Wiadomości ogólne

Wyżarzanie

Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzewaniu metalu do wymaganej temperatury, wygrzewaniu w niej i następnie powolnym chłodzeniu. W niektórych rodzajach wyżarzania zachodzą przemiany ferryt w austenit i perlit w austenit.

Wyżarzanie normalizujące nazywane jest inaczej normalizowaniem i polega na nagrzaniu staliwa do temperatury 50⁰C powyżej przemiany A₃ lub A_cm, wygrzaniu aż do usunięcia roztworu węgla w Fe  i studzeniu w spokojnym powietrzu. Normalizowanie przeprowadzamy w celu otrzymania jednorodności i rozdrobnionej struktury, co polepsza własności wytrzymałościowe stali oraz jej przydatność do obróbki skrawaniem.

Wyżarzanie ujednoradniające inaczej nazywane jest homogenizacją, jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury powyżej linii GSE na wykresie układu żelazo-węgiel, często o 100-200^oC poniżej solidusu.

Ujednoradnianie przeprowadzamy zwykle na wlewkach, zwłaszcza stali stopowej lub odlewach staliwnych. Ujednoradnianie ma na celu usunięcie drogą dyfuzji w stanie stałym niejednorodności chemicznej ziaren (segregacji dendrytycznej) i częściowo wydzieleń na granicach ziaren. Proces ujednoradniania odbywa się w temperaturze 1100⁰C-1150⁰C w czasie 12-15 godzin, a powolne studzenie przeprowadzamy do temperatury 200-250^oC.

Wyżarzanie odprężające przeprowadzane jest w celu usunięcia naprężeń istniejących w tworzywie, za pomocą obróbki cieplnej, bez przeprowadzania zmian strukturalnych w materiale (stali). Naprężenia powstają w odlewach, w spoinach, w częściach hartowanych lub po zgniocie. Mogą być czasami bardzo duże, bliskie naprężeniom niszczącym.

Usuwamy je za pomocą wyżarzania odprężającego. Przedmiot nagrzewany jest do odpowiedniej temperatury (materiały umocnione zgniotem na zimno do temperatury rekrystalizacji), wygrzewamy w niej przez pewien czas i następnie wolno chłodzimy. W zależności od rodzaju materiału, jego stanu oraz od przyczyn wywołujących naprężenia, stosuje się różne temperatury i czasy wygrzewania. Zwykle wygrzewa się w czasach dochodzących do kilku godzin, tym krócej, im wyższa jest temperatura. Staliwa lub żeliwa oraz przedmioty spawane, można odprężać w temperaturach dość wysokich, nawet do 650^oC, ponieważ ich struktura jeszcze prawie nie ulega zmianie.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadzamy je po zgniocie na zimno. Temperatura rekrystalizacji stali jest zależna od zawartości węgla: dla żelaza elektrolitycznego wynosi ok. 440⁰C i wzrasta z ilością węgla do około 550^oC przy zgniocie 50%.

Wyżarzanie stabilizujące , nazywane czasami sezonowaniem, jest to zabieg cieplny, polegający na dłuższym wygrzewaniu przedmiotów stalowych w temperaturze nie przekraczającej zwykle 150^oC. Zabieg ten przeprowadza się celem zapewnienia niezmienności wymiarów przedmiotu oraz zmniejszenia naprężeń wewnętrznych. Temperatury stabilizowania stosuje się dość różne, czasami nawet w temperaturze otoczenia, wtedy ten zabieg nazywamy stabilizowaniem naturalnym (sezonowaniem). Szczególnie często stabilizację przeprowadzamy na materiałach stosowanych na sprawdziany oraz dla odlewów żeliwnych.

Wyżarzanie zupełne jest pewną odmianą wyżarzania normalizującego. W tym przypadku nagrzewanie i wygrzewanie przeprowadzamy identycznie, jak dla normalizowania, natomiast chłodzenie jest powolniejsze i odbywa się razem z piecem lub w popiele. Powyższy zabieg umożliwia –uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi, a więc stale są zmiękczone.

Wyżarzanie sferoidyzujące. Sferoidyzowaniu polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_c1, wygrzaniu w tej temperaturze przez pewien czas oraz wolnym chłodzeniu, aby przejść do temperatury A_r1. Po takiej obróbce cieplnej otrzymuje się strukturę cementytu kulkowego na tle ferrytycznym. Temperatura wyżarzania sferoidyzującego stali węglowych jest zmienna i wzrasta wraz z zawartością węgla w stali. Po sferoidyzowaniu otrzymujemy strukturę dość różną w zależności od rodzaju stali, temperatury, czasu wygrzewania oraz do skłonności stali do gruboziarnistości lub drobnoziarnistości.

Wady wyżarzania podczas wygrzewania w wysokich temperaturach może nastąpić wzrost ziarna (tak zwane przegrzanie stali) otrzymamy wtedy przy wolnym chłodzeniu gruby perlit o gorszych własnościach na udarność a nawet i plastycznych. Rozrost ziarna austenitu przebiega według krzywej zamieszczonej poniżej. Niebezpieczne temperatury zaczynają się więc od wartości T. Temperatura T dla stali niskowęglowej wynosi 1100-1150^oC, dla średniowęglowej 1000-1050^oC i dla wysokowęglowej 900-950^oC.

Podczas nagrzewania w temperaturach wysokich można także przepalić stal. Na granicach ziaren austenitu powstają tlenki żelaza. Zjawisko to jest bardzo szkodliwe, materiał jest bardzo kruchy i właściwie nadaje się już tylko na złom, ponieważ stal przepaloną (utlenioną) możemy oczyścić z tlenków tylko za pomocą procesów metalurgicznych, a ponowna obróbka cieplna nie usunie przepalenia.

Odpuszczanie

Odpuszczanie jest obróbką cieplną, którą stosuje się do stali uprzednio zahartowanych. Polega ona na nagrzaniu stali do temperatury niższej od temperatury przemiany A_c1, przetrzymaniu w niej przez pewien czas tak aby zaszły odpowiednie przemiany fazowe, a następnie powolnym chłodzeniu. W ten sposób zmniejszamy na ogół twardość i wytrzymałość, ale podwyższamy udarność. Dokładne badania wykazały, że podczas nagrzewania stali zahartowanej do temperatury w granicach 80-170^oC zachodzi przemiana martenzyt tetragonalnego w martenzyt regularny (zmieniają się parametry i układ płatków martenzyt, co jest połączone ze wzrostem twardości).

Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Zależnie od stosowanej temperatury rozróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie.

Odpuszczenie niskie – przeprowadza się w zakresie temperatury 150-250^oC celem usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie.

Odpuszczanie średnie – przeprowadza się w zakresie temperatury 250-500^oC w celu uzyskania przez stal dużej wytrzymałości i sprężystości. Twardość ulega przy tym dość znacznemu obniżeniu. Tego rodzaju odpuszczaniu poddaje się sprężyny, resory, matryce, części silników, samochodów itp.

Odpuszczanie wysokie – przeprowadza się w zakresie temperatury powyżej 500^oC i poniżej A_c1. Ma ono na celu m.in. uzyskanie możliwie najwyższej udarności dla danej stali, przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku R_e do R_m. Stal konstrukcyjna odpuszczona wysoko po hartowaniu uzyskuje strukturę sorbityczną i odznacza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze perlitycznej. Podczas wysokiego odpuszczania poza zmianami strukturalnymi, zachodzi jednocześnie prawie całkowite usunięcie naprężeń powstałych podczas hartowania. Odpuszczanie wysokie stosuje się do większości stali konstrukcyjnych.

Temperaturę i czas odpuszczania dobiera się w zależności od własności jakie mają być otrzymane.

Kruchość odpuszczania Temperatura odpuszczania i szybkość chłodzenia przy odpuszczaniu mają znaczny wpływ na udarność konstrukcyjnej stali stopowej.

Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania w temperaturze około 300^oC niezależnie od składu chemicznego stali i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu. Z tego względu należy unikać odpuszczania w tym zakresie temperatury.

Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju ujawnia się po odpuszczaniu w temperaturze powyżej 500^oC w przypadku, gdy po odpuszczaniu przedmiot jest chłodzony powoli, natomiast w razie szybkiego chłodzenia udarność nie zmniejsza się, lecz wzrasta monotonicznie z podwyższaniem temperatury odpuszczania. Wzrost szybkości chłodzenia po odpuszczaniu powoduje również przesunięcie progu kruchości w kierunku wyższych temperatur. Skłonność do kruchości odpuszczania drugiego rodzaju wykazują tylko niektóre stale konstrukcyjne stopowe np. chromowo-manganowe lub chromowo-niklowe, natomiast nie są do niej skłonne np. stale węglowe i stale stopowe z dodatkiem Mo.

2. Przebieg ćwiczenia i wnioski

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze skutkami wyżarzania normalizującego oraz odpuszczania (tylko dla stali uprzednio zahartowanych) stali węglowej o różnej zawartości węgla.

W naszym ćwiczeniu wykorzystaliśmy uprzednio zahartowane próbki na jednym z poprzednich ćwiczeń. Twardość próbek przed hartowaniem ,po hartowaniu oraz po odpuszczaniu podana jest w tabeli poniżej.

Uprzednio zahartowane próbki wyżarzaliśmy w temperaturze 600^oC przez 15 minut. Piec był przygotowany do ćwiczenia w sposób taki sam jak w przypadku przygotowania do hartowania próbek, tzn. piec był nagrzany do odpowiedniej temperatury po dwukrotnym wyłączeniu termostatu. Mieliśmy łącznie 6 próbek w trzech gatunkach tzn. o różnej zawartości węgla. Próbki 45, 65 i N11E. Każdego rodzaju były dwie próbki z tym że jedna z nich była hartowana w oleju zaś druga w wodzie.

Po wygrzaniu tych próbek przez odpowiedni czas (wyliczony ze wzoru 0.7* wyjmowaliśmy je z pieca i chłodziliśmy na powietrzu. Po schłodzeniu badaliśmy ich twardość.

Na podstawie powyższej tabeli można zauważyć, jak bardzo zmieniły się wyniki podczas wyżarzania normalizującego. Jednakże to wyżarzanie z pewnością przyczyniło się do otrzymania jednorodności i rozdrobnionej struktury, co polepsza własności wytrzymałościowe stali oraz jej przydatność do obróbki skrawaniem.

	Przed hartowaniem			Po hartowaniu
PRÓBKA	HRB		HV	HRC			HV
	Wyniki	Średnia		Chł.	Wyn	Śr
45	84 83 85	84	165	W	57 58 57	57,3	W 640
				O	20 22 21	21	O 243
65	91 89 91	90,3	195	W	57 59 60	58,6	W 670
				O	61 58 57	58,6	O 670
N11E	86 85 86	85,6	170	W	61 62 63	62	W 746
				O	29 30 31	30	O 302

Próbka		Przed odpuszczaniem		Po odpuszczaniu
		HRC	HV	HRC	HV
R – 45	Woda	475	610	32	384
	Olej	21	243	26	350
H – 65	Woda	62	746	40,8	400
	Olej	30	302	35,5	350
S – N11E	Woda	62	746	34	336
	Olej	30	302	30,5	302

3.Wnioski własne

Głównym celem przeprowadzenia wyżarzania jest zwiększenie udarności stali kosztem zmniejszenia twardości. Doświadczenie które przeprowadziliśmy pozwala nam stwierdzić , że twardość stali hartowanej po poddaniu jej odpuszczaniu znacznie spada .Dla stali hartowanej w wodzie spadek ten wynosi aż 50%.

Wadą wyżarzania jest to, że przegrzanie stali podczas wygrzewania może doprowadzić do rozrostu ziaren, a w niektórych przypadkach nawet do przepalenia stali. Przepalenie eliminuje przedmiot z użytku, gdyż oczyszczenie z tlenków możliwe jest tylko za pomocą procesów metalurgicznych, czyli przetopienia, gdyż ponowna obróbka cieplna nie usuwa tej wady.