Wykład 9 Obróbka cieplna zwykła

Transkrypt

1 Wykład 9 Obróbka cieplna zwykła Rozróżniamy 3 rodzaje obróbki cieplnej: Obróbka cieplna zwykła, którą realizujemy stosując 2 parametry: t, τ Obróbka cieplno-chemiczna, którą realizujemy stosując parametry: t, τ oraz aktywne chemicznie środowisko Obróbka cieplno-mechaniczna, którą realizujemy stosując parametry: t, τ oraz odkształcenie plastyczne 1. Najczęściej stosowane operacje obróbki cielnej zwykłej Operacje wyżarzania Wyżarzanie: 1. ujednorodniające 2. normalizujące 3. zupełne 4. niezupełne 5. sferoidyzujące 6. zmiękczające 7. rekrystalizujące 8. odprężające Operacje hartowania i odpuszczania Hartowanie: 1. objętościowe 1.1. ciągłe 1.2. stopniowe 1.3. z przemianą izotermiczną 1.4. powierzchniowe 1.5. indukcyjne 1.6. płomieniowe 1.7. kontaktowe 1.8. kąpielowe 1.9. elektrolityczne 2. Odpuszczanie 2.1. niskie (do 250 O C) 2.2. średnie (do 500 O C) 2.3. wysokie (pow. 250 O C) Operacje przesycania i starzenia Przesycanie Starzenie Przesycanie z następnym starzeniem nazywamy utwardzaniem dyspersyjnym lub utwardzaniem wydzieleniowym Hartowanie z następnym odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym Hartowanie z następnym odpuszczaniem wysokim nazywamy ulepszaniem cieplnym 2. Terminologia Operacje obróbki cieplnej składają się z prostych zabiegów cieplnych, dla których stosuje się terminologię (schemat na rys.1.: A podgrzewanie, B wygrzewanie, C dogrzewanie, D - wygrzewanie, A + B + C + D = grzanie, E - podchładzanie, F wychładzanie, G dochładzanie, E + F + G = chłodzenie.

2 t [ C] D C E A B F G Schemat zabiegów obróbki cieplnej τ [min] Bardzo szybkie chłodzenie nazywamy oziębianiem, bardzo powolne chłodzenie nazywamy studzeniem, chłodzenie poniżej 0 C nazywamy wymrażaniem. 3. Podstawowe rodzaje operacji wyżarzania stali a) Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) - polega na nagrzaniu stali do C, wygrzaniu w tej temperaturze przez kilkadziesiąt godzin i następnym powolnym chłodzeniu. Celem tego wyżarzania jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego w obszarach poszczególnych ziaren. Wyżarzanie to jest przyczyną znacznego rozrostu ziaren stali oraz strat materiału w wyniku utlenienia i odwęglenia warstwy wierzchniej, którą należy usunąć metodami obróbki mechanicznej.

3 b) Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do C powyżej temperatury przemian A C3 lub A Cm, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i następnym powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tego wyżarzania jest rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury równowagowej, co wpływa na poprawę właściwości mechanicznych stali. Wyżarzanie stosuje się bardzo często jako obróbkę ciepną poprzedzającą operację hartowania, a w przypadku stali węglowych jako obróbkę cieplną końcową. c) Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali do C powyżej temperatury przemian A C3 lub A Cm, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i studzeniu wraz z piecem. Celem tego wyżarzania jest rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury równowagowej, co wpływa na poprawę właściwości mechanicznych stali. Wyżarzanie stosuje się dla stali stopowych o podwyższonej hartowności, które podczas chłodzenia w spokojnym powietrzu ulegają częściowemu zahartowaniu, w wyniku którego nie uzyskują strukturę równowagowej, lecz inną, np. ferrytyczno, perlityczną z bainitem i martenzytem. Wyżarzanie zupełne stosuje się jako obróbkę ciepną poprzedzającą operację hartowania. t, C A C1 A C3 α P M S B V k Wykres CTP C τ, sec Druga odmiana wyżarzania zupełnego polega na nagrzaniu stali do C powyżej temperatury przemian A C3 lub A Cm, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i następnym wychładzaniu stali w temperaturze najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego (ok. 550 C). Do przeprowadzenia tej odmiany wyżarzania niezbędne są 2 piece, jeden do grzania a drugi do wychładzania wsadu. T, C A C3 M S A C1 α B P Wykres CTP i τ, sec

4 d) Wyżarzanie sferoidyzujące - polega na nagrzaniu stali do temperatury przemian A C1 /A Cm, wygrzaniu wahadłowym w temperaturze ± 20 C wokół temperatury przemian A C3 /A Cm (723 C) przez okres kilkudziesięciu godzin i następnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tego wyżarzania jest uzyskanie struktury ziarnistego cementytu w osnowie ferrytycznej, zapewniającej możliwie najniższą twardość stalom wysokowęglowym, tj. stalom zawierającym powyżej 0,6%C. Wyżarzanie stosuje się dla ułatwienia obróbki mechanicznej twardych stali, lub przed dalszą obróbką cieplną. e) Wyżarzanie rekrystalizujące - polega na nagrzaniu stali powyżej temp. rekrystalizacji lecz poniżej temperatury przemiany A C1, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres kilkudziesięciu minut, a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem wyżarzania jest usunięcie skutków zgniotu po obróbce plastycznej stali na zimno (odbudowa struktury ziarnistej, przywrócenie właściwości plastycznych i wytrzymałościowych). Wyżarzanie stosuje się jako obróbkę międzyoperacyjną przed kolejnymi cyklami operacji obróbki plastycznej, lub jako obróbkę cieplną końcową, po zakończeniu obróbki plastycznej. f) Wyżarzanie odprężające - polega na nagrzaniu stali poniżej temperatury wywołującej zmiany strukturalne stali (zawsze poniżej temperatury przemiany A C1 ), wygrzaniu w tej temperaturze przez okres kilku godzin i następnie powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu lub z piecem. Celem wyżarzania jest zredukowanie do minimum naprężeń własnych bez wywołania zmian strukturalnych stali. Wyżarzanie stosuje się do wyrobów spawanych, po obróbce plastycznej, odlewów, po zakończeniu niektórych operacji cieplnych zawsze przed końcową obróbką mechaniczną. 4. Hartowanie stali Rozróżnia się hartowanie objętościowe i hartowanie powierzchniowe. Hartowanie objętościowe polega na grzaniu przedmiotu ze stali w całym przekroju (na wskroś) do temperatury austenityzacji (30 50 C powyżej temperatury przemian A C3 /A Cm ), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie chłodzeniu/oziębianiu z szybkością nie mniejszą od szybkości krytycznej, w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Po hartowaniu stali uzyskuje się wysoką twardość i wytrzymałość stali oraz obniżoną jej plastyczność. Temperatura grzania stali w operacjach hartowania

5 T, C A C1 A C3 α P M S B V k τ, sec Przebieg chłodzenia stali w operacji hartowania ciągłego Rozróżnia się następujące odmiany hartowania objętościowego: Zwykłe, które polega na chłodzeniu ciągłym przedmiotów od temperatury hartowania do temperatury otoczenia, Stopniowe, które polega na podchładzaniu stalowych przedmiotów od temperatury hartowania do temperatury nieco wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej (M S ), wychładzaniu w tej temperaturze w czasie niezbędnym do wyrównania się temperatury pomiędzy powierzchnią i rdzeniem, a następnie dochładzaniu w powietrzu do temperatury otoczenia. Podchładzanie i wychładzanie wyrobów przeprowadza się w stopionych solach nagrzanych do temperatury nieco wyższej od M S. Hartowanie stopniowe zmniejsza naprężenia własne, zmniejsza ryzyko wystąpienia pęknięć hartowniczych oraz zmniejsza odkształcenia hartowanych przedmiotów. Hartowanie tego rodzaju stosuje się dla wyrobów ze stali o odpowiednio dużej hartowności i o skomplikowanych kształtach. Z przemiana izotermiczną (bainityczną), które polega na podchładzaniu stalowych przedmiotów od temperatury hartowania do temperatury nieco wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej (M S ), wychładzaniu w tej temperaturze w czasie niezbędnym do zakończenia przemiany bainitycznej, a następnie dochładzaniu w powietrzu do temperatury otoczenia. Hartowanie z przemianą izotermiczną zmniejsza ryzyko wystąpienia odkształceń i pęknięć hartowniczych w jeszcze większym stopniu niż hartowanie stopniowe. Rodzaje hartowania: a)zwykłe, b) stopniowe, c) z przemiana izotermiczną

6 N ap rężenia własn e g en erow an e w ob ró b ce ci eplnej Naprężenia własne są wynikiem zróżnicowanej gęstości materiału, która może zostać wywołana różnicą temperatury lub różnicą struktury powierzchni i rdzenia grzanego lub chłodzonego wyrobu. Naprężenia własne wywołane różnicą temperatury nazywamy naprężeniami cieplnymi. Im szybciej wsad nagrzewamy lub chłodzimy, tym różnica temperatur pomiędzy powierzchnią i rdzeniem jest większa. Objętościowe grzanie wsadu w piecu: a) grzanie powolne grzanie wsadu razem z piecem, b) grzanie wsadu w piecu nagrzanym do temp. docelowej, c) grzanie wsadu w piecu nagrzanym do temp. wyższej od docelowej. Naprężenia własne wywołane przemianami fazowymi (strukturalnymi) nazywamy naprężeniami strukturalnymi. Naprężenia te wynikają z różnej gęstości ( ρ= [g/cm 3 ] ) faz tworzących strukturę materiału przed i po przemianie, np.: ρfeα ρfeα ρfeγ. Jeśli ρfeγ ρfeα to oznacza, że wyrób o strukturze austenitycznej po przemianie w strukturę martenzytyczne zajmuje większą objętość.

7 Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstewki wierzchniej wyroby stalowego (0,2 5 mm) do temperatury austenityzacji (ok. 100 C powyżej temperatury przemiany A C3, i następnie szybkim chłodzeniu przez natrysk wody lub emulsji hartowniczej w celu uzyskania struktury martenzytycznej na powierzchni wyrobu i struktury nie zahartowanej pod powierzchnią. W zależności od sposobu grzania wyrobów stalowych rozróżniamy następujące sposoby hartowania: płomieniowe indukcyjne kąpielowe, kontaktowe elektrolityczne a) b) c) a) - hartowanie płomieniowe ciągłe posuwowe, b) - hartowanie płomieniowe jednoczesne obrotowe c) hartowanie płomieniowe ciągłe posuwowo obrotowe Zasada hartowania indukcy jn eg o Przez cewkę zwaną wzbudnikiem płynie prąd zmienny. Wokół cewki powstaje zmienne pole magnetyczne. W przedmiocie w postaci wałka wykonanego z materiału ferromagnetycznego umieszczonego wewnątrz cewki linie zmiennego pola magnetycznego indukują prąd zmienny o analogicznej częstotliwości. W miarę wzrostu częstotliwości prądu w cewce prąd indukowany skupia się w coraz węższej warstwie powierzchniowej wałka, osiągając natężenie wystarczające do szybkiego grzania jego wierzchniej warstwy. Im większa częstotliwość prądu, tym grubość nagrzanej warstwy jest mniejsza. Zastosowanie po grzaniu wałka chłodzenia natryskiem cieczy powoduje zahartowanie jego wierzchniej warstwy.

8 Hartowanie indukcyjne ciągłe posuwowo - obrotowe 5. Operacje odpuszczania zahartowanych stali Po hartowaniu stali przeprowadza się jej odpuszczanie, zawsze w temperaturze niższej od temp. przemiany Ac 1, najczęściej w czasie 2 godzin. Po odpuszczaniu stosuje się powolne chłodzenie. Wyjątkiem są stale do ulepszania cieplnego bez molibdenu wrażliwe na kruchość odpuszczania drugiego rodzaju, które po wysokim odpuszczaniu chłodzi się szybko w oleju hartowniczym. W tym przypadku po odpuszczeniu stali należy przeprowadzić wyżarzanie odprężające w temperaturze nie przekraczającej 400 O C. Rozróżniamy: Odpuszczanie niskie w temperaturach O C. W zakresie temperatur O C z przesyconego węglem martenzytu (tetragonalnego) wydziela się nadmiar węgla w postaci węglika ε. Martenzyt tetragonalny po zmniejszeniu stopnia przesycenia węglem staje się regularny. Po przekroczeniu temperatury 200 O C w stalach o zawartości powyżej 0,6%C zostaje zapoczątkowana przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt niskoodpuszczony, który jest mieszaniną niejednorodnego roztworu węgla w Fe α o budowie iglastej i bardzo drobnych cząstek węglika ε. Celem tego odpuszczania jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych przy zachowaniu wysokiej twardości. Odpuszczanie niskie stosuje się do wyrobów wykonanych ze stali wysokowęglowych oraz dla wyrobów nawęglanych. Odpuszczanie średnie w temperaturach O C W zakresie temperatur O C w martenzycie w dalszym ciągu wydziela się węglik ε i jednocześnie zostaje zakończona przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt. W zakresie temperatur O C z martenzytu wydziela się nadmiar węgla w postaci cementytu i jednocześnie węglik ε ulega przemianie w cementyt. W wyniku procesu wydzieleniowego węgla z martenzytu następuje znaczące zmniejszenie naprężeń własnych. Powyżej temperatury 400 O C rozpoczynają się procesy koalescencji wydzieleń cementytu. Uzyskaną strukturę (mieszaninę niejednorodnego roztworu węgla w Fe α o budowie iglastej i bardzo drobnych cząstek cementytu Fe 3 C) określa się mianem martenzytu średnioodpuszczonego. Odpuszczanie średnie stosuje się do sprężyn, resorów i narzędzi od których wymaga się wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy nieco obniżonej twardości.

9 Odpuszczanie wysokie w temperaturach O C W zakresie temperatur O C zachodzą zmiany strukturalne polegające na koagulacji (zaokrągleniu wydzieleń) i koalescencji (wzrost większych wydzieleń i zanik mniejszych) wydzielonych cząstek cementytu oraz zdrowieniu i rekrystalizacji iglastego martenzytu, który przyjmuje postać pierzastą. Strukturę taką nazywamy sorbitem. Odpuszczanie wysokie stosuje się dla wyrobów wykonanych ze stali średniowęglowych w celu nadania im wysokiej udarności i granicy plastyczności przy obniżonej twardości. Kruchość odpuszczania Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju - występuje po odpuszczaniu stali w temp O C. Kruchość 300 jest wywołana obecnością wydzieleń węglika ε oraz segregacją zanieczyszczeń arsenem, antymonem i cyną. Unika się odpuszczania stali w zakresie temperatur O C. Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju - występuje po odpuszczaniu stali w temp O C (największe nasilenie kruchości występuje po odpuszczaniu stali w temp O C). Kruchość ta występuje w stalach stopowych do ulepszania cieplnego, które w składzie chemicznym nie zawierają dodatku 0,2 0,4% Mo lub 0,4 0,8% W. Odpuszczanie stali skłonnych do kruchości drugiego rodzaju przeprowadza się w temp. przekraczającej 600 O C, a następnie poddaje się je szybkiemu chłodzeniu w oleju, co skraca czas przebywania stali w zakresie temperatur wywołujących kruchość. Przykładowe struktury stali niestopowych - zależne od stężenia węgla i przeprowadzonej obróbki cieplnej Obróbka cieplna Struktura stali C 0,6% C = 0,61 0,8% C 0,8% Po wyżarzaniu Ferrytyczno - perlityczna Perlityczna Perlityczna z Fe 3 C II normalizującym Hartowaniu (H) Martenzyt Martenzyt + austenit szczątkowy Martenzyt + austenit szczątkowy Fe 3 C II H + O (niskie) Martenzyt niskoodpuszczony Martenzyt niskoodpuszczony + austenit szczątkowy Martenzyt niskoodpuszczony + austenit szczątkowy + Fe 3 C II H + O (średnie) Martenzyt średnioodpuszczony Martenzyt średnioodpuszczony H + O wysokie Sorbit Sorbit Sorbit + + Fe 3 C II H + O (700 - Ac 1 ) Sferoidyt (w ziarnach ferrytu występują sferoidalne cząstki cementytu) Martenzyt średnioodpuszczony + Fe 3 C II 6. Przesycanie i starzenie stopów metali Stopy metali, które nie wykazują przemian alotropowych, w tym stale austenityczne i ferrytyczne nie są podatne do hartowania. W przypadku, gdy stopy takie charakteryzują się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym, to mogą one podlegać utwardzaniu dyspersyjnemu (umacnianiu), w wyniku przeprowadzonych operacji: przesycania, a następnie starzenia.

10 Schemat przebiegu utwardzania dyspersyjnego (przesycania i starzenia) stopu metali, w którym podczas nagrzewania wykazuje zwiększoną rozpuszczalność składnika B w roztworze stałym α. Przesycanie polega na nagrzaniu stopu O C powyżej granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia w roztworze stałym wydzielonego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycenia sto uzyskuje strukturę jednofazową roztworu stałego. Stopy w stanie przesyconym wykazują obniżone właściwości wytrzymałościowe i podwyższone cechy plastyczne. Temperatura grzania w operacji przesycania stopu I Wpływ temperatury i czasu starzenia na zmiany stopu Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. Podczas wygrzewania z przesyconego roztworu wydziela się nadmiar rozpuszczonego składnika B w postaci dyspersyjnych cząstek fazy A n B m bogatej w składnik B. Starzenie powoduje wzrost wytrzymałości stopu i zmniejszenie jego plastyczności. W miarę wzrostu temperatury starzenia maleje efekt umocnienia stopu. Wzrost temperatury starzenia skraca czas, po którym stop uzyskuje maksymalną wytrzymałość.