1. Obróbka cieplna

1. Definicja

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.

Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej – schemat blokowy.

Klasyfikacja innych rodzajów obróbki cieplnej metali.

Obróbka cieplna zwykła – zmiany struktury i własności spowodowane są głównie zmianami temperatury i czasu.

Obróbka cieplno – chemiczna – istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek, w którym odbywa się obróbka.

Obróbka cieplno – mechaniczna (zwana też obróbką cieplno – plastyczną) - polega na łącznym działaniu odkształcenia plastycznego oraz obróbki cieplnej.

Obróbka cieplno – magnetyczna – istotne znaczenie odgrywa pole magnetyczne

1. Operacje i zabiegi obróbki cieplnej

Operacja obróbki cieplnej jest częścią procesu technologicznego, wykonywaną w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym. Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej.

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.

Rys. Zmiany temperatury podczas operacji obróbki cieplnej, zabiegi obróbki cieplnej.

1. Analiza wykresu żelazo – węgiel

Związek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi

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(przemiany jednej struktury krystalicznej w inną zachodzące w wyniku nagrzewania lub chłodzeni związane ze zmianami własności fizycznych) lub powinna występować wyraźna zmiana rozpuszczalności pewnych jego składników.

Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jaki 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 z wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt. 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 r w przypadku chłodzenia (np. A_c1, A_r3).

1. Przemiany w stali podczas nagrzewania

1. Tworzenie się austenitu podczas nagrzewania

Nagrzewanie stali do temperatury zapewniającej wystąpienie struktury austenitu jest zabiegiem stosowanym w większości operacji obróbki cieplnej. Warunkiem rozpoczęcia procesu tworzenia się austenitu z perlitu jest nagrzanie stali do temperatury wyższej od Ac1. Po nagrzaniu do tej temperatury, na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje niejednorodne zarodkowanie austenitu. Przemiana ma charakter dyfuzyjny, gdyż rozrastające się zarodki tej fazy rozpuszczają zarówno cementyt, jak i ferryt. Ziarna powstające w pierwszej fazie procesu mają jednak bardzo zróżnicowane stężenie węgla. Szybkość procesu tworzenia się austenitu z perlitu zwiększa się wraz ze zwiększeniem szybkości nagrzewania oraz zwiększeniem ogólnej powierzchni granic międzyfazowych cementyt–ferryt. Sferoidalna postać cementytu utrudnia zarodkowanie austenitu. Dlatego w stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych perlit ulega szybciej przemianie w austenit niż ferryt lub cementyt.

Schemat przemiany perlitu w austenit podczas nagrzewania powyżej temperatury Ac1

1. Ujednorodnianie austenitu

W kolejnych fazach procesu tworzenia się austenitu z perlitu lub z mieszanin cementytu i ferrytu, po utworzeniu austenitu niejednorodnego, następuje rozpuszczanie węglików i ujednorodnienie składu chemicznego austenitu (rys. 4.42). Przemiana ferrytu w austenit o małym stężeniu węgla przebiega z dużą szybkością. Natomiast rozpuszczanie się cementytu w austenicie, wymagające dyfuzji węgla na znaczne odległości, zachodzi z niewielką szybkością. Dlatego ujednorodnianie austenitu jest procesem długotrwałym, nawet przy znacznym przegrzaniu stali powyżej temperatury Ac1.

Na rysunku 4.43 przedstawiono zależność struktury stali o stężeniu 0,7% C od temperatury i czasu nagrzewania powyżej Ac1 w warunkach izotermicznych. Ponieważ stopień jednorodności austenitu i czas trwania przemiany perlitu w austenit zależą ponadto od szybkości nagrzewania stali, wykresy czas–temperatura–przemiana opracowuje się również dla nagrzewania ciągłego (rys. 4.44).

rys. 4.43

rys 4.44

1. Stale grubo i drobno ziarniste

Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziarn. Średnia wielkość ziarn nowo utworzonego austenitu jest mniejsza od wielkości ziarn perlitu, z którego powstała faza γ(rys. 4.45). Zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania powoduje z reguły rozrost ziarn austenitu w stalach gruboziarnistych. W niektórych stalach, przede wszystkim uspokojonych aluminium, traktowanych jako drobnoziarniste, wielkość ziarna zwiększa się w tych warunkach nieznacznie. W przypadku chłodzenia austenitu praktycznie nie obserwuje się w nich rozdrobnienia ziarn. W warunkach powolnego chłodzenia wielkość nowo utworzonego ziarna perlitu jest zbliżona do wielkości pierwotnego ziarna austenitu (rys. 4.46).

Rys. 4.45

Rys. 4.46

1. Znaczenie wielkości ziarn austenitu pierwotnego

W technologiach obróbki plastycznej i zwłaszcza obróbki cieplnej istotną rolę odgrywa wielkość ziarn austenitu pierwotnego, tj. austenitu istniejącego w stali po zakończeniu wygrzewania bezpośrednio przed rozpoczęciem chłodzenia i przemianą alotropową. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie wyższej temperatury końca obróbki plastycznej na gorąco oraz szerszego zakresu temperatury. austenityzowania podczas hartowania. Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego przeważnie wpływa również na polepszenie własności mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i ulepszonych cieplnie. Badanie wielkości ziarn austenitu pierwotnego umożliwia przewidywanie niektórych własności stali po przemianie alotropowej oraz ocenę prawidłowości wykonanej obróbki cieplnej. Wielkość ziarn austenitu pierwotnego ocenia się zgodnie z ogólnie stosowanymi metodami pomiaru wielkości ziarn.

1. Przemiany stali podczas chłodzenia – przemiana martenzytyczna

Z układu równowagi fazowej żelazo – węgiel, wynika że austenit będący roztworem stałym węgla w żelazie γ, jest stabilny przy chłodzeniu do temperatury przemiany eutektoidalnej A₁ . Poniżej Ar₁ austenit w wyniku przechłodzenia staje się fazą niestabilną i ulega przemianom, których rodzaj zależy od stopnia przechłodzenia i szybkości chłodzenia. Zależnie od stopnia przechłodzenia (temperatury przebiegu) i szybkość chłodzenia przemiana austenitu w produkty jego rozpadu przebiega według różnych mechanizmów, a mianowicie:

• Dyfuzyjna przemiana perlityczna,

• Bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna,

• Pośrednia (mieszana) przemiana bainityczna.

1. Mechanizm przemiany martenzytycznej

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej k. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie alfa. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie (rys. 4.48) oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.

rys 4.48

1. Morfologia martenzytu

W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martenzytu (rys. 4.57):

• listwowy,

• płytkowy.

rys. 4.57

Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji wewnątrz kryształów wykazujących najczęściej komórkową podstrukturę dyslokacyjną. Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach stężenia pierwiastków stopowych. Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek (rys. 4.58) o powierzchni w różnym stopniu nieregularnej w zależności od stopnia zbliźniaczenia. Wielkość płytek jest zróżnicowana, gdyż powstają niezależnie. Wzrost płytki kończy się na wadach struktury austenitu lub na sąsiednich, wcześniej utworzonych płytkach martenzytu.

1. Przemiany stali podczas chłodzenia – przemiana bainityczna

1. Mechanizm przemiany bainitycznej

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna (rys. 4.60a). Wobszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania bardzo drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu, ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytycznej. W obszarach, które uległy przemianie martenzytycznej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika ε, a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie, a nie szybkością przemiany martenzytycznej.

1. Morfologia bainitu

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się (rys. 4.60):

• bainit górny,

• bainit dolny.

Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego. Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego.

1. Przemiany stali podczas chłodzenia – przemiana perlityczna

1. Mechanizm przemiany perlitycznej

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu (rys. 4.61a) bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości Cα , umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu (rys. 4.62b). Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu.

rys. 4.61

1. Kinetyka przemiany perlitycznej

Szybkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania i szybkości wzrostu. Funkcja szybkości zarodkowania perlitu od czasu jest nieliniowa i wykazuje okres inkubacyjny. Przy małym przechłodzeniu szybkość zarodkowania jest bardzo mała, a szybkość rozrostu – duża. W związku z tym w opisanych warunkach tworzą się nieliczne jedynie kolonie perlitu o bardzo dużych wymiarach.

1. Morfologia perlitu

Utworzone kolonie perlitu mają kształt kulisty, gdyż szybkości dobudowywania nowych płytek i ich rozrostu czołowego są jednakowe. W wyniku dyfuzji węgla do płytek cementytu następuje zróżnicowanie składu chemicznego austenitu przed frontem przemiany. Przed płytkami cementytu stężenie węgla w austenicie wynosi Cc, jak to podano na rysunku 4.63, a przed płytkami ferrytu Cα. Grubość płytek cementytu jest około siedmiokrotnie mniejsza od grubości płytek ferrytu. Przy stałej temperaturze, grubości płytek każdej z faz perlitu są prawie stałe i nie zależą od wielkości ziarn i jednorodności austenitu, z którego powstają. Obniżaniu temperatury przemiany towarzyszy zmniejszanie się odległości między płytkami perlitu.

1. Wykresy przemian przechłodzonego austenitu.

Ilościowe dane dotyczące zależności struktury i własności stali od temperatury i czasu przemiany austenitu przechłodzonego zawierają wykresy CTP – czas–temperatura– przemiana. W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:

1. CTPi – przy chłodzeniu izotermicznym,

2. CTPc – anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym.

1. Wykresy CTP_i – przy chłodzeniu izotermicznym

Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze przemiany t (rys. 4.66a). Czas rozpoczęcia i zakończenia każdej przemiany odczytuje się z wykresu przez zrzutowanie na oś czasu punktów przecięcia krzywych początku i końca przemiany przez prostą odpowiadającą danej temperaturze. Wykresy CTPi sporządza się określając stopień przemiany przy danej temperaturze metodą dylatometryczną, magnetyczno–indukcyjną, elektryczną lub metalograficzną (rys. 4.66). Wykresy CTPi opracowane dla różnych stali są wykorzystywane do określenia temperatury i czasu wygrzewania podczas wyżarzania izotermicznego oraz wychładzania w kąpieli solnej przy hartowaniu izotermicznym lub stopniowym.

Rys. 4.66

1. CTPc – anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym.

Wykresy CTPc charakteryzują przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu z różnymi szybkościami (rys. 4.66b). Otrzymuje się je w wyniku badań metodą dylatometryczną, na dylatometrach bezwzględnych. Temperatury początku i końca poszczególnych przemian i odpowiadające im czasy odczytuje się przez rzutowanie odpowiednio na osie temperatury lub czasu punktów przecięcia krzywych szybkości chłodzenia z krzywymi początku i końca przemiany. Wykresy CTPc znalazły zastosowanie do ustalenia struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej lub poddanej wyżarzaniu zupełnemu. W celu określenia struktury i twardości stali na podstawie wykresów CTPc, w zależności od warunków chłodzenia z temperatury austenityzowania, można posłużyć się wykresami zmian temperatury prętów o różnych średnicach, chłodzonych w różnych ośrodkach (rys. 4.67). Wykresy CTPc różnych stali umożliwiają również określenie dla nich szybkości krytycznej υk, czyli najmniejszej szybkości chłodzenia z temperatury austenityzowania zapewniającej uzyskanie struktury wyłącznie martenzytycznej. Na wykresie CTPc szybkość krytyczna jest linią chłodzenia przebiegającą stycznie do krzywej początku przemiany austenitu w punkcie najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego (rys. 4.66b). Postać wykresów CTP w dużym stopniu zależy od składu chemicznego stali.

Rys. 4.67