TECHNIKA WYTWARZANIA Z MATERIAŁOZNAWSTWEM

2. Scharakteryzować obróbkę cieplną i cieplno - chemiczna stali.

Obróbka cieplna stopów żelaza - zabieg dokonywany na stopach żelaza z węglem takich jak stal, staliwo lub żeliwo, w czasie którego pod wpływem ciepła i innych działań modyfikuje się niektóre własności fizyczne i chemiczne tych stopów.

Podstawowymi rodzajami obróbki cieplnej stopów żelaza są:

• hartowanie - stosowane tylko dla stali.

• przesycanie

• odpuszczanie

• ulepszanie

• wyżarzanie

Hartowanie - jest operacją cieplną, której poddawana jest stal, składająca się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723°C; zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczną lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

Temperatura hartowania

Przy hartowaniu niezwykle istotny jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.

Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Hartowanie szkła - obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu szkła do temp. 620-680°C i oziębieniu go w strumieniu sprężonego powietrza; w efekcie w warstwie powierzchniowej powstają naprężenia ściskające, co znacznie podwyższa wytrzymałość szkła; szkło hartowane jest bezpieczniejsze, gdyż po stłuczeniu rozpada się na drobne , niekaleczące kawałki; stosowane m.in. na szyby samochodów.

Metody hartowania

Wykres procesów hartowania: A - zwykłe, B - stopniowe, C - z przemianą izotermiczną

Hartowanie zwykłe 

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju.

Hartowanie stopniowe 

Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

Hartowanie izotermiczne 

Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.

Hartowanie powierzchniowe 

Metoda, w której nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś), lecz tylko powierzchnię przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.

Hartowanie płomieniowe - powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.

Hartowanie indukcyjne - przedmiot przeciągany jest przez cewkę otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.

Hartowanie kąpielowe - polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.

Hartowanie ślepe - hartowanie poniżej wartości temperaturowej właściwej dla nawęglania - zatem - hartowanie bez nawęglania.

Hartowanie laserowe

Hartowanie kontaktowe

Hartowanie elektrolityczne

Hartowanie impulsowe

Przesycanie - jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal w celu stabilizacji austenitu. Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie, tak jak w hartowaniu, szybkie schładzanie. Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję. Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Odpuszczanie - jest operacją cieplną, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650°C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę zwaną sorbitem lub troostytem.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

Odpuszczanie niskie 

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150 do 250°C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

Odpuszczanie średnie 

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250° do 500°C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

Odpuszczanie wysokie 

Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500°C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzielimy na:

• kruchość odpuszczania I rodzaju i jest to kruchość nieodwracalna, zachodzi w zakresie temperatur 250-450°C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie

• kruchość odpuszczania II rodzaju i jest kruchością odwracalną, zachodzi powyżej 500°C i powolnym chłodzeniu

Ulepszanie cieplne - jest zabiegiem cieplnym polegającym na połączeniu hartowania z wysokim odpuszczaniem. Stosowany na odpowiedzialne wyroby stalowe, które poddawane są obróbce skrawaniem, takie jak wały okrętowe i samochodowe, wały korbowe, części broni maszynowej itp.

Wyżarzanie - jest operacją cieplną polegającym na nagrzaniu elementu stalowego do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego.

• Wyżarzanie zupełne - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.

Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone:

z przemianą alotropową

• Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) - przeprowadzane w temperaturze 30÷50°C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.

• Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) - przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15°C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15°C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.

• Wyżarzanie ujednorodniające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000÷1200°C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.

• Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) - stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

bez przemiany alotropowej

• Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550÷650°C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.

• Wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400÷500°C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.

• Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150°C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.

Obróbka cieplno-chemiczna stopów żelaza - zabieg dokonywany na stopach żelaza z węglem takich jak stal, staliwo lub żeliwo, w którym pod wpływem ciepła i chemicznego oddziaływania otoczenia oraz innych działań modyfikuje się niektóre własności fizyczne i chemiczne tych stopów.

Podstawowymi rodzajami obróbki cieplno-chemicznej są:

• aluminiowanie

• azotowanie

• naborowywanie

• chromowanie

• nawęglanie

• siarkowanie

• węgloazotowanie (cyjanowanie)

Kaloryzowanie, naglinowywanie, aluminiowanie dyfuzyjne - jest to rodzaj obróbki cieplnej polegającej na nasycaniu przypowierzchniowej warstwy przedmiotu glinem. Są trzy podstawowe sposoby kaloryzowania, które w zależności od ośrodka, w którym się je przeprowadza, można podzielić na:

• gazowe (w temp. 900 - 1000°C),

• w ośrodku stałym (w temp. 900 - 1000°C),

• w ośrodku ciekłym - tzw. kąpieli aluminiowej (w temp. 750 - 800°C).

Kaloryzowanie przeprowadza się głównie w celu zabezpieczenia przedmiotów (wykonanych głównie ze stali) przed korozją, gdyż glin w zetknięciu z powietrzem wytwarza szybko tlenki, które uniemożliwiają dalszy postęp korozji (tzw. pasywacja).

Azotowanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na dyfuzyjnym nasyceniu azotem warstwy powierzchniowej stalowego elementu. Proces ten polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego azotu, który wiąże się z żelazem oraz dodatkami stopowymi, zwłaszcza aluminium, tworząc powierzchniową warstwę azotków.

Utworzona warstwa zapewnia polepszenie następujących właściwości:

• odporność na ścieranie

• wytrzymałość na rozciąganie

• twardość

• właściwości przeciwkorozyjne (nierdzewność)

W przeciwieństwie do nawęglania przy azotowaniu strefa powierzchniowa utwardza się bez dodatkowej obróbki cieplnej. Azotowaniu poddaje się stale uprzednio ulepszone cieplnie.

Azotowanie gazowe

Do azotowania używa się stali węglowej, niskostopowej i stopowej. Jako medium w procesie tym stosuje się środowisko gazowe z wykorzystaniem amoniaku. Sama operacja bazuje na zapewnieniu w trakcie procesu odpowiedniej termodynamicznej aktywności atmosfery azotującej, określanej umownie poprzez wartość potencjału azotowego. W czasie tego typu obróbki zachodzą trzy podstawowe procesy:

• dysocjacja amoniaku — polegająca na rozkładzie cząsteczek podgrzanego do temperatury 500 °C gazu i wydzielenia aktywnych atomów pierwiastka dyfundującego - azotu, wg równania: 2NH₃ ⇌ N₂ + 3H₂,

• absorpcja — polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) w metalu powstałego azotu, który następnie reaguje z żelazem, tworząc azotek,

• dyfuzja — polegająca na przemieszczaniu się obcych atomów w sieci przestrzennej obrabianego metalu.

Po azotowaniu, azotki żelaza, a w szczególności aluminium i chromu, tworzą cienką, nie przekraczającą 0,6 mm, oraz bardzo twardą i odporną na ścieranie, warstwę na powierzchni stali. Azotowanie jest procesem długotrwałym; trwa od 10 do 100 godzin. Twardość powierzchni azotowanej dochodzi do 1100 HV i zachowana jest w podwyższonych temperaturach dochodzących do 550 °C.

Naborowywanie, w tym m.in. borowanie dyfuzyjne - metoda obróbki cieplno-chemicznej stali. Polega na nasycaniu borem powierzchniowej warstwy przedmiotów stalowych. Jej skutkiem jest zwiększenie odporności na działanie kwasu solnego i innych kwasów, nadanie właściwości antykorozyjnych, twardości (odporności na ścieranie), doprowadzanie do nierozpuszczalności w stopionych metalach (Cynk oraz Glin) oraz zwiększenie żaroodporności stali (do 800°C). Obróbkę tę stosuje się zazwyczaj wobec narzędzi nie poddawanych obciążeniom dynamicznym, gdyż nadaje ona większą odporność, niż procesy azotowania i nawęglania, ale jej wadą jest zwiększenie kruchości stali. Naborowywanie przeprowadza się w temperaturze około 1000°C, w ośrodkach ciekłych lub stałych, które wydzielają bor.

Występuje kilka metod borowania:

• borowanie w ośrodkach stałych - w tym w proszkach i pastach

• borowanie w ośrodkach ciekłych - z pododmianą borowania elektrolitycznego

• borowanie w ośrodkach gazowych - w tym metody borowania jonowego

Po borowaniu dopuszcza się dalszą obróbkę cieplną obiektów. Najczęściej jest to hartowanie z odpuszczaniem lub hartowanie izotermiczne przeprowadzane w środowiskach zapobiegających utlenieniu się naborkowanej warstwy.

Chromowanie - pokrywanie przedmiotów metalowych i z tworzyw sztucznych powłoką chromową. Chromowanie stosuje się w celu zwiększenia odporności na zużycie, poprawienia własności termicznych lub dla ozdoby. Chromowanie wykonuje się najczęściej metodami elektrolitycznymi.

W przypadku chromowania przedmiotów stalowych, proces prowadzony jest w temperaturze 900-1050 °C przez 3-12 godzin w różnego rodzaju ośrodkach (kąpielowe, proszkowe, gazowe). Stosuje się na materiały do pracy na zimno i gorąco, na części maszyn dla przemysłu spożywczego)

Chromowanie elektrolityczne jest przeprowadzane w wannach wypełnionych roztworami soli chromu , podgrzanymi do kilkudziesięciu - kilkuset stopni Celsjusza, w których zanurza się przedmiot przeznaczony do pokrycia chromem.

Nawęglanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału. Do nawęglania używa się stali niskowęglowej (do 0,25% zawartości węgla), by zmodyfikować własności powierzchni materiału w dalszych obróbkach np. zwiększyć jej twardość, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia stali niskowęglowej.

Znane są następujące metody nawęglania:

• Nawęglanie w proszkach : Przedmiot umieszczany jest w specjalnej skrzynce wypełnionej sproszkowanym węglem drzewnym, najczęściej dębowym, bukowym lub brzozowym, wymieszanym ze środkami przyśpieszającymi nawęglanie takimi jak węglan baru, węglan sodu itp. Nawęglanie proszkowe prowadzi się w temperaturze około 900° - 950° C. Przedmiot nawęglony często hartuje się powierzchniowo.

• Nawęglanie gazowe : Przedmiot umieszcza się w atmosferze gazowej, najczęściej gazu ziemnego lub innego gazu powstałego przy rozkładzie produktów naftowych. Nawęglanie gazowe prowadzi się w temperaturach 850° - 950° C przy stałej cyrkulacji gazu w specjalnych piecach muflowych. Nawęglanie gazowe jest bardziej skomplikowane od proszkowego oraz wymaga specjalnych instalacji lecz jest dokładniejsze i znacznie szybsze.

• Nawęglanie w ośrodkach ciekłych : Proces przeprowadza się w temperaturze około 850° C. Nawęglaczem jest mieszanka soli z dodatkiem karborundu SiC.

• Nawęglanie w złożach fluidalnych : Przedmiot zanurza się w złożu fluidalnym (tworzonym przez cząstki tlenku glinu lub piasku unoszone przez gorący gaz nasycający przepływający od dołu przez złoże).

• Nawęglanie próżniowe : Nawęglanie w obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu lub innych gazów. Zaletami tej metody jest dobra adsorpcja i niskie zużycie gazu.

• Nawęglanie jonizacyjne : Metoda polega na nagrzewaniu w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorowej. Po przyłożeniu napięcia następuje wytworzenie plazmy, a w konsekwencji wytworzenie jonów węgla, które bombardują powierzchnię metalu.

Nawęglanie stosuje się wobec stali niskowęglowych lub niskostopowych (do 0,25% węgla). Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1-1,3%, a głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,5 do 2 mm.

Obecnie po procesie nawęglania stosuje się dalszą obróbkę cieplną(hartowanie do temperatury właściwej dla rdzenia, hartowanie do temperatury właściwej dla powierzchni i niskie odpuszczanie), a jej zaniechanie jest traktowanie jako błąd technologiczny.

Procesami podobnymi do nawęglania są azotowanie, a także procesy łączone, np. węgloazotowanie czyli cyjanowanie.

13

---