| Obróbka cieplna i cieplno- chemiczna stali konstrukcyjnej | ||
|---|---|---|
| TD-I,LP2 | ocena |
OBRÓBKA CIEPLNA STALI:
Obróbką cieplną nazywa się zabiegi technologiczne umożliwiające dzięki grzaniu i chłodzeniu zmianę mikrostruktury, a przez to własności stopów: mechanicznych, fizycznych, technologicznych oraz chemicznych. Obróbce cieplnej można poddawać stopy, w których zabiegi cieplne wywołują w stanie lanym zmianę rozpuszczalności składników i przemianę eutektoidalną lub alotropową. Wyróżniamy następujące zabiegi obróbki cieplnej:
Wyżarzanie - przez wyżarzanie rozumiemy zabiegi cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzą do stanu równowagi termodynamicznej w obrabianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewane do określonej temperatury, wygrzewane i chłodzone.
Wyżarzanie zupełne- prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej do stanu równowagi. Polega na austenityzowaniu stali, jak przy normalizowaniu, i następnie studzeniu w piecu. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości stali.\
Wyżarzanie ujednoradniające- polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do linii solidus, wygrzewaniu w tej temperaturze aż do zajścia dyfuzji i wyrównaniu składu chemicznego oraz chłodzeniu.
Wyżarzanie przegrzewające- przeprowadza się podobnie jak ujednoradniające, lecz celem jego jest spowodowanie rozrostu ziarn i ułatwienie skrawalności stali.
Wyżarzanie niezupełne- przeprowadza się podobnie jak wyżarzanie zupełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia pomiędzy Ac1- Ac3 dla stali podeutektoidalnych oraz między Ac1-Acm dla stali nadeutektoidalnych. Cel zabiegu jest analogiczny jak przy wyżarzaniu zupełnym.
Wyżarzanie izotermiczne- polega na austenityzowaniu stali jak przy wyżarzaniu zupełnym i następnie szybkim ochłodzeniu do temperatury leżącej poniżej Ar1, i wyżarzaniu w tej temperaturze aż do zajścia przemiany perlitycznej. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości stali.
Hartowanie
W przeciwieństwie do zabiegów wyżarzania hartowanie, zwłaszcza martenzytyczne, prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej. Celem zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości wyrobu.1) Hartowanie zwykłe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.2) Hartowanie stopniowe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.3) Hartowanie izotermiczne
Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.
Własności stali po zahartowaniu
Stal po zahartowaniu zyskuje na: twardości, wytrzymałości, wzrasta jej granica plastyczności i sprężystości, maleje zaś: udarność, wydłużenie, przewężenie i obrabialność. Podczas hartowania stali powstają naprężenia własne 1-go, 2-go i 3-go rodzaju, równoważące się wewnątrz danego przedmiotu bez udziału naprężeń zewnętrznych. Naprężenia 1-go rodzaju (zwane też naprężeniami cieplnymi) powstają wskutek różnicy w szybkości chłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu hartowanego. Zasięg działania tych naprężeń jest porównywalny z wymiarami przedmiotu. Naprężenia 2-go rodzaju tworzą się wskutek zachodzących przemian fazowych połączonych z dużymi zmianami objętościowymi, zasięg ich działania jest zbliżony do wielkości ziarna. Naprężenia 3-go rodzaju są spowodowane naruszeniem prawidłowego rozmieszczenia atomów w strukturze krystalicznej i mają charakter lokalny. Naprężenia 2-go i 3-go rodzaju nazywane są naprężeniami strukturalnymi lub mikronaprężeniami.
Odpuszczanie
Polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury leżącej poniżej Ac1, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołanych zmniejszeniem twardości i wzrost plastyczności stali.
Własności stali niestopowych po odpuszczaniu
W wyniku odpuszczania zwiększają się wszystkie wskaźniki określające plastyczność stali (wydłużenie, przewężenie) i odporność na pękanie (udarność), natomiast obniżają się własności wytrzymałościowe (wytrzymałość na rozciąganie Rm, granica plastyczności Re) a także twardość HB
W porównaniu do stali wyżarzonej o tej samej twardości znacznie zwiększa się udarność i plastyczność oraz iloraz Re/Rm. Zwiększenie ilorazu Re/Rm jest miarą ulepszenia materiału poprzez obróbkę cieplną. Stąd obróbka cieplna składająca się z hartowania i wysokiego odpuszczania, jest nazywana ulepszaniem cieplnym. Podczas odpuszczania następuje także usuwanie naprężeń własnych powstałych podczas hartowania. Im wyższa temperatura odpuszczania, tym w większym stopniu zachodzi odprężenie materiału.
Przesycanie i starzenie
Mogą być stosowane w stopach, w których następuje zmniejszenie rozpuszczalności składnika w stanie stałym z obniżeniem temperatury.
Przesycenie ma na celu uzyskanie przesyconego roztworu stałego.
Starzenie prowadzi do wydzielenia dyspersyjnych cząstek. Efektem tego jest wzrost twardości i wytrzymałości stopu oraz spadek plastyczności.
OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA STALI:
Celem obróbki cieplno-chemicznej jest uzyskanie odpowiednich własności fizykochemicznych (np. zwiększenie odporności na ścieranie, żaroodporności) drogą dyfuzyjnej zmiany składu chemicznego warstw wierzchnich materiału.
Nawęglanie
Jest to dyfuzyjne nasycanie stali węglem. Poddaje się temu stale niskowęglowe o zawartości do ok. 0,2 %C, przez co zawartość C zwiększa się do ok. 1 %. Po zahartowaniu uzyskuje się wysoką twardość powierzchni i ciągliwy rdzeń. Nawęglanie przeprowadza się w temp. 930 oC zwykle ok. 10 godzin. Można je przeprowadzać w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych.
Azotowanie
Jest to nasycanie warstwy wierzchniej azotem, w wyniku czego uzyskuje się dużą twardość i odporność na zmęczenie. Przeprowadza się w temperaturze 550 oC. Do azotowania stosuje się atmosferę dysocjowanego amoniaku, w której występują aktywne atomy azotu. Jest to kosztowna obróbka, gdyż bardzo długotrwała (ok. 40 godzin) i dlatego stosowane jest w przypadku szczególnie odpowiedzialnych elementów.
Siarkowanie - do siarkowania dyfuzyjnego może być stosowana metoda elektrolityczna. Temperatura kąpieli to ok. 220 oC, skład: rodanek potasowy 80%, sodowy 15%, reszta Na2S2O3, polaryzacja przemienna, gęstość prądu ok. 3 A/cm2, czas obróbki to ok. 10 min. Dzięki tej obróbce uzyskujemy wzrost żywotności narzędzi do nawet 400%.
Borowanie - nasycanie warstwy powierzchniowej stali borem. W wyniku borowania powstają związki boru z żelazem (borki) o wysokiej twardości (borek bogatszy w bor jest twardszy ale i bardziej kruchy). Warstwy borowane cechują się bardzo dużą odpornością na ścieranie i są zwykle stosowane gdy smarowanie jest skąpe gdy nie może być stosowane w ogóle. Borowanie jest stosowane także do utwardzania narzędzi. Borowanie można przeprowadzać w ośrodkach stałych (proszkach), ciekłych lub gazowych.
Węgloazotowanie - jednoczesne nasycanie stali węglem i azotem. Głównymi zaletami tej obróbki jest niższa temperatura i krótszy czas procesu. Może być przeprowadzane w ośrodkach gazowych lub ciekłych w wysokich lub niskich temperaturach. Wegloazotowanie gazowe może być procesem wysokotemperaturowych (750 – 900 oC) i wówczas jest zbliżone do nawęglania- lub niskotemperaturowych (500 – 600 C), kiedy upodabnia się do azotowania. Atmosfera składa się z mieszaniny amoniaku i gazu nawęglającego. Po obróbce wysokotemperaturowej stosuje się hartowanie, natomiast niskotemperaturowe jest poprzedzane ulepszaniem cieplnym.
Utlenianie - łączenie się materii tlenem, zwiększenie wartościowości pierwiastka wskutek oddawania elektronów.
Aluminiowanie – jest to wprowadzenie aluminium do warstwy wierzchniej w celu zwiększenia odporności przedmiotu na wysokie temperatury i chemiczne działanie gazów.
Chromowanie - nasycenie warstwy przypowierzchniowej wyrobów stalowych i żeliwnych chromem w celu podniesienia twardości, odporności na ścieranie, na kwasy i wysoką temperaturę.