Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy

SPRAWOZDANIE nr4

Badanie struktury kompozytów

... gr. A

Data oddania sprawozdania: Ocena za sprawozdanie:

Obróbka cieplna metali

1) Obróbka cieplna metali- zbiorcza nazwa obróbek materiałów metalowych polegających na odpowiednim nagrzewaniu, wygrzewaniu i chłodzeniu do zadanych temperatur i z określoną szybkością, w celu zmiany własności stopu w stanie stałym. Celem stosowania operacji i zabiegów obróbki cieplnej jest np. zmiana własności mechanicznych i plastycznych poprzez zmianę struktury. Operacje te przeprowadza się również z zastosowaniem dodatkowych czynników np. obróbki mechanicznej lub chemicznej.

• Nakrzemowywanie, krzemowanie dyfuzyjne, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasycaniu powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych krzemem poprzez wygrzewanie ich w temperaturze 950-1200°C w ośrodku stałym (zawierającym sproszkowany żelazokrzem) lub gazowym (zawierającym związki krzemu z chlorem). Nakrzemowywanie przeprowadza się w celu zwiększenia żaroodporności (odporności na utlenianie w wysokich temperaturach) oraz odporności na działanie kwasów.

• Nasiarczanie, siarkowanie, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na wzbogacaniu powierzchniowej warstwy przedmiotu w siarkę. Nasiarczanie przeprowadza się w środowisku ciekłym lub gazowym, w którym aktywnym czynnikiem jest siarkowodór. W temperaturze 200-900°C siarkowodór rozkłada się na wodór i siarkę reagującą z żelazem.
  Nasiarczanie stosuje się w celu poprawienia właściwości ślizgowych trących się po sobie powierzchni, zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej i uodpornienia powierzchni na korozję. Nasiarczkowanie stosowane jest do tulei cylindrów, łożysk tocznych, wałków rozrządu, kół zębatych itp.

Obróbkę cieplną dzieli się następująco:

Obróbka cieplna zwykła

• wyżarzanie

• hartowanie i odpuszczanie (Ulepszanie, Utwardzanie cieplne)

• przesycanie i starzenie (Utwardzanie wydzieleniowe)

Obróbka cieplno-plastyczna

• niskotemperaturowa

• wysokotemperaturowa

• z przemianą izotermiczną

Obróbka cieplno-chemiczna

• nasycanie jednym pierwiastkiem

• nasycanie wieloma pierwiastkami

Obróbka cieplno-magnetyczna

2) Rodzaj ośrodków grzejnych:

• Powietrze

• Ośrodki gazowe

• Złoża fluidalne

• Kąpiele solne: sole chlorkowe hartownicze (chlorki baru, sodu, wapnia oraz krzemionka lub tlenek aluminium) lub saletrzankowe (azotany sodu, potasu, azotyn sodum chromiany)

• Kąpiele metalowe: bizmut, antymon, cyna i ołów stopione

Rodzaje ośrodków chłodzących:

• Woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów

• Oleje hartownicze

• Kąpiele solne i metalowe

• Złoża fluidalne

• Powietrze i inne gazy

3) Obróbka cieplna w praktyce:

O procesie nagrzewania decyduje przewodność cieplna i opór cieplny danego gatunku stali oraz szybkość nagrzewania. W zabiegach obróbki cieplnej stosowane są niewielkie szybkości nagrzewania- średnio 10 do 20 ^oC na min, aby osiągnąć możliwe równomierne nagrzewanie obrabianego cieplnie przedmiotu. Unika się w ten sposób niebezpiecznych naprężeń, a w konsekwencji odkształceń i pęknięć.

Materiały metalowe:

- wanna olejowa z olejem gorącym

- wanna olejowa z olejem zimnym

-intensywne chłodzenie zapobiega zapłonowi oleju

- zapłon oleju

4) Urządzenia i aparatura stosowana w laboratorium:

• Piec do obróbki cieplnej (piece komorowe)

Przestrzeń do obróbki cieplnej stanowi komora. W komorze pieca drzwi, jak i sama komora wyłożona jest cegłą (szamatką), która ma za zadanie utrzymanie ciepła oraz stanowi izolację tego pieca. Ze sufitu wystaje rurka ceramiczna inaczej termopara, której zadaniem jest odczytanie jaka jest dana temperatura w piecu. Charakterystyczną cechą pieca jest to, że są szczelne, posiadają pręty, czyli elementy grzejne tzw. sility, za pomocą prądu elektrycznego dostarczana jest do silitu energia. W danych piecach można zaprogramować podstawowe działania i ustawić dane parametry np. godzina włączenia i wyłączenia sie pieca, temperatura nagrzania itp.

Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) – element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara jest wykorzystywana jako czujnik temperatury.

Zasada działania:

Termopara składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia (np. mieszanina wody z lodem). W przypadkach, gdzie nie jest wymagana duża dokładność (dopuszczalny błąd rzędu kilku stopni), jako temperaturę odniesienia traktuje się np. temperaturę wnętrza szafy sterowniczej maszyny przemysłowej, określanej z pomocą czujnika innego niż termopara (jest to tzw. sztuczne zero). Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i „odniesienia”) powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Zalety termopar:

• nie wymagają zewnętrznego zasilania

• niewielkie rozmiary – możliwość lokalnego pomiaru temperatury

• niska pojemność cieplna

• mała bezwładność czasowa

• szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości

• prostota budowy

• duża niezawodność

W sytuacji gdy piec jest zamknięty, nie jesteśmy w stanie sprawdzić danej temperatury w piecu, chyba że drzwi od pieca są otwarte, wtedy za pomocą czujnika temperaturowego (pirometru) możemy odczytać temperaturę, jednakże należy zachować ostrożność i nie można podchodzić do pieca zbyt blisko. Miejsce i sposób pomiaru jest określony.

Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego.

• pojemniki z wyciągiem, który pochłania opary

• pojemnik na odpady ( mają różne rozmiary)

• dwa małe piecyki

Piecyki posiadają małe komory, ze względu na sam rozmiar pieca. Zaletą takiego pieca jest własnoręczna nastawa temperatury w piecu, za pomocą pokrętła. Niestety sam sposób nastawczy jest bardzo niewygodny, ze względu na małą czytelność oraz trudność nastawienia konkretnej temperatury. Do danego pieca dołączone są również rękawice ochronne wykonane z materiału izolacyjnego oraz szczypce.

• piec wannowy służący do kąpieli solnej, w której trzeba zachować precyzyjną i dokładną temperaturę. Sól jeżeli zostanie nagrzana długo trzyma swoje ciepło. Regulacja temperatury następuje po przez sterowanie komputerowe które podłączone jest do termopary.

• Mały piec, który można sterować samemu, najlepsza klasa, nowoczesny sprzęt oraz temperatura nawet do 0,5^oC.

• piec o kształcie rurowym do obróbki cieplno-chemicznej

Piece tego typu są bardzo niewygodne do obróbki, ponieważ źle się z niej wyjmuje próbki itp.

Obróbka cieplno-chemiczna jest zabiegiem cieplnym (lub połączeniem kilku zabiegów), mającym na celu uzyskanie w warstwie wierzchniej obrabianego materiału własności odmiennych od własności rdzenia. Osiąga się to przez zmianę składu chemicznego, a co za tym idzie struktury wspomnianej warstwy wierzchniej. Zmianę składu chemicznego w metalach i ich stopach umożliwia dyfuzja (wędrówka) atomów, zachodząca dzięki istnieniu różnicy ich stężeń, obecności przestrzeni międzyatomowych (międzywęzłowych) oraz błędów ułożenia atomów w materiałach polikrystalicznych (wakansów, dyslokacji, jak również granic ziaren).

Azotowanie — proces obróbki cieplno-chemicznej polegający na nasyceniu azotem wierzchniej warstwy stali lub żeliwa w temperaturach niższych od A1 w celu:

• uzyskania bardzo trwałej i odpornej na zużycie ścierne warstwy wierzchniej elementów obrabianych przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych rdzenia — azotowanie utwardzające (sposób konwencjonalny lub jonowy),

• poprawienia odporności stali i żeliw na działanie środowiska korozyjnego — azotowanie antykorozyjne (sposób konwencjonalny). Stale do azotowania utwardzającego (PN-EN 10085:2003), skład chemiczny:

• C=0,20-0,45% (optymalne właściwości rdzenia)

• Cr=1,00-3,50%, Mo=0,15-1,10%, Al.=0,80-1,20%, V=0,10-0,25% (maksymalna

twardość powierzchni — azotki stopowe)

Przykładowe gatunki: 32CrAlMo7-10, 33CrMoV12-9

Nawęglanie jest obróbką cieplno-chemiczną polegającą na dyfuzyjnym nasyceniu warstwy wierzchniej stali węglem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku, w którym powstaje węgiel atomowy. Cel nawęglania: podwyższenie twardości i odporności na ścieranie powierzchni stalowego elementu przy zachowaniu dobrej ciągliwości (udarności) rdzenia elementu. Stale do nawęglania (PN-EN 10084:2002): o zawartości węgla od 0,1 do 0,25%. Wśród gatunków stali przeznaczonych do nawęglania znajdują się stale niestopowe np.: C15E, C16R lub stopowe z dodatkiem chromu (np. 17Cr3), chromu i manganu (np. 16MnCr5), chromu, manganu i niklu (np. 18NiCr5-4), chromu i niklu (np. 16NiCrS4) oraz chromu, niklu i molibdenu (np. 17NiCrMo6-4). Sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych w tych stalach nie przekracza 3,0%. Temperatura nawęglania: 900-950ºC (zakres austenitu; węgiel rozpuszcza się w austenicie do ~ 2%, rozpuszczalność węgla w ferrycie

~0%)

Aluminiowanie, glinowanie, pokrywanie przedmiotów metalowych i niemetalowych warstwą aluminium w celu ochrony przed korozją lub uzyskania powłoki o wymaganych właściwościach fizycznych. Wyróżnia się następujące metody aluminiowania: natryskowe (metalizacja), zanurzeniowe (ogniowe), dyfuzyjne (kaloryzowanie lub aliterowanie), próżniowe, galwaniczne.

Naborowywanie, borowanie, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasycaniu powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych borem poprzez wygrzewanie ich w temperaturze ok. 1000°C w ośrodku stałym, ciekłym lub gazowym wydzielającym bor. Przeprowadza się w celu zwiększenia odporności na ścieranie oraz działanie kwasów.

Nachromowywanie, chromowanie dyfuzyjne, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasycaniu powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych chromem poprzez wygrzewanie ich w temperaturze 950-1050°C w ośrodku stałym (w obecności sproszkowanego żelazochromu) lub gazowym (związki chromu z chlorem) wydzielającym chrom. Nachromowywanie przeprowadza się w celu zwiększenia twardości i odporności na korozję.

Nakrzemowywanie, krzemowanie dyfuzyjne, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasycaniu powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych krzemem poprzez wygrzewanie ich w temperaturze 950-1200°C w ośrodku stałym (zawierającym sproszkowany żelazokrzem) lub gazowym (zawierającym związki krzemu z chlorem).

Nakrzemowywanie przeprowadza się w celu zwiększenia żaroodporności(odporności na utlenianie w wysokich temperaturach) oraz odporności na działanie kwasów.

Nasiarczanie, siarkowanie, obróbka cieplno-chemiczna polegająca na wzbogacaniu powierzchniowej warstwy przedmiotu w siarkę. Nasiarczanie przeprowadza się w środowisku ciekłym lub gazowym, w którym aktywnym czynnikiem jest siarkowodór. W temperaturze 200-900°C siarkowodór rozkłada się na wodór i siarkę reagującą z żelazem.

Nasiarczanie stosuje się w celu poprawienia właściwości ślizgowych trących się po sobie powierzchni, zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej i uodpornienia powierzchni na korozję. Nasiarczkowanie stosowane jest do tulei cylindrów, łożysk tocznych, wałków rozrządu, kół zębatych itp.

5) Metody obróbki cieplno-chemicznej

6) Wnioski

Podsumowując obróbka cieplna, obróbka termiczna, zabieg lub połączenie zabiegów cieplnych, w wyniku których zmienia się w stanie stałym struktura stopów, a tym samym ich własności chemiczne, fizyczne i mechaniczne. Obróbka cieplna stosowana jest do różnych metali, jednak najczęściej do stali, jako do metalu najbardziej podatnego na tego rodzaju obróbkę.

Do obróbki cieplnej zalicza się m.in.: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie cieplne, przesycanie, stabilizowanie.

Na ogół części maszyn, silników i wiele innych, pracują pod obciążeniem zmiennym (niekiedy udarowym). Tylko hartowanie tych części byłoby niewystarczające, gdyż stale o strukturze martenzytycznej, posiadają wprawdzie wysoką wytrzymałość, odporność na ścieranie i twardość, ale są kruche i nie wykazują cech plastycznych. Ulepszanie cieplne

pozwala, więc na uzyskanie optymalnej mikrostruktury, która niejako „godzi” własności

wytrzymałościowe i plastyczne. Daje korzystną wartość inżynierskiego wskaźnika

umocnienia Re/Rm (wartość jego osiąga 0,9). Ulepszanie cieplne stali znalazło ogromne zastosowanie w technice i konstrukcji elementów maszyn, pojazdów oraz budowli.

Dzięki odpowiedniemu dobraniu warunków hartowania a następnie odpuszczania jesteśmy w stanie uzyskać stale o różnych parametrach wytrzymałościowych, udarnościowych, plastycznych i innych. Często można w ten sposób zastosować tańszą stal węglową ulepszoną cieplnie zamiast drogich stali stopowych.