OBRÓBKA CIEPLNA-dziedzina technologii obejmująca zespół zabiegów w wyniku których zmieniają się właściwości mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym przede wszystkim przez zmiany struktury będącej funkcją temperatury, czasu i działania środowiska.
OBRÓBKA CIEPLNA ZWYKŁA-obejmuje te rodzaje obróbki, w których zmiany struktury i właściwości są funkcją czasu i temperatury.
OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA-obejmuje te rodzaje obróbki, w których zmiany struktury i właściwości są funkcją czasu, temperatury i działania środowiska.
Zabieg- część operacji, która odbywa się bez zmiany parametrów obróbki np.: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie.
Operacja- część procesu technologicznego wykonywana w sposób ciągły w zasadzie na jednym stanowisku roboczym( hartowanie, odpuszczanie).
Nagrzewanie- polega na ciągłym lub stopniowym podwyższaniu temperatury do temp. nagrzewania.
Temp. wygrzewania- polega na utrzymaniu temp. wsadu w temp. wygrzewania aż do wyrównania temp. w całej objętości wsadu.
Temp. nagrzewania=temp. wygrzewania- zależy od zastosowanej obróbki cieplnej i składu chemicznego stopu. Jej wartość określamy na podstawie układu równowagi fazowej.
Szybkość nagrzewania- pochodna temp. po czasie może być chwilowa lub średnia
dT/dt= (λ/c γ)( d2T/dx2) szybkość nagrzewania
λ- współ. przewodzenia ciepła ciała nagrzewanego
c- ciepło właściwe ciała nagrzewanego
γ- gęstość ciała nagrzewanego
gradient temp. (zmiany temp. w funkcji odległości)
3 SPOSOBY NAGRZEWANIA WSADU:
1.nagrzewanie wsadu z piecem lub stopniowe (powolne).
2.nagrzewanie wsadu w piecu o stałej temp. równej temp. wygrzewania (przyspieszone).
3.nagrzewanie wsadu w piecu o temp. wygrzewania wyższej od temp. nagrzewania docelowego (nag. szybkie)
SZYBKOŚĆ NAGRZEWANIA-zależy od: sposobu grzania, konstrukcji pieca lub urządzenia grzewczego, temp. pieca.
OŚRODKI GRZEWCZE CIEKŁE- są nimi kąpiele solne oraz kąpiele na osnowie metalu(Sb, Sn, Bi, Pb).
KĄPIELE SOLNE:
1.chlorkowe sole hartownicze BaCl2 , NaCl ,CaCl +dodatki(SiO )do 5%
2.sole saletrzane NaNO3 ,KNO3 , NaNO2 , K2Cr4O7
3. sole do obróbki cieplno-chem.
Kąpiele solne charakteryzują się równomierną temp. w całej masie i dużą szybkością nagrzewania. Służą do: normalizowania stali, austenityzowania stali wysokostopowych, austenityzowania stali węglowych i niskostopowych, odpuszczania stali szybkotnących.
KĄPIELE OŁOWIOWE- najszybciej nagrzewają wsad ponieważ mają duży współ. przewodzenia ciepła. Tlenki ołowiu powstające podczas eksploatacji kąpieli mogą powodować odwęglanie przedmiotów lub powstawanie miękkich plam po hartowaniu. Są bardzo szkodliwe dla zdrowia.
CHŁODZENIE-
Zdolność chłodząca zależy od czynników warunkujących rodzaj wrzenia. Największy wpływ na szybkość chłodzenia wywiera współ. przejmowania ciepła, określający ilość ciepła przejmowanego przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu przy różnicy temp. o 1˚C.
W początkowym okresie chłodzenia w cieczy przebiega w warunkach wrzenia powłokowego. Podczas którego tworzy się szczelna powłoka pary wokół powierzchni chłodzonego przedmiotu która utrudnia chłodzenie tej powierzchni. Max. Wartość współ. przejmowania ciepła odpowiada zmianie rodzaju wrzenia z powłokowego w pęcherzykowe podczas którego strumień cieplny osiąga wartość max. Zaś szybkość chłodzenia minimalną.
ETAPY CHŁODZENIA:
1.Tworzy się powłoka z pary cieczy chłodzącej na powierzchni nagrzanego przedmiotu, która stanowi warstwę izolacyjną, utrudniającą odprowadzanie ciepła w wyniku czego chłodzenie zachodzi z małą prędkością.
2.Następuje przerwanie powłoki wskutek nagromadzenia dużej ilości pary powodując wrzenie cieczy wokół przedmiotu. Po czym gorąca ciecz i para szybko odpływają ku górze a na ich miejsce napływa chłodniejsza ciecz od dołu. I cykl wrzenia powtarza się. Jest to tzw. etap wrzenia pęcherzykowego podczas którego chłodzenie jest najszybsze.
3.Temp. przedmiotu jest niższa od temp. wrzenia cieczy, wrzenie ustaje i przedmiot chłodzony jest powoli przez opływającą go ciecz.
WYŻARZANIE:
Pod pojęciem ogólnym rozumie się grupy operacji obróbki cieplnej zwykłej w wyniku których uzyskuje się strukturę zbliżoną do stanu równowagi.
PODZIAŁ PROCESÓW WYŻARZANIA POD WZGLĘDEM WPŁYWU OŚRODKA
jasne bez zgorzeliny i nalotów tlenkowych
b.czyste (bez zgorzeliny lecz z nalotami tlenkowymi)
c.ciemne (powierzchnia pokryta zgorzeliną
1.WYŻARZANIE HOMOGENIZUJĄCE (ZJEDNORODNIAJĄCE)
Wyżarzanie polega na długotrwałym (kilkadziesiąt godzin) wygrzewania stali w wysokiej temperaturze - 1000-1250oC. Celem zmniejszenia niejednorodności chemicznej kryształów pierwotnych, powolnym chłodzeniu do temperatury podkrytycznej (tzn. niższej od temperatury przemiany). W wyniku dyfuzji następuje zmniejszenie lub wyeliminowanie różnych koncentracji poszczególnych składników w obszarze ziarn pierwotnych. Stosowane jest głównie do wlewków i odlewów stabilnych. Głównym jego celem jest poprawa wydłużenia, przewężenia i udarności, zaś w stanach łożyskowania zmniejszenie segregacji węglików i ziarnowości (struktury). Efekt homogenizacji poprawia wstępna przeróbka plastyczna. Podczas homogenizacji ziarna ulegają znacznemu rozrostowi, który można zmniejszyć poprzez normalizowanie (odlewy), lub przeróbkę plastyczną na gorąco (stale).
2. WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE (NORMALIZOWANIE)
Polega na nagrzaniu stali do temperatury nieznaczniue przekraczającej AC3 (podeuetektoidalne stale) ACM (nadeutektoidalne), krótkotrwałym wyżarzaniu (austenityzowaniu) i następnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu do temperatury podkrytycznej. Podczas normalizowania stale ulegają dwukrotnemu przekrystalizowaniu (podczas grzania i chłodzenia) wskutek czego następuje rozdrobnienie ziarna. Szybkość grzania w zakresie przemiany musi być większa od 4o na minutę, a szybkość chłodzenia mniejsza od krytycznej a większa niż przy wygrzewaniu zupełnym. Jeżeli przedmiot posiada w całej objętości jednakową temperaturę, czas austenityzowania wynosi 20-60min, a szybkość chłodzenia różnych obszarów tego przedmiotu nie była nadmiernie zróżnicowana to normalizowanie wykonano prawidłowo.
Wykonywane jest w przypadku gdy:
-przedmiot posiada niejednorodną lub gruboziarnistą strukturę (w skutek lokalnego przegrzania), lub uzyskania gniotu krytycznego i wykonania rekrystalizacji
-w przedmiocie występują spawy
-wykonany był metodą odlewania
-przygotowujemy strukturę do póżniejszego hartowania (uzyskujemy wzrost hartowności)
-przedmiot ze stali konstrukcyjnej ma zbyt małą ciągliwość lub granicę plastyczności, a nie będzie później ulepszany cieplnie
-chcemy zwiększyć odporność na starzenie (przedmioty wykonane z drobnoziarnistej stali odtleniane w aluminium)
3.WYŻARZANIE ZUPEŁNE
Polega na wyżarzaniu w temperaturze 30-50oC wyższej od temperatury AC3 i ACM w czasie 1-2 godzin i studzeniu (studzenie = chłodzeniu w piecu). W zakresie przemiany perlitycznej, lub wykonaniu tej przemiany izotermicznie. Wykonuje się w niższej temperaturze austenityzowania niż przy wyżarzaniu normalizującym i wolniej chłodzi. Celem jest zmniejszenie twardości i polepszenie ciągliwości dla ulepszenia dalszych operacji (obróbka skrawaniem, albo przeróbka plastyczna), rozdrobnienie ziarna, zmniejszenie różnic w mikrostrukturze odlewów, lub odkówek, należy stosować dużą szybkość chłodzenia od temperatury austenityzowania do temperatury początku przemiany perlitycznej, aby zapobiec wydzielaniu się ferrytu (stale podeutektoidalne) lub cementytu ( stale nadeuektoidalne) na granicach ziarn.
W celu skrócenia cyklu procesu i zmniejszenia grubości warstwy od wygrzanej i zgorzeliny stosuje się nagrzewanie do temp. AC1 - AC3, AC1 - ACm, i taki rodzaj wyżarzania nazywa się wyszarzaniem niezupełnym.
W przypadku stosowania wyżarzania niezupełnego wyrób przekrystalizowywuje tylko wyjściowo a mikrostruktura jest niejednorodna. Twardość jest wyższa niż po wyżarzaniu zupełnym a rozdrobnienie ziarna mniejsze.
Jeżeli zastosujemy zwykłe podchłodzenie i temp. Austenityzowania do temp. Przemiany perlitycznej a przemiana zajdzie w stałej temp. To takie wyżarzanie nazywamy izotermicznym.
Czas trwania wyżarzania izotermicznego skraca się 2-3'krotnie.
Wyrzarzanie sferoidyzujące polega na nagrzaniu stali do temp blizkiej AC1, wygrzaniu w tej temp. W czasie kilku do kilkunastu godzin (20h) i chłodzeniu z szybkością od 3 do 6oC/h ma na celu sferoidyzacje węglików. Rozróżnia się sferoidyzowanie:
a-wachadłowe, polegające na cyklicznym chłodzeniu z temp AC1do Ar1, i wygrzewaniu od Ar1 do AC1
b-izotermiczne polegające na wyżarzaniu poniżej Ar1 sferoidyzowania.
Sferoidyzacja oparta jest na :
a-przekształceniu węglików płytkowych w sferoidalne przez długotrwałe wyżarzanie w temp. Nieznacznie niższej od AC1
b-wytworzenie niejednorodnego austenitu z nierozpuszczonymi węglikami, które są zarodkami sferoidalnych węglików podczas powolnego chłodzenia.
Czas sferoidyzowania zależy od struktury wyjściowej
Sferoidyzacji poddaje się stale, które przeznaczone są później do toczenia. Charakteryzują się one wysokimi właściwościami mechanicznymi, głównie odporność na ścieranie.
Wyżarzanie rekrystalizujące: polega na nagrzaniu uprzednio odkształconego na zimno przedmiotu do temp. Wyższej od temp. Rekrystalizacji lecz niższej od AC1. Wygrzaniu w tej temp. I chłodzeniu stosowane jest jako wyżarzanie międzyoperacyjne, lub końcowe, gdyż usuwa skutki odkształcenia plast. na zimno (umocnienia) powoduje obniżenie właściwości wytrzymałościowych i wzrost właśc. plast.
Wyżarzanie odprężające: polega na nagrzaniu do temp. niższej od AC1 wygrzaniu w tej temp. i ochłodzeniu w celu zmniejszenia naprężeń własnych. Usuwa naprężenia powstałe podczas spawania, szlifowania, przeróbki plastycznej na zimno i na gorąco, obróbki cielnej i odlewania, zmniejsza naprężenia nie powodując zmian struktury wyrobu. Zwykle stosuje się czas wygrzewania 2 min na 1 mm przekroju. Temp. odprężająca dla stali od 400-650oC. Wtrzażanie stabilizujące polega na wygrzaniu w temp. ni wyższej niż 150 oC w czasie od kilku do kilkudziesięciu godzin. Celem jest uniknięcie zmian wymiarowych przedmiotu podczas składowania lub eksplatacji. W przedmiotach niechartowanych obniżeniu ulegają naprężenia własne. W przedmiotach hartowanych naprężenia własne wywołane zmianami mikrostruktury
HARTOWANIE
Hartowność- pojęcie ogólne pod którym rozumie się podatność stali do utwardzania się w głąb przekroju pod wpływem hartowania.
Utwardzalność- podatność stali na hartowanie wyrażona zależnością największej największej osiąganej twardości po hartowaniu do warunków austenityzowania.
Przehartowalność- podatność stali na hartowanie wyrażona zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości oziębiania.
Miernikiem przehartowania jest krzywa prędkości chłodzenia.
Stal charakteryzującą się mniejszą krytyczną szybkością chłodzenia przehartowuje się głębiej przy tej samej średnicy lub grubości w tym samym ośrodku chłodzącym i przy tej samej szybkości chłodzenia.
Na przehartowalność wpływają:
a.skład chemiczny austenitu (zaw. Węgla i składników stopowych)
b.stopień jednorodności austenitu
c.wielkość ziarna austenitu
Na utwardzalność wpływają
a.zawartość węgla
b.warunki austenityzowania
Równoznaczne pojęcia: przehartowalności i utwardzalności
Stal węglowa A zawiera więcej węgla niż stal stopowa B obie stale mają taką samą przehartowalność (głębokość utwardzania), różną utwardzalność wskutek różnej zawartości węgla. Stal A ma większą utwardzalność, ponieważ zawiera więcej węgla.
Pojęcie hartowności odnosi się również do stali o zmiennym składzie chemicznym (np. nawęglanych).
Hartowność warstwy nawęglanej stanowi główne kryterium doboru stali do stali do nawęglania (gdyż hartowność jest głównym miernikiem uzyskania odpowiedniej twardości warstwy powierzchniowej, głębokości utwardzenia przy minimalnym koszcie.
METODY BADANIA HARTOWNOŚCI.
1.Metoda hartowania od czoła (metoda Janiego) - polega na oziębianiu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 i długości 100mm, po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali. Na zahartowanych w tych warunkach próbkach wykonuje się próby hartowności wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w odległościach określonych w normach poczynając od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła nazywamy krzywą hartowności. Wskutek rozrzutu wyników utwardzalności uzyskuje się dwie krzywe (twardości max i min), pomiędzy którymi występuje obszar nazywany pasmem hartowności. Próbka ta stosowana jest do stali o średniej hartowności po odpowiedniej modyfikacji próbek (z otworem lub stożkowe możliwe jest określanie hartowności stali o małej i dużej hartowności).
2.Metoda krzywych - polega na hartowaniu w stałych warunkach prętów (z taniego gat. stali) o różnych średnicach i wyznaczeniu rozkładu twardości na przekroju poprzecznym każdego pręta wzdłuż średnicy wynik próby podaje się w postaci twardości w funkcji odległości od środka próbki wzdłuż średnicy. Stosowana jest do określania hartowności stali narzędziowych.
3. Metoda przełomów po hartowaniu - polega na hartowaniu próbek o przekroju kwadratowym 25x25mm, i różnych temperaturach. Pomiarze twardości i ocenie na przełomie grubości zahartowanej warstwy i wielkości ziarna stosowany jest do stali narzędziowych węglowych.
Próbki hartuje się w wodzie w temperaturze 760,800,840,880oC mierzy się na przełomie metodami mikroskopowymi grubość warstwy zahartowanej i określa numer ziarna. Wskaźnik na przegrzanie podaje się w postaci ilorazu.
Numer wielkości ziarna/grubość warstwy zahartowanej 7/3,7/4,7/6,6/8,6/9,5/12.
Im większy numer tym mniejsze ziarno.
Metoda obliczeniowa Grossmana Muhra
Di=Do f1 f2 f3...
Di - średnia idealna najwyższa możliwa średnica, jaką można otrzymać hipotetyczne środowisko o nieskończenie dużej szybkości chłodzenia.
Średnica podstawowa zależna od zawartości C i wielkości ziarna uastenitu.
f1, f2, f3 - współczynnik hartowności zależny od zawartości dodatków stopowych oprócz węgla
Stal przed dodaniem B musi być bardzo dokładnie odlewana, a znajdujący się w nim M musi być związany dodatkiem tytanu lub cyrkonu. Wystąpienie około 0,007% niezwiązanego azotu. Powoduje, że B nie wpływa na hartowność stali.
Metoda ma zastosowanie do stali z zawartością do 0,5% C i wyrobów, których przekrój nie przekracza 75mm.
RODZAJE HARTOWANIA:
1.aHartowanijkjkjikjjuhhiuusacvdssacsadasdasdasssssHartownie objętościowe - operacje składa się z zabiegów nagrzewania na wskroś do temperatury austenityzowania, wygrzewania. W tej temperaturze chłodzenia i szybkością pozwalającą na uzyskanie struktury martenzytycznej i bainitycznej. Szybkość nagrzewania do temperatury AC1 nie ma wpływu na hartowność lecz ma wpływ na odkształcenie przedmiotu spowodowane naprężeniami cieplnymi. Stąd zaleca się powolne nagrzewanie do temperatury 600-700oC, dalsze nagrzewanie możliwie szybkie, co przyczynia się do zmniejszenia rozmiarów ziarna austenitu. Temperaturę austenityzownia dobiera się o około 10-30oC wyższą od AC3 (kształt i wymiary przedmiotu, zawartość dodatków stopowych, rodzaj ośrodka oziębiającego wymagane właściwości po hartowaniu wpływają na dobór tej temperatury, lecz stali podeutektoidalnych, perlitycznych stosuje się, krótkie czasy austenityzowania dla stali kurwa mać nadeutektoidalnej stopowych z dużą zawartością dodatków stopowych stosuje się długie czasy austenityzowania.
Szybkość chłodzenia po ustenityzowaniu nie powinna być mniejsza od szybkości krytycznej nie tylko na powierzchni, ale również w rdzeniu, lub co najmniej na większej części przekroju. Dla stali węglowych stosuje się szybkości chłodzenia 1000-100oC/s, dla stopowych 100-10oC/s.
Szybkość chłodzenia musi uwzględniać wielkość przedmiotu, złożoność kształtu, aby nie wystąpiły zbyt duże naprężenia cieplne.
2.Hartowanie martenzytyczne - najczęściej stosowany sposób hartowania ze względu na jego prostotę polega na ciągłym chłodzeniu stali w temperaturze austenityzowania do temperatury MF w ośrodku, który pozwala osiągnąć szybkość chłodzenia większą od krytycznej nie tylko na powierzchni, lecz w rdzeniu wyrobu. Po takim hartowaniu otrzymuje się mikrostrukturę złożoną z martenzytu i niewielkiej ilości austenitu szczątkowego (+węgliki w stalach nadeutektoidalnych).
Mikrostrukturę ocenia się na podstawie Ctpc, pomiarów twardości