Wawrzyn Nowak

WT II

Grupa B1

Obróbka cieplna metali

1. PODSTAWOWE PROCESY OBRÓBKI CIEPLNEJ METALI

Obróbkę cieplną stosujemy w celu uzyskania w drodze prochów cieplnych nowych, innych własności obrabianego materiału. Obróbka cieplna, czyli termiczna, operuje czterema elementami wywierającymi istotny wpływ na jej rezultaty, a mianowicie:

a) wysokość najwyższej temperatury, do jakiej nagrzano obrabiany materiał,

b) czas ogrzewania przedmiotu w temperaturze wg punktu a),

c) szybkość, z jaką ogrzewano materiał,

d) szybkość, z jaką studzono ogrzany materiał.

Nas interesuje obróbka cieplna podstawowego tworzywa, jakim jest stal.

2. HARTOWANIE

Podstawą tej obróbki jest wykres żelazo-węgiel (rys. 129). Wiemy. że przez stopniowe podgrzewanie stali od temperatury pokojowej aż do jej stopienia przejdzie ona wszystkie' zmiany swojej struktury wewnętrznej i zmieniać będzie swoje własności i stany skupienia. Wiemy również, że przy odwrotnym procesie, a więc przy stopniowym powolnym studzeniu, nastąpi proces przemian w odwróconej kolejności, aż do powrotu stali do jej pierwotnej budowy wewnętrznej, dawnej struktury i własności. Tak przeprowadzona obróbka cieplna nie dawałaby rezultatów. Jeżeli jednak stal podgrzaną do odpowiedniej temperatury nagle ostudzimy, to zauważymy, że jej budowa wewnętrzna i własności będą po ostudzeniu inne.

W pierwszym momencie szybkiego studzenia cząstki stali zechcą przybrać pierwotną postać, lecz krótki okres studzenia uniemożliwi normalną przebudowę struktury stali, powstanie nowa struktura, innymi słowy cementyt nie będzie miał dosyć czasu na ponowne wydzielanie się, wobec czego stal otrzyma nową drobnoziarnistą strukturę, zwaną martenzytem. Martenzyt ma bardzo drobną strukturą charakteryzującą się wydłużonym kształtem cząstek

Taki proces, polegający na stopniowym podgrzaniu stali do odpowiedniej temperatury i następnie nagłym ostudzeniu, nazywamy hartowaniem.

Wyboru temperatury, do jakiej mamy nagrzać stal, dokonujemy zwy~ kresu żelazo-węgiel, uwzględniając zawartość węgla w hartowanej stali. Posługując się nim odczytujemy interesujące nas temperatury z linii GS dla zawartości węgla do 0,85%. Jeżeli zawartość węgla jest większa, stal nagrzewamy do temperatury wyższej niż temperatura odpowiadająca linii SK.

Stali o zawartości węgla do 0,2% nie możemy hartować. Stale o małej zawartości węgla wymagają szybkiego procesu studzenia, natomiast przy stalach o dużej zawartości, proces ten może być odpowiednio wolniejszy. Jak wiemy, stal nagrzaną do temperatury odczytanej z wykresu żelazo-węgiel możemy hartować przez nagłe ostudzenie, jednak wyjmowanie z pieca nagrzanej stali i przenoszenie do zbiornika z cieczą chłodzącą powoduje obniżenie jej temperatury. Dlatego stale o niższej zawartości węgla niż 0,85% podgrzewamy do temperatury wyższej o 20-30°, zaś stale o zawartości węgla większej niż 0,85% o około 30-50 stopni C. W ten sposób uzyskujemy na wykresie żelazo-węgiel nową krzywą reprezentującą praktyczne wysokości temperatury podgrzewania stali w celu jej hartowania.

Potrzeba podgrzewania stali o zawartości węgla większej niż 0,85% wg temperatur odczytanych z linii SK zamiast linii SE należy tłumaczyć tym, że zachodzi obawa przegrzania, gdyż temperatura podnosi się tutaj bardzo stromo, co mogłoby w efekcie stać się przyczyną gruboziarnistej budowy i wielkiej kruchości zahartowanej stali.

Uzyskanie dobrych wyników hartowania zależy w dużym stopniu od rodzaju cieczy, w której studzimy nagrzany przedmiot. Stopień przydatności cieczy dla celów hartowniczych charakteryzuje się jej zdolnością szybkiego odprowadzania ciepła. Im szybkość ta będzie większa, tym większa będzie przydatność cieczy jako środka chłodzącego. Na j powszechniej używaną cieczą przy hartowaniu jest woda. Dodanie do wody soli, kwasu solnego lub siarkowego uintensywnia chłodzenie.

Stale o zawartości węgla do 0,6% hartujemy zwykle w wodzie. Również w wodzie hartujemy stale narzędziowe węglowe,

Chcąc uzyskać mniejszą szybkość odprowadzania ciepła, aby w ten sposób uniknąć naprężeń i odkształceń w hartowanych przedmiotach, zamiast wody stosujemy oleje mineralne. Stale szybkotnące hartujemy w strudze sprężonego powietrza.

Bardzo ważny ze względu na odkształcenia występujące przy hartowaniu długich cienkich przedmiotów jest sposób ich chłodzenia. Przedmioty o takich kształtach maczamy w cieczy chłodzącej, zanurzając je stopniowo w pozycji pionowej. Drobne przedmioty hartuje się w ten sposób, że zanurza się je razem z koszyczkiem z dnem o licznych w nim

otworach i wyjmuje również razem z koszyczkiem, lub też w ten sposób, że koszyczek znajduje się na dnie zbiornika z cieczą chłodzącą, za^ przedmioty drobne wrzucamy do zbiornika, z którego po pewnym czasie wyjmujemy koszyk razem z zahartowanymi częściami.

W przypadku gdy chcemy uzyskać dla zahartowanej stali własności takie, jakie się otrzymuje przez hartowanie i odpuszczenie, stosujemy tzw. hartowanie izotermiczne. Przebieg hartowania izotermicznego jest następujący:

- przedmiot nagrzewamy do normalnej temperatury, jak dla hartowania,

- chłodzenie odbywa się w cieczy podgrzanej do temperatury rzędu 300-500°C.

Zaletą tego sposobu hartowania jest uniknięcie poważnych naprężeń, jakie zawsze towarzyszą przemianie struktury austenitu w martenzyt.

3. ODPUSZCZANIE

Stal zahartowana jest twarda, krucha, odznacza się dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz sprężystością. Stal o takiej charakterystyce nie przedstawiałaby w wielu przypadkach wielkiej przydatności, zwłaszcza wtedy, gdy od zahartowanego przedmiotu wymagać będziemy zdolności znoszenia obciążeń dynamicznych. W takich przypadkach wolimy raczej ponieść pewną stratę na twardości, aby zyskać na udarności i sprężystości, jak również, jeżeli nie całkowicie, to chociaż częściowo usunąć naprężenia powstałe w czasie hartowania.

Taką zmianę własności otrzymujemy w czasie procesu odpuszczania. Odpuszczanie polega na podgrzewaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury 180-700°C i jej powolnym ochłodzeniu. Jeżeli w celu odpuszczania podgrzejemy zahartowaną stal do temperatury wyższej niż 350°C, wtedy węgiel, który nie zdołał się wydzielić przez nagłe ostudzenie w czasie hartowania, zacznie obecnie ponownie się wydzielać, co spowoduje zmianę struktury martenzytu na troostyt. Nazwa struktury martenzyt pochodzi od nazwiska badacza Martens a, zaś nazwa struktury troostyt od nazwiska Troost.

Struktura troostyt odznacza się bardzo drobnymi ziarnami cementytu. Podgrzewając zahartowaną stal do temperatury 500-650°C, otrzymamy nową strukturę, zwaną sorbitem. Nazwa tej struktury pochodzi od nazwiska badacza Sorby. Wyróżnia się ona całkowitym wydzieleniem węgla •w postaci nadzwyczaj drobnych ziarenek cementytu, których nawet pod mikroskopem nie można rozeznać.

W przypadku gdy w czasie odpuszczania zahartowanej stali podgrzejemy ją do temperatury 700°C, otrzymamy nową strukturę — cementyt kulkowy. Istota tej struktury polega na połączeniu się wielu drobniutkich

ziarenek cementytu w większe kulki, których oglądanie przez mikroskop nie przedstawia już żadnych trudności.

Stale narzędziowe, jako najbardziej wrażliwe na naprężenia, odpuszczamy możliwie szybko po zahartowaniu. Dzięki temu ochronimy wiele narzędzi, gdyż w przeciwnym razie, wiele z nich, zwłaszcza o drobnym

profilu lub dużych przejściach z wielkich na małe przekroje, ulegnie zniszczeniu wskutek wielkich naprężeń wewnętrznych powstałych w czasie hartowania.

W czasie procesu odpuszczania należy specjalnie wolno podgrzewać zahartowaną stal, ponieważ im wolniej będziemy ją nagrzewali, tym dokładniej zostaną usunięte naprężenia wewnętrzne. Studzenie w procesie

odpuszczania odbywa się najczęściej na wolnym suchym powietrzu, bez. przewiewu, w temperaturze otoczenia.

Stale szybkotnące po odpuszczeniu studzimy w krzemionce lub suchym popiele.

4. WYŻARZANIE

Istota wyżarzania polega na ogrzaniu stali do określonej temperatury,. następnie na wolnym studzeniu razem z piecem lub na wolnym powietrzu. Celem wyżarzania jest:

— ułatwienie obrabialności stali, np. dla obróbki skrawaniem

• usunięcie skutków hartowania,

• usunięcie naprężeń powstałych wskutek zgniotu,

• przystosowanie stali do procesu hartowania.

Ułatwienie obrabialności stali, a więc jej zmiękczanie, otrzymujemy przez wyżarzanie zmiękczające. Polega ono na powolnym ogrzaniu stali do temperatury odczytanej z linii GS oraz poniżej linii SE z wykresu żelazo-węgiel i po dogłębnym nagrzaniu, na studzeniu z piecem aż do chwili jego zupełnego wystygnięcia.

Jeżeli stale podgrzane do podanych temperatur studzić będziemy na wolnym powietrzu, ale bez przewiewu, wtedy takie wyżarzanie nazywać będziemy wyżarzaniem normalizującym. Odznacza się ono drobnoziarnistą strukturą metalu.

W celu usunięcia skutków złego hartowania oraz w celu ewentualnego umożliwienia przeprowadzenia prawidłowego ponownego hartowania, stosujemy wyżarzanie normalizujące.

Jeżeli wskutek obróbki plastycznej dokonywanej na zimno nastąpił zgniot, a więc zniekształcenie kryształów większe lub mniejsze w zależności od stopnia intensywności przebiegu obróbki plastycznej, poddajemy stal wyżarzaniu w temperaturze 550-650 stopni C. W efekcie takiego wyżarzania otrzymamy strukturę stali zbliżoną do tej, jaka była przed zgniotem. Ten proces wyżarzania nazywać będziemy wyżarzaniem rekrystalizującym.

W przypadku gdyby wskutek obróbki mogły powstać naprężenia, a przed dalszą obróbką powinny one być usunięte, wtedy stosujemy wyżarzanie odprężające. Istota jego polega na podgrzaniu przedmiotu do temperatury 400-700°C i długim wolnym studzeniu razem z piecem.

3

---