OBRÓBKA CIEPLNA I SPAWALNICTWO - POJĘCIA (WYKŁAD)
OBRÓBKA CIEPLNA - proces technologiczny, celem jest zmiana własności mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych, zawsze w wyniku działania temperatury i czasu, a ponadto bardzo często środowiska oraz, rzadziej, pola magnetycznego lub odkształcenia plastycznego
OBJĘTOŚCIOWA - własności zmieniają się w całej objętości obrabianego materiału
POWIERZCHNIOWA - tylko powierzchnia
ZWYKŁA - przy pomocy temperatury i czasu
CIEPLNO-CHEMICZNA - przy pomocy środowiska technologicznego
CIEPLNO-MAGNETYCZNA - pomaga uzyskać lepsze właściwości magnetyczne) w wyniku działania silnego pola magnetycznego
CIEPLNO PLASTYCZNA - przy pomocy prędkości i wielkości odkształcenia plastycznego
CZĘŚCI PLROCESU PRODUKCYJNEGO
PROCES TECHNOLOGICZNY Podstawowa część procesu produkcyjnego podczas której następuje zmiana własności fizycznych, chemicznych i innych obrabianego cieplnie wsadu |
OPERACJA Część procesu technologicznego wykonywana na jednym stanowisku obróbki cieplnej przez jednego lub kilku pracowników na jednym wsadzie (np. hartowanie, wyżarzanie, odpuszczanie) - niekiedy operacja jest procesem technologicznym np. wyżarzanie |
ZABIEG Część operacji obróbki cieplnej realizowana za pomocą tych samych środków technologicznych przy niezmienionych parametrach obróbki cieplnej (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie) |
|---|
Rodzaje grzania: paliwowe, płomieniowe, kąpielowe, promiennikowe, konwekcyjne, kondukcyjne, elektryczne, elektrodowe, elektronowe, indukcyjne, jarzeniowe, laserowe, oporowe, plazmowe
Rodzaje chłodzenia: naturalne, w powietrzu, z piecem, masą wsadu, konwekcyjne, kondukcyjne, wymuszone, nadmuchowe, natryskowe, zanurzeniowe, płytami metalowymi
CHŁODZENIE ZANURZENIOWE - szybkie chłodzenie (oziębianie) wymuszone wsadu przez zanurzenie go w ciekłym ośrodku chłodzącym (często o wymuszonym obiegu)
WYMOGI STAWIANE CHŁODZIWOM:
zdolność przejmowania ciepła z szybkością nie mniejszą od krytycznej szybkości chłodzenia przynajmniej w warstwie wierzchniej, a w wielu przypadkach również na określonej części lub na całym przekroju
niewywoływanie nadmiernych odkształceń hartowniczych
trwałość eksploatacyjna
brak skłonności do reagowania z powierzchnią przedmiotu i zbiorników oraz atmosferą
dostarczanie małej prężności par ośrodka ciekłego w przypadku hartowania w agregatach próżniowych
spełnienia wymagań w zakresie toksyczności, palności, ochrony środowiska naturalnego i czystości stanowiska pracy
łatwość usuwania resztek z powierzchni części przez mycie lub odparowanie
małych kosztów na jednostkę produkcji
CHŁODZIWA:
chłodziwa wodne (woda, roztwory związków nieorganicznych, roztwory związków organicznych, emulsje wodnoolejowe, mgła wodna)
chłodziwa olejowe (oleje roślinne, oleje mineralne zwykłe, olejne mineralne szybkochłodzące, oleje mineralne wysokotemperaturowe)
stopione sole i metale (chłodziwa saletrzane, chłodziwa saletrzano-wodne, stopione metale)
chłodziwa gazowe (techniczna próżnia, powietrze, gazy obojętne, mieszaniny gazów obojętnych i redukujących, atmosfery ochronne, gazy sprężone)
chłodzące ciała stałe (płyty, matryce, formy, chłodzenie samoistną drogą przewodzenia w głąb przekroju)
ośrodku fluidalne (zimne, gorące)
WYŻARZANIE - nagrzanie wsadu do określonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze i zazwyczaj powolne chłodzenie z szybkością pozwalającą na otrzymanie struktury w stanie równowagi lub zbliżonej do tego stanu (ujednorodniające, normalizujące, zupełne, niezupełne, sferoidyzujące wahadłowe i izotermiczne, zmiękczające, perlityzujące, izotermiczne, rekrystalizujące, odprężające, stabilizowanie naturalne i przyspieszone, przeciwpłatkowe, grafityzujące, przegrzewające)
WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJĄCE - homogenizowanie, nagrzanie wsadu do temperatury niższej od temperatury solidusu (zwykle o 100-200oC), długotrwałe wygrzanie w tej temperaturze i powolne chłodzenie, w celu zmniejszenia niejednorodności składu chemicznego
WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE - normalizowanie - nagrzanie wsadu do stanu austenitycznego, tzn. zwykle do temperatury 30-50oC powyżej Ac3 lub Acw, krótkotrwałe wygrzanie w tej temperaturze i studzenie w spokojnym powietrzu, w atmosferze obojętnej (normalizowanie jasne) lub nadmuchem powietrza do temperatury poniżej Ar1 w celu uzyskania drobnego ziarna, równomiernego rozłożenia składników strukturalnych, zwiększenia wytrzymałości i plastyczności, polepszenia obrabialności, zmniejszenia naprężeń własnych lub przygotowania do dalszej obróbki cieplnej
WYŻARZANIE NIEZUPEŁNE - nagrzanie wsadu do temperatury pomiędzy Ac1 i Ac3 dla stali podeutektoidalnych lub pomiędzy Ac1 i Acw dla stali nadeutektoidalnych i studzenie do temperatury poniżej Ar w celu całkowitego przekrystalizowania perlitu i częściowego przekrystalizowania ferrytu, stosowane zamiast wyżarzania zupełnego głównie do stali podeutektoidalnych (miękkich) w celu usunięcia naprężeń własnych i polepszenia obrabialności
WYŻARZANIE SFEROIDYZUJĄCE - sferoidyzowanie - nagrzanie wsadu do temperatury bliskiej Ac1, długotrwałe wygrzanie w tej temperaturze i studzenie w celu zmiany postaci cementytu - z płytkowego na kulkowy i uzyskania najbardziej miękkiej i plastycznej struktury jaką dla danej stali można utrzymać
WAHADŁOWE - polega na kilkukrotnie powtarzającym się cyklu: nagrzewania w temperaturze około 20oC powyżej Ac1, wygrzewania w tej temperaturze i chłodzenia w temperaturze około 20oC poniżej Ar, stosowane dla stali narzędziowych w celu przyspieszenia sferoidyzacji cementytu
IZOTERMICZNE - polega na nagrzewaniu do temperatury nieco powyżej Ac1 lub Ac1,3, studzeniu do temperatury nieco poniżej Ar1 i wygrzaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i sferoidyzacji węglików, stosowane w celu skrócenia czasu wyżarzania w porównaniu z czasem wyżarzania zupełnego
WYŻARZANIE ZMIĘKCZAJĄCE - zmiękczanie - nagrzanie wsadu do temperatury poniżej Ac1 dla stali węglowych, nisko- i średniostopowych lub nieco powyżej Ac1 dla stali wysokostopowych, następnie wygrzanie i powolne chłodzenie, w celu zmniejszenia twardości, zwiększenia plastyczności, polepszenia obrabialności
WYŻARZANIE IZOTERMICZNE - nagrzanie wsadu do temperatury 30 - 50oC powyżej Ac3 dla stali podeutektoidalnych i powyżej Accm dla stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych, wygrzanie w tej temperaturze, szybkie podchłodzenie do temperatury zawartej między Ar1 i temperaturą najmniejszej trwałości przechłodzonego austenitu, izotermiczne wytrzymanie w tej temperaturze do zakończenia przemiany austenitu w celu otrzymania charakteryzującej się obniżoną twardością i polepszoną obrabialnością struktury: perlitycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub ferrytu z węglikami oraz skrócenia czasu wyżarzania
WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE - rekrystalizowanie - nagrzewanie wsadu (ze stali utwardzonej plastycznie na zimno) do temperatury rekrystalizacji lub 150-250oC powyżej (lecz niższej niż Ac1), wygrzanie w tej temperaturze i chłodzenie w celu usunięcia skutków zgniotu (zmniejszenie twardości, zwiększenie plastyczności, zmniejszenie naprężeń własnych i uzyskania określonej końcowej wielkości ziarna bez przemiany fazowej)
WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE - nagrzanie wsadu do temperatury poniżej Ac1, wygrzanie w tej temperaturze i studzenie (zwykle z piecem) w celu zmniejszenia naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i własności uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane do odlewów staliwnych, elementów spawanych lub utwardzonych przez odkształcenia plastyczne
WYŻARZANIE STABILIZUJĄCE - stabilizowanie - nagrzewanie wsadu niehartowanego do określonej temperatury (zwykle poniżej 150oC) i wygrzanie w tej temperaturze lub wytrzymanie w temperaturze otoczenia w celu spowodowania zmian wymiarowych (strukturalnych i objętościowych) i zmian kształtu, które bez stabilizowania zachodziłyby w czasie pracy przedmiotu oraz w celu zmniejszenia związanych z tym naprężeń własnych
NATURALNE - w temperaturze otoczenia, trwające od kilku miesięcy do kilku lat, do odlewów żeliwnych
PRZYSPIESZONE - w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia (zwykle nie przekraczającej 150oC) i długotrwałe (6-120h) wygrzanie w tej temperaturze, stosowane przeważnie dla stali narzędziowych w celu przyspieszenia zmian wymiarowych i zmian kształtu, które przy stabilizowaniu naturalnym zachodziłyby zbyt wolno
WYŻARZANIE PRZEGRZEWAJĄCE - nagrzanie wsadu do temperatury, w której następuje silny rozrost ziarna, wygrzanie w tej temperaturze i chłodzenie w celu uzyskania struktury gruboziarnistej ułatwiającej skrawanie
HARTOWANIE - austenityzowanie i następnie oziębianie wsadu w celu uzyskania struktury nierównowagowej martenzytycznej lub bainitycznej - odznaczającej się wyższą niż w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz mniejszą plastycznością
HARTOWANIE MARTENZYTYCZNE - martenzytowanie - hartowanie z zastosowaniem oziębienia z szybkością większą od krytycznej w celu wytworzenia martenzytu jako przeważającego składnika strukturalnego
ZWYKŁE - z ciągłym (nieprzerywanym) oziębianiem w środowisku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, stosowane do stali węglowych i stopowych o zawartości 0,1-2% C
STOPNIOWE - z pierwszym stopniem oziębienia - w kąpieli o temperaturze nieco wyższej od Ms w czasie niezbędnym do oziębienia całego przekroju przedmiotu do temperatury kąpieli, lecz nie dłuższym niż wynosi czas trwałości austenitu w tej temperaturze i z drugim stopniem oziębienia przy powolnym przekraczaniu temperatury Ms i wytworzeniu się martenzytu, stosowane dla stali narzędziowych i konstrukcyjnych oraz żeliwa szarego w celu zmniejszenia naprężeń własnych (usunięcia niebezpiecznych pęknięć) oraz odkształceń cieplnych i strukturalnych, wymaga następnego odpuszczania
PRZERYWANE - z oziębieniem kolejno w dwóch ośrodkach chłodzących o różnej zdolności chłodzącej (np. najpierw w wodzie a następnie, gdy temperatura obniży się poniżej temperatury maksymalnej szybkości przemiany, dalsze chłodzenie w oleju) bez wytrzymywania w pierwszym z nich do wyrównania się temperatury na przekroju przedmiotu w celu zmniejszenia naprężeń własnych i odkształceń, stosowane głównie do narzędzi ze stali węglowych
Z PODCHŁODZENIEM - poprzedzone podchłodzeniem od temperatury austenityzowania do temperatury nieco wyższej od Ar3 lub Ar1 w przypadku stali nadeutektoidalnych
HARTOWANIE BAINITYCZNE - bainityzowanie - hartowanie z zastosowaniem oziębiania z szybkością mniejszą od krytycznej, lecz dostatecznie dużą dla wytworzenia bainitu jako przeważającego składnika strukturalnego
ZWYKŁE - z ciągłym (nieprzerywanym) oziębieniem w środowisku o zdolności chłodzącej zapewniającej uzyskanie struktury składającej się głównie z bainitu
Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ - z oziębianiem w kąpieli (zwykle solnej) o temperaturze bliskiej lub wyższej od Ms (zwykle 250-400oC) i wytrzymaniem w tej kąpieli przez czas zapewniający całkowite ukończenie przemiany bainitycznej, stosowane w celu znacznego zmniejszenia odkształceń, uzyskania większej plastyczności i udarności niż przy hartowaniu martenzytycznym zwykłym przy zachowaniu wysokiej twardości; nie wymaga następnego odpuszczania
PATENTOWANIE - austenityzowanie wsadu (drutu lub taśmy stalowej) w temperaturze wyższej od Ac3 i oziębianie (zwykle kąpielowe w roztopionym ołowiu lub w sprężonym powietrzu) do temperatury przemiany izotermicznej (zwykle około 500oC) w zakresie maksymalnej szybkości przemiany, wytrzymanie w ośrodku chłodzącym w czasie zapewniającym całkowitą przemianę austenitu z następnym chłodzeniem w powietrzu w celu wytworzenia drobnego perlitu, umożliwiające przeróbkę plastyczną na zimno dużymi sumarycznymi zgniotami
HARTOWANIE OBJĘTOŚCIOWE - hartowanie, w którym austenityzowanie obejmuje całą objętość wsadu, zaś grubość warstwy zahartowanej jest zależna od hartowności obrabianego materiału, wymiarów i kształtu wsadu oraz zdolności chłodzącej środowiska chłodzącego
HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE - hartowanie z grzaniem powierzchniowym (indukcyjnym, płomieniowym, laserowym, elektronowym, plazmowym, kąpielowym) tylko warstwy wierzchniej wsadu, stosowane dla stali węglowych i stopowych konstrukcyjnych o zawartości do 0,5% C oraz stali narzędziowych niskostopowych w celu podwyższenia twardości i wytrzymałości zmęczeniowej z zachowaniem plastyczności rdzenia oraz zmniejszenia odkształceń, a także dla żeliwa szarego i sferoidalnego
Z PRZETOPIENIEM - przy bardzo intensywnym (gęstość mocy około 106 W/cm2 i większa) miejscowym grzaniu laserowym, elektronowym lub plazmowym z bardzo dużą szybkością (do 105K/s) i przetopieniu tylko warstwy wierzchniej wsadu oraz chłodzeniu masą wsadu, w celu uzyskania ultradrobnoziarnistej struktury
HARTOWANIE RDZENIA - hartowanie po obróbce cieplno-chemicznej (nawęglaniu lub azotonawęglaniu) z temperatury austenityzowania właściwej dla rdzenia (materiału wsadu leżącego pod warstwą wierzchnią)
HARTOWANIE WARSTWY DYFUZYJNEJ - hartowanie po obróbce cieplno-chemicznej (nawęglaniu lub azotonawęglaniu) z temperatury austenityzowania, właściwej dla warstwy dyfuzyjnej
HARTOWANIE BEZPOŚREDNIE - po obróbce cieplno-chemicznej (np. z temperatury nawęglania czy azotonawęglania lub z podchładzaniem do temperatury nie niższej niż Ar3 dla rdzenia lub Ar1 dla warstwy dyfuzyjnej) lub po obróbce plastycznej (z ciepła walcowania)
HARTOWANIE JEDNOKROTNE - pojedyncze - hartowanie po obróbce cieplno-chemicznej z temperatury wyższej od Ac3 dla rdzenia lub Ac1 dla warstwy dyfuzyjnej
HARTOWANIE DWUKROTNE - podwójne - hartowanie po obróbce cieplno-chemicznej składające się z pierwszego hartowania po austenityzowaniu w temperaturze właściwej dla rdzenia (wyższej od temperatury Ac3) i drugiego hartowania po austenityzowaniu w temperaturze właściwej dla warstwy dyfuzyjnej (wyższej od temperatury Ac1) w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury rdzenia i drobnoiglastego martenzytu w warstwie dyfuzyjnej
HARTOWANIE IMPULSOWE - udarowe - odmiana samohartowania, zwykle powierzchniowego, z austenityzowaniem przebiegającym przeważnie w temperaturach wyższych niż normalne hartowanie, z uprzednim grzaniem impulsowym wsadu dużymi gęstościami mocy, zazwyczaj przy wykorzystaniu grzania elektronowego lub laserowego
SAMOHARTOWANIE - hartowanie wsadu z miejscowym (lokalnym) austenityzowaniem i samochłodzeniem
ODPUSZCZANIE - grzanie uprzednio zahartowanego wsadu (często również odlewów staliwnych po normalizowaniu) do temperatury niższej od Ac1 i chłodzenie w celu obniżenia stopnia nietrwałości struktury, zmiany struktury i własności materiału zahartowanego w kierunku zbliżenia struktury do stanu równowagi (poprawy ciągliwości i zmniejszenia kruchości kosztem zmniejszenia twardości oraz usunięcia występujących po hartowaniu naprężeń własnych)
ODPUSZCZANIE NISKIE - odpuszczanie w zakresie temperatur do 250oC w czasie zwykle 1-3h przy chłodzeniu z dowolną szybkością stosowane do stali narzędziowych i konstrukcyjnych w celu zmniejszenia naprężeń własnych z zachowaniem wysokiej twardości
ODPUSZCZNIE ŚREDNIE - odpuszczanie w zakresie temperatur 250-500oC, przy chłodzeniu lub oziębianiu stosowane np. do stali sprężynowych w celu uzyskania wysokiej granicy sprężystości przy dostatecznej plastyczności
ODPUSZCZANIE WYSOKIE - odpuszczanie w zakresie temperatur pomiędzy 500oC i Ac1 w czasie zwykle 2-3h przy chłodzeniu powolnym lub przyspieszonym (a nawet szybkim) stosowane dla stali konstrukcyjnych w celu uzyskania najwyższej granicy wytrzymałości i plastyczności przy dostatecznej ciągliwości, udarności i obrabialności, oraz w celu zmniejszenia naprężeń własnych
SAMOODPUSCZANIE - odpuszczanie pod wpływem ciepła zawartego jeszcze we wsadzie po hartowaniu
UTWARDZANIE CIEPLNE - hartowanie a następnie niskie odpuszczanie (objętościowe i powierzchniowe)
PRZESYCANIE - wygrzewanie wsadu w temperaturze wyższej od temperatury granicznej rozpuszczalności i następnie oziębienie z szybkością nie pozwalającą na ponowne wydzielenie się rozpuszczonego składnika roztworu, w celu otrzymania w temperaturze otoczenia roztworu stałego w stanie metastabilnym, stosowane do stali nierdzewnych i kwasoodpornych austenitycznych i ferrytycznych dla otrzymania jednorodnej struktury
STARZENIE - wytrzymywanie uprzednio przesyconego wsadu w temperaturze niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności (zwykle 200-250oC) w celu wydzielenia w odpowiednim stopniu dyspersji fazy lub faz będących związkiem chemicznym lub międzymetalicznym składników tworzących osnowę w stanie przesyconym, stosowane do przesycanych stali nierdzewnych i kwasoodpornych austenitycznych w celu ich utwardzenia i zwiększenia wytrzymałości. Występuje naturalne - samorzutne, w temperaturze otoczenia oraz przyspieszone - sztuczne, przez grzanie
OBRÓBKA CIEPLNA PODZEROWA - mrożenie - powolne oziębianie (dla uniknięcia powstania dużych naprężeń własnych) bezpośrednio po hartowaniu wsadu do temperatur ujemnych (w pobliżu Mf, zwykle -60 - -100oC) stosowane do stali narzędziowych, do nawęglania i łożyskowych w celu zwiększenia twardości i zmniejszenia ścieralności oraz stabilizacji własności i wymiarów na skutek przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt i uzyskania struktury martenzytu z bardzo małą ilością austenitu szczątkowego
|
WYŻARZANIE UJEDNORANIAJĄCE - ujednorodnianie, homogenizowanie - nagrzanie wsadu do temperatury niższej od temperatury solidusu, długotrwałe wygrzanie w tej temperaturze i chłodzenie w celu zmniejszenia niejednorodności (mikrosegregacji składu chemicznego) WYŻARZANIE ZUPEŁNE - wyżarzanie wsadu w temperaturze wyższej od temperatury przemiany alotropowej lub eutektoidalnej i następnie chłodzenie szybkością mniejszą od krytycznej w celu zmniejszenia wielkości ziarna i usunięcia naprężeń własnych WYŻARZANIE ZMIĘKCZAJĄCE - zmiękczanie - wyżarzanie wsadu w temperaturze niższej niż temperatura granicznej rozpuszczalności w celu wydzielenia faz wtórnych i ich koagulacji prowadzących do zmniejszenia twardości i poprawy plastyczności WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE - odprężanie - wyżarzanie wsadu w odpowiednio wysokiej dla relaksacji naprężeń temperaturze z następnym powolnym studzeniem w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych, bez wyraźnych zmian struktury i własności uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki WYŻARZANIE UTWARDZAJĄCE (poniżej temperatury rekrystalizacji) - wyżarzanie wsadu z metalu lub stopu jednofazowego utwardzonego przez zgniot, w temperaturze poniżej temperatury rekrystalizacji, w celu obniżenia naprężeń własnych, z jednoczesnym niewielkim spadkiem umocnienia oraz, w niektórych materiałach, wzrostem twardości w wyniku zdrowienia przez wydzielenia faz dyspersyjnych POLIGONIZACJA - zdrowienie mikrostruktury - drugie stadium zdrowienia polegające na aktywowanym cieplnie przegrupowaniu jednoimiennych dyslokacji w trwałe układy o prawidłowej siatkowej budowie, którego celem jest uporządkowanie przestrzennego układu dyslokacji w odkształconych kryształach, dla uzyskania substruktury poligonizacji |
|---|---|
| ZDROWIENIE - wyżarzanie zdrowiące - pierwsze stadium wyżarzania wsadu ze stopu uprzednio odkształconego plastycznie, polegającym na nagrzaniu do temperatury nieco wyższej od temperatury odkształcenia, ale poniżej temperatury rekrystalizacji, krótkotrwałym wygrzaniu i następnym oziębianiu w celu usunięcia skutków zgniotu (ale bez rekrystalizacji) czyli odzyskania pierwotnych własności fizycznych lub mechanicznych | |
WYŻARZANIE ZMIĘKCZAJĄCE (poniżej temperatury rekrystalizacji) - wyżarzanie wsadu z metalu lub stopu utwardzonego przez zgniot, w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzanie w tej temperaturze do koagulacji wydzielonych faz i następnie studzenie, w celu częściowego usunięcia skutków zgniotu w wyniku zdrowienia WYŻARZANIE NAWROTUJĄCE - nawrót - wyżarzanie wsadu ze stopu poddanego uprzednio starzeniu, polegającym na nagrzaniu do temperatury nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji, krótkotrwałym wygrzaniu i następnym oziębianiu, zwykle w celu częściowego, a niekiedy całkowitego nawrotu do stanu przesyconego (zmiany własności fizycznych i mechanicznych bez wyraźnej zmiany struktury) STABILIZOWANIE - wyżarzanie stabilizujące - pojedynczy lub wielokrotny cykl nagrzewania wsadu do temperatury wyższej lub równej przewidywanej temperaturze użytkowania, długotrwałemu wygrzaniu w tej temperaturze, studzeniu i ewentualnemu wymrażaniu w celu zapewnienia niezmienności wymiarów i własności wsadu |
OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA - proces technologiczny, którego celem jest uzyskanie zmian własności warstwy wierzchniej i stopów w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska technologicznego
STOPOWANIE - wytwarzanie tworzywa metalicznego w postaci stopu metalu z metalem lub metalu z niemetalem przez nasycenie lub przetopienie (jednoskładnikowe i wieloskładnikowe
NASYCANIE DYFUZYJNE - stopowanie dyfuzyjne - wprowadzanie na drodze dyfuzji do warstwy wierzchniej metalu lub stopu w stanie stałym jednego lub kilku składników w celu nadania jej żądanych własności mechanicznych, chemicznych lub/i fizycznych, realizowane w temperaturach zapewniających szybką dyfuzję
NASYCANIE GAZOWE - nasycanie dyfuzyjne w gazach lub ich mieszaninach zawierających składniki nasycające
STOPOWANIE PRZETOPIENIOWE - stopowanie przez przetopienie i wymieszanie warstwy wierzchniej materiału podłoża ze składnikiem stopującym, naniesionym uprzednio na podłoże lub dostarczanym w postaci proszku lub gazu do miejsca przetopienia
STOPOWANIE LASEROWE - stopowanie przetopieniowe wykorzystujące grzanie spójną koherentną wiązką fotonów
ODWĘGLANIE - dyfuzyjne usuwanie węgla z warstwy wierzchniej lub z całej objętości wsadu (analogicznie odwodorowywanie)
ODGAZOWANIE - dyfuzyjne usuwanie gazu z warstwy wierzchniej wsadu (analogicznie odazotowanie, odtlenienie)
NAWĘGLANIE - nasycanie dyfuzyjne, rzadziej stopowanie przetopieniowe węglem, przebiegające zwykle w zakresie temperatur 900-930oC. Stosowane w celu uzyskania warstwy nawęglonej
Nawęglanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej stalowego elementu wykonanego ze stali węglowej lub stopowej o zawartości węgla od 0,05% do 0,25%.
Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe py podnieść twardość powierzchni, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia.
Operację tę wykonuje się w temperaturach występowania austenitu, najczęściej w zakresie 880-930oC. Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 0,7-1,1%. Głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,6-2mm. Wytworzona warstwa dyfuzyjna wzbogacona węglem po zahartowaniu ma twardość powyżej 58HRC i jest odporna na ścieranie. Znacznie bardziej miękki rdzeń (25-45HRC) zapewnia nawęglonemu elementowi odporność na obciążenia dynamiczne. Własności mechaniczne warstwy utwardzonej i rdzenia oraz powstały podczas hartowania stan naprężeń własnych, wynikający z różnego stężenia węgla w warstwie i rdzeniu, zapewniają przedmiotowi nawęglonemu dużą wytrzymałość doraźną i zmęczeniową (stykową oraz na zginanie i skręcanie). Takie własności mechaniczne są pożądane w przypadku kół zębatych, osi, części wałków (czopy i wielowypusty), krzywek itp.
Innym zastosowaniem nawęglania jest obróbka elementów różnych łańcuchów, które często są wycinane i kształtowane z miękkiej, niskowęglowej blachy, a następnie nawęglane, hartowane i odpuszczane.
Nasycenie węglem warstwy powierzchniowej stali składa się z trzech zasadniczych procesów:
dysocjacji składników ośrodka nawęglającego, w której wyniku tworzy się węgiel atomowy (in statu nascendi)
adsorbcji aktywnych atomów węgla na powierzchni
dyfuzji zaadsorbowanych atomów w głąb stali
Metody: w proszkach, gazowe, w ośrodkach ciekłych, w złożach fluidalnych, próżniowe, jonizacyjne
NAWĘGLANIE W PROSZKACH - w przypadku braku odpowiednich urządzeń i produkcji o charakterze krótkoseryjnym stosuje się nawęglanie w ośrodkach stałych w postaci proszków będących mieszaniną węgla drzewnego oraz środków przyspieszających nawęglanie. Nawęglanie przeprowadza się w piecach komorowych elektrycznych lub gazowych do których wstawia się skrzynki stalowe, wypełnione częściami obrabianymi obsypanymi proszkiem nawęglającym.
Nawęglanie proszkowe prowadzi się w temperaturze około 900-950oC. Czas nawęglania wynosi 4-12 godzin w zależności od zadanej grubości nawęglonej.
Przedmiot umieszczany jest w specjalnej skrzynce wypełnionej sproszkowanym węglem drzewnym, najczęściej dębowym, bukowym lub brzozowym, wymieszanym ze środkami przyspieszającymi nawęglanie takimi jak węglan baru BaCO3, węglan sodu Na2CO3 itp. Nawęglanie zachodzi nie przez bezpośrednie przenikanie węgla do stali, lecz za pośrednictwem tlenku węgla. Węgiel drzewny wobec małej ilości powietrza w skrzynkach do nawęglania utlenia się na CO. Równocześnie środki przyspieszające rozkładają się w wysokiej temperaturze wydzielając CO2, który również ulega redukcji do CO. Przy odpowiedniej ilości CO w otoczeniu stali następuje proces nawęglania zgodnie z reakcją:
2CO <-> C(γFe)+CO2
Zalety:
|
Wady:
|
|---|
NAWĘGLANIE GAZOWE - największe zastosowanie przemysłowe znajduje obecnie nawęglanie gazowe, które prowadzi się w temperaturach 850-950oC przy stałej cyrkulacji gazu (atmosferach zawierających CO, CO2, H2, H2O, CH4 i N2) w specjalnych piecach muflowych. Atmosfery te wytwarza się w specjalnych urządzeniach przez częściowe spalanie gazów opałowych (metanu, propanu, butanu) lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych dostarczanych bezpośrednio do komory pieca do nawęglania.
Przenikanie węgla z tych atmosfer do stali następuje w wyniku trzech niżej podanych reakcji chemicznych:
2CO <-> C(γFe)+CO2
CH4 <-> C(γFe) + 2H2
CO + H2 <-> C(γFe) + H2O
Reakcje te zachodzą na powierzchni stali w strefie działania sił adsorpcji tej powierzchni, a wydzielany i zaadsorbowany chemicznie węgiel atomowy rozpuszcza się w austenicie dyfundując następnie w głąb metalu na skutek różnicy stężeń tego pierwiastka między powierzchnią i głębiej położonymi strefami.
Zalety:
równomierność nawęglania oraz możliwość regulacji grubości warstwy nawęglonej i zawartości w niej węgla, wynika to z możliwości doboru atmosfery o odpowiednim składzie chemicznym dla danej stali i temperatury procesu
duża szybkość procesu
możliwość hartowania przedmiotów bezpośrednio po nawęglaniu, co daje sporą oszczędność energii
możliwość automatyzacji procesu z wykorzystaniem sterowania komputerowego
mniejsze zapotrzebowanie powierzchni i większa czystość pracy
OBRÓBKA CIEPLNA - najczęściej stosowane metody: hartowanie bezpośrednie, bezpośrednie z podchłodzeniem, bezpośrednie z przemianą perlityczną, jednokrotne, dwukrotne. W celu zmniejszenia naprężeń hartowniczych oraz polepszenia udarności warstwy nawęglonej, po hartowaniu stosuje się zawsze odprężanie przy temperaturze 150-180oC. Właściwie obrobiona cieplnie warstwa nawęglona poza dużą twardością i odpornością na ścieranie cechuje się większą wytrzymałością zmęczeniową, zwłaszcza w wypadku zginania i skręcania.
HARTOWANIE BEZPOŚREDNIE Z PODCHŁODZENIEM - podchłodzenie w procesie hartowania nie powoduje rozdrobnienia ziarna i dlatego problem rozrostu ziarna może być wyeliminowany tak jak przy hartowaniu bezpośrednim przez zastosowanie stali drobnoziarnistych. Podchłodzenie w procesie hartowania natomiast zmniejsza odkształcenia hartownicze, zmienia strukturę hartowania warstwy nawęglonej, a niejednokrotnie i rdzenia w porównaniu do hartowania bezpośredniego.
HARTOWANIE BEZPOŚREDNIE Z PRZEMIANĄ PERLITYCZNĄ - zastosowanie przemiany perlitycznej podczas hartowania pozwala na rozdrobnienie ziarna austenitu. Struktury uzyskiwane po hartowaniu z przemianą perlityczną są podobne jak po hartowaniu bezpośrednim z podchłodzeniem, różnią się jedynie wielkością ziarna lub igieł martenzytu
STRUKTURA: perlityczna przechodząca stopniowo w ferrytyczno-perlityczną (rdzeń), niewłaściwa: wyraźna siatka węglików na tle perlitu
AZOTOWANIE - nasycanie dyfuzyjne, rzadziej stopowanie przetopieniowe azotem, przebiegające zwykle w zakresie temepratur 500-600oC, stosowane zazwyczaj w celu uzyskania warstwy azotowanej o większej niż rdzeń wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na zużycie przeze tarcie i odporności korozyjnej
CHROMOWANIE - proszkowe, gazowe - nasycanie, rzadziej stopowanie chromem, przebiegające zwykle w temperaturze 950-1000oC (proszkowe) lub 950-1050oC (gazowe), w celu zwiększenia twardości, żaroodporności, odporności na ścieranie i korozję
NIKLOWANIE - nasycanie lub stopowanie niklem, stosowane w celach ochronnych i dekoracyjnych, obecnie jest najczęściej stosowanym sposobem metalizowania w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym i innych
ALUMINIOWANIE - nasycanie aluminium przebiegające zwykle w zakresie temperatur 950-1050oC (proszkowe tzw. aliterowanie i gazowe) lub 700-800oC (kąpielowe) w celu zwiększenia odporności na korozję chemiczną i gazową w wysokich temperaturach głównie stali niskowęglowych
AZOTONAWĘGLANIE - nasycanie, rzadziej stopowanie, azotem i węglem w zakresie temperatur (zwykle 800-880oC) zbliżonych do temperatur nawęglania, w którym dominuje dyfuzja węgla, stosowane przed hartowaniem, które nadaje stali ostateczne właściwości
WĘGLOAZOTOWANIE - nasycanie, rzadziej stopowanie, dyfuzyjne węglem i azotem, w zakresie temperatur (zwykle 500-600oC) właściwych dla azotowania, w których dominuje dyfuzja azotu
OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA - obróbka cieplno-mechaniczna - połączenie odkształceń plastycznych z obróbką cieplną tak, aby przemiana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych przez odkształcenia. Ta obróbka pozwala uzyskać wzrost wytrzymałości bez spadku plastyczności. Istotą tej obróbki jest zatrzymanie odkształcenia plastycznego po utworzeniu odpowiedniej podstruktury z następnym kontrolowanym oziębianiem. W ten sposób można znacznie polepszyć właściwości mechaniczne obrabianych produktów.
W zależności od tego, czy temperatura odkształcenia plastycznego metalu poddawanego obróbce cieplno-plastycznej jest wyższa czy niższa od temperatury rekrystalizacji, wyróżnia się obróbkę cieplno-plastyczną:
wysokotemperaturową
niskotemperaturową
kombinowaną
wielostopniową
OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ - polega na zastąpieniu przemiany martenzytycznej przemianą perlityczną lub bainityczną
OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA STALI OSTRUKTURZE MARTENZYTYCZNEJ - w stalach i innych stopach, doznających przemian alotropowych i zwykle poddawanych hartowaniu, podstruktura odkształconego plastycznie austenitu jest dziedziczona przez martenzyt i decyduje o własnościach po odpuszczaniu. W przypadku stali hartowanych i odpuszczanych wysokotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, odkształceniu plastycznym na gorąco w warunkach zapewniających uzyskanie komórkowej podstruktury dyslokacyjnej i oziębieniu w celu zahartowania stali.