Wydział: imir grupa STUDENCKA:31 ZESPÓŁ ii

Wojciech Zaklikiewicz Jakub Wójcik TEMAT: OBRÓBKA CIEPLNA I CIEPLNO-CHEMICZNA STALI.

ZALICZENIE:

I. Wstęp teoretyczny.

Austenit w stalach węglowych tworzy się w wyniku przemiany eutektoidalnej zachodzącej przy nagrzewaniu powyżej temperatury A_C1, a także wskutek przemiany ferrytu w stalach podeutektoidalnych. W stopach żelazo-węgiel proces, który kontroluje szybkość tworzenia się austenitu, nazywamy dyfuzją między­węzłowych atomów węgla. Atomy żelaza zajmujące pozycje węzłowe przechodzą tylko przez granice międzyfazowe i wbudowują się w strukturę austenitu, przemieszczając się na odległość zaledwie kilku średnic atomowych.

Natomiast w stalach stopowych węgliki zawierają zwykle więcej pierwiast­ków stopowych niż ferryt i rozpuszczanie ich w powstającym austenicie wymaga dyfu­zji na większe odległości nie tylko węgla, lecz i pierwiastków stopowych. Istotną rolę odgrywa powinowactwo poszczególnych pierwiastków do węgla i azotu, zwiększając przy tym energie wiązań w węglikach lub azotkach oraz powodując wyższe temperatury, przy których rozpuszczają się one w austenicie.

Podczas wolnego chłodzenia stali z zakresu istnienia austenitu, zachodzące przemiany są zgodne z wykresem równowagi żelazo-węgiel. W przypadku stali podeutektoidalnych oznacza to, że przemiana austenitu w perlit poprzedzona jest wydzielaniem się ferrytu, a nadeutektoidalnych wydzielaniem się cementytu wtórnego. Przemiany austenitu zachodzące podczas wolnego chłodzenia noszą nazwę przemian dyfuzyjnych austenitu.

Przy zwiększonych szybkościach chłodzenia stali z zakresu istnienia austenitu przemiany tracą charakter dyfuzyjny i zachodzą mechanizmem pośrednim, w wyniku, którego tworzy się najpierw bainit górny (składa się z ziaren przesyconego węglem ferrytu, między którymi znajdują się nieregularne wydzielenia cementytu), a  przy  jeszcze większej szybkości chłodzenia bainit dolny (listwowy charakter przesyconego ferrytu oraz występowanie drobnodyspersyjnych wydzieleń węglików wewnątrz listew ferrytu).

W momencie przekroczenia szybkości krytycznej chłodzenia z austenitu tworzy się wyłącznie martenzyt. Przemiana ta zachodzi z bardzo dużą prędkością tylko w warunkach ciągłego chłodzenia w zakresie pomiędzy temperaturą Ms (martenzyt start), a temperaturą Mf (martenzyt koniec). Temperatury te zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze wzrostem zawartości węgla oraz większości pierwiastków stopowych, poza Al i Co.

Wyżarzanie - jest operacją cieplną polegającym na nagrzaniu elementu stalowego do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone:

z przemianą alotropową:

* Wyżarzanie zupełne - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.

* Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.

* Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) - przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15°C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15°C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.

* Wyżarzanie ujednorodniające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000÷1200°C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.

* Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) - stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

bez przemiany alotropowej:

* Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550÷650°C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.

* Wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400÷500°C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.

* Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150°C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.

Hartowanie - jest operacją cieplną, któremu poddawana jest stal, składającym się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723°C) (zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczna lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

Przy hartowaniu niezwykle istotnym jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.

Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Metody hartowania

Hartowanie zwykłe

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.

Hartowanie stopniowe

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

Hartowanie izotermiczne

Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.

Hartowanie powierzchniowe

metoda, w której, nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.

Odpuszczanie - jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Ze względu na temperaturę rozróżniamy odpuszczanie:

• niskie - przeprowadza się w temperaturach w 150 do 250°C. Celem jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

• średnie - przeprowadza się w temperaturach od 250° do 500°C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Zastosowanie przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej itp.

• wysokie - przeprowadza się w temperaturach powyżej 500°C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

II. Przebieg ćwiczenia.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu obróbki cieplnej na twardość stali konstrukcyjnej niestopowej C45 (0,45% C).

2. Wykonanie ćwiczenia.

a) Zmierzyć twardość próbek badanej stali w stanie dostarczonym aparatem Rockwella na skali B.

b) Ustawić dla badanej stali właściwą temperaturze hartowania przyjmując ją 30-50˚C powyżej linii GOS na układzie Fe-Fe3C.

c) Próbkę nr 1 nagrzać do temperatury 650˚C, wygrzać 15 min., zahartować w wodzie i zmierzyć twardość.

d) Próbkę nr 2 nagrzać do temperatury leżącej między liniami PSK i GOS (między Ac1 i Ac3), wygrzać 15 min., zahartować w wodzie i zmierzyć twardość.

e) Próbki nr 3, 4, 5 nagrzać do właściwej temperatury hartowania, wygrzać 15 min., zahartować w wodzie i zmierzyć twardość.

3. Tabela z wynikami pomiarów.

Nr próbki	HB wyjściowe	Ta	HBa	To	HB odpuszc.
1	189	650˚C	189
2			750˚C	512
3			850˚C	660	300˚C
4							500˚C
5							600˚C
6							20˚C

4. Wykres.

Wykres zależności twardości próbki po hartowaniu od temperatury procesu obróbki cieplnej I.

5. Wnioski.

Na podstawie wyników przeprowadzonego ćwiczenia jesteśmy w stanie zaobserwować, iż twardość próbek, poddanych obróbce cieplnej I znacznie wzrosła. Największą różnice w otrzymanych wartościach możemy zauważyć między próbką 1 a 2. Rozbieżność twardości jest spowodowana tym, iż próbka nr 1 nie została nagrzana powyżej temperatury austenityzowania. W przypadku próbek 3, 4, 5, 6 wzrost wartości w porównaniu z próbką 2 jest nieznaczny.

W trakcie pomiaru twardości analogowym twardościomierzem Rockwella'a użyliśmy dwóch wgłębników. Podczas badania próbki 1 wykonaliśmy wgłębnik stalowy, natomiast w pozostałych przypadkach zastosowaliśmy wgłębnik diamentowy. Wybór odpowiedniego wgłębnika był spowodowany różną twardością próbek.

Na podstawie wyników uzyskanych po przeprowadzeniu obróbki wnioskuje, że wysokość temperatury, w której przeprowadziliśmy obróbkę cieplną miał znaczący wpływ na polepszenie twardości materiału.

4

---