Obróbka cieplna - proces technologiczny którego celem jest zmiana własności mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych zawsze w wyniku działania temp. i czasu, a ponadto bardzo często środowiska oraz rzadziej pola magnetycznego lub odkształcenia plastycznego.

Rodzaje Obróbki Cieplnej

1.Podział z względu na zasięg obr ciep

- obr ciepl objętościowa - w wyniku której zmieniają się własności mechaniczne i fizykochem metali i stopów w całej obj. Materiału.

- obr ciepl powierzchniowa - w wyniku której zmieniają się własności mechaniczne i fizykochem metali i stopów tylko w wrstwie wierzchniowej obrabianego materiału.

2. Podział ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i właściwości metali i stopów:

- obróbka cieplna zwykła :

temperatura, czas

- obróbka cieplno - chemiczna:

temp. czas, środowisko

- obróbka cieplno - plastyczna:

temp, czas, odkształcenie plastyczne

- obróbka cieplno - magnetyczna:

temp, czas, pole magnetyczne

Obróbka cieplno - zwykła

Proces technologiczny w wyniku którego uzyskuje się zmian własności stali i stopów będące funkcją temp, i czasu.

Klasyfikacja Obróbki cieplno-zwykłej:

1. Wyżarzanie:

A) Z Przemianą Alotropową

- Wyżarzanie zupełne

- Wyżarzanie normalizujące

- Wyżarzanie zmiękczające

- Wyżarzanie ujednoradniające

- Wyżarzanie grafityzujące

b) Bez Przemiany Alotropowej

Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie stabilizujące

2. Hartownie

- martenzytyczne

- banityczne

- patentowanie

- powierchniowe

- obj.

3. Odpuszczanie

-niskie

-średnie

-wysokie

4. utwardzanie wydzieliniowe

Obróbka cieplno - chemiczna

Proces technologiczny, którego celem jest uzyskanie zmian własności warstwy wierzchniej metali i stopów w wyniku działania: temp, czasu, środowiska technologicznego.

Obróbka cieplno - plastyczna

Proces technologiczny, którego celem jest uzyskanie głównie zmian mechanicznych własności metali i stopów w wyniku działania: temp, czasu, odkształcenia plastycznego.

Klasyfikacja Obróbki cieplno-plastycznej:

Ob. c.p.: 1 niskotemperaturowa; 2 wysokotemperaturowa; 3 z przemianą adiabatyczną?

Proces technologiczny obróbki cieplnej.

Podstawowa część procesu produkcyjnego, podczas której następuje zmiana własności fizycznych chemicznych i innych obrabianego cieplnie wsadu.

Wsad - materiały części lub przedmioty cieple.

Operacja obróbki cieplnej

Część procesu technologicznego obróbki cieplnej wykonywana na jednym stanowisku obróbki cieplnej przez jednego lub kilku pracowników na jednym wsadzie np.: 1 hartowanie, 2 wyżarzanie, 3 odpuszczanie, 4 przesycanie.

Zabiegi obróbki cieplnej

Część operacji obróbki cieplnej realizowana za pomocą tych samych środków technologicznych przy niezmienionych parametrach obróbki cieplnej. Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie.

Nagrzewanie - ciągłe lub stopniowe podwyższanie temp wsadu.

Wygrzewanie - wytrzymywanie wsadu w temp. pośredniej lub docelowej.

Chłodzenie - obniżanie temp. wsadu do temp otoczenia lub innej.

Chłodzenie ciągłe - chłodzenie bez przystanków temp.

Chłodzenie stopniowe - chłodzenie przerywane chłodzenie z jednym lub więcej przystankiem temp.

Austenityzowanie

Wygrzewanie wsadu stalowego w temp 30-50°C powyżej:

A_c3 (stale podeutektoidalne)

A_c1 (stale nadeutektoidalne)

w celu wytwarzania struktury:

jednorodnego austenitu

austenitu z węglikami

Podstawowe parametry zabiegu grzania to: temp, czas.

Powyższe parametry obróbki cieplnej tj temp. i czas nagrzewania wiąże szybkość nagrzewania określona jako pochodna temp po czasie.

Czynniki mające wpływ na szybkość nagrzewania:

Związane z wsadem:

• przewodność cieplna materiału

• masa

• kształt i wymiary przekroju poprzecznego

• rozmieszczenie wsadu w urządzeniu grzewczym

Związane z układem grzewczym:

• moc grzejna urządzenia grzewczego

• konstrukcja

• różnice temp. pomiędzy wsadem a urządzeniem grzewczym

• środowisko pośredniczące podczas grzania

Możliwe przebiegi nagrzewanie wsadu:

Nagrzewanie powolne - ciągłe lub stopniowe nagrzewanie wsadu wraz z urządzeniem grzewczym do temp docelowej.

Nagrzewanie przyspieszone - nagrzewanie wsadu w urządzeniu grzewczym o temp docelowej.

Nagrzewanie szybkie - nagrzewanie wsadu w urządzeniu grzewczym o temp początkowej wyższej od temp docelowej

Zabieg chłodzenia polega na obniżeniu temp wsadu z temp docelowej do temp otoczenia lub do innej określonej warunkami technologicznymi

Zabieg chłodzenia służy: powolnemu chłodzeniu wsadu do temp otoczenia gdy właściwości wsadu zostały ukształtowane w temp obróbki cieplnej; chłodzeniu wsadu z określona szybkością tak aby zaszły w nim w trakcie chłodzenia zamierzone zmiany struktury określające własność wsadu w temp. Otoczenia.

Ośrodki chłodzące:

1 Ciekłe:

Woda i jej roztwory, sole nieorganiczne, kwasy, ługi, roztwory wodne alkalii, roztwory wodne, oleje, emulsje wodne, emulsje olejowe, wodne roztwory polimerowe, kąpiele stopionych soli, kąpiele stopionych metali.

2 Gazowe:

Powietrze i inne gazy.

3 Ośrodki Stałe:

Piesek, popiół, matryce lub płyty metalowe

W operacjach OC zabiegi chłodzenia wsadu realizuje się z różnymi szybkościami.

Stosuje się szybkości chłodzenia od bardzo małych wynoszących kilka stopni na godzinę do bardzo dużych przeszło tysiąc stopni na sekundę.

Szybkość chłodzenia jest zależna od wielu czynników:

• kształtu

• wymiarów i masy przedmiotu

• temp. nagrzewania

• sposobu chłodzenia

• rodzaju i właściwości ośrodka chłodzącego

W celu zwiększenia prędkości chłodzenia pomiędzy wsadem a ośrodkiem stosuje się wymuszony ruch:

• ośrodka chłodzącego względem wsadu ( sprężone powietrze, strumień wody)

• wsadu względem nieruchomego ośrodka

Możliwe jest stosowanie obu sposobów jednocześnie.

Wyżarzanie - polega na nagrzaniu wsadu do określonej temp. wygrzaniu w tej temp i zazwyczaj powolnym chłodzeniu z szybkością pozwalającą na otrzymanie struktury w stanie równowagi lub zbliżonej do tego stanu. Temp. jest najważniejszym parametrem wyżarzania.

Główne cele operacji wyżarzania:

• Zmniejszenie twardości i tym samym ułatwienie obróbki skrawaniem lub obróbki plastycznej na zimno.

• Uzyskanie struktury właściwej z punktu widzenia dalszych operacji obróbki cieplnej lub innych operacji technologicznych.

• Zmniejszenie naprężeń własnych.

1 Z Przemianą Alotropową

Wyżarzanie zupełne - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.

Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) - przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15°C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15°C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.

Wyżarzanie ujednoradniające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000÷1200°C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.

Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) - stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągłego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

2 Bez Przemiany Alotropowej

Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550÷650°C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.

Cel: Zmniejszeniw trwardości , zwiększenie plastyczności, uzyskanie końowej wielkości ziarna bez przemiany fazowej.

Wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400÷500°C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.

Cel: zmniejszenie naprężęń wł bez wyrażnych zmian strukt i własności uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki.

Zastosowanie: odwley staliwa, elem spawanych lub utrwardzonych przez odkszt plastyczne.

Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150°C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.

Odpuszczanie - jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzaniu ich do temperatury niższej od przemian fazowych, wygrzaniu w tej temperaturze z następnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest ono stosowane w celu polepszenia właściwości elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pękania. Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy.

1 martenzyt wydzieliniowey

2 martenzyt odpuszczony

3 bainitycznym

4 sorbitem

Wyróżniamy odpuszczanie:

• niskie 150°C - 250°C

Cel:Uzyskanie naprężęń hartowniczych z zachowwaniem dużej twardości wytrzymałościowej i odpornośći na ścieranie.

Zastosowanie: narzędzia obrabiane, sprężyny, cześci maszyn nawęglane, hartowanie powierzch.

• średnie 250°C - 500°

Cel:uzyskanie wysokiej wytrzymałości i granicy sprężystości przy nieznacznym obciążęniu trwardości.

Zastosowanie:soprężyny, resory, matryce kuznicze, młoty pneumtyczne.

• wysokie 500°C - Ac1

Cel:uzyskanie najwyższej udarności przy wystarczajacej wytrzmałości na rozciąganie.

Zastosowanie: części maszyn, koła zębate, wały korbowe, wały okrętowe.

Hartowanie -operacja obróki cieplnej prowadzaca do uzyskania struktury o dużej trwardości wytrzymałościowej i odporności na ścieranie.

1) temp austynizowania

2) czas austenizowania

3) szybkośc chłodzenia

Rodzaje hartowania:

1) ze wzgl na uzyskanie struktury:

martenzytyczne,  banityczne  , perlityczne 

2) ze wzgl na sposób nagrzania:

indukcyjne, oporowe laserowe, płomieniowe.

3) ze wzgl na zasięg:

obj i powierzchniowe

4) ze wzgl na sposób chłodzenia:

ciągłe, stopniowe, izotermiczne

Hartowanie zwykłe 

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.

Hartowanie stopniowe 

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

Hartowanie izotermiczne 

Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.

Hartowanie powierzchniowe 

metoda, w której, nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.

Zastosowanie: stal węglowa 04-05C, stal niskostopowa 03-06C, żeliwa szare i sferoidalne.

Zalety : ogranicznenie nagrzewania do cienkiej warstwy i tylko na okreslonych powierzchniach, - krótki czas próbki,, - mini utlenianie powierzchni, - zmniejszenie odkształceń hartowniczych na skutek ograniczenia nagrzewania do m ałej części obrobionego materiału.

Utwardzanie wydzieleniowe ( operacja przesycania i starzenia) - umocnienie wywołane wydzielającymi się cząstkami w roztworze przesyconym, składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Umocnienie wydzieleniowe jest efektem przemian zachodzących w stopach metali podczas zabiegów obróbki cieplnej przesycania i starzenia (utwardzania dyspersyjnego). Sposób umocnienia jest bardzo efektywny - w konkretnych przypadkach zapewnia prawie dwukrotny wzrost wytrzymałości, przy stosunkowo niezłej ciągliwości - ale praktycznie ograniczony do nielicznych stopów: Cu-Be, Al-Cu. Ni-Cr, Fe-Ni (niektóre wysokostopowe stale niklowe, tzw. martenzytyczne starzone).

Wg odkształcalnych wydzieleń:

1 dalekiego zasięgu

2 bliskiego zasięgu

Przesycanie - jest operacją obr c skł. Się z zabiegu:

- Nagrzewania - stopów do temp powyżej lini granicznej rozp w stanie stałym

- Wygzrewanie

- Chłodzenie do temp otoczenia i ... aż do krytyvcznej szybkości rozpadu przesyconego roztworu stałego.

Starzenie - jest operacją obr c nastep. po operacji przesycania:

- nagrzewanie poniżej lini przemiennej ropz

- długotrwałe wygrzewanie celu uzyskania drobnych wydzielin fazy wtórnej.

1) Zgrzewanie oporowe

a) zgrzewanie oporowe punktowe:

wykorzystuje przepływ prądu (opór prąd, temp) Prawo Lentza.

Ciepło jest prost proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu oporu i czasu przepływu prądu.

Parametry:

- natężenie prądu 3kA-20kA, -

- napięcie bardzo niskie 1-3V

- siła docisku 1-9kN

- czas przepływu prądu 0,001-1s

b) zgrzewanie liniowe oporowe punktowe: koła chł wodą i koła pod prądem.

c) zgrzewanie oporowe garbowe:

zgrzewanie z kołnierzem

d) zgrzewanie liniowe oporowe doczołowa:

pręty rury to co wyciśnie wypływka

e) zgrzewanie oporowe doczołowe iskrowe

f) zgrzewanie oporowe dł. Mocowania np. miedź i stal

2) Zgrzewanie inne metody:

a) zgrzewanie tarciowe

np. tokarka wkręc 1 mat w 2

Parametry:

Siła docisku, - prędkośc obrotowa, - siła spęczania

Co łączymy: 2 wałki, - różnego rodz elem, - dla wszystkich materiałów

b) m wybuchowa ładunek wybuch

c) kondensatorowa

d) dyfuzyjna

e) pródami wirowymi.

Zastosowanie wszędzuie - cienkie elelm tak aby się zgrzało - wielkoiść urządzenia,

3) Technologie lutowania

4) Technologia cięcia

laser do 20mm

plazma 20- 40

tlen powyżej 40mm

wodą

Metody spawania

Łuk kryty w osłonie rutylu i MgO

Tylko w pozycji podolnej, do długich prostych, grubych elementów ze zwykłej stali węglowej. Do spawania poszycia statków, koła pociągów, elementy suwnic, zbiorniki ciśnieniowe, rurociągi pow. Ø250mm.

Parametry:

Natężenie 200-1000A

Napięcie 25-45V

Prędkość do 1,5m/min

Wydajność 40kg/h

Elektroda otulona

Metalowy rdzeń otulony otuliną. Spawanie w miejscach trudno dostępnych, w każdej pozycji, niska cena spawarek, wszystkie materiały, dużo odpadów, wysokie koszty, brak automatyzacji. Typowa metoda montażowa.

Parametry:

Elektroda Ø1,5-6mm

Natężenie 60-100A

Napięcie 18-24V

Prędkość 20-30cm/min

Wydajność mała

W osłonach gazowych

TIG Spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazu Argon.

Bardzo wolna, ale precyzyjna, do materiałów wysoko gatunkowych, duża cena urządzeń, duże umiejętności spawacza.

MAG

W osłonie argon+CO₂ duża wydajność, można spawać w miejscach trudno dostępnych, średnie umiejętności spawacza, duża skłonność do przyklejenia, wrażliwa na wiatr, do zwykłych stali.

Natężenie 10-750A

Ręcznie do 35A

MIG

To samo ci MAG tylko w osłonie Argonu i do stali jakościowych, oraz innych metali

Natężenie 100-750A

Zgrzewanie

Zalety

Dobra jakość połączenia, zautomatyzowana, elementy o złożonych kształtach, wysoka czystość połączeń, duża prędkość i wydajność.

Wady

ograniczona grubość łączonych elementów, konieczność kontrolowania wymiarów części roboczej elektrod.

Lutowanie:

Metoda łaczenia (spajania), w której na skutek nagrzewania, roztopione spoiwo wypełnia przestrzen

miedzy scisle dopasowanymi powierzchniami elementów

łaczonych w wyniku oddziaływania sił kapilarnych.

Spoiwa zawsze maja temperature ni_sza od temperatury

solidus materiałów podstawowych oraz odmienny skład

chemiczny.

Etapy lutowania

· Aktywowanie powierzchni łaczonych materiałów oraz

stopionego spoiwa

· Oddziaływanie na granicy faz: stopione spoiwo

materiał łaczony

· Krystalizacja lutowiny

Metody lutowania:

temperatura topnienia spoiw

· lutowanie miekkie < 450o C (luty cynowo-ołowiane)

· lutowanie twarde > 450o C (luty mosie_ne, miedziane,

niklowe, srebrne)

procesy metalurgiczne

· lutowanie reakcyjne

· lutowanie dyfuzyjne

_ niskotemperaturowe (200 -700oC)

_ wysokotemperaturowe (powy_ej 700 oC)

metody nagrzewania

· lutowanie lutownica

· lutowanie płomieniowe

· lutowanie piecowe

· lutowanie indukcyjne

· lutowanie kapielowe

· lutowanie oporowe

· lutowanie w fazie parowej

· lutowanie z użyciem źródeł skoncentrowanej energii

· lutospawanie

4

---