Mateusz Franckowiak	Katedra Inżynierii Stopów i Kompozytów Odlewanych	Data ćwiczenia: 24.05.2013
Rok: I magisterski Odlewnictwo 1	Właściwości Materiałów I Techniki Badawcze Temat: Obróbka cieplno – chemiczna metali i stopów	Ocena:

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z mikrostrukturą oraz stosowanymi rodzajami obróbki cieplno – chemicznej metali i stopów.

1. Część teoretyczna

Obróbka cieplno - chemiczna jest rodzajem obróbki cieplnej łącząca w sobie zabiegi umożliwiające zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopów w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania środowiska. Polega ona na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich właściwości użytkowych.

Aby prawidłowo dokonać zmiany składu chemicznego warstwy wierzchniej materiału spełnione muszą być następujące warunki:

• pierwiastek, który ma dyfundować w warstwę powierzchniową metalu podstawowego, musi być w stanie wolnych atomów mających dużą aktywność,

• na powierzchni metalu podstawowego musi nastąpić nagromadzenie i osadzenie wolnych atomów pierwiastka dyfundującego – adsorpcja,

• pierwiastek, który ma wzbogacić powierzchnię, musi rozpuszczać się w metalu podstawowym lub tworzyć z nim fazy międzymetaliczne.

Do często stosowanych metod obróbki cieplno - chemicznej zalicza się miedzy innymi:

• nawęglanie – polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego odlewu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Odbywa się najczęściej w temperaturze 900 - 950^oC. O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5 – 2 mm, decyduje czas nawęglania. Proces może odbywać się w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych. W efekcie otrzymuje się zwiększoną zawartość węgla do ok. 1 %, a po zahartowaniu uzyskuje się wysoką twardość powierzchni (ok. 60 HRC), ale również plastyczny rdzeń.

• azotowanie – polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta wykonywana jest w temperaturze niższej od Ac1. Azotowanie może być krótkookresowe, gdy czas mieści się w przedziale od kilkunastu minut do kilku godzin oraz długookresowe, gdy wynosi kilkadziesiąt godzin. W wyniku procesu azotowania uzyskuje się dużą twardość sięgającą ok. 900 – 1200 HV oraz dobrą odporność zmęczeniową.

1. Przebieg ćwiczenia

Podczas zajęć laboratoryjnych przeprowadzono analizę mikrostruktur badanych stopów.

staliwo wysokochromowe,

w strukturze widoczny ferryt i węgliki, -zastosowano modyfikację, która spowodowała rozdrobnienie struktury, lecz nie całkowite;

makrostruktura wlewka,

widoczne trzy strefy: ziarna zamrożone, ziarna kolumnowe i ziarna równoosiowe,

widoczne pochylenie kryształów kolumnowych, spowodowane działaniem siły odśrodkowej w czasie krzepnięcia;

makrostruktura połączenia spawanego rury, -stop 25Cr25Ni + 1Nb (0,4%C),

spaw jest najsłabszym miejscem konstrukcji,

próbka nietrawiona,

mikrostruktura spawu, -powiększenie 500x,

obraz z mikroskopu optycznego;

mikrostruktura spawu,

powiększenie 5000x,

obraz z mikroskopu skaningowego;

obraz z mikroskopu skaningowego,

widoczne dwa wydzielenie,

jasna struktura to siatka, ciemna to granica ziarn;

obraz z mikroskopu skaningowego,

analiza chemiczna pozwala stwierdzić obecność węglików chromu i niobu,

przyczyną pękania są węgliki, które tworzą siatkę na granicy ziarn, czyli węgliki chromu;

widok przekroju próbki,

strefa wpływu ciepła Rm = 350MPa, co jest skutkiem obecności węglików i powodem pękania, jako że spaw to najsłabsze miejsce w materiale;

próbka po obróbce cieplnej - wyżarzanie normalizujące,

obróbka polegająca na nagrzaniu odlewu do temperatury 30-50^oC powyżej Ac₃, wytrzymanie i chłodzenie na powietrzu,

skutkiem obróbki jest ujednorodnienie struktury i rozdrobnienie ziarn

staliwo Hadfielda L120G13H,

dodatek 2,5% Cr zwiększa odporność na
ścieranie, ale powoduje też występowanie
niekorzystnych igieł cementytu stopowego,
dlatego odlew należy poddać obróbce cieplnej -
przesycaniu w temperaturze 1050 - 1100^oC, wytrzymaniu i studzeniu w wodzie;

analiza chemiczna węglika;

staliwo węglowe, stan lany;

zawartość węgla 0,25%,

widoczne niekorzystne wydzielenia igieł ferrytu;

widok próbki po przesycaniu,

obecność węglików po granicach ziaren
świadczy o nie do końca poprawnie
przeprowadzonej obróbce cieplnej;

widok próbki po poprawnie przeprowadzonym
przesycaniu, widoczna osnowa austenityczna i czyste granice ziarn, widoczne wydzielenia o charakterze ścianowym to azotki tytanu powstałe z fazy ciekłej. Ich duża ilość może świadczyć o wydzielaniu się azotu z formy;

stopniowy wzrost liczby iglastych wydzieleń;

pojawia się coraz więcej igieł cementytu stopowego, które są przyczyną kruchych pęknięć;

widocznych jest bardzo wiele iglastych wydzieleń, których obecność w staliwie Hadfielda spowodowana jest wzrostem temperatury pracy;

staliwo 20CrMo4, stan lany,

powiększenie 400x,

obraz odkuwki, czyli odlewu po wstępnej obróbce plastycznej,

na zgładzie widoczny jasny ferryt i ciemny perlit;

powiększenie 400x,

zastosowano obróbkę cieplno - chemiczną warstwy wierzchniej - nawęglanie w temperaturze 950^oC prze 70 minut,

powiększenie 2000x,

przy tak dużym powiększeniu widoczne bardzo drobne igły martenzytu powstałe po nawęglaniu;

przekrój przez środek próbki,

w wyniku obróbki cieplno - chemicznej uzyskano właściwe stężenie węgla od powierzchni aż do rdzenia;

powiększenie 2000x,

widoczne jasne ziarna, bo na perlicie zaszła już przemiana, natomiast w ferrycie jeszcze nie;

powiększenie 100x,

twarda powierzchnia zewnętrzna

powiększenie 2000x,

wysoka twardość powierzchni spowodowana obecnością struktury martenzytycznej;

widok środkowej części próbki,

mikrostruktura kulki z łożyska,

powiększenie 2000x,

widoczna struktura martenzytyczna.

1. Wnioski

• Obróbka cieplna, cieplno – chemiczna, czy chemiczna powodują zmianę struktury metali i stopów, a co za tym idzie zmieniają się ich właściwości.

• Dobór odpowiedniej obróbki cieplnej jest ustosunkowany od wymaganych właściwości, jakie chce się uzyskać dla danego odlewu.

• Każdy z rodzajów obróbki oddziałuje inaczej na różne rodzaje metali i stopów odlewniczych.