background image

Wydział Mechaniczny - Technologiczny 

Politechnika Śląska w Gliwicach 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Obróbka Cieplna - Laboratorium 

Sprawozdanie 

 
 
 
 
 
 

Prowadzący zajęcia: 

dr inż. Beata KRUPIŃSKA  

 

Opracowali: 

Paweł SKARWECKI 

Grzegorz ŁAPA 

Janusz ŁASKAWIEC 

Roman WYSZYŃSKI 

 Kierunek: 

AiR 

 Grupa: 

 Semestr: 

 
 
 
 
 

Gliwice, grudzień 2006 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

2

Spis Treści 

 
1.  Parametry hartowania ......................................................................... 3 

1.1 Temperatura 

hartowania................................................................................ 3 

1.2 Szybkość 

nagrzewania .................................................................................... 4 

1.3 Czas 

wygrzewania .......................................................................................... 4 

1.4 Szybkość 

chłodzenia ....................................................................................... 4 

2.  Rodzaje hartowania.............................................................................. 6 

2.1 Hartowanie zwykłe ......................................................................................... 6 
2.2 Hartowanie 

stopniowe .................................................................................... 7 

2.3 

Hartowanie z przemianą izotermiczną............................................................ 8 

2.4 Hartowanie 

powierzchniowe ........................................................................... 9 

2.5 Patentowanie .................................................................................................10 

3.  Przebieg ćwiczenia ............................................................................. 10 

3.1 Próbki 

poddane 

hartowaniu. .........................................................................10 

3.2 Parametry 

przebieg 

zabiegu hartowania. ....................................................11 

3.3 

Pomiar twardości – metoda Rockwella. ........................................................11 

3.4 Zestawienie wyników. ....................................................................................12 
3.5 Struktury 

stali C45E. ....................................................................................13 

4.  Odpuszczanie...................................................................................... 15 
5.  Wyżarzanie ........................................................................................ 16 

5.1 Wyżarzanie 

rekrystalizujące. .........................................................................16 

5.2 Wyżarzanie 

normalizujące.............................................................................18 

5.3 Wyżarzanie 

zupełne.......................................................................................18 

5.4 Wyżarzanie 

izotermiczne. ..............................................................................19 

6.  Obróbka cieplna dla stali C45E .......................................................... 19 
7.  Wnioski .............................................................................................. 20 
8.  Bibliografia......................................................................................... 21 

Wykorzystane normy ...............................................................................................21 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

3

1.

 

Parametry hartowania 

1.1

   Temperatura hartowania 

Hartowanie, jako zabieg cieplny, polega na nagrzaniu materiału do 

temperatury austenityzowania, wygrzaniu go w tej temperaturze, a następnie 

chłodzeniu z prędkością większą od krytycznej w celu otrzymania w strukturze 

martenzytu lub bainitu. Hartowanie stali wymaga stosowania odpowiedniej 

temperatury powodującej powstanie w strukturze drobnoziarnistego austenitu, a przy 

chłodzeniu drobnoiglastego martenzytu. Stosowanie zbyt wysokiej temperatury 

spowoduje powstanie martenzyu gruboiglastego (z gruboziarnistego austenitu) o 

gorszych własnościach wytrzymałościowych i zwiększonej kruchości. 

Dobór temperatury dla hartowania stali węglowej i niskostopowej przyjmuje 

się jako równą Ac

3

+(30÷50

°C), co obrazuje rysunek: 

 

Rys. 2.1. Dobór temperatury hartowania stali węglowych. 

Powyższy wykres nie daje jednak odniesienia dla określania temperatury 

austenityzacji dla stali stopowych. W ich przypadku trzeba posługiwać się układami 

równowagi fazowej dla trzech lub więcej składników, ponieważ temperatury krytyczne 

w stalach stopowych zmieniają się w zależności od dodatków stopowych. W 

przypadku braku danych literaturowych temperaturę nagrzewania stali stopowych 

określa się eksperymentalnie. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

4

1.2

   Szybkość nagrzewania 

Z reguły szybkość nagrzewania do temperatury austenityzacji nie ma wpływu 

na proces tworzenia martenzytu przy chłodzeniu, zależy jedynie od kształtów 

materiału oraz jego przewodności cieplnej i wymiarów. 

Szybkość nagrzwania ma natomiast znaczny wpływ na powstające w materiale 

naprężenia cieplne i związane z nimi odkształcenia. Dlatego często zaleca się powolne 

grzanie do temperatury 600÷700

°C, a następnie szybkie grzanie do temperatury 

wymaganej. Powolne nagrzewanie w fazie wstępnej powoduje zmniejszenie różnicy 

temperatur pomiędzy rdzeniem a powierzchnią przedmiotu oraz przekrojami o 

różnych wymiarach. Tym samym powoduje to zmniejszenie naprężeń cieplnych. 

1.3

   Czas wygrzewania 

Temperatura i czas austenityzacji mają bardzo duży wpływ na rodzaj 

powstałego austenitu oraz późniejszego martenzytu. Przekroczenie czasu wygrzewania 

ma taki sam wpływ na proces austenityzacji ja przekroczenie dopuszczalnych 

temperatur, czyli także prowadzi do nadmiernego rozrostu ziarn i w konsekwencji 

powstania martenzytu gruboiglastego. 

Z punktu widzenia technologii czas wygrzewania powinien być możliwie 

najkrótszy, dający jednak wystarczające nagrzanie materiału. W praktyce czas 

austenityzacji mieści się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu minut, w zależności 

od rodzaju i kształtu przedmiotu hartowanego. 

1.4

   Szybkość chłodzenia 

W zależności od szybkości chłodzenia możemy uzyskać trzy różne struktury, z 

czego dwie można zaliczyć do procesu hartowania. Przy powolnym chłodzeniu (w 

piecu, powietrzu) uzyskana struktura stali będzie zgodna z wykresem Fe-Fe

3

C, czyli 

powstałą strukturą będzie perlit (przemiana perlityczna nie jest zatem zaliczana do 

procesów hartowania) 

Przy zwiększonej szybkości (np. w oleju) powstanie struktura zwana bainitem. 

Przemiana bainityczna jest pośrednią pomiędzy przemianą perlityczną a 

martenzytyczną. Bainit charakteryzuje się zatem większą twardością i mniejszą 

ciągliwością od perlitu i odwrotnie w stosunku do martenzytu. 

Przy największych prędkościach chłodzenia (z prędkością większą od 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

5

krytycznej, np. w wodzie) powstanie struktura zwana martenzytem i charakteryzuje 

się największą twardością i najmniejszą ciągliwością. 

Do procesu hartowania zaliczamy więc tylko przeminę bainityczną 

i martezytyczną. Należy także zaznaczyć, że podczas procesu hartowania nie da się w 

uzyskać struktury martenzytycznej na całym przekroju. Jest to powodowane 

rosnącymi naprężeniami w materiale, przez co po zakończeniu przemiany występuje 

pewna ilość austenitu szczątkowego. 

Z krzywych kształtu przemiany austenitu wynika, że najintensywniejsze 

chłodzenie jest potrzebne w zakresie temperatur 650÷550

°C, czyli w zakresie 

najmniejszej trwałości austenitu. W niższych temperaturach i temperaturach czasie 

samej przemiany prędkość chłodzenia może być mniejsza, co spowoduje zmniejszenie 

naprężeń wewnętrznych. 

Wpływ na proces chłodzenia i tym samym wynik hartowania ma także ośrodek 

chłodzący. Najczęściej stosowanymi do tego celu są różnego rodzaju ciecze, jak woda, 

roztwory wodne soli, rzadziej kwasów oraz wszelkiego rodzaju oleje, które 

charakteryzują się różnym stopniem odprowadzania ciepła. 

Dobrą ciecz hartowniczą charakteryzować będą następujące czynniki: 

9

  duże ciepło właściwe oraz ciepło parowania, 

9

  duża przewodność cieplna, 

9

  małe napięcia powierzchowne, 

9

  stałe własności przy zmianach temperatur. 

Szybkość chłodzenia jest uzależniona od możliwości odprowadzenia ciepła z 

przedmiotu do otoczenia (woda, olej). Zależy więc od trwałości otoczki pary tworzącej 

się na powierzchni przedmiotu hartowanego, która oddziela go od ośrodka 

chłodzącego. Warstwę tą można usuwać poprzez ruch ośrodka lub przedmiotu, a 

także poprzez wprowadzenie do ośrodka dodatków, tj. kwasu solnego, siarkowego, soli 

kuchennej lub zmniejszyć w ośrodku zawartość powietrza. Dodatki wodorotlenku 

wapnia, mydła czy gliceryny zwiększają tworzenie się pary zmniejszając tym samym 

właściwości chłodzące ośrodka. 

W zależności od sposobu chłodzenia możemy wyróżnić następujące rodzaje 

hartowania: 

9

  martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym, 

9

  martenzytyczne z chłodzeniem stopniowym, 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

6

9

  bainityczne z przemianą izotermiczną. 

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

b)

Martenzyt

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

c)

Martenzyt

Bainit

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

a)

Martenzyt

 

Rys. 2.2. Różne rodzaje hartowania stali 

a – hartowanie zwykłe, b – stopniowe, c – z przemianą izotermiczną; 

p – powierzchnia, r – rdzeń przedmiotu. 

Hartowanie martenzytyczne wraz z odpuszczaniem wysokim nosi nazwę 

ulepszania cieplnego

2.

 

Rodzaje hartowania 

2.1

  Hartowanie zwykłe 

Hartowanie zwykłe (ciągłe) jest najszerzej stosowanym i najpopularniejszym 

rodzajem hartowania. Polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzacji, 

wygrzaniu w tej temperaturze i bezpośrednim chłodzeniu z prędkością większą od 

krytycznej (także w rdzeniu przedmiotu). Dzięki takim warunkom procesu 

powinniśmy uzyskać strukturę martenzytyczną na całym przekroju hartowanego 

przedmiotu, w praktyce jednak uzyskujemy ok. 90 % martenzytu na powierzchni oraz 

ok. 50 % w pozostałej części. 

Szybkość chłodzenia podczas hartowania jest uzależniona od ciepła właściwego 

i przewodności cieplnej stali, także od rodzaju ośrodka i wielkości oraz kształtu 

przedmiotu. Kluczowy czynnik odgrywa tutaj ośrodek chłodzący, warunkujący 

szybkość oziębiania. 

Najszybsze chłodzenie powinno występować w zakresie temperatur 700÷450

°C, 

w którym, austenit jest najmniej trwały. W temperaturach powyżej oraz poniżej 

chłodzenie może odbywać się wolniej, austenit pozostaje wówczas dłużej w stanie 

przechłodzonym. Chłodzenie pomiędzy temperaturami M

s

 M

f

 powinno być powolne 

z uwagi na zmniejszenie naprężeń strukturalnych. Dla większości stali węglowych 

temperatura zakończenia procesu przemiany martenzytycznej M

f

 leży poniżej zera.  

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

7

Najogólniej proces hartowania odbywa się następująco: w pierwszej fazie 

chłodzenie jest gwałtowne i maleje proporcjonalnie do spadku różnicy temperatur 

pomiędzy przedmiotem i ośrodkiem chłodzącym. Podczas chłodzenia w powietrzu nie 

uzyskuje się wymaganej szybkości krytycznej dla stali węglowych (przemiana 

perlityczna). Jedynie niektóre stale wysokostopowe o małej szybkości krytycznej 

hartują się w powietrzu (tzw. stale samohartujące się). 

Stale węglowe z reguły hartuje się w wodzie natomiast stale stopowe w oleju. 

Oziębianie przy hartowaniu zwykłym można przeprowadzić w cieczy spokojnej lub z 

wymuszonym obiegiem, a także za pomocą prasy hartowniczej. 

Hartowanie zwykłe stosuje się zwykle dla przedmiotów o małych przekrojach. 

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

Martenzyt

 

Rys. 3.1. Hartowanie zwykłe 

2.2

  Hartowanie stopniowe 

Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu stali powyżej temperatury Ac

3

wygrzaniu w tej temperaturze, następnym zanurzeniu w kąpieli solnej o temperaturze 

nieznacznie (20÷40

°C) wyższej od M

s

 (potrzebnym na wyrównanie temperatury na 

całym przekroju) i powolnym chłodzeniu w powietrzu. Wytrzymanie przedmiotu w 

kąpieli solnej ma na celu zmniejszenie do minimum naprężeń cieplnych powstających 

podczas hartowania. Ten rodzaj hartowania zmniejsza także naprężenia strukturalne 

przez przedłużenie przebiegu przemiany martenzytycznej, częściowo zmniejsza 

odkształcenia i zapobiega powstaniu pęknięć. 

Ograniczeniem stosowania tej metody jest zmniejszenie prędkości chłodzenia 

do temperatury M

s

 (pierwsza faza) poprzez zanurzenie w gorącej kąpieli, dlatego aby 

proces hartowania mógł być spełniony prędkość ta nie powinna być niższa od 

prędkości krytycznej. Hartowanie stopniowe można zatem stosować tylko dla stali 

charakteryzujących się dużą hartownością, a przekroje przedmiotów powinny być 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

8

mniejsze niż przy hartowaniu ciągłym. 

Hartowanie stopniowe stosuję głównie się w obróbce cieplnej narzędzi i części 

maszyn (o przekroju nieprzekraczającym 5 mm) ze stali węglowych lub 

niskowęglowych oraz przedmiotów o skomplikowanych kształtach. 

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

Martenzyt

 

Rys. 3.2. Hartowanie stopniowe 

2.3

  Hartowanie z przemianą izotermiczną 

Hartowanie z przemianą izotermiczną jest rozszerzeniem hartowania 

stopniowego. Polega ona na nagrzaniu przedmiotu do temperatury austenityzacji i 

wygrzaniu w tej temperaturze. Następnie ochłodzeniu w kąpieli (roztopiona saletra 

lub ołów) o temperaturze wyższej od M

s

, wytrzymaniu w tej kąpieli aż do zupełnego 

zakończenia przemiany bainitycznej i dowolnym chłodzeniu do temperatury 

otoczenia. 

Po hartowaniu z przemianą izotermiczną w strukturze na ogół występuje 

bainit. Występują także wszystkie pozytywne cechy hartowania stopniowego, tj. 

zmniejszenie naprężeń, pęknięć i deformacji. 

Hartowanie izotermiczne nadaje materiałowi zbliżone wartości jak hartowanie 

z odpuszczaniem (ulepszanie cieplne). Stosuje się je głównie dla przedmiotów o 

małych przekrojach (ok. 20 mm), można jednak hartować większe przekroje ze stali 

wysokostopowych, które charakteryzują się dużym zakresem trwałości austenitu. 

Hartowanie izotermiczne jest jednak procesem długotrwałym, niekiedy 

przeciągającym się do kilku godzin. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

9

Czas

Austenit

Ac

1,3

M

s

p

r

c)

Martenzyt

Bainit

 

Rys. 3.3. Hartowanie z przemianą izotermiczną. 

Odmianą hartowania izotermicznego jest hartowanie w celu uzyskania w 

strukturze martenzytu i bainitu. Przeprowadza się je podobnie do hartowania 

stopniowego, jednak czas wytrzymania w kąpieli wydłuża się aż do otrzymania 

częściowej przemiany bainitycznej. Po wyjęciu z kąpieli pozostały austenit rozpada się 

na martenzytu i dzięki temu otrzymuje się strukturę bainitu i martenzytu o 

pośrednich własnościach. Obróbce takiej poddaje się z reguły narzędzia w celu 

zachowania dużej twardości i ciągliwości. 

2.4

  Hartowanie powierzchniowe 

Hartowanie powierzchniowe stosuje się głównie w celu uzyskania zahartowanej 

powierzchni przedmiotu z zachowaniem niezmienionego rdzenia. Polega ona na 

nagrzaniu powierzchni przedmiotu do temperatury o 50

°C wyższej od temperatury 

hartowania dla danej stali i następnym chłodzeniu z prędkością większą od 

krytycznej. Grubość warstwy zahartowanej zależy od grubości warstwy nagrzanej 

powyżej temp. austenityzacji. Przegrzanie nie powoduje zbytniego rozrostu ziarna 

austenitu ze względu na bardzo krótki czas nagrzewania. Powierzchniowo hartuje się 

stale węglowe o 0,4÷0,5% zwartości węgla lub niskostopowe o 0,3÷0,6%C.  

Cienka warstwa powierzchniowa poddawana hartowaniu wymaga bardzo 

szybkiego nagrzania i chłodzenia tak, aby jej ciepło nie zdążyło nagrzać wnętrza 

przedmiotu. 

Rozróżnia się następujące rodzaje hartowania powierzchniowego, różniące się 

metodą nagrzewania powierzchni przedmiotu:  

• 

Hartowanie powierzchniowe metodą płomieniową – polega na nagrzaniu 

przedmiotu za pomocą płomienia ze spalania gazów (palnika) i następnym 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

10

chłodzeniu natryskiem wodnym, 

• 

Hartowanie powierzchniowe metodą indukcyjną – polega na rozgrzaniu 

przedmiotu (powierzchni) poprzez szybkozmienne prądy wzbudzone (prądy 

wirowe), materiał z reguły jest przeciągany przez cewką indukcyjną, 

• 

Hartowanie powierzchniowe metodą kąpielową – polega na rozgrzaniu 

powierzchni przedmiotu poprzez zanurzenie go na krótką chwilę w kąpieli o 

temperaturze na tyle wysokiej, aby powierzchnia zdążyła się nagrzać do 

temperatury austenityzacji, chłodzenie następuje pod natryskiem wodnym. 

 

Z wymienionych metod najpopularniejsza staje się metoda indukcyjna ze 

względu na możliwość kontrolowania temperatury orz głębokości warstwy nagrzanej. 

2.5

  Patentowanie 

Patentowanie jest szczególnym rodzajem hartowania izotermicznego. Celem 

tego rodzaju hartowania jest jednak uzyskanie w strukturze drobnoziarnistego perlitu 

i jest stosowane dla drutów lub taśm ze stali o zawartości 0,35÷1%C. 

Polega na austenityzowaniu przedmiotu w temperaturze ok. 1100

°C i 

oziębianiu do temperatury przemiany izotermicznej, z reguły w kąpieli ołowiowej lub 

solnej w temperaturze 400÷550

°C. Dzięki takim zabiegom otrzymuje się strukturę 

drobnego perlitu, które po zastosowaniu obróbki plastycznej na zimno zwiększa 

wytrzymałość. 

3.

 

Przebieg ćwiczenia 

3.1

  Próbki poddane hartowaniu. 

Materiałem poddanym hartowaniu była stal węglowa oznaczona symbolem 

C45E (wg PN-EN 10083-1). Zabiegowi poddano dwie próbki walcowe o wymiarach 

30 x 20mm. Jedna z próbek poddana została wygrzewaniu i chłodzeniu w oleju, 

natomiast druga wygrzaniu, wstępnym ochłodzeniu na powietrzu i następnym 

chłodzeniu w wodzie. 

Skład chemiczny stali C45E jest następujący: 

Skład chemiczny wytopu (%): 

0,42 – 0,50 

Si  

max 0,40 

Ciąg dalszy tabeli na 

następnej stronie 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

11

Mn 

0,50 – 0,80 

P max 

0,035 

S max 

0,035 

Cr max 

0,40 

Mo max 

0,10 

Ni max 

0,40 

V - 
Cr + Mo + Ni 

max 0,63 

3.2

  Parametry i przebieg zabiegu hartowania. 

Dla próbki wykonanej z materiału C45E zakres temperatury hartowania waha 

się w granicach 830 – 860°C dla chłodzenia w oleju. Czas wygrzewania jest natomiast 

zależny od wielkości próbki oraz jej kształtu. Czas wygrzewania określa iloczyn 

współczynnika kształtu oraz wymiaru dominującego. W naszym przypadku 

współczynnik dla walca wnosi 1 natomiast wymiar dominujący 30 (wynik podawany 

jest w minutach).  

W doświadczeniu parametry były następujące i jednakowe dla obu próbek: 

9

  Temperatura wygrzewania - 850°C 

9

  Czas wygrzewania – 30 minut 

Chłodzenie z temperatury austenityzowania odbyło się dla jednej próbki 

prawidłowo (bezpośrednio w oleju), natomiast dla drugiej próbki było niewłaściwe: 

wstępne chłodzenie w powietrzu i następnie w wodzie nie zważając na tworzącą się 

wokół próbki strefę powietrza. 

3.3

  Pomiar twardości – metoda Rockwella. 

Dla zahartowanych próbek zbadano twardość korzystając z metody Rockwella. 

Pomiar polega na wciskaniu wgłębnika (w naszym przypadku dla skali C jest to 

stożek diamentowy) w powierzchnię próbki dwustopniowo w określonych warunkach. 

Pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku h pod działaniem określonej siły po 

usunięciu głównej siły obciążającej. 

Twardość Rockwella oblicza się z wartości h i dwóch stałych wartości N i S 

według następującego wzoru: 

S

h

N

HRx

=

 

gdzie:  HR oznacza twardość Rockwella, natomiast x – skalę (np. HRC), S 

określa jednostkę skali, a N stałą liczbową odpowiednią do skali. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

12

Skalę C (stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° i promieni 

krzywizny 0,2mm) stosuje się dla elementów hartowanych ze względu na wysoką ich 

twardość. Popularnie stosowana jest także skala B (kulka stalowa o średnicy 

1,587mm), jednak dla przedmiotów hartowanych wykazuje zbyt małą twardość, co 

może spowodować uszkodzenie twardościomierza. 

Dla stożka diamentowego (skale A, C i D) wzór jest następujący: 

002

,

0

h

100

HRC

=

 

natomiast dla kulki stalowej (skale B, E, F, G, H i K): 

002

,

0

h

130

HRB

=

 

Skala HRC charakteryzuje się następującymi parametrami: 

ƒ

  Siła obciążająca wstępna – 98,07 N, 

ƒ

  Siła obciążająca główna – 1373 N, 

ƒ

  Siła obciążająca całkowita 1471 N. 

Czas przejścia siły obciążającej wstępnej do siły obciążającej całkowitej 

powinien wynosić 1 do 8 sekund, natomiast czas działania siły obciążającej całkowitej 

(pomiar) powinien trwać 4 sekundy (

±2 sekundy). Zakres stosowania skali C wynosi 

20 do 70 HRC. 

3.4

  Zestawienie wyników. 

W doświadczeniu uzyskano następujące wyniki pomiaru twardości: 

9

  Próbka surowa: 37.5, 29, 33, 29, 34, 33 [HRC], 

9

  Próbka niewłaściwie hartowana: 20.5, 28, 29, 26, 27, 26 [HRC], 

9

  Próbka hartowana w oleju: 37, 38, 35.5, 39, 35, 36, 35 [HRC]. 

Wartości średnie wynoszą odpowiednio: 

9

  Próbka surowa: 32.58 [HRC], 

9

  Próbka niewłaściwie hartowana: 26.08 [HRC], 

9

  Próbka hartowana w oleju: 36.50 [HRC]. 

Skala B posiada zakres 20 do 100 HRB. Maksymalny zakres (100 HRB) 

odpowiada wartości 20 HRC, czyli najniższemu zakresowi skali C. Stąd wnioskujemy, 

że skala B nie nadaje się do pomiaru zahartowanych materiałów. 

Wyniki możemy przliczyć na skalę Brinella (HB). Przy pomiarze twardości 

metodą Brinella, w próbkę metalu wciska się kulkę z węglików spiekanych. Średnica 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

13

kulki wynosi 1 do 10 mm, a czas oraz siła docisku jest zależna od rodzaju materiału i 

grubości próbki. 

Wynik pomiaru metodą Brinella ustala się wg wzoru: 

]

mm

N

[

S

F

HB

2

=

 

gdzie: F – jest siłą obciążającą, a S – powierzchnią odcisku. 

Wartości średnie wynoszą odpowiednio dla skali Brinella (podane wartości 

zostały przybliżone do wartości podanych w nawiasach): 

9

  Próbka surowa: 308 [HB] (dla 32 HRC), 

9

  Próbka niewłaściwie hartowana: 245 [HB] (dla 22 HRC), 

9

  Próbka hartowana w oleju: 340 [HB] (dla 36 HRC). 

Wartość twardości HRC podana w normie dla stali C45E, jest zależna od 

odległości od czoła hartowanej próbki i wynosi odpowiednio: 

Odległość od hartowanego czoła [mm] 

Gatunek 

Numer 

materiałowy 

Symbol 

hartowności

Zakres

1 2 3 4 5 7 8 8 9 10

max  62 61 61 60 57 51 44 37 34

33

C45E 1.1191 

+H 

min  55 51 37 30 28 27 26 25 24

23

Przyjmując, że pomiar na próbkach wyznaczono w okolicach połowy promienia 

próbki oraz na zeszlifowanej powierzchni, która też uległa zahartowaniu, odległość od 

hartowanego czoła wynosi ok 1÷2 mm. Hartowane czoło próbki znajduje się bowiem 

na powierzchni, która uległa zeszlifowaniu. Przyjmując wielkość zeszlifowania ok 1÷2 

mm wartość twardości według normy powinna mieścić się w zakresie od ok 55 do 62 

HRC. 

3.5

  Struktury stali C45E. 

 

Ryc 

3.5.1  Martenzyt (hartowanie 900°C) – układ iglasty, w środkowej części zdjęcia

 

charakterystyczne ułożenie igieł (zwany „Heynit”); pow 1000x, nital. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

14

 

Ryc 

3.5.2  Ulepszanie cieplne – hartowanie i odpuszczanie średnie; struktura martenzytu 

 

odpuszczonego (troostyt), układ iglasty jako pozostałość po strukturze martenzytycznej; 

 pow 

500x, 

nital. 

 

Ryc 3.5.3 

Ulepszanie cieplne – struktura sorbityczna, typowa dla stali cieplnie ulepszonej, w osnowie 

 

ferrytu b. drobne ziarenka cementytu, prawie niewidoczne przy takim powiększeniu; 

 pow 

500x, 

nital. 

 

Ryc 3.5.4 

Hartowanie  niezupełne  (750°C) – ferryt i martenzyt, jasne ziarna ferrytu w osnowie 

 

martenzytu iglastego, wydłużone wtrącenia w ferrycie charakteryzują pasma 

 

niejednorodne, bogatsze w fosfor, których przeprowadzanie w roztwór stały wymaga 

 

wyższych temperatur oraz dłuższych czasów wygrzewania; wada spowodowana 

 niejednorodnością 

składu 

 

chemicznego 

oraz zbyt niską temperaturą hartowania; 

 pow 

x500, 

nital. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

15

 

Ryc 3.5.5  Hartowanie izotermiczne (860°C/sól, 350°C/20sek/woda) – grube, ciemne igły

 

bainitu ułożone gdzieniegdzie pod kątem 60°, w osnowie drobnoiglastego

 

martenzytu; pow 2000x, nital. 

4.

 

Odpuszczanie 

Odpuszczanie jest to zabieg cieplny, polegający na nagrzaniu uprzednio za-

hartowanej stali do temperatury poniżej A

c1

,  wygrzaniu w tej temperaturze a 

następnie chłodzeniu. 

Celem tego zabiegu jest podwyższenie własności plastycznych zahartowanej 

stali. Rozróżnia się kilka zakresów temperatur odpuszczania, zaznaczających się mniej 

lub bardziej wyraźnie zmianami w strukturze. W szczególności, zmiany struktury 

zahartowanej stali nadeutektoidalnej mają przebieg następujący: 

Do ok. 80 °C nie zachodzą żadne wyraźne zmiany. 

Od 80-200°C zaznacza się zanik tetragonalności sieci martenzytu spowodowany 

wydzieleniem węgla w postaci subdyspersyjnej (węglik 

ε, ~Fe

x

C).  Na krzywej 

dilatometrycznej obserwuje się skurcz. Powstaje martenzyt odpuszczony jako 

niejednorodny roztwór stały węgla w ferrycie i bardzo drobne cząstki węglika 

ε. Przy 

dalszym wzroście temperatury odpuszczania, do ok. 250 °C, występuje wzrost 

objętości tłumaczony przemianą austenitu szczątkowego w bainit (zakres 17). Jeżeli 

odpuszczanie zostaje zakończone zanim wszystek austenit szczątkowy przemieni się w 

bainit (w tym zakresie temperatur czas trwania przemiany bainitycznej jest wg 

krzywych  CTP  na ogół długi), podczas chłodzenia pozostały austenit szczątkowy 

przemienia się w martenzyt. W badaniu mikroskopowym zgładu próbki zahartowanej 

widoczne są w osnowie ciemnych igieł martenzytu jasne pola austenitu szczątkowego. 

W przypadku wyższej zawartości węgla niż eutektoidalna oraz wyższej temperatury 

hartowania ilość austenitu szczątkowego wzrasta; po odpuszczeniu w niskiej 

temperaturze pola austenitu szczątkowego ciemnieją, wskutek przejścia w bainit lub 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

16

martenzyt odpuszczony. 

W zakresie 250-400°C następuje intensywny skurcz próbki (zakres III) 

spowodowanej całkowitym wydzieleniem węgla z roztworu przesyconego oraz 

przemianą węglika 

ε w cementyt. W przypadku stali węglowych powstaje wówczas 

łatwo ulegająca natrawieniu struktura martenzytu odpuszczonego, nazywana 

tradycyjnie strukturą troostytyczną. 

Powyżej 400°C (zakres IV)  następuje koalescencja i koagulacja węglików w 

ferrycie oraz rekrystalizacja osnowy ferrytycznej. Zanika budowa iglasta, wydzielania 

węglików stają się widoczne pod mikroskopem optycznym, szczególnie w stalach 

węglowych i niskostopowych. Powstaje struktura sorbityczna. 

W temperaturach bliskich A

c1

  przy długotrwałym odpuszczaniu koagulacja 

wydzieleń cementytu (lub węglików) zachodzi tak dalece, że powstaje struktura 

sferoidytu składająca się ze stosunkowo dużych cząstek węglików o kształcie 

sferoidalnym w osnowie ferrytycznej. 

W praktyce wyodrębnia się trzy zakresy temperatur odpuszczania, tzw. niskie 

w temperaturze poniżej 300 °C, średnie w zakresie 300-500 °C i wysokie powyżej 

500°C. Po przeprowadzeniu takiego zabiegu otrzymuje się struktury martenzytu 

odpuszczonego lub sorbitu, wyraźnie się różniące własnościami — głównie twardością 

i plastycznością. 

Połączenie zabiegów hartowania i wysokiego odpuszczania określa się nazwą 

ulepszanie cieplne”, które stosuje się przeważnie do stali konstrukcyjnych w celu 

uzyskania optymalnych własności mechanicznych przy możliwości obróbki 

skrawaniem. Szybkość nagrzewania oraz czas wygrzewania zależą od wielkości i 

kształtu przedmiotów. Stale węglowe po odpuszczaniu studzi się na powietrzu, 

niektóre stale stopowe (Cr, Ni, Mn) należy chłodzić w wodzie lub oleju, w celu 

zapobieżenia kruchości odpuszczania. 

5.

 

Wyżarzanie 

5.1

  Wyżarzanie rekrystalizujące. 

Metale i stopy odkształcone plastycznie na zimno wykazują w porównaniu ze 

stanem wyjściowym zwiększoną energie wewnętrzną wynikającą z dużej gęstości wad 

sieci krystalicznej, w wyniku tego wzrasta stopniowo opór odkształcenia materiału w 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

17

trakcie dalszej obróbki plastycznej i aby ją kontynuować, należy stosować coraz 

większe siły nacisku. Zmagazynowana energia odkształcenia zwiększa energię 

swobodną materiału, w wyniku czego pozostaje on w stanie równowagi metastabilnej. 

Wydzielanie energii Zmagazynowanej i powrót materiału do stanu równowagi 

stabilnej zachodzi w szeregu procesów fizycznych zwanych ogólnie rekrystalizacją

Podczas wyżarzania rekrystalizującego zachodzą procesy: 

1.

  Zdrowienie, 

2.

  Rekrystalizacja pierwotna,  

3.

  Rozrost ziarn, 

4.

  Rekrystalizacja wtórna. 

Zdrowienie jest procesem aktywowanym cieplnie prowadzącym do 

przegrupowania dyslokacji w konfiguracje o niższej energii jak i również do 

częściowego zmniejszenia gęstości dyslokacji oraz zmniejszenia stężenia defektów 

punktowych. 

Rekrystalizacja pierwotna rozpoczyna się w odkształconym metalu po 

przekroczeniu tzw. Temperatury rekrystalizacji. Definiuje się ją jako tworzenie i 

wzrost zarodków nowych ziarn. Rekrystalizacja pierwotna obejmuje kolejne objętości 

materiału odkształconego i kończy się powstaniem ziarn rekrystalizowanych w całej 

jego objętości. 

Rozrost rekrystalizowanych ziarn zachodzi przez migracje szerokokątowych 

granic i prowadzi do uzyskania struktur o ziarnach oddzielonych granicami 

prostoliniowymi. 

Rekrystalizacja wtórna występuje w przypadku nagrzania metalu do 

temperatur o kilkaset stopni powyżej temperatury rekrystalizacji. Charakteryzuje ją 

selektywny rozrost ziarn kosztem zrekrystalizowanch obszarów po zakończonej 

rekrystalizacji pierwotnej. 

Przywrócenie struktury oraz własności, jakie materiał posiadał przed 

odkształceniem plastycznym, wymaga nagrzania go do określonej temperatury zwanej 

temperaturą rekrystalizacji. Temperatura ta zależy głownie od temperatury topnienia 

metali i stopów. Zależność pomiędzy temperaturą topnienia T

t

 i rekrystalizacji T

r

 

określa wzór empiryczny: 

a

T

T

t

r

=

 

gdzie: a – współczynnik proporcjonalności. 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

18

Ustalono doświadczalnie, że dla metali o bardzo dużej czystości współczynnik 

a=0,35÷0,6, a dla stopów będących roztworami stałymi a=0,7. 

Temperatura rekrystalizacji jest ważnym parametrem w praktyce 

przemysłowej, gdyż stanowi granicę oddzielającą proces obróbki plastycznej na zimno 

i na gorąco. 

W celu przywrócenia plastyczności metalu stosuje się międzyoperacyjne 

wyżarzanie rekrystalizujące pozwalające na przeprowadzenie kolejnych operacji 

odkształcenia plastycznego. Ten rodzaj wyżarzania stosuje się w procesach 

technologicznych obróbki plastycznej na zimno: prętów, taśm, blach i rur. Prowadzi 

się go w takich warunkach, aby materiał uzyskał ziarno o określonej wielkości 

determinujące optymalne własności do dalszego przerobu technologicznego. W celu 

otrzymania określonych własności gotowego wyrobu stosuje się tzw. Końcowe 

wyżarzanie rekrystalizujące. Po wyżarzaniu końcowym można uzyskać gotowy wyrób 

w postaci drutu, taśmy itp. w stanie twardym, półtwardym lub miękkim. 

5.2

  Wyżarzanie normalizujące. 

Wyżarzanie to polega na nagrzaniu stali do stanu austenitycznego, wygrzaniu 

w tej temperaturze i następnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu, co najmniej do 

temperatur podkrytycznych. Temperaturę wyżarzania normalizującego dla 

określonego gatunku materiału podają zwykle karty materiałowe. Czas grzania 

natomiast zależy od przekroju wyżarzanego materiału. 

Duży wpływ na strukturę i własności uzyskane w wyniku operacji wyżarzania 

wywiera wielkość przekroju przedmiotu oraz szybkość chłodzenia. 

Praktycznie wyżarzaniu normalizującemu poddaje się stale o dostatecznie dużych 

szybkościach chłodzenia oraz staliwo i żeliwo. Nie znajduje ono zastosowania dla stali 

stopowych o małych szybkościach chłodzenia. 

 

5.3

  Wyżarzanie zupełne. 

Wyżarzanie zupełne różni się od normalizowania sposobem chłodzenia. Polega 

ono na nagrzaniu przedmiotów o 30÷50°C powyżej linii GSE, wygrzaniu w tej 

temperaturze i następnie powolnym ich chłodzeniu w zakresie temperatur 

krytycznych. Najczęściej po austenityzowaniu stosuje się bardzo powolne chłodzenie 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

19

wsadu z piecem. Dzięki temu uzyskuje się strukturę bardziej zbliżoną do 

równowagowej aniżeli po wyżarzaniu normalizującym. Celem tego wyżarzania jest 

zmniejszenie niejednorodności struktury i wielkości ziarna, polepszenie ciągliwości i 

obrabialności materiału. Poddaje się niemu stale, dla których szybkość chłodzenia w 

spokojnym powietrzu stosowana podczas wyżarzania normalizującego jest większa od 

krytycznej. 

5.4

  Wyżarzanie izotermiczne. 

Posiada ono podstawy analogiczne jak normalizujące i zupełne, różni się 

natomiast od nich sposobem chłodzenia. Po austenityzowaniu stosuje się szybkie 

chłodzenie do temperatury 

Nieco poniżej A

r1

, a następnie przetrzymuj się w niej przez czas niezbędny do 

zakończenia przemiany perlitycznej; dalsze chłodzenie do temperatury otoczenia jest 

prowadzone z dowolną szybkością. Taki przebieg wyżarzania izotermicznego skraca 

czas jego trwania w porównaniu z wyżarzaniem zupełnym 2 – 3-krotnie. 

6.

 

Obróbka cieplna dla stali C45E 

Materiałem wykorzystanym w doświadczeniu były walcowe próbki ze stali 

C45. Jako, że praktycznie przeprowadzono tylko zabieg hartowania, parametry dla 

pozostałych zabiegów stosowanych dla tej stali zostaną wypisane poniżej. 

9

  Hartowanie 

o  Temperatura – 820÷860°C 

o  Środek hartowniczy – woda lub olej  

9

  Odpuszczanie 

o  Temperatura – 550÷660°C 

o  Czas odpuszczania minimum 60 minut 

9

  Próba hartowania od czoła 

o  Temperatura – 850±5°C 

9

  Normalizowanie 

o  Temperatura – 840÷880°C 

o  Czas austenityzowania minimum 30 minut 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

20

7.

 

Wnioski 

Badanie miało na celu wyznaczenie zależności pomiędzy dwoma rodzajami 

chłodzenia: prawidłowym oraz nieprawidłowym. Dzięki badaniu twardości mogliśmy 

ocenić prawidłowość uzyskanej struktury i odnieść uzyskane wyniki do normy. 

Analizując wyniki możemy łatwo zauważyć, że obie próbki zostały 

zahartowane nieprawidłowo. Prześledźmy zatem zabiegi dla poszczególnych próbek. 

Próbka chłodzona w wodzie została wstępnie ochłodzona (kilka sekund) w powietrzu, 

co oczywiście spowodowało hartowanie z temperatury niższej niż wymagana. Po 

drugie próbka została ochłodzona w wodzie nie przygotowanej do hartowania (tzn. 

bez wymaganych dodatków), czyli podczas chłodzenia wokół materiału utworzyła się 

warstwa powietrza otaczająca próbkę. Taka sytuacja oczywiście negatywnie wpływa 

na proces chłodzenia, zmniejszając jego prędkość, zgodnie z teorią przemiany 

perlitycznej. 

Prawidłowe chłodzenie zostało zapewnione próbce chłodzonej w oleju. Tutaj 

wyniki także w znacznym stopniu odbiegają od znormalizowanych. Przyjmując, że 

jeśli olej był prawidłowy, błędy mogły być spowodowane niewłaściwymi warunkami 

wygrzewania. Do warunków tych możemy zaliczyć niewłaściwą temperaturę wewnątrz 

pieca, która mogła być zależna także od umiejscowienia próbki.  

 Należy także zaznaczyć, że norma umożliwia chłodzenie próbek w wodzie lub 

oleju, zatem jeżeli chłodziliśmy próbki w oleju interesować powinny nas niższe 

wartości twardości, zgodnie z teorią przemiany bainitycznej. 

Podsumowując: twardość obu próbek nie mieści się w zakresach 

znormalizowanych. Jednak próbka hartowana w oleju wykazuje własności bliższe 

znormalizowanym, stąd można przyjąć prawidłowość przebiegu zabiegu tylko dla tej 

próbki. 

 

 

 

 

 

 

background image

Obróbka Cieplna - Laboratorium. 

Gliwice 2006 

21

8.

 

Bibliografia 

[1]

  Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. 

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995. 

[2]

  Staub F.: Metaloznawstwo. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice 1979. 

[3]

  Szewieczek D.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki cieplnej stopów metali. 

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1992.

 

Wykorzystane normy 

[4]

  PN-EN 10083-1+A1 „Stale do ulepszania cieplnego.”  

[5]

  PN-EN ISO 6508-1 „Pomiar sposobem Rockwella. Część 1: Metoda badań.” 

[6]

  PN-93/H-01200 „Obróbka cieplna metali i stopów. Terminologia.” 

[7]

  Atlas metalograficzny