Wykonywanie operacji obróbki cieplnej i cieplno chemicznej

MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Tomasz Jeziorowski
Wykonywanie operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej
812[01]Z2.02
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr in\. Robert Wanic
mgr in\. Andrzej Pasiut
Opracowanie redakcyjne:
mgr Tomasz Jeziorowski
Konsultacja:
mgr in\. Marek Olsza
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 812[01]Z2.02
Wykonywanie operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej , zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu operator maszyn i urządzeń do obróbki plastycznej.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 5
3. Cele kształcenia 6
4. Materiał nauczania 7
4.1. Charakterystyka procesów obróbki cieplnej 7
4.1.1. Materiał nauczania 7
4.1.2. Pytania sprawdzające 18
4.1.3. Ćwiczenia 18
4.1.4. Sprawdzian postępów 20
4.2. Urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej 21
4.2.1. Materiał nauczania 21
4.2.2. Pytania sprawdzające 28
4.2.3. Ćwiczenia 28
4.2.4. Sprawdzian postępów 30
4.3. Wy\arzanie 31
4.3.1. Materiał nauczania 31
4.3.2. Pytania sprawdzające 33
4.3.3. Ćwiczenia 33
4.3.4. Sprawdzian postępów 35
4.4. Hartowanie 36
4.4.1. Materiał nauczania 36
4.4.2. Pytania sprawdzające 41
4.4.3. Ćwiczenia 41
4.4.4. Sprawdzian postępów 43
4.5. Odpuszczanie i ulepszanie cieplne 44
4.5.1. Materiał nauczania 44
4.5.2. Pytania sprawdzające 45
4.5.3. Ćwiczenia 45
4.5.4. Sprawdzian postępów 46
4.6. Obróbka cieplno-chemiczna 47
4.6.1. Materiał nauczania 47
4.6.2. Pytania sprawdzające 51
4.6.3. Ćwiczenia 51
4.6.4. Sprawdzian postępów 52
4.7. Wady wyrobów spowodowane niewłaściwie przeprowadzoną obróbką
cieplną 53
4.7.1. Materiał nauczania 53
4.7.2. Pytania sprawdzające 54
4.7.3. Ćwiczenia 55
4.7.4. Sprawdzian postępów 56
4.8. Bezpieczeństwo i higiena pracy, ochrona ppo\. i ochrona środowiska
podczas obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej 57
4.8.1. Materiał nauczania 57
4.8.2. Pytania sprawdzające 60
4.8.3. Ćwiczenia 60
4.8.4. Sprawdzian postępów 61
5. Sprawdzian osiągnięć 62
6. Literatura 67
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu operacji obróbki cieplnej
i cieplno-chemicznej.
W poradniku zamieszczono:
1. Wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych wiadomości i umiejętności, które
powinieneś mieć opanowane, aby przejść do realizacji tej jednostki modułowej.
2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej.
3. Materiał nauczania (rozdział 4) umo\liwiający samodzielne przygotowanie się do
wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy
wskazaną literaturę, czasopisma oraz inne zródła informacji. Obejmuje on równie\
ćwiczenia, które zawierają:
- wykaz materiałów, narzędzi i sprzętu potrzebnych do realizacji ćwiczenia,
- pytania sprawdzające wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczenia,
- sprawdzian teoretyczny,
- sprawdzian umiejętności praktycznych.
4. Przykład zadania/ćwiczenia oraz zestaw pytań sprawdzających Twoje opanowanie
wiedzy i umiejętności z zakresu całej jednostki. Zaliczenie tego ćwiczenia jest dowodem
osiągnięcia umiejętności praktycznych określonych w tej jednostce modułowej.
Wykonując sprawdzian postępów powinieneś odpowiadać na pytanie TAK lub NIE, co
oznacza, \e opanowałeś materiał albo posiadasz jeszcze luki w swojej wiedzy i nie
w pełni opanowane umiejętności. Je\eli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub
ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub instruktora o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie,
czy dobrze wykonujesz daną czynność.
Po opanowaniu programu jednostki modułowej, nauczyciel sprawdzi poziom Twoich
umiejętności i wiadomości. Otrzymasz do samodzielnego rozwiązania test pisemny.
Nauczyciel oceni oba sprawdziany i na podstawie określonych kryteriów podejmie decyzję
o tym, czy zaliczyłeś program jednostki modułowej. Poradnik nie jest podręcznikiem,
zawierającym kompletną wiedzę związaną z tym zawodem. Aby zdobyć więcej
interesujących Cię informacji, musisz sięgnąć do przedstawionych pozycji literatury,
czasopism i najszybciej aktualizowanych fachowych stron internetowych. Pamiętaj, \e
przedstawiony tu wykaz literatury nie jest czymś stałym i w ka\dej chwili mogą pojawić się
na rynku nowe pozycje.
Bezpieczeństwo i higiena pracy
W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów
bezpieczeństwa i higieny pracy, instrukcji przeciwpo\arowych i zasad ochrony środowiska
naturalnego, wynikających z charakteru wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas
trwania nauki.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
812[01].Z2
Technologia wytwarzania
wyrobów metodami obróbki
plastycznej
812[01].Z2.01
812[01].Z2.02
Posługiwanie się
Wykonywanie operacji
podstawowymi pojęciami
obróbki cieplnej i cieplno-
z zakresu obróbki plastycznej
chemicznej
812[01].Z2.03
Przygotowanie
i nagrzewanie wsadu do
obróbki plastycznej
812[01].Z2.04 812[01].Z2.05 812[01].Z2.06
Wykonywanie wyrobów Wykonywanie wyrobów Wykonywanie wyrobów
w procesie walcowania w procesie kucia w procesie tłoczenia
i ciągnienia
Schemat układu jednostek modułowych
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
2. WYMAGANIA WSTPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- stosować jednostki układu SI,
- posługiwać się dokumentacją techniczną,
- odczytywać dane z wykresów,
- wykonywać pomiary warsztatowe,
- u\ytkować komputer,
- zorganizować miejsce pracy zgodnie z zasadami ergonomii,
- stosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpo\arowej oraz
środowiska,
- pracować w grupie.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
3. CELE KSZTAACENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- określić cel, metody i zakres stosowania obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
- wyjaśnić przemiany zachodzące w stali podczas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia,
- scharakteryzować wy\arzanie, hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie cieplne oraz
nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie,
- scharakteryzować aluminiowanie, chromowanie i bromowanie,
- wyjaśnić istotę i określić zalety obróbki jonowej,
- dobrać rodzaj obróbki cieplnej do \ądanych właściwości po obróbce,
- dobrać parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
- rozró\nić urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
- obsłu\yć piece komorowe do nagrzewania i wanny hartownicze,
- wykonać podstawowe operacje obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej oraz ocenić
ich wpływ na strukturę i właściwości stopów,
- sprawdzić jakość wykonanej pracy,
- zanalizować wady spowodowane niewłaściwie przeprowadzoną obróbką cieplną,
- zastosować przepisy bhp, ochrony ppo\. i ochrony środowiska podczas obróbki cieplnej
i cieplno-chemicznej,
- skorzystać z dokumentacji technologicznej, norm, poradników.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
4. MATERIAA NAUCZANIA
4.1. Charakterystyka procesów obróbki cieplnej
4.1.1. Materiał nauczania
Obróbka cieplna jest to zespół odpowiednio dobranych zabiegów cieplnych
prowadzących do zmiany właściwości stali poprzez zmiany struktury w stanie stałym
w wyniku zmian temperatury i czasu.
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury oraz właściwości metali
i stopów mo\na wyró\nić następujące rodzaje obróbki cieplnej:
- cieplną zwykłą,
- cieplno-chemiczną,
- cieplno-mechaniczną (zwaną tak\e obróbką cieplno-plastyczną),
- cieplno-magnetyczną.
Klasyfikację obróbki cieplnej zwykłej przedstawiono na rysunku 1. Ka\dy proces
obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część
procesu technologicznego (np. hartowanie, wy\arzanie) wykonywana w sposób ciągły,
przewa\nie na jednym stanowisku roboczym, natomiast zabiegiem nazywamy część operacji
(nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie) (rys. 2).
Rys. 1. Rodzaje obróbki cieplnej zwykłej [12, s. 97]
Rys. 2. Podstawowe zabiegi obróbki cieplnej [12, s. 97]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość
nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz
szybkość chłodzenia w zale\ności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie
materiału mo\e przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy. Podczas nagrzewania
stopniowego rozró\nia się: podgrzewanie - nagrzewanie do temperatury pośredniej
i dogrzewanie - nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia
stopniowego wyró\niamy pojęcia: podchładzanie - chłodzenie do temperatury pośredniej
oraz wychładzanie - chłodzenie do temperatury końcowej. Chłodzenie powolne (w piecu,
spokojnym powietrzu) nazywamy studzeniem, natomiast chłodzenie szybkie (w wodzie,
oleju) nazywamy oziębianiem. Ochłodzenie i wytrzymanie materiału w temperaturze poni\ej
0�C nazywamy wymra\aniem.
Cel obróbki cieplnej
Pod wpływem temperatury i czasu w stanie stałym zachodzą zmiany struktury materiału
i uzyskuje się wymagane zmiany własności mechanicznych, właściwości chemicznych
i fizycznych.
Zmiany struktury wewnętrznej materiału w procesie grzania i chłodzenia
Czyste \elazo ze względu na niskie właściwości wytrzymałościowe ma zastosowanie
w ograniczonym zakresie. Stopy \elaza wykazują lepsze właściwości wytrzymałościowe
i mają większe zastosowanie. śelazo jako istotny składnik wszystkich stopów, w zale\ności
od temperatury i ciśnienia przegrupowuje swoje atomy w sieciach. Zjawisko to nazywa się
alotropią.
śelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych: ą i ł. Odmiana ą ma sieć
krystaliczną regularną przestrzennie centrowaną A2 i występuje w dwóch zakresach
temperatur: niskich do 910�C i wysokich w zakresie 1390 1534�C.
Odmiana ł ma sieć ma sieć krystaliczną płasko centrowaną A1 i jest trwała w zakresie
temperatur 910 1390�C.
Na krzywych ogrzewania i chłodzenia występują cztery przystanki temperatury (rys. 3):
do 1534�C występuje topnienie i krzepnięcie,
w temperaturze 1390�C przemiana alotropowa ł �! ą oraz ą �! ł,
w temperaturze 910�C przemiana alotropowa ą �! ł oraz ł �! ą,
w temperaturze 768�C przemiana magnetyczna.
Rys. 3. Przemiany alotropowe \elaza przy ogrzewaniu i chłodzeniu [12, s. 66]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
Właściwości mechaniczne stopów zale\ą od wewnętrznej budowy, czyli struktury.
Struktura stopu obejmuje rodzaj, wielkość, formę, wzajemny układ oraz rozproszenie
kryształów. śelazo tworzy dwa rodzaje układów \elazo-węgiel. Układ stabilny reprezentujący
równowagę układu \elazo-grafit i układ niestabilny \elazo-cementyt. Zwykle wykresy
reprezentujące te układy są nało\one na siebie w celach porównawczych (rys. 4).
Układ \elazo-cementyt charakteryzuje dwa obszary:
- pierwszy - reprezentujący zmiany stanu skupienia ograniczony od góry linią łamaną
ABCD zwaną likwidusem,
- drugi - dotyczący przemian w stanie stałym znajdujący się poni\ej linii łamanej AHJECF
zwanej solidusem.
Rys. 4. Układ \elazo-węgiel [12, s. 68]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
Na wykresie układu równowagi \elazo-cementyt wyró\nia się trzy podstawowe
przemiany zachodzące w stałych temperaturach:
- perytektyczna (roztwór ciekły) B + ąH => łJ - punkt J,
- eutektyczna (roztwór ciekły) C => łE + Fe3C - punkt E,
- eutektoidalna (roztwór stały) łS => ąP + Fe3C - punkt S.
Mo\na równie\ wskazać linie: AH, NJ+ JE i GP, które oznaczają koniec krystalizacji
roztworów stałych. Pola ograniczone liniami wyznaczonymi przez punkty: AHN (� = ą),
NJESG (ł) oraz GPQ (ą) reprezentują roztwory stałe. Mieszaniny faz krystalizują w trakcie
rozpadu roztworów: ł + Fe3C w przemianie eutektycznej, ą + Fe3C w przemianie
eutektoidalnej. Linia zmiennej rozpuszczalności węgla w \elazie ą - QP - wykazuje
graniczną rozpuszczalność węgla 0,021 % przy temperaturze 723�C w punkcie P. Linia SE
wykazuje maksymalną rozpuszczalność węgla 2,06% przy temperaturze 1147�C w punkcie
E oraz zmniejszanie się rozpuszczalności wraz z obni\aniem się temperatury do 0,8% C
w temperaturze 723�C - punkt S.
Roztwory stałe i mieszaniny stanowiące strukturę stopów w układzie równowagi
charakteryzują następujące składniki:
- ferryt (ą) - roztwór stały międzywęzłowy węgla w \elazie ą, (Feą),
- austenit (ł) - roztwór stały międzywęzłowy węgla w \elazie ł, (Feł),
- ledeburyt - mieszanina eutektyczną austenitu ł i cementytu Fe3C, (ł + Fe3C),
- perlit - mieszanina eutektoidalną ferrytu ą i cementytu Fe3C, (ą + Fe3C).
Struktury stopów \elaza zawierają cementyt pochodzący z trzech wydzieleń
zachodzących w odmiennych warunkach. W pierwszym przypadku cementyt wydziela się
z cieczy podczas krystalizacji wzdłu\ linii CD i nosi nazwę cementytu pierwszorzędowego,
Fe3CI. Następnie cementyt wydziela się z roztworu stałego ł, tj. austenitu, wg linii ES i nosi
nazwę cementytu drugorzędowego. Fe3CII. W trzecim przypadku cementyt wydziela się
z ferrytu wg linii PQ i nazywa się cementytem trzeciorzędowym, Fe3CIII. Ka\dy rodzaj
cementytu ma ró\ny wpływ na właściwości stopów, poniewa\ warunki tworzenia się tych
odmian decydują o zró\nicowanym rozmieszczeniu i geometrii struktury stopu.
Ledeburyt w temperaturze tworzenia się - 1147�C - jest mieszaniną dwóch faz austenitu
i cementytu, z której to przy obni\aniu się temperatury wydziela się cementyt drugorzędowy.
W temperaturze 723�C następuje przemiana austenitu w perlit. Przy dalszym obni\aniu się
temperatury - poni\ej 723�C - ledeburyt staje się mieszaniną perlitu i cementytu. Jest to
ledeburyt przemieniony.
Perlit powstaje z rozpadu austenitu w temperaturze 723�C wskutek zmiany sieci
krystalicznej przestrzennie centrowanej na płasko centrowaną. A1 => A2. Sieć A2 ma
przestrzenie luk mniejsze od Al, a więc rozpuszczalność węgla w sieci A2 maleje. Powstaje
mieszanina roztworu stałego ą ubogiego w węgiel z bogatym w węgiel cementytem.
W zale\ności od zawartości węgla w stopach \elazo-węgiel wyró\nia się następujące
struktury stali niestopowych:
- ferrytyczną - C < 0,008%,
- ferrytyczną z wydzieleniami cementytu trzeciorzędowego na granicach ziaren - 0,008%
< C < 0,027%,
- ferrytyczno-perlityczną - 0,02% < C < 0,8%,
- perlityczną - 0,8%C,
- zło\oną z perlitu i cementytu drugorzędowego - 0,8% < C < 2,06%.
Na wykresie układu równowagi \elazo-węgiel wyró\nia się charakterystyczne
temperatury przemian oznaczone literą A (arret - przystanek temperatury) z odpowiednimi
indeksami (rys. 5):
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
Ao - temperatura przemiany magnetycznej cementytu 210�C,
A1 - temperatura przemiany eutektoidalnej 723�C - linia PSK,
A2 - temperatura przemiany magnetycznej ferrytu 768�C - linia MO,
A3 - temperatura przemiany alotropowej Feą => Feł, dla czystego \elaza 910�C - punkt G, dla stopów \elaza
linia łamana GSK, na odcinku SK linia A3 pokrywa się z linią A1, więc ten odcinek oznacza się jako A1,3,
A4 - temperatura przemiany alotropowej Feł <=> Feą, dla czystego \elaza 1390�C - punkt N, - linia NH.
Acm - temperatura początku wydzielania cementytu Fe3C z austenitu lub końca rozpuszczania cementytu
w austenicie, czyli graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem drugorzędowym - linia SE.
Rys. 5. Fragment wykresu równowagi \elazo-cementyt z oznaczeniami temperatury przemian [12, s. 70]
Dla wyró\nienia, czy określona temperatura została uzyskana przy podgrzewaniu czy
przy oziębianiu, do litery A dodaje się indeks c przy ogrzewaniu lub r przy oziębianiu (patrz
rys. 5). Wykres \elazo-grafit ma podobny charakter i jest zwykle nanoszony na wykres
\elazo-cementyt do celów porównawczych. Wykresy te mają du\e znaczenie praktyczne,
poniewa\ umo\liwiają śledzenie przemian i struktury technicznych stopów \elaza z węglem.
Podczas nagrzewania stali, powy\ej temperatury AC1, rozpoczyna się przemiana perlitu
w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po
przekroczeniu temperatury AC3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach
nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach
międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia
przemiany austenitycznej zale\y głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powy\ej
temperatury AC1, (AC3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy
grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj.
dyspersji perlitu. Przemianę tę mo\na rozwa\ać w trzech następujących po sobie etapach:
- utworzenie austenitu niejednorodnego,
- utworzenie austenitu jednorodnego,
- rozrost ziaren austenitu.
Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest
niejednorodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych
konieczne jest dalsze wygrzewanie.
Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna (rys. 6), jednak dalszy
wzrost temperatury lub czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do
rozrostu ziaren austenitu zale\y w znacznym stopniu od rodzaju stali, które mo\emy podzielić
na dwie grupy:
- stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie
temperatur do 900-950�C,
- stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po
zakończeniu przemiany austenitycznej.
Rys. 6. Schemat wpływu temperatury austenityzowania na wielkość ziarna austenitu w stalach drobno-
i gruboziarnistych (DAD, DAG - wielkość ziarna austenitu w stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej,
DP - wielkość ziarna perlitu) [15]
Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu są dyspersyjne cząstki obcych
faz, uniemo\liwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą
skłonnością do rozrostu ziaren nale\ą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają
dyspersyjne cząstki Al2O3 i AlN) oraz stale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno
rozpuszczalne węgliki. Stale drobnoziarniste umo\liwiają stosowanie szerszego zakresu
temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wy\szej temperatury obróbki
plastycznej na gorąco. Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę
właściwości mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych
i ulepszanych cieplnie.
Austenit jest fazą trwałą tylko w pewnym zakresie temperatur i po ochłodzeniu poni\ej
temperatury Ar, ulega przemianie perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej. Dane
dotyczące zale\ności struktury i właściwości stali od temperatury i czasu przemiany
przechłodzonego austenitu zawierają wykresy CTP (rys. 7 i 8).
Rozpoczęcie przemiany austenitu wymaga pewnego czasu zwanego czasem inkubacji
austenitu , który jest potrzebny do przegrupowania atomów oraz powstania zarodków nowej
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
fazy. Czas inkubacji austenitu przy chłodzeniu izotermicznym zale\y przede wszystkim od
temperatury i jest najdłu\szy w temperaturze bezpośrednio poni\ej temperatury A1. Wraz
z obni\eniem temperatury czas trwałości przechłodzonego austenitu ulega skróceniu osiągając
minimum w temperaturze 500-550�C. Poni\ej temperatury 550�C czas inkubacji austenitu
wydłu\a się a\ do osiągnięcia temperatury początku przemiany martenzytycznej.
Rys. 7. Wykresy CTPi (a) i CTPc (b) dla niestopowej stali podeutektoidalnej [15]
Rys. 8. Wykres CTP izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej [15]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur
pomiędzy temperaturą Ar1, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550�C. W jej
wyniku, z austenitu, powstaje mieszanina eutektoidalna zło\ona z płytek ferrytu i cementytu
zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemiany dyfuzyjną, związaną
z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzi przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków.
Zarodkowanie perlitu przebiega homogenicznie na granicach ziaren austenitu czy
nierozpuszczonych cząstkach innych faz, przy czym z danych doświadczalnych wynika, \e
w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubo\enie zawartości węgla
w otaczającym ją austenicie. Gdy stę\enie węgla w austenicie spadnie do poziomu
odpowiadającego jego zawartości w ferrycie - powstaje płytka ferrytu, co prowadzi do
wzbogacenia sąsiednich obszarów austenitu w węgiel do zawartości wymaganej dla
powstania płytki cementytu. Kolonia perlitu rośnie poprzez dobudowywania nowych płytek
ferrytu i cementytu oraz przez wzrost czołowy, który zachodzi na drodze dyfuzyjnego
przegrupowywania atomów węgla.
Rys. 9. Schemat przebiegu przemiany perlitycznej: a) tworzenie się płytek cementytu i ferrytu,
b) zapoczątkowanie przemiany perlitycznej na granicach ziaren austenitu, c) wzrost perlitu [15]
Na rysunku 9 przedstawiono schemat przebiegu przemiany perlitycznej.
W warunkach chłodzenia izotermicznego odległość między płytkami ferrytu i cementytu
zmniejsza się wraz z przechłodzeniem austenitu. Na przykład w perlicie utworzonym
w temperaturze 700�C odległość między płytkami wynosi ok. 1 �m, a w perlicie utworzonym
w temperaturze 600�C - 0,1 �m.
Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości
austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia
izotermicznego w zale\ności od temperatury przemiany rozró\nia się bainit górny, tworzący
się w zakresie temperatury poni\ej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400�C
oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400�C a temperaturą początku
przemiany martenzytycznej.
Przemiana bainityczna rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu na granicach
ziaren austenitu. Obecnie przyjmuje się, \e przemiana sieci austenitu w sieć ferrytu jest typu
martenzytycznego, czyli zachodzi na drodze bezdyfuzyjnego ścinania. Natomiast węgliki
tworzą się w wyniku dyfuzji węgla i zarodkowania nowej fazy. Wynika stąd, \e bainit jest
mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, \e
zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie
cementytu zachodzi na granicy międzyfazowej ą / ł. Morfologia tworzącego się cementytu na
granicach listew ferrytu zale\y od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
występują izolowane cząstki cementytu, natomiast przy większych zawartościach cementyt
przyjmuje postać cienkiej błonki węglików po granicach listew ferrytu. W bainicie dolnym
zarodki ferrytu krystalizują na granicy ziaren austenitu oraz na ju\ istniejących płytkach
ferrytu. Istotną cechą bainitu dolnego jest równie\ to, \e wydzielanie się węglików zachodzi
wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zale\ności od warunków przemiany, mo\e wydzielić
się cementyt lub węglik �. Węglik � o C zawiera 8,4% C i krystalizuje w układzie
heksagonalnym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.
Wraz z obni\eniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu
bainitycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew
ferrytu bainitycznego rośnie równie\ ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem
morfologicznym bainit górny jest bardziej zbli\ony do perlitu drobnego, a bainit dolny do
martenzytu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyró\nia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny,
występujący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach
nadeutektoidalnych powy\ej temperatury 350�C.
Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi
w stalach po przechłodzeniu austenitu poni\ej temperatury Ms z prędkością równą lub
większą od prędkości krytycznej. W wyniku powy\szej przemiany powstaje martenzyt tj.
przesycony roztwór węgla w \elazie ą, o strukturze tetragonalnej, powstającej przez
zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością atomów węgla. Parametry sieci
tetragonalnej martenzytu, a tym samym jego właściwości zale\ą głównie od zawartości węgla
w martenzycie. Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana
obni\eniem symetrii sieci i wysokimi naprę\eniami wywołanymi przez atomy
międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych (dyslokacji, mikroblizniaków).
Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi
z bardzo du\ą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi ok.
10-7 s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obni\anie temperatury a\
do osiągnięcia temperatury Mf (ang. martensite finish), poni\ej której przemiana
martenzytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.
Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem
szczątkowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około
3-4%, co powoduje wzrost naprę\eń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej
przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zale\y od:
zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej,
temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf.
Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz zawartość
austenitu szczątkowego w stali węglowej został przedstawiony na rysunkach 10 i 11.
Rys. 10. Wpływ węgla na temperaturę przemiany martenzytycznej (Ms i Mf) szczątkowego [15]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
Rys. 11. Wpływ węgla na zawartość austenitu [15 ]
W miarę wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura Ms, jak i Mf ulega
obni\eniu, przy czym w stalach o zawartości ponad 0,6% C temperatura Mf le\y poni\ej zera
�C i dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest
przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymra\ania). Ilość austenitu szczątkowego
w stali wzrasta równie\, je\eli podczas chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf próbka
zostanie izotermicznie wytrzymana.
Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów
bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu, a na powierzchni próbki
tworzy się charakterystyczny relief.
Przemiany podczas odpuszczania
Podczas wygrzewania w temperaturze ni\szej od A1 stali uprzednio zahartowanej
zachodzą następujące przemiany:
- rozkład martenzytu,
- przemiana austenitu szczątkowego w fazę ą,
- wydzielanie węglika i cementytu w stalach węglowych oraz innych węglików w stalach
stopowych,
- koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania.
W zale\ności od temperatury mo\emy wyró\nić kilka stadiów odpuszczania, w których
przewa\a jedna z przemian. Na rysunku 12 przedstawiono wpływ temperatury odpuszczania
na zmiany długości próbki.
Rys. 12. Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany długości próbki [15]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
Pierwsze stadium przebiega w zakresie temperatur 80-200�C. Z martenzytu wydziela się
węgiel w postaci drobnodyspersyjnego węglika �, co powoduje zmniejszenie tetragonalności
martenzytu. Powy\szym przemianom towarzyszy skurcz próbki. Struktura po odpuszczaniu
składa się z martenzytu odpuszczonego, austenitu szczątkowego i wydzieleń węglika �.
Drugie stadium przebiega w zakresie temperatur 200-300�C. Przewa\ają tutaj procesy
przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony, co powoduje wydłu\enie
próbki. Struktura stali składa się z martenzytu odpuszczonego i węglika �.
W trzecim stadium odpuszczania (300-400�C) następuje całkowite wydzielenie się
węgla z martenzytu, rozpuszczanie się węglika � w osnowie i niezale\ne wydzielanie
cementytu. W powy\szym stadium odpuszczania następuje silny skurcz próbki. Struktura
próbki składa się martenzytu odpuszczonego (roztworu ą) i wydzieleń cementytu. Powy\ej
temperatury 400�C rozpoczyna się czwarte stadium odpuszczania, w którym zachodzą
procesy koagulacji cementytu, polegające na stopniowym rozpuszczaniu się mniejszych
cząstek cementytu i wzroście większych.
W temperaturze ok. 600�C następuje sferoidyzacja cementytu. Struktura składa się
z wysokoodpuszczonego martenzytu (zło\onego z bardzo drobnych kulistych cząstek
cementytu w osnowie ferrytu).
Parametry zabiegów obróbki cieplnej
Podstawowymi parametrami obróbki cieplnej są:
temperatura nagrzewania (najwy\sza temperatura, do której nale\y nagrzać przedmiot),
średnia szybkość nagrzewania lub czas nagrzewania,
czas wygrzewania,
średnia szybkość chłodzenia lub czas chłodzenia.
Istota obróbki cieplno-chemicznej
Obróbka cieplno-chemiczna stali polega na wzbogaceniu stali powierzchniowej warstwy
przedmiotu w pierwiastek w celu zmiany składu chemicznego powierzchni. Podstawą tej
obróbki jest zjawisko dyfuzji, które polega na przenikaniu atomów aktywnego środowiska
(węgla, azotu) W wyniku tej obróbki otrzymuje się twardą powierzchnię o du\ej odporności
na ścieranie, przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwości rdzenia. Metody obróbki cieplno-
chemicznej przedstawia rysunek 13.
Rys. 13. Metody obróbki cieplno-chemicznej z uwzględnieniem rodzaju pierwiastka nasycającego [15]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest obróbka cieplna?
2. Jakie są rodzaje obróbki cieplnej?
3. Jakie przemiany zachodzą w stali podczas obróbki cieplnej?
4. Czym ró\ni się zabieg chłodzenia od studzenia?
5. Jakie jest praktyczne zastosowanie obróbki cieplnej?
6. Jakie parametry obróbki decydują o przemianach fazowych zachodzących w stali?
7. Jakie są typowe procesy obróbki cieplnej?
8. Na czym polega wy\arzanie, hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Przedstaw w tabeli podstawowe procesy obróbki cieplnej, ich charakterystykę i cel
stosowania.
Tabela do ćwiczenia 1
Procesy obróbki cieplnej Charakterystyka procesów Cel stosowania procesów
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) określić podstawowe procesy obróbki cieplnej,
2) scharakteryzować procesy obróbki cieplnej,
3) określić cel stosowania procesów obróbki cieplnej
4) zapisać informacje w tabeli,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- kartka,
- długopis.
Ćwiczenie 2
Rozpoznaj elementy wykresu \elazo-węgiel. Uzupełnij puste miejsca na wykresie.
Rysunek do ćwiczenia 2
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) rozpoznać elementy układu \elazo-węgiel,
2) uzupełnić pozostawione puste miejsca na wykresie
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- kartka,
- długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) określić właściwości stali po obróbki cieplnej?
2) scharakteryzować składniki strukturalne stopu Fe-C?
3) wyjaśnić znaczenie przemian zachodzących w wyniku obróbki
cieplnej dla właściwości stali?
4) określić parametry obróbki cieplnej, decydujące o przemianach
fazowych zachodzących w stali?
5) wyró\nić przemiany fazowe zachodzące podczas nagrzewania,
chłodzenia, odpuszczania?
6) scharakteryzować zmiany właściwości stali w poszczególnych
fazach?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
4.2. Urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej
4.2.1. Materiał nauczania
Rodzaje grzania
Podstawowymi urządzeniami do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej są piece słu\ące
do ogrzewania metali. Podstawowymi elementami ka\dego pieca są:
- trzon czyli podstawa, na której spoczywa wsad, czyli obiekt poddawany obróbce
cieplnej,
- komora czyli przestrzeń robocza pieca ograniczona ścianami z materiałów odpornych
na temperaturę i ograniczających straty ciepła,
- płaszcz czyli blaszana osłona izolacji pieca.
Piece przemysłowe, w zale\ności od ich konstrukcji podzielić mo\na na: trzonowe,
dzwonowe, tyglowe, wannowe, wgłębne, z bębnami obrotowymi, ciągłego i okresowego
działania. Ze względu na cykl pracy dzielimy piece na piece do pracy ciągłej oraz piece do
pracy okresowej.
Piece do pracy ciągłej (przelotowe) dzieli się ze względu na ich konstrukcję, na piece
obrotowe, karuzelowe i tunelowe. Ze względu na sposób przemieszczania wsadu, na
przenośnikowe, przepychowe, wózkowe, grawitacyjne.
Piece do pracy okresowej (nieprzelotowe) dzielą się ze względu na swoją konstrukcję na:
komorowe, szybowe, kąpielowe (w tym solne), muflowe, z ochronnym trzonem.
Ze względu na atmosferę wyró\nić mo\na najogólniej piece pró\niowe, z atmosferą
kontrolowaną (z atmosferą ochronną, technologiczną), z wymuszonym obiegiem powietrza.
W zale\ności od zródła ciepła rozró\nia się piece na paliwo stałe, ciekłe lub gazowe oraz
piece elektryczne. Piece elektryczne, w zale\ności od sposobu przemiany energii elektrycznej
na energię cieplną dzielą się na:
- piece łukowe ogrzewane łukiem elektrycznym,
- piece oporowe ogrzewane ciepłem powstałym w wyniku przepływu prądu
elektrycznego przez przewodniki oporowe,
- piece indukcyjne gdzie ogrzewanie odbywa się na zasadzie powstawania ciepła pod
wpływem prądów indukowanych.
W piecach elektrycznych mo\na ustawiać i regulować temperaturę w przestrzeni
grzewczej z du\ą dokładnością. Przestrzeń grzewcza w tych piecach jest wolna od produktów
spalania i strata materiału na zgorzelinę jest minimalna.
Piece taśmowe elektryczne są przeznaczone do obróbki cieplnej w cyklu ciągłym.
Znajdują zastosowanie przede wszystkim w procesach hartowania, wy\arzania, odpuszczania,
odprę\ania oraz nawęglania. Mogą pracować w atmosferze powietrza, ochronnej lub
regulowanej.
Piece komorowe do pracy w atmosferze powietrza umo\liwiają przeprowadzanie
procesów obróbki cieplnej wsadu w zakresie temperatur do 1000�C, wy\arzanie
w temperaturze do 850�C, odpuszczanie po hartowaniu, nagrzewanie przed obróbką
plastyczną. Proces nagrzewania odbywa się w komorze przy zamkniętych drzwiach.
Piece elektryczne muflowe są piecami przeznaczonymi do przeprowadzania ró\nych
procesów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej w atmosferze ochronnej w temperaturze
odpowiednio do 1000� i 1100�C. Piece te mogą być wyposa\one w drugie drzwi, w tym jedne
z mieszarką, umo\liwiające proces nawęglania. Piece te mogą współpracować z systemami do
wytwarzania atmosfery na bazie ciekłych związków organicznych, z generatorami atmosfery
endo- lub egzotermicznej.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
Uniwersalne piece elektryczne komorowe umo\liwiają stosowanie nowoczesnych
technologii obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej wsadu w zakresie temperatur 750-1000�C.
w piecach tych mo\na przeprowadzać następujące procesy technologiczne:
- nawęglanie gazowe najczęściej w temperaturze od 850 do 950�C w atmosferze
nawęglającej,
- węgloazotowanie gazowe najczęściej w temperaturze od 780 do 900�C w atmosferze
uzyskanej z częściowo dysocjowanego amoniaku oraz z ciekłych związków
organicznych,
- nagrzewanie do hartowania w temperaturze 780 do 1000�C w atmosferze ochronnej
wytworzonej z ciekłych związków organicznych lub azotu,
- wy\arzanie w temperaturze do 650 do 850�C w atmosferze azotu, a od temperatury
750�C tak\e w atmosferze ochronnej wytworzonej z ciekłych związków organicznych
lub z generatora.
Procesy obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej w piecach tych odbywają się
w szczelnej komorze bez mo\liwości dostępu powietrza z zewnątrz. Wewnątrz komory jest
realizowany wymuszony obieg atmosfery za pomocą mieszarki. Polepsza się przez to
równomierność nagrzewania wsadu w przestrzeni u\ytkowej oraz zapewnia kontakt
wszystkich jego powierzchni z atmosferą oraz wyrównuje się skład atmosfery w całej
objętości komory.
W piecach procesy hartowania odbywają się w wannie olejowej znajdującej się
w przedniej części urządzenia. Wsad mo\e te\ być chłodzony w górnej przestrzeni
przedsionka pieca. Zasilanie pieca w energię elektryczną, sterowanie mechanizmami oraz
kontrola parametrów procesu odbywa się za pośrednictwem szafy sterowniczej.
Piece komorowe mają zwykle bardzo prostą konstrukcję. Piece małe wykonuje się jako
przenośne, a większe (powierzchnia trzonu powy\ej 4 m2) jako stałe.
W piecach elektrycznych wgłębnych procesy obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej
odbywają się w szczelnej retorcie, zamkniętej od góry pokrywą, bez mo\liwości dostępu
powietrza z zewnątrz. Wewnątrz retorty jest realizowany wymuszony obieg atmosfery za
pomocą wentylatora i układu kierownic.
Rysunek 14 przedstawia piec obrotowy, a rysunek 15 piec komorowy.
Rys. 14. Piec oczkowy obrotowy: 1 otwory gazów Rys. 15. Piec gazowy komorowy: 1 piec,
spalinowych, 2 palnik, 3 rurociąg gazu, 2 palniki, 3 rekuperator [3, s. 66]
4 rurociąg powietrza, 5 otwory powietrzne
[3, s. 66]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
Rysunki 16 i 17 przedstawiają piece elektryczne.
Rys. 16. Piec oporowy komorowy: 1 obudowa, 2 wymurowanie, 3 płyta denna, 4 mechanizm
podnoszenia drzwi [3, s. 63]
Rys. 17. Piec elektryczny tyglowy: 1 tygiel, 2 elementy grzejne, 3 elementy grzejne, 4 odciąg
szczelinowy [3, s. 70]
Chłodzenie w procesach obróbki cieplnej
Chłodzenie w procesach obróbki cieplnej polega na obni\eniu temperatury w celu
uzyskania odpowiednich właściwości przedmiotów.
Chłodzenie mo\na prowadzić z ró\nymi szybkościami obni\ania temperatury:
- oziębianie, du\e szybkości
- studzenie, wolniejsze obni\anie temperatury,
- wymra\anie, obni\anie temperatury poni\ej 0�C.
Największe zastosowanie do obróbki cieplnej mają kąpiele chłodzące. Zaliczamy do
nich:
- wodę, najszybszy ośrodek chłodzący,
- roztwory wodne zawierające dodatki w celu zwiększenia lub obni\enia szybkości
chłodzenia,
- oleje,
- roztopione sole,
- roztopione metale (roztopiony ołów).
Urządzenia do chłodzenia po obróbce cieplnej
Urządzeniami do chłodzenia po obróbce cieplnej są:
- wanny wodne; wanny mogą być chłodzone płaszczem wodnym lub wę\ownicą. Dopływ
wody do chłodnic powinien być u dołu, a odpływ u góry.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Rys. 18. Wanny chłodzone: a) płaszczem wodnym, b) wę\ownicą [3, s. 239]
- wanny olejowe; stosuje się po obróbce, je\eli wymagane jest utrzymanie stałej
temperatury kąpieli. Uzyskuje się to przy zastosowaniu krą\enia cieczy chłodzącej
oleju w obiegu zamkniętym,
- urządzenia do chłodzenia w powietrzu.
Rys. 19. Urządzenie do chłodzenia narzędzi w strumieniu powietrza [3, s. 112]
Dobieranie czasu nagrzewania
W zale\ności od przewodności cieplnej, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu, rodzaju
ośrodka (czynnika) nagrzewającego, ró\nicy temperatury między piecem a nagrzewanym
przedmiotem, temperatury nagrzewania, mocy pieca i innych czynników szybkość
nagrzewania mo\e być bardzo zró\nicowana. Najczęściej stosowany jest jeden z trzech
sposobów nagrzewania:
- powolne nagrzewanie wsadu z piecem,
- przyspieszone nagrzewanie wsadu w piecu o temperaturze obróbki cieplnej,
- szybkie nagrzewanie wsadu w piecu o temperaturze początkowej wy\szej od temperatury
obróbki cieplnej.
Celem jest zapewnienie uzyskania jednakowej temperatury w całym przekroju
obrabianego przedmiotu.
Czas grzania mo\na wyznaczyć metodami analitycznymi na podstawie zale\ności
teoretycznych. Praktycznie dobiera się go jednak na podstawie wykresów i tablic, które są
sporządzone na podstawie wyniku prób i pomiarów temperatury termoelementów
umieszczonych wewnątrz nagrzewanych próbek. Na rysunku 20 przedstawiona jest zale\ność
czasu nagrzewania w ró\nych piecach do obróbki cieplnej od średnicy przedmiotu
i temperatury grzania.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Rys. 20. Zale\ność czasu nagrzewania od temperatury grzania i średnicy wsadu w piecach: a) elektrycznym
komorowym, b) gazowym muflowym, c) elektrodowym solnym, d) elektrycznym wgłębnym
o wymuszonym obiegu powietrza [2, s. 260]
W tabeli 1 zestawione zostały orientacyjne wartości wskazników �1mm czasu grzania
przedmiotów ze stali węglowej do temperatury hartowania i odpuszczania, wyra\one
w minutach na milimetr przekroju.
Tabela 1. Orientacyjny wskaznik czasu �1mm grzania przedmiotów ze stali węglowej do temperatury hartowania
i odpuszczania w minutach na 1 mm średnicy lub grubości przedmiotu [2, s. 261]
Operacja
Hartowanie, wy\arzanie normalizujące
obróbki Odpuszczanie wysokie
i zupełne
cieplnej
Rodzaje pieca Komorowy Solny Komorowy Solny
nagrze- wygrze- nagrze- wygrze- nagrze- wygrze- nagrze- wygrze-
Zabiegi
wanie wanie wanie wanie wanie wanie wanie wanie
Wartość
wskaznika �1mm, 0,8 0,2 0,35 0,17 1,0 0,25 0,45 0,12
min/mm
Stale stopowe nale\y nagrzewać w czasie o 20 40% dłu\szym, a w przypadku
odpuszczania nawet w czasie 1 3 h. Praktycznie mo\na przyjąć, \e w przypadku obróbki
cieplnej stali węglowej w piecu komorowym czas grzania wynosi 1 min na 1 mm średnicy lub
boku przekroju przedmiotu.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
Do obliczania czasu grzania przedmiotów obrabianych cieplnie przyjmuje się wymiar
redukowany, wyznaczany jako iloczyn:
K . S
gdzie:
S minimalny wymiar charakterystyczny przedmiotu,
K współczynnik kształtu.
Wartości S i K dla ró\nych przedmiotów zawarte są w tabeli 2.
Tabela 2. Wymiary charakterystyczne S i współczynniki kształtu K dla ró\nych przedmiotów obrabianych
cieplnie [2, s. 263]
Współczynnik
Kształt przedmiotu Wymiar charakterystyczny S
kształtu K
Kula Średnica 0,7
Sześcian Długość boku 0,7
Walec Średnica 1,0
Prostopadłościan Długość boku 1,0
Pręt okrągły Średnica 1,0
Pręt kwadratowy Długość boku kwadratu 1,4
Pierścień Szerokość lub grubość pierścienia 1,5
Płaskownik lub blacha Grubość 1,5
Rura lub przedmiot Grubość ścianki
skrzynkowy 2,0
- dla rur krótkich odsłoniętych
4,0
- dla rur krótkich lub zaślepionych
Obsługa pieców do obróbki cieplnej
Zamknięcie pieców
Konstrukcja pieców do obróbki cieplnej powinna z jednej strony spełniać wymagania
pozwalające realizować zadania wynikające procesu technologicznego, z drugiej zaś
pozwolić na mo\liwie i maksymalne zabezpieczenie obsługi przed zagro\eniami
występującymi w czasie prowadzenia tych procesów.
Bardzo wa\nym zagadnieniem, z punktu widzenia bhp, jest zamknięcie pieców do
obróbki cieplnej. To zagadnienie wią\e się z kwestią łatwego załadowania i rozładowania
pieca, a więc zmniejszenia obcią\enia fizycznego, jak równie\ ze sprawą bezpieczeństwa
pracy obsługi. Z tych powodów drzwi pieców powinny być wyposa\one w odpowiednie
mechanizmy i urządzenia ułatwiające ich otwieranie i zamykanie oraz właściwie izolowane,
a nawet powinny być chłodzone, celem zabezpieczenia obsługi przed skutkami działania
wysokiej temperatury. Przykłady drzwi do pieców przedstawiają rysunki 21 i 22
Rys. 21. Drzwi zawiasowe dla małych pieców do Rys. 22. Ró\ne sposoby mocowania materiału
obróbki cieplnej [3, s. 129] ogniotrwałego do ramy drzwi pieca [3, s. 129]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26
Do małych pieców stosuje się najczęściej drzwi zawiasowe składające się z zewnętrznego
płaszcza \eliwnego stanowiące ramę i wyło\enia ogniotrwałego. Do większych pieców
stosuje się drzwi podnoszone, o odpowiednio mocniejszej konstrukcji, gdzie rama \eliwna,
wyło\ona cegłami ogniotrwałymi.
Aadowanie, rozładowanie pieca
Wykonywanie czynności związanych z załadowaniem i wyładowaniem wsadu
przeznaczonego do obróbki cieplnej, zwłaszcza przy obsłudze pieców o pracy okresowej,
stwarza szereg zagro\eń i w znacznym stopniu obcią\a fizycznie obsługę pieców.
Najczęściej, w czasie prowadzenia tych czynności, obsługa nara\ona jest na następujące
zagro\enia: promieniowanie cieplne, oparzenia rozgrzanymi przedmiotami, urazy przy
ładowaniu lub wyładowywaniu przedmiotów z pieca.
Niebezpieczeństwa oparzeń i urazów mechanicznych występujące w czasie. ładowania
i rozładowania wsadu mo\na ograniczyć do minimum poprzez zachowanie szczególnej
ostro\ności przy wykonywaniu tych samych czynności, oraz stosowaniu odpowiednich
urządzeń i narzędzi pomocniczych. Dodatkowo oprócz odzie\y ochronnej przed działaniem
promieniowania cieplnego nale\y stosować buty ochronne wzmocnione podnoskami
stalowymi o raz rękawice azbestowe, które chronią dłonie przed oparzeniami.
Przepisy bhp przy obsłudze pieców elektrycznych
1. Drzwi pieca powinny być wyposa\one w wyłączniki drzwiowe oraz urządzenia świetlne
sygnalizujące wyłączenie i włączenie prądu do uzwojeń grzejnych.
2. Wszystkie urządzenia zasilane prądem powinny być uziemione.
3. Załoga obsługi pieca powinna być wyposa\ona w rękawice i obuwie gumowe.
4. W układzie zasilania powinien być zainstalowany wyłącznik główny odcinający dopływ
prądu oraz wyłączniki poszczególnych pieców.
5. Przewody doprowadzające prąd powinny być osłonięte w celu zabezpieczenia przed
wilgocią i mechanicznymi uszkodzeniami.
6. Nale\y prowadzić systematyczną kontrolę urządzeń sieci elektrycznej, stanu uziemień
i izolacji.
7. Nie wolno dotykać gołą ręką uzwojeń grzejnych, połączeń elektrycznych oraz
induktorów.
8. Nie wolno dotykać zerwanych przewodów elektrycznych.
9. W przypadku stwierdzenia uszkodzeń instalacji elektrycznej nale\y bezwzględnie
wyłączyć prąd za pomocą wyłącznika głównego.
10. W razie po\aru nale\y gasić urządzenia elektryczne za pomocą specjalnych gaśnic.
11. Instrukcję obsługi oraz instrukcję dotyczącą ratowania pora\onych prądem nale\y
umieścić w widocznym miejscu.
Tabela 3. Środki ochrony przed pora\eniem prądem elektrycznym [4, s. 955]
Sposób ochrony Realizacja Uwagi
Izolowanie obsługi od ziemi Kontrolować okresowo izolację. Znajdujące się
podłoga z materiału izolacyjnego, w pobli\u uziemione konstrukcje izolować lub
chodnik izolacyjny. połączyć z obudową urządzeń elektrycznych.
Izolacja miejsca pracy Izolowanie obsługi od urządzeń:
osłony i ogrodzenia,
umieszczenie urządzeń poza
zasięgiem ręki.
Obni\anie napięcia Transformator i przetwornice Stosowane głównie przy odbiornikach małej
zródła prądu mocy.
Połączenie obudowy urządzeń z Nie powinno powstać napięcie między
Uziemienie ochronne uziemieniem. urządzeniem a ziemią o wartości niebezpiecznej
dla obsługi. Powinno działać zabezpieczenie.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
Połączenie obudowy urządzeń Warunki dodatkowe:
przewodem zerowym. Punkt zerowy transformatora powinien być
uziemiony.
Zerowanie Ciągłość przewodu zerowego bez
bezpieczników.
Odpowiedni przekrój przewodu zerowego.
Dodatkowe uziemienie przewodu zerowego.
Wyłącznik z wyzwalaczem lub Przekaznik wyzwalacz działa przy przepływie
przekaznikiem przeciwpo\arowym. prądu od obudowy do ziemi lub na skutek
Wyłączniki ochronne
ró\nicy prądów w poszczególnych fazach
układ ró\nicowy.
Instrukcja bezpieczeństwa i higieny pracy w pracowni obróbki cieplnej
Uczniowie wykonujący ćwiczenia w pracowni obróbki cieplnej zobowiązani są
przestrzegać następujących zasad bezpieczeństwa i higieny pracy:
1. Ka\dy uczeń powinien być ubrany w ubranie robocze i stosować w razie potrzeby
rękawice, obuwie ogniotrwałe lub gumowe, okulary ochronne.
2. Stanowiska robocze powinny być wyposa\one w szczegółowe instrukcje.
3. Nale\y sprawdzić stan urządzeń przed wykonaniem pracy.
4. Na stanowiskach nale\y utrzymywać porządek.
5. Wszystkie czynności związane z obsługą urządzeń elektrycznych powinny odbywać się
w obecności nauczyciela.
6. Zauwa\one awarie nale\y bezwzględnie zgłaszać nauczycielowi.
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są sposoby podgrzewania przedmiotów w obróbce cieplnej?
2. Jakie rodzaje pieców stosuje się do podgrzewania przedmiotów?
3. Jakie są podstawowe elementy konstrukcyjne pieca do obróbki cieplnej?
4. Jakie środowiska stosowane są do chłodzenia metali w obróbce cieplnej?
5. Jakie są kryteria podziału pieców produkcyjnych?
6. Kiedy stosuje się chodzenie w strumieniu powietrza?
7. Jakie urządzenie stosuje się do chłodzenia narzędzi w strumieniu powietrza?
8. Jakie typy pieców stosowane są w procesach obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ operacje i parametry obróbki cieplnej, jakie mo\na wykonać w piecu oporowym,
komorowym, w oparciu o dokumentację techniczną urządzenia.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować dokumentację techniczną pieca,
2) wyszukać informacje dotyczące realizacji procesów technologicznych w piecu
oporowym komorowym,
3) zapisać informacje w zeszycie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
Wyposa\enie stanowiska:
- dokumentacja techniczna pieca oporowego, komorowego,
- kartka, długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Na podstawie instrukcji obróbki cieplnej dokonaj nagrzania 4 sztuk kutych prętów
kwadratowych ze stali 20G2 o boku 30 mm i długości 400 mm do wy\arzania
normalizującego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) przeanalizować instrukcję obsługi pieca,
3) przeanalizować instrukcję obróbki cieplnej stali 20G2,
4) uło\yć wsad w piecu zgodnie z zasadami bhp,
5) nastawić temperaturę i czas grzania zgodnie z instrukcją,
6) załączyć piec i kontrolować przebieg procesu grzania,
7) wyłączyć piec,
8) wyjąć wsad i studzić zgodnie z instrukcją,
9) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- piec oporowy komorowy,
- instrukcja obróbki cieplnej,
- instrukcja obsługi pieców,
- narzędzia robocze,
- odzie\ ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej.
Ćwiczenie 3
Oblicz czas grzania walca ze stali węglowej, o średnicy 0,3 m i długości 1,5 m do
temperatury hartowania i odpuszczania.
Sposób wykonania ćwiczenia
1) określić wymiar charakterystyczny dla walca,
2) odczytać wartość współczynnika K dla walca,
3) określić wymiar redukowany zastosować wzór K . S,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- kartka,
- długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) określić kryteria podziału pieców stosowanych w przemyśle?
2) określić rodzaje pieców, ze względu na ich konstrukcję?
3) określić rodzaje pieców, ze względu na cykl pracy?
4) wymienić typy pieców słu\ących do obróbki cieplnej i cieplno-
chemicznej?
5) opisać urządzenia do chłodzenia po obróbce cieplnej?
6) określić rodzaje kąpieli stosowanych przy chłodzeniu?
7) objaśnić budowę i obsługę pieca komorowego?
8) objaśnić przebieg procesu obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej dla
wybranego typu pieca?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
4.3. Wy\arzanie
4.3.1. Materiał nauczania
Wy\arzanie to proces obróbki polegający na nagrzaniu stopu do odpowiedniej
temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia.
Szybkość chłodzenia zale\y od temperatury wy\arzania:
- po wy\arzaniu w temperaturze wy\szej od temperatury przemian szybkość chłodzenia
powinna być niewielka,
- po wy\arzaniu w temperaturze ni\szej od przemian szybkość chłodzenia jest dowolna.
Zale\nie od rodzaju wy\arzania, właściwości obrabianego metalu zmieniają się
w szerokim zakresie.
W wyniku wy\arzania mo\na uzyskać:
- poprawę obrabialności przy skrawaniu,
- zwiększenie plastyczności przy tłoczeniu na zimno,
- zwiększenie jednorodności struktury i składu chemicznego,
- zmniejszenie naprę\eń powstałych podczas zgniotu, spawania.
Rodzaje wy\arzania przedstawia rysunek 23.
Rys. 23. Zakresy temperatur wy\arzania stali niestopowych [15]
Do rodzajów wy\arzania zalicza się stabilizowanie.
Bardzo często przeprowadzane jest wy\arzanie rekrystalizujące. Ma ono na celu
usunięcie skutków zgniotu.
Rys. 24. Wpływ wy\arzania rekrystalizującego na strukturę materiału poddanego zgniotowi: a) faza przed
rekrystalizacją b) faza przejściowa rekrystalizacji c) odbudowane komórki po rekrystalizacji [6, s. 220]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
Rodzaje wy\arzania przedstawione zostały w tabeli 4.
Tabela 4. Rodzaje wy\arzania [15]
Rodzaje
Nagrzewanie Chłodzenie Cel obróbki Zastosowanie
wy\arzania
Wy\arzanie w temperaturze powolne chłodzenie - zmniejszenie - du\e odlewy
ujednorodniające (studzenie)
150-250�C powy\ej niejednorodności staliwne,
(homogenizowanie)
linii GS przewa\nie składu
- wlewki przed
chemicznego
w 1000-1250�C obróbką
plastyczną.
Wy\arzanie w temperaturze powolne chłodzenie - otrzymanie - stal walcowana,
normalizujące (studzenie)
150-250�C powy\ej struktury
- odkuwki,
(normalizowanie) w spokojnym
linii GS jednolitej
- odlewy.
powietrzu
i drobnoziarnistej
z polepszeniem
właściwości
mechanicznych,
- usunięcie
wewnętrznych
naprę\eń
skutków zgniotu,
- polepszenie
obrabialności
stali węglowych
i stopowych
Wy\arzanie w temperaturze powolne chłodzenie - uzyskanie dobrej
zupełne do całkowitego
150-250�C ciągliwości,
ochłodzenia w celu
powy\ej linii GS
- uzyskanie małej
zupełnego
twardości,
przekrystalizowania
- podwy\szenie
stali
udarności,
- usunięcie
wewnętrznych
naprę\eń,
- polepszenie
obrabialności.
Wy\arzanie w temperaturze powolne chłodzenie - uzyskanie - przed
sferoidyzujące 30 50�C (studzenie)
struktury hartowaniem
(zmiękczanie) powy\ej linii PS
cementytu stali
kulkowego narzędziowych.
(sferoidyzacja),
- polepszenie
obrabialności
skrawaniem dla
stali o większej
zawartości
węgla,
- usunięcie
naprę\eń
wewnętrznych.
Wy\arzanie w temperaturze
- rozkład - \eliwo białe.
grafityzujące powy\ej linii PS
cementytu na
(grafityzowanie)
grafit (węgiel
\arzenia),
- uzyskanie
z \eliwa białego
\eliwa
ciągliwego
czarnego.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
Wy\arzanie nagrzanie do powolne chłodzenie - usunięcie - stale uprzednio
rekrystalizujące temperatury wy\szej (studzenie)
skutków zgniotu. zgniecione.
(rekrystalizowanie) od temperatury
rekrystalizacji
(ok. 600-650�C),
poni\ej linii PS
Wy\arzanie Nagrzanie do powolne chłodzenie - zmniejszenie - zgnieciona stal,
odprę\ające temperatury poni\ej (studzenie)
naprę\eń odlewy, spoiny
(odprę\anie) linii PS
wewnętrznych. spawalnicze.
(zwykle poni\ej
650�C)
Stabilizowanie wygrzanie
- stabilizacja - narzędzia
w temperaturze
wymiarów po pomiarowe,
100-150�C stali hartowaniu albo - przyrządy
węglowych, nisko
precyzyjne.
w temperaturze odpuszczonych.
200�C stali
wysokochromowych
Ogrzewanie przedmiotów do odpowiednich temperatur wy\arzania odbywa się w tych
samych piecach co inne rodzaje obróbki cieplnej. Temperatury określamy za pomocą
pirometrów lub w przybli\eniu za pomocą barw \arzenia.
Najczęstszymi wadami nieprawidłowego przeprowadzania wy\arzania wynikającymi
z niedotrzymania właściwej temperatury, środowiska silnie utleniającego jest:
- przegrzanie, struktura gruboziarnista na przełomie,
- przepalenie, którego oznaką są drobne pęknięcia.
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz rodzaje wy\arzania?
2. W jakiej temperaturze przeprowadza się wy\arzanie normalizujące?
3. Na czym polega proces obróbki cieplnej stabilizowanie?
4. W jakiej temperaturze przeprowadza się wy\arzanie sferoidyzujące?
5. Jakie są najczęstsze wady nieprawidłowego wy\arzania?
6. Jaki jest cel stosowania wy\arzania normalizującego?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie norm dobierz temperaturę i czas wy\arzania normalizującego dla stali 35.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować normy,
2) odczytać z tabeli temperaturę i czas wy\arzania normalizującego,
3) zanotować parametry wy\arzania w zeszycie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- karty materiałowe, normy,
- zeszyt,
- przybory do pisania
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Wykonaj wy\arzanie normalizujące staliwa i stali. Określ zmiany twardości po wy\arzaniu
normalizującym staliwa i stali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppo\ i ochrony środowiska podczas wykonywanej
pracy,
3) zmierzyć twardość próbek w stanie wyjściowym do wy\arzania normalizującego,
4) przeprowadzić wy\arzanie normalizujące w warunkach dobranych stosownie do składu
chemicznego i wymiarów próbek,
5) zmierzyć twardość próbek po wy\arzaniu normalizującym,
6) zestawić w tabeli wyniki uzyskane z pomiarów twardości próbek,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- próbki staliwa i stali przeznaczone do wy\arzania normalizującego,
- piec elektryczny komorowy,
- twardościomierz Rockwella,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 3
Wykonaj wy\arzanie zmiękczające zu\ytych przecinaków i przebijaków ze stali N8E.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppo\ i ochrony środowiska podczas wykonywanej
pracy,
3) dobrać parametry wy\arzania zmiękczającego,
4) przygotować piec do obróbki oraz ośrodek chłodzący,
5) wykonać obróbkę cieplną zgodnie z instrukcją technologiczną,
6) dokonać pomiaru twardości obrobionego detalu.
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- piec komorowy,
- ośrodek chłodzący: skrzynka z piaskiem lub popiołem,
- wsad do obróbki: przecinaki i przebijaki,
- twardościomierz,
- instrukcje obsługi urządzeń, instrukcje bhp,
- instrukcja technologiczna, PN normy,
- zeszyt,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) określić cel i temperaturę wy\arzania ujednorodniającego
2) wyznaczyć na wykresie Fe-C zakres temperatur dla wy\arzania?
3) wymienić wady które mogą wystąpić po wy\arzaniu?
4) scharakteryzować wyposa\enia do przeprowadzenia normalizowania?
5) przygotować piec komorowy do obróbki wy\arzania?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
4.4. Hartowanie
4.4.1. Materiał nauczania
Hartowanie to proces obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali do temperatury
austenityzacji, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębianiu celem otrzymania struktury
martenzytycznej lub bainitycznej.
Hartowanie to proces utwardzania stali co powoduje zwiększenie wytrzymałości oraz
odporności na ścieranie.
Rozró\nia się kilka rodzajów hartowania, które ró\nią się między sobą sposobami
nagrzewania i chłodzenia. Rodzaj hartowania jest uzale\niony od właściwości, jakie ma
uzyskać dany wyrób. Wyroby mogą być hartowane na wskroś lub powierzchniowo (tabela 5).
Tebela 5. Rodzaje hartowania:[5 s. 128]
Martenzytyczne i bainityczne Powierzchniowe
zwykłe, indukcyjne,
przerywane, płomieniowe,
stopniowe, kąpielowe.
izotermiczne.
Temperatura wygrzewania
Wysokość temperatury wygrzewania stali jest jednym z podstawowych parametrów.
Temperatura wygrzewania stali została określona jako temperatura austenityzacji. Mo\na
powiedzieć, \e najbardziej korzystną temperaturą hartowania stali podeutoktaidalnych jest
temperatura 30-50oC A3 i dla stali nadeutoktaidalnych 30-50oC A1.
Przy doborze temperatury hartowania dla stali węglowych mo\na posługiwać się
wykresem - Fe3-C, dla stali stopowych nale\y korzystać z PN lub z kart materiałowych.
Temperatury nagrzewania stali węglowych przedstawia rysunek 25.
Rys. 25. Zakres temperatur nagrzewania do hartowania stali węglowych [8, s. 131]
Dobierając temperaturę hartowania nale\y równie\ uwzględnić wielkość hartowanej
części. Części drobne nale\y nagrzewać nie wy\ej ni\ 30�C ponad A3, części du\e 50-70oC
ponad A3, gdy\ wy\sza temperatura wygrzewania skraca czas ujednorodniania austenitu,
a tym samym ułatwia hartowanie.
Zbyt wysoka temperatura wygrzewania powoduje rozrost ziarna austenitu, wskutek czego
otrzymuje się strukturę martenzytyczną o grubych igłach.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
36
Szybkość nagrzewania i czas wygrzewania
Szybkość nagrzewania zale\ny jest od składu chemicznego i stopnia czystości,
jednorodności stali oraz wymiaru i kształtu hartowanej części. Składniki stopowe oraz węgiel
zmniejszają przewodność cieplną stali. Stale stopowe nale\y nagrzewać wolniej ni\ węglowe.
Du\y wpływ na szybkość nagrzewania ma kształt i wielkość hartowanej części.
Czas wygrzewania w temperaturze austenityzacji musi być tak dobrany, aby w całym
przekroju części powstała budowa całkowicie odpowiadająca danej temperaturze. Dla stali
węglowych czas jest stosunkowo krótki. Czas nagrzewania i wygrzewania nale\y dobierać
doświadczalnie w zale\ności od urządzenia grzewczego, gatunku stali, kształtu i wielkości
hartowanej części. W celu sprawdzenia czy dokonano prawidłowego doboru czasu
wygrzewania nale\y przeprowadzić badania metalograficzne zahartowanej części na
obecność nierozpuszczonego ferrytu na tle martenzytu co świadczy \e, czas wygrzewania był
za krótki.
Czas wygrzewania mo\na równie\ obliczać.
Chłodzenie przy hartowaniu
Wa\ny parametr procesu hartowania to szybkość chłodzenia. Środek chłodzący musi
zapewnić nagrzanej stali szybkość chłodzenia większą od krytycznej. Struktura stali po
hartowaniu musi składać się z martenzytu i bainitu.
Dla zwiększenia szybkości chłodzenia w pierwszym okresie przedmiot zanurzony
w kąpieli chłodzącej nale\y intensywnie wahać w celu przerwania warstewki pary wodnej
otaczającej powierzchnię przedmiotu, innym sposobem jest intensywne mieszanie ośrodka
chłodzącego za pomocą mieszadeł w wannie hartowniczej. W tabeli 6 zestawiono niektóre
środki chłodzące.
Tabela 6. Szybkość chłodzenia stali w ró\nych środkach chłodzących [8, s. 136]
Szybkość chłodzenia w �C/s w zakresach temperatur
Środek chłodzący
650- 300-
-550�C -200�C
- -
- -
Woda o temp. 18�C 600 270
Woda o temp. 50�C 100 270
Roztwór wodny 10% ługu sodowego o temp. 18�C 1200 300
Roztwór wodny l0% soli kuchennej o temp. 18�C 1100 300
Olej maszynowy o temp. 20�C 150 30
Emulsja 10% oleju w wodzie o temp. 20�C 60 200
Płyty miedziane 60 30
Płyty stalowe 35 15
Powietrze spokojne 18 2
Najczęściej stosowane środki chłodzące:
- woda zimna o temperaturze 20oC do 40oC nie powinna zawierać powietrza, nale\y ją
przepracować, tj. wielokrotnie oziębić w niej nagrzane metalowe przedmioty lub
stosować bardzo intensywny przepływ wody w czasie chłodzenia,
- wodne roztwory 10% chlorku sodu (soli kuchennej NaCl) lub ługu sodowego (sody
kaustycznej NaOH),
- oleje pochodzenia mineralnego z ró\nymi domieszkami Stosuje się trzy gatunki olejów
do hartowania olej OH 70,120, 160, tj, temp. pracy 70oC, 120oC, 170oC, dopuszcza się
olej maszynowy, wrzecionowy solarowy pod warunkiem \e temperatura pracy będzie
ni\sza od temperatury zapłonu o minimum 50�C. Oleje stosuje się do hartowania stali
średniowęglowych i stopowych. Części hartowane w oleju mają kolor brunatnoszary ze
względu na przypalanie się oleju na powierzchni.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37
- kąpiele metalowe i solne jako środki chłodzące u\ywane są przy hartowaniu
izotermicznym stali i chłodzą 2-krotnie szybciej ni\ olej. Z kąpieli metalowych
najczęściej stosowany jest roztopiony ołów. Do kąpieli solnych nale\y zaliczyć saletrę
sodową (NaNO3),
- powietrze jako środek chłodzący ma najmniejszą szybkość chłodzenia, części hartowane
mają najmniejsze naprę\enia cieplne a za tym najmniejsze odkształcenia. Stosuje się
chłodzenie w spokojnym powietrzu, oraz w strumieniu sprę\onego powietrza,
Utwardzalność i hartowność stali
Cechy charakterystyczne dla zahartowanej stali to:
- utwardzalność,
- hartowność.
Utwardzalność zdolność stali do utwardzania się przy hartowaniu, objawia się
maksymalną twardością mierzoną na powierzchni stali. Twardość po hartowaniu jest zale\na
od zawartości węgla w stali. Im martenzyt jest bogatszy w węgiel tym twardość stali jest
wy\sza.
Hartowność stali wyra\ana jest głębokością hartowania się na martenzyt a\ do miejsca,
w którym jest jego przynajmniej 50%. Hartowność stali zale\y od trzech zasadniczych
czynników: gatunku stali, intensywności oziębiania, przekroju oziębianego przedmiotu.
W stalach stopowych wszystkie składniki zwiększają hartowność z wyjątkiem kobaltu.
Zale\nie od rodzaju u\ytego środka chłodzącego zmienia się głębokość warstwy
zahartowanej. Wielkość ziarna austenitu ma wpływ na hartowność. Stale gruboziarniste
odznaczają się większą hartownością ni\ drobnoziarniste.
Metody badania hartowności
Badanie przełomu zahartowanej próbki. Warstwa ma przełom matowy drobnoziarnisty
natomiast nie zahartowany rdzeń ma przełom gruboziarnisty, błyszczący.
Badanie metalograficzne szlifu poprzecznego zahartowanego pręta. Grubość warstwy
zahartowanej wyznacza się przez miejsce na szlifie, w którym struktura składa się z 50%
martenzytu i 50% bainitu.
Badanie twardości wzdłu\ średnicy próbki. W tym celu poddaje się hartowaniu w tych
samych warunkach kilka próbek o ró\nych średnicach np. Ć15, Ć25, Ć50, Ć75, Ć100, Ć125,
następnie przecina się próbki w pewnej odległości od czoła, po czym na przygotowanej
powierzchni dokonuje się pomiaru twardości wzdłu\ średnicy próbki. Wyniki pomiaru nanosi
się na wykres, który wyglądem przypomina literkę U. Stąd metoda ta nosi nazwę krzywych
U (rys. 26).
Rys. 26. Rozkład twardości na przekrojach próbki [6, s. 144]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
38
Hartowanie martenzytyczne i bainityczne
Hartowanie zwykłe
Hartowanie zwykłe polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityznacji,
wygrzewaniu w tej temperaturze i oziębieniu jej do temperatury otoczenia, bez gwałtownej
zmiany szybkości chłodzenia.
Hartowanie stopniowe
Hartowanie stopniowe ró\ni się od hartowania zwykłego jedynie sposobem chłodzenia.
Przy hartowaniu zwykłym chłodzenie od temperatury austenityzacji do temperatury otoczenia
odbywa się w sposób ciągły, bez gwałtownej zmiany szybkości. Hartowanie stopniowe
stosuje się zazwyczaj dla stali węglowych oraz dla niektórych stali stopowych. Z powodu
du\ych szybkości krytycznych tych stali oraz małej zdolności chłodzącej kąpieli gorących
wymiary przedmiotów hartowanych są ograniczone.
Hartowanie z przemianą izotermiczną
Harowanie z przemianą izotermiczną jest typowym hartowaniem bainitycznym. Ró\ni się
ono od poprzednich rodzajów hartowania sposobem chłodzenia, które od temperatury
austenityzacji do temperatury otoczenia przebiega z długotrwałym przystankiem,
przypadającym na zakres przemiany bainitycznej. Odmianą hartowania izotermicznego jest
patentowanie drutu stalowego o zawartości węgla 0,35-1%.
Hartowanie powierzchniowe
Hartowanie powierzchowne (rys. 27) polega na szybkim nagrzaniu strefy
powierzchniowej przedmiotu do temperatury austenityzacji i oziębieniu z szybkością
niezbędną do uzyskania struktury martenzytycznej w tej strefie. Zale\nie od rodzaju
nagrzewania rozró\nia się następujące metody hartowania powierzchownego:
- hartowanie płomieniowe,
- hartowanie indukcyjne,
- hartowanie kąpielowe,
- hartowanie elektrolityczne.
Hartowanie płomieniowe
Hartowanie płomieniowe polega na miejscowym nagrzaniu powierzchni za pomocą
palnika gazowego i intensywnym oziębieniu strumieniem wody. Na efekt hartowania, poza
wydajnością palnika mającą podstawowe znaczenie, wpływają takie czynniki jak:
- szybkość przesuwania palnika lub przedmiotu,
- odległość palnika od powierzchni,
- odległość natrysku wodnego od palnika,
- wydajność cieplna palnika,
- wydajność natrysku wodnego,
Szybkość przesuwania palnika, zale\nie od rodzaju hartowanego przedmiotu, powinna
wynosić 50-300 mm/min.
Odległość między palnikiem a powierzchnią hartowaną, wynosi zwykle 3-6 mm.
Odległość postępującego za palnikiem natryskiwacza, czyli odległość między palnikiem
a natryskiem powinna wynosić 10-20 mm. Przy mniejszych odległościach temperatura na
całej odległości hartowanej warstwy nie zdą\y się wyrównać, przez co twardość jest
nierównomierna. Zahartowane powierzchniowo stale węglowe mają twardość HRC = 50-60,
natomiast twardość stali stopowych zawiera się w granicach HRC = 52-62. Głębokość
warstwy zahartowanej płomieniowo waha się od 1 do 6 mm. Warstwy o głębokości mniejszej
od 1 mm są trudne do uzyskania.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
39
Rys. 27. Schemat hartowania powierzchniowego [6, s. 156]
Rys. 28. Schemat grzania indukcyjnego a) pole magnetyczne powstałe wokół przewodnika, w którym płynie
prąd b) pole magnetyczne w obwodzie kołowym, c)pole magnetyczne obwodzie kołowym z rdzeniem:
1 induktor, 2 pręt, 3 pole magnetyczne [6, s. 157]
Hartowanie indukcyjne
Hartowanie indukcyjne (rys. 28) polega na nagrzaniu warstwy powierzchniowej
przedmiotu wskutek przepływu indukowanego prądu szybkozmiennego i szybkim jej
ochłodzeniu. Głębokość przenikania prądu w przedmiocie nagrzewanym przyjmuję się
w praktyce za głębokość hartowania. Czas grzania, niezbędny do osiągnięcia temperatury
austenityzacji, zale\ny jest od częstotliwości prądu, mocy generatora, a tym samym wielkości
powierzchni nagrzewanej. Twardość powierzchni hartowanej indukcyjnie, jest zale\na od
zawartości węgla w stali.
Wady przy hartowaniu
Wady powstałe przy hartowaniu wynikają z:
- niewłaściwej konstrukcji przedmiotu, złej jakości materiału, wadliwej obróbki
mechanicznej,
- niewłaściwie przeprowadzonego procesu technologicznego.
W pierwszym przypadku mamy do czynienia z pęknięciami i odkształceniami.
Niewłaściwie przeprowadzony proces hartowania mo\e być przyczyną:
- niedostatecznej twardości,
- zwiększonej kruchości,
- utlenienia się i odwęglenia powierzchni,
- odkształceń,
- pęknięć.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
40
Naprę\enia hartownicze
Powodem pęknięć i odkształceń, jakie występują podczas hartowania stali są zmiany
objętościowe podczas grzania i chłodzenia. Powstają one w wyniku naprę\eń cieplnych,
a tak\e są spowodowane przemianami fazowymi. Naprę\enia cieplne wynikają z ró\nych
szybkości chłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu lub przekrojów, są to naprę\enia
ściskające lub rozciągające, wartość naprę\enia zale\y od współczynnika rozszerzalności
cieplnej materiału i kształtu przedmiotu. Podczas chłodzenia kurczy się najpierw warstwa
zewnętrzna wywierając nacisk na rdzeń, który działa na nią rozciągająco.
Naprę\enia strukturalne
Naprę\enia te powstają na wskutek przemian fazowych \elaza ą w ł gdy\ poszczególne
struktury wykazują ró\ne objętości właściwe: najmniejszą ma austenit największą martenzyt.
Podczas tworzenia martenzytu następuje wzrost objętości właściwej co powoduje powstanie
pęknięć hartowniczych, najczęściej potęgowane przez zawalcowania, karby, ostre zmiany
przekroju.
Naprę\enia własne
Naprę\enia te zale\ą od składu stali, tzn. zawartości węgla co zwiększa naprę\enia,
temperatury hartowania, im wy\sza większe naprę\enia, szybkości oziębiania, rodzaju środka
chłodzącego, im szybsze ochładzanie tym większe naprę\enia, wielkości ziaren, im większe
tym naprę\enia większe, równie\ od wielkości przekroju, warstwy zahartowanej
i równomierności nagrzewania.
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaki jest cel stosowania operacji hartowania?
2. Jakie znasz rodzaje hartowania?
3. Na czym polega hartowanie powierzchniowe?
4. Jaką właściwość oznacza hartowność stali?
5. Jak przedstawia się rozkład twardości na powierzchni przekroju poprzecznego
przedmiotu zahartowanego?
6. Jakie są podstawowe struktury uzyskane po hartowaniu?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie1
Zbadaj twardość próbki przed i po hartowaniu płomieniowym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppo\ i ochrony środowiska podczas wykonywanej pracy,
3) umocować próbkę w uchwycie obrotowym,
4) nagrzać próbkę palnikiem do temperatury około 830oC (tabela barw \arzenia),
5) ochłodzić próbkę w strumieniu cieczy,
6) przeciąć próbkę, oszlifować,
7) wykonać pomiary twardości w kilku miejscach na powierzchni czołowej próbki,
8) sporządzić wykres twardości w funkcji odległości od środka próbki,
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
41
9) zapisać wnioski z ćwiczenia,
10) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- palnik acetylenowo-tlenowy,
- odzie\ ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej,
- próbki,
- piła do cięcia próbki, szlifierka, papier ścierny,
- tablica barw \arzenia,
- twardościomierz Rockwella,
- instrukcja obsługi twardościomierza,
- zeszyt.
Ćwiczenie 2
Na podstawie norm dobierz temperaturę hartowania i sposób chłodzenia dla przedmiotów
wykonanych ze stali 35, 45.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w tablicach temperatury hartowania dla stali,
2) określić czas wygrzewania,
3) określić szybkość chłodzenia i dobrać środek chłodzący,
4) zapisać informacje,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- próbki,
-
-
-
- tablice stali,
-
-
-
- zeszyt.
-
-
-
Ćwiczenie 3
Dokonaj hartowania powierzchniowego części roboczej dłuta wykonanego jako odkuwka
ze stali N8E.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppo\ i ochrony środowiska podczas wykonywanej
pracy,
3) określić parametry hartowania na podstawie tablic stali,
4) wybrać i przygotować do pracy oprzyrządowanie grzewcze,
5) przygotować ośrodek chłodzący,
6) wykonać hartowanie powierzchniowe części roboczej dłuta,
7) wykonać pomiar twardości zahartowanej powierzchni,
8) ocenić jakość przeprowadzonej obróbki,
9) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
42
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- urządzenia grzewcze
- wanna hartownicza,
- twardościomierz,
- odkuwka dłuta,
- narzędzia
- tablice stali,
- zeszyt,
- odzie\ ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wskazać ró\nice pomiędzy hartowaniem na wskroś, a powierzchniowym?
2) określić na podstawie barwy stali temperaturę hartowania?
3) przedstawić kolejne czynności występujące podczas hartowania?
4) określić czynniki wpływające na hartowność stali?
5) wykonać hartowanie powierzchniowe?
6) ocenić hartowność?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
43
4.5. Odpuszczanie i ulepszanie cieplne
4.5.1. Materiał nauczania
Odpuszczanie polega na nagrzaniu hartowanego przedmiotu poni\ej temperatury 723oC
wygrzaniu w tej temperaturze a następnie chłodzeniu. Zale\nie od temperatury nagrzewania
rozró\nia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie.
Rodzaje odpuszczania przedstawia rysunek 29.
Rys. 29. Zakresy odpuszczania stali węglowych [15]
Odpuszczanie umo\liwia usunięcie naprę\eń wewnętrznych powstałych w przedmiotach
podczas hartowania i polepsza ich właściwości plastyczne.
Podstawowymi parametrami odpuszczania są temperatura oraz czas wygrzewania.
Temperatura jest najwa\niejszym parametrem, nieznaczne odchylenie powoduje zmiany
właściwości mechanicznych. Ten sam wynik odpuszczania mo\na otrzymać przez:
- krótkotrwałe odpuszczanie przy wy\szej temperaturze,
- długotrwałe odpuszczanie przy ni\szej temperaturze.
Sposób pierwszy stosowany jest przy odpuszczaniu narzędzi według barw nalotowych.
Temperaturę odpuszczania wyznacza się praktycznie w oparciu o wykresy w układzie
temperatura odpuszczania- twardość .
Zale\nie od wysokości temperatury wygrzewania rozró\nia się odpuszczanie:
- niskie,
- średnie
- wysokie.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
44
Odpuszczanie niskie
Przeprowadza się w temperaturze 150-250oC. Celem odpuszczania niskiego jest
zmniejszenie naprę\eń hartowniczych, nieznacznym zmniejszeniem wysokiej twardości
i odporności na zu\ycie. Stosowane do przedmiotów nawęglonych i zahartowanych
powierzchniowo. Struktura martenzyt odpuszczony.
Odpuszczanie średnie
Przeprowadza się w temperaturze 250-500oC Celem odpuszczania średniego jest
uzyskanie znacznej wytrzymałości i sprę\ystości oraz dostatecznej udarności i ciągliwości.
Następuje zmiana struktury martenzytycznej na drobną perlityczną.
Odpuszczanie wysokie
Przeprowadza się w temperaturze od 500oC a\ do poni\ej Ac1. Celem odpuszczania
wysokiego jest uzyskanie jak największej udarności dla danego gatunku stali z zachowaniem
znacznej wytrzymałości na rozciąganie i sprę\ystości. Twardość ulega obni\eniu i osiąga
wartość HB = 250-320. Powstaje struktura zło\ona z bardzo drobnych skoagulowanych
(zaokrąglonych) ziarenek cementytu rozmieszczonych w ferrycie.
Hartowanie i następujące po nim wysokie odpuszczanie nazywa się ulepszaniem
cieplnym. Materiał ulepszany jest ju\ w hutach.
Du\ą wadą odpuszczania jest kruchość odwracalna i nieodwracalna. Dla uniknięcia
kruchości odwracalnej nale\y ograniczyć do minimum czas wygrzewania przy odpuszczaniu
oraz stosować oziębianie w wodzie lub oleju. Skłonność stali do kruchości odpuszczania
mo\na wyznaczyć za pomocą badań udarności. Stwierdzenie w warunkach warsztatowych
czy przedmioty po odpuszczaniu mają właściwą udarność jest bardzo trudne. Dlatego nale\y
unikać stali odznaczających się kruchością odpuszczania, lub przeprowadzać odpuszczanie
poza zakresem kruchości, oraz chłodzić przedmioty w oleju lub w wodzie.
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaki jest cel odpuszczania?
2. Jakie znasz rodzaje odpuszczania?
3. Jakie właściwości posiadają przedmioty poddane odpuszczaniu wysokiemu?
4. Czym ró\ni się odpuszczanie od połączonych operacji hartowania z odpuszczaniem
niskim lub średnim?
5. Jaki wpływ ma odpuszczanie na strukturę i własności metali?
6. Za pomocą, jakich badań mo\na wyznaczyć kruchość odpuszczania?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj obserwacji struktur stali po hartowaniu i odpuszczaniu niskim, średnim
i wysokim.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować mikroskop do pracy,
2) obserwować strukturę stali po hartowaniu i odpuszczaniu niskim, średnim i wysokim,
3) porównać obserwowane struktury z wzorcowymi,
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
45
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska pracy:
- mikroskop metalograficzny,
- komplet zgładów,
- tablice z wzorcowymi strukturami,
- kartka A4, ołówek HB,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Wykonaj odpuszczanie wytypowanych gatunków stali, a następnie przeprowadz pomiary
twardości próbek, poddanych odpuszczaniu.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dobrać temperatury odpuszczania niskiego, średniego i wysokiego dla wytypowanych
gatunków stali,
2) ustalić porównywalne temperatury odpuszczania,
3) wykonać zabiegi odpuszczania dla zało\onego, stałego czasu (z zachowaniem zasad bhp),
4) przygotować powierzchnie próbek przez szlifowanie do pomiaru twardości,
5) dokonać pomiarów twardości,
6) opracować wnioski końcowe,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- zestaw próbek do odpuszczania,
- piece komorowe do odpuszczania,
- szlifierka do obróbki powierzchni próbek,
- twardościomierz.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) określić jaką strukturę uzyskuje się stosując odpuszczanie niskie po
hartowaniu?
2) wskazać ró\nice pomiędzy odpuszczaniem niskim a wysokim?
3) określić temperaturę \ądanego odpuszczania?
4) określić parametry odpuszczania?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
46
4.6. Obróbka cieplno-chemiczna
4.6.1. Materiał nauczania
Obróbka cieplno-chemiczna to dziedzina obróbki cieplnej obejmująca zespół operacji
i zabiegów umo\liwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy
powierzchniowej stopu, a przez to zmianę właściwości obrabianych elementów, w wyniku
zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbce cieplno-chemicznej
poddaje się zwykle stopy \elaza, głównie stale. Celem tego procesu jest uzyskanie \ądanych
właściwości w warstwie wierzchniej najczęściej podwy\szonej twardości i odporności na
ścieranie, ale tak\e np. odporności korozyjnej, przy zachowaniu nie zmienionych właściwości
rdzenia przedmiotu obrabianego. Do podstawowych obróbek cieplno-chemicznych nale\ą:
azotowanie, nawęglanie, ich kombinacje z innymi pierwiastkami np. tlenem, siarką, oraz
chromowanie, aluminiowanie, krzemowanie, borowanie, itd.
W przypadku stopów \elaza procesy obróbki cieplno-chemicznej prowadzić mogą do
uzyskania trzech podstawowych typów równowagi (rys. 30) \elaza ze składnikami
nasycającymi:
- Typ I charakteryzuje się odpowiednio du\ym obszarem roztworów stałych \elaza ze
składnikami nasycającymi; wzbogacanie \elaza następuje tylko do stę\eń
odpowiadających obszarowi roztworu stałego,
- Typ II charakteryzuje się występowaniem niewielkiego zakresu stę\eń odpowiadających
roztworom stałym \elaza i pierwiastka nasycającego; wzbogacenie stopu pierwiastkiem
nasycającym powy\ej obszaru rozpuszczalności powoduje powstanie określonych faz,
- Typ III cechuje się występowaniem bardzo małych zakresów stę\eń odpowiadających
roztworom stałym \elaza i pierwiastków nasycających; wzbogacanie pierwiastkami
nasycającymi do określonych stę\eń powoduje powstawanie faz międzymetalicznych, po
utworzeniu, których przebiega czysta dyfuzja danego składnika.
Na poni\szym rysunku zostały przedstawione opisane typy układów równowagi \elaza
z pierwiastkami nasycającymi.
Typ I Typ II Typ III
zakres temperatury
zakres stę\eń przy wzbogaceniu zewnętrznej strefy powierzchniowej
Rys. 30. Typy układów równowagi \elaza z pierwiastkami nasycającymi [2, s. 295]
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
47
Nawęglanie polega na nasycaniu węglem warstwy powierzchniowej stali o małej
zawartości węgla do około 0,25%. Podczas nawęglania zachodzi zjawisko dyfuzji, które
wykorzystywane jest do zmiany składu chemicznego.
W czasie dyfuzji atomy węgla zajmują w strukturach sieci miejsca międzywęzłowe
między atomami \elaza. Najwięcej atomów węgla mo\e przyjąć sieć \elaza ł, dlatego stal
podgrzewana jest do temperatury, w której występuje ten rodzaj struktury, czyli do
temperatury powy\ej przemiany A3 w ośrodku wydzielającym aktywny węgiel.
Schemat procesu nawęglania przedstawiono na rysunku 31.
Rys. 31. Schemat procesu nawęglania i następującej po nawęglaniu obróbki cieplnej [15]
W wyniku nawęglania ulega zmianie skład chemiczny warstwy zewnętrznej a przez to
uzyskuje się zmianę właściwości. Otrzymuje się przy zachowaniu miękkiego rdzenia:
- poprawę twardości,
- zwiększenie wytrzymałości na ścieranie,
- zwiększenie odporności na ścieranie,
- poprawę odporności na korozję.
Nawęglaniu poddaje się przedmioty nara\one na ścieranie i działanie ró\nych obcią\eń.
Warstwa nawęglona nie przekracza 2,5 mm grubości, a czas nagrzewania mo\e trwać od
3 do 16 godzin (tabela 7 i 8).
Miejsce do nawęglania nazywa się karboryzatorem i mo\e odbywać się w środowiskach:
- stałym,
- ciekłym,
- gazowym.
Parametry nawęglania zale\ą od:
- metody nawęglania,
- temperatury nawęglania,
- grubości warstwy nawęglonej,
- składu chemicznego składników środowiska nawęglającego.
Tabela 7. Orientacyjne czasy nawęglania w proszkach stali węglowej w temperaturze 900�C [15]
Grubość warstwy w mm 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Czas nawęglania w h 5 6 7 9 11 14
Tabela 8. Orientacyjne czasy nawęglania gazowego stali węglowej w temperaturze 930�C [7, s. 1208]
Grubość warstwy w mm 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Czas nawęglania w h 3 4 4 5 5 6 6 8 9 10 11 12
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
48
Najstarszą metodą jest nawęglanie w środowisku stałym. Przedmioty nawęglane
umieszcza się w \eliwnych lub metalowych skrzynkach w ten sposób, aby nie dotykały jeden
drugiego i były w zetknięciu z ośrodkiem nawęglającym (rys. 32).
Rys. 32. Rozmieszczenie kół zębatych w skrzynkach do nawęglania [15]
Do nawęglania u\ywa się mieszanin, które składają się z:
- 40% węglanu baru i 60% węgla drzewnego brzozowego,
- 50% węgla drzewnego dębowego, 20% węgla ze skóry i 30% sadzy,
- 70% węgla drzewnego i 30% węgla kostnego, lub innych.
W przypadku, gdy nawęglamy przedmioty pracujące przy zmiennych obcią\eniach
mieszanka nawęglająca składa się z 90% węgla drzewnego i 10% soli kuchennej.
Przygotowanie stanowiska do nawęglania (rys. 33)
W zale\ności od wielkości nawęglanych przedmiotów nale\y przygotować:
- proszek nawęglający na specjalnych stołach lub bezpośrednio na podłodze,
- węgiel drzewny, który nale\y rozdrobnić o wielkości ziarna 3-8 mm,
- skrzynki do nawęglania.
Rys. 33. Stół do napełniania proszkiem nawęglającym [15]
Napełnianie skrzynek odbywa się w kolejności:
- dno skrzynki wysypuje się proszkiem o grubości 20 mm, ka\da następna warstwa ma
grubość 25 mm,
- następnie układa się przedmioty tak, aby nie dotykały do siebie i ścianek skrzynki,
- następnie szczelnie zasypuje kolejną warstwę proszku i tak na przemian,
- po nało\eniu ostatniej warstwy i zamknięciu skrzynki następuje zaślepianie skrzynki
gliną.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
49
Nawęglanie mo\e równie\ nie obejmować całego przedmiotu. Miejsca, które nie chcemy
nawęglić oblepia się gliną, lub poddaje te części galwanizowaniu. Przedmiot nawęglony
składa się jak gdyby z 2 gatunków stali: rdzenia o zawartości 0,25% C i warstwy
powierzchniowej o zawartości 0,9% C.
Po nawęglaniu przedmioty poddaje się:
- normalizowaniu,
- hartowaniu,
- odprę\aniu.
Celem tych obróbek jest podwy\szenie twardości rdzenia, a przede wszystkim twardości
warstwy nawęglonej.
Azotowanie jest dyfuzyjnym procesem nasycania stali w warstwie przypowierzchniowej.
Są dwa rodzaje azotowania: utwardzające i przeciwkorozyjne. Azotowaniu poddaje się
specjalne stale stopowe po ulepszaniu cieplnym, stale te mają temperaturę odpuszczania wy\szą
od temperatury azotowania utwardzającego. Pierwiastki tej stali tworzą trwałe azotki
zapewniające zachowanie bardzo wysokiej twardości (900-1200 HV). Inne stale poddaje się
azotowaniu w celach antykorozyjnych, lub zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej. Proces
azotowania utwardzającego przebiega w temperaturze 500-520 oC w ciągu 10-100 godzin, gr.
warstwy 0,1-0,6 mm.
Azotowanie przeciwkorozyjne temperatura 600-700oC w ciągu 0,5 do kilku godzin,
grubość warstwy 0,02 mm do 0,04 mmm. Azotowanie odbywa się komorach, do których
doprowadza się amoniak, podczas procesu w temperaturze 480-600oC zachodzi dysocjacja
wg reakcji: NH3 = 3H+N powstający azot atomowy jest pochłaniany przez powierzchnię
i dyfunduje w głąb warstwy powierzchniowej stali.
Azotonawęglanie to proces jednoczesnego nasycania azotem i węglem warstw
powierzchniowych, podczas którego dominuje dyfuzja węgla.
Węgloazotowanie to proces jednoczesnego nasycania węglem i azotem warstw
powierzchniowych, podczas którego dominuje dyfuzja azotu.
Azotowęgloutwardzanie to proces azotonawęglania hartowania i niskiego odpuszczania.
Nasycanie warstw powierzchniowych metalami odbywa się przez dyfuzyjne metalizowanie
w ośrodkach stałych (sproszkowane \elazostopy), ciekłych (roztopiony metal nasycający) lub
gazowych (chlorki metali nasycających). Proces metalizowania dyfuzyjnego odbywa się
w temperaturze 1000-1200oC w stosunkowo długim czasie.
Obróbka implantacyjna to wszczepianie jonów do ciała stałego to jest metoda
kontrolowanego wprowadzania domieszek do ciała stałego. Metody obróbki cieplno-
chemicznej mo\na nazwać implantacyjnymi.
Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w bor
w temperaturze 900 1000�C przez kilka do kilkunastu godzin. Bor zaadsorbowany przez
powierzchnię dyfunduje w głąb stali, tworząc warstwę borków o budowie iglastej i grubości
0,03 0,15 mm, zale\nej od temperatury, metody borowania oraz składu chemicznego stali.
W zale\ności od stę\enia boru w warstwie powierzchniowej stali tworzą się borki Fe2B lub
FeB. Naborowane warstwy stali cechują się du\ą twardością, zale\ną od warunków
borowania.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
50
4.6.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. W jakim celu przeprowadza się obróbkę cieplno-chemiczną?
2. Jakie są podstawowe rodzaje obróbki cieplno-chemicznej?
3. Jakie stale poddaje się procesowi nawęglania?
4. W jakiej temperaturze przebiega nawęglanie?
5. Jakie mogą być środowiska nawęglające?
6. Jakie własności uzyskuje przedmiot w czasie nawęglania?
7. W jakiej temperaturze przebiega azotowanie?
8. Jaka jest ró\nica pomiędzy azotonawęglaniem i węgloazotowaniem?
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ wpływ ró\nych procesów obróbki cieplno-chemicznej na strukturę i własności
stali.
Tabela do ćwiczenia 1
Proces obróbki cieplno-chemicznej Struktura i właściwości stali
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) określić wpływ ró\nych procesów obróbki cieplno-chemicznej na strukturę i własności
stali,
2) zapisać informacje w tabeli,
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- kartka,
- długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
51
Ćwiczenie 2
Przeprowadz nawęglanie stali. Przygotuj wnioski dotyczące wpływu nawęglania na
strukturę i własności stali.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) przeanalizować instrukcję obsługi urządzeń do obróbki cieplno-chemicznej i zasadami bhp,
3) umieścić w skrzynce próbki stali 15 w celu nawęglenia,
4) wstawić do pieca o temperaturze 800 920�C zamkniętą szczelnie na okres 1 godziny,
5) wyciągnąć próbki ze skrzynki i jedną poddać hartowaniu,
6) zmierzyć i porównać twardość próbek: w stanie surowym, po nawęglaniu, po hartowaniu,
7) przeprowadzić obserwacje metalograficzne struktur stali po nawęglaniu i obróbce
cieplnej,
8) przeprowadzić pomiary twardości próbek,
9) sporządzić i przeanalizować rysunki otrzymanych struktur,
10) przeanalizować ró\nice pomiędzy otrzymanymi wynikami a wykresem teoretycznym,
11) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- piec elektryczny oporowy,
- skrzynka metalowa z węglem drzewnym,
- próbki stali 15 w stanie surowym, po nawęglaniu i po obróbce cieplnej,
- twardościomierze,
- mikroskop metalograficzny,
- próbki stali po nawęglaniu i hartowaniu.
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozró\nić urządzenia i środowiska w których przeprowadza się
nawęglanie?
2) przygotować stanowisko do nawęglania?
3) przygotować stanowisko do azotonawęglania?
4) wykonać nawęglanie stali?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
52
4.7. Wady wyrobów spowodowane niewłaściwie przeprowadzoną
obróbką cieplną
4.7.1. Materiał nauczania
Do podstawowych wad, które mogą być spowodowane obróbką cieplną stali nale\ą:
- odkształcenia,
- wypaczenia,
- pęknięcia.
Zmiany wymiarowe i odkształcenia obrabianych przedmiotów powstające podczas
obróbki cieplnej są spowodowane przez naprę\enia cieplne i strukturalne.
Analizując wyłącznie wpływ naprę\eń cieplnych na zmiany kształtu i wymiarów
przedmiotów chłodzonych (hartowanych) mo\na wyszczególnić reguły, określające charakter
zmian wymiarowych:
- w chłodzonych (hartowanych) przedmiotach o zró\nicowanych wymiarach długości,
szerokości i grubości pod wpływem działania naprę\eń cieplnych największy wymiar
zmniejsza się, a najmniejszy zwiększa. Przykładowo, w wyniku chłodzenia wałka
o długości większej od średnicy długość jego zmniejsza się, a średnica zwiększa się
w stosunku do stanu wyjściowego,
- w wyniku oddziaływania wyłącznie naprę\eń cieplnych chłodzone (hartowane)
przedmioty cylindryczne lub w kształcie sześcianu dą\ą do przyjęcia kształtu zbli\onego
do kuli. Oznacza to, \e wymiary największe (np. przekątne sześcianu) zmniejszają się,
a wymiary najmniejsze zwiększają się, powierzchnie płaskie uwypuklają się.
Odkształcenia powodowane obróbką cieplną mogą być zmniejszane przez dobór
odpowiedniego gatunku stali oraz korzystnych warunków obróbki cieplnej, np.:
z podgrzewaniem i chłodzeniem stopniowym, lub z przystankami izotermicznymi.
Paczenie
W przypadku, gdy przedmioty obrabiane cieplnie są zanurzone w kąpieli chłodzącej
w sposób nieprawidłowy, a szybkość chłodzenia ró\nych powierzchni tego przedmiotu
w danej chwili jest ró\na, występują skrzywienia i wypaczenia.
Paczenie się stali polega na niesymetrycznej zmianie wymiarów przedmiotu wskutek
nieprawidłowego sposobu zanurzania przedmiotu w ośrodku chłodzącym. Paczenia trudniej
się ustrzec w długich i smukłych wyrobach. W celu zmniejszenia niekorzystnego działania
tego zjawiska przedmioty hartowane mo\na chłodzić w stanie naprę\onym, np. w prasach
hartowniczych.
Pęknięcia hartownicze
Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprę\enia rozciągające pierwszego
rodzaju są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają w temperaturach
ni\szych od Ms, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć zwiększa się wraz ze
wzrostem stę\enia węgla w stali, podwy\szeniem temperatury hartowania i zwiększeniem
szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany
martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych mo\e być równie\ występowanie
koncentratów naprę\eń, np. gwałtownej zmiany przekroju lub miejscowych zagłębień
i występów.
Pęknięcia nale\ą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie
tworzeniu się tych wad polega na unikaniu koncentratów naprę\eń, hartowaniu z mo\liwie
najni\szych temperatur, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku
i końca przemiany martenzytycznej.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
53
Do podstawowych przyczyn wad hartowniczych nale\ą:
- nieprawidłowe przygotowanie przedmiotów obrabianych cieplnie przez pozostawienie
powierzchni skorodowanych, zaolejonych lub zamalowanych, co sprzyja tworzeniu
miękkich plam o niskiej twardości,
- nieprawidłowy załadunek i rozmieszczenie przedmiotów w piecu, co w wyniku
nierównomiernego nagrzewania powoduje krzywienie,
- nagrzewanie ze zbyt du\ą szybkością, bez wstępnego podgrzewania, co powoduje
wypaczenia i pęknięcia,
- zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania, co uniemo\liwia otrzymanie
struktury martenzytycznej i powoduje zbyt niską twardość zahartowanej stali,
- zbyt wysoka temperatura lub za długi czas nagrzewania, co jest przyczyną nadtopień lub
przegrzania stali,
- brak atmosfery ochronnej, co wywołuje utlenianie i odwęglanie powierzchni stali
i w konsekwencji pogorszenie własności mechanicznych po hartowaniu,
- zbyt du\a szybkość chłodzenia i nieprawidłowe zanurzenie przedmiotu do kąpieli
chłodzącej, co jest przyczyną pęknięć, wypaczeń i wykrzywień,
- zbyt mała szybkość chłodzenia lub mała ilość ośrodka chłodzącego, co nie zapewnia
uzyskania struktury martenzytycznej i powoduje otrzymanie niskich własności
wytrzymałościowych po hartowaniu.
Nieprawidłowe odpuszczanie lub jego brak jest przyczyną kruchości i niskich własności
plastycznych stali obrobionej cieplnie. W przypadku stali wysokostopowych wykazujących
efekt twardości wtórnej, np. stali narzędziowych lub szybkotnących, nieodpowiednia
temperatura odpuszczania powoduje otrzymanie zbyt małej twardości i niekorzystnych
własności eksploatacyjnych.
Podobne przyczyny powstawania wad występują podczas wy\arzania, jak i przesycania
i starzenia.
Niektóre wady hartownicze, np. niedogrzanie lub miękkie plamy, mo\na usunąć przez
powtórną obróbkę cieplną polegającą na zmiękczaniu lub normalizowaniu a następnie
hartowaniu stali. W przypadku wygięcia lub wypaczenia przedmiotów zahartowanych mo\na
je wyprostować i następnie wy\arzyć odprę\ająco. W razie nieskuteczności tych operacji
wypaczony przedmiot mo\na poddać wy\arzaniu zmiękczającemu, wyprostować go
i ponownie zahartować.
Przedmioty odwęglone lub utlenione w czasie hartowania mo\na poddać szlifowaniu,
je\eli zało\one naddatki są odpowiednio du\e, co umo\liwi uzyskanie wymaganej twardości
tak\e na powierzchni przedmiotu. W przypadku, gdy wymienione operacje nie przyniosą
spodziewanego rezultatu, lub gdy obrabiany przedmiot ulegnie pęknięciu, konieczne jest
zakwalifikowanie go jako brak.
4.7.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe wady, spowodowane obróbką cieplną?
2. Co jest przyczyną zmian wymiarowych i odkształceń w obróbce cieplnej?
3. Co to jest paczenie?
4. W jaki sposób powstają pęknięcia hartownicze?
5. Jakie są przyczyny powstawania wad hartowniczych?
6. Jakie wady powoduje nieprawidłowe opuszczanie i wy\arzanie?
7. Jakie są sposoby usuwania wad hartowniczych?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
54
4.7.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Rozpoznaj wady elementów poddanych obróbce cieplnej. Zestaw tabelarycznie wady
spowodowane obróbką cieplną podaj przyczyny powstawania, sposoby zapobiegania oraz
ewentualnego ich usuwania.
Tabela 1 do ćwiczenia 1
Wady spowodowane
Przyczyny Zapobieganie Usuwanie
obróbką cieplną
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obejrzeć elementy poddane obróbce cieplnej,
2) rozpoznać wady spowodowane obróbką cieplną
3) zapisać informacje w tabeli,
4) określić przyczyny, zapobieganie oraz usuwanie wad spowodowanych obróbką cieplną,
5) zapisać informacje w tabeli,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- kartka,
- długopis.
Ćwiczenie 2
Określ zmiany wymiarów i kształtu próbek stalowych występujące kolejno po
hartowaniu i odpuszczaniu.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przygotować stanowisko pracy,
2) oznaczyć próbki i określić ich wymiary i kształt,
3) nagrzać piec do właściwej temperatury hartowania lub przesycania dla określonych
próbek,
4) nagrzać próbki i chłodzić w wodzie i oleju (wielokrotnie hartować lub przesycać),
5) zmierzyć wymiary próbek i określić ich kształt,
6) przeciąć próbkę pierścieniową na przecinarce elektroerozyjnej, uwalniając w ten sposób
naprę\enia wewnętrzne,
7) przeanalizować wymiary i kształty próbki pierścieniowej,
8) poddać próbki zahartowane odpuszczaniu przez 0,5, 1, 1,5, i 2 godziny (z określonymi
zmianami wymiarów po hartowaniu),
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
55
9) określić zmiany wymiarów próbki dla ka\dego czasu odpuszczania,
10) zestawić i porównać wyniki pomiarów,
11) określić zmiany wymiarowe dla poszczególnych próbek,
12) sporządzić wnioski i zinterpretować uzyskane wyniki.
Wyposa\enie stanowiska:
- piec elektryczny komorowy,
- zestaw próbek cylindrycznych oraz w kształcie pierścienia i sześcianu ze stali
konstrukcyjnych niestopowych i stopowych oraz austenitycznych,
- oprzyrządowanie do zrealizowania operacji hartowania i przesycania,
- przecinarka elektroerozyjna,
- stanowisko do wykonywania zgładów metalograficznych,
- warsztatowy mikroskop pomiarowy,
- zestaw mierniczy.
4.7.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozró\nić wady, spowodowanych obróbką cieplną?
2) wyjaśnić pojęcie paczenia?
3) określić zmiany wymiarowe i odkształcenia w procesie obróbki cieplnej?
4) omówić pęknięcia hartownicze?
5) wyjaśnić przyczyny powstawania wad hartowniczych?
6) określić wady powodowane nieprawidłowym odpuszczaniem
i wy\arzaniem?
7) omówić sposoby usuwania wad hartowniczych?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
56
4.8. Bezpieczeństwo i higiena pracy, ochrona ppo\. i ochrona
środowiska podczas obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej
4.8.1. Materiał nauczania
Podczas obsługiwania urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej metali prace
wykonywane są w środowisku gorącym, co mo\e być powodem problemów zdrowotnych
pracowników, związanych z zespołem przegrzania, a tak\e poparzeń. W trakcie obróbki
cieplnej wydzielają się toksyczne gazy i dymy, a ich stę\enie mo\e być niebezpieczne dla
zdrowia. Pracownicy przenoszą tak\e często cię\kie ładunki i wykonują czynności
powtarzalne, co mo\e być zródłem urazów i dolegliwości bólowych, wynikających
z przecią\enia układu mięśniowo-szkieletowego.
W pracy operatora maszyn i urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej istnieje
tak\e ryzyko związane z nagłym uwolnieniem sprę\onych gazów spowodowane
uszkodzeniem butli w wyniku upuszczenia lub wady produkcyjnej.
Czynniki, które mogą powodować wypadki, to:
- śliskie lub nieuporządkowane nawierzchnie, co skutkuje mo\liwością urazów w wyniku
poślizgnięcia i upadku,
- cię\kie przedmioty, które mogą być przyczyną urazów stóp w przypadku upuszczenia,
- gorące przedmioty i części metalowe (np. gorący olej stosowany podczas hartowania
w oleju), które mogą być zródłem poparzeń,
- wysokie stę\enie tlenków azotu w powietrzu w wyniku przegrzania wanien do
odpuszczania, zawierających stopione sole azotanowe, co prowadzi do mo\liwości
powstania obrzęku płuc, przy nagłym wzroście stę\enia,
- roztopiony azotan, stanowiący potencjalne zródło poparzeń i urazów w wyniku po\aru
lub wybuchu,
- wysokie stę\enie tlenku węgla, stanowiące zródło ostrych zatruć lub śmierci w wyniku
pora\enia ośrodka oddechowego,
- cyjanek sodu u\ywany w procesie cyjanowania, w wyniku reakcji z kwasami wydziela
się bardzo toksyczny cyjanowodór, powodujący mo\liwość ostrych, w tym nawet
śmiertelnych zatruć,
- obecny w środowisku pracy amoniak, wodór i tlenek węgla, które mogą wywołać
poparzenia i urazy na skutek po\aru,
- nie usunięte resztki smaru, farby lub oleju na obrabianych częściach, wywołujące
mo\liwość poparzenia lub uszkodzenia wzroku.
Czynniki fizyczne:
- nadmierny hałas, który mo\e spowodować uszkodzenia słuchu,
- pola elektromagnetyczne, pochodzące od pieców indukcyjnych, wywołują ryzyko
wystąpienia ró\nych dolegliwości zdrowotnych.
Czynniki chemiczne i pyły:
- akroleina uwalniana jako produkt degradacji termicznej z kąpieli olejowej podczas
hartowania, które mogą powodować uszkodzenia błon śluzowych i skóry oraz wpływają
toksycznie na płód,
- oleje w kąpielach hartowniczych, które mogą mieć wpływ na występowanie
przewlekłych stanów zapalnych skóry,
- tlenek węgla i inne produkty spalania, wywołujące bóle i zawroty głowy, oraz inne skutki
zdrowotne,
- tlenki azotu i amoniak, mogą wywoływać podra\nienia oczu i dróg oddechowych,
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
57
- ołów podczas pracy z kąpielami do odpuszczania zawierającymi stopiony ołów, mo\e
wywołać mo\liwość przewlekłego zatrucia w wyniku kumulacji związków ołowiu
w organizmie.
Czynniki ergonomiczne, psychospołeczne i związane z organizacją pracy:
- praca w godzinach nocnych, która mo\e wywoływać stres, zaburzenia rytmu
biologicznego i obni\oną zdolność do pracy,
- środowisko pracy (brud, smary, nieprzyjemne zapachy, itd.) mogące wywoływać stres
psychiczny,
- ręczny transport przedmiotów i powtarzalność czynności, które mogą być zródłem
dolegliwości bólowych i przecią\enie układu mięśniowo-szkieletowego.
W związku z zidentyfikowanymi zagro\eniami wynikającymi z charakteru pracy
operatora maszyn i urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej określone są działania
profilaktyczne, które nale\y podjąć, w celu zapewnienia odpowiednich warunków
bezpieczeństwa i higieny pracy.
Obsługując urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej nale\y:
- stosować obuwie ochronne ze spodami przeciwpoślizgowymi,
- stosować rękawice termoizolacyjne podczas pracy w kontakcie z gorącymi częściami,
- stosować środki ochrony oczu w celu ochrony przed pryskającymi ciekłymi solami,
- stosować ochronniki słuchu,
- zainstalować skuteczną wentylację wywiewną i klimatyzację w celu zapobiegania
zanieczyszczeniu powietrza i stresowi cieplnemu, w razie potrzeby dodać miejscową
wentylację wywiewną,
- zainstalować urządzenia monitorujące tlenek węgla, w przypadku gdy stę\enie tlenku
węgla osiąga lub przekroczenia poziomu zagro\enia nale\y opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przeło\onego,
- ustawić stę\enie mieszanki powietrzno-paliwowej,
- utrzymywać piec w dobrym stanie w celu uniknięcia wydzielania niebezpiecznych gazów
do strefy oddychania,
- zainstalować urządzenia monitorujące cyjanowodór, w przypadku, gdy stę\enie
cyjanowodoru osiąga lub przekracza poziom zagro\enia, nale\y opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przeło\onego,
- stosować bezpieczne metody podnoszenia i przenoszenia cię\kich lub nieporęcznych
ładunków oraz stosować urządzenia mechaniczne ułatwiające podnoszenie i przenoszenie,
- poddawać się okresowym badaniom lekarskim i monitoringowi biologicznemu na
obecność niebezpiecznych metali, na które pracownik na tym stanowisku pracy jest
nara\ony.
Aby zabezpieczyć się przed zagro\eniami wynikającymi z określonych warunków pracy
nale\y bezwzględnie przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy,
przepisów przeciwpo\arowych oraz stosować zalecane środki ochrony osobistej.
Odzie\ ochronna zabezpiecza pracownika przed niekorzystnymi wpływami środowiska
zewnętrznego, tj. mechanicznymi, chemicznymi i termicznymi. Odzie\ ochronną wykonuje
się z tkanin lekkich i nie dra\niących skóry, a jednocześnie mocnych, trwałych i miękkich.
Najczęściej stosuje się tkaniny bawełniane i wełniane, rzadziej tkaniny z włókien
syntetycznych. Tkaniny te są zwykle powleczone lub nasycone substancjami odpornymi na
działanie określonych szkodliwych czynników. Do ochrony przed kwasami słu\y odzie\
wykonana z tkanin wełnianych, z gumy, ze sztucznej gumy lub z tkanin pokrytych warstwą
sztucznej gumy. Tkaniny gumowe, podobnie jak tkaniny z pokryciem chlorowinylowym lub
nitrocelulozowym, chronią przed działaniem ługów. Ubranie olejoodporne jest wykonane
z tkaniny powleczonej dwustronnie. Odzie\ ochronną stosowaną przy pracach w wysokich
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
58
temperaturach wykonuje się z kilku warstw: zewnętrznej lnianej, środkowej z lekkiej
wełny lub bawełnianej siatki, wewnętrznej z miękkiej tkaniny bawełnianej.
Sprzęt ochrony indywidualnej składa się z okularów ochronnych, tarcz, osłon, masek, itp.
Okulary ochronne stosuje się do ochrony oczu przed rozpryskami kwasów, zasad i innych
substancji chemicznych, przed odpryskami metalu, odłamkami i pyłem oraz działaniem
energii promienistej. Osłony i tarcze chronią oczy i twarz przed urazami zewnętrznymi.
Mo\na je podzielić na:
- chroniące przed odpryskami,
- chroniące przed szkodliwym promieniowaniem.
W procesach obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, podobnie jak w przypadku innych
stanowisk działania o charakterze przeciwpo\arowym mo\na podzielić na czynne i bierne.
Przy obronie czynnej istotne znaczenie mają wszystkie warunki:
- plan i wymiary budynku,
- urządzenia gaśnicze,
- instalacje alarmowe,
- właściwe rozplanowanie budynków i ich otoczenia.
Obrona bierna, to profilaktyka, czyli zapobieganie powstawaniu po\arów. W przypadku
operatora maszyn i urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej to przede wszystkim
właściwa eksploatacja i konserwacja urządzeń, przestrzeganie zasad bezpieczeństwa i higieny
pracy, urządzenia kontrolujące i monitorujące stę\enie niebezpiecznych substancji, które
mogą, w przypadku przekroczenia poziomu zagro\enia, wywołać po\ar lub wybuch
(np. urządzenia monitorujące stę\enie tlenku węgla, cyjanowodoru, itp.).
W procesach obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej wykorzystywane są oraz wydzielają
się substancje, o niekorzystnym znaczeniu dla człowieka jego zdrowia, a nawet \ycia oraz
niekorzystnym znaczeniu dla środowiska naturalnego.
Gospodarowanie odpadami powstającymi m.in. wskutek obróbki cieplnej reguluje
Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 4 sierpnia 2004 roku w sprawie
szczegółowego sposobu postępowania z olejami odpadowymi (Dz. U. 2004, nr 192, poz.
1968 z pózn. zm.). Odpady tego typu zbiera się i magazynuje selektywnie, według wymagań
wynikających ze sposobu ich przemysłowego wykorzystania lub unieszkodliwiania.
W miejscach magazynowania olejów odpadowych dostęp do nich powinien być
ograniczonych do właścicieli pojemników lub przedsiębiorców zajmujących się
gospodarowaniem olejami odpadowymi. Zu\yte oleje, w tym oleje hartownicze nale\y
magazynować w miejscach utwardzonych, zabezpieczonych przed zanieczyszczeniami gruntu
i opadami atmosferycznymi, wyposa\onych w urządzenia lub środki do zbierania wycieków
tych odpadów. Oleje odpadowe zbiera się do szczelnych pojemników, wykonanych
z materiałów trudno palnych, odpornych na działanie olejów odpadowych, właściwie
oznaczonych i wyposa\onych w szczelne zamknięcia.
Wszelkie odpady powstające w procesie obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej metali
wymagają właściwego przechowywania a\ do ich utylizacji, zgodnie z właściwymi
przepisami prawnymi.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
59
4.8.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie czynniki mogą być zródłem wypadków przy pracy podczas obróbki cieplnej
i cieplno-chemicznej?
2. Jakie czynniki fizyczne mają wpływ na bezpieczeństwo i higienę pracy przy obróbce
cieplnej i cieplno-chemicznej metali?
3. Jakie czynniki chemiczne mają wpływ na bezpieczeństwo i higienę pracy przy obróbce
cieplnej i cieplno-chemicznej metali?
4. Jaki sprzęt ochrony indywidualnej zalecany jest przy obsłudze maszyn i urządzeń do
obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej?
5. Jakie działania wpływają na poprawę bezpieczeństwa i higieny pracy podczas obróbki
cieplnej i cieplno-chemicznej?
6. Na czym polega bierna obrona przeciwpo\arowa w obróbce cieplnej i cieplno-
chemicznej?
4.8.3 Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Przedstaw, w formie tabelarycznej, czynniki, które przy wykonywaniu operacji obróbki
cieplnej i cieplno-chemicznej mogą być zródłem zagro\eń i wypadków, oraz przyporządkuj
do nich właściwe środki ochrony.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) określić czynniki powodujące wypadki,
2) zidentyfikować czynniki fizyczne i chemiczne, wpływające na bezpieczeństwo i higienę
pracy przy obróbce cieplnej metali,
3) dobrać działania profilaktyczne i sprzęt ochrony indywidualnej,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Wyposa\enie stanowiska:
- kartka,
- długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
Ćwiczenie 2
Dobierz sprzęt ochrony indywidualnej, który powinien być zastosowany podczas
wykonywania operacji hartowania.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zidentyfikować czynniki fizyczne i chemiczne, wpływające na bezpieczeństwo i higienę
pracy przy obróbce cieplnej metali,
2) dobrać sprzęt ochrony indywidualnej, zabezpieczający przed wpływem
zidentyfikowanych szkodliwych czynników,
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
60
Wyposa\enie stanowiska:
- odzie\ ochronna ró\ne rodzaje,
- okulary ochronne ró\ne rodzaje,
- osłony i tarcze przeciwodpryskowe,
- tarcze przeciwpyłowe,
- kartka, długopis,
- literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.
4.8.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zidentyfikować rodzaje zagro\eń występujących przy obróbce
cieplnej i cieplno-chemicznej metali?
2) określić czynniki, które mogą powodować wypadki podczas obróbki
cieplnej i cieplno-chemicznej metali?
3) określić działania profilaktyczne, stosowane podczas prac przy
obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej metali?
4) dobrać sprzęt ochrony indywidualnej, który powinien być stosowany
podczas obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej?
5) określić czynną i bierną obronę przeciwpo\arową przy obróbce
cieplnej i cieplno-chemicznej?
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
61
5. SPRAWDZIAN OSIGNIĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwa\nie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do ka\dego zadania dołączone są 4 mo\liwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki nale\y błędną odpowiedz zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedz prawidłową.
6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłó\ jego rozwiązanie
na pózniej i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
8. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAC TESTOWYCH
1. Strukturę bainityczną daje hartowanie z nagrzewaniem na wskroś
a) bainityczne.
b) izotermiczne.
c) przerywane.
d) stopniowe.
2. Strukturę obrabianego materiału zbli\oną do stanu równowagi dynamicznej osiągniemy
dzięki
a) hartowaniu.
b) odpuszczaniu.
c) wy\arzaniu.
d) zgniotowi.
3. Stal narzędziowa, charakteryzuje się du\ą twardości dzięki strukturze
a) perlitycznej.
b) martenzytycznej.
c) austenitycznej.
d) ferrytyzno-perlitycznej.
4. Utrzymanie stali w stałej podwy\szonej temperaturze w czasie obróbki cieplnej
nazywamy
a) nagrzewaniem.
b) wygrzewaniem.
c) studzeniem.
d) chłodzeniem.
5. W trakcie obróbki cieplnej przemiany strukturalne zachodzą w stanie
a) stałym.
b) ciekłym.
c) gazowym.
d) przejściowym.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
62
6. Przed przystąpieniem do kucia wlewków staliwnych nale\y je poddać wy\arzaniu
a) rekrystalizującemu.
b) normalizującemu.
c) odprę\ającemu.
d) ujednorodniającemu.
7. W wyniku hartowania stali uzyskuje się zwiększenie jej
a) twardości.
b) plastyczności.
c) ciągliwości.
d) sprę\ystości.
8. Aby usunąć w stali naprę\enia spowodowane przeróbką plastyczną zastosujemy
wy\arzanie
a) rekrystalizujące.
b) sferoidyzujące.
c) odprę\ające.
d) normalizujące.
9. Martenzyt odpuszczony (sorbit) to podstawowa struktura, jaką otrzymuje się po
a) hartowaniu.
b) odpuszczaniu.
c) nawęglaniu.
d) azotowaniu.
10. Hartowanie polegające na miejscowym nagrzaniu powierzchni za pomocą palnika
gazowego i intensywnym oziębieniu strumieniem wody nazywamy
a) powierzchniowym.
b) płomieniowym.
c) stopniowym.
d) zwykłym.
11. Efekt polepszenie obrabialności skrawaniem dla stali o większej zawartości węgla
uzyskujemy poprzez wy\arzanie
a) sferoidyzujące.
b) grafityzujące.
c) rekrystalizujące.
d) odprę\ające
12. Strukturę bainityczną stali obrabianej cieplnie osiągniemy poprzez hartowanie
a) powierzchniowe.
b) objętościowe.
c) izotermiczne.
d) indukcyjne.
13. W celu zwiększenia plastyczności i ciągliwości stali stosuje się
a) hartowanie.
b) odpuszczanie.
c) wy\arzanie normalizujące.
d) wy\arzanie objętościowe.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
63
14. Obróbka cieplna, która występuje bezpośrednio po hartowaniu i ma na celu usunięcie
naprę\eń hartowniczych to
a) odpuszczanie.
b) ulepszanie cieplne.
c) odprę\anie.
d) normalizowanie.
15. Osadzanie się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej
w postaci warstewki o grubości jednego atomu to mechanizm
a) dyfuzji.
b) adsorpcji.
c) mechanizm wakansowy.
d) mechanizm międzywęzłowy.
16. Podstawowe parametry występujące podczas obróbki cieplnej
a) temperatura nagrzewu, czas nagrzewania i chłodzenia.
b) temperatura nagrzewania i chłodzenia.
c) szybkość nagrzewania i chłodzenia.
d) ciśnienie, temperatura i czas.
17. Aby zapewnić stali du\ą twardość powierzchni obrobionych elementów, du\ą odporność
na ścieranie i wytrzymałość zmęczeniową przy du\ej ciągliwości i sprę\ystości rdzenia
stosuje się
a) azotowanie.
b) węgloazotowanie.
c) borowanie.
d) nawęglanie.
18. Numerem 1 na rysunku oznaczono
a) nawęglanie.
b) normalizowanie.
c) odpuszczanie.
d) hartowanie.
19. Wady, które powstały wskutek obróbki cieplnej i które nie mogą być usunięte, to
a) przegrzanie.
b) odkształcenie.
c) pęknięcie hartownicze.
d) paczenie.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
64
20. Obrona bierna przeciwpo\arowa w przypadku pracownika obsługującego urządzenia do
obróbki cieplnej to
a) podręczny sprzęt gaśniczy.
b) przeciwpo\arowa instalacja alarmowa.
c) właściwa eksploatacja maszyn i urządzeń.
d) znajomość instrukcji przeciwpo\arowej.
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
65
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ..
Wykonywanie operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej
Zakreśl poprawną odpowiedz.
Numer
Punkty
Odpowiedz
zadania
1 a b c d
2 a b c d
3 a b c d
4 a b c d
5 a b c d
6 a b c d
7 a b c d
8 a b c d
9 a b c d
10 a b c d
11 a b c d
12 a b c d
13 a b c d
14 a b c d
15 a b c d
16 a b c d
17 a b c d
18 a b c d
19 a b c d
20 a b c d
Razem:
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
66
6. LITERATURA
1. Bernaciak A.: Przedsiębiorstwo wobec wymagań ochrony środowiska. PTOP
Salamandra, Poznań 2000
2. Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna. WSiP, Warszawa 1997
3. Fabijańczyk J.: Urządzenia do obróbki cieplnej. WSiP, Warszawa 1975
4. Hansen A.: Bezpieczeństwo i higiena pracy. WSiP, Warszawa 1998
5. Famuła J., Mrowiec S., Nikiel J., Szumański T.: Tablice stali jakościowych.
Wydawnictwo Śląsk , Katowice 1963
6. Kwiatkowski R.: Obróbka cieplna. WSiP, Warszawa 1975
7. Legutko S.: Podstawy eksploatacji maszyn i urządzeń. WSiP, Warszawa 2004
8. Lisica A., Ostrowski B., Ziewie W.: Laboratorium Materiałoznawstwa. Wydawnictwo
Politechnika Radomska, Radom 2006
9. Mac S., Leowski J.: Bezpieczeństwo i higiena pracy. WSiP, Warszawa 1999
10. Marciniak J. (red.): Ćwiczenia laboratoryjne z metaloznawstwa. Wydawnictwo
Politechniki Gliwickiej, Gliwice 2001
11. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1996
12. Wesołowski K.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna z ćwiczeniami. WSiP, Kraków 1976
13. Wyrzykowski J. W., Pleszakow E., Sieniawski J.: Odkształcanie i pękanie metali.
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999
14. Zawora J.: Podstawy technologii maszyn. WSiP, Warszawa 2001
Internet
15. home.agh.edu.pl
16. keypi.republika.pl
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
67

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wykonywanie podstawowych operacji obróbki cieplnej
Obróbka cieplno chemiczna
Obróbka cieplno chemiczna węgl azot
20 Warstwy powierzchniowe otrzymywane w obróbkach cieplno chemicznych w war wyladowania jarzenio
obrobka cieplno chemiczna
obróbka cieplno chemiczna stali
05 Wykonywanie operacji obróbki skrawaniem
05 Wykonywanie operacji obróbki skrawaniemidX76
13 Wykonywanie obróbki cieplnej i cieplno chemicznej
Rozróżnianie cech charakterystycznych obróbki cieplnej,cieplno chemicznej,plastycznej i odlewnictwa
Wykonywanie obróbki cieplnej i plastycznej
09 obrobka cieplnochemiczna (5)
IM wykład 5 przemiany w HSS podczas obróbki cieplnej vA

więcej podobnych podstron