Podstawowe wiadomości dotyczące obróbki cieplnej
Obróbka cieplna jest zabiegiem lub połączeniem kilku zabiegów cieplnych, składających się z nagrzewania do określonej temperatury przedmiotu wykonanego ze stopu, a w pewnych przypadkach również czystego metalu, będącego jednak zawsze w stanie stałym, wygrzewanie go w tej temperaturze przez pewien określony czas i następnie chłodzenie go z określoną szybkością w celu uzyskania żądanych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych na skutek przemian fazowych lub tylko strukturalnych oraz usunięcie naprężeń własnych, jednak bez celowej zmiany składu chemicznego. Przez zabieg cieplny rozumie się pewien cykl zmian temperatury, zaczynający się od temperatury otoczenia i kończący się również w temperaturze otoczenia.
Możliwy jest również zabieg cieplny, który składa się z dwóch cykli, wówczas zabieg chłodzenia prowadzi się do temperatury leżącej poniżej temperatury otoczenia, po którym dopiero następuje nagrzewanie.
Operacja obróbki cieplnej jest częścią procesu technologicznego, wykonywaną w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym. Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej.
Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą:
nagrzewanie,
wygrzewanie,
chłodzenie.
Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z szybkością dużą – oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem.
Rodzaje obróbki cieplnej stali
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:
Obróbkę cieplną zwykłą,
Obróbkę cieplno – chemiczną,
Obróbkę cieplno – plastyczną,
Obróbkę cieplno-magnetyczną,
W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności spowodowane są głównie zmianami temperatury oraz czasu. W obróbcie cieplno – chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera ośrodek, w którym odbywa się obróbka. W obróbce cieplno – mechanicznej na własności wpływa ponadto odkształcenie plastyczne a w przypadku obróbki cieplno – magnetycznej pole magnetyczne.
Grzanie i ośrodki grzejne
Pojęcie i podział grzania
Proces grzania polega na doprowadzeniu ciepła w ciągu założonego czasu w celu uzyskania określonej temperatury przez całą masę nagrzewanego przedmiotu. Grzanie składa się z zabiegów: nagrzewania, wygrzewania. W zależności od przewodności cieplnej, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu, rodzaju ośrodka nagrzewającego, różnicy temperatury między piecem a nagrzewanym przedmiotem, temperatury nagrzewania, mocy pieca i innych czynników, szybkość nagrzewania może być bardzo zróżnicowana. Najczęściej jest stosowany 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 wyższej od temperatury obróbki cieplnej. Grzanie musi zapewniać uzyskanie jednakowej temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu.
Dobór czasu grzania
Czas grzania można wyznaczyć metodami analitycznymi na podstawie zależności teoretycznych. Praktycznie dobiera się go jednak na podstawie wykresów i tablic, które są sporządzane na podstawie wyniku prób i pomiarów temperatury termoelementami umieszczonymi wewnątrz nagrzewanych próbek. tablicy 4.8 zestawiono orientacyjne wartości wskaźników τ1 mm czasu grzania przedmiotów ze stali niestopowej do temperatury hartowania i odpuszczania, wyrażone w minutach na 1 milimetr przekroju. Stale stopowe należy nagrzewać w czasie o ok. 20÷40% dłuższym, niż podano w tablicy 4.8, a w przypadku odpuszczania czas grzania wynosi nawet 1÷3 h. Praktycznie można przyjąć, że w przypadku obróbki cieplnej stali węglowej w piecu komorowym czas grzania wynosi 1 min na 1 mm średnicy lub boku przekroju przedmiotu. W praktyce jednocześnie obrabia się cieplnie kilka lub kilkanaście przedmiotów. Z tego względu utrudnione jest równomierne doprowadzenie ciepła ze wszystkich stron do obrabianych przedmiotów. Decyduje o tym również kołowy lub kwadratowy przekrój przedmiotów oraz sposób ich ułożenia na trzonie pieca. W zależności od tych czynników należy więc zwiększyć czas grzania, mnożąc czas dobrany na podstawie tablicy 4.8 lub rysunku 4.72 przez współczynnik względnego czasu nagrzewania wsadu n, podany w tablicy 4.9.
Wyróżnić można następujące rodzaje ośrodków grzejnych:
Powietrze
Ośrodki gazowe
Złoża fluidalne
Kąpiele solne – sole chlorkowe hartownicze lub saletrzakowe
Kąpiele metalowe – bizmut, antymon, cyna i ołów stopione
Szybkość nagrzewania zależy od składu chemicznego wsadu, czyli odbywa się indywidualnie a także od sposobu grzania, konstrukcji urządzenia grzewczego, rodzaju ośrodka nagrzewającego i szybkości jego ruchu względem nagrzewanego wsadu. Przykładowo, w kąpielowym piecu solnym o tej samej temperaturze co piec ołowiowy nagrzewanie odbywa się 2 razy wolniej. Podobnie w piecu fluidalnym. Piec komorowy gazowy nagrzewa ok. 8 razy wolniej od kąpielowego ołowiowego, a komorowy piec elektryczny ok. 9 razy wolniej.
Chłodzenie i ośrodki chłodzące
Zabieg chłodzenia
Chłodzenie jest zabiegiem obróbki cieplnej zachodzącym w wyniku odprowadzania ciepła przez ośrodek chłodzący. Zadaniem ośrodka chłodzącego jest obniżenie temperatury całego przedmiotu obrabianego cieplnie do wymaganej wartości. Chłodzenie musi odbywać się z szybkością zapewniającą prawidłowy przebieg określonych przemian fazowych. Szybkość chłodzenia jest zależna od wielu czynników, m.in. od kształtu, wymiarów i masy przedmiotu, temperatury nagrzewania, sposobu chłodzenia, głównie zaś od rodzaju i własności ośrodka chłodzącego.
Ośrodki chłodzące
Jako kryterium podziału ośrodków chłodzących można przyjąć ich stan skupienia. Największą grupę stanowią ośrodki ciekłe, mniejszą gazowe, a w dalszej kolejności stałe. Ośrodki fluidalne, składające się ze sproszkowanych siał stałych fluidyzowanych strumieniem gazów,a także mgłę wodną zalicza się do grupy ośrodków mieszanych.
Zdolność chłodzącą różnych ośrodków ocenia się zwykle na podstawie krzywych chłodzenia, tj. zarejestrowanych – w funkcji czasu – zmian siły termoelektrycznej termoelementu, umieszczonego wewnątrz nagrzanej kulki srebrnej o średnicy 20 mm (rys. 4.73).
Charakterystyki zdolności chłodzenia różnych ośrodków przedstawiono na rysunku 4.74. Do ośrodków najintensywniej chłodzących należą roztopione sole i metale, chociaż bardzo dużą zdolność chłodzenia wykazują również roztwory wodne soli i zasad. Woda chłodzi z intensywnością znacznie większą niż olej hartowniczy. Przez wymieszanie w odpowiednim stosunku wody i oleju lub wody i polimerów można uzyskać emulsje o pośrednich własnościach. Regulacja zdolności chłodzenia jest możliwa również w złożu fluidalnym i może się odbywać przez zmianę prędkości przepływu gazu. Najmniej intensywnie chłodzącym ośrodkiem jest powietrze. Intensywność chłodzenia ośrodków ulega również zmianom wraz ze zmianą temperatury ośrodka oraz w wyniku jego cyrkulacji. W zależności od wymagań procesu technologicznego należy więc dobierać ośrodek o odpowiedniej intensywności chłodzenia.
Obróbka cieplna zwykła
Wyżarzanie
Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury (rys. 4.75), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje:
podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (jak w przypadku wyżarzania ujednorodniającego),
podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające),
podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące).
Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050÷1200°C o ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.
Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu (porównaj rozdz. 4.4.2), co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.
Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub powodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne – tzw. sezonowanie – zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.
Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbką cieplną – w celu ujednolicenia struktury.
Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.
Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów lub taśm, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900÷1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500÷550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno.
Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie } 20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1.
Hartowanie
Przez hartowanie objętościowe określa się operację obróbki cieplnej stali składająca się z zabiegów nagrzewania na wskroś do temperatury austenityzowania, wygrzewania przy tej temperaturze i chłodzenia z szybkością pozwalającą na uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Wytworzenie w procesie hartowania struktury martenzytycznej lub bainitycznej przy zapewnieniu wymagań określonego rozkładu i poziomu naprężeń własnych na przekroju i minimalnych odkształceń wymaga doboru właściwego ośrodka chłodzącego oraz sposobu realizacji zabiegu chłodzenia. Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie można podzielić na:
martenytyczne
bainityczne
Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzania w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej. W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej. Miarą skuteczności hartowania zwykłego jest określona twardość przedmiotu.
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanizację procesów technologicznych obróbki cieplnej. W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:
indukcyjne,
płomieniowe,
laserowe,
kąpielowe,
kontaktowe,
elektrolityczne,
impulsowe.
Podczas hartowania indukcyjnego grzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym cieplnie przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wzbudnik 1 (rys. 4.77), tj. cewkę zasilaną prądem wytwarzanym przez generator prądu zmiennego. Wśród metod hartowania indukcyjnego, różniących się względnymi ruchami wzbudnika i obrabianego przedmiotu, wyróżnia się metodę jednoczesną, jednoczesno–posuwową, posuwową, posuwowo–obrotową i posuwowo–obwodową. Chłodzenie może być wykonywane przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli chłodzącej lub natrysk cieczy chłodzącej bezpośrednio we wzbudniku. Indukcyjnie są hartowane zwykle wałki, koła zębate, zawory, wielowypusty, rolki, sworznie, prowadnice i inne przedmioty, często bardzo drobne.
Hartowanie płomieniowe polega na nagrzewaniu obrabianego przedmiotu palnikami gazowymi i chłodzeniu. Metody hartowania płomieniowego są podobne do metod hartowania indukcyjnego. Palniki są zwykle sprzężone z natryskiwaczami, co umożliwia bezpośrednie chłodzenie. Tak samo jak w przypadku hartowania indukcyjnego, hartowanie płomieniowe może być stosowane w przypadku obróbki cieplnej wałków, kół zębatych, zwłaszcza o dużych modułach (np. 12 mm), prowadnic łóż obrabiarek, tulei i innych dużych przedmiotów.
Odpuszczanie
Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być:
niskie,
średnie,
wysokie.
Odpuszczanie niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.
Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość (rys. 4.78).
Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.
Utwardzanie wydzieleniowe
Utwardzanie wydzieleniowe jest połączeniem przesycania i starzenia. Polega na utwardzeniu stopu metalicznego dyspersyjnymi cząstkami fazy wtórnej wydzielonej z przesyconego roztworu stałego. Utwardzanie wydzieleniowe spowodowane jest zablokowaniem ruchu dyslokacji przez drobne wydzielenie faz wtórnych.
Przesycanie składa się z trzech zabiegów, to jest nagrzewanie do temperatury istnienia roztworu stałego α, wygrzewanie w tej temperaturze w czasie, który zapewni rozpuszczenie fazy wtórnej i ujednorodnienie roztworu stałego α oraz chłodzenie do temperatury otoczenia z szybkością większą od krytycznej szybkości rozpadu przesyconego roztworu stałego α. Przesycanie stopów należy przeprowadzić w piecach komorowych z wymuszonym obiegiem atmosfery lub w piecach solnych oraz fluidalnych zapewniających dokładną regulację temperatury +/- 5oC.
Starzenie jest następującą po przesyceniu operacją utwardzania wydzieleniowego, podczas której otrzymuje się jednorodny przesycony roztwór stały ze statystycznie przypadkowym rozmieszczeniem składnika przesycającego.
Obróbka cieplna stali
Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jaki rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić.
W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając z wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt. Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych temperatur A1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A2 jest temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A3, wyznaczona przez punkty leżące na linii GS, jest temperaturą graniczną równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.
Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik r w przypadku chłodzenia (np. Ac1, Ar3).
Z układu równowagi fazowej żelazo – węgiel, wynika że austenit będący roztworem stałym węgla w żelazie γ, jest stabilny przy chłodzeniu do temperatury przemiany eutektoidalnej A1 . Poniżej Ar1 austenit w wyniku przechłodzenia staje się fazą niestabilną i ulega przemianom, których rodzaj zależy od stopnia przechłodzenia i szybkości chłodzenia. Zależnie od stopnia przechłodzenia (temperatury przebiegu) i szybkość chłodzenia przemiana austenitu w produkty jego rozpadu przebiega według różnych mechanizmów, a mianowicie:
Dyfuzyjna przemiana perlityczna,
Bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna,
Pośrednia (mieszana) przemiana bainityczna.
Przemiany w stali podczas nagrzewania
Nagrzanie stali do temperatury zapewniającej wystąpienie struktury austenitu jest zabiegiem stosowanym w większości operacji obróbki cieplnej. Warunkiem rozpoczęcia procesu tworzenia się austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzanie stali do temperatury wyższej od Ac1 ( w przypadku czystych stali węglowych wynosi ona 723oC). Po nagrzaniu do tej temperatury na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje niejednorodne zarodkowanie austenitu. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, gdyż rozrastające się zarodki tej fazy rozpuszczają zarówno cementyt jak i ferryt. Szybkość tworzenia się austenitu z perlitu zwiększa się wraz ze zwiększeniem szybkości nagrzewania oraz zwiększeniem ogólnej powierzchni granic międzyfazowych cementyt-ferryt. W kolejnych fazach procesu następuje rozpuszczanie węglików i ujednorodnienie austenitu. W technologii obróbki cieplnej istotną rolę odgrywa wielkość ziaren austenitu, który istnieje w stali po zakończeniu wygrzewania. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie wyższej temperatury końca obróbki plastycznej na gorąco oraz szerszego zakresu temperatury austenityzowania podczas hartowania, ta drobnoziarnista struktura ma również wpływ na polepszenie własności mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartownych i ulepszonych cieplnie.
Przemiany w stali podczas chłodzenia
Mechanizm przemiany martenzytycznej
Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej k. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie alfa. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie (rys. 4.48) oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.
Morfologia martenzytu
W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martenzytu
listwowy,
płytkowy.
Mechanizm przemiany bainitycznej
Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna (rys. 4.60a). Wobszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania bardzo drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu, ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytycznej. W obszarach, które uległy przemianie martenzytycznej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika ε, a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie, a nie szybkością przemiany martenzytycznej.
Morfologia bainitu
W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się (rys. 4.60):
bainit górny,
bainit dolny.
Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego. Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego.
Mechanizm przemiany perlitycznej
Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu (rys. 4.61a) bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości Cα , umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu (rys. 4.62b). Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu.
OBRÓBKA PODZEROWA
Obniżenie temperatury materiału poniżej 0oC w celu osiągnięcia temperatury Mf w trakcie przemiany martenzytycznej nosi nazwę obróbki podzerowej.
Obróbka podzerowa jest jedną z nowszych metod obróbki cieplnej i polega na chłodzeniu hartowanej stali do temperatur poniżej 273 K. Obróbka podzerowa stosowana jest między innymi do tych stali, których temperatury końca przemiany martenzytycznej leżą poniżej 273 K (np. stale wysokowęglowe) i które z tego powodu wykazują w strukturze po hartowaniu większe ilości austenitu szczątkowego. Obecność dużych ilości szczątkowego austenitu powoduje obniżenie odporności stali na ścieranie, spadek jej twardości jak również może prowadzić do niestałości wymiarów przedmiotów hartowanych.
Obróbka podzerowa przedmiotów wykonanych ze stali martenzytycznych poprawia także ich własności magnetyczne.
Temperatury obróbki podzerowej ustala się w zależności od temperatury końca przemiany martenzytycznej , charakterystycznej dla poszczególnych gatunków stali. Dla większości stali temperatura końca przemiany martenzytycznej jest wyższa od 190 K, chociaż może być niższa -ok 100K i zbliżona do temperatury wrzenia ciekłego azotu (78 K). Dlatego w trakcie ziębienia przedmiotów poddawanych obróbce podzerowej w przeważającej ilości urządzeń stosuje się ciekły azot.
Obróbkę podzerową stosuje się również w przypadku materiałów, w których nie zachodzi przemiana martenzytyczna, takich czyste miedź i srebro, stale nierdzewne o trwałej strukturze austenitycznej, niektóre plastiki. W przypadku takich materiałów celem obróbki jest redukcja wewnętrznych naprężeń, wytrącenie węglików oraz poprawa struktury krystalicznej materiału.
OPIS DO WYKRESU1: W pokazanym na rysunku (NASZ RYSUNEK) cyklu obróbkę podzerową przeprowadzono w temperaturze 93 K. Jak czynnik chłodzący użyto ciekłego azotu o temperaturze wrzenia 78 K. Nie jest jednak wskazana bezpośrednie zanurzanie obrabianych przedmiotów w ciekłym azocie, gdyż zabieg taki prowadzi do powstania dużych gradientów temperatury powodujacych lokalne skurcze i naprężenia mogące spowodować mechaniczne uszkodzenia przedmiotów. Ponadto stosują zanurzenie lub natrysk azotem niemożliwa jest dokładna regulacja przebiegu temperatury w trakcie oziębiania przedmiotu. Dlatego najlepszą metoda obniżania temperatury przedmiotów w trakcie obróbki podzerowej jest ich umieszczenie w komorze do której podawane są pary azotu, wymiana zachodzi na drodze konwekcji wymuszone, a temperaturę w komorze ustala się przez sterowaniem strumienia par azotu. Pożądana jest również regulacja różnicy temperatury pomiędzy powierzchnią przedmiotu obrabianego, a jego wnętrzem.
Celem stosowania obróbki podzerowej jest przede wszystkim zwiększenie twardości przedmiotów takich jak wiertła, frezy, elementy łożysk oraz stabilizacja geometrii wyrobów o bardzo dokładnych wymiarach, takich jak sprawdziany.
Komory kriogeniczne stosowane w obróbce podzerowej.
Komory kriogeniczne stosowane w obróbce podzerowej powinny charakteryzować się następującymi cechami:
− Możliwością regulacji temperatury, w szczególności ustalenia niewielkiej szybkości schładzania w zakresie temperatur 300 – 90 K.
− Brakiem kontaktu próbki z ciekłym azotem.
− Możliwości precyzyjnej regulacji temperatury w trakcie odgrzewania próbki.
Komory mogą być zasilane azotem ze zbiorników o podwyższonym ciśnieniu (np. 2 MPa). W trakcie rozprężania azotu w dyszy zasilającej komorę następuje jego częściowe odparowanie i obniżenie temperatury do 78 K. Przedmioty w komorze są schładzane parami azotu. Ruch par w komorze wymuszony jest mieszadłem.
LASEROWA OBRÓBKA CIEPLNA
Obróbka cieplna laserowa obejmuje operacje cieplne, które prowadzi się wykorzystując wiązkę laserową jako źródło energii potrzebna do nagrzania warstwy wierzchniej obrabianego materiału, w celu zmiany jego struktury dla uzyskania lepszych własności, polepszających trwałość eksploatacyjną danego przedmiotu. Opiera się na szybkim nagrzewaniu powierzchni metalu na skutek absorpcji promieniowania laserowego, a następnie szybkim ostudzeniu nagrzanej warstwy przez sąsiednią zimną osnowę. Głębokość nagrzewania i struktura metalu będzie zależeć od temp nagrzania i energii zaadsorbowanej w strefie nagrzanej, a także szybkości nagrzewania. Strefy nagrzewane laserowo cechują się także większą odpornością na odpuszczanie. Obróbka laserowa zwiększa odporność na ścieranie około dwukrotnie w stosunku do standardowej obróbki cieplnej, z tym, że stale konstrukcyjne korzystniej jest nagrzewać bez przetopu. Technologia ta pozwala na obróbkę trudno dostępnych i dowolnie dużych obszarów roboczych
Wady i zalety laserowej obróbki cieplnej
WADY
Wysoki koszt urządzeń
Ograniczona powierzchnia działania lasera związana z szerokością wiązki
Wykonywania kilku ścieżek laserowych w celu zwiększenia powierzchni obrabianej, powoduje lokalnego odpuszczenie materiału
ZALETY
Minimalne zniekształcenie powierzchni
Selektywne hartowanie
Nie jest wymagany środek chłodzący
Możliwość uzyskania cienkich utwardzonych warstw
Możliwość kontrolowania głębokości warstw utwardzonych
Podniesienie odporności na zmęczenie
Wykresy przemian przechłodzonego austenitu.
Ilościowe dane dotyczące zależności struktury i własności stali od temperatury i czasu przemiany austenitu przechłodzonego zawierają wykresy CTP – czas–temperatura– przemiana. W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:
CTPi – przy chłodzeniu izotermicznym,
CTPc – anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym.
Wykresy CTPi – przy chłodzeniu izotermicznym
Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze przemiany t (rys. 4.66a). Czas rozpoczęcia i zakończenia każdej przemiany odczytuje się z wykresu przez zrzutowanie na oś czasu punktów przecięcia krzywych początku i końca przemiany przez prostą odpowiadającą danej temperaturze. Wykresy CTPi sporządza się określając stopień przemiany przy danej temperaturze metodą dylatometryczną, magnetyczno–indukcyjną, elektryczną lub metalograficzną (rys. 4.66). Wykresy CTPi opracowane dla różnych stali są wykorzystywane do określenia temperatury i czasu wygrzewania podczas wyżarzania izotermicznego oraz wychładzania w kąpieli solnej przy hartowaniu izotermicznym lub stopniowym.
CTPc – anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym.
Wykresy CTPc charakteryzują przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu z różnymi szybkościami (rys. 4.66b). Otrzymuje się je w wyniku badań metodą dylatometryczną, na dylatometrach bezwzględnych. Temperatury początku i końca poszczególnych przemian i odpowiadające im czasy odczytuje się przez rzutowanie odpowiednio na osie temperatury lub czasu punktów przecięcia krzywych szybkości chłodzenia z krzywymi początku i końca przemiany. Wykresy CTPc znalazły zastosowanie do ustalenia struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej lub poddanej wyżarzaniu zupełnemu. W celu określenia struktury i twardości stali na podstawie wykresów CTPc, w zależności od warunków chłodzenia z temperatury austenityzowania, można posłużyć się wykresami zmian temperatury prętów o różnych średnicach, chłodzonych w różnych ośrodkach (rys. 4.67). Wykresy CTPc różnych stali umożliwiają również określenie dla nich szybkości krytycznej υk, czyli najmniejszej szybkości chłodzenia z temperatury austenityzowania zapewniającej uzyskanie struktury wyłącznie martenzytycznej. Na wykresie CTPc szybkość krytyczna jest linią chłodzenia przebiegającą stycznie do krzywej początku przemiany austenitu w punkcie najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego (rys. 4.66b). Postać wykresów CTP w dużym stopniu zależy od składu chemicznego stali.
Wady powstające podczas obróbki cieplne
Do podstawowych wad, które mogą być powodowane obróbką cieplną stali, należą:
odkształcenia,
wypaczenia,
pęknięcia.
Zmiany wymiarowe i odkształcenia obrabianych przedmiotów powstające podczas obróbki cieplnej są powodowane przez naprężenia:
cieplne,
strukturalne.
Zmiany wymiarowe i odkształcenie
Przemiany przechłodzonego austenitu w martenzyt lub bainit powodują zwiększanie się objętości i wymiarów. Naprężenia wyłącznie cieplne sprzyjają zmniejszaniu wymiarów maksymalnych i zwiększaniu minimalnych oraz dążeniu przedmiotów cylindrycznych lub sześciennych do przyjęcia kształtu zbliżonego do kuli. Przebieg przemiany martenzytycznej w warstwie zewnętrznej oraz jej brak w rdzeniu powodują odkształcenie o odwrotnym charakterze w porównaniu z odkształceniami wyłącznie cieplnymi. Wymiary największe ulegają zwiększeniu, najmniejsze – zmniejszeniu, a kształt przedmiotu staje się zbliżony do szpulki.
Paczenie
W przypadku gdy przedmioty obrabiane cieplnie są zanurzane w kąpieli chłodzącej w sposób nieprawidłowy, a szybkość chłodzenia różnych powierzchni tego przedmiotu w danej chwili jest różna, 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 produktach niż małych, o małej smukłości. W celu zmniejszenia niekorzystnego działania tego zjawiska przedmioty hartowane
można chłodzić w stanie naprężonym, np. w prasach hartowniczych.
Pęknięcia hartownicze
Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające pierwszego rodzaju są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają w temperaturze niższej od Ms, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia węgla w stali, podwyższeniem temperatury hartowania i zwiększeniem szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych może być również występowanie karbów, gwałtownej zmiany przekroju lub miejscowych zagłębień i występów.
Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie
tworzeniu się tych wad polega na unikaniu karbów, hartowaniu z możliwie najniższej temperatury, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej.