Politechnika Łódzka Bielsko - Biała 2001-01-11

Filia w Bielsku - Białej

WBM kier. Mechanika

St. dzienne inżynierskie

Semestr III

Obróbka cieplna stali

Aleksander Kłusak

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

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

W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebiag przemiany bainitycznej. Gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia, hartowanie jest nazwane hartowaniem objętościowym.

Szybkość krytyczna chłodzenia jest styczną do krzywej początku przemiany dyfuzyjnej austenitu. Im większa prędkość krytyczna tym hartowność jest mniejsza.

Martenzyt jest to przesycony roztwór stały w żelazie α.Ma strukturę tetregonalą która zależy od zawartości węgla. Pod mikroskopem uwidacznia się jako jasny składnik o strukturze iglastej, igły ułożone są pod kątem 60⁰. Martenzyt cechuje duża twardość i mała ciągliwość.

Bainit jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglików. Im niższa temperatura przemiany bainitycznej tym mniejsza szybkość dyfuzji węgla i wydzielenia cementytu są drobniejsze. Właściwości i struktura zależą od temperatury przemiany austenitu. Możemy wyróżnić bainit górny i dolny.

Troostyt inaczej zwany perlitem drobnym otrzymuje się w temperaturze maksymalnej prędkości przemiany. W temperaturach bliskich Av1 powstający perlit jest grubo - płykowy, a jego dyspersja rośnie w miarę obniżania temperatury przemiany.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali hartowanej do temperatury niższej od temperatury Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury otoczenia. W zależności od temperatury odpuszczanie może być niskie, średnie lub wysokie.

Odpuszczanie niskie

Odpuszczanie niskie jest wykonywane w temperaturze 150 - 200⁰C i stosowane głównie do narzędzi, sprężyn i sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.

Odpuszczanie średnie

Odbywa się w temperaturze 250 - 500⁰C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostaje zachowana duża wytrzymałość i sprężystość.

Odpuszczanie wysokie

Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej niż 500⁰C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie jak najlepszych własności plastycznych.

Sorbit jest to struktura składająca się z ferrytu i kulkowych wydzieleń drobnego cementytu powstała na skutek odpuszczania w temperaturach niższych od 400⁰C. Sorbit ma twardość HB = 350 - 400 kG/mm².

Hartowanie i wysokie odpuszczanie stanowią łącznie tzw. ulepszanie cieplne. Miarą ulepszenia cieplnego jest stosunek Re do Rm. Natomiast

Hartowanie i niskie odpuszczanie stanowią tzw. utwardzanie cieplne.

Rys.1 Struktura martenzytyczna Rys.2 Struktura zawierająca sorbit

WNIOSKI

• Zbyt krótki czas nagrzewania przed hartowaniem może być niewystarczający do zajścia przemiany, natomiast zbyt długi może spowodować rozrost ziarna, nadmierną koagulację faz, wzrost utlenienia oraz odwęglenia.

• Przy zbyt dużej prędkości nagrzewania może wystąpić skłonność do pękania stali na skutek naprężeń wewnętrznych.

• Nagrzewanie do temperatury austenityzowania powinno być stopniowe z kilkoma temperaturami przejściowymi aby uniknąć pękania materiału.

• Hartowanie z przemianą izotermiczną zapewnia uzyskanie struktury

• bainitycznej, przy znacznym ograniczeniu naprężeń wewnętrznych oraz zmniejszeniu możliwości powstania pęknięć i odkształceń.

• W przypadku zanurzania przedmiotów są zanurzane w kąpieli chłodzącej w sposób nieprawidłowy, a szybkość chłodzenia różnych powierzchni tego przedmiotu jest inna, występują skrzywienia i wypaczenia.

• Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające pierwszego rodzaju są większe od wytrzymałości.

• Wady hartownicze mogą powstawać w wyniku: nieoczyszczenia materiału z częsci skorodowanej, nieprawidłowego rozmieszczenia w piecu, nagrzewania z zbyt dużą prędkością, zbyt małą szybkością chłodzenia.

• Przedmioty po hartowaniu uzyskują lepsze własności mechaniczne i fizyko-chemiczne

• Struktura martenzytyczna zapewnia dużą wytrzymałość i małą ciągliwość

• Odpuszczanie wysokie zwiększa własności plastyczne stali

• Odpuszczanie średnie zachowuje dużą wytrzymałość oraz sprężystość

• Odpuszczanie niskie zachowuje dużą twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie.

• Hartowanie bez odpuszczania jest bezsensowne, ponieważ pozostają naprężenia hartownicze powodujące zniszczenia materiału.

---