Tomasz Igel Piotr Jędrzejczak Maciej Juska	Inżynieria Materiałowa IV rok, VII semestr	17.12.2001
Struktura i właściwości stali po obróbkach powierzchniowych

1. Hartowanie powierzchniowe:

1. Zidentyfikować strukturę i opisać

1. próbka nr 1 - stal 55 hartowana indukcyjnie:

Powierzchnia: Martenzyt

Strefa przejściowa: Martenzyt + Ferryt

Rdzeń: Ferryt + Perlit z kulkowymi wydzieleniami Fe₃C

2. próbka nr 2 - stal 45 hartowana indukcyjnie:

Powierzchnia: Martenzyt

Strefa przejściowa: Martenzyt + Ferryt

Rdzeń: Ferryt + Perlit (równy udział objętościowy obu faz)

3. próbka nr 3 - stal 55 próbka o nieciągłym kształcie hartowana indukcyjnie:

Powierzchnia: Martenzyt

Strefa przejściowa: Martenzyt + Ferryt

Rdzeń: Ferryt + Perlit (przewaga perlitu)

4. próbka nr 4 - stal SW7M hartowana powierzchniowo z wykorzystaniem nagrzewania laserowego:

Powierzchnia: Martenzyt bezpostaciowy + węgliki nie rozpuszczone

Strefa przejściowa: brak

Rdzeń: Martenzyt odpuszczony + węgliki pierwotne

2. Skomentować czynniki decydujące o powstaniu poszczególnych struktur

Głównymi czynnikami wpływającymi na powstawanie określonej struktury są parametry i rodzaj zastosowanej obróbki cieplnej oraz stan wyjściowy hartowanej stali.

Pierwsza próbka hartowana była ze stanu zmiękczonego co spowodowało wystąpienie w rdzeniu kulkowych wydzieleń Fe₃C. Różnice w strukturze rdzenia między próbkami 2 i 3 wynikają z innej zawartości węgla w tych stalach. W przypadku próbki nr 4 brak jest strefy przejściowej, na powierzchni występuje Martenzyt bezpostaciowy i węgliki nie rozpuszczone, struktura ta powstała w wyniku zastosowania nagrzewania laserowego (bardzo szybkiego) i bardzo szybkiego chłodzenia.

3. Na próbce nr 3 zmierzyć grubość warstwy utwardzonej metodą mikroskopową

Zmierzona grubość warstwy utwardzonej wynosi 0,594 mm

4. Dokonać określenia grubości warstwy utwardzonej w próbce nr 3 na podstawie wyników zamieszczonych w tabeli

Grubość warstwy utwardzonej wynosi ok. 0,740 mm

5. Dokonać analizy rozkładu warstwy utwardzonej na próbkach nr 1 i nr 1a oraz na próbce o nieciągłym kształcie

W przypadku próbki nr 1 rozkład warstwy utwardzonej jest równomierny, w każdym miejscu grubość tej warstwy jest jednakowa. Próbka ta była hartowana indukcyjnie, hartowanie to było przeprowadzone prawidłowo, o czym świadczy równomierny rozkład warstwy utwardzonej.

Próbka 1a ma nierównomierny rozkład warstwy utwardzonej, spowodowane to może być dobraniem złego kształtu wzbudnika, lub niezachowaniem współosiowości pomiędzy materiałem hartowanym a wzbudnikiem. Niezachowanie współosiowości mogło spowodować nierównomierne nagrzanie powierzchni elementu hartowanego, co w rezultacie spowodowało powstanie grubszej warstwy utwardzonej z jednej strony elementu.

Próbka nr 3 ma również nierównomierny rozkład warstwy utwardzonej. Kształt tej próbki jest inny niż poprzednich próbek. Występuje tu krawędź. Nierównomierny rozkład warstwy utwardzonej występuje w pobliżu tej krawędzi, jest związany z koncentracją linii pola elektromagnetycznego na krawędziach , co w rezultacie powoduje nierównomierne nagrzanie elementu.

2. Węgloutwardzanie:

1. Zestawić skład chemiczny badanych stali

Skład chemiczny stali 15 HN
%C	%Mn	%Si	%Pmax	%Smax	%Cr	%Ni
0,12 - 0,18	0,40 - 0,60	0,17 - 0,37	0,035	0,035	1,40 - 1,70	1,40 - 1,70

2. Naszkicować wykres zależności grubości warstwy nawęglonej od czasu procesu dla temperatury 900⁰C

3. Naszkicować wykres zależności grubości warstwy nawęglonej od temperatury procesu dla czasu nawęglania 8 godzin

4. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbki nr 1

Struktura:

Warstwa nawęglona: Perlit + Ferryt + węgliki (przewaga Perlitu)

Rdzeń: Perlit + Ferryt (przewaga Ferrytu)

Grubość warstwy nawęglonej 0,81 mm

5. Dokonać obserwacji mikroskopowej próbki nr 2 i opisać obserwowaną strukturę warstwy utwardzonej i rdzenia

Struktura:

Warstwa utwardzona: Martenzyt odpuszczony + węgliki

Rdzeń: Martenzyt odpuszczony

6. Wykorzystując podane w tabeli wyniki twardości HV na przekroju warstwy utwardzonej wykonać wykres f(HV)=F (odległość od powierzchni)

• Wyznaczyć grubość warstwy utwardzonej dla HV granicznego = 550

• Dokonać oceny wykresu rozkładu twardości

Grubość warstwy utwardzonej dla HV granicznego równego 550 wynosi 0,85 mm.

W nawęglonym elemencie zawartość węgla w warstwie nawęglonej zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia. Najwyższe stężenie węgla uzyskujemy na powierzchni. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w warstwie utwardzonej rośnie twardość po hartowaniu. Jednak, żeby to powyższe stwierdzenie miało sens, trzeba mieć na uwadze to, że wraz ze wzrostem zawartości %C, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej obniżają się, skutkiem tego tam gdzie jest więcej węgla jest też więcej austenitu szczątkowego co prowadzi do zmniejszenia twardości powyżej pewnego stężenia węgla. Aby temu zapobiec trzeba stosować wymrażanie, po to by przemiana martenzytyczna doszła do końca i na powierzchni warstwy nawęglonej po hartowaniu nie było austenitu szczątkowego. Jak widać z powyższego wykresu w odległości od powierzchni do około 0,25 mm jest spadek twardości, jest to spowodowane prawdopodobnie zwiększoną zawartością % austenitu szczątkowego.

1. Zestawić minimalne własności mechaniczne rdzenia próbki nr 2

Własności mechaniczne (minimalne) rdzenia stali 15 HN
Rm [MPa]	Re[MPa]	A5 [%]	Z [%]	KCU2 [J/cm^2]
981	834	12	45	78

2. Zdefiniować cel stosowania różnych sposobów hartowania po nawęglaniu

Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250 - 300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej. W szczególności dąży się do: zwiększenia twardości stali na powierzchni, otrzymania struktury drobnoziarnistego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie przypowierzchniowej, zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w nie nawęglonym rdzeniu.

Hartowanie bezpośrednie po nawęglaniu jest najprostszym rodzajem obróbki cieplnej stosowanej po nawęglaniu. Polega na szybkim ochłodzeniu od razu z temperatury nawęglania i następnym niskim odpuszczaniu. Wadą tego sposobu jest gruboziarnista struktura rdzenia i warstwy nawęglonej, co prowadzi do obniżenia własności plastycznych. Sposób ten może być stosowany do obróbki stali nie wykazujących skłonności do rozrostu ziarna.

Drugim sposobem jest hartowanie jednokrotne z temperatury właściwej dla rdzenia. Polega ono na tym, że z temperatury nawęglania przedmiot ochładza się razem ze skrzynką na powietrzu do temp. otoczenia, następnie się dość szybko nagrzewa do temp. wyższej niż Ac₃ rdzenia (850-900⁰C), wytrzymuje się jakiś czas w tej temp., a następnie hartuje. Po hartowaniu przedmiot się nisko odpuszcza. Podczas nagrzewania (po nawęgleniu) następuje rozdrobnienie ziarna i polepszenie własności.

Można również stosować hartowanie jednokrotne z temperatury właściwej dla warstwy powierzchniowej. Proces ten różni się od powyższego tylko temperaturą wytrzymywania i hartowania, która wynosi tu (760-780⁰C). Ziarno ferrytu w rdzeniu nie zostaje w tym przypadku rozdrobnione, ale struktura warstwy nawęglonej jest drobnoziarnista z małą ilością austenitu szczątkowego. Sposób ten nie zmienia postaci cementytu wtórnego w warstwie. Po tym hartowaniu przedmiot się nisko odpuszcza.

Najlepsze efekty uzyskuje się w procesie hartowania dwukrotnego. Jest ono jednak bardziej pracochłonne i kosztowne. Polega ono na tym, że z temperatury nawęglania przedmiot ochładza się razem ze skrzynką na powietrzu do temp. otoczenia, następnie się dość szybko nagrzewa do temp. wyższej niż Ac₃ rdzenia (850-900⁰C), wytrzymuje się jakiś czas w tej temp., i hartuje. Po hartowaniu pozostawia się go przez jakiś czas w temperaturze otoczenia następnie szybko nagrzewa do temperatury wyższej niż Ac₁ (760-780⁰C), wytrzymuje się w tej temperaturze i następnie hartuje. Po hartowaniu nisko się go odpuszcza, po to by zmniejszyć naprężenia wewnętrzne. Pierwsze hartowanie rozdrabnia strukturę rdzenia i usuwa siatkę cementytu, a drugie rozdrabnia strukturę warstwy nawęglonej, bez zmiany postaci cementytu wtórnego i daje twardą warstwę o małej zawartości austenitu szczątkowego.

3. Sformułować podstawowe wnioski wynikające z rysunków 3, 4, 5 i 6

• Najwyższe stężenie węgla uzyskujemy na powierzchni.

• Wraz ze wzrostem zawartości węgla w warstwie utwardzonej rośnie twardość po hartowaniu.

• Im więcej węgla w warstwie nawęglonej tym niższe temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej. Im niższe temperatury M_s i M_f tym więcej austenitu szczątkowego.

• Im więcej austenitu szczątkowego tym mniejsza twardość.

• Podczas hartowania bezpośredniego powyżej 0,75 %C następuje spadek twardości, jest to spowodowane występowaniem większej ilości austenitu szczątkowego, co jest konsekwencją obniżenia temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej.

• Podczas hartowania jednokrotnego powyżej 0,7 %C twardość warstwy nawęglonej po hartowaniu jest stała, ponieważ zawartość austenitu szczątkowego jest też stała, co jest konsekwencją ustabilizowania się temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej.

1. Oszacować minimalne i maksymalne średnice krytyczne D₅₀ badanych stali w oparciu o rys. 7 i 8, dla wielkości ziaren nr 6

Minimalna średnica krytyczna D₅₀ = 60,77 mm

Maksymalna średnica krytyczna D₅₀ = 123,32 mm

2. Sformułować wnioski na podstawie rys. 9

Dodatki stopowe takie jak np. chrom, nikiel, molibden wpływają na twardość warstwy utwardzonej po nawęglaniu, powodując taką samą twardość na grubszym odcinku tej warstwy. Jest to związane z hartownością, ponieważ te powyższe dodatki stopowe zwiększają ją. Dodatki takie jak chrom opóźniają procesy odpuszczania, co umożliwia uzyskanie dużej wytrzymałości. Stale węglowe mają małą hartowność oraz niskie Re i Rm po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Dlatego stosuje się je na części mało obciążone, od których wymaga się tylko odporności na ścieranie. Po hartowaniu w wodzie w tych stalach występują znaczne naprężenia i odkształcenia. Dlatego dodaje się dodatki stopowe po to by zwiększyć hartowność i właściwości wytrzymałościowe. Dodatki stopowe przesuwają wykresy CTP w prawo, zmniejszając tym samym prędkość krytyczną, a co za tym idzie umożliwia to uzyskanie struktury martenzytycznej przy wolniejszych prędkościach chłodzenia. Daje to możliwość chłodzenia w oleju a nawet na powietrzu (w zależności od rodzaju stali). Wolniejsze chłodzenie powoduje zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Jednakże dodatki stopowe obniżają temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej co powoduje zwiększenie ilości austenitu szczątkowego i tym samym zmniejszenie twardości warstwy utwardzonej.

3. Wnioski

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń stali po takich operacjach wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń. Niedopuszczalna po nawęglaniu jest struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu przy powierzchni, ponieważ jest ona krucha i bardzo łatwo pęka podczas hartowania. W warstwie nawęglonej występują przeważnie strefy: nadeutektoidalna (Perlit + cementyt), eutektoidalna (Perlit), podeutektoidalna (Perlit + Ferryt). W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe. Grubość warstwy nawęglonej powinna być dobierana zależnie od przekroju elementu nawęglonego i odpowiednio do warunków pracy. W celu zapewnienia optymalnych własności nawęglanie stosuje się między innymi w procesach technologicznych kół zębatych, wałów, wałków rozrządu, sworzni tłokowych itp.

6

---