Projektowanie Materiałów Inżynierskich

Temat: Hartowanie i odpuszczanie stali.

Dr inż. Krzysztof Widanka

Grupa 5 Sobota godz. 13.15

1. Michał Tuszyński

2. Michał Zając

1. Wstęp teoretyczny.

OBRÓBKA CIEPLNA jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania środowiska.

Rys. 1. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej.

Każdy proces obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie) wykonywana w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym, natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie).

Rys. 2. Schemat operacji obróbki cieplnej.

Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy.

Procesy obróbki cieplnej

1. WYŻARZANIE - są to zabiegi cieplne, których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością.

1. Procesy wyżarzania bez przemiany alotropowej:

Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie stabilizujące.

2. Proces wyżarzania z przemianą alotropową:

Wyżarzanie ujednorodniające

Wyżarzanie normalizujące

Wyżarzanie zupełne

Wyżarzanie izotermiczne Wyżarzanie sferoidyzujące

Rys. 3. Zakres temperatur wyżarzania stali

2 HARTOWANIE- polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30-50°C powyżej linii GSK. (Natomiast stale wysokostopowe (nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temperatur znacznie wyższych (1100-1200°C) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi. Wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:

Hartowanie objętościowe

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie martenzytyczne

Hartowanie bainityczne (izotermiczne)

Hartowanie ciągłe

Hartowanie stopniowe

Rys. 4. Krzywe chłodzenia podczas hartowania: a) ciągłego, b) stopniowego, c) izotermicznego.

Hartowność stali jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej. Właściwość ta jest ściśle związana z krytyczną szybkością chłodzenia stali; im większa jest wymagana szybkość chłodzenia tym hartowność mniejsza.

3. ODPUSZCZANIE- polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od A_c1,wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury, w której prowadzony jest proces, rozróżnia się odpuszczanie:

• niskie 100-250°C (stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo),

• średnie 250-500°C (jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy zachowanej dużej wytrzymałości i równoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych),

• wysokie 500°C - A_c1 (stosowane jest głównie do stali konstrukcyjnych w celu otrzymania najbardziej korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych).

2. Opis zadania

W ćwiczeniu należy przeanalizować hartowność 4 gatunków stali w celu doboru materiału na wał maszynowy. Analiza zostanie przeprowadzona metodą hartowania od czoła - Jominy'ego oraz metodą rachunkową Grossmanna w celu porównania wyników obu metod.

1. Parametry zadania

Twardość wału po hartowaniu i odpuszczaniu w 500 °C, ma wynosić 40 HRC. Wielkość ziaren austenitu jest równa 6. Średnia krytyczna wałka ø 45

Gatunki materiałów do analizy hartowności:

1. C35 C50

2. 38Cr2 46Cr2

3. 25CrMo4 50CrMo4

4. 34Cr4 38Cr2

Pierwiastek	Zawartość procentowa pierwiastków dla danego gatunku stali
		C50	38Cr2	25CrMo4	38Cr2
C	0,52 - 0,59	0,35 - 0,42	0,22 - 0,29	0,35 - 0,42
Si	0,4	0,4	0,4	0,4
Mn	0,5 - 0,8	0,5 - 0,8	0,6 - 0,9	0,5 - 0,8
P	0,035	0,035	0,035	0,035
S	0,2 - 0,4	0,2 - 0,4	0,2 - 0,4	0,2 - 0,4
Cr	0,4	0,4 - 0,6	0,9 - 1,2	0,4 - 0,6
Mo	0,1	-	0,15 - 0,3	-
Ni	0,4	-	-	-

Tabela 1 - Zestawienie zwartości pierwiastków stopowych w poszczególnych gatunkach stali

2. Kryterium hartowności metodą Jominy'ego

Na podstawie zależności między twardością przed i po odpuszczaniu w ulepszonych cieplnie stalach konstrukcyjnych wg DIN 17200 odczytano minimalną wymaganą twardość po hartowaniu, aby możliwe było uzyskanie twardości 32 HRC po odpuszczaniu w 500 °C. Twardość wałka w tym wypadku powinna wynosić 40HRC.

W kolejnym etapie korzystając z pasm hartowności poszczególnych gatunków stali odczytano odległość od czoła próbki, dla której dany materiał osiąga twardość 40HRC po hartowaniu w średnim zakresie pasma hartowności danego materiału. Następnie na podstawie nomogramu do określania średnic krytycznych w ośrodkach o różnej intensywności chłodzenia wg Grossmanna dla określonej odległości od czoła próbki odczytano średnicę krytyczną pręta, dla wybranej intensywności chłodzenia. Odczytane odległości od czoła próbki dla twardości 40 HRC oraz średnice krytyczne dla poszczególnych ośrodków chłodzenia podano w tabeli nr 2.

Gatunek stali	Odległość od czoła	Średnica krytyczna dla danego ośrodka chłodzącego:
				Woda	Olej
C50	4 mm	22 mm	7 mm
38Cr2	4 mm	35 mm	13 mm
50CrNo4	16 mm	68 mm	37 mm
46Cr4	3 mm	16 mm	6 mm

Tabela 2 - Wyznaczone odległości od czoła próbki oraz średnice krytyczne dla poszczególnych gatunków stali w zależności od ośrodka chłodzącego

Oczekiwana średnica krytyczna powinna wynosić minimum 45 mm. Dlatego też dla wody jako ośrodka chłodzenia kryterium to spełniają 2 gatunki stali: 25CrMo4 oraz 34Cr4

3. Kryterium hartowności metodą Grossmanna

Idealną średnicę krytyczną wyznacza się ze wzoru:

D_i = D_iC f­₁ f₂ f­₃ …. f­_n

gdzie:

D_i - idealna średnica krytyczna stali stopowej przy udziale 50 % martenzytu w środku

D_iC - idealna średnica krytyczna podstawowa zależna od wielkości ziarna I zawartości węgla

f­₁…. f­_n - współczynniki hartowności dla poszczególnych pierwiastków stopowych z wyjątkiem węgla

gdzie:

k - stała zależna od wielkości ziarna, wartość stałej wg. Mosera i Legata, dla wielkości ziarna 6 wynosząca 25,5

C - zawartość węgla w stali w % ciężarowych

gdzie:

B_i - stała charakterystyczna dla danego pierwiastka stopowego

M_i - wykładnik potęgowy równy procentowej zawartości tego pierwiastka w stali

Dodatek stopowy	Współczynnik B
Mo	3,275
Mn	2,21
Cr	2,13
Si	1,4
Ni	1,47

Tabela 3 - wartości współczynnika B określające wpływ na hartowność głównych dodatków stopowych

Zatem dla stali C35:

Dla stali 38Cr2:

Dla stali 25CrMo4:

Dla stali 34Cr4:

Na podstawie wyznaczonych średnic krytycznych korzystając z nomogramu określającego zależności między idealnymi i rzeczywistymi średnicami krytycznymi w zależności od intensywności chłodzenia należy odczytać wartości średnic krytycznych - tabela nr 4.

Gatunek stali	Idealna średnica krytyczna	Średnica krytyczna dla danego ośrodka chłodzącego:
				Woda	Olej
C35	29 mm	16 mm	7 mm
38Cr2	44 mm	29 mm	12 mm
25CrMo4	77 mm	65 mm *	39 mm
34Cr4	68 mm	54 mm *	26 mm

Tabela 4 - Wyznaczone idealne średnice krytyczne oraz odpowiadające im średnice krytyczne dla poszczególnych gatunków stali w poszczególnych ośrodkach chłodzących

4. Porównanie wyników

W ćwiczeniu została określona hartowność 4 gatunków stali na podstawie 2 różnych metod określania hartowności dla 2 ośrodków chłodzenia. Należało określić, który z gatunków stali będzie odpowiedni, aby zahartować na wskroś wykonany wałek o średnicy 45 mm. Wyniki obu metod są zbliżone, jednak nieco różnią się od siebie (tabela nr 5). Dla oleju jako ośrodka chłodzenia wyniki hartowności są bardzo zbliżone, jednak żaden z gatunków stali nie spełnia warunków hartowności. Nie można więc stosować oleju jako ośrodka chłodzącego w celu wykonania hartowania na wskroś w tym wypadku.

Gatunek stali	Metoda Jominy'ego		Metoda Grossmanna
		Średnica krytyczna dla danego ośrodka chłodzącego:		Średnica krytyczna dla danego ośrodka chłodzącego:
		Woda	Olej	Woda	Olej
C35	24 mm	7,5 mm	16 mm	7 mm
38Cr2	35 mm	13 mm	29 mm	12 mm
25CrMo4	49 mm *	23 mm	65 mm *	39 mm
34Cr4	53 mm *	25 mm	54 mm *	26 mm

Tabela 5 - Zestawienie hartowności metodą Jominy'ego oraz Grossmanna

W przypadku gdy ośrodkiem chłodzącym jest woda hartowność stali jest generalnie wyższa, jednak zarówno dla metody Jominy'ego tylko stale 25CrMo4 oraz 34Cr4 spełniają warunek hartowności. W metodzie Jominy'ego dla stali 25CrMo4 średnica krytyczna wynosi 49 mm, a dla 34Cr4 53 mm. Jednak korzystając z metody Grossmanna dla stali 25CrMo4 średnica krytyczna jest wyższa niż 34Cr4 i wynosi 65 mm, a dla 34Cr4 53 mm. Reasumując aby móc zahartować na wskroś wałek ø 45 należy zastosować stal 25CrMo4, bądź 34Cr4. Ze względu na fakt, że stal 34Cr4 ma mniej pierwiastków stopowych i tym samym jest tańsza powinna zostać zastosowana do wykonania elementu.

7. Wstęp teoretyczny.

3. Treść zadania

Dobrać stal według kryteriów hartowności na wał maszynowy którego twardość po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 500⁰C będzie wynosiła 40 HRC.

Stale do ulepszania cieplnego:

1. C50

2. 46Cr2

3. 38Cr2

4. 50CrMo4

3.1. Kryterium oceny:

I. Metoda Jominy'ego- metoda hartowania od czoła.

Próba polega na chłodzeniu strumieniem wody, w specjalnym urządzeniu, czoła walcowej próbki o średnicy 25 mm i długości l= 100 mm, po uprzednim jej austenityzowaniu w temperaturze hartowania. Po schłodzeniu próbki prze co najmniej 10 minut, zeszlifowuje się warstwę materiału grubości 0,4 mm z dwóch przeciwległych tworzących. Na zeszlifowanych powierzchniach dokonuje się pomiaru twardością metodą Rockwella.

1. stal C50

2. stal 46Cr2

3. 38Cr2

4. CrMo4

---