Operator_maszyn_i_urządzen_do_obrobki_plastycznej

„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. WyŜarzanie

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 ppoŜ. 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) umoŜliwiający samodzielne przygotowanie się do

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

„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 wyŜarzanie, 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 Ŝądanych właściwości po obróbce,

−

dobrać parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

−

rozróŜnić urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

−

obsłuŜyć 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 ppoŜ. 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 moŜna wyróŜnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

−

cieplną zwykłą,

−

cieplno-chemiczną,

−

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

−

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

obróbki  cieplnej  składa  się  z  operacji  i  zabiegów.  Operacja  obróbki  cieplnej  jest  to  część
procesu  technologicznego  (np.  hartowanie,  wyŜarzanie)  wykonywana  w  sposób  ciągły,
przewaŜnie  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  zaleŜności  od  temperatury  wygrzewania.  Nagrzewanie  i  chłodzenie
materiału  moŜe  przebiegać  w  sposób  ciągły  lub  stopniowy.  Podczas  nagrzewania
stopniowego  rozróŜnia  się:  podgrzewanie

−

nagrzewanie do temperatury pośredniej

i dogrzewanie

−

nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia

stopniowego wyróŜniamy 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 poniŜej
0°C nazywamy wymraŜaniem.

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 Ŝelazo ze względu na niskie właściwości wytrzymałościowe ma zastosowanie

w ograniczonym  zakresie.  Stopy  Ŝelaza  wykazują  lepsze  właściwości  wytrzymałościowe
i mają  większe  zastosowanie.  śelazo  jako  istotny  składnik  wszystkich  stopów,  w  zaleŜności
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 Ŝelaza przy ogrzewaniu i chłodzeniu [12, s. 66]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na wykresie układu równowagi Ŝelazo

−

cementyt wyróŜnia 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.

MoŜna równieŜ 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 Ŝelazie 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  obniŜaniem  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 Ŝelazie α, (Fe

−

austenit (γ)

−

roztwór stały międzywęzłowy węgla w Ŝelazie 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 Ŝelaza zawierają cementyt pochodzący z trzech wydzieleń

zachodzących w odmiennych warunkach. W pierwszym przypadku cementyt wydziela się
z cieczy podczas krystalizacji wzdłuŜ 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

. KaŜdy rodzaj

cementytu ma róŜny wpływ na właściwości stopów, poniewaŜ warunki tworzenia się tych
odmian decydują o zróŜnicowanym rozmieszczeniu i geometrii struktury stopu.

Ledeburyt w temperaturze tworzenia się

−

1147°C

−

jest mieszaniną dwóch faz austenitu

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

−

poniŜej 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 zaleŜności od zawartości węgla w stopach Ŝelazo

−

węgiel wyróŜnia 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,

−

złoŜoną z perlitu i cementytu drugorzędowego

−

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

Na wykresie układu równowagi Ŝelazo

−

węgiel wyróŜnia 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 Ŝelaza 910°C

−

punkt G, dla stopów Ŝelaza

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 Ŝelaza 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 Ŝelazo-cementyt z oznaczeniami temperatury przemian [12, s. 70]

Dla wyróŜnienia, 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 Ŝelazo

−

grafit ma podobny charakter i jest zwykle nanoszony na wykres

Ŝelazo

−

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

poniewaŜ umoŜliwiają śledzenie przemian i struktury technicznych stopów Ŝelaza z węglem.

Podczas nagrzewania stali, powyŜej 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 zaleŜy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyŜej
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 moŜna rozwaŜać 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 zaleŜy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które moŜemy 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, uniemoŜliwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą
skłonnością do rozrostu ziaren naleŜą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają
dyspersyjne cząstki Al

i AlN) oraz stale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno

rozpuszczalne  węgliki.  Stale  drobnoziarniste  umoŜliwiają  stosowanie  szerszego  zakresu
temperatury  austenityzowania  podczas  obróbki  cieplnej  oraz  wyŜszej  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 poniŜej

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

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 złoŜona 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,  Ŝe
w pierwszej  kolejności  powstaje  płytka  cementytu,  powodując  zuboŜenie  zawartości  węgla
w otaczającym  ją  austenicie.  Gdy  stęŜenie  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 zaleŜności od temperatury przemiany rozróŜnia się bainit górny, tworzący
się w zakresie temperatury poniŜej 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, Ŝe 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,  Ŝe  bainit  jest
mieszaniną  przesyconego  węglem  ferrytu  i  węglików.  Cechą  bainitu  górnego  jest  to,  Ŝe
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  zaleŜy  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  juŜ  istniejących  płytkach
ferrytu.  Istotną  cechą bainitu dolnego jest równieŜ to, Ŝe wydzielanie się węglików zachodzi
wewnątrz  płytek  ferrytu,  przy  czym  w  zaleŜności  od  warunków  przemiany,  moŜe  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 obniŜeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu

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

Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi

w stalach po przechłodzeniu austenitu poniŜej temperatury M

z prędkością równą lub

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

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury M

i zachodzi

z bardzo duŜą prędkością 1000

−

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

-7

s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniŜanie temperatury aŜ

do osiągnięcia temperatury M

(ang. martensite finish), poniŜej 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 napręŜeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej

przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zaleŜy 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

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

leŜy poniŜej zera

°C  i  dla  zmniejszenia  ilości  austenitu  szczątkowego  w  strukturze  konieczne  jest
przeprowadzenie  obróbki  podzerowej  (tzw.  wymraŜania).  Ilość  austenitu  szczątkowego
w stali  wzrasta  równieŜ,  jeŜeli  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 niŜszej 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 zaleŜności od temperatury moŜemy wyróŜnić kilka stadiów odpuszczania, w których

przewaŜa 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. PowyŜszym 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. PrzewaŜają tutaj procesy

przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony, co powoduje wydłuŜenie
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  niezaleŜne  wydzielanie
cementytu.  W  powyŜszym  stadium  odpuszczania  następuje  silny  skurcz  próbki.  Struktura
próbki  składa  się  martenzytu  odpuszczonego  (roztworu  α)  i  wydzieleń  cementytu.  PowyŜej
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 (złoŜonego z bardzo drobnych kulistych cząstek
cementytu w osnowie ferrytu).

Parametry zabiegów obróbki cieplnej

Podstawowymi parametrami obróbki cieplnej są:

–

temperatura nagrzewania (najwyŜsza temperatura, do której naleŜy 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 duŜej 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 róŜni 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 wyŜarzanie, 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)  rozpoznać elementy układu Ŝelazo-węgiel,
2)  uzupełnić pozostawione puste miejsca na wykresie
3)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie 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) wyróŜnić 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 słuŜące

do ogrzewania metali. Podstawowymi elementami kaŜdego 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 zaleŜności od ich konstrukcji podzielić moŜna 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 wyróŜnić moŜna najogólniej piece próŜniowe, z atmosferą

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

W zaleŜności od źródła ciepła rozróŜnia się piece na paliwo stałe, ciekłe lub gazowe oraz

piece elektryczne. Piece elektryczne, w zaleŜności 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 moŜna ustawiać i regulować temperaturę w przestrzeni

grzewczej z duŜą 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, wyŜarzania, odpuszczania,
odpręŜania oraz nawęglania. Mogą pracować w atmosferze powietrza, ochronnej lub
regulowanej.

Piece komorowe do pracy w atmosferze powietrza umoŜliwiają przeprowadzanie

procesów obróbki cieplnej wsadu w zakresie temperatur do 1000°C, wyŜarzanie
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 róŜnych

procesów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej w atmosferze ochronnej w temperaturze
odpowiednio do 1000° i 1100°C. Piece te mogą być wyposaŜone w drugie drzwi, w tym jedne
z mieszarką, umoŜliwiające 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 umoŜliwiają stosowanie nowoczesnych

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

−

1000°C.

w piecach tych moŜna 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,

−

wyŜarzanie  w  temperaturze  do  650  do  850°C  –  w  atmosferze  azotu,  a  od  temperatury
750°C  takŜe  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  moŜliwości  dostępu  powietrza  z  zewnątrz.  Wewnątrz  komory  jest
realizowany  wymuszony  obieg  atmosfery  za  pomocą  mieszarki.  Polepsza  się  przez  to
równomierność  nagrzewania  wsadu  w  przestrzeni  uŜytkowej  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 moŜe teŜ 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 powyŜej 4 m

) jako stałe.

W piecach elektrycznych wgłębnych procesy obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej

odbywają się w szczelnej retorcie, zamkniętej od góry pokrywą, bez moŜliwości 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 obniŜeniu temperatury w celu

uzyskania odpowiednich właściwości przedmiotów.

Chłodzenie moŜna prowadzić z róŜnymi szybkościami obniŜania temperatury:

−

oziębianie, duŜe szybkości

−

studzenie, wolniejsze obniŜanie temperatury,

−

wymraŜanie, obniŜanie temperatury poniŜej 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 obniŜenia 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 węŜownicą. 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) węŜownicą [3, s. 239]

−

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

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

obrabianego przedmiotu.

Czas grzania moŜna wyznaczyć metodami analitycznymi na podstawie zaleŜności

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 zaleŜność
czasu  nagrzewania  w  róŜnych  piecach  do  obróbki  cieplnej  od  średnicy  przedmiotu
i temperatury grzania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 20. ZaleŜność 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, wyraŜone
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, wyŜarzanie 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 naleŜy nagrzewać w czasie o 20–40% dłuŜszym, a w przypadku

odpuszczania nawet w czasie 1–3 h. Praktycznie moŜna przyjąć, Ŝe 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 róŜnych przedmiotów zawarte są w tabeli 2.

Tabela 2. Wymiary charakterystyczne S i współczynniki kształtu K dla róŜnych 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 moŜliwie i maksymalne zabezpieczenie obsługi przed zagroŜeniami
występującymi w czasie prowadzenia tych procesów.

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

obróbki  cieplnej.  To  zagadnienie  wiąŜe  się  z  kwestią  łatwego  załadowania  i  rozładowania
pieca,  a  więc  zmniejszenia  obciąŜenia  fizycznego,  jak  równieŜ  ze  sprawą  bezpieczeństwa
pracy  obsługi.  Z  tych  powodów  drzwi  pieców  powinny  być  wyposaŜone  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. RóŜne

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 Ŝeliwnego stanowiące ramę i wyłoŜenia ogniotrwałego. Do większych pieców
stosuje się drzwi podnoszone, o odpowiednio mocniejszej konstrukcji, gdzie rama Ŝeliwna,
wyłoŜona 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 zagroŜeń i w znacznym stopniu obciąŜa fizycznie obsługę pieców.

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

zagroŜenia: 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  moŜna  ograniczyć  do  minimum  poprzez  zachowanie  szczególnej
ostroŜności  przy  wykonywaniu  tych  samych  czynności,  oraz  stosowaniu  odpowiednich
urządzeń  i  narzędzi  pomocniczych.  Dodatkowo  oprócz  odzieŜy  ochronnej  przed  działaniem
promieniowania  cieplnego  naleŜy  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 wyposaŜone 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 wyposaŜona 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. NaleŜy 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 naleŜy bezwzględnie

wyłączyć prąd za pomocą wyłącznika głównego.

10. W razie poŜaru naleŜy gasić urządzenia elektryczne za pomocą specjalnych gaśnic.
11. Instrukcję obsługi oraz instrukcję dotyczącą ratowania poraŜonych prądem naleŜy

umieścić w widocznym miejscu.

Tabela 3. Środki ochrony przed poraŜeniem 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 pobliŜu uziemione konstrukcje izolować lub
połączyć z obudową urządzeń elektrycznych.

ObniŜanie 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 przeciwpoŜarowym.

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

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

rękawice, obuwie ogniotrwałe lub gumowe, okulary ochronne.

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

w obecności nauczyciela.

6. ZauwaŜone awarie naleŜy 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 moŜna 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”

WyposaŜenie 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 wyŜarzania
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)  ułoŜyć 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.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

piec oporowy komorowy,

−

instrukcja obróbki cieplnej,

−

instrukcja obsługi pieców,

−

narzędzia robocze,

−

odzieŜ 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.

WyposaŜenie 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 słuŜących 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. WyŜarzanie

4.3.1. Materiał nauczania

WyŜarzanie to proces obróbki polegający na nagrzaniu stopu do odpowiedniej

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

Szybkość chłodzenia zaleŜy od temperatury wyŜarzania:

−

po wyŜarzaniu w temperaturze wyŜszej od temperatury przemian szybkość chłodzenia
powinna być niewielka,

−

po wyŜarzaniu w temperaturze niŜszej od przemian szybkość chłodzenia jest dowolna.
ZaleŜnie od rodzaju wyŜarzania, właściwości obrabianego metalu zmieniają się

w szerokim zakresie.

W wyniku wyŜarzania moŜna uzyskać:

−

poprawę obrabialności przy skrawaniu,

−

zwiększenie plastyczności przy tłoczeniu na zimno,

−

zwiększenie jednorodności struktury i składu chemicznego,

−

zmniejszenie napręŜeń powstałych podczas zgniotu, spawania.
Rodzaje wyŜarzania przedstawia rysunek 23.

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

Do rodzajów wyŜarzania zalicza się stabilizowanie.
Bardzo często przeprowadzane jest wyŜarzanie rekrystalizujące. Ma ono na celu

usunięcie skutków zgniotu.

Rys. 24. Wpływ wyŜarzania 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 wyŜarzania przedstawione zostały w tabeli 4.

Tabela 4. Rodzaje wyŜarzania [15]

Rodzaje

wyŜarzania

Nagrzewanie

Chłodzenie

Cel obróbki

Zastosowanie

WyŜarzanie
ujednorodniające
(homogenizowanie)

w temperaturze
150

−

250°C powyŜej

linii GS przewaŜnie
w 1000

−

1250°C

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

zmniejszenie
niejednorodności
składu
chemicznego

−

duŜe odlewy
staliwne,

−

wlewki przed
obróbką
plastyczną.

WyŜarzanie
normalizujące
(normalizowanie)

w temperaturze
150

−

250°C powyŜej

linii GS

powolne chłodzenie
(studzenie)
w spokojnym
powietrzu

−

otrzymanie
struktury
jednolitej
i drobnoziarnistej
z polepszeniem
właściwości
mechanicznych,

−

usunięcie
wewnętrznych
napręŜeń
skutków zgniotu,

−

polepszenie
obrabialności
stali węglowych
i stopowych

−

stal walcowana,

−

odkuwki,

−

odlewy.

WyŜarzanie
zupełne

w temperaturze
150

−

250°C

powyŜej linii GS

powolne chłodzenie
do całkowitego
ochłodzenia w celu
zupełnego
przekrystalizowania
stali

−

uzyskanie dobrej
ciągliwości,

−

uzyskanie małej
twardości,

−

podwyŜszenie
udarności,

−

usunięcie
wewnętrznych
napręŜeń,

−

polepszenie
obrabialności.

WyŜarzanie
sferoidyzujące
(zmiękczanie)

w temperaturze
30–50°C
powyŜej linii PS

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

uzyskanie
struktury
cementytu
kulkowego
(sferoidyzacja),

−

polepszenie
obrabialności
skrawaniem dla
stali o większej
zawartości
węgla,

−

usunięcie
napręŜeń
wewnętrznych.

−

przed
hartowaniem
stali
narzędziowych.

WyŜarzanie
grafityzujące
(grafityzowanie)

w temperaturze
powyŜej linii PS

−

rozkład
cementytu na
grafit (węgiel
Ŝarzenia),

−

uzyskanie
z Ŝeliwa białego
Ŝeliwa
ciągliwego
czarnego.

−

Ŝeliwo białe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyŜarzanie
rekrystalizujące
(rekrystalizowanie)

nagrzanie do
temperatury wyŜszej
od temperatury
rekrystalizacji
(ok. 600

−

650°C),

poniŜej linii PS

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

usunięcie
skutków zgniotu.

−

stale uprzednio
zgniecione.

WyŜarzanie
odpręŜające
(odpręŜanie)

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

powolne chłodzenie
(studzenie)

−

zmniejszenie
napręŜeń
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 wyŜarzania odbywa się w tych

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

Najczęstszymi wadami nieprawidłowego przeprowadzania wyŜarzania 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 wyŜarzania

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

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

karty materiałowe, normy,

−

zeszyt,

−

przybory do pisania

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Wykonaj wyŜarzanie normalizujące staliwa i stali. Określ zmiany twardości po wyŜarzaniu

normalizującym staliwa i stali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

pracy,

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

chemicznego i wymiarów próbek,

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

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

próbki staliwa i stali przeznaczone do wyŜarzania normalizującego,

−

piec elektryczny komorowy,

−

twardościomierz Rockwella,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Wykonaj wyŜarzanie zmiękczające zuŜytych przecinaków i przebijaków ze stali N8E.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

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

pracy,

3)  dobrać parametry wyŜarzania 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”

WyposaŜenie 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 wyŜarzania ujednorodniającego

2) wyznaczyć na wykresie Fe

−

C zakres temperatur dla wyŜarzania?

3) wymienić wady które mogą wystąpić po wyŜarzaniu?

4) scharakteryzować wyposaŜenia do przeprowadzenia normalizowania?

5) przygotować piec komorowy do obróbki wyŜarzania?

„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.

RozróŜnia się kilka rodzajów hartowania, które róŜnią się między sobą sposobami

nagrzewania i chłodzenia. Rodzaj hartowania jest uzaleŜniony 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. MoŜna
powiedzieć, Ŝe 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 moŜna posługiwać się

wykresem

−

C, dla stali stopowych naleŜy 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 naleŜy równieŜ uwzględnić wielkość hartowanej

części. Części drobne naleŜy nagrzewać nie wyŜej niŜ 30°C ponad A

części duŜe 50

−

ponad A

gdyŜ

wyŜsza 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 zaleŜny 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 naleŜy nagrzewać wolniej niŜ węglowe.
DuŜy 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  naleŜy  dobierać
doświadczalnie  w  zaleŜności  od  urządzenia  grzewczego,  gatunku  stali,  kształtu  i  wielkości
hartowanej  części.  W  celu  sprawdzenia  czy  dokonano  prawidłowego  doboru  czasu
wygrzewania  naleŜy  przeprowadzić  badania  metalograficzne  zahartowanej  części  na
obecność nierozpuszczonego ferrytu na tle martenzytu co świadczy Ŝe, czas wygrzewania był
za krótki.

Czas wygrzewania moŜna równieŜ obliczać.

Chłodzenie przy hartowaniu

WaŜny 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  naleŜy  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 róŜnych 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, naleŜy 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 róŜnymi 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  Ŝe  temperatura  pracy  będzie
niŜsza  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  uŜywane  są  przy  hartowaniu
izotermicznym  stali  i  chłodzą  2-krotnie  szybciej  niŜ  olej.  Z  kąpieli  metalowych
najczęściej  stosowany  jest  roztopiony  ołów.  Do  kąpieli  solnych  naleŜy  zaliczyć  saletrę
sodową (NaNO

−

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

Hartowność stali wyraŜana jest głębokością hartowania się na martenzyt aŜ do miejsca,

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

W stalach stopowych wszystkie składniki zwiększają hartowność z wyjątkiem kobaltu.

ZaleŜnie od rodzaju uŜytego środka chłodzącego zmienia się głębokość warstwy
zahartowanej. Wielkość ziarna austenitu ma wpływ na hartowność. Stale gruboziarniste
odznaczają się większą hartownością niŜ 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 wzdłuŜ średnicy próbki. W tym celu poddaje się hartowaniu w tych

samych warunkach kilka próbek o róŜnych 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 wzdłuŜ 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 róŜni 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
duŜych  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. RóŜni 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. ZaleŜnie od rodzaju
nagrzewania rozróŜnia 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, zaleŜnie 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 zdąŜy 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, zaleŜny jest od częstotliwości prądu, mocy generatora, a tym samym wielkości
powierzchni  nagrzewanej.  Twardość  powierzchni  hartowanej  indukcyjnie,  jest  zaleŜna  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 moŜe być przyczyną:

−

niedostatecznej twardości,

−

zwiększonej kruchości,

−

utlenienia się i odwęglenia powierzchni,

−

odkształceń,

−

pęknięć.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

NapręŜenia hartownicze

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

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

NapręŜenia strukturalne

NapręŜenia te powstają na wskutek przemian fazowych Ŝelaza

w γ gdyŜ poszczególne

struktury wykazują róŜne 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.

NapręŜenia własne

NapręŜenia te zaleŜą od składu stali, tzn. zawartości węgla co zwiększa napręŜenia,

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

C (tabela barw Ŝarzenia),

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.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

palnik acetylenowo-tlenowy,

−

odzieŜ ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej,

−

próbki,

−

piła do cięcia próbki, szlifierka, papier ścierny,

−

tablica barw Ŝarzenia,

−

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.

WyposaŜenie 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 ppoŜ 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”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

urządzenia grzewcze

−

wanna hartownicza,

−

twardościomierz,

−

odkuwka dłuta,

−

narzędzia

−

tablice stali,

−

zeszyt,

−

odzieŜ ochronna i sprzęt ochrony indywidualnej.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać róŜnice 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 poniŜej temperatury 723

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

Rodzaje odpuszczania przedstawia rysunek 29.

Rys. 29. Zakresy odpuszczania stali węglowych [15

]

Odpuszczanie umoŜliwia usunięcie napręŜeń wewnętrznych powstałych w przedmiotach

podczas hartowania i polepsza ich właściwości plastyczne.

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

właściwości mechanicznych. Ten sam wynik odpuszczania moŜna otrzymać przez:

−

krótkotrwałe odpuszczanie przy wyŜszej temperaturze,

−

długotrwałe odpuszczanie przy niŜszej 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”.

ZaleŜnie od wysokości temperatury wygrzewania rozróŜnia 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 napręŜeń hartowniczych, nieznacznym zmniejszeniem wysokiej twardości
i odporności na zuŜycie. 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 spręŜystości oraz dostatecznej udarności i ciągliwości.
Następuje zmiana struktury martenzytycznej na drobną perlityczną.

Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się w temperaturze od 500

C aŜ do poniŜej A

. Celem odpuszczania

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

−

320. Powstaje struktura złoŜona z bardzo drobnych skoagulowanych

(zaokrąglonych) ziarenek cementytu rozmieszczonych w ferrycie.

Hartowanie i następujące po nim wysokie odpuszczanie nazywa się ulepszaniem

cieplnym. Materiał ulepszany jest juŜ w hutach.

DuŜą wadą odpuszczania jest kruchość odwracalna i nieodwracalna. Dla uniknięcia

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

WyposaŜenie 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 załoŜonego, 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.

WyposaŜenie 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 róŜnice pomiędzy odpuszczaniem niskim a wysokim?

3) określić temperaturę Ŝądanego 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

umoŜliwiających

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

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

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

−

Typ I charakteryzuje się odpowiednio duŜym obszarem roztworów stałych Ŝelaza ze
składnikami

nasycającymi;

wzbogacanie

Ŝelaza

następuje

tylko

stęŜeń

odpowiadających obszarowi roztworu stałego,

−

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

−

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

z pierwiastkami nasycającymi.

Typ I

Typ II

Typ III

zakres temperatury

zakres stęŜeń przy wzbogaceniu zewnętrznej strefy powierzchniowej

Rys. 30. Typy układów równowagi Ŝelaza 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 Ŝelaza. Najwięcej atomów węgla moŜe przyjąć sieć Ŝelaza

, dlatego stal

podgrzewana jest do temperatury, w której występuje ten rodzaj struktury, czyli do
temperatury powyŜej 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 naraŜone na ścieranie i działanie róŜnych obciąŜeń.
Warstwa nawęglona nie przekracza 2,5 mm grubości, a czas nagrzewania moŜe trwać od

3 do 16 godzin (tabela 7 i 8).

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

−

stałym,

−

ciekłym,

−

gazowym.
Parametry nawęglania zaleŜą 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 Ŝeliwnych 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 uŜywa 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 obciąŜeniach

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

Przygotowanie stanowiska do nawęglania (rys. 33)

W zaleŜności od wielkości nawęglanych przedmiotów naleŜy przygotować:

−

proszek nawęglający na specjalnych stołach lub bezpośrednio na podłodze,

−

węgiel drzewny, który naleŜy 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, kaŜda 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 nałoŜeniu ostatniej warstwy i zamknięciu skrzynki następuje zaślepianie skrzynki
gliną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Nawęglanie moŜe równieŜ 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,

−

odpręŜaniu.
Celem tych obróbek jest podwyŜszenie 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 wyŜszą
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 Ŝelazostopy), 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 moŜna 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, zaleŜnej od temperatury, metody borowania oraz składu chemicznego stali.

W zaleŜności od stęŜenia boru w warstwie powierzchniowej stali tworzą się borki Fe

B lub

FeB. Naborowane warstwy stali cechują się duŜą twardością, zaleŜną 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 róŜnica pomiędzy azotonawęglaniem i węgloazotowaniem?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

stali,

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

WyposaŜenie 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 róŜnice pomiędzy otrzymanymi wynikami a wykresem teoretycznym,
11)  zaprezentować wyniki ćwiczenia.

WyposaŜenie 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) rozróŜnić 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 naleŜą:

−

odkształcenia,

−

wypaczenia,

−

pęknięcia.
Zmiany wymiarowe i odkształcenia obrabianych przedmiotów powstające podczas

obróbki cieplnej są spowodowane przez napręŜenia cieplne i strukturalne.

Analizując wyłącznie wpływ napręŜeń cieplnych na zmiany kształtu i wymiarów

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

−

w  chłodzonych  (hartowanych)  przedmiotach  o  zróŜnicowanych  wymiarach  długości,
szerokości  i  grubości  pod  wpływem  działania  napręŜeń  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  napręŜeń  cieplnych  chłodzone  (hartowane)
przedmioty cylindryczne lub w kształcie sześcianu dąŜą do przyjęcia kształtu zbliŜonego
do  kuli.  Oznacza  to,  Ŝe  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 róŜnych powierzchni tego przedmiotu
w danej chwili jest róŜna, 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  moŜna  chłodzić  w  stanie  napręŜonym,  np.  w  prasach
hartowniczych.

Pęknięcia hartownicze

Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy napręŜenia rozciągające pierwszego

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

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

wzrostem  stęŜenia  węgla  w  stali,  podwyŜszeniem  temperatury  hartowania  i  zwiększeniem
szybkości  chłodzenia  w  zakresie  między  temperaturami  początku  i  końca  przemiany
martenzytycznej.  Przyczyną  pęknięć  hartowniczych  moŜe  być  równieŜ  występowanie
koncentratów  napręŜeń,  np.  gwałtownej  zmiany  przekroju  lub  miejscowych  zagłębień
i występów.

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do podstawowych przyczyn wad hartowniczych naleŜą:

−

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

−

zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania, co uniemoŜliwia 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 duŜa 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 wyŜarzania, jak i przesycania

i starzenia.

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

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

Przedmioty odwęglone lub utlenione w czasie hartowania moŜna poddać szlifowaniu,

jeŜeli załoŜone naddatki są odpowiednio duŜe, co umoŜliwi uzyskanie wymaganej twardości
takŜe 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 wyŜarzanie?
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.

WyposaŜenie 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

napręŜenia 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 kaŜdego czasu odpuszczania,
10)  zestawić i porównać wyniki pomiarów,
11)  określić zmiany wymiarowe dla poszczególnych próbek,
12)  sporządzić wnioski i zinterpretować uzyskane wyniki.

WyposaŜenie 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) rozróŜnić 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 wyŜarzaniem?

7) omówić sposoby usuwania wad hartowniczych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

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

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

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

Czynniki, które mogą powodować wypadki, to:

−

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

−

cięŜkie 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 stęŜenie tlenków azotu w powietrzu w wyniku przegrzania wanien do
odpuszczania, zawierających stopione sole azotanowe, co prowadzi do moŜliwości
powstania obrzęku płuc, przy nagłym wzroście stęŜenia,

−

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

−

wysokie stęŜenie tlenku węgla, stanowiące źródło ostrych zatruć lub śmierci w wyniku
poraŜenia ośrodka oddechowego,

−

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

−

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

−

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

−

nadmierny hałas, który moŜe spowodować uszkodzenia słuchu,

−

pola elektromagnetyczne, pochodzące od pieców indukcyjnych, wywołują ryzyko
wystąpienia róŜnych 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 podraŜnienia oczu i dróg oddechowych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

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

−

praca w godzinach nocnych, która moŜe wywoływać stres, zaburzenia rytmu
biologicznego i obniŜoną 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 przeciąŜenie układu mięśniowo-szkieletowego.
W związku z zidentyfikowanymi zagroŜeniami wynikającymi z charakteru pracy

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

Obsługując urządzenia do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej naleŜy:

−

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 stęŜenie tlenku
węgla osiąga lub przekroczenia poziomu zagroŜenia naleŜy opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przełoŜonego,

−

ustawić stęŜenie mieszanki powietrzno-paliwowej,

−

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

−

zainstalować urządzenia monitorujące cyjanowodór, w przypadku, gdy stęŜenie
cyjanowodoru osiąga lub przekracza poziom zagroŜenia, naleŜy opuścić pomieszczenie,
postawić znak ostrzegawczy i powiadomić przełoŜonego,

−

stosować bezpieczne metody podnoszenia i przenoszenia cięŜkich 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
naraŜony.

Aby zabezpieczyć się przed zagroŜeniami wynikającymi z określonych warunków pracy

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

OdzieŜ ochronna zabezpiecza pracownika przed niekorzystnymi wpływami środowiska

zewnętrznego,  tj.  mechanicznymi,  chemicznymi  i  termicznymi.  OdzieŜ  ochronną  wykonuje
się  z  tkanin  lekkich  i  nie  draŜniących  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  słuŜy  odzieŜ
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.  OdzieŜ  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.

MoŜna 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 przeciwpoŜarowym moŜna 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 poŜarów. 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  stęŜenie  niebezpiecznych  substancji,  które
mogą,  w  przypadku  przekroczenia  poziomu  zagroŜenia,  wywołać  poŜar  lub  wybuch
(np. urządzenia monitorujące stęŜenie 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 Ŝycia 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.  ZuŜyte  oleje,  w  tym  oleje  hartownicze  naleŜy
magazynować w miejscach utwardzonych, zabezpieczonych przed zanieczyszczeniami gruntu
i  opadami  atmosferycznymi,  wyposaŜonych  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 wyposaŜonych w szczelne zamknięcia.

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

wymagają właściwego przechowywania aŜ 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 przeciwpoŜarowa 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 zagroŜeń 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.

WyposaŜenie 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”

WyposaŜenie stanowiska:

−

odzieŜ ochronna – róŜne rodzaje,

−

okulary ochronne – róŜne 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 zagroŜeń 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 przeciwpoŜarową przy obróbce

cieplnej i cieplno-chemicznej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

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

Tylko jedna jest prawidłowa.

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

znak X. W przypadku pomyłki naleŜy 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 odłóŜ 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 zbliŜoną do stanu równowagi dynamicznej osiągniemy

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

3. Stal narzędziowa, charakteryzuje się duŜą twardości dzięki strukturze

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

4. Utrzymanie stali w stałej podwyŜszonej 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 naleŜy je poddać wyŜarzaniu

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

7. W wyniku hartowania stali uzyskuje się zwiększenie jej

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

8. Aby usunąć w stali napręŜenia spowodowane przeróbką plastyczną zastosujemy

wyŜarzanie
a)  rekrystalizujące.
b)  sferoidyzujące.
c)  odpręŜające.
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 wyŜarzanie
a)  sferoidyzujące.
b)  grafityzujące.
c)  rekrystalizujące.
d)  odpręŜające

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)  wyŜarzanie normalizujące.
d)  wyŜarzanie objętościowe.

„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