1., 2. Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury (rys. 4.75), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje:

-podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (jak w przypadku wyżarzania ujednorodniającego),

-podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające),

-podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące).

WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE

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 odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lubspowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.

WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 3050°C wyższej od Ac3, wygrzaniu 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 niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury.

WYŻARZANIE ZUPEŁNE

Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 3050°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

WYŻARZANIE SFEROIDYZUJĄCE

Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, 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 (przy zmianach temperatury w zakresie  20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej 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 niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.

3. DEFINICJA OBRÓBKI CIEPLNEJ

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania środowiska, a czasem również odkształcenia plastyczneo i pola magnetycznego. W związku z tym obrókę cieplna dzielimy na: zwykłą, cieplno-chemiczną, cieplno-plastyzną i cieplno-magnetyczną..

4. POJĘCIE UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO

Stale o strukturze austenitycznej, a także inne stopy - głównie metali nieżelaznych - nie wykazujące przemian alotropowych, lecz charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym (rys. 4.79), mogą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu (porównaj rozdz. 3.3.7). Proces ten stanowią połączone operacje technologiczne:

-przesycania,

-starzenia.

PRZESYCANIE

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 3050°C (temperatura tp dla stopu I na rys. 4.79) od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika (w stalach najczęściej cementytu

trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem.

Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne.

STARZENIE

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera-Prestona, będących kompleksami, w których segregują atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika (porównaj rozdz. 7.1.5). Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych. Przebieg starzenia - jako procesu dyfuzyjnego - zależy od czasu i temperatury

(rys. 4.80). Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje efekt przestarzenia, polegający na koagulacji wydzieleń i zaniku ich koherencji, co nie powoduje wzrostu twardości w stosunku do stanu przesyconego, a przeciwnie - wpływa na jej obniżenie. Starzenie jest przyspieszane przez odkształcenie plastyczne na zimno. Niekiedy starzenie przebiega już w temperaturze pokojowej, wówczas nosi nazwę starzenia samorzutnego. Starzenie może być również procesem niepożądanym, np. w blachach do głębokiego tłoczenia oraz w stalach kotłowych, gdyż powoduje

zmniejszenie własności plastycznych i wzrost kruchości.

6. DEFINICJA OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Obrobka cieplno-chemiczna jest dziedziną obrobki cieplnej obejmującą zespoł operacji i zabiegow umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu (a przez to zmianę własności obrabianych elementow) w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obrobka cieplno-chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementow metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych.

ZASTOSOWANIE OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Obrobce cieplno-chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza, głownie stale, chociaż znalazła ona rownież zastosowanie w technologii elementow z metali nieżelaznych, np. molibdenu, wolframu, tytanu i innych. Obrobce cieplno-chemicznej są poddawane zarowno elementy konstrukcyjne, w tym elementy maszyn, jak i narzędzia. Celem obrobki cieplno-chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne, o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększenie odporności

elementow na zmęczenie lub poprawa niektorych własności fizycznych powierzchni

OGÓLNA KLASYFIKACJA ZJAWISK

PRZEBIEGAJĄCYCH PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Obrobka cieplno-chemiczna - poza przekazywaniem ciepła - jest związana z transportem masy. Najogolniej w procesie transportu masy można wyrożnić pięć procesow składowych (rys. 4.114), do ktorych należą:

-reakcje w ośrodku nasycającym, związane z tworzeniem czynnika umożliwiającego transport składnika nasycającego,

-dyfuzja w ośrodku nasycającym, polegająca na dopływie składnika dyfundującego do powierzchni metalu i często na odpływie produktow reakcji tworzących się na granicy rozdziału faz,

-reakcje na granicach rozdziału faz,

-dyfuzja w metalu,

-reakcje w metalu, np. tworzenie się roztworow stałych lub wydzieleń faz.

PODZIAŁ METOD OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Metody obrobki cieplno-chemicznej stali mogą być podzielone na podstawie rożnych kryteriow (tabl. 4.20). Szczegołowy podział metod obrobki cieplno-chemicznej ze względu na rodzaj pierwiastka nasycającego przedstawiono na rysunku 4.112, a ze względu na stan ośrodka nasycającego - na rysunku

7. ZASTOSOWANIE NAWĘGLANIA

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno-chemicznej i cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń.

W celu zapewnienia wymienionych własności nawęglanie jest stosowane między innymi w procesach technologicznych kół zębatych, wałków zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków łożysk tocznych o dużych wymiarach.

8. STRUKTURA WARSTWY NAWĘGLONEJ

W warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref:

nadeutektoidalną - o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych przypadkach

występującego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn perlitu,

eutektoidalną - o strukturze perlitycznej,

podeutektoidalną - o strukturze perlityczno-ferrytycznej.

W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.

9. OBRÓBKA CIEPLNA PO NAWĘGLANIU

Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250÷300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej; w szczególności dąży się do:

-otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej,

-zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC,

-zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w nienawęglonym rdzeniu.

Obróbka cieplna stali nawęglonej polega na hartowaniu z temperatury właściwej dla rdzenia - wyższej od Ac3 - i ponownym hartowaniu z temperatury wyższej od Ac1, właściwej dla nawęglonej warstwy powierzchniowej (rys. 4.119). Nowoczesne stale stopowe do nawęglania (odporne na rozrost ziarn austenitu podczas nawęglania) umożliwiają stosowanie jednokrotnego hartowania elementów maszyn bezpośrednio z temperatury nawęglania gazowego, co znacznie upraszcza proces technologiczny (rys. 4.119a). Przedmioty nawęglone i zahartowane poddaje się niskiemu odpuszczaniu w temperaturze 160÷180°C przez 1,5÷2 h. Nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest błędem technologicznym i staje się niecelowe.

11. ZASTOSOWANIE AZOTOWANIA

Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali niestopowych i stopowych, maszynowych i narzędziowych, narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających. Azotowaniu są poddawane bardzo liczne elementy silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, tuleje cylindrowe, koła zębate, wałki, tłoki, pierścienie i sworznie tłokowe, cylindry, nurniki pomp. W przemyśle obrabiarkowym azotowanie znalazło zastosowanie np. do śrub pociągowych, wrzecion,

kół zębatych, elementów przekładni ślimakowych i sprzęgieł elektromagnetycznych. Do narzędzi poddawanych azotowaniu należą np. matryce kuźnicze, ciągadła i inne narzędzia do obróbki plastycznej, formy do tworzyw sztucznych oraz elementy wtryskarek i wytłaczarek, narzędzia skrawające ze stali szybkotnących, takie jak frezy, wiertła, gwintowniki i narzędzia do obróbki kół zębatych.

- duża twardośc powierzchniowa

- zachowanie twardości na ścieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne,

- odpornośc na korozje gazową i atmosferyczną,

- duża wytrzymałośc zmęczeniowa elementów azotowych,

- względnie niska temperatura procesu, umozliwiająca wytworzenie twardej warstwy na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu,

- niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania

STRUKTURA WARSTWY AZOTOWANEJ

W wyniku azotowania długookresowego na powierzchni stali tworzy się ciągła

strefa azotków typu  w stali węglowej Fe2-3N, a często węglikoazotków

Fe2(C,N)1-x. W sprzyjających warunkach pod strefą azotków  powstaje cienka

strefa azotków ′. Strefa ta przechodzi w wewnętrzną strefę dyfuzyjną ferrytu przesyconego

z wydzieleniami azotków ′ i metastabilnych azotków ′′-Fe16N2 (porównaj

rozdz. 3.3.5). W stalach stopowych w strefie wewnętrznej występują ponadto

bardzo drobne azotki i węglikoazotki, których struktura i ilość zależą od stężenia

azotu i pierwiastków stopowych. Morfologia i skład fazowy warstwy azotowanej

w stalach zależą od stężenia azotu w poszczególnych strefach (rys. 4.120).

ciągu kilkunastu lub kilkudziesięciu minut, na powierzchni stali nie tworzy się

ciągła strefa azotków, lecz jedynie strefa dyfuzyjna ferrytu przesyconego azotem

z wydzieleniami azotków i węglikoazotków ′ i ′′.

WPŁYW STRUKTURY WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ

NA WŁASNOŚCI STALI AZOTOWANEJ

Strefa azotków i węglikoazotków  decyduje o odporności na ścieranie stali węglowych.

W przypadku stali stopowych na własności te wpływa dodatkowo strefa

dyfuzyjna. Warstwa azotowana wykazuje największą odporność na ścieranie, gdy

jest twarda i nieporowata i gdy jej grubość wynosi 0,020÷0,025 mm. Pod względem strukturalnym warstwa taka jest złożona z mieszaniny azotków i węglikoazotków

 + ′. W miarę wzrostu czasu azotowania narasta wyłącznie powierzchniowa strefa

azotków i węglikoazotków , porowata i krucha. Jednocześnie następuje przesuwanie

się w głąb strefy mieszaniny azotków i węglikoazotków  + ′ o stałej grubości

0,020÷0,025 mm, zwartej, bez porów i o dużej twardości 800÷1200 HV0,05.

Z tego względu warstwy uzyskane w wyniku azotowania krótkookresowego cechują

się wysoką odpornością na ścieranie.

Na rysunku 4.121 przedstawiono charakterystykę

zużycia poszczególnych

stref warstwy azotowanej. Kąt nachylenia

stycznej do krzywej  charakteryzuje

szybkość zużycia. Wyniki tych badań

wskazują na największą szybkość zużycia

strefy azotków  i najmniejszą - mieszaniny

azotków  + ′. Wraz ze zmniejszeniem

się stężenia azotu w warstwie azotowanej

w kierunku rdzenia zmniejsza się

twardość tej warstwy (rys. 4.122). Azotowanie

powoduje zwiększenie odporności

stali na korozję i zmniejszenie współczynnika

tarcia. W wyniku azotowania następuje

niewielki przyrost wymiarów,

o 10-3÷10-2 mm.

12.

---