operator maszyn i urzadzen do obrobki plastycznej 812[01] z2 02 u

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 inż. Robert Wanic
mgr inż. Andrzej Pasiut

Opracowanie redakcyjne:
mgr Tomasz Jeziorowski

Konsultacja:
mgr inż. 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”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Charakterystyka procesów obróbki cieplnej

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Wyżarzanie

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Hartowanie

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Odpuszczanie i ulepszanie cieplne

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Obróbka cieplno-chemiczna

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Wady wyrobów spowodowane niewłaściwie przeprowadzoną obróbką

cieplną

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Bezpieczeństwo i higiena pracy, ochrona ppoż. i ochrona środowiska

podczas obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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) umożliwiający samodzielne przygotowanie się do

wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy
wskazaną literaturę, czasopisma oraz inne źródła informacji. Obejmuje on również
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, że opanowałeś materiał albo posiadasz jeszcze luki w swojej wiedzy i nie
w pełni opanowane umiejętności. Jeżeli 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, że
przedstawiony tu wykaz literatury nie jest czymś stałym i w każdej 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 przeciwpożarowych i zasad ochrony środowiska
naturalnego, wynikających z charakteru wykonywanych prac. Przepisy te poznasz podczas
trwania nauki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

812[01].Z2

Technologia wytwarzania

wyrobów metodami obróbki

plastycznej

812[01].Z2.01

Posługiwanie się

podstawowymi pojęciami

z zakresu obróbki plastycznej

812[01].Z2.02

Wykonywanie operacji

obróbki cieplnej i cieplno-

chemicznej

812[01].Z2.03

Przygotowanie

i nagrzewanie wsadu do

obróbki plastycznej

812[01].Z2.04

Wykonywanie wyrobów

w procesie walcowania

i ciągnienia

812[01].Z2.05

Wykonywanie wyrobów

w procesie kucia

812[01].Z2.06

Wykonywanie wyrobów

w procesie tłoczenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

stosować jednostki układu SI,

−

posługiwać się dokumentacją techniczną,

−

odczytywać dane z wykresów,

−

wykonywać pomiary warsztatowe,

−

użytkować komputer,

−

zorganizować miejsce pracy zgodnie z zasadami ergonomii,

−

stosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz
środowiska,

−

pracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

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 wyżarzanie, 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 żądanych właściwości po obróbce,

−

dobrać parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

−

rozróżnić urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

−

obsłużyć 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 ppoż. i ochrony środowiska podczas obróbki cieplnej
i cieplno-chemicznej,

−

skorzystać z dokumentacji technologicznej, norm, poradników.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ 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 można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

−

cieplną zwykłą,

−

cieplno-chemiczną,

−

cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),

−

cieplno-magnetyczną.
Klasyfikację obróbki cieplnej zwykłej przedstawiono na rysunku 1. Każdy proces

obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część
procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie) wykonywana w sposób ciągły,
przeważnie 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”

Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość

nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz
szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie
materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy. Podczas nagrzewania
stopniowego rozróżnia się: podgrzewanie

−

nagrzewanie do temperatury pośredniej

i dogrzewanie

−

nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia

stopniowego wyróżniamy 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 poniżej
0°C nazywamy wymrażaniem.

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 żelazo ze względu na niskie właściwości wytrzymałościowe ma zastosowanie

w ograniczonym zakresie. Stopy żelaza wykazują lepsze właściwości wytrzymałościowe
i mają większe zastosowanie. śelazo jako istotny składnik wszystkich stopów, w zależności
od temperatury i ciśnienia przegrupowuje swoje atomy w sieciach. Zjawisko to nazywa się
alotropią.

śelazo występuje w dwóch odmianach alotropowych:

i γ. Odmiana

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 γ 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 γ ⇒

oraz

⇒ γ,

–

w temperaturze 910°C przemiana alotropowa

⇒ γ oraz γ ⇒

–

w temperaturze 768°C przemiana magnetyczna.

Rys. 3. Przemiany alotropowe żelaza przy ogrzewaniu i chłodzeniu [12, s. 66]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Właściwości mechaniczne stopów zależą od wewnętrznej budowy, czyli struktury.

Struktura stopu obejmuje rodzaj, wielkość, formę, wzajemny układ oraz rozproszenie
kryształów. śelazo tworzy dwa rodzaje układów żelazo-węgiel. Układ stabilny reprezentujący
równowagę układu żelazo-grafit i układ niestabilny żelazo-cementyt. Zwykle wykresy
reprezentujące te układy są nałożone na siebie w celach porównawczych (rys. 4).

Układ żelazo-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 poniżej linii łamanej AHJECF

zwanej solidusem.

Rys. 4. Układ żelazo-węgiel [12, s. 68]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na wykresie układu równowagi żelazo

−

cementyt wyróżnia się trzy podstawowe

przemiany zachodzące w stałych temperaturach:

−

perytektyczna (roztwór ciekły)

+ α

=> γ

−

punkt J,

−

eutektyczna (roztwór ciekły)

=> γ

+ Fe

−

punkt E,

−

eutektoidalna (roztwór stały) γ

=> α

+ Fe

−

punkt S.

Można również wskazać linie: AH, NJ+ JE i GP, które oznaczają koniec krystalizacji

roztworów stałych. Pola ograniczone liniami wyznaczonymi przez punkty: AHN (δ = α),
NJESG (γ) oraz GPQ (α) reprezentują roztwory stałe. Mieszaniny faz krystalizują w trakcie
rozpadu roztworów: γ + Fe

C w przemianie eutektycznej, α + Fe

C w przemianie

eutektoidalnej. Linia zmiennej rozpuszczalności węgla w żelazie α

−

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 obniżaniem 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 (α)

−

roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie α, (Fe

−

austenit (γ)

−

roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie γ, (Fe

−

ledeburyt

−

mieszanina eutektyczną austenitu γ i cementytu Fe

C, (γ + Fe

C),

−

perlit

−

mieszanina eutektoidalną ferrytu α i cementytu Fe

C, (α + Fe

C).

Struktury stopów żelaza zawierają cementyt pochodzący z trzech wydzieleń

zachodzących w odmiennych warunkach. W pierwszym przypadku cementyt wydziela się
z cieczy podczas krystalizacji wzdłuż linii CD i nosi nazwę cementytu pierwszorzędowego,
Fe

. Następnie cementyt wydziela się z roztworu stałego γ, tj. austenitu, wg linii ES i nosi

nazwę cementytu drugorzędowego. Fe

. W trzecim przypadku cementyt wydziela się

z ferrytu wg linii PQ i nazywa się cementytem trzeciorzędowym, Fe

III

. Każdy rodzaj

cementytu ma różny wpływ na właściwości stopów, ponieważ warunki tworzenia się tych
odmian decydują o zróżnicowanym rozmieszczeniu i geometrii struktury stopu.

Ledeburyt w temperaturze tworzenia się

−

1147°C

−

jest mieszaniną dwóch faz austenitu

i cementytu, z której to przy obniżaniu się temperatury wydziela się cementyt drugorzędowy.
W temperaturze 723°C następuje przemiana austenitu w perlit. Przy dalszym obniżaniu się
temperatury

−

poniżej 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 α ubogiego w węgiel z bogatym w węgiel cementytem.

W zależności od zawartości węgla w stopach żelazo

−

węgiel wyróżnia 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,

−

złożoną z perlitu i cementytu drugorzędowego

−

0,8% < C < 2,06%.

Na wykresie układu równowagi żelazo

−

węgiel wyróżnia się charakterystyczne

temperatury przemian oznaczone literą A (arret

−

przystanek temperatury) z odpowiednimi

indeksami (rys. 5):

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

temperatura przemiany magnetycznej cementytu 210°C,

−

temperatura przemiany eutektoidalnej 723°C

−

linia PSK,

−

temperatura przemiany magnetycznej ferrytu 768°C

−

linia MO,

−

temperatura przemiany alotropowej Fe

=> Fe

, dla czystego żelaza 910°C

−

punkt G, dla stopów żelaza

linia łamana GSK, na odcinku SK linia A

pokrywa się z linią A

, więc ten odcinek oznacza się jako A

1,3

−

temperatura przemiany alotropowej Fe

<=> Fe

, dla czystego żelaza 1390°C

−

punkt N,

−

linia NH.

−

temperatura początku wydzielania cementytu Fe

C z austenitu lub końca rozpuszczania cementytu

w austenicie, czyli graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem drugorzędowym

−

linia SE.

Rys. 5. Fragment wykresu równowagi żelazo-cementyt z oznaczeniami temperatury przemian [12, s. 70]

Dla wyróżnienia, 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 żelazo

−

grafit ma podobny charakter i jest zwykle nanoszony na wykres

żelazo

−

cementyt do celów porównawczych. Wykresy te mają duże znaczenie praktyczne,

ponieważ umożliwiają śledzenie przemian i struktury technicznych stopów żelaza z węglem.

Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury A

, rozpoczyna się przemiana perlitu

w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po
przekroczeniu temperatury A

rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach

nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm

−

proces rozkładu cementytu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach

międzyfazowych ferryt

−

cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia

przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej
temperatury A

, (A

) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy

grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt

−

cementyt, tj.

dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać 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 zależy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które możemy 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 (D

, D

−

wielkość ziarna austenitu w stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej,

−

wielkość ziarna perlitu) [15]

Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu są dyspersyjne cząstki obcych

faz, uniemożliwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą
skłonnością do rozrostu ziaren należą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają
dyspersyjne cząstki Al

i AlN) oraz stale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno

rozpuszczalne węgliki. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu
temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej 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 poniżej

temperatury Ar, ulega przemianie perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej. Dane
dotyczące zależności 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”

fazy. Czas inkubacji austenitu przy chłodzeniu izotermicznym zależy przede wszystkim od
temperatury i jest najdłuższy w temperaturze bezpośrednio poniżej temperatury A1. Wraz
z obniżeniem temperatury czas trwałości przechłodzonego austenitu ulega skróceniu osiągając
minimum w temperaturze 500

−

550°C. Poniżej temperatury 550°C czas inkubacji austenitu

wydłuża się aż do osiągnięcia temperatury początku przemiany martenzytycznej.

Rys. 7. Wykresy CTP

(a) i CTP

(b) dla niestopowej stali podeutektoidalnej [15]

Rys. 8. Wykres CTP izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej [15]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur

pomiędzy temperaturą A

, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500

−

550°C. W jej

wyniku, z austenitu, powstaje mieszanina eutektoidalna złożona 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, że
w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubożenie zawartości węgla
w otaczającym ją austenicie. Gdy stężenie 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 µm, a w perlicie utworzonym
w temperaturze 600°C

−

0,1 µm.

Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości

austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia
izotermicznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący
się w zakresie temperatury poniżej 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, że 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, że bainit jest
mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, że
zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie
cementytu zachodzi na granicy międzyfazowej α / γ. Morfologia tworzącego się cementytu na
granicach listew ferrytu zależy od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 już istniejących płytkach
ferrytu. Istotną cechą bainitu dolnego jest również to, że wydzielanie się węglików zachodzi
wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zależności od warunków przemiany, może wydzielić
się cementyt lub węglik ε. Węglik ε o C zawiera 8,4% C i krystalizuje w układzie
heksagonalnym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.

Wraz z obniżeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu

bainitycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew
ferrytu bainitycznego rośnie również ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem
morfologicznym bainit górny jest bardziej zbliżony do perlitu drobnego, a bainit dolny do
martenzytu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyróżnia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny,
występujący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach
nadeutektoidalnych powyżej temperatury 350°C.

Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi

w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury M

z prędkością równą lub

większą od prędkości krytycznej. W wyniku powyższej przemiany powstaje martenzyt tj.
przesycony roztwór węgla w żelazie α, o strukturze tetragonalnej, powstającej przez
zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością atomów węgla. Parametry sieci
tetragonalnej martenzytu, a tym samym jego właściwości zależą głównie od zawartości węgla
w martenzycie. Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana
obniżeniem symetrii sieci i wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy
międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych (dyslokacji, mikrobliźniaków).

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury M

i zachodzi

z bardzo dużą prędkością 1000

−

7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi ok.

-7

s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury aż

do osiągnięcia temperatury M

(ang. martensite finish), poniżej 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 naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej

przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy od:
zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej,
temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur M

i M

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 (M

i M

) szczątkowego [15]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 11. Wpływ węgla na zawartość austenitu [15 ]

W miarę wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura M

, jak i M

ulega

obniżeniu, przy czym w stalach o zawartości ponad 0,6% C temperatura M

leży poniżej zera

°C i dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest
przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego
w stali wzrasta również, jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur M

i M

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 niższej od A

stali uprzednio zahartowanej

zachodzą następujące przemiany:

−

rozkład martenzytu,

−

przemiana austenitu szczątkowego w fazę α,

−

wydzielanie węglika i cementytu w stalach węglowych oraz innych węglików w stalach
stopowych,

−

koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania.

W zależności od temperatury możemy wyróżnić kilka stadiów odpuszczania, w których

przeważa 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”

Pierwsze stadium przebiega w zakresie temperatur 80

−

200°C. Z martenzytu wydziela się

węgiel w postaci drobnodyspersyjnego węglika ε, co powoduje zmniejszenie tetragonalności
martenzytu. Powyższym przemianom towarzyszy skurcz próbki. Struktura po odpuszczaniu
składa się z martenzytu odpuszczonego, austenitu szczątkowego i wydzieleń węglika ε.

Drugie stadium przebiega w zakresie temperatur 200

−

300°C. Przeważają tutaj procesy

przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony, co powoduje wydłużenie
próbki. Struktura stali składa się z martenzytu odpuszczonego i węglika ε.

W trzecim stadium odpuszczania (300

−

400°C) następuje całkowite wydzielenie się

węgla z martenzytu, rozpuszczanie się węglika ε w osnowie i niezależne wydzielanie
cementytu. W powyższym stadium odpuszczania następuje silny skurcz próbki. Struktura
próbki składa się martenzytu odpuszczonego (roztworu α) i wydzieleń cementytu. Powyżej
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 (złożonego z bardzo drobnych kulistych cząstek
cementytu w osnowie ferrytu).

Parametry zabiegów obróbki cieplnej

Podstawowymi parametrami obróbki cieplnej są:

–

temperatura nagrzewania (najwyższa temperatura, do której należy 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 dużej 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”

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 różni 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 wyżarzanie, 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”

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.

Wyposażenie stanowiska:

−

kartka,

−

długopis.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj elementy wykresu żelazo-węgiel. Uzupełnij puste miejsca na wykresie.

Rysunek do ćwiczenia 2

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) rozpoznać elementy układu żelazo-węgiel,
2) uzupełnić pozostawione puste miejsca na wykresie
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie 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

−

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) wyróżnić przemiany fazowe zachodzące podczas nagrzewania,

chłodzenia, odpuszczania?

6) scharakteryzować zmiany właściwości stali w poszczególnych

fazach?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 służące

do ogrzewania metali. Podstawowymi elementami każdego 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 zależności od ich konstrukcji podzielić można 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 wyróżnić można najogólniej piece próżniowe, z atmosferą

kontrolowaną (z atmosferą ochronną, technologiczną), z wymuszonym obiegiem powietrza.

W zależności od źródła ciepła rozróżnia się piece na paliwo stałe, ciekłe lub gazowe oraz

piece elektryczne. Piece elektryczne, w zależności 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 można ustawiać i regulować temperaturę w przestrzeni

grzewczej z dużą 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, wyżarzania, odpuszczania,
odprężania oraz nawęglania. Mogą pracować w atmosferze powietrza, ochronnej lub
regulowanej.

Piece komorowe do pracy w atmosferze powietrza umożliwiają przeprowadzanie

procesów obróbki cieplnej wsadu w zakresie temperatur do 1000°C, wyżarzanie
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 różnych

procesów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej w atmosferze ochronnej w temperaturze
odpowiednio do 1000° i 1100°C. Piece te mogą być wyposażone w drugie drzwi, w tym jedne
z mieszarką, umożliwiające 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”

Uniwersalne piece elektryczne komorowe umożliwiają stosowanie nowoczesnych

technologii obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej wsadu w zakresie temperatur 750

−

1000°C.

w piecach tych można 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,

−

wyżarzanie w temperaturze do 650 do 850°C – w atmosferze azotu, a od temperatury
750°C także 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 możliwości dostępu powietrza z zewnątrz. Wewnątrz komory jest
realizowany wymuszony obieg atmosfery za pomocą mieszarki. Polepsza się przez to
równomierność nagrzewania wsadu w przestrzeni użytkowej 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 może też 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 powyżej 4 m

) jako stałe.

W piecach elektrycznych wgłębnych procesy obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej

odbywają się w szczelnej retorcie, zamkniętej od góry pokrywą, bez możliwości 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

spalinowych, 2 – palnik, 3 – rurociąg gazu,
4 – rurociąg powietrza, 5 – otwory powietrzne
[3, s. 66]

Rys. 15. Piec

gazowy

komorowy:

–

piec,

2 – palniki, 3 – rekuperator [3, s. 66]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 obniżeniu temperatury w celu

uzyskania odpowiednich właściwości przedmiotów.

Chłodzenie można prowadzić z różnymi szybkościami obniżania temperatury:

−

oziębianie, duże szybkości

−

studzenie, wolniejsze obniżanie temperatury,

−

wymrażanie, obniżanie temperatury poniżej 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 obniżenia 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 wężownicą. Dopływ
wody do chłodnic powinien być u dołu, a odpływ u góry.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 18. Wanny chłodzone: a) płaszczem wodnym, b) wężownicą [3, s. 239]

−

wanny olejowe; stosuje się po obróbce, jeżeli wymagane jest utrzymanie stałej
temperatury kąpieli. Uzyskuje się to przy zastosowaniu krążenia 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 zależności od przewodności cieplnej, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu, rodzaju

ośrodka (czynnika) nagrzewającego, różnicy temperatury między piecem a nagrzewanym
przedmiotem, temperatury nagrzewania, mocy pieca i innych czynników szybkość
nagrzewania może być bardzo zróżnicowana. 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 wyższej od temperatury
obróbki cieplnej.
Celem jest zapewnienie uzyskania jednakowej temperatury w całym przekroju

obrabianego przedmiotu.

Czas grzania można wyznaczyć metodami analitycznymi na podstawie zależności

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 zależność
czasu nagrzewania w różnych piecach do obróbki cieplnej od średnicy przedmiotu
i temperatury grzania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 20. Zależność 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 wskaźników τ

1mm

czasu grzania

przedmiotów ze stali węglowej do temperatury hartowania i odpuszczania, wyrażone
w minutach na milimetr przekroju.

Tabela 1. Orientacyjny wskaźnik czasu τ

1mm

grzania przedmiotów ze stali węglowej do temperatury hartowania

i odpuszczania w minutach na 1 mm średnicy lub grubości przedmiotu [2, s. 261]

Operacja

obróbki
cieplnej

Hartowanie, wyżarzanie normalizujące

i zupełne

Odpuszczanie wysokie

Rodzaje pieca

Komorowy

Solny

Komorowy

Solny

Zabiegi

nagrze-

wanie

wygrze-

wanie

nagrze-

wanie

wygrze-

wanie

nagrze-

wanie

wygrze-

wanie

nagrze-

wanie

wygrze-

wanie

Wartość

wskaźnika τ

1mm

min/mm

0,8

0,2

0,35

0,17

1,0

0,25

0,45

0,12

Stale stopowe należy nagrzewać w czasie o 20–40% dłuższym, a w przypadku

odpuszczania nawet w czasie 1–3 h. Praktycznie można przyjąć, że 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”

Do obliczania czasu grzania przedmiotów obrabianych cieplnie przyjmuje się wymiar

redukowany, wyznaczany jako iloczyn:

gdzie:

S – minimalny wymiar charakterystyczny przedmiotu,
K – współczynnik kształtu.

Wartości S i K dla różnych przedmiotów zawarte są w tabeli 2.

Tabela 2. Wymiary charakterystyczne S i współczynniki kształtu K dla różnych przedmiotów obrabianych

cieplnie [2, s. 263]

Kształt przedmiotu

Wymiar charakterystyczny S

Współczynnik

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

−

dla rur krótkich odsłoniętych

2,0

−

dla rur krótkich lub zaślepionych

4,0

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 możliwie i maksymalne zabezpieczenie obsługi przed zagrożeniami
występującymi w czasie prowadzenia tych procesów.

Bardzo ważnym zagadnieniem, z punktu widzenia bhp, jest zamknięcie pieców do

obróbki cieplnej. To zagadnienie wiąże się z kwestią łatwego załadowania i rozładowania
pieca, a więc zmniejszenia obciążenia fizycznego, jak również ze sprawą bezpieczeństwa
pracy obsługi. Z tych powodów drzwi pieców powinny być wyposażone 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

obróbki

cieplnej [3, s. 129]

Rys. 22. Różne

sposoby

mocowania

materiału

ogniotrwałego do ramy drzwi pieca [3, s. 129]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do małych pieców stosuje się najczęściej drzwi zawiasowe składające się z zewnętrznego

płaszcza żeliwnego stanowiące ramę i wyłożenia ogniotrwałego. Do większych pieców
stosuje się drzwi podnoszone, o odpowiednio mocniejszej konstrukcji, gdzie rama żeliwna,
wyłożona cegłami ogniotrwałymi.

Ładowanie, rozładowanie pieca

Wykonywanie czynności związanych z załadowaniem i wyładowaniem wsadu

przeznaczonego do obróbki cieplnej, zwłaszcza przy obsłudze pieców o pracy okresowej,
stwarza szereg zagrożeń i w znacznym stopniu obciąża fizycznie obsługę pieców.

Najczęściej, w czasie prowadzenia tych czynności, obsługa narażona jest na następujące

zagrożenia: 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 można ograniczyć do minimum poprzez zachowanie szczególnej
ostrożności przy wykonywaniu tych samych czynności, oraz stosowaniu odpowiednich
urządzeń i narzędzi pomocniczych. Dodatkowo oprócz odzieży ochronnej przed działaniem
promieniowania cieplnego należy 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 wyposażone 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 wyposażona 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. Należy 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 należy bezwzględnie

wyłączyć prąd za pomocą wyłącznika głównego.

10. W razie pożaru należy gasić urządzenia elektryczne za pomocą specjalnych gaśnic.
11. Instrukcję obsługi oraz instrukcję dotyczącą ratowania porażonych prądem należy

umieścić w widocznym miejscu.

Tabela 3. Środki ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym [4, s. 955]

Sposób ochrony

Realizacja

Uwagi

Izolacja miejsca pracy

Izolowanie obsługi od ziemi
podłoga z materiału izolacyjnego,
chodnik izolacyjny.
Izolowanie obsługi od urządzeń:
–

osłony i ogrodzenia,

–

umieszczenie urządzeń poza
zasięgiem ręki.

Kontrolować okresowo izolację. Znajdujące się
w pobliżu uziemione konstrukcje izolować lub
połączyć z obudową urządzeń elektrycznych.

Obniżanie napięcia
źródła prądu

Transformator i przetwornice

Stosowane głównie przy odbiornikach małej
mocy.

Uziemienie ochronne

Połączenie obudowy urządzeń z
uziemieniem.

Nie powinno powstać napięcie między
urządzeniem a ziemią o wartości niebezpiecznej
dla obsługi. Powinno działać zabezpieczenie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zerowanie

Połączenie obudowy urządzeń
przewodem zerowym.

Warunki dodatkowe:
Punkt zerowy transformatora powinien być
uziemiony.
Ciągłość przewodu zerowego bez
bezpieczników.
Odpowiedni przekrój przewodu zerowego.
Dodatkowe uziemienie przewodu zerowego.

Wyłączniki ochronne

Wyłącznik z wyzwalaczem lub
przekaźnikiem przeciwpożarowym.

Przekaźnik wyzwalacz działa przy przepływie
prądu od obudowy do ziemi lub na skutek
różnicy prądów w poszczególnych fazach –
układ różnicowy.

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. Każdy uczeń powinien być ubrany w ubranie robocze i stosować w razie potrzeby

rękawice, obuwie ogniotrwałe lub gumowe, okulary ochronne.

2. Stanowiska robocze powinny być wyposażone w szczegółowe instrukcje.
3. Należy sprawdzić stan urządzeń przed wykonaniem pracy.
4. Na stanowiskach należy utrzymywać porządek.
5. Wszystkie czynności związane z obsługą urządzeń elektrycznych powinny odbywać się

w obecności nauczyciela.

6. Zauważone awarie należy 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 można 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”

Wyposażenie 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 wyżarzania
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) ułożyć 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.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

piec oporowy komorowy,

−

instrukcja obróbki cieplnej,

−

instrukcja obsługi pieców,

−

narzędzia robocze,

−

odzież 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

4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

kartka,

−

długopis,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 służących 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”

4.3. Wyżarzanie

4.3.1. Materiał nauczania

Wyżarzanie to proces obróbki polegający na nagrzaniu stopu do odpowiedniej

temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia.

Szybkość chłodzenia zależy od temperatury wyżarzania:

−

po wyżarzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian szybkość chłodzenia
powinna być niewielka,

−

po wyżarzaniu w temperaturze niższej od przemian szybkość chłodzenia jest dowolna.
Zależnie od rodzaju wyżarzania, właściwości obrabianego metalu zmieniają się

w szerokim zakresie.

W wyniku wyżarzania można uzyskać:

−

poprawę obrabialności przy skrawaniu,

−

zwiększenie plastyczności przy tłoczeniu na zimno,

−

zwiększenie jednorodności struktury i składu chemicznego,

−

zmniejszenie naprężeń powstałych podczas zgniotu, spawania.
Rodzaje wyżarzania przedstawia rysunek 23.

Rys. 23. Zakresy temperatur wyżarzania stali niestopowych [15]

Do rodzajów wyżarzania zalicza się stabilizowanie.
Bardzo często przeprowadzane jest wyżarzanie rekrystalizujące. Ma ono na celu

usunięcie skutków zgniotu.

Rys. 24. Wpływ wyżarzania 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”

Rodzaje wyżarzania przedstawione zostały w tabeli 4.

Tabela 4. Rodzaje wyżarzania [15]

Rodzaje

wyżarzania

Nagrzewanie

Chłodzenie

Cel obróbki

Zastosowanie

Wyżarzanie
ujednorodniające
(homogenizowanie)

w temperaturze
150

−

250°C powyżej

linii GS przeważnie
w 1000

−

1250°C

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

zmniejszenie
niejednorodności
składu
chemicznego

−

duże odlewy
staliwne,

−

wlewki przed
obróbką
plastyczną.

Wyżarzanie
normalizujące
(normalizowanie)

w temperaturze
150

−

250°C powyżej

linii GS

powolne chłodzenie
(studzenie)
w spokojnym
powietrzu

−

otrzymanie
struktury
jednolitej
i drobnoziarnistej
z polepszeniem
właściwości
mechanicznych,

−

usunięcie
wewnętrznych
naprężeń
skutków zgniotu,

−

polepszenie
obrabialności
stali węglowych
i stopowych

−

stal walcowana,

−

odkuwki,

−

odlewy.

Wyżarzanie
zupełne

w temperaturze
150

−

250°C

powyżej linii GS

powolne chłodzenie
do całkowitego
ochłodzenia w celu
zupełnego
przekrystalizowania
stali

−

uzyskanie dobrej
ciągliwości,

−

uzyskanie małej
twardości,

−

podwyższenie
udarności,

−

usunięcie
wewnętrznych
naprężeń,

−

polepszenie
obrabialności.

Wyżarzanie
sferoidyzujące
(zmiękczanie)

w temperaturze
30–50°C
powyżej linii PS

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

uzyskanie
struktury
cementytu
kulkowego
(sferoidyzacja),

−

polepszenie
obrabialności
skrawaniem dla
stali o większej
zawartości
węgla,

−

usunięcie
naprężeń
wewnętrznych.

−

przed
hartowaniem
stali
narzędziowych.

Wyżarzanie
grafityzujące
(grafityzowanie)

w temperaturze
powyżej linii PS

−

rozkład
cementytu na
grafit (węgiel
żarzenia),

−

uzyskanie
z żeliwa białego
żeliwa
ciągliwego
czarnego.

−

żeliwo białe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyżarzanie
rekrystalizujące
(rekrystalizowanie)

nagrzanie do
temperatury wyższej
od temperatury
rekrystalizacji
(ok. 600

−

650°C),

poniżej linii PS

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

usunięcie
skutków zgniotu.

−

stale uprzednio
zgniecione.

Wyżarzanie
odprężające
(odprężanie)

Nagrzanie do
temperatury poniżej
linii PS
(zwykle poniżej
650°C)

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

zmniejszenie
naprężeń
wewnętrznych.

−

zgnieciona stal,
odlewy, spoiny
spawalnicze.

Stabilizowanie

wygrzanie
w temperaturze
100

−

150°C stali

węglowych,
w temperaturze
200°C stali
wysokochromowych

−

stabilizacja
wymiarów po
hartowaniu albo
nisko
odpuszczonych.

−

narzędzia
pomiarowe,

−

przyrządy
precyzyjne.

Ogrzewanie przedmiotów do odpowiednich temperatur wyżarzania odbywa się w tych

samych piecach co inne rodzaje obróbki cieplnej. Temperatury określamy za pomocą
pirometrów lub w przybliżeniu za pomocą barw żarzenia.

Najczęstszymi wadami nieprawidłowego przeprowadzania wyżarzania 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 wyżarzania

2. W jakiej temperaturze przeprowadza się wyżarzanie normalizujące?
3. Na czym polega proces obróbki cieplnej – stabilizowanie?
4. W jakiej temperaturze przeprowadza się wyżarzanie sferoidyzujące?
5. Jakie są najczęstsze wady nieprawidłowego wyżarzania?
6. Jaki jest cel stosowania wyżarzania normalizującego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie norm dobierz temperaturę i czas wyżarzania normalizującego dla stali 35.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować normy,
2) odczytać z tabeli temperaturę i czas wyżarzania normalizującego,
3) zanotować parametry wyżarzania w zeszycie,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

karty materiałowe, normy,

−

zeszyt,

−

przybory do pisania

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wykonaj wyżarzanie normalizujące staliwa i stali. Określ zmiany twardości po wyżarzaniu

normalizującym staliwa i stali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppoż i ochrony środowiska podczas wykonywanej

pracy,

3) zmierzyć twardość próbek w stanie wyjściowym do wyżarzania normalizującego,
4) przeprowadzić wyżarzanie normalizujące w warunkach dobranych stosownie do składu

chemicznego i wymiarów próbek,

5) zmierzyć twardość próbek po wyżarzaniu normalizującym,
6) zestawić w tabeli wyniki uzyskane z pomiarów twardości próbek,
7) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

próbki staliwa i stali przeznaczone do wyżarzania normalizującego,

−

piec elektryczny komorowy,

−

twardościomierz Rockwella,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Wykonaj wyżarzanie zmiękczające zużytych przecinaków i przebijaków ze stali N8E.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować stanowisko pracy,
2) zastosować zasady bhp, ochrony ppoż i ochrony środowiska podczas wykonywanej

pracy,

3) dobrać parametry wyżarzania 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”

Wyposażenie 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 wyżarzania ujednorodniającego

2) wyznaczyć na wykresie Fe

−

C zakres temperatur dla wyżarzania?

3) wymienić wady które mogą wystąpić po wyżarzaniu?

4) scharakteryzować wyposażenia do przeprowadzenia normalizowania?

5) przygotować piec komorowy do obróbki wyżarzania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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.

Rozróżnia się kilka rodzajów hartowania, które różnią się między sobą sposobami

nagrzewania i chłodzenia. Rodzaj hartowania jest uzależniony 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. Można
powiedzieć, że najbardziej korzystną temperaturą hartowania stali podeutoktaidalnych jest
temperatura 30

−

C A

i dla stali nadeutoktaidalnych 30

−

C A

Przy doborze temperatury hartowania dla stali węglowych można posługiwać się

wykresem

−

C, dla stali stopowych należy 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 należy również uwzględnić wielkość hartowanej

części. Części drobne należy nagrzewać nie wyżej niż 30°C ponad A

części duże 50

−

ponad A

gdyż

wyższa 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”

Szybkość nagrzewania i czas wygrzewania

Szybkość nagrzewania zależny 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 należy nagrzewać wolniej niż węglowe.
Duży 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 należy dobierać
doświadczalnie w zależności od urządzenia grzewczego, gatunku stali, kształtu i wielkości
hartowanej części. W celu sprawdzenia czy dokonano prawidłowego doboru czasu
wygrzewania należy przeprowadzić badania metalograficzne zahartowanej części na
obecność nierozpuszczonego ferrytu na tle martenzytu co świadczy że, czas wygrzewania był
za krótki.

Czas wygrzewania można również obliczać.

Chłodzenie przy hartowaniu

Ważny 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 należy 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 różnych środkach chłodzących [8, s. 136]

Szybkość chłodzenia w °C/s w zakresach temperatur

Środek chłodzący

650

−−−−

550°C

300

−−−−

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

Emulsja 10% oleju w wodzie o temp. 20°C

200

Płyty miedziane

Płyty stalowe

Powietrze spokojne

Najczęściej stosowane środki chłodzące:

−

woda zimna o temperaturze 20

C do 40

C nie powinna zawierać powietrza, należy 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 różnymi domieszkami Stosuje się trzy gatunki olejów
do hartowania olej OH 70,120, 160, tj, temp. pracy 70

C, 120

C, 170

C, dopuszcza się

olej maszynowy, wrzecionowy solarowy pod warunkiem że temperatura pracy będzie
niższa 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”

−

kąpiele metalowe i solne jako środki chłodzące używane są przy hartowaniu
izotermicznym stali i chłodzą 2-krotnie szybciej niż olej. Z kąpieli metalowych
najczęściej stosowany jest roztopiony ołów. Do kąpieli solnych należy zaliczyć saletrę
sodową (NaNO

−

powietrze jako środek chłodzący ma najmniejszą szybkość chłodzenia, części hartowane
mają najmniejsze naprężenia cieplne a za tym najmniejsze odkształcenia. Stosuje się
chłodzenie w spokojnym powietrzu, oraz w strumieniu sprężonego 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 zależna
od zawartości węgla w stali. Im martenzyt jest bogatszy w węgiel tym twardość stali jest
wyższa.

Hartowność stali wyrażana jest głębokością hartowania się na martenzyt aż do miejsca,

w którym jest jego przynajmniej 50%. Hartowność stali zależy od trzech zasadniczych
czynników: gatunku stali, intensywności oziębiania, przekroju oziębianego przedmiotu.

W stalach stopowych wszystkie składniki zwiększają hartowność z wyjątkiem kobaltu.

Zależnie od rodzaju użytego środka chłodzącego zmienia się głębokość warstwy
zahartowanej. Wielkość ziarna austenitu ma wpływ na hartowność. Stale gruboziarniste
odznaczają się większą hartownością niż 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 wzdłuż średnicy próbki. W tym celu poddaje się hartowaniu w tych

samych warunkach kilka próbek o różnych średnicach np.

15,

25,

50,

75,

100,

125,

następnie przecina się próbki w pewnej odległości od czoła, po czym na przygotowanej
powierzchni dokonuje się pomiaru twardości wzdłuż 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”

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 różni 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
dużych 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. Różni 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. Zależnie od rodzaju
nagrzewania rozróżnia 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, zależnie 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 zdąży 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”

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, zależny jest od częstotliwości prądu, mocy generatora, a tym samym wielkości
powierzchni nagrzewanej. Twardość powierzchni hartowanej indukcyjnie, jest zależna 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 może być przyczyną:

−

niedostatecznej twardości,

−

zwiększonej kruchości,

−

utlenienia się i odwęglenia powierzchni,

−

odkształceń,

−

pęknięć.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Naprężenia hartownicze

Powodem pęknięć i odkształceń, jakie występują podczas hartowania stali są zmiany

objętościowe podczas grzania i chłodzenia. Powstają one w wyniku naprężeń cieplnych,
a także są spowodowane przemianami fazowymi. Naprężenia cieplne wynikają z różnych
szybkości chłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu lub przekrojów, są to naprężenia
ściskające lub rozciągające, wartość naprężenia zależy od współczynnika rozszerzalności
cieplnej materiału i kształtu przedmiotu. Podczas chłodzenia kurczy się najpierw warstwa
zewnętrzna wywierając nacisk na rdzeń, który działa na nią rozciągająco.

Naprężenia strukturalne

Naprężenia te powstają na wskutek przemian fazowych żelaza

w γ gdyż poszczególne

struktury wykazują różne 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.

Naprężenia własne

Naprężenia te zależą od składu stali, tzn. zawartości węgla co zwiększa naprężenia,

temperatury hartowania, im wyższa większe naprężenia, szybkości oziębiania, rodzaju środka
chłodzącego, im szybsze ochładzanie tym większe naprężenia, wielkości ziaren, im większe
tym naprężenia większe, również 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 ppoż i ochrony środowiska podczas wykonywanej pracy,
3) umocować próbkę w uchwycie obrotowym,
4) nagrzać próbkę palnikiem do temperatury około 830

C (tabela barw żarzenia),

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”

9) zapisać wnioski z ćwiczenia,
10) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

palnik acetylenowo-tlenowy,

−

odzież ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej,

−

próbki,

−

piła do cięcia próbki, szlifierka, papier ścierny,

−

tablica barw żarzenia,

−

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.

Wyposażenie 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 ppoż 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”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

urządzenia grzewcze

−

wanna hartownicza,

−

twardościomierz,

−

odkuwka dłuta,

−

narzędzia

−

tablice stali,

−

zeszyt,

−

odzież ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać różnice 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”

4.5. Odpuszczanie i ulepszanie cieplne

4.5.1. Materiał nauczania

Odpuszczanie polega na nagrzaniu hartowanego przedmiotu poniżej temperatury 723

wygrzaniu w tej temperaturze a następnie chłodzeniu. Zależnie od temperatury nagrzewania
rozróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie.

Rodzaje odpuszczania przedstawia rysunek 29.

Rys. 29. Zakresy odpuszczania stali węglowych [15

]

Odpuszczanie umożliwia usunięcie naprężeń wewnętrznych powstałych w przedmiotach

podczas hartowania i polepsza ich właściwości plastyczne.

Podstawowymi parametrami odpuszczania są temperatura oraz czas wygrzewania.
Temperatura jest najważniejszym parametrem, nieznaczne odchylenie powoduje zmiany

właściwości mechanicznych. Ten sam wynik odpuszczania można otrzymać przez:

−

krótkotrwałe odpuszczanie przy wyższej temperaturze,

−

długotrwałe odpuszczanie przy niższej 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”.

Zależnie od wysokości temperatury wygrzewania rozróżnia się odpuszczanie:

−

niskie,

−

średnie

−

wysokie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Odpuszczanie niskie

Przeprowadza się w temperaturze 150

−

250

C. Celem odpuszczania niskiego jest

zmniejszenie naprężeń hartowniczych, nieznacznym zmniejszeniem wysokiej twardości
i odporności na zużycie. Stosowane do przedmiotów nawęglonych i zahartowanych
powierzchniowo. Struktura martenzyt odpuszczony.

Odpuszczanie średnie

Przeprowadza się w temperaturze 250

−

500

C Celem odpuszczania średniego jest

uzyskanie znacznej wytrzymałości i sprężystości oraz dostatecznej udarności i ciągliwości.
Następuje zmiana struktury martenzytycznej na drobną perlityczną.

Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się w temperaturze od 500

C aż do poniżej A

. Celem odpuszczania

wysokiego jest uzyskanie jak największej udarności dla danego gatunku stali z zachowaniem
znacznej wytrzymałości na rozciąganie i sprężystości. Twardość ulega obniżeniu i osiąga
wartość HB = 250

−

320. Powstaje struktura złożona z bardzo drobnych skoagulowanych

(zaokrąglonych) ziarenek cementytu rozmieszczonych w ferrycie.

Hartowanie i następujące po nim wysokie odpuszczanie nazywa się ulepszaniem

cieplnym. Materiał ulepszany jest już w hutach.

Dużą wadą odpuszczania jest kruchość odwracalna i nieodwracalna. Dla uniknięcia

kruchości odwracalnej należy ograniczyć do minimum czas wygrzewania przy odpuszczaniu
oraz stosować oziębianie w wodzie lub oleju. Skłonność stali do kruchości odpuszczania
można wyznaczyć za pomocą badań udarności. Stwierdzenie w warunkach warsztatowych
czy przedmioty po odpuszczaniu mają właściwą udarność jest bardzo trudne. Dlatego należy
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 różni 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 można 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”

4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie 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 przeprowadź 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 założonego, 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.

Wyposażenie 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 różnice pomiędzy odpuszczaniem niskim a wysokim?

3) określić temperaturę żądanego odpuszczania?

4) określić parametry odpuszczania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Obróbka cieplno-chemiczna

4.6.1. Materiał nauczania

Obróbka cieplno-chemiczna to dziedzina obróbki cieplnej obejmująca zespół operacji

i zabiegów

umożliwiających

zmianę

składu

chemicznego

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 żelaza, głównie stale. Celem tego procesu jest uzyskanie żądanych
właściwości w warstwie wierzchniej najczęściej podwyższonej twardości i odporności na
ścieranie, ale także np. odporności korozyjnej, przy zachowaniu nie zmienionych właściwości
rdzenia przedmiotu obrabianego. Do podstawowych obróbek cieplno-chemicznych należą:
azotowanie, nawęglanie, ich kombinacje z innymi pierwiastkami – np. tlenem, siarką, oraz
chromowanie, aluminiowanie, krzemowanie, borowanie, itd.

W przypadku stopów żelaza procesy obróbki cieplno-chemicznej prowadzić mogą do

uzyskania trzech podstawowych typów równowagi (rys. 30) żelaza ze składnikami
nasycającymi:

−

Typ I charakteryzuje się odpowiednio dużym obszarem roztworów stałych żelaza ze
składnikami

nasycającymi;

wzbogacanie

żelaza

następuje

tylko

stężeń

odpowiadających obszarowi roztworu stałego,

−

Typ II charakteryzuje się występowaniem niewielkiego zakresu stężeń odpowiadających
roztworom stałym żelaza i pierwiastka nasycającego; wzbogacenie stopu pierwiastkiem
nasycającym powyżej obszaru rozpuszczalności powoduje powstanie określonych faz,

−

Typ III cechuje się występowaniem bardzo małych zakresów stężeń odpowiadających
roztworom stałym żelaza i pierwiastków nasycających; wzbogacanie pierwiastkami
nasycającymi do określonych stężeń powoduje powstawanie faz międzymetalicznych, po
utworzeniu, których przebiega czysta dyfuzja danego składnika.
Na poniższym rysunku zostały przedstawione opisane typy układów równowagi żelaza

z pierwiastkami nasycającymi.

Typ I

Typ II

Typ III

zakres temperatury

zakres stężeń przy wzbogaceniu zewnętrznej strefy powierzchniowej

Rys. 30. Typy układów równowagi żelaza z pierwiastkami nasycającymi [2, s. 295]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 żelaza. Najwięcej atomów węgla może przyjąć sieć żelaza

, dlatego stal

podgrzewana jest do temperatury, w której występuje ten rodzaj struktury, czyli do
temperatury powyżej przemiany A

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 narażone na ścieranie i działanie różnych obciążeń.
Warstwa nawęglona nie przekracza 2,5 mm grubości, a czas nagrzewania może trwać od

3 do 16 godzin (tabela 7 i 8).

Miejsce do nawęglania nazywa się karboryzatorem i może odbywać się w środowiskach:

−

stałym,

−

ciekłym,

−

gazowym.
Parametry nawęglania zależą 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

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”

Najstarszą metodą jest nawęglanie w środowisku stałym. Przedmioty nawęglane

umieszcza się w żeliwnych 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 używa 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 obciążeniach

mieszanka nawęglająca składa się z 90% węgla drzewnego i 10% soli kuchennej.

Przygotowanie stanowiska do nawęglania (rys. 33)

W zależności od wielkości nawęglanych przedmiotów należy przygotować:

−

proszek nawęglający na specjalnych stołach lub bezpośrednio na podłodze,

−

węgiel drzewny, który należy 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, każda 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 nałożeniu ostatniej warstwy i zamknięciu skrzynki następuje zaślepianie skrzynki
gliną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Nawęglanie może również 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,

−

odprężaniu.
Celem tych obróbek jest podwyższenie 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 wyższą
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

C w ciągu 10

−

100 godzin, gr.

warstwy 0,1

−

0,6 mm.

Azotowanie przeciwkorozyjne – temperatura 600

−

700

C 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

−

600

C zachodzi dysocjacja

wg reakcji: NH

= 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 żelazostopy), ciekłych (roztopiony metal nasycający) lub
gazowych (chlorki metali nasycających). Proces metalizowania dyfuzyjnego odbywa się
w temperaturze 1000

−

1200

C 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 można 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, zależnej od temperatury, metody borowania oraz składu chemicznego stali.

W zależności od stężenia boru w warstwie powierzchniowej stali tworzą się borki Fe

B lub

FeB. Naborowane warstwy stali cechują się dużą twardością, zależną od warunków
borowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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 różnica pomiędzy azotonawęglaniem i węgloazotowaniem?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ wpływ różnych 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 różnych procesów obróbki cieplno-chemicznej na strukturę i własności

stali,

2) zapisać informacje w tabeli,
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska:

−

kartka,

−

długopis,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Przeprowadź 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 różnice pomiędzy otrzymanymi wynikami a wykresem teoretycznym,
11) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie 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) rozróżnić 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”

4.7. Wady wyrobów spowodowane niewłaściwie przeprowadzoną

obróbką cieplną

4.7.1. Materiał nauczania

Do podstawowych wad, które mogą być spowodowane obróbką cieplną stali należą:

−

odkształcenia,

−

wypaczenia,

−

pęknięcia.
Zmiany wymiarowe i odkształcenia obrabianych przedmiotów powstające podczas

obróbki cieplnej są spowodowane przez naprężenia cieplne i strukturalne.

Analizując wyłącznie wpływ naprężeń cieplnych na zmiany kształtu i wymiarów

przedmiotów chłodzonych (hartowanych) można wyszczególnić reguły, określające charakter
zmian wymiarowych:

−

w chłodzonych (hartowanych) przedmiotach o zróżnicowanych wymiarach długości,
szerokości i grubości pod wpływem działania naprężeń 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 naprężeń cieplnych chłodzone (hartowane)
przedmioty cylindryczne lub w kształcie sześcianu dążą do przyjęcia kształtu zbliżonego
do kuli. Oznacza to, że 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 różnych powierzchni tego przedmiotu
w danej chwili jest różna, 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 można chłodzić w stanie naprężonym, np. w prasach
hartowniczych.

Pęknięcia hartownicze

Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające pierwszego

rodzaju są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają w temperaturach
niższych od M

, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć zwiększa się wraz ze

wzrostem stężenia węgla w stali, podwyższeniem temperatury hartowania i zwiększeniem
szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany
martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych może być również występowanie
koncentratów naprężeń, np. gwałtownej zmiany przekroju lub miejscowych zagłębień
i występów.

Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie

tworzeniu się tych wad polega na unikaniu koncentratów naprężeń, hartowaniu z możliwie
najniższych temperatur, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku
i końca przemiany martenzytycznej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do podstawowych przyczyn wad hartowniczych należą:

−

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 dużą szybkością, bez wstępnego podgrzewania, co powoduje
wypaczenia i pęknięcia,

−

zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania, co uniemożliwia 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 duża 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 wyżarzania, jak i przesycania

i starzenia.

Niektóre wady hartownicze, np. niedogrzanie lub miękkie plamy, można usunąć przez

powtórną obróbkę cieplną polegającą na zmiękczaniu lub normalizowaniu a następnie
hartowaniu stali. W przypadku wygięcia lub wypaczenia przedmiotów zahartowanych można
je wyprostować i następnie wyżarzyć odprężająco. W razie nieskuteczności tych operacji
wypaczony przedmiot można poddać wyżarzaniu zmiękczającemu, wyprostować go
i ponownie zahartować.

Przedmioty odwęglone lub utlenione w czasie hartowania można poddać szlifowaniu,

jeżeli założone naddatki są odpowiednio duże, co umożliwi uzyskanie wymaganej twardości
także 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 wyżarzanie?
7. Jakie są sposoby usuwania wad hartowniczych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

obróbką cieplną

Przyczyny

Zapobieganie

Usuwanie

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.

Wyposażenie 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

naprężenia 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”

9) określić zmiany wymiarów próbki dla każdego czasu odpuszczania,
10) zestawić i porównać wyniki pomiarów,
11) określić zmiany wymiarowe dla poszczególnych próbek,
12) sporządzić wnioski i zinterpretować uzyskane wyniki.

Wyposażenie 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) rozróżnić 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 wyżarzaniem?

7) omówić sposoby usuwania wad hartowniczych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Bezpieczeństwo i higiena pracy, ochrona ppoż. 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 może być powodem problemów zdrowotnych
pracowników, związanych z zespołem przegrzania, a także poparzeń. W trakcie obróbki
cieplnej wydzielają się toksyczne gazy i dymy, a ich stężenie może być niebezpieczne dla
zdrowia. Pracownicy przenoszą także często ciężkie ładunki i wykonują czynności
powtarzalne, co może być źródłem urazów i dolegliwości bólowych, wynikających
z przeciążenia układu mięśniowo-szkieletowego.

W pracy operatora maszyn i urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej istnieje

także ryzyko związane z nagłym uwolnieniem sprężonych gazów spowodowane
uszkodzeniem butli w wyniku upuszczenia lub wady produkcyjnej.

Czynniki, które mogą powodować wypadki, to:

−

śliskie lub nieuporządkowane nawierzchnie, co skutkuje możliwością urazów w wyniku
poślizgnięcia i upadku,

−

ciężkie 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 źródłem poparzeń,

−

wysokie stężenie tlenków azotu w powietrzu w wyniku przegrzania wanien do
odpuszczania, zawierających stopione sole azotanowe, co prowadzi do możliwości
powstania obrzęku płuc, przy nagłym wzroście stężenia,

−

roztopiony azotan, stanowiący potencjalne źródło poparzeń i urazów w wyniku pożaru
lub wybuchu,

−

wysokie stężenie tlenku węgla, stanowiące źródło ostrych zatruć lub śmierci w wyniku
porażenia ośrodka oddechowego,

−

cyjanek sodu używany w procesie cyjanowania, w wyniku reakcji z kwasami wydziela
się bardzo toksyczny cyjanowodór, powodujący możliwość ostrych, w tym nawet
śmiertelnych zatruć,

−

obecny w środowisku pracy amoniak, wodór i tlenek węgla, które mogą wywołać
poparzenia i urazy na skutek pożaru,

−

nie usunięte resztki smaru, farby lub oleju na obrabianych częściach, wywołujące
możliwość poparzenia lub uszkodzenia wzroku.
Czynniki fizyczne:

−

nadmierny hałas, który może spowodować uszkodzenia słuchu,

−

pola elektromagnetyczne, pochodzące od pieców indukcyjnych, wywołują ryzyko
wystąpienia różnych 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 podrażnienia oczu i dróg oddechowych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

ołów podczas pracy z kąpielami do odpuszczania zawierającymi stopiony ołów, może
wywołać możliwość przewlekłego zatrucia w wyniku kumulacji związków ołowiu
w organizmie.
Czynniki ergonomiczne, psychospołeczne i związane z organizacją pracy:

−

praca w godzinach nocnych, która może wywoływać stres, zaburzenia rytmu
biologicznego i obniżoną zdolność do pracy,

−

środowisko pracy (brud, smary, nieprzyjemne zapachy, itd.) mogące wywoływać stres
psychiczny,

−

ręczny transport przedmiotów i powtarzalność czynności, które mogą być źródłem
dolegliwości bólowych i przeciążenie układu mięśniowo-szkieletowego.
W związku z zidentyfikowanymi zagrożeniami wynikającymi z charakteru pracy

operatora maszyn i urządzeń do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej określone są działania
profilaktyczne, które należy podjąć, w celu zapewnienia odpowiednich warunków
bezpieczeństwa i higieny pracy.

Obsługując urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej należy:

−

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 stężenie tlenku
węgla osiąga lub przekroczenia poziomu zagrożenia należy opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przełożonego,

−

ustawić stężenie mieszanki powietrzno-paliwowej,

−

utrzymywać piec w dobrym stanie w celu uniknięcia wydzielania niebezpiecznych gazów
do strefy oddychania,

−

zainstalować urządzenia monitorujące cyjanowodór, w przypadku, gdy stężenie
cyjanowodoru osiąga lub przekracza poziom zagrożenia, należy opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przełożonego,

−

stosować bezpieczne metody podnoszenia i przenoszenia ciężkich 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
narażony.

Aby zabezpieczyć się przed zagrożeniami wynikającymi z określonych warunków pracy

należy bezwzględnie przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy,
przepisów przeciwpożarowych oraz stosować zalecane środki ochrony osobistej.

Odzież ochronna zabezpiecza pracownika przed niekorzystnymi wpływami środowiska

zewnętrznego, tj. mechanicznymi, chemicznymi i termicznymi. Odzież ochronną wykonuje
się z tkanin lekkich i nie drażniących 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 służy odzież
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. Odzież ochronną stosowaną przy pracach w wysokich

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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.

Można 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 przeciwpożarowym można 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 pożarów. 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 stężenie niebezpiecznych substancji, które
mogą, w przypadku przekroczenia poziomu zagrożenia, wywołać pożar lub wybuch
(np. urządzenia monitorujące stężenie 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 życia 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 późn. 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. Zużyte oleje, w tym oleje hartownicze należy
magazynować w miejscach utwardzonych, zabezpieczonych przed zanieczyszczeniami gruntu
i opadami atmosferycznymi, wyposażonych 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 wyposażonych w szczelne zamknięcia.

Wszelkie odpady powstające w procesie obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej metali

wymagają właściwego przechowywania aż do ich utylizacji, zgodnie z właściwymi
przepisami prawnymi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie czynniki mogą być źródłem 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 przeciwpożarowa 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 źródłem zagrożeń 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.

Wyposażenie 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”

Wyposażenie stanowiska:

−

odzież ochronna – różne rodzaje,

−

okulary ochronne – różne 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 zagrożeń 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 przeciwpożarową przy obróbce

cieplnej i cieplno-chemicznej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Strukturę bainityczną daje hartowanie z nagrzewaniem na wskroś

a) bainityczne.
b) izotermiczne.
c) przerywane.
d) stopniowe.

2. Strukturę obrabianego materiału zbliżoną do stanu równowagi dynamicznej osiągniemy

dzięki
a) hartowaniu.
b) odpuszczaniu.
c) wyżarzaniu.
d) zgniotowi.

3. Stal narzędziowa, charakteryzuje się dużą twardości dzięki strukturze

a) perlitycznej.
b) martenzytycznej.
c) austenitycznej.
d) ferrytyzno-perlitycznej.

4. Utrzymanie stali w stałej podwyższonej 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”

6. Przed przystąpieniem do kucia wlewków staliwnych należy je poddać wyżarzaniu

a) rekrystalizującemu.
b) normalizującemu.
c) odprężającemu.
d) ujednorodniającemu.

7. W wyniku hartowania stali uzyskuje się zwiększenie jej

a) twardości.
b) plastyczności.
c) ciągliwości.
d) sprężystości.

8. Aby usunąć w stali naprężenia spowodowane przeróbką plastyczną zastosujemy

wyżarzanie
a) rekrystalizujące.
b) sferoidyzujące.
c) odprężające.
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 wyżarzanie
a) sferoidyzujące.
b) grafityzujące.
c) rekrystalizujące.
d) odprężające

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) wyżarzanie normalizujące.
d) wyżarzanie objętościowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14. Obróbka cieplna, która występuje bezpośrednio po hartowaniu i ma na celu usunięcie

naprężeń hartowniczych to
a) odpuszczanie.
b) ulepszanie cieplne.
c) odprężanie.
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 dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność

na ścieranie i wytrzymałość zmęczeniową przy dużej ciągliwości i sprężystości 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”

20. Obrona bierna przeciwpożarowa w przypadku pracownika obsługującego urządzenia do

obróbki cieplnej to
a) podręczny sprzęt gaśniczy.
b) przeciwpożarowa instalacja alarmowa.
c) właściwa eksploatacja maszyn i urządzeń.
d) znajomość instrukcji przeciwpożarowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………..

Wykonywanie operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Numer

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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