekrystalizującym.

4. Brąz cynowy dwuskładnikowy- CuSn2

Długotrwałe wyżarzanie ujednorodniając w ciągu 24h w temp. 700-750 °C

5. Mosiądz- CuZn5

Wyżarzanie odprężające w temp.200-300°C

6. Mosiądz- CuZn37

Mosiądz w znacznym stopniu umacnia się w wyniku zgniotu. Przy większych stopniach gniotu jest stosowane międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące w temp 500-580°C

7. Mosiądz- CuZn43Mn4Pb3Fe

Wyżarzanie ujednoradniające przy temperaturze 650 -700 C w ciągu 2 - 6 godzin.

8. Mosiądz- CuZn20

Wyżarzanie w temp. 500^oC w atmosferze ochronnej CO₂

Obróbka cieplna stopów aluminium i magnezu

Obróbka cieplna stopów aluminium

Obróbka cieplna stopów aluminium, mająca na celu przede wszystkim podwyższenie ich

wytrzymałości, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu stałego i starzenia. Podstawowym warunkiem, na którym opiera się proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie się granicznej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury.

Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury,

zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę

roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i

następnie powolnym chłodzeniu.

Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności

stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 ÷ 400°C przez 2 ÷ 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu

zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperaturawyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi.

Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach

kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po

wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.

Obróbka cieplna stopów magnezu

Stopy magnezu, podobnie jak większość stopów aluminium, można obrabiać cieplnie

(przesycać i starzyć), gdyż rozpuszczalność głównych składników stopowych (aluminium,

cynku i manganu) w magnezie jest ograniczona i zmniejsza się z obniżeniem temperatury.

Obróbka ta jednak tylko w niewielkim stopniu polepsza własności mechaniczne stopów i rzadko jest stosowana. Wyjątkiem są stopy odlewnicze, zawierające powyżej 6% aluminium, które po obróbce cieplnej mają wytrzymałość o 40 ÷ 50% wyższą.

Na przykład, stop GA8 w stanie surowym ma wytrzymałość na rozciąganie 150 MPa. Po

przesyceniu w temperaturze w temperaturze 415°C (w czasie 20h, chłodzenie na powietrzu) starzeniu w temperaturze 175°C (w czasie 16 h) jego wytrzymałość wzrasta do 230 MPa.

Z reguły natomiast odlewy ze stopów magnezu poddaje się wyżarzaniu odprężającemu w

temperaturze 200 ÷ 250°C.

Część praktyczna

1. Pomiar twardości próbek:

Próbka	1 Struktura właściwa	2 Hartowanie 950	3 Hartowanie 850	4 Hartowanie 850 Odpuszczanie 650	5 Hartowanie 950 Odpuszczanie 650
Obciążenie	250kg	250kg	250kg	250kg	250kg
Średnica kulki	5mm	5mm	2,5mm	5mm	5mm
1 Pomiar Twardości	218Hb	285HB	363HB	200HB	260HB
2 Pomiar Twardości	225HB	291HB	373HB	225HB	251HB
3 Pomiar Twardości	229HB	280HB	393HB	200HB	255HB
Średnia Twardość	224HB	285HB	376HB	208HB	255HB

Wnioski

Największą twardość materiału obserwujemy po hartowaniu w temperaturze 850^oC która wzrosła w przybliżeniu o 60% w stosunku do struktury właściwej. Spadek twardości materiału w stosunku do struktury właściwej obserwujemy w próbce nr 4, która została poddana hartowaniu w temperaturze 850^oC i odpuszczaniu w temperaturze 650^oC. Wpływ na zmniejszenie twardości miał proces odpuszczania w podanej temperaturze. W brązach aluminiowych odpuszczanie w temperaturze <350°C powiększa nieznacznie wytrzymałość i plastyczność, a przy wyższych temperaturach >450°C zmniejsza wytrzymałość i wyraźnie poprawia plastyczność.

2. Obserwacje mikroskopowe:

Na podstawie obserwacji mikroskopowych określiliśmy strukturę materiału z którego zostały wykonane próbki. Porównując zaobserwowaną strukturę z danymi z atlasu struktur, wywnioskowaliśmy, iż badany materiał to stop brązu aluminiowego BA1044.

Właściwości stopu brązu aluminiowego BA1044

Znak: CuAl10Fe4Ni4

Orientacyjna gęstość: 7,6 g/cm³

Składniki stopowe: Ni(3,5-5,5); Al(9,5-11); Fe(3,5-5,5); Cu(reszta)

Dopuszczalna zawartość zanieczyszczeń: Pb(0,02); Zn(0,3); P(0,01); Si(0,1); Mn(0,3); Sn(0,1); Ogółem(0,6)

Trawienie: Mi7Cu

Stan: Odlew wykonany w formie piaskowej

Opis struktury: Struktura składa się z roztworu stałego oraz eutektoidu _Wewnątrz i na granicach ziarn fazy  występują drobne wydzielenia _(AlNi). W eutektoidzie _obserwuje się istnienie drobnych wtrąceń fazy_(AlNi) lub ₂ jako skutek procesów wydzieleniowych, które zachodzą w fazie  w temp. Powyżej temp. Przemiany eutektoidalnej. Oprócz tych składników strukturalnych, w strukturze brązu BA1044 występują drobne, w przybliżeniu równomiernie rozłożone wydzielenia fazy żelazowej. Zwiększenie szybkości krzepnięcia i stygnięcia w stanie stałym zachodzące w przypadku odlewów wykonanych w formach metalowych powoduje zwiększenie dyspersji struktury, częściowe przesycanie fazy  oraz fazy  w wyniku czego obserwuje się zmniejszenie ilości wtórnych wydzieleń fazy ₂ (AlNi). Krzywa rozszerzalności cieplnej brązu BA1044 ma kształt taki sam jak krzywa brązu BA1032

• Struktura właściwa

• Struktura materiału po obróbce cieplnej- hartowanie 850^oC

• Struktura materiału po obróbce cieplnej- hartowanie 950^oC

• Struktura materiału po obróbce cieplnej- hartowanie 850^oC, odpuszczanie 650^oC

• Struktura materiału po obróbce cieplnej- hartowanie 950^oC, odpuszczanie 650^oC

Własności: Wysokie własności mechaniczne, dobre własności przeciwcierne i przeciwkorozyjne, dobre własności w podwyższonych temperaturach, dobrze przerabiany na zimno, przerabiany na gorąco, wysoka odporność erozyjna i kawitacyjna, wysoka odporność na przemienne obciążenia

Główne zastosowania: sita rurowe wymienników ciepła, części narazone naścieranie, śruby, wały, części do urządzeń hydraulicznych, gniazda zaworów, koła zębate

Główne wyroby: pręty, rury, odkuwki.