Politechnika Lubelska Wydział Mechaniczny |
Laboratorium Inżynierii Materiałowej Ćwiczenie nr 2 |
||
Robert Myszak |
Semestr II |
Grupa : MD 102.2B |
Rok akademicki : 1999 / 2000 |
Temat ćwiczenia : Obróbka cieplna stali. Hartowanie i odpuszczanie. |
Data : 29.02.2000 |
||
Cel i zakres ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zmianami struktury i własności mechanicznych podczas hartowania i odpuszczania stali.
2. Informacje dotyczące tematyki ćwiczenia .
2.1 Hartowanie.
Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30-50 stopni C powyżej A3-A1 , wygrzaniu w tej temperaturze z następnym dostatecznie szybkim oziębieniem , w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej , a przez to zwiększenia twardości stali . Na zabieg hartowania składają się więc kolejno po sobie następujące czynności :
nagrzanie stali do stanu austenitycznego i wygrzanie w tej temperaturze ( austenityzowanie )
szybkość chłodzenia ( oziębianie )
Wysokość temperatury nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali , a zwłaszcza od zawa-
rtości węgla . Nagrzanie stali podeutektoidalnej powyżej temperatury A3 jest konieczne do uzyskania jedno-
rodnej struktury austenitycznej . Jeśli przy nagrzaniu nie zostałaby przekroczona temperatura A3 , to w stru-
kturzu zahartowanej stali pozostałby wolny ferryt , zmniejszając jej twardość , a po odpuszczeniu i inne wła-
ściwości mechaniczne .Stale nadeutektoidalne natomiast nagrzewa się przy hartowaniu powyżej A1 i to nie-
zależnie od zawartości węgla .W tym przypadku rezygnuje się z całkowitego rozpuszczenia cementytu wtó-
rnego w austenicie , którego obecność w strukturze zahartowanej stali jest nawet pożądana. Cementyt jest
bowiem najtwardszym składnikiem strukturalnym i osadzony w twardym podłożu martenzytycznym zwiększa
ogólną twardość a zwłaszcza odporność na ścieranie.Poza tym zwiększone nasycenie austenitu węglem spo-
wodowałoby wzrost ilości austenitu szczątkowego w zahartowanej stali , zmniejszając jej twardość.
Ośrodki chłodzące z uwagi na ich stan skupienia podzielić można na ośrodki stałe , ciekłe i gazowe.Naj-
częściej stosowane są ośrodki ciekłe . Do ciekłych ośrodków chłodzących zaliczamy : wodę i roztwory
wodne ; oleje i tłuszcze ; stopione sole i metale .
Najbardziej rozpowszechnionym ośrodkiem jest woda . Należy ona do najbardziej energicznie chłodzą-
cych ośrodków , oziębiających szybko zarówno w zakresie 550-650C , jak i w zakresie przemian marten-
zytycznych , co stanowi jej główną wadę . Intensywność chłodzenia zależy w pewnym stopniu od zawar-
tości gazów , które wyraźnie zmniejszają zdolność hartowniczą wody . Dlatego też do hartowania najle-
piej jest stosować wodę miękką ( odstałą deszczową lub rzeczną ) . Gorsza jest woda źródlana , która
może zawierać sole mineralne i gazy .Wodę i roztwory wodne stosuje się głównie do hartowania stali
narzędziowych płytko hartujących się , gdy chodzi o uzyskanie dużej twardości powierzchniowej .
Drugim bardzo rozpowszechnionym ośrodkiem chłodzącym są oleje ; chłodzą one jednak zna-
cznie wolniej.Pożądane są oleje rzadkie o małej lepkości . Oleje takie mają jednak niską temperaturę
zapłonu , co jest znowu niekorzystne z uwagi na niebezpieczeństwo pożaru . W praktyce wybiera się
więc oleje nieco gęstsze o wyższej temperaturze zapłonu . Obecnie do hartowania stosuje się wszelkiego
rodzaju oleje mineralne , jak olej maszynowy , olej wrzecionowy .
Szybkie chłodzenie przy hartowaniu ( oziębienie ) ma na celu przechłodzenie austenitu do
zakresu temperatur przemiany martenzytycznej , w którym to zakresie temperatur austenit ulega przemia-
nie na martenzyt . Zastosowana szybkość chłodzenia musi być większa od szybkości krytycznej dla
danego gatunku stali . Podstawową zasadą przy doborze ośrodka chłodzącego jest unikanie szybszego
niż to konieczne chłodzenia , gdyż ze wzrostem szybkości chłodzenia powstają większe naprężenia i
wzrasta w związku z tym tendencja do odkształceń lub pęknięć .
2.2 Sposoby hartowania .
Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy hartowanie zwykłe , stopniowe i z przemianą izotermiczną.
Właściwy sposób hartowania należy dobierać w zależności od składu chemicznego stali , kształtu hartowa-
nych elementów i żądanych właściwości . Im bardziej skomplikowany jest kształt przedmiotu , tym
ostrożniej należy go oziębiać , gdyż łatwiej o pęknięcia . Skłonność do pęknięć zwiększa się również ze
wzrostem zawartości węgla i dodatków stopowych .
Najprostszym sposobem hartowania jest hartowanie zwykłe . Polega ono na nagrzaniu stali powyżej A3-A1
wygrzaniu i oziębieniu w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzyty-
cznej , w celu otrzymania struktury martenzytycznej , przynajmniej w powierzchniowej warstwie hartowa-
nego przedmiotu . Przedmiot wytrzymuje się w ośrodku chłodzącym , aż do jego zupełnego ochłodzenia .
Szybkość chłodzenia powinna być tak duża , aby przejść przez zakres minimalnej trwałości austenitu bez
jego zmiany . Po tym hartowaniu stosuje się odpuszczanie w celu zmniejszenia naprężeń i uzyskania
odpowiednich właściwości mechanicznych .
Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu stali powyżej A3-A1 , wygrzaniu i oziębieniu w kąpieli o temp
nieznacznie wyższej od temp. początku przemiany martenzytycznej . W kąpieli tej wytrzymuje się hartowa-
ny przedmiot przez czas konieczny do wyrównania temp w jego przekroju , ale na tyle krótko , aby nie
rozpoczęła się jeszcze przemiana bainityczna . Ośrodkiem chłodzącym są zwykle stopione sole . Po harto-
waniu stopniowym stosuje się odpuszczanie . Stosuje się je głównie do przedmiotów niedużych .Hartowa-
nie stopniowe stosuje się również do przedmiotów , które z uwagi na swój kształt są skłonne do krzywie-
nia się i paczenia , jak wiertła , rozwiertaki , wałki itp.
Hartowanie z przemianą izotermiczną , zwane krótko hartowaniem izotermicznym , polega na nagrzaniu
stali powyżej A3-A1 , wygrzaniu i następnym oziębieniu w kąpieli o temp. wyższej od temp. początku
przemiany martenzytycznej . W kąpieli tej hartowany przedmiot wytrzymuje się aż do zakończenia
przemiany austenitu na bainit , po czym dalsze chłodzenie odbywa się na powietrzu lub w wodzie .
Hartowanie z przemianą izotermiczną stosuje się głównie do przedmiotów wykonanych ze stali stopowych.
2.3 Odpuszczanie .
Odpuszczanie jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych , polegający na
nagrzewaniu ich do temp. niższej od A1 ,wygrzaniu w tej temp. z następnym chłodzeniem powolnym lub
przyśpieszonym . Jest ono zwykle stosowane w celu polepszenia właściwości plastycznych elementów przy
jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych , które mogłyby doprowadzić do ich pęknięcia .
Rozróżnia się następujące rodzaje odpuszczania :
1.Odpuszczanie niskie ( 150-250 C ) , którego celem jest częściowe usunięcie naprężeń hartowniczych oraz
rozkład austenitu szczątkowego , przy zachowaniu wysokiej twardości . Stosowane jest do narzędzi , spra-
wdzianów , przedmiotów nawęglonych itp.
2.Odpuszczanie średnie ( 250-500 C ) , którego celem jest obniżenie twardości i zwiększenie odporności na
uderzenie przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości i sprężystości . Odpuszczanie to znajduje zastosowa-
nie przy obróbce cieplnej sprężyn , matryc itp.
3.Odpuszczanie wysokie ( 500-650 C ) stosowane w celu uzyskania jak najwyższej udarności , przy wysta-
rczającej wytrzymałości na rozciąganie .
Na wynik odpuszczania oprócz temperatury wpływa również , chociaż w nieco mniejszym stopniu , czas
odpuszczania . Ten sam wynik można uzyskać przez krótkie odpuszczanie w wyższej temp. lub przez dłuższe
odpuszczanie w temp. niższej . Zbyt krótki czas odpuszczania nie jest jednak korzystny ; dlatego też temp.
odpuszczania musi być tak dobrana , aby wygrzanie mogło trwać dostatecznie długo ,co gwarantuje jednoro-
dność struktury obrabianych cieplnie elementów .
3.Materiały i urządzenia do badań .
Przedmiotem badań są próbki stalowe o wymiarach śr.12 x 20 mm ( sztuk trzy ) wykonane ze stali w gatunku
37 HS . Do wykonania ćwiczenia niezbędne są następujące urządzenia i materiały pomocnicze :
piec elektryczny muflowy do hartowania i 2 piece do odpuszczania ( piece powinny być nagrzane wstępnie przed ćwiczeniami )
twardościomierz Brinella i Rockwella
wanny z wodą i olejem
rękawice azbestowe , kleszcze kowalskie
elektrograf , papiery ścierne
karty materiałowe lub normy odbitki wykresów CTPc dla badanych gatunków stali
4. Przebieg badań .
1.Określenie temperatury hartowania badanych próbek w oparciu o wykres Fe-Fe3C i porównanie z tempe-
raturą zalecaną w kartach materiałowych lub normach , przeanalizowanie różnic . Podgrzanie pieca do
wymaganej temperatury hartowania .
2.Dobranie czasu grzania próbek w zależności od wielkości przekroju .
Czas nagrzewania stali węglowych w przedziale temperatur hartowania 800-900 C można obliczyć ze wzoru
n = 0.1 x D1 x K1 x K2 x K3 [ min ]
gdzie :
D1 - wymiar charakterystyczny , będący najmniejszym wymiarem największego przekroju
K1 - współ. środowiska nagrzewającego
K2 - współ. kształtu przedmiotu
K3 - współ. równomierności nagrzewania
W warunkach laboratoryjnych wystarczy przyjąć 1,5-2 minut czasu grzania na 1mm średnicy przekroju.
3.Zbadanie twardości próbek przed hartowanie .
4.Nagrzanie próbek w piecu do hartowania . Następnie jedną z nich oziębić w wodzie , drugą w oleju , a
trzecią studzić na powietrzu .
5.Zbadanie twardości próbek po hartowaniu .
6.Próbkę zahartowaną w oleju odpuścić w temp. 600 C . Czas grzania 1h.
7.Zbadać twardość próbki po odpuszczeniu .
5. Wyniki badań .
Próbki stalowe o wymiarach śr.12x20 mm wykonane ze stali w gatunku 37HS hartuje się w temperaturze
od 600-800C .
Przekrój badanych próbek wynosi 12 mm , a więc czas grzania możemy ustalić na 30-40 minut .
Twardość próbek przed hartowaniem wynosiła 217 HB .
Twardość próbek po hartowaniu wynosiła odpowiednio : dla chłodzonej na powietrzu-37 HRC , dla
studzonej w oleju-56 HRC , a dla studzonej w wodzie-62 HRC .
Po zabiegu odpuszczania twardość badanej próbki zmalała.
W przemianach fazowych zachodzących w stalach biorą udział następujące podstawowe składniki strukturalne
austenit , ferryt , cementyt , perlit i martenzyt .W rzeczywistości zachodzą następujące cztery przemiany :
- przemiana perlitu w austenit i odwrotna ,
- przemiana austenitu w martenzyt ( nieodwracalna )
- przemiana martenzytu w ferryt i cementyt ( nieodwracalna )
Hartowanie martenzytyczne prowadzi do powstania struktury metastabilnej . Celem hartowania jest znaczne
zwiększenie wytrzymałości i twardości wyrobu . Odpuszczenie natomiast ma na celu usunięcie naprężeń
oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali . Połączenie zabiegu har-
towania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cieplnym .Po odpuszczeniu wyso-
kim własności wytrzymałościowe takie jak : Rm , Re , HB wyraźnie maleją , a plastyczne wzrastają . Wiąże
się to z istotnymi zmianami jakie zachodzą w mikrostrukturze stali . W tym zakresie temperatur powstaje
bowiem sorbit , który jest mieszaniną złożoną z ferrytu i bardzo drobnych kulistych wydzielin cementytu.
Przy ustalaniu temperatury odpuszczania należy pamiętać o zjawisku kruchości odpuszczania .
Literatura .
„Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii materiałowej”pod red. Andrzeja Werońskiego wydawnictwo
uczelniane Politechnika Lubelska 1996
„Metaloznawstwo” Stanisław Rudnik
Instrukcje obsługi twardościomierzy .
Polskie normy .