POLITECHNIKA WARSZAWSKA, WYDZIAŁ TRANSPORTU

ZAKŁAD PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ TRANSPORTOWYCH

MATERIAŁOZNASTWO

ROK AKADEMICKI 2011/2012

Imię i nazwisko	Grupa/podgrupa	Ocena
Karolina Taniewicz	T9/ grupa B

ĆWICZENIE NR: 3

TEMAT: Obróbka cieplna metali (hartowanie i wyżarzanie)

DATA WYKONANIA ĆWICZENIA	DATA ODDANIA SPRAWOZDANIA
19.12.2011 02.01.012	23.01.2012

Obróbka cieplna jest zabiegiem, lub połączeniem zabiegów, na przedmiotach będących w stanie stałym, składających się z nagrzewaniem, wygrzewaniem i chłodzeniem. Przedmiot najczęściej jest wykonany ze stopu, ale w pewnych przypadkach również może być z czystego pierwiastka. Obróbkę cieplną przeprowadzamy zawsze w celu uzyskania żądanych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych, albo też strukturalnych i usunięcia naprężeń, jednak bez zamierzonej zmiany składu chemicznego materiału. Zabiegiem cieplnym nazywamy pewien cykl zmian temperatury, zaczynający się i kończący również na temperaturze otoczenia. Szybkość nagrzewania lub chłodzenia mierzymy stosunkiem zmiany temperatury do czasu. Wygrzewaniem nazywamy na ogół czynności mające na celu utrzymywanie wyższej od otoczenia temperatury przedmiotu. Obróbka cieplna jest możliwa tylko wtedy, gdy stworzy się takie warunki, aby zamierzone przemiany fazowe, które są najczęściej dyfuzyjne, mogły się odbyć.

Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzewaniu metalu do wymaganej temperatury, wygrzewanie w tej samej temperaturze i następnie studzenie z małą szybkością. Szczegółowe parametry podaje się dla poszczególnych rodzajów wyżarzania, z których każde ma na celu osiągniecie odpowiednich własności materiału. W niektórych rodzajach wyżarzania zachodzą przemiany ferryt↔austenit i perlit↔austenit.

Wyżarzanie 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 izotermiczne - składa się z austenityzowania stali jak przy wyżarzaniu zupełnym i następnie szybkiego ochłodzenia do temperatury poniżej Ar1 i przetrzymania w tej temperaturze, aż do zajścia przemiany perlitycznej. Celem obróbki jest zmniejszenie twardości stali (zwykle przed obróbką skrawaniem).

• Wyżarzanie perlityzujące (perlityzowanie) - polega na ostudzeniu stali do temperatury niższej od Ar1 tak aby nastąpiła przemiana perlityczna, po czym nagrzewa się ją ponownie do temperatury austenityzowania celem zahartowania. W wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, gdyż zawsze następuje to przy nagrzewaniu powyżej Ac1. Zwiększa to dyspersję martenzytu i poprawia własności.

• 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 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 ujednorodniające (homogenizacja) - 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 ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

Wyżarzanie 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.

• 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.

• 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.

Hartowanie stopów żelaza to rodzaj obróbki cieplnej stopów żelaza (np. stali), składający się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie materiału do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 727 °C; zwykle 30 °C do 50 °C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal o strukturze martenzytycznej nazywana jest stalą martenzytyczną lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali. Przy hartowaniu istotny jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć. Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Metody hartowania stali

• Hartowanie zwykłe

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim 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 powierzchnię przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu.

• Hartowanie płomieniowe - powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.

• Hartowanie indukcyjne - przedmiot przeciągany jest przez cewkę otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.

• Hartowanie kąpielowe - polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.

• Hartowanie ślepe - hartowanie poniżej wartości temperaturowej właściwej dla nawęglania - zatem - hartowanie bez nawęglania.

• Hartowanie laserowe- powierzchniowe hartowanie za pomocą wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany przedmiot miejscowo. Głowica lasera umieszczona jest na manipulatorze laserowym, zaś ślad hartowniczy wyznaczany jest komputerowo CAD/CAM. Podczas hartowania laserowego do obrabianego detalu wprowadza się stosunkowo niewielką ilość ciepła co ogranicza rozrost ziarna a w konsekwencji krzywienie powierzchni. Nie są wymagane dodatkowe media chłodzące, obrabiany przedmiot schładza się samoistnie na zasadzie przewodnictwa cieplnego.

• Hartowanie kontaktowe

• Hartowanie elektrolityczne

• Hartowanie impulsowe

Odpuszczanie - rodzaj obróbki cieplnej, której poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazy noszące nazwy: "martenzyt odpuszczania", sorbitem odpuszczania" i "troostyt odpuszczania".

Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy. Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne.

1. Pierwsze stadium, w temperaturze 80-200 °C, jest związane z rozkładem martenzytu i wydzieleniem w nim węglika ε-Fe2C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie stężenia węgla w austenicie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzy się martenzyt o sieci regularnej, tzw. martenzyt odpuszczania).

2. Drugie stadium, w temperaturze 200-300 °C, jest związane z dalszym wydzielaniem się z roztworu węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około 0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym; w etapie tym powstaje mieszanina ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika ε. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje.

3. Trzecie stadium przebiega w temperaturze 300-400 °C. Następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu, a węglik ε ulega przemianie w cementyt; struktura otrzymana na tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu (troostyt odpuszczania).

4. Czwarte stadium przebiega w temperaturze 400-650 °C. Zachodzi koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur, będąca mieszaniną ferrytu i cementytu, nazywa się sorbitem odpuszczania (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje całkowite usunięcie naprężeń.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

• Odpuszczanie niskie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150-250 °C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

• Odpuszczanie średnie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250°-500 °C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

• Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:

• kruchość odpuszczania I rodzaju - kruchość nieodwracalna, występuje w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie

• kruchość odpuszczania II rodzaju - kruchość odwracalna, występuje powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu

Starzenie - proces polegający na pogorszeniu się własności użytkowych danego materiału. Jednym z przykładów starzenia się jest starzenie izolacji elektrycznej w podwyższonej temperaturze. W metaloznawstwie terminem tym określa się również jeden z rodzajów obróbki cieplnej powodujący zwiększenie wytrzymałości kosztem zmniejszenia plastyczności metalu. W połączeniu z przesycaniem, starzenie wchodzi w skład utwardzania dyspersyjnego.

Przesycanie - obróbka cieplna, której poddawana jest m.in. stal w celu stabilizacji austenitu. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję. Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie, tak jak w hartowaniu, szybkie schładzanie. Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom. Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Wykres CTP przedstawia przemianę austenitu pod wpływem chłodzenia.

Zakres temperatur hartowania stali węglowej.

• Austenit - roztwór stały węgla w γ-żelazie, zawierający nie więcej niż 1,7% węgla. Występuje w zakresie temperatur 710-1535^οC. Składnik stopowy stali i stopowych żeliw. Jest paramagnetyczny, plastyczny, ma twardość ok. 200 HB. Atomy żelaza tworzą sieć sześcianową, płaskocentryczną. Między nimi rozmieszczone są atomy węgla o mniejszej średnicy. Parametr sieci austenitu jest większy niż parametr sieci ferrytu.

• Cementyt - węglik żelaza Fe₃C. Temperatura topnienia - 1600^o C. Bardzo duża twardość, czyli około 800 HB.  Jest materiałem twardym i kruchym, ma strukturę krystaliczną rombową. Związek nietrwały rozkładający się na:

Fe₃C 3Fe + C

• Jeśli cementyt wydziela się z cieczy przy chłodzeniu - cementyt pierwszorzędowy.

• Jeśli cementyt wydziela się podczas chłodzenia z austenitu - cementyt drugorzędowy.

• Jeśli cementyt wydziela się z ferrytu podczas chłodzenia - cementyt trzeciorzędowy.

• Ferryt - jest to graniczny roztwór węgla w żelazie alfa o maksymalnej rozpuszczalności 0,008%C w temperaturze otoczenia a 0,025%C w 723⁰C tj. w temperaturze eutektoidalnej. Na ogół ferryt posiada własności podobne do czystego żelaza, wykazuje niską twardość (70 - 90 HB), wzrastającą w obecności atomów domieszek w roztworze.

• Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu γ z cementytem , zawierająca dokładnie 4,3% węgla. Ledeburyt powstaje w krzepnącym ciekłym roztworze żelaza z węglem, gdy zawartość węgla jest w granicach 2,06% - 6,67%, w temperaturze 1147 °C.

• Ledeburyt przemieniony - mieszanina perlitu i cementytu, powstająca w wyniku rozpadu austenitu w ledeburycie na perlit w 727ºC.

• Perlit -  mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla. Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727 °C. Ma budowę ziarnistą. Pojedyncze ziarno perlitu zbudowane jest z płytek (w przekroju widocznych jako linie) ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytki ferrytu do grubości płytki cementytu wynosi 7:1.

• Martenzyt - składnik struktury hartowania stali, będący przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie α, o tetragonalnej sieci przestrzennej i charakterystycznej mikrostrukturze, przedstawiającej igiełki przecinające się pod kątem 60°. Martenzyt otrzymuje się w wyniku gwałtownego ochłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej.
  Przemiana austenitu w martenzyt następuje w określonej temperaturze, ściśle uzależnionej od składu chemicznego stali (głównie zawartości węgla), i dla stali węglowych wynosi 100-350°C. W stanie martenzytu stal odznacza się największą twardością.

• Bainit - składnik strukturalny stopów żelazo-węgiel. Mieszanina ferrytu i cementytu, powstająca w wyniku izotermicznej przemiany austenitu przechłodzonego do temperatury 550-400°C (bainit górny, czyli troostyt hartowania o twardości 380-500 HB, składający się z drobnych cząstek cementytu wydzielonych w nieznacznie przesyconym węglem ferrycie o strukturze pierzastej) lub 400-250°C (bainit dolny, czyli troostyt iglasty o twardości 500-600 HB, w którym cząstki cementytu wydzielone zostały wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych przesyconego węglem ferrytu o strukturze pierzastej).

Ćwiczenie rozpoczęło się od przedstawienia w tabeli informacje dotyczące 5 próbek , które odpowiednio wcześniej zostały włożone do pieca , którego temperatura wynosiła już ok. 850°C. Próbki zostały oznaczone, posiadały zawartość procentową węgla i wartości z pomiaru twardości metodą Rockwella w skali „B” przed hartowaniem. Próbki :

• 45 - stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,45%;

• 50HS - stal węglowa o zawartości węgla równej 0,55% znajduje zastosowanie w np. resorach do pojazdów mechanicznych, sprężynach, amortyzatorach, sprężynach zaciskowych;

• 65 - stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,65%;

• N11E - stal węglowa narzędziowa płytko hartująca się o zawartości węgla równej 1,1%. Znajduje zastosowanie w np. matrycach, wykrojnikach, narzynkach, rozwiertakach, frezach gwintownikach.

• NC6 - stal węglowa o zawartości węgla równej 1,3%. Znajduje zastosowanie w np. wiertłach, nożach krążkowych.

W chwili gdy próbki zostały rozgrzane do właściwej temperatury, przy pomocy prowadzącego ćwiczenia przystąpiłam do procesu hartowania poprzez chłodzenie w wodzie. Konsekwentnie wyjmowałam z pieca próbki mieszając je w wodzie , do momentu gdy stracą większość swojej wysokiej temperatury. Kolejną rzeczą było oczyszczanie próbek z zanieczyszczeń papierem ściernym.

Po otrzymaniu odpowiednich tablic odwzorowałam odpowiednie wartości z pomiarów twardości metodą Rockwella na skalę Vickers'a. Ostatecznie obliczyłam przyrost twardości po hartowaniu każdej z próbek.

Wyniki z ćwiczeń przedstawia poniższa tabelka.

STAL		% C	TWARDOŚĆ				Wskaźnik przyrostu twardości
						Przed hartowaniem		Po hartowaniu		HV [%]
						HRB	HV	HRC	HV
"R"	45	0,45	98	240	61	720	200%
"HS"	50HS	0,5	96	225	59	674	199,55%
"H"	65	0,65	90	192,5	64,5	820	329,31%
"S"	N11E	1,10	86	175	64,5	820	368,57%
"C"	NC6	1,30	94	215	65	832	286,97%

Przyrost twardości po hartowaniu obliczamy ze wzoru:

Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzam, że proces hartowania znacznie zwiększa twardość stali. Na stopień wzrostu twardości duży wpływ ma procentowa zawartość węgla w próbce. Podsumowując :

1. Hartowanie daje wzrost twardości.

2. Zawartość procentowa węgla ma wpływ na twardość.

3. (Spoza ćwiczeń) Rodzaj chłodziwa ma pływ na twardość.

---