03.04.2007

Wykład 7

Hartowność związana jest z utwardzalnością i przehatowalnością.

Utwardzalność jest to największa możliwa po hartowaniu twardość.

Przehatowalność jest to podatność na hartowanie polegająca na największej głębokości, jaką uzyskamy po hartowaniu.

Zależą one od ilości węgla w stali. Hartowność zależy jeszcze od dodatków stopowych.

Stale mają niewielką granicę krytyczną - jest to średnica, przy której mamy strukturę w 50% martenzytyczną.

Proces hartowania

Hartować można w sposób ciągły (chłodzenie zwykłe). Należy to zrobić z szybkością większą od szybkości krytycznej.

Hartowanie stopniowe - szybciej niż szybkość krytyczna. Do temperatury MS, potem znowu chłodzimy i schodzimy do temperatury MS.

Hartowanie izotermiczne - powyżej temperatury MS musi zajść przemiana bainityczna, potem hartujemy do temperatury otoczenia. Przeprowadza się je w stopionych solach lub kąpieli ołowiowej.

Proces odpuszczania

Ma na celu zmniejszenie naprężeń, które powstają po procesie hartowania i zwiększenie własności plastycznych.

• Odpuszczanie niskie - 150 - 200°

• Odpuszczanie średnie - 250 - 500°

• Odpuszczanie wysokie - 500 - 650°

Połączenie hartowania i odpuszczania niskiego - utwardzenie cieplne

Połączenie hartowania i odpuszczania wysokiego - ulepszanie cieplne

Podczas odpuszczania będą się zmieniały własności plastyczne, nastąpi spadek własności wytrzymałościowych.

Wytrzymałościowych zakresie temperatury 80 - 200° z martenzyt będą się wydzielały węgliki ε Fe_2-3C. Te węgliki pozwalają na zmniejszanie naprężeń w martenzycie, austenit szczątkowy podczas chłodzenia może się zamienić w martenzyt regularny.

W temperaturze powyżej 300° ze struktury martenzytycznej zaczyna zarodkować cementyt.

W temperaturze 400° otrzymujemy mieszaninę ferrytu o budowie iglastej i cementytu, czyli sorbit.

Sorbit otrzymujemy po procesie odpuszczania. Twardość sorbitu zmniejsza się od 50 do 25 HRC w zależności od tego, w jakiej temperaturze te stale były odpuszczane.

Gdy nagrzeje się stal po hartowaniu do temperatury 680° otrzymamy cementyt w osnowie ferrytycznej. Stal ta może być twarda od 150 do 200 HB. Jest to proces zmiękczania,

Pewne stale przy odpuszczaniu mogą się stać kruche. Jest to nieodwracalna kruchość w temperaturze rzędu 400°.

Różne ośrodki mają różną moc chłodzenia. Najskuteczniejsze to:

1. Woda + NaCl · 10% - 2000 °/s

2. Woda + 50% wodorotlenku sodu - 1600 °/s

3. Czysta woda - 800 °/s

Stale, które mają dobrą hartowność można zahartować chłodząc w oleju - 250 °/s, a stale wysokostopowe można chłodzić w powietrzu (kilka stopni na sekundę) lub sprężonym powietrzem (30 - 35 °/s)

Można również chłodzić wodorem, ale bez udziału powietrza.

Podczas hartowania izotermicznego wykorzystujemy stopione sole o temperaturze 300 - 350°.

Hartowanie powierzchniowe

Tylko powierzchnia materiału przemienia się w martenzyt. Przeprowadzamy je, gdy element jest narażony na ścieranie. Miękki rdzeń powoduje podwyższenie własności plastycznych.

Wymaga ono, aby doprowadzić bardzo dużą ilość ciepła w krótkim okresie czasu. Należy w związku z tym stosować źródło nagrzewania o bardzo dużej mocy powierzchniowej. W zależności od sposobu nagrzewania wyróżniamy:

• Hartowanie powierzchniowe kąpielowe - wrzucamy do cieczy o temperaturze znacznie wyższej od temperatury, jaką chcemy uzyskać na powierzchni (kąpiele solne lub roztopiony ołów). Metoda najmniej wydajna. Koncentracja wynosi 0,01 kV/cm².

• Hartowanie powierzchniowe płomieniowe - nagrzewamy za pomocą palników gazowych.

• Hartowanie powierzchniowe strumieniowe - powierzchnia ogrzewana jest przez wiązkę lasera lub wiązka elektronów. Koncentracja mocy od 10 - 100000 kV/cm².

90 - 95% hartowania powierzchniowego wykonuje się stosując nagrzewanie indukcyjne. Realizowany jest przez prądy wirowe, które płyną w cienkiej wiązce materiału nagrzewanego.

Przykładamy szybko zmienne pole magnetyczne, które będzie wywoływało prądy wirowe. Cewka wirowa musi być dopasowana do nagrzewanego elementu. Koncentracja mocy wynosi od 0,5 - 5 kV/cm². nagrzewany element należy schłodzić, żeby zaszła przemiana martenzytyczna.

W trakcie hartowania powierzchniowego należy uważać, żeby nie nadtopić krawędzi próbek.

Po procesie hartowania powierzchniowego twardość powinna łagodnie się zmieniać do rdzenia.

Jeśli nastąpi gwałtowny skok twardości, to warstwa wierzchnia mogłaby odpryskiwać.

Proces wyżarzania

Zachodzi z przemiana alotropową lub bez niej.

Wyżarzanie ujednoradniające - ma na celu wyrównanie składu chemicznego w całości elementu. Prowadzone po procesie odlewania lub spawania. Temperatura 1000 - 1200°C. Oprócz wysokiej temperatury proces musi być prowadzony w czasie 12 - 15h.

Po nim musimy przeprowadzić wyżarzanie normalizujące. Ma ono na celu rozdrobnienie struktury. Nagrzewamy do temperatury 30 - 50° powyżej linii AC.

Czas wygrzewania:

1. Stale podeutektoidalne - 1 - 1,5 min. na każdy milimetr przekroju.

2. Stale nadeutektoidalne - 1,5 - 2,5 min. na każdy milimetr przekroju

Te dwa wyżarzania różnią się sposobem chłodzenia. To pierwsze chłodzimy w powietrzu. W wyżarzaniu zupełnym elementy chłodzimy razem z piecem.

Wyżarzanie zmiękczające trwa od kilku do kilkunastu godzin w temperaturze 723°. Celem jest zmiękczenia stopu do wymaganego poziomu twardości.

Celem wyżarzania sferodyzującego jest uzyskanie cementytu w postaci kulistej w osnowie ferrytu.

Przeprowadzamy je w następujący sposób:

1. Nagrzewamy je do temperatury AC₁ i trzymamy przez kilka godzin w tej temperaturze.

2. Chłodzimy

Podczas tych przemian następuje rozkład perlitu.

Proces wyżarzania zmiękczającego jest szczególnie przydatny przy stalach o wysokiej zawartości węgla.

Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie odprężające (400 - 600°)

Po procesie odlewania lub spawania; jego celem jest usunięcie naprężeń w materiale. Czas tego procesu dochodzi do kilku godzin.

Wyżarzanie stabilizujące (100 - 150°)

Czas procesu - kilka godzin. Celem jest stabilizacja wymiarów. Stosowane do narzędzi pomiarowych

Charakterystyczną cechą wyżarzania jest to, iż po nim wolno chłodzimy materiał.

Obróbka cieplno - chemiczna

Obróbka cieplno - chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej. Jest to zespół operacji, których celem jest wytworzenie zmian struktury a w konsekwencji zmiana właściwości użytkowych warstwy wierzchniej metali i stopów w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska.

Celem obróbki cieplno - chemicznej jest wprowadzenie pierwiastka w warstwę powierzchniową stali lub usunięcie go z niej. Celem jest utwardzenie lub uodpornienie na ścieranie.

Podział metod obróbki cieplno - chemicznej

Kryterium podziału	Grupy metod obróbki
Stan ośrodka nasycającego	W ośrodku stałym W ośrodku ciekłym W ośrodku gazowym
Rodzaj pierwiastka nasycającego	Nasycanie metalami (chrom, tytan, wanad, aluminium) Nasycanie niemetalami (węgiel, azot, bor, tlen, krzem, siarka) Kompleksowe nasycanie metalami niemetalami
Temperatura operacji	Niskotemperaturowe < 600°C Wysokotemperaturowe > 600°C
Liczba cykli w procesie	Jednostopniowe Dwustopniowe Trójstopniowe

Metody obróbki cieplno - chemicznej ze względu na stan ośrodka nasycającego

Nawęglanie w proszku

Jest metodą najbardziej rozpowszechnioną, gdyż jest ona stosunkowo łatwa i nie wymaga specjalnych urządzeń. Nawęglanie przeprowadza się w piecach komorowych elektrycznych lub gazowych, do których wstawia się skrzynki stalowe, wypełnione częściami obrabianymi obsypanymi proszkiem nawęglającym. Proces przeprowadza się przy temperaturze 900 - 930°C. Czas nawęglania wynosi 4 - 12 godz. w zależności od zalanej grubości nawęglonej. Typowy proszek nawęglający jest domieszką 80 % węgla drzewnego + 10 % Na₂CO₃ + 10 % BaCO₃. Bar i sód dodaje się celem zaktywizowania procesu, gdyż węgiel drzewny nawęgla zbyt powoli.
Metoda nawęglania w proszkach posiada wiele wad:
a/ trudności regulowania grubości warstwy i zawartości w niej węgla,
b/ długotrwałość procesu,
c/ kłopotliwe załadowanie skrzynek i związana z tym zautomatyzowanie procesu,
d/ duża strata energii i czasu na podgrzewanie skrzynek z proszkiem nawęglającym,
e/ nierównomierny rozkład temperatury w skrzynkach,
f/ trudności pomiaru temperatury części nawęglonych.

Nawęglanie w kąpielach

Metodę tę stosuje się do szybkiego nawęglania małych i średnich części na niewielką głębokość (0,2 - 0,6 mm). Proces przeprowadza się w tyglach zawierających stopione sole o temperaturze 815 - 860°C. Wyższej temperatury nie stosuje się ze względu na silne zażużlanie. Czas nawęglania kąpieli przy temperaturze przekraczającej 860°C waha się od 1 do 4 godz. Typową kąpielą nawęglającą jest mieszanina: 80% Na₂CO₂ + 10% NaCi + 10% SiC. Na skutek obecności składu NaCi, SiC dysocjuje już przy temperaturze 600°C, zatem po nagrzaniu kąpieli zachodzi w niej reakcja: 2 Na₂CO₃ + SiC-Na₂SiO₃+Na₂O+2CO+C.
Przy czym Na₂SiO₃ i Na₂O przechodzą do żużla, CO wydostaje się na powierzchnię gdzie ulega spaleniu na CO₂, a C nawęgla przedmioty znajdujące się w kąpieli.

Metoda nawęglania kąpielowego w porównaniu z nawęglaniem w proszkach posiada szereg zalet jak:
a/ szybkie i równomierne nagrzewanie przedmiotów dając w efekcie mniejsze odkształcenia,
b/ łatwość regulacji temperatury,
c/ około dwukrotnie większe nawęglanie.
Mimo tych zalet nawęglanie kąpielowe stosuje się rzadko, ze względu na stosunkowo wysokie koszty oraz konieczność stałego dozorowania kąpieli.

Nawęglanie gazowe

Proces przeprowadza się zazwyczaj przy temperaturze 820 - 930°C w piecach szybowych lub w piecach o ruchu ciągłym. Stosowanie tych ostatnich daje szczególnie dobre warunki zwłaszcza w przypadku części bardzo drobnych nawęglanych z obrotową retortą oraz zastosowanie do części bardzo dużych nawęglanych w zmechanizowanych piecach przepychowych. Czas nawęglania jest bardzo różny i waha się od godziny do kilkunastu godzin, w zależności od grubości i warstwy nawęglonej. Szybkość nawęglania jest przeciętnie o 25% większa niż przy nawęglaniu w ośrodkach stałych. Do nawęglania stosuje się gazy zawierające CO lub węglowodory nasycone i nienasycone. Do najczęściej stosowanych należą: gaz ziemny, świetlny, generatorowy, propan, butan, oraz gazy powstałe z rozkładu nafty, alkoholu i benzolu lub priobenzolu skraplanych do komory pieca. Przy tym temperatura nawęglania CO oraz węglowodory ulegają rozkładowi.
Wydzielanie aktywnego węgla z rozkładu węglowodorów (szczególnie metanu) jest tak intensywne, że często przewyższa szybkość dyfuzji węgla w głąb stali i osadza się on na powierzchni przedmiotów w postaci sadzy, która utrudni dalsze nawęglanie. Jednocześnie przeprowadzone nawęglanie gazowe umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje procesu. Osiąga się to przez stosowanie tzw. atmosfer kontrolnych o kontrolowanym potencjale węgla, zapewniających uzyskanie żądanej zawartości węgla w warstwie nawęglanej. Spośród atmosfer kontrolowanych najszersze zastosowanie znalazły atmosfery endotermiczne otrzymywane z mieszaniny powietrza z węglowodorami ciekłymi lub azotowymi. Atmosfery te wytwarzane są droga rozkładu gazów w retorcie wytwornicy i przesyłane do pieca, do którego dostarcza się równocześnie, głównie w początkowym stadium procesu określone ilości gazu wzbogacającego by zapewnić dostateczną szybkość nawęglania. Nawęglanie gazowe przewyższa dwie pozostałe metody, gdyż umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje procesu oraz nadaje się do masowej obróbki małych jak i dużych detali, gdy podczas nawęglania kąpielowego nie stosuje się do dużych przedmiotów ze względu na ograniczone rozmiary tygli.

Żeby proces dyfuzji mógł zachodzić musimy dostarczyć atomy poszczególnych pierwiastków.

Należy wytworzyć na powierzchni ciągłą warstwę atomów nasycających.

Procesy dyfuzji będą zachodziły podczas mechanizmu międzywęzłowego lub podczas wakansów.

Spośród procesów obróbki cieplno - chemicznej najczęściej stosowane są procesy nawęglania. Prowadzone są w wysokiej temperaturze 900 - 950°C. Nawęglane są stale niskowęglowe o zawartości 0,1 - 0,2%.

Aktywatory ułatwiające dyfuzję:

• Węglan baru BaCO₃

• Węglan potasu K₂CO₃

Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wykonywanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla 0,05 - 0,25%. Operację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu 900 - 930°C. cel, to wytworzenie warstwy wierzchniej wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 - 1% i o grubości 0,6 - 1,5 mm, która po zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC. Podczas nawęglania powierzchnia jest twarda a rdzeń miękki i dostatecznie ciągliwy. Powierzchnia twarda, rdzeń miękki i dostatecznie ciągliwy.

Nawęglanie w ośrodkach cieplnych

Nawęglanie w ośrodkach gazowych - rozkład gazowych węglowodorów. Umożliwia pełną kontrolę procesu. Grubość warstwy nawęglonej będzie zależała od czasu i temperatury nawęglania. Prowadzone w atmosferach zawierających CO, CO₂, H₂, H₂O, które wytwarza się przez częściowe spalanie gazów opałowych (metanu, propanu, butanu) lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych dostarczanych bezpośrednio do komory pieca do nawęglania.

Nawęglanie w ośrodkach stałych - odbywa się w proszku węgla drzewnego nasyconego węglanami sodu, baru lub wapnia. Proces zachodzi w skrzyniach, gdzie pod wpływem niedoboru tlenu i temperatury powstaje CO i jest on źródłem wegla atomowego.

Cechy:

• Duża czaso- i energochłonność

• Trudności regulowania grubości warstwy oraz stężenia w nich węgla

Nawęglanie w złożach fluidalnych - jest ono tworzone przez cząstki ciała stałego (np. piasku), utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający, przepływający przez złoże od dołu ku górze.

Nawęglanie próżniowe - przebiega przy obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu, propanu.

Cechy:

• Lepsza adsorpcja węgla

• Mniejsze zużycie gazów

Nawęglanie jonizacyjne - polega na wygrzaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoznacznym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem a anodą.

Cechy:

• Duża wydajność procesu

• Umożliwia regulacje grubości i struktury dyfuzyjnej warstwy

52

HRC

Twardość rdzenia (mm)

Ośrodki stałe

- w proszkach

- w pastach

Ośrodki kąpielowe

- jonizacyjne

- konwencjonalne

Ośrodki gazowe

- próżniowe

- w złożach fluidalnych

---