WBM dzi.inż

Sem.III Gr.IA

Laboratorium z metaloznawstwa

Ćwiczenie nr 6

Hartowanie i odpuszczanie stali węglowych

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie technologii hartowania i odpuszczania stali węglowych oraz zmian struktury i własności mechanicznych zachodzących podczas tych zabiegów.

2.Wiadomości podstawowe

Obróbką cieplną nazywane są zabiegi cieplne, cieplno-chemiczne, cieplno-mechaniczne, cieplno-magnetyczne, w wyniku których zmienia się własności mechaniczne, fizyczne lub chemiczne metali i stopów w stanie stałym głównie przez wywołanie zmian strukturalnych, będących funkcją temperatury i czasu. Hartowanie i odpuszczanie to zabiegi cieplne.

Zabieg cieplny to określony zespół czynności nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia metalu lub stopu. Zabieg obróbki cieplnej określa się przez takie parametry jak:

- szybkość nagrzewania

• czas wygrzewania

• szybkość chłodzenia

• temperatura zabiegu

Czas grzania przedmiotu jest sumą czasu nagrzewania i czasu wygrzewania.

Na czas nagrzewania wpływają następujące czynniki:

1. temperatura nagrzewania

2. przewodnictwo cieplne grzanego materiału

3. kształt przedmiotu

4. rodzaj pieca

5. sposób ułożenia przedmiotów w piecu

Ze względu na przebieg chłodzenia hartowanego przedmiotu wyróżniamy hartowanie zwykłe, stopniowe i z przemianą izotermiczną. Hartowanie zwykłe polega na ciągłym chłodzeniu z zakresu austenitu do temperatury otoczenia. Jeżeli szybkość chłodzenia będzie równa lub większa od krytycznej szybkości uzyskana zostanie struktura martenzytyczna. Chłodzenie powinno być szybkie w zakresie temperatury odpowiadającej najmniejszej twardości austenitu. W temperaturach niższych, a zwłaszcza w zakresie przemiany martenzytycznej, chłodzenie powinno być wolniejsze w celu zmniejszenia naprężeń. Niewłaściwa technologia jest przyczyną wielu wad.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu zahartowanej uprzednio stali do temperatury niższej od A₁ i wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do zajścia przemiany.

W wyniku hartowania martenzytycznego stal staje się bardzo twarda; wzrastają również jej własności wytrzymałościowe, natomiast plastyczne ulegają silnemu obniżeniu. Wykorzystując jednak fakt, iż martenzyt jest strukturą metastabilną, można w dość szerokich granicach zmieniać własności zahartowanej stali, stosując odpuszczanie.

W zależności od zakresu temperatury zabiegu rozróżnia się odpuszczanie:

- niskie 100÷250°C,

- średnie 250÷450°C,

- wysokie 450÷600°C.

Odpuszczaniu niskiemu poddaje się głównie narzędzia, które powinna cechować wysoka twardość i odporność na ścieranie. Takie odpuszczanie nie obniża twardości, ale odpręża materiał i zmniejsza jego skłonności do kruchego pękania.

Odpuszczanie średnie jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy równoczesnym polepszeniu ich własności plastycznych. Takie własności powinny mieć resory i sprężyny. Po średnim odpuszczaniu otrzymuje się strukturę odpuszczonego martenzytu o twardości ok. 450 HB. W tym zakresie temperatur występuje tzw. kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju (nieodwracalna), która objawia się spadkiem udarności przy odpuszczaniu stali węglowych lub stopowych w temperaturze ok. 300°C. Zjawisko to wiąże się z przemianą austenitu szczątkowego lub z nierównomiernym rozkładem martenzytu, który najszybciej przebiega na granicach ziarn.

Przy odpuszczaniu wysokim własności wytrzymałościowe (R_m, R_e, HB) wyraźnie maleją, a plastyczne (A5, Z) wzrastają. Wiąże się to z istotnymi zmianami strukturalnymi, które zachodzą w tym zakresie temperatur. Powstaje bowiem struktura złożona z ferrytu i bardzo drobnych, kulistych wydzieleń cementytu zwana sorbitem. Wysokie odpuszczanie jest zalecane dla elementów maszyn wykonanych ze stali konstrukcyjnych, węglowych i stopowych oraz narzędzi do pracy na gorąco, gdyż po takiej obróbce uzyskuje się optymalną kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych, tj. dużą udarność i wydłużenie przy maksymalnym stosunku R_e/R_m. Dlatego też połączenie zabiegu hartowania z wysokim lub średnim odpuszczaniem nazywamy ulepszaniem cieplnym stali. Należy podkreślić, że widoczny wpływ na zmianę struktury i własności wywiera również czas odpuszczania, co wiąże się z dyfuzyjnym charakterem tych zmian.

Próbka 1

Materiał stal 45 ulepszona cieplnie

Skład: C - 0,47%

Mn - 0,62%

Si - 0,21%

P - 0,025%

S - 0,022%

Cr - 0,21%

Ni - 0,24%

Cu - 0,23%

Opis strukturalny - sorbit

Próbka 2

Materiał stal 45 zahartowana

Skład C - 0,47%

Mn - 0,62%

Si - 0,21%

P - 0,025%

S - 0,022%

Cr - 0,21%

Ni - 0,24

Cu - 0,23%

Próbka 3

Perlit 50% ferryt 50%

Próbka I

Hartowanie w wodzie kolor ciemniejszy - martenzyt jaśniejszy - austenit

Próbka II

Hartowanie w wodzie, odpuszczanie wysokie, Kulki cementytu w sorbicie.

Próbka III

Hartowanie w wodzie, odpuszczanie niskie, martenzyt odpuszczony

Próba IV

Hartowanie w oleju, czarne to perlit, szybkość chłodzenia zbyt mała do otrzymania martenzytu i bajnitu.

---