Materiały metalowe. Wpływ warunków nagrzewania i chłodzenia na struktury stopów metali

Transkrypt

1

2 We współczesnym metaloznawstwie oraz technice maszynowej obróbka cieplna stosowana dla metali i ich stopów ma olbrzymie znaczenie. Przez obróbk ciepln mona zmienia własnoci w bardzo szerokich granicach, poprzez zmian ich struktury, a przez to nadawa im podane cechy mechaniczne, fizyczne oraz chemiczne. Czyste metale i ich stopy, np. elazo nie osignłyby tak duego znaczenia, gdyby stosowane były tylko w stanie surowym. Dziki istnieniu odmian alotropowych elaza, na drodze procesu obróbki cieplnej uzyskuj si zmian własnoci jego stopów, co ogromnie rozszerza zakres moliwoci ich zastosowania.

3 Definicja i klasyfikacja obróbki cieplnej Obróbka cieplna jest dziedzin technologii obejmujc zespół zabiegów wywołujcych polepszenie własnoci mechanicznych i fizykochemicznych metali i ich stopów, powodowanych zmianami struktury w stanie stałym w wyniku działania temperatury, czasu oraz działania orodka. obróbk ciepln zwykł, obróbk cieplno - mechaniczn, obróbk cieplno - chemiczn, obróbk cieplno - magnetyczn.

4 W obróbce cieplnej zwykłej zmiana własnoci metali i stopów zachodzi głównie przez wywołanie zmian strukturalnych, bdcych funkcj temperatury i czasu. Obróbka cieplno mechaniczna jest połczeniem zabiegów cieplnych z odkształceniem plastycznym metalu lub stopu, głównie w celu poprawy jego własnoci mechanicznych. Obróbka cieplno chemiczna zachodzi z celow zmian składu chemicznego warstwy wierzchniej metalu lub stopu. Ma ona na celu wprowadzenie do obrabianego przedmiotu w stanie stałym pewnej iloci obcego pierwiastka lub zwikszenie (zmniejszenie) iloci pierwiastka ju tam znajdujcego si. Obróbka cieplno magnetyczna jest połczeniem procesów cieplnych z działaniem pola magnetycznego na metal lub stop w celu osignicia w nim głównie zmian fizycznych.

5 Operacje i zabiegi obróbki cieplnej Operacja obróbki cieplnej jest czci procesu technologicznego, wykonywan w sposób cigły, przewanie na jednym stanowisku roboczym.

6 Materiały metalowe Grzanie Chłodzenie Nagrzewanie Wygrzewanie Podchładzanie Dogrzewanie D E Wychładzanie Dochładzanie Wychładzanie Podgrzewanie B Wygrzewanie F C F G Studzenie G H J J A Zabiegi obróbki cieplnej realizowane s za pomoc tych samych rodków technologicznych przy niezmienionych parametrach procesu. Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2007

7 Przemiany w stali podczas nagrzewania Nagrzewanie stali do temperatury zapewniajcej wystpienie struktury austenitu jest zabiegiem stosowanym w wikszoci operacji obróbki cieplnej. Warunkiem rozpoczcia procesu tworzenia si austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzanie stali do temperatury wyszej od Ac1. Przemiana ta zachodzi w wyniku przemiany alotropowej elaza α w elazo γ, która rozpoczyna si na granicy, midzy cementytem a ferrytem i przebiega w trzech etapach: przemiana perlitu w niejednorodny austenit, rozpuszczanie si resztek cementytu w powstałym austenicie, ujednorodnienie austenitu. Jej celem jest otrzymanie jednorodnej struktury austenitycznej.

8 Przemiana perlityczna Przemiana ta rozpoczyna si pojawieniem zarodków cementytu na granicy ziaren austenitu. W wyniku dyfuzji wgla z otaczajcego te zarodki austenitu, czstki cementytu stopniowo rozrastaj si lub tworz nowe płytki, natomiast sam austenit pozbawiony znacznej iloci wgla ulega przemianie w ferryt. Poniewa zawarto wgla w ferrycie jest bardzo mała, w ssiednim obszarze nastpuje koncentracja wgla, co prowadzi do powstawania nowych płytek cementytu. Powstajce na przemian płytki ferrytu i cementytu rozrastaj si równoczenie równolegle do siebie, postpujc w głb ziaren austenitu. Tak tworzy si perlit, przy czym w jednym ziarnie austenitu moe powstawa kilka obszarów złoonych z pasemek ferrytu i cementytu. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny.

9 Rodzaje perlitu Rodzaj otrzymanego perlit zaley od szybkoci chłodzenia lub temperatury przemiany izotermcznej. W zakresie temperatur Ar C powstaje perlit gruby którego twardo wynosi ok HV, natomiast perli drobny powstaje w przedziale temperatur 680 C 550 C, a jego twardo wzrasta do ok. 400 HV. Perlit na tle białych ziaren ferrytu. Powikszenie 1000x

10 Przemiana martenzytyczna Przemiana martenzytyczna jest przemian bezdyfuzyjn i zachodzi przy duym przechłodzeniu austenitu do temperatury M s - pocztku tej przemiany, przy chłodzeniu z szybkoci wiksz od krytycznej v k. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem cigłego obniania temperatury w zakresie od temperatury M s, do temperatury M f jej koca. Wartoci temperatur M s i M f zale od składu chemicznego austenitu i obniaj si ze zwikszeniem stenia wgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych. Tylko aluminium i kobalt wpływaj na ich podwyszenie.

11 Poniewa maksymalna rozpuszczalno wgla w ferrycie, w temperaturze otoczenia wynosi zaledwie 0,008% a w wyniku przemiany martenzytycznej zatrzymany zostaje wgiel o steniu wielokrotnie wikszym, sie elaza α zostaje zniekształcona - przybiera posta tetragonaln, a jej twardo wzrasta do ok. 60HRC. Sie tetragonalna przestrzennie centrowana martenzytu X3 X3 [001] [001] Sie regularna ciennie centrowana martenzytu X2 [010] X1 [100] X1 [100] X2 [010]

12 Przemiana bainityczna Przechłodzenie austenitu do zakresu temperatur ok. 550 C Ms (dla stali niestopowej) oraz wytrzymanie w tej temperaturze wywołuje jego przemian w bainit. Przemiana ta zawiera w sobie cechy przemiany perlitycznej (dyfuzyjnej) i martenzytycznej (bezdyfuzyjnej), rónic si jednak w istotny sposób od obydwu tych przemian. W tym zakresie temperatur szybko dyfuzji wgla w austenicie jest nieznaczna. W wyniku tego powstaj niewielkie płytki martenzytu. Poniewa szybko dyfuzji wgla w ferrycie jest znacznie wiksza ni dyfuzja wgla w austenicie, z powstałych płytek martenzytu wydziela si równie cementyt. Zatem bainit jest mieszanin ferrytu przesyconego wglem i wglików.

13 Rodzaje bainitu W zakresie temperatur C powstaje bainit górny którego mikrostruktura ma charakter pierzasty. Jego twardo wynosi: ok. 45 HRC W zakresie temperatur 350 C Ms powstaje bainit dolny, którego posta zbliona jest do martenzytu. Im nisza temperatura powstawania bainitu, tym jest on twardszy przedział: ok HRC

14 Krzywe CTPc Wykresy CTPc charakteryzuj przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu z rónymi szybkociami. Temperatury pocztku i koca poszczególnych przemian i odpowiadajce im czasy odczytuje si przez! "#$ % Temperatura, t MS I M Mf I B Czas, I I P. M. Ivk B+M I+B+M I +P. +B+[M] I +P. A3 A1

15 Hartowanie pojcia podstawowe & % ' ( ) $ *+,+ " - * ) -. % %!/ %! - * 0 % 1% /% 2 -.

16 Zakres temperatur hartowania C E Temperatura, C G Ferryt ( ) Q A3 Austenit + ferryt P. Zakres temperatur hartowania A1 Ferryt + perlit + cementyt Ferryt + cementyt Austenit () S Perlit 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Stenie masowe C, % Acm Austenit + cementyt 727 C A1 Perlit + cementyt

17 Hartowno Hartowno okrela przydatno stali do obróbki cieplnej i definiowana jest jako zdolno do tworzenia struktury martenzytycznej podczas hartowania. Okrelana jest na podstawie pomiaru gruboci warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu, poniewa poszczególne gatunki stali hartuj si na rón głboko. Maksymalna rednica, przy której próbka została zahartowana na wskro nosi nazw rednicy krytycznej. Głboko zahartowania stali, bezporednio wie si z szybkoci chłodzenia najwiksza jest na powierzchni hartowanego elementu i maleje ona w kierunku jego rdzenia. Jeeli w osi prta szybko chłodzenia jest mniejsza od szybkoci krytycznej dla danego typu stali, to zahartowaniu ulegnie tylko ta warstwa powierzchniowa, która była chłodzona z szybkoci wiksz od szybkoci krytycznej. Im wiksza bdzie prdko chłodzenie danego gatunku stali tym grubsz otrzymamy stref zahartowan.

18 Rodzaje hartowania Ze wzgldu na proces chłodzenia wyróniamy nastpujce typy hartowania: zwykłe stopniowe przerywane z przemian izotermiczn powierzchniowe płomieniowe indukcyjne kpielowe Rodzaj hartowania jest dobierany w zalenoci od składu chemicznego stali, kształtu elementów poddawanych hartowaniu oraz danych właciwoci

19 Orodki chłodzce Orodki chłodzce ze wzgldu na stan skupienia dzielimy na: stałe ciekłe gazowe Najbardziej rozpowszechnione s orodki chłodzce ciekłe. Do nich zaliczamy: wod oraz roztwory wodne soli, zasad i polimerów oleje i tłuszcze stopione sole i metale

20 Orodki chłodzce Najbardziej energicznie chłodzcym orodkiem jest woda. Ozibienie nastpuje szybko w zakresie C, ale take w zakresie przemiany martenzytycznej, Oleje chłodz znacznie wolniej maj trzy cztery razy mniejsz szybko chodzenia w zakresie minimalnej trwałoci austenitu, oraz dziesi razy mniejsz w zakresie przemiany martenzytycznej w porównaniu z wod. Jednak chłodzenie w zakresie niskich temperatur jest bardziej podane, poniewa powstaj mniejsze naprenie ni przy chłodzeniu w wodzie. W praktyce stosuje si wi oleje nieco gstsze, o wyszej temperaturze zapłonu. Temperatura kpieli olejowej powinna mie od 40 do 60 C olej jest rzadszy i lepiej odprowadza ciepło. Do hartowania stosuje si wszelkiego rodzaju: oleje mineralne, olej maszynowy, wrzecionowy oraz specjalne oleje hartownicze o dłuszym okresie przydatnoci

21 Obróbka cieplna w praktyce O procesie nagrzewania decyduje przewodno cieplna i opór cieplny danego gatunku stali oraz szybko nagrzewania. W zabiegach obróbki cieplnej stosowane s niewielkie szybkoci nagrzewania - rednio 10 do 20 C na min, aby osign moliwie równomierne nagrzewanie obrabianego cieplne przedmiotu. Unika si w ten sposób niebezpiecznych napre, a w konsekwencji odkształce i pkni.

22 Wanna olejowa z olejem gorcym Wanna olejowa z olejem zimny Intensywne chłodzenie zapobiega zapłonowi oleju Zapłon oleju

23 Obróbka cieplna w praktyce Poza iloci doprowadzonego ciepła, na szybko nagrzewania wpływaj równie inne czynniki do których zalicza si: sposób doprowadzenia ciepła do przedmiotu (proces nagrzewania jest szybszy gdy ciepło doprowadzane jest do całej powierzchni ciała) temperatura orodka nagrzewajcego (wzrost temperatury pieca do temperatury nagrzewanego przedmiotu jest proporcjonalny do szybkoci nagrzewania) rodzaj orodka nagrzewajcego i szybko jego ruchu wzgldem nagrzewanych przedmiotów (nagrzewanie nastpuje szybciej im wiksza jest pojemno cieplna orodka nagrzewajcego) rodzaj nagrzewanego materiału, a w szczególnoci jego przewodnictwo cieplne,

24 Obróbka cieplna w praktyce powierzchnia przekroju nagrzewanego przedmiotu o wikszych liniowych wymiarach nagrzewa si wolniej, a tym samym wydłua si czas nagrzewania, kształt przedmiotu (przedmioty nagrzewaj si szybciej im wiksz maj powierzchni w stosunku do swojej masy), sposób układania przedmiotów w piecu (o szybkoci nagrzewania wsadu decyduje ich wzajemne połoenie elementy oddalone od siebie nagrzewaj si szybciej) obcienie cieplne pieca (wolniej nagrzewa si wsad o wikszej masie)

25 Obróbka cieplna w praktyce Wane s równie sposoby nagrzewania wsadu: z zimnym piecem (nagrzewanie powolne) w piecu o temperaturze zabiegu (nagrzewanie przyspieszone) w piecu o temperaturze wyszej od temperatury zabiegu (nagrzewanie szybkie). Ze wzgldu na powysze czynniki, ciała poddawane nagrzewaniu dzieli si na ciała o duej i małej zdolnoci przenikania ciepła

26 Obróbka cieplna w praktyce in Sposób załadowania in Sposób załadowania ,4 2 4 Id Id Id Id Is Is 2 2 Is 2 Is 2 1,4 2,2 Id 2d Is Is Is 1,3 2 2s Is 1,7 1,8 Współczynnik wzgldnego czasu nagrzewania wsadu n w zalenoci od kształtu przedmiotu i sposobu ich ułoenia na trzonie pieca

27 Obróbka cieplna w praktyce Atmosfery ochronne Wanym czynnikiem w procesie grzania jest oddziaływanie atmosfery pieca na powierzchni grzanego przedmiotu. W wyniku nagrzewanie nastpuje utlenianie oraz odwglanie powierzchni obrabianego przedmiotu. Utlenianie prowadzi do powstania na powierzchni warstwy zgorzeliny składajcej si głównie z tlenku elaza Fe 2 O. Utleniajco działaj: tlen czsteczkowy O 2, CO 2 oraz para wodna. Odwglanie natomiast to proces polegajcy na wypaleniu wgla z powierzchni stali na powierzchni moe powsta prawie czysty ferryt. Odwglajco działaj CO i para wodna. Procesy te s bardzo niekorzystne, prowadz do pogorszenia właciwoci mechanicznych materiału. Dlatego tak wana jest ochrona stali przed utlenieniem i odwgleniem w czasie obróbki cieplnej

28 Atmosfery ochronne W przemyle stosuje si nastpujce atmosfery ochronne typu: N 2 - H 2 (otrzymywane przez dysocjacj amoniaku i czciowe spalanie produktów dysocjacji) CO-CO 2 -N 2 -H 2 (najbardziej rozpowszechnione w przemyle uzyskiwane w wyniku spalania czciowego rónych gazów, np. wietlnego, koksowniczego) CO-CO 2 -CH 4 -N 2 -H 2 (otrzymywane przez rozkład wglowodorów ciekłych lub gazowych, rzadko stosowane) CO-CO 2 -N 2 (wytwarzane w generatorach z dodatkowym przedmuchiwaniem powietrza przez rozarzony wgiel drzewny) Innymi sposobami ochrony przed szkodliwym działaniem atmosfery pieca s: nagrzewanie w szczelnych skrzynkach wypełnionych np. opiłkami eliwnymi, stosowanie powłok ochronnych, np. miedziowych, nagrzewanie w kpielach solnych lub ołowiowych, stosowanie pieców próniowych.

29 Obróbka cieplna w praktyce Wady powstajce w procesach obróbki cieplnej Nieprawidłowo przeprowadzone hartowanie stali jest przyczyn powstawania rónego rodzaju wad hartowniczych. Najbardziej rozpowszechnione s: niewystarczajca twardo zahartowanego przedmiotu jako wynik niedogrzania, czyli zbyt niska temperatura w piecu lub zbyt krótki czas wygrzewania; martenzyt ma niewystarczajc twardo, austenit nie przechładza si do temperatury przemiany martenzytycznej, zawarto martenzytu rednio i wysokoodpuszczonego mikkie plamy powstaj w skutek niedogrzania lub nie do intensywnego chłodzenia lub te w skutek niejednorodnoci struktury pocztkowej, np. skupie ferrytu

30 Wady powstajce w procesach obróbki cieplnej dua krucho powstaje zwykle w wyniku hartowania ze zbyt wysokich temperatur, przy których zachodzi znaczny rozrost ziaren austenitu utlenienie i odwglenie powierzchni zachodzi podczas nagrzewania płomieniowego lub elektrycznego bez atmosfery ochronne odkształcenia, wypaczenia i pknicia s nastpstwem napre własnych w hartowanym przedmiocie Powolne chłodzenie podczas hartowania w zakresie temperatur przemiany martenzytycznej jest najskuteczniejszym sposobem eliminacji wad i zmniejszenia napre własnych. Aby zapobiec odkształceniom przedmiotów poddawanych hartowaniu, powinno si zwraca uwag na odpowiedni kształt projektowanego elementu. Przedmioty o bardziej złoonych kształtach naley wykonywa ze stali hartujcych si w oleju, ni ze stali wglowych, które trzeba hartowa w wodzie.