Technologie Materiałowe II Wykład 3 Technologia hartowania stali

Transkrypt

1 KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I SPAJANIA ZAKŁAD INŻYNIERII SPAJANIA Technologie Materiałowe II Wykład 3 Technologia hartowania stali dr hab. inż. Jerzy Łabanowski, prof.nadzw. PG Kierunek studiów: Inżynieria Materiałowa Studia stacjonarne I stopnia sem. VI Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Wykresy przemian austenitu przechłodzonego podczas chłodzenia ciągłego i izotermicznego CTP Wykresy CTP (czas-temperatura-przemiana) przedstawiają ilościowe dane dotyczące zależności struktury i właściwości stali od temperatury i czasu przemiany austenitu przechłodzonego. Wykresy CTP budowane są dla danego gatunku stali i pokazują jaka jest trwałość przechłodzonego austenitu i po jakim czasie zaczyna się i kończy jego przemiana. W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy: CTPi przy chłodzeniu izotermicznym CTPc przy chłodzeniu ciągłym 2

3 Wpływ szybkości nagrzewania i chłodzenia na temperaturę przemian austenitu 3

4 Wykres CTPc chłodzenie ciągłe 4

5 Wykres CTPi chłodzenie izotermiczne 5

6 Wykres CTPc dla stali gat. 45 (C45) 6

7 Trwałość austenitu zmienia się w zależności od temperatury przechłodzenia. Przy małych przechodzeniach trwałość jest duża, następnie maleje i osiąga minimum przy ok. 550 C i znowu rośnie do temperatury ok. 250 Austenit można przechłodzić tylko do określonej temperatury Ms. Nawet b. duże szybkości chłodzenia nie zmieniają temperatury Ms jest to temperatura początku przemiany martenzytycznej. Przy dużym przechłodzeniu austenitu sieć Fe jest nietrwała, a prędkość dyfuzji węgla znikoma. W takich warunkach następuje przemiana polegająca na przebudowie sieci Fe w Fe bez dyfuzji węgla. Produktem tej przemiany jest martenzyt przesycony roztwór stały węgla w sieci Fe Przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny. 7

8 martenzyt jest to przesycony roztwór stały węgla w sieci Fe 8

9 Twardość martenzytu zależy od zawartości węgla rozpuszczonego w austenicie. Dla stali eutektoidalnej wynosi ok. 60 HRC 9

10 Prędkość krytyczna hartowania Aby zaszła przemiana martenzytyczna stal musi być oziębiana z prędkością większą od prędkości krytycznej (Vk). Prędkość krytyczna Vk jest to najmniejsza prędkość oziębiania stali, która zapewnia zajście przemiany martenzytycznej bez udziału przemiany perlitycznej czy bainitycznej. 10

11 Temperatury M s i M f Przemiana martenzytyczna postępuje wraz z obniżaniem temperatury od Ms do Mf. Temperatury Ms i Mf są różne dla stali o różnej zawartości węgla. W stalach o zawartości węgla > 0,6% temperatura Mf znajduje się poniżej 0 11

12 Austenit szczątkowy Przemiana martenzytyczna postępuje przy ciągłym chłodzeniu. Po zatrzymaniu chłodzenia powyżej temperatury Mf w strukturze stali pozostaje pewna ilość nie przemienionego austenitu jest to austenit szczątkowy. objętość struktury + P 100% objętość struktury 99,5% objętość struktury martenzytycznej 101,5% 12

13 Cechy przemiany martenzytycznej przemiana bezdyfuzyjna temperatura początku przemiany nie zależy od szybkości oziębiania, martenzyt powstaje przy ciągłym obniżaniu temperatury od Ms do Mf, przemiana postępuje przez tworzenie się nowych płytek martenzytu, a nie przez rozrost już istniejących, postęp przemiany zostaje zahamowany przez rosnące naprężenia ściskające w austenicie 13

14 Przemiana bainityczna Zakres przemiany przy przechłodzeniu austenitu poniżej 500 C (do Ms) Przemiana tzw. pośrednia mająca niektóre cechy przemiany perlitycznej i martenzytycznej. Bainit mieszanina dwóch faz: przesyconego węglem ferrytu tworzącego osnowę i bardzo drobnych wydzieleń węglików Fe3C. Twardość bainitu: HRC 14

15 Wpływ pierwiastków stopowych w stali na przemiany przechłodzonego austenitu 15

16 Wpływ pierwiastków stopowych w stali na przemiany przechłodzonego austenitu 16

17 Hartowność stali Hartowność zdolność stali do hartowania się w głąb na strukturę martenzytyczną. Miarą hartowności jest głębokość warstwy zahartowanej 17

18 Hartowność stali Średnica krytyczna średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej zdolności chłodzącej( np. w wodzie lub oleju) uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej niż 50%. Zazwyczaj przyjmuje się 50% lub 90% martenzytu - D50, D90. 18

19 Hartowność stali Czynniki wpływające na hartowność stali: Skład chemiczny pierwiastki rozpuszczające się w austenicie (za wyjątkiem Co) oraz pierwiastki węglikotwórcze zwiększają hartowność stali (przesuwają wykresy CTP stali w prawą stronę). Wielkość ziarna austenitu im większe ziarno austenitu, tym większa hartowność stali. Jednorodność austenitu niejednorodny austenit szybciej ulega przemianom. Nie rozpuszczone cząstki (węgliki, azotki, tlenki) obniżają hartowność. 19

20 Hartowanie ang.: quenching, quench hardening Hartowanie stali polega na nagrzaniu wsadu do temperatury, w której istnieje austenit, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie szybkim oziębieniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej bądź bainitycznej. Właściwy zakres temperatur wygrzewania do hartowania stali 20

21 Chłodzenie przy hartowaniu Chłodzenie przy hartowaniu dobór ośrodka chłodzącego właściwy sposób chłodzenia Fazy wymiany ciepła w chłodziwach ciekłych 21

22 Chłodzenie przy hartowaniu Zalecenia szybkości chłodzenia w zależności od trwałości austenitu przechłodzonego: do temp 650 C chłodzić stal na tyle szybko, aby nie doprowadzić do wydzielenia się ferrytu lub perlitu, w zakresie temperatur C chłodzić stal z szybkością większą od krytycznej, od temperatury 450 C do Ms chłodzić względnie powoli, ażeby zmniejszyć do minimum naprężenia cieplne. 22

23 Wymagania stawiane chłodziwom hartowniczym: zdolność przejmowania ciepła z szybkością nie mniejszą od krytycznej szybkości, nie wywoływanie nadmiernych odkształceń hartowniczych, duża trwałość eksploatacyjna, odporność na rozkład termiczny i utlenianie, brak skłonności do reagowania z powierzchnią hartowanych części, spełnienie wymagań w zakresie toksyczności, palności i ochrony środowiska, łatwość usuwania resztek z powierzchni części przez mycie lub odparowanie. Najczęściej używane chłodziwa hartownicze: woda olej mineralny i syntetyczny wodne roztwory polimerowe 23

24 Chłodziwa hartownicze 24

25 Rodzaje hartowania Hartowanie objętościowe, martenzytyczne i bainityczne powierzchniowe Hartowanie martenzytyczne i bainityczne: hartowanie zwykłe hartowanie stopniowe hartowanie izotermiczne Hartowanie powierzchniowe: hartowanie indukcyjne hartowanie płomieniowe hartowanie kąpielowe 25

26 Hartowanie zwykłe - ciągłe chłodzenie ciągłe od temp. austenityzowania do temp. otoczenia, głównie jest to hartowanie martenzytyczne, dobór chłodziwa (woda, olej, emulsje olejowe, roztwory polimerów) zależy od hartowności stali. 26

27 Hartowanie stopniowe hartowanie w dwóch ośrodkach chłodzących, temperatura ośrodka pierwszego jest nieco wyższa do temp. Ms podczas chłodzenia w drugim ośrodku przemiana austenitu w martenzyt w całym przekroju przedmiotu będzie odbywać się jednocześnie. Efekt : zmniejszenie naprężeń i skłonności do paczenia się przedmiotów hartowanych. Hartowanie stosowane dla przedmiotów długich (wiertła, wały), umożliwia prostowanie po wyjęciu z kąpieli pierwszej. 27

28 Hartowanie izotermiczne jest to typowe hartowanie bainityczne, chłodzenie w ośrodku o temperaturze powyżej Ms (roztopione sole, gorący olej), czas wytrzymania w kąpieli zależy od wielkości przedmiotu min., uzyskuje się strukturę bainitu (górnego lub dolnego), bardzo małe odkształcenia wyrobów. druty o Rm = 3000 MPa. 28

29 Odpuszczanie Odpuszczanie grzanie uprzednio zahartowanego wsadu do temperatur niższych od Ac1 i chłodzenie w celu zmiany struktury i właściwości materiału zahartowanego kierunku zbliżenia struktury do stanu równowagi ( poprawa ciągliwości i zmniejszenie kruchości kosztem zmniejszenia twardości oraz usunięcia występujących po hartowaniu naprężeń własnych. 29

30 Rodzaje odpuszczania: niskie ( C) stosowane głównie do narzędzi, które powinny być twarde i odporne na ścieranie, bez naprężeń hartowniczych, średnie ( C) stosowane do części maszyn, które powinny wykazywać duże wartości Re i Rsp przy dobrej udarności (np. sprężyny), wysokie ( C) stosowane dla stali konstrukcyjnych w celu uzyskania najlepszej kombinacji właściwości wytrzymałościowych i plastycznych hartowanie + wysokie odpuszczanie = ulepszanie cieplne miarą ulepszenia materiału jest stosunek Re/Rm ( w wyniku UC wzrasta Re) struktura stali po ulepszaniu cieplnym sorbit (ferryt przesycony węglem + b drobne wydzielenia Fe3C) 30

31 Wady powstające przy hartowaniu wady wskutek niewłaściwej konstrukcji przedmiotu, złej jakości materiału, wadliwej obróbki mechanicznej, itp. (głównie pęknięcia i odkształcenia) Wady spowodowane niewłaściwie przeprowadzonym procesem technologicznym. niedostateczna twardość, nierównomierna twardość miękkie plamy, zwiększona kruchość utlenianie i odwęglanie powierzchni, odkształcenia i pęknięcia. 31

32 Struktury stali po hartowaniu Podaj strukturę stali C40 i C105 nagrzaną do podanych temperatur (T1-T7) oraz po hartowaniu ( Vh >Vkr) z tych temperatur. Temp. hartowania T1 T2 Stal C40 w temp. T1 T7 Struktura stali po hartowaniu V h >V kr T3 T4 T5 T6 C105 T7 32

33 Hartowanie powierzchniowe Polega na szybkim nagrzaniu strefy powierzchniowej przedmiotu do temperatury austenityzacji i oziębianiu z szybkością niezbędna do uzyskania struktury martenzytycznej. Hartowanie płomieniowe 33

34 Hartowanie indukcyjne 34

35 Hartowanie indukcyjne 35

36 Obróbka cieplna w atmosferach ochronnych Atmosfera ochronna ang.: protective atmosphere, atmosfera sztuczna, zwykle regulowana, chroniąca powierzchnię wsadu przed utlenianiem lub utlenianiem i odwęglaniem. Utlenianie jest rezultatem kontaktu powierzchni obrabianego przedmiotu z tlenem z powietrza znajdującego się w przestrzeni grzewczej pieca. Utlenianie jest zjawiskiem niepożądanym. Warstwy tlenków mają inne właściwości od metalu i trzeba je usunąć (piaskowanie, szlifowanie). Odwęglanie zubożenie w węgiel warstw powierzchniowych przedmiotów stalowych, co prowadzi do znacznego obniżenia twardości i wytrzymałości zmęczeniowej. 36

37 Obróbka cieplna w atmosferach ochronnych Metody ochrony: pozostawienie naddatków na obróbkę wiórową pokrywanie powierzchni przedmiotów specjalnymi pastami ochronnymi grzanie przedmiotów w piecach muflowych grzanie przedmiotów w kąpielach solnych grzanie przedmiotów w piecach z atmosferą ochronną lub w próżni atmosfery chroniące przed utlenianiem poniżej 700, atmosfery chroniące przed utlenianiem i odwęglaniem powyżej 700. Grzanie jasne ang.: bright heating, grzanie w środowisku zapobiegającym powstaniu na powierzchni wsadu zarówno zgorzeliny jak i nalotów tlenkowych. Grzanie czyste ang.: close heating, grzanie w środowisku zapobiegającym powstaniu na powierzchni wsadu zgorzeliny lecz powodujące powstanie nalotów tlenkowych. 37

38 Obróbka cieplna w atmosferach ochronnych Podział atmosfer ze względu na metody wytwarzania Atmosfery bezgeneratorowe najczęściej jednoskładnikowe gazy (Ar, N, H), po osuszeniu wprowadzone bezpośrednio do komory pieca. Atmosfery generatorowe wytwarzane w specjalnych urządzeniach zwanych generatorami. Obróbka cieplna w próżni hpa. 38

39 39