Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliżonych do stanu równowagi.

Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje:

• podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu

• podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe

• podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050 - 1200°C o ok.100 - 200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powoduje zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.

Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac3, Accm, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

Wyżarzanie izotermiczne będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco nizszej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900 - 1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500 - 550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno.

Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem. Polega na nagrzaniu stali do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1, a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1 po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

Wyżarzanie normalizujące, zupełne i izotermiczne należą do grupy wyżarzeń, w których o uzyskanej strukturze zgodnej fazowo ze stanem równowagi decydują przemiany fazowe. Podstawą wymienionych operacji wyżarzania w stopach żelaza z węglem są przemiany: A3 - tj. przemiana alotropowa żelaza, a zwłaszcza A1 - przemiana eutektoidalna. Celem wyszczególnionych operacji wyżarzania jest uzyskanie struktury drobnoziarnistej o znormalizowanej wielkości ziarna. Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do stanu austenitycznego, tj. 30 - 50°C powyżej linii GSE, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu, co najmniej do temperatur podkrytycznych. Strukturę powstałą w wyniku normalizowania warunkuje dwukrotne przekrystalizowanie stali - podczas grzania i chłodzenia. Szybkość grzania w zakresie przemian fazowych musi być dostatecznie duża, a szybkość chłodzenia - mniejsza od krytycznej.

Temperaturę wyżarzania normalizującego dla określonego gatunku materiału podają zwykle karty materiałowe. Czas grzania jest zależny od przekroju wyżarzanego materiału (orientacyjnie: 1-1,5 min na 1 mm przekroju dla stali niestopowych podeutektoidalnych oraz 1,5-2,5 min na 1 mm przekroju dla stali niestopowych nadeutektoidalnych).

Duży wpływ na strukturę i własności uzyskane w wyniku operacji wyżarzania wywiera wielkość przekroju przedmiotu oraz szybkość chłodzenia. Zależność szybkości chłodzenia w spokojnym powietrzu od średnicy wyżarzonego normalizująco pręta wynosi:

Praktycznie wyżarzaniu normalizującemu poddaje się stale o dostatecznie dużych szybkościach krytycznych chłodzenia oraz staliwo i żeliwo. Nie znajduje ono zastosowania dla stali stopowych o małych szybkościach krytycznych chłodzenia. Wyżarzanie normalizujące przeprowadza się głównie w celu:

• zmiany struktury ukształtowanej w wyniku krystalizacji pierwotnej (odlewy, złącza przedmiotów spawanych);

• usunięcia skutków przegrzania, tj. gruboziarnistości i struktury Widmannstattena (odkuwki swobodne, wyroby spawane);

• usunięcia niewłaściwej struktury przedmiotów obrobionych cieplnie;

• przygotowania struktury wyjściowej stali do dalszej obróbki cieplnej w produkcji seryjnej;

• uzyskania żądanej wielkości ziarna, własności mechanicznych, polepszenia obrabialności materiału;

• uzyskania określonej ciągliwości i granicy plastyczności w stalach konstrukcyjnych nie poddawanych ulepszaniu cieplnemu.

Wyżarzanie normalizujące, zupełne i izotermiczne przeprowadza się w piecach komorowych i kąpielowych okresowego działania, piecach o ruchu ciągłym - przelotowych oraz ruchu półciągłym - karuzelowych. Zabiegi grzania w procesach wyżarzania normalizującego, zupełnego i izotermicznego przeprowadza się w temperaturach powyżej 700°C, dlatego w określonych przypadkach konieczne się staje zabezpieczenie powierzchni obrabianych materiałów przed utlenieniem i odwęglaniem poprzez stosowanie atmosfer ochronnych (jeżeli grzanie jest realizowane w piecach komorowych).

Fragment wykresu Fe-Fe3C z zaznaczonymi zakresami temperaturowymi wyżarzania stali niestopowych.

Schemat przebiegu chłodzenia w operacjach wyżarzania normalizującego, zupełnego i izotermicznego: a) krzywa przemiany austenitu przechłodzonego stali niestopowej eutektoidalnej po wyżarzaniu normalizującym, b) krzywa przemiany austenitu przechłodzonego stali stopowej eutektoidalnej po wyżarzaniu zupełnym i izotermicznym.

schemat zmian wielkości ziarna w stali niestopowej eutektoidalnej podczas grzania i chłodzenia.

Twardość niektórych stali po wyżarzaniu normalizującym w zależności od wielkości przekroju wsadu.

Parametry wyżarzania zupełnego i izotermicznego niektórych stali konstrukcyjnych niestopowych i stopowych.

Własności mechaniczne staliwa niestopowego w stanie lanym i po wyżarzaniu zupełnym.

Hartowanie:

Zmiany struktury i własności w materiałach metalowych w wyniku obróbki cieplnej mogą zachodzić w całej objętości obrobionego przedmiotu bądź w jego warstwie wierzchniej. Również operacja hartowania może być realizowana jako obróbka cieplna objętościowa lub powierzchniowa.

Hartowanie objętościowe jest to operacja obróbki cieplnej prowadząca do uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej o dużej twardości i odporności na ścieranie. Twardość martenzytu zależy głównie od zawartości węgla. Dodatki stopowe nie wpływają istotnie na tę własność. Zależność twardości martenzytu od zawartości węgla przedstawiono poniżej.

Wpływ stężenia węgla na twardość martenzytu.

Ze względu na rodzaj struktury uzyskanej w operacji hartowania rozróżnia się:

• hartowanie martenzytyczne

• hartowanie bainityczne

Parametrami hartowania są:

• temperatura

• czas austenityzowania

• szybkość chłodzenia

Temperaturę austenityzowania dla stali niestopowej i niskostopowej przyjmuje się o 30 - 50°C wyższą od temperatury Ac3. Wuższa temperatura austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziarn austenitu i uzyskanie po hartowaniu struktury martenzytu gruboiglastego.

Hartowanie z niższej temperatury austenityzowania od właściwej, tj. pomiędzy Ac1 i Ac3, powoduje niecałkowite przekrystalizowanie stali, a w wyniku po chłodzeniu uzyskanie struktury martenzytu z ferrytem.

W przypadku stali nadeutektoidalnych rezygnuje się z całkowitego przekrystalizowania. Obecność w strukturze zahartowanej stali niecałkowicie rozpuszczonych podczas austenityzowania węglików wtórnych jest pożądana, ponieważ zwiększają one twardość struktury uzyskanej po hartowaniu. Dodatkowe zwiększenie nasycenia austenitu węglem poprzez całkowite rozpuszczenie węglików wtórnych spowodowałoby wzrost ilości austenitu szczątkowego w strukturze zahartowanej stali, obniżając jej twardość.

Dla stali stopowych wykres równowagi fazowej Fe-Fe3C nie jest miarodajny do wyboru temperatury austenityzowania. Dlatego temperaturę austenityzowania ustala się eksperymentalnie lub dobiera z norm, kart materiałowych i charakterystyk stali. Czas austenityzowania powinien być możliwie krótki, aby nie spowodować nadmiernego rozrostu ziarna austenitu.

Grzanie w procesie hartowania przeprowadza się w piecach do obróbki średnio i wysokotemperaturowej przeznaczonych do hartowania, takich jak: komorowe, kąpielowe solone i ołowiowe do pracy okresowej i ciągłej. Jeżeli zabieg grzania prowadzi się w piecach elektrycznych komorowych w celu zabezpieczenia stalowego wsadu przed odwęgleniem i utlenieniem można stosować atmosfery ochronne.

Wytworzenie w wyniku hartowania określonej struktury wymaga doboru właściwego ośrodka chłodzącego oraz sposobu prowadzenia zabiegu chłodzenia i stąd rozróżnia się następujące odmiany hartowania:

• martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym

• martenzytyczne stopniowe

• bainityczne z przemianą izotermiczną

• bainityczne z chłodzeniem ciągłym

Szybkośc chłodzenia po austenityzowaniu jest uwarunkowana rodzajem struktury, jaką projektuje się otrzymać po hartowaniu, gatunku materiału i w pewnej mierze - od kształtu i wymiarów przedmiotu.

Szybkość chłodzenia przy hartowaniu martenzytycznym nie powinna być mniejsza od tzw. szybkości krytycznej - Vk. Krytyczną szybkośc chłodzenia wyraża styczna do krzywej początku przemian dyfuzyjnych na wykresie CTPc. Analogiczna styczna do wykresu CTPi wyznacza Vk o około 1,5 raza mniejszą. Stanowi ona również miernik trwałości austenitu przechłodzonego w perlitycznym lub bainitycznym zakresie temperatury.

Krytyczna szybkość chłodzenia stanowi głównie, ale nie jedyne, kryterium doboru ośrodka chłodzącego dla określonego gatunku hartowanego materiału. Orientacyjnie przyjmuje się dla stali niestopowych krytyczną szybkość chłodzenia wynoszącą ok. 1000 - 100°C/s, a dla stali stopowych od 100 - 10°C/s i mniej. Dla każdego gatunku stali należy dobrać taki sposób chłodzenia, aby z jednej strony nie dopuścić do dyfuzyjnej przemiany austenitu, a z drugiej nie potęgować naprężeń wywołanych zbyt szybkim chłodzeniem.

Z analizy krzywych CTP wynika, że dla zakresu temperatur 700 - 450°C większości stali konstrukcyjnych intensywność chłodzenia powinna być największa, ponieważ decyduje to o uniknięciu przemian dyfuzyjnych. Natomiast w temperaturach niższych, a zwłaszcza w zakresie temperatury Ms szybkość chłodzenia powinna być mała dla uniknięcia nakładania się naprężeń strukturalnych i cieplnych.

Najczęściej stosowanymi ośrodkami chłodzącymi są ciecze. Stosowane są również ośrodki gazowe i stałe. Z ośrodków ciekłych szczególne znaczenie ma woda stosowana do hartowania stali niestopowych oraz wodne roztwory soli, zasad i kwasów zwiększające intensywność chłodzenia. Stosowane są również kąpiele wodne z dodatkami środków zmniejszających szybkość chłodzenia.

Na rysunku poniżej przedstawiono zmiany szybkości chłodzenia w zależności od temperatury różnych ośrodków ciekłych, takich jak: woda, 50-procentowy wodny roztwór NaOH, 10-procentowyt wodny roztwór NaCl i olej.

Największą intensywność chłodzenia wykazuje woda z dodatkiem soli, a nieco niższą roztwór wody i NaOH. Wiąże się to z małą trwałością otoczki pary tworzącej się na powierzchni hartowanych przedmiotów izolujących je od cieczy chłodzącej. Wodny roztwór NaOH o stężeniu 40 - 50% zapewnia dużą szybkość chłodzenia w zakresie perlitycznym i bainitycznym, a małą w zakresie martenzytycznym. Jest to niezwykle korzystne, gdyż eliminuje paczenie się elementów. Znacznie mniejsze intensywności chłodzenia zapewnia olej, a najmniejszą spośród stosowanych ośrodków - spokojne powietrze. Zwiększyć intensywność chłodzenia można stosując ruch ośrodków chłodzących względem hartowanych elementów. Zabieg chłodzenia w operacjach hartowania realizuje się również w atmosferach regulowanych, gazach obojętnych, wodnych syntetycznych ośrodków chłodzących i złożach fluidalnych.

Hartowanie martenzytyczne zwykle polega na ciągłym chłodzeniu przedmiotu z temperatury austenityzowania w odpowiednio dobranym ośrodku chłodzącym zapewniającym szybkość krytyczną chłodzenia lub większą od niej. Stale niestopowe wykazujące małą hartowność chłodzi się w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone w oleju lub nawet w powietrzu. Ważny jest sposób zanurzenia elementu hartowanego w ośrodku chłodzącym. Powinien on zapewnić równomierne odprowadzenie ciepła we wszystkich kierunkach. Przedmioty płaskie i długie należy zanurzać pionowo, co zmniejsza naprężenia i skłonność do odkształceń i pękania.

Hartowanie stopniowe jest odmianą hartowania martenzytycznego, przy którym zabieg chłodzenia składa się z trzech etapów:

• chłodzenia w stopionej soli lub gorącym oleju od temperatury austenityzowania do temperatury wyższej od 30 - 50°C od temperatury Ms, a niekiedy niższej od Ms

• wytrzymania w kąpieli przez okres konieczny do wyrównania temperatur na całym przekroju przedmiotu hartowanego

• powolnego chłodzenia po wytrzymaniu izotermicznym przeważnie na powietrzu

Przemiana martenzytyczna austenitu przechłodzonego w wyniku tak przeprowadzonego chłodzenia zachodzi prawie jednocześnie w całym przekroju przedmiotu przy zminimalizowanych naprężeniach cieplnych i strukturalnych.

Hartowanie stopniowe jest stosowane do małych i drobnych elementów ze stali o dostatecznie dużej hartowności, jak również do elementów o złożonych kształtach i zróżnicowanych przekrojach.

Odmiana hartowania stopniowego polegająca na obniżeniu temperatury kąpieli chłodzącej poniżej temperatury Ms zwiększa szybkość chłodzenia w pierwszym etapie, co pozwala na hartowanie tym sposobem wyrobów ze stali o mniejszej hartowności i większych wymiarach. Dla stali węglowych, które cechują się małą trwałością austenitu przechłodzonego, małą plastycznością i skłonnością do pęknięć, stosuje się hartowanie przerywane, przypominające hartowanie stopniowe.

Elementy z temperatury austenityzowania chłodzi się najpierw w wodzie, która daje dużą szybkość chłodzenia do temperatury ok. 450°C, a następnie w oleju, który zmniejsza intensywność chłodzenia w zakresie temperatury Ms, a tym samym zmniejsza naprężenia i obniża skłonność do paczenia i pękania elementów hartowanych.

Operacja bainitycznego hartowania izotermicznego składa się z zabiegów:

• austenityzowania

• chłodzenia z szybkością umożliwiającą przechłodzenie austenitu do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej

• wytrzymania izotermicznego w kąpieli chłodzącej o temperaturze wyższej od temperatury Ms (250-400°C) w czasie do zakończenia przemiany bainitycznej

• chłodzenia do temperatury pokojowej z dowolną szybkością

Ponieważ przemiana bainityczna odbywa się w warunkach izotermicznych, do minimum zostają zredukowane naprężenia cieplne i strukturalne w obrobionym przedmiocie. Uzyskana w wyniku hartowania bainitycznego struktura ma twardość w zakresie od 40 - 58 HRC, przy której ciągliwość i udarność są wyższe niż w stalach hartowanych na martenzyt, a następnie odpuszczanych w zakresie ulepszania cieplnego.

Hartowanie izotermiczne stosuje się dla drobnych przedmiotów ze stali stopowych. Dla stali stopowych, w których następuje wyraźne oddzielenie na krzywych CTP przemiany perlitycznej od bainitycznej, można zastosować hartowanie bainityczne z chłodzeniem ciągłym, z szybkością mniejszą od krytycznej - taką, aby mogła zajść przemiana bainityczna.

Szczególnym rodzajem hartowania izotermicznego jest patentowanie, operacja stosowana do obróbki cieplnej drutów i taśm ze stali o stężeniu węgla w zakresie od 0,35 - 1,1%.

Wśród obróbek powierzchniowych materiałów metalowych najczęściej stosowane jest hartowanie. Hartowanie powierzchniowe stosowane jest w celu uzyskania dużej twardości warstwy wierzchniej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia o niższej twardości.

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzewaniu warstwy wierzchniej elementu do temperatury wyższej od Ac3, i to tym wyższej, im większa jest szybkość nagrzewania, i następnie szybkim chłodzeniu z szybkością co najmniej równą szybkości krytycznej. Ze względu na dużą szybkość nagrzewania i krótki czas wygrzewania temperatura austenityzowania w tej operacji powinna być znacznie wyższa niż w przypadku hartowania objętościowego. Grzanie musi być bardzo szybkie, a chłodzenie natychmiastowe, gdyż w przeciwnym przypadku ciepło przeniknie do głębszych warstw materiału i zahartowana strefa może być zbyt gruba.

Hartowaniu powierzchniowemu poddaje się zwykle stale niestopowe zawierające 0,4 - 0,6%C, stale konstrukcyjne stopowe o stężeniu do 0,5%C oraz stale narzędziowe niskostopowe, a także żeliwa szare i sferoidalne.

Wymagana grubość warstwy zahartowanej zależy od wymiarów i warunków pracy przedmiotu. Pole warstwy zahartowanej nie powinno być większe niż 20% pola przekroju obrabianego cieplnie przedmiotu. Grubość warstwy zahartowanej zależy również od sposobu nagrzewania. W zależności od sposobu nagrzewania wyróżnia się następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

• kąpielowe

• płomieniowe

• kontaktowo - oporowe

• elektrolityczne

• indukcyjne

• elektronowe

• laserowe

Hartowanie kąpielowe ma ograniczone zastosowanie raczej do pojedynczych elementów. Hartowanie płomieniowe jest zwykle stosowane do przedmiotów o większych rozmiarach. Ograniczony zakres zastosowań z powodu małej uniwersalności mają: hartowanie kontaktowe i hartowanie elektrolityczne. Perspektywicznymi cieplnymi obróbkami powierzchniowymi zaliczanymi do nowej generacji obróbek są hartowanie elektronowe i hartowanie laserowe. Natomiast hartowanie indukcyjne znalazło szerokie zastosowanie zarówno przy mało jak i wysoko seryjnej produkcji.

W nagrzewaniu indukcyjnym ciepło do nagrzania powierzchni elementu wytwarza się w tej warstwie w wyniku indukowania prądów wirowych przez szybkozmienny strumień magnetyczny. Do wytworzenia pola magnetycznego używa się specjalnych cewek wykonanych zwykle z miedzianej rurki. Cewki te - wzbudniki zasilane są prądem dużej częstotliwości (od 1 kHz do 1 Mhz) wytwarzanym przez generator prądu zmiennego. Ważną cechą prądu zmiennego wykorzystywaną w nagrzewaniu indukcyjnym jest to, że w przekroju przedmiotów i wzbudników jest on rozłożony nierównomiernie i to tym bardziej, im większa jest częstotliwość prądu. Im częstotliwość prądu jest większa, tym skupia się on bliżej powierzchni przewodnika. Jest to tzw. efekt „naskórkowości”. Zmiana gęstości prądu w zależności od odległości od przedmiotu zależy również od rezystywności i przenikalności magnetycznej nagrzewanego materiału.

Hartowanie indukcyjne w zależności od ruchu wzbudnika i nagrzewanego przedmiotu można wykonać różnymi metodami. Do najczęściej stosowanych metod zaliczamy:

• jednoczesną. Polegającą na nagrzewaniu całego obwodu i hartowaniu przez zanurzenie w wodzie

• jednoczesno - obrotową, przy której przedmiot walcowy obraca się we wzbudniku, co zapewnia jednoczesne i równomierne nagrzanie całej strefy hartowanej

• posuwową, w której wzbudnik pokrywający małą część nagrzewanej powierzchni przesuwa się nagrzewając kolejne jej fragmenty. Po wyjściu spod wzbudnika strefa nagrzania jest chłodzona natryskiem wody lub stopniowo w niej zanurzana.

• posuwowo - obwodowa, stosowana do hartowania powierzchni walcowych o długiej tworzącej. Wzbudnik jest ustawiony wzdłuż tworzącej i wykonuje jednostajny ruch poosiowy, tak że strefa zahartowana tworzy spiralę na powierzchni przedmiotu

Hartowanie indukcyjne można wykorzystać do obróbki powierzchniowej wielu wyrobów.

Przybliżony zakres temperatur hartowania stali niestopowych.

Porównanie udarności stali 37 HS po hartowaniu izotermicznym (krzywa 1) i konwencjonalnym ulepszaniu (krzywa 2) w funkcji twardości.

Porównanie własności mechanicznych stali węglowej o stężeniu 0,8%C po hartowaniu izotermicznym i ulepszaniu cieplnym.

Resztę niestety musicie sobie sami dopisać ponieważ nikt nie dostarczył mi wyników pomiarów aha a tu pod spodem są te trzy kartki które nam ta babka kserowała !!!!!!!!!

---