1. Definicja i podział obróbki cieplnej.

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

Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:

• nagrzewanie,

• wygrzewanie,

• chłodzenie.

Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z szybkością dużą – oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

• obróbkę cieplną zwykłą,

• obróbkę cieplno mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno plastyczną),

• obróbkę cieplno chemiczną,

• obróbkę cieplno magnetyczną.

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu. W obróbce cieplno mechanicznej (cieplno plastycznej) na własności obrabianego materiału wpływa ponadto odkształcenie plastyczne.

Podczas obróbki cieplno chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek, w którym odbywa się obróbka.

W obróbce cieplno magnetycznej istotne znaczenie odgrywa natomiast pole magnetyczne.

1. Klasyfikacja operacji obróbki cieplnej.

W obróbce cieplnej rozróżnia się operacje i zabiegi. Operacja jest częścią procesu techno-logicznego, wykonywaną w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym (np. hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie, przesycanie, starzenie), natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie). Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej.Zabiegi obróbki cieplnej:

• nagrzewanie – ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury elementu obrabianego cieplnie;

• wygrzewanie – wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze;

• chłodzenie – ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu;

• studzenie – chłodzenie z małą szybkością;

• oziębianie – chłodzenie z dużą szybkością;

• wychładzanie – wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia.

Rodzaje obróbki cieplnej (podział ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności):

• obróbka cieplna zwykła – zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu;

• obróbka cieplno–mechaniczna (cieplno-plastyczna) – oraz odkształcenie plastyczne;

• obróbka cieplno–chemiczna – na własności obrabianego materiału wpływa T, t oraz ośrodek, w którym odbywa się obróbka;

• obróbka cieplno–magnetyczna – na własności obrabianego materiału wpływa T, t oraz pole magnetyczne.

1. Wyznaczanie czasu grzania w obróbce cieplnej.

Aby do danego stopu można było stosować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny się w nim dokonywać przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinna zachodzić przemiany alotropowe lub powinna występować wyraźna zmiana rozpuszczalności pewnych jego składników.

Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić.

W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementy. Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych temperatur A₁ odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A₂ jest temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A₃, wyznaczona przez punkty leżące na linii GS, jest temperaturą graniczną równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura A_cm (linia SE) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.

Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik rw przypadku chłodzenia (np. A_c1, A_r3).

1. Sposób przeprowadzenia i cel następujących rodzajów wyżarzania: ujednorodniającego, normalizującego, zupełnego, zmiękczającego, rekrystalizującego, odprężającego.

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

• 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.

Cel: ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

• 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.

CEL: stosowane często międzyoperacyjnie podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

• Odprężające: polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu.

CEL: usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzeniem zmian strukturalnych.

• Normalizujące: polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50° wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu.

CEL: uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali.

• Zupełne: stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyższej od Ac3, Ac_cm (linie GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu (z piecem)

• Zmiękczające: polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury 600C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia.

CEL: struktura stali to cementyt kulkowy, zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

1. Na czym polega hartowanie stali? (jak w pytaniu 7)

2. Przedstaw wykreślnie zakres temperatury austenityzowania stali podczas hartowania.

1. Podaj cel i rodzaje hartowania.

Hartowanie, rodzaj obróbki cieplnej, której celem jest uzyskanie struktury o większej twardości, polegający na nagrzaniu stopu do temperatury stanu austenitycznego (powyżej linii GS układu żelazo-cementyt), wygrzewaniu w celu uzyskania jednakowej temperatury w całej masie materiału oraz dostatecznie szybkim chłodzeniu (z szybkością większą lub równą tzw. szybkości krytycznej, przy której powstaje przemiana martenzytyczna).
Podstawowe ośrodki chłodzące stosowane w hartowaniu to: woda i roztwory wodne, oleje, stopione sole (np. saletra sodowa, potasowa) lub metale (np. ołów) oraz sprężone powietrze. W zależności od sposobu nagrzewania rozróżnia się hartowanie na wskroś oraz hartowanie powierzchniowe.

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim ogrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu i szybkim oziębieniu w celu uzyskania twardej powierzchni odpornej na ścieranie z zachowaniem plastycznego rdzenia.

W zależności od sposobu nagrzewania hartowanie powierzchniowe dzieli się na: płomieniowe (nagrzewanie palnikiem gazowym), indukcyjne (nagrzewanie prądami wirowymi wzbudzonymi w warstwie powierzchniowej oraz prądami szybkozmiennymi płynącymi w induktorze) i kąpielowe (nagrzewanie przez krótkotrwałe zanurzenie w kąpieli solnej lub ołowiowej o temperaturze dużo wyższej niż temperatura hartowania).W zależności od sposobu chłodzenia rozróżnia się hartowanie: zwykłe, stopniowe i z przemianą izotermiczną.

Hartowanie zwykłe (najczęściej stosowane) polega na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu.Odmianą hartowania zwykłego jest hartowanie przerywane, podczas którego ochłodzony do ok. 300°C przedmiot zanurza się w oleju lub pozostawia na powietrzu, aby przemiana austenitu w martenzyt przebiegała wolniej w celu zmniejszenia naprężeń własnych i kruchości. Po hartowaniu zwykłym stosuje się zazwyczaj odpuszczanie.
Hartowanie stopniowe polega na oziębianiu w kąpieli (najczęściej solnej) o temperaturze nieco powyżej przemiany martenzytycznej, krótkim przetrzymaniu w kąpieli i chłodzeniu na powietrzu. Hartowanie z przemianą izotermiczną polega na chłodzeniu przedmiotu w kąpieli saletrzanej o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej i utrzymaniu przedmiotu w tej kąpieli aż do zakończenia przemiany austenitu w bainit. Hartowanie z przemianą izotermiczną wymaga odpuszczania.

1. Rodzaje odpuszczania.

Odpuszczanie, wyżarzanie odpuszczające, obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu przedmiotów stalowych uprzednio zahartowanych (hartowanie) do określonej temperatury (zależnej od pożądanego efektu - 180-650°C), wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie ochłodzeniu.
Zależnie od temperatury, w jakiej przebiega proces, rozróżnia się:

• odpuszczanie niskie, w zakresie temperatur 180-250°C, którego głównym celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem wysokiej twardości,

• odpuszczanie średnie, w zakresie temperatur 250-500°C, mające na celu nadanie przedmiotom dużej wytrzymałości i sprężystości przy dostatecznej udarności,

• odpuszczanie wysokie, w zakresie temperatur 500-650°C, mające na celu nadanie dużej wytrzymałości na rozciąganie, dużej twardości, z zachowaniem odpowiedniej plastyczności.

1. Co to jest ulepszanie cieplne?

Połączenie zabiegów hartowania i wysokiego odpuszczania. Po ulepszeniu cieplnym stale konstrukcyjne posiagają mikrostrukturę sorbityczną (martenzytu wysokoodpuszczonego), charakteryzują się optymalnymi własnościami mechanicznymi. wysoką wytrzymałością [...] (Re(Rp0,2)), bardzo dobrą ciągliwością (temperatura przejścia w stan kruchy, KV) i dobrą plastycznością (A, Z).

Korzyści z ulepszania cieplnego, w stosunku do stany normalizowanego:

• wzrost stosunku Re(Rp0,2)/Rm od wartości 0,5-0,6 dla tanu normalizowanego do 0,8-0,9 dla stanu ulepszonego cieplnie

• przesunięcie progu kruchości do niższej temperatury

W wyniku ulepszania cieplnego nieznacznie zmniejsza się plastyczność mierzona wydłużeniem przy [..] przewężenie (Z%),

1. Co to jest utwardzanie wydzieleniowe?

Stale o strukturze austenitycznej, a także inne stopy – głównie metali nieżelaznych, niewykazujące przemian alotropowych, lecz charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym, mogą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu. Proces ten stanowią połączone operacje technologiczne:

1. przesycania- polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 30÷50°C od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem. Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne.

2. starzenia- starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych. Przyspieszane jesr przez odkształcenie plastyczne na zimno. Niekiedy przebiega ono już w temperaturze pokojowej, wówczas nosi nazwę starzenia samorzutnego. Starzenie może być również procesem niepożądanym, np. w blachach do głębokiego tłoczenia oraz w stalach kotłowych, gdyż powoduje zmniejszenie własności plastycznych i wzrost kruchości.

1. Przedstaw podział urządzeń do obróbki cieplnej.

Urządzenia do obróbki cieplnej:

-podstawowe:

• piece,

• nagrzewnice,

• wytwornice atmosfer i regulatory atmosfer,

• urządzenia do chłodzenia: wanny i prasy hartownicze, studzienki i komory studzenia, wymrażalki

- pomocnicze:

• myjące, czyszczące,

• do kontroli międzyoperacyjnej,

• transportowe zewnętrzne,

-agregaty do OC

Połączone (w sposób trwały) urządzenia podstawowe i pomocnicze do określonej operacji OC.

1. Przedstaw podział pieców grzewczych ze względu na różne kryteria.

1. ze względu na:

• przeznaczenie pieca

• sposób pracy i stopień mechanizacji i automatyzacji

• rodzaj energii i przekształcenie

1. Piece z oddziaływaniem ciągłym

2. Piece z oddziaływaniem okresowym

3. Piece paliwowe (gazowe i olejowe)

4. Piece elektryczne: oporowe, elektrodowe, indukcyjne

5. Ze względu na ośrodek roboczy pieca:

piece z atmosferą naturalną (powietrza)

piecec z atmosferą regulowaną

piece kąpielowe (solne, ołowiowe, olejowe)

piece próżniowe (z gorącą i zimną komorą)

ze złożem fluidalnym

1. Ze względu na temperaturę znamionową

• Niskotemperaturowe do 700C

• Średniotemperaturowe 700-1000C

• Wysokotemperaturowe, powyżej 1000C

1. Wymień rodzaje pieców o działaniu okresowym.

• Komorowy

• Komorowy z przedsionkiem

• Wgłębny

• Bębnowy

• Wannowy

• Tyglowy

• Karuzelowy

• Kołpakowy

• Elewatorowy

• Pionowy

• Z wysuwanym trzonem

• Przechylne

• wahadłowe

1. Wymień rodzaje pieców o działaniu ciągłym.

• Przepychowy

• Taśmowy

• Wstrząsowy

• Bębnowy

• Pokroczny

• Wózkowy

• Szybowy

• Karuzelowy

• Wibracyjny

• Ślimakowy