Tomasz Igel Piotr Jędrzejczak Maciej Juska	Inżynieria Materiałowa IV rok, VII semestr	18.12.2001
Obróbka cieplna stali 50S2

1. Skład chemiczny stali 50S2

Zawartość składników, %
C	Mn	Si	P max	S max	Cr max	Ni max	Cu max
0,47 - 0,55	0,60 - 0,90	1,50 - 1,80	0,040	0,040	0,30	0,40	0,25

2. Średnica krytyczna (dla wody i dla oleju) wyznaczona na podstawie odległości od czoła próbki Jominy'ego (l kryt. min i l kryt. max), w których występuje twardość krytyczna (dla stali 50S2 wynosząca 46 HRC)

		Średnica krytyczna [mm]
Odległość od czoła próbki Jominy'ego[mm]		dla wody	dla oleju
l kryt. min	4	22	12
l kryt. max	9,5	43	29

3. Własności mechanicznych próbek ze stali 50S2 po hartowaniu w oleju z temp. 870 ⁰C i odpuszczaniu w temperaturach 450 ⁰C i 600 ⁰C

		Rm [MPa]	Re [MPa]	HRC	Z [%]	A5 [%]
Temp. odpuszczania	450 ^0C	1450	1330	42	40	11
		600 ^0C	1000	850	32	50	21

4. Obróbka cieplna próbek udarnościowych ze stali 50S2 przeprowadzona była na podstawie poniższej tabeli

Nr próbki	Warunki austenityzowania	Sposób chłodzenia	Warunki odpuszczania	Nazwa operacji obróbki cieplnej
1	Stan dostawy	-	-	Wyżarzanie zmiękczające
2	850^0C/12 min	„woda”	-	Hartowanie martenzytyczne zwykłe
3	850^0C/12 min	Kąpiel solna 360^0C	-	Hartowanie bainityczne izotermiczne
5	850^0C/12 min	„woda”	600^0C	Ulepszanie cieplne
6	850^0C/12 min	Na powietrzu	-	Wyżarzanie normalizujące

5. Wyniki badań twardości i udarności

Nr próbki	Rodzaj obróbki cieplnej	Twardość		Udarność KCV3/150 J/cm^2	Przewidywana struktura
						HV30 śr	HRC śr
1	Stan dostawy	197,5	15	-	Ferryt + Sferoidyt
2	Hartowanie w wodzie	711,5	62,6	2,25	Martenzyt
3	Hartowanie izotermiczne na bainit	375	38,6	100	Bainit dolny
5	Hartowanie w wodzie i odpuszczanie 600^0C/30 min	325,3	30,3	75	Sorbit
6	Wyżarzanie normalizujące	281,7	25,6	40	Ferryt + Perlit

6. Wnioski

Stal 50S2 jest to stal sprężynowa. Podstawowym pierwiastkiem stopowym tej stali jest krzem, najintensywniej zwiększający R_sp, R_e i R_m. Stale sprężynowe krzemowe cechują się małą hartownością, dlatego są stosowane na sprężyny o niewielkich przekrojach. Dodatki stopowe takie jak Mn, Cr i Ni zwiększają hartowność tej stali, dodatkowo Cr zwiększa odporność na odpuszczanie, Ni obniża temperaturę przejścia plastyczno-kruchego.

Własności mechanicznych próbek ze stali 50S2 po hartowaniu w oleju z temp. 870 ⁰C i odpuszczaniu w temperaturach 450 ⁰C i 600 ⁰C przedstawione są w tabeli, pkt. 3. Proces hartowania i odpuszczania w tych temperaturach nazywany jest ulepszaniem cieplnym. Jak widać z powyższego zestawienia wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania maleją własności wytrzymałościowe, a rosną własności plastyczne. Jest to związane ze zmianą struktury. Podczas odpuszczania martenzyt (przesycony ferryt) podlega przemianom zależnym od temperatury. W zakresie 80 - 250⁰C przemiana polega na wydzielaniu się nadmiaru węgla w postaci węglika o składzie zmiennym od Fe₂C do Fe_2,3C. Rezultatem jest stopniowy zanik tetragonalności sieci martenzytu oraz zanik naprężeń z tym związanych. W tych temperaturach także austenit szczątkowy (jeśli jest) ulega przemianie w martenzyt odpuszczony. Dalej w temp. około 400⁰C mamy mieszaninę nieprzesyconego ferrytu i cementytu. W temp. Od 400⁰C do ok. 650⁰C cementyt przyjmuje postać kulistą, tworząc strukturę dwufazową tzw. sorbit (martenzyt wysokoodpuszczony). Powyżej 650⁰C cementyt zaczyna koagulować, występują tu także procesy rekrystalizacji i zdrowienia osnowy. Na skutek tego uzyskujemy strukturę zwaną sferoidytem.

Próbka nr 1 ze stali 50S2 (stan dostawy) jest próbką wyjściową do naszej obróbki cieplnej. Pozostałe próbki, które poddawaliśmy obróbce cieplnej miały taką samą strukturę przez obróbką jak próbka 1. Próbka 1 prawdopodobnie była dostarczona z huty w stanie zmiękczonym, struktura jej to ferryt + sferoidyt. Wyżarzanie zmiękczające stosuje się jako przygotowanie do dalszej obróbki cieplnej np. ulepszania. Twardość tej próbki to ok. 200 HV. Tak niska twardość może być dowodem na to, że próbka była poddana wcześniej wyżarzaniu zmiękczającemu. Twardość Rockwella tej próbki wynosi 15 HRC, wartość tą trzeba potraktować z małym „przymrużeniem oka”, ponieważ jest ona trochę niska, jak na twardość tej stali. Wartości powyżej 20 HRC można dopiero traktować jako prawidłowe, jest to związane z rodzajem zastosowanego wgłębnika i obciążeniem.

Próbka nr 2 poddana była hartowaniu martenzytycznemu zwykłemu. Medium chłodzącym była woda, oziębianie odbywało się z prędkością większą od krytycznej. Warunki austenityzowania podane zostały powyżej, w punkcie 4. Struktura tej próbki po hartowaniu to martenzyt, dlatego twardość jest tutaj duża, ponad 710 HV w skali Vickersa i ponad 60 HRC w skali Rockwella. Udarność jest tutaj bardzo mała, wynosi ok. 2,25 J/cm². Tak niska udarność jest spowodowana występowaniem znacznej ilości naprężeń w zahartowanej próbce lub mogła być spowodowana występowaniem pęknięć hartowniczych na powierzchni. Te znaczne naprężenia i pęknięcia hartownicze powstają na skutek dużej szybkość chłodzenia, która wywołuje niejednoczesność zachodzenia przemiany martenzytycznej na powierzchni i w rdzeniu elementu. Aby uzyskać taką samą strukturę i twardość lecz przy znacznie mniejszych naprężeniach i odkształceniach należało by próbkę nr 2 poddać hartowaniu martenzytycznemu stopniowemu. W celu polepszenia udarności i własności plastycznych należało by tę próbkę po hartowaniu odpuścić, jednak po odpuszczeniu zmaleją nam własności wytrzymałościowe.

Kolejna próbka nr 5 poddana była hartowaniu martenzytycznemu zwykłemu i wysokiemu odpuszczaniu w temp. 600⁰C czyli ulepszaniu cieplnemu. Po odpuszczaniu otrzymaliśmy strukturę sorbityczną (martenzyt wysokoodpuszczony). Ulepszanie cieplne spowodowało polepszenie własności plastycznych przy jednoczesnym zmniejszeniu własności wytrzymałościowych. Dowodem tego jest zmniejszenie twardości, aż o połowę, przy jednoczesnym wzroście udarności do 75 J/cm².

Próbka nr 3 była poddana była hartowaniu bainitycznemu izotermicznemu. Oziębiana była w kąpieli solnej o temperaturze 360⁰C, następnie wytrzymywana w tej temperaturze w czasie zapewniającym zakończenie przemiany bainitycznej, a następnie chłodzona na wolnym powietrzu. Po takiej obróbce uzyskaliśmy strukturę bainitu dolnego. Hartowanie to jest stosowane w celu znacznego zmniejszenia odkształceń oraz uzyskania większej ciągliwości i udarności, niż przy utwardzaniu cieplnym na tę samą twardość. Jak widać z badań udarnościowych, rzeczywiście udarność jest tutaj największa wynosi ok. 100 J/cm², jest większa nawet od udarności próbki po ulepszaniu cieplnym. Twardość jest też zadowalająca. Po tym hartowaniu powinna wynosić zgodnie z wcześniejszymi założeniami ok. 43 HRC (twardość odczytana z wykresu CTPi rys. 3). Twardość naszej próbki wynosi ok. 40 HRC, a więc hartowanie na tą twardość było przeprowadzone prawidłowo. Hartowanie to zwiększa również odporność stali na zmęczenie.

Próbka nr 6 była wyżarzana normalizująco. Warunki austenityzowania podane zostały w pkt. 4. Twardość próbki po normalizowaniu jest większa od twardości próbki wyjściowej, wzrasta o ok. 80 HV. Jest to związane z przeprowadzoną obróbką cieplną, która zwiększa własności wytrzymałościowe i plastyczne. Studzenie w spokojnym powietrzu zapewnia uzyskanie jednolitego, drobnego ziarna. Podczas tego wyżarzania powstają struktury takie jak ferryt i perlit jest to związane z niewielką szybkością chłodzenia na wolnym powietrzu.. Celem normalizowania poza rozdrobnieniem jest polepszenie wytrzymałości i udarności, usunięcie naprężeń własnych i przygotowanie do dalszej obróbki cieplnej (np. ulepszania). Udarność po normalizowaniu wzrasta, ale jest niższa niż po ulepszaniu cieplnym i wynosi 40 J/cm², związane jest to z występowaniem plastycznych struktur takich jak ferryt i perlit.

3

---