Obróbka Cieplna Stali - część 3

PRZYCZYNY WAD HARTOWNICZYCH

Do podstawowych przyczyn powstawania wad hartowniczych należą:

• nieprawidłowe przygotowanie przedmiotów obrabianych cieplnie przez pozostawienie powierzchni skorodowanych, zaolejonych lub zamalowanych, co sprzyja tworzeniu miękkich plam o niskiej twardości,

• nieprawidłowy załadunek i rozmieszczenie przedmiotów w piecu, co w wyniku nierównomiernego nagrzewania powoduje krzywienie,

• nagrzewanie ze zbyt dużą szybkością bez wstępnego podgrzewania, co powoduje wypaczanie i pęknięcia,

• zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania, co uniemożliwia otrzymanie struktury martenzytycznej i powoduje zbyt niską twardość zahartowanej stali,

• zbyt wysoka temperatura lub za długi czas nagrzewania, co jest przyczyną nadtopień lub przegrzania stali,

• brak atmosfery ochronnej, co wywołuje utlenianie i odwęglanie powierzchni stali, a w konsekwencji — pogorszenie własności mechanicznych elementów po hartowaniu oraz zmniejszenie twardości warstwy powierzchniowej,

• zbyt duża szybkość chłodzenia i nieprawidłowe zanurzanie przedmiotu do kąpieli chłodzącej, co jest przyczyną pęknięć, wypaczeń i wykrzywień,

• zbyt mała szybkość chłodzenia lub mała ilość ośrodka chłodzącego, co nie zapewnia uzyskania struktury martenzytycznej i powoduje otrzymanie niskich własności wytrzymałościowych po hartowaniu.

WADY POWODOWANE NIEPRAWIDŁOWYM ODPUSZCZANIEM LUB WYŻARZANIEM

Nieprawidłowe odpuszczanie lub jego zupełny brak jest przyczyną kruchości i niskich własności plastycznych. W przypadku stali wysokostopowych wykazujących efekt twardości wtórnej, np. stali narzędziowych lub szybkotnących, nieodpowiednia temperatura odpuszczania powoduje otrzymanie narzędzi o zbyt małej twardości i niekorzystnych własnościach eksploatacyjnych, np. małej odporności na ścieranie. Podobne są przyczyny powstawania wad podczas innych operacji obróbki cieplnej, np. wyża­rzania, przesycania i starzenia.

USUWANIE WAD HARTOWNICZYCH

Niektóre wady hartownicze, np. niedogrzanie lub miękkie plamy, można usunąć przez powtórną obróbkę cieplną, polegającą na zmiękczaniu lub normalizowaniu i następnie hartowaniu stali. W przypadku wygięcia lub wypaczenia przedmiotów zahartowanych, można je wyprostować i następnie wyżarzyć odprężające. W razie nieskuteczności tych operacji wypaczony przedmiot można poddać wyżarzaniu zmiękczającemu, wyprostować go i ponownie zahartować.

Przedmioty odwęglone lub utlenione w czasie hartowania, można poddać szlifowaniu, jeżeli założone naddatki są odpowiednio duże, co umożliwi uzyskanie wymaganej twardości także na powierzchni przedmiotu. W przypadku gdy wymienione operacje nie przyniosą spodziewanych rezultatów lub gdy obrabiany przedmiot ulegnie pęknięciu, należy zakwalifikować go jako brak.

HARTOWNOŚĆ I ODPUSZCZALNOŚĆ STALI

Hartowność stali

POJĘCIE HARTOWNOŚCI

Podatność stali na hartowanie, zwana hartownością., jest wyrażana zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia. O hartowności stali współdecydują:

• utwardzalność,

• przehartowalność.

UTWARDZALNOŚC

Utwardzalnośc to podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej - możliwej do uzyskania po hartowaniu — twardości od warunków austenityzowania. Utwardzalność jest uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie (rys. 44).

PRZEHARTOWALNOŚĆ

Przez przehartowalność rozumie się podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Na przehartowalność w sposób znaczący wpływają stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkość jego ziarn.

Na rysunku 45 podano schematycznie sposób rozróżniania obydwu pojęć decydujących o hartowaniu stali. Równoległy rozkład twardości na przekroju prętów ze stali 1 i 2 oraz jednakowa grubość g warstwy zahartowanej o udziale, np. 80% martenzytu, świadczą o jednakowej przehartowalności obydwu stali. Różnią się one jednak utwardzalnością, gdyż twardość stali l o większym stężeniu węgla jest większa.

Rys. 44. Wpływ stężenia węgla na twardość stali zahartowanej o różnym udziale martenzytu w strukturze	Rys. 45. Schemat rozkładu twardości na przekroju prętów o jednakowej średnicy z dwóch stali o tej samej przehartowalności, lecz różnej utwardzalności 1 - stal węglowa o stężeniu C większym niż w stali 2, 2 - stal niskostopowa

Tablica 4

Orientacyjne wartości współczynnika intensywności chłodzenia H dla różnych ośrodków chłodzących

ŚREDNICA KRYTYCZNA

Miarą przehartowalności stali jest krytyczna szybkość hartowania lub średnica krytyczna D_n, tj. średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu (indeks n odpowiada udziałowi martenzytu w strukturze podanemu w %, np. D₈₀ lub D₅₀ rys. 46). Średnica D₅₀ nazywana jest średnicą półmartenzytyczną.

WSPÓŁCZYNNIK INTENSYWNOŚCI CHŁODZENIA

Wartość średnicy krytycznej zależy od zdolności chłodzącej ośrodka oziębiającego, której miarą jest współczynnik intensywności chłodzenia H. Współczynnik ten określa względną zdolność chłodzenia ośrodka w porównaniu z wodą, dla której przyjmuje się H = 1. Wielkość ta może zmieniać swą wartość od H = 0 dla ośrodka, który jest idealnym izolatorem, czyli zupełnie nie odbiera ciepła, do H = ∞ - dla idealnego ośrodka chłodzącego, w którym powierzchnia przedmiotu chłodzonego natychmiast oziębiałaby się do temperatury ośrodka. Wartość współczynnika H zależy także w dużym stopniu od intensywności ruchu przedmiotu względem ośrodka chłodzącego (tabl. 4)

METODA JOMINY'EGO OKREŚLANIA HARTOWNOŚCI

Najpowszechniej stosowaną metodą określania hartowności stali jest próba Jominy'ego hartowania od czoła (PN-EN ISO 642:2002). Metoda ta polega na oziębianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 mm i długości 100 mm (rys. 47), po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali. Próba odbywa się na stanowisku, którego schemat podano na rys. 48. Na próbkach zahartowanych w tych warunkach wykonuje się próby twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w odległości co 2 mm, poczynając od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła próbki (rys. 49), zwany krzywą hartowności, nanosząc średnie wyników pomiarów z dwóch przeciwległych tworzących. Wobec rozrzutu składu chemicznego stali dopuszczalnego przez normy, dla stali tego samego gatunku z poszczególnych wytopów uzyskuje się krzywe hartowności nieco różniące się między sobą. Obszar między maksymalnymi a minimalnymi wartościami twardości jest nazywany pasmem hartowności (rys. 49).

Próba określania hartowności metoda Jominy'ego może być stosowana dla stali o średniej hartowności, a w przypadku użycia próbek o odpowiednio zmodyfikowanych kształtach -także dla stali o małej i dużej hartowności (rys. 47b i c).

Rys. 47. Próbki do badania hartowności metodą chłodzenia od czoła dla stali o krytycznych szybkościach chłodzenia a) średnich (według PN-79/H-04402), b) małych, c) dużych	Rys. 48. Schemat stanowiska do prób hartowności metoda chłodzenia od czoła; 1 - zbiornik z woda, 2 - wanna, 3 -zawór, 4 — dysza wodna, 5 — przesłona, 6 — uchwyt próbki, 7 — próbka

METODA KRZYWYCH 'U' OKREŚLANIA HARTOWNOŚCI

Sposobem określania hartowności o wiele bardziej pracochłonnym od metody Jominy'ego jest metoda polegająca na hartowaniu w stałych warunkach prętów z danego gatunku stali o różnych średnicach i wyznaczaniu rozkładu twardości na przekroju poprzecznym każdego pręta wzdłuż średnicy. Wyniki próby podaje się w postaci wykresu twardości w funkcji odległości od środka próbki wzdłuż średnicy — tzw. krzywych "U" (rys. 50).

Rys. 49. Pasmo hartowności stali 35SG	Rys. 50. Rozkład twardości wzdłuż średnicy przekroju poprzecznego zahartowanych prętów ze stali stopowej zawierającej ok. 1,35% C, 1,5% Cr i 0,2% V

HARTOWNOŚĆ JAKO KRYTERIUM DOBORU STALI KONSTRUKCYJNYCH

Znajomość rozkładu twardości w zależności od odległości od czoła próbki oraz rozkładu szybkości chłodzenia próbek chłodzonych od czoła umożliwia racjonalny dobór stali ulepszonej cieplnie lub nawęglonej na elementy konstrukcyjne. Ponieważ jednakowej szybkości chłodzenia na przekroju elementu ze stali obrabianej cieplnie oraz na próbce hartowanej od czoła z tej samej stali odpowiada jednakowa twardość, opracowano wykresy korelacji szybkości chłodzenia prętów okrągłych i próbek do oceny hartowności metoda hartowania od czoła (rys. 51). Nałożenie na siebie tych wykresów oraz krzywych hartowania umożliwia określenie rozkładu twardości na przekroju prętów (rys. 52). W ten sposób można np. określić, przy jakiej maksymalnej średnicy i z użyciem jakiego ośrodka chłodzącego stal zahartuje się na wskroś.

Hartowność jest ważną charakterystyczną cechą stali, gdyż pozwala na racjonalny dobór stali w zależności od przekroju hartowanego elementu, tak aby nastąpiło jego zahartowanie na wskroś. Jest bowiem marnotrawstwem stosowanie stali o dużej hartowności na elementy o małych przekrojach, a z kolei zastosowanie stali o małej hartowności na element o dużym przekroju powoduje jego zahartowanie na małą głębokość, czyli większa część przekroju nie zostaje zahartowana i nie uzyskuje się odpowiedniej zmiany struktury i własności.

Rys. 51. Korelacja szybkości chłodzenia prętów okrągłych oraz próbki typu Jominego: a) w wodzie, b) w oleju	Rys. 52. Graficzne wyznaczanie rozkładu minimalnej twardości na przekroju pręta 60 mm ze stali 40H po hartowaniu w oleju — krzywe szybkości chłodzenia na przekroju prętów nałożone na pasmo hartowności

Przykład wg. K. Przybyłowicza

Znając twardość strefy półmartenzytycznej dla badanego gatunku stali (rys. 11.37), możemy znaleźć odległość od czoła, w której występuje struktura zawierająca 50% martenzytu, czyli tzw. odległość krytyczną l_k. Z kolei na podstawie wykresu (rys. 11.41) ilustrującego zależność D_k i D_ki od l_k i H można określić idealną średnicę krytyczną lub średnicę krytyczną dla dowolnego ośrodka chłodzącego. Na przykład dla próbki ze stali 35HM o zawartości 0,35% C z wykresu na rys. 11.37 odczytujemy twardość strefy półmartenzytycznej równą 38 HRC. Nanosimy tę wartość na krzywą hartowności (rys. 11.40) i odczytujemy l_k = 22 mm. Następnie z nomogramu na rys. 11.41 przy hartowaniu w wodzie odczytujemy D_k ok. 90 mm, w oleju ok. 50 mm, podczas gdy D_ki wynosi ok. 110 mm.

Rys. 11.37

Wpływ zawartości węgla na twardość strefy półmartenzytycznej (Grossman)

. 11.40. Krzywa hartowania od czoła dla stali 35CrMo4-2 (d. 35HM) (badania własne) - b, schemat próbki Jominy'ego po zeszlifowaniu i pomiarze twardości - a

Rys. 11.41. Wykres zależności D_ki i D_k od l_k oraz H

24

---