Politechnika Śląska

w Gliwicach

Wydział Mechaniczny-Technologiczny

Wyżarzanie i hartowanie

Grupa: AiR 4

Artur Pytel

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ustalenie twardości stali gatunku 45, o zawartości węgla 0,45% , po wyżarzaniu jej w odpowiednio określonych temperaturach oraz hartowaniu w wodzie i w oleju.

Właściwości materiału

Stal 45 jest to stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia (PN - 75/H - 84019). Wykazuje ona lepsze i bardziej jednolite własności wytrzymałościowe, które podlegają kontroli podobnie jak skład chemiczny. Stal ta jest stosowana na części maszyn i urządzeń w stanie normalizowanym, ulepszonym cieplnie, hartowanym powierzchniowo lub po nawęglaniu.

Stale narzędziowe do pracy przy podwyższonych temperaturach dostarczane są przeważnie w postaci odkuwek lub prętów kutych i walcowanych. Odbiór tych stali odbywa się na zasadzie analizy chemicznej, rzadziej na zasadzie hartowności. Stal bywa dostarczana w stanie zmiękczonym.

Wszelkie wady hutnicze, jak ślady jamy usadowej, pęknięcia, przegrzania lub wyraźne segregacje są niedopuszczalne. Niedopuszczalne są również wady pochodzące z przeróbki plastycznej, jak zbyt mały stopień przekłucia, objawiający się obecnością większych skupień węglików.

Najważniejszym składnikiem w tych stalach jest również chrom. Z innych składników stopowych należy wymienić krzem oraz stosowany rzadziej molibden.

Wszystkie stale narzędziowe do pracy na gorąco maja zaledwie średnią zawartość węgla (0,25 - 0,55 %), a pomimo to są bardzo odporne na bardzo ciężkie warunki pracy. Odporność ta jest spowodowana przeważnie bardzo znaczna zawartością składników stopowych.

Stal 45 stosuje się na odkuwki do pracy przy temperaturach do 450 C, śruby do temperatury 400 C, wały i tarcze wirnikowe do turbin parowych i armaturę do 450 C. Stal nie jest przeznaczona do spawania.

Skład chemiczny Stali 45 (%)
C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0,42 - 0,50	0,50 - 0,80	0,17 - 0,37	Maks. 0,04	Maks. 0,04	Maks. 0,25	Maks. 0,30	Maks. 0,30

Metody badawcze

Metody wyżarzania

• Wyżarzanie ujednorodniające

Polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050 - 1200 C o około 100 - 200 C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacja, a w części także likwacja.

• Wyżarzanie rekrystalizujące

Polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji , wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolna szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjnie podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotem, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości metalu, co umożliwia dalsza obróbkę plastyczna na zimno.

• Wyżarzanie odprężające

Polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych.

• Wyżarzanie normalizujące

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury 0 30 - 50 C wyższej od Ac3, wygrzaniu jej w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali węglowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury.

• Wyżarzanie zupełne

Polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50 C wyższej od Ac3, Acm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury miedzy Ac3 i Acm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

• Wyżarzanie izotermiczne

Polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50 C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość.

• Wyżarzanie sferoidyzujące

Polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600 C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1, a także z wytrzymaniem izotermicznym ponizej temperatury Ac1 po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1.

W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. Sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielka twardość, dobra skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

Metody hartowania

Hartowanie stali węglowej i niskostopowej polega na nagrzaniu jej do temperatury ok. 30 C powyżej A3, przetrzymaniu jej w tej temperaturze przez pewien czas, wystarczający do otrzymania struktury austenitycznej w stalach podeutektoidalnych lub struktury austenityczno - cementowej w stalach nadeutektoidalnych i na następnym gwałtownym chłodzeniu, zwykle w wodzie lub oleju.

Prawidłowo przeprowadzony zabieg hartowania stali podeutektoidalnej lub eutektoidalnej daje stal o strukturze martenzytycznej, a stali nadeutektoidalnej o strukturze martenzytyczno - cementytowej.

Układ równowagi żelazo - węgiel

Martenzyt nie jest składnikiem układu równowagi żelazo - węgiel i dlatego nie jest on na nim uwidoczniony. Jednakże należy tu podkreślić, że w temperaturze otoczenia jest on dość trwały i jego rozkład następuje dopiero po podgrzaniu. Martenzyt z powodu swej dużej twardości nadaje stali wysokie własności wytrzymałościowe, lecz jednocześnie powoduje obniżenie jej cech plastycznych.

Wysoka twardość martenzytu daje się wytłumaczyć jedynie wielkimi zaburzeniami w przejściowej sieci układu tetragonalnego na skutek przymusowego rozpuszczania w niej węgla.

Natomiast martenzyt odpuszczenia ( regularny )nie jest już roztworem stałym, lecz mieszanina ferrytu i będącego w stanie wysokiej dyspersji cementytu. Z tego powodu wysoka twardość martenzytu regularnego można wyjaśnić tylko obecnością dyspersyjnych cząstek cementytu, zaklinowującego płaszczyzny łatwych poślizgów prawie nie zmienionej siatki żelaza α.

Twardość martenzytu nie jest wielkością stała i zależy przede wszystkim od zawartości węgla w zahartowanej na martenzyt stali. Stal o zawartości węgla w zahartowanej na martenzyt stali. Stal o zawartości 0,2% C zawiera po zahartowaniu martenzyt, którego twardość nie przekracza HRC = 40, natomiast stal o zawartości 0,7% posiada po zahartowaniu martenzyt o twardości maksymalnej HRC = 64. Dalsze zwiększanie zawartości węgla w stali na twardość samego martenzytu wpływa już tylko w stopniu nieznacznym.

Aby stal można było zahartować, należy koniecznie nagrzać ją do tak wysokiej temperatury, w której przynajmniej część ferrytu i cementytu rozpuści się w sobie i utworzy austenit, tzn. przynajmniej powyżej Ac1. Jest to warunek konieczny, gdyż jedynie z austenitu może powstać martenzyt.

Nagrzanie stali podeutektoidalnej do temperatury leżącej miedzy przemianami Ac1 i Ac3 lub stali nadeytektoidalnej do temperatury leżącej miedzy przemianami Ac1 i Acm i odpowiednio długie wygrzewanie w tej temperaturze prowadzi do miezupelnego rozpuszczenia się ferrytu lub cementytu w austenicie utworzonym przez wzajemne rozpuszczenie się w sobie składników perlitu. W wyniku takiego niecałkowitego rozpuszczania się faz, w stalach podeutektoidalnych austenit istnieje obok ferrytu, a w nadeutektoidalnych obok cementytu.

• Hartowanie zwykle

Przy tym sposobie hartowania przebieg chłodzenia przedmiotu od temperatury wygrzewania, leżącej powyżej przemiany A1,3 aż do temperatury otoczenia odbywa się w sposób ciągły, bez gwałtownej zmiany szybkości chłodzenia jest tu jednak tak dobrana, ażeby przechłodzony austenit nie uległ żadnej zmianie do temperatury przemiany martenzytycznej, poniżej której zamienia się dopiero całkowicie lub częściowo na martenzyt.

• Hartowanie stopniowe

Hartowanie to różni się od hartowania zwykłego tylko przebiegiem chłodzenia, które od temperatury wygrzewania, leżącej powyżej przemiany A1,3, aż do temperatury otoczenia, odbywa się z wyraźną zmianą szybkości w pewnej temperaturze pośredniej, leżącej jednak powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms.

• Hartowanie izotermiczne

Hartowanie izotermiczne różni się od hartowania zwykłego nie tylko przebiegiem chłodzenia, które od temperatury wygrzewania, leżącej powyżej przemiany A1,3, aż do temperatury otoczenia odbywa się z dłuższym przystankiem lecz również rodzajem uzyskanej struktury. Przetrzymanie przedmiotu w kąpieli o temperaturze pośredniej trwa dość długo, aby przechłodzony austenit mógł się całkowicie zamienić na nową strukturę, zwaną bainitem , po czym dopiero następuje chłodzenie z dowolną szybkością w innym już ośrodku, np. w wodzie, oleju lub powietrzu. Temperatura kąpieli pośredniej zależy od rodzaju stali, przeważnie wynosi jednak ok. 250 do 350 C.

Otrzymana struktura bainityczna jest mniej twarda od martenzytu, gdyż twardość jej wynosi HRC = 58 ÷ 40, lecz za to jest bardziej ciągliwa od struktury uzyskanej przez zahartowanie na martenzyt i odpuszczanie na tę samą twardość.

Wyniki badań

Za próbkę posłużył nam pocięty stalowy pręt wykonany ze stali gatunku 45 o przekroju kolistym wynoszącym d = 20 mm . Pręt został poddany obróbce wyżarzania normalizującego w temperaturze prawidłowej wynoszącej 850º C oraz w temperaturze 950º C. Następnie pręt poddano obróbce hartowania w temperaturze austenizacji wynoszącej 850º C oraz w temperaturach 950º C i 750º C. Po wykonaniu w/w czynności próbki zostały schłodzone w wodzie i w oleju. Ostatnią czynnością przeprowadzoną podczas badań było określenie twardości wszystkich próbek za pomocą metody Rockwell'a, przy czym wykonano po trzy pomiary twardości dla każdej próbki.

Wyżarzanie normalizujące
Numer próbki		Temperatura (º C )	Twardość HRC
1	Stan wyjściowy		24, 25, 24
2	Normalizowanie	850	15
3	Normalizowanie	950

Hartowanie
Numer próbki		Temperatura (º C)	Rodzaj cieczy	Twardość HRC
4	Hartowanie	850	Woda	61, 62, 62
5	Hartowanie	850	Olej	41, 54, 49
6	Hartowanie	750	Woda	59, 59
7	Hartowanie	950	Woda

Próbka nr 6 była włożona do pieca elektrycznego - komorowego.

7

---