WYŻARZANIE

Wyżarzanie jest operacją obróbki cieplnej polegającą na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu w celu otrzymania struktury bardziej zbliżonej do stanu równowagi.

Rozróżnia się kilka rodzajów wyżarzania;

WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE (NORMALIZOWANIE)

Celem zabiegu jest całkowite przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej struktury, zgodnie z wykresem Fe-Fe₃C. Rezultatem zabiegu jest najmniejsza możliwa wielkość ziarna stali, przy nieco większej, w porównaniu z wyżarzaniem zupełnym, twardość i ciągliwość oraz dobrej obrabialności, a zwłaszcza podatności do obróbki cieplnej. Technologia normalizowania jest taka sama jak wyżarzania zupełnego, z jedną różnicą- nieco większą szybkością chłodzenia- od temperatury austenityzowania do temperatury otoczenia , przedmioty wyjęte z pieca studzi się na powietrzu.

Polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50°C powyżej temperatury linii GSE (A_c3, A_cm) i następnie studzeniu w powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

ZMIĘKCZANIE

Zmiękczanie zwane również sferoidyzacją, ma na celu przemianę struktury perlitycznej w sferoidyt i dzięki temu uzyskanie najmniejszej możliwej dla danej stali twardości. Zabieg zapewnia polepszenie skrawalności i podatności do odkształceń plastycznych, zwłaszcza stali wysokowęglowych. Zabieg polega na długotrwałym wygrzewaniu(kilka lub kilkadziesiąt godzin) w temperaturze zbliżonej do A_c1, następnie bardzo powolnym studzeniu do ok. 600^oC i dochładzaniu na powietrzu do temperatury otoczenia. Technologię zabiegu można realizować kilkoma wariantami. Długotrwałe wygrzewanie w temperaturze nieznacznie niższej od A_c1 prowadzi do struktury cementytu kulkowego skutkiem koagulacji płytek w perlicie. Wygrzewanie w temperaturze nieco wyższej od A _c1 powoduje austenizowanie, a następnie podczas przemiany eutektoidalnej utworzenie kulistych wydzieleń cementytu (niecałkowicie rozpuszczone cząstki cementytu stanowią ich zarodki krystalizacji) w osnowie ferrytu.

Wyżarzanie izotermiczne polega na krótkim wygrzewaniu A_c1+20^oC i chłodzeniu z długim przystankiem w temperaturze A_c1-20^oC. Wyżarzanie wahadłowe w zakresie A_c1+/-20^oC, dzięki kilkakrotnym przemianom podczas nagrzewania i chłodzenia, znacznie skraca czas zabiegu.

Polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_c1 wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze do 20°C powyżej lub poniżej temperatury A_c1. Najbardziej efektywne jest wygrzewanie wahadłowe wokół temperatury A_c1, trudne jednak do realizacji w warunkach przemysłowych.W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego w osnowie ferrytycznej tzw. sferoidyt. Struktura taka odznacza się najmniejszą twardością, dobrą skrawalnością oraz podatnością na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

REKRYSTALIZOWANIE

Celem zabiegu jest usunięcie umocnienia wywołanego zgniotem, a więc zmniejszenie wytrzymałości i twardości, a przywrócenie pierwotnej plastyczności materiału. Ponadto zabieg usuwa naprężenia własne i zmniejsza anizotropię wywołane odkształceniem plastycznym. W praktyce rekrystalizowaniu poddaje się najczęściej druty i blachy. Zabieg polega na wygrzewaniu w temperaturze rekrystalizowania przez 2-6h i na powolnym studzeniu. Ponieważ zwykle pożądana jest mikrostruktura drobnoziarnista, wskazana jest niższa temperatura, a dłuższy czas zabiegu. Przy wyborze temperatury rekrystalizowania, co ma ścisły związek z czasem wygrzewania, należy unikać zakresu temperatur rekrystalizacji wtórnej, aby uniknąć zróżnicowanej wielkości ziarna.

Przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu materiału do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie pierwotnych właściwości materiału.

ODPRĘŻANIE

Celem zabiegu jest usuniecie naprężeń własnych, bez zmiany mikrostruktury i właściwości wyrobu. Zabieg odprężania polega na wygrzewaniu w temperaturze zależnej od materiału i czynnika wywołującego naprężenia oraz na powolnym studzeniu. Odprężenie wyrobów po obróbce plastycznej ma na calu usunięciu naprężeń bez zmiany umocnienia i mikrostruktury materiału, tzn. bez wywołania rekrystalizacji. Temperatura odprężenia powinna być o 50-100^oC niższa od temperatury rekrystalizacji. Zabieg usuwa całkowicie naprężenia podmikroskopowe, a mikro- i makroskopowe w stopniu wystarczającym dla potrzeb technologicznych.

Polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej A_c1, najczęściej 600-650°C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

WYŻARZANIE ZUPEŁNE

Celem zabiegu jest całkowite przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej struktury, zgodnie z wykresem Fe-Fe₃C. Rezultatem zmian jest najmniejsza możliwa dla struktury perlitycznej twardość, dobra ciągliwość oraz dobra obrabialność stali. Wyżarzanie zupełnie polega na austenityzowaniu w temperaturze A_c3+(30-50)^oC stali podeutektoidalnej, a A_ccm+(30-50)^oC stali zaeutektoidalnej. Austenityzowanie w wymienionej temperaturze zapewnia praktycznie jednorodną, drobnoziarnistą strukturę austenityczną. Zabezpieczenie przed rozrostem ziarna austenitu gwarantuje krótki czas wygrzewania, nie przekraczający 2h. Po austenityzowaniu stosuje się powolne studzenie razem z piecem, podczas którego następuje przemiana eutektoidalna w warunkach zbliżonych do stanu równowagi. Ponieważ stygnięcie dużych pieców przekracza nieraz 24h, dla lepszego wykorzystania urządzeń, przedmioty przeważnie wyjmuje się z pieca w temperaturze 600-500^oC. Dochładzanie na powietrzu nie wpływa na wynik zabiegu.

Polega na nagrzaniu stali, jak przy wyżarzaniu normalizującym i powolnym studzeniu (np. z piecem). Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości, usunięcie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali. Procesowi temu poddaje się zwykle stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu podczas normalizowania jest za duża i może prowadzić do zahartowania stali.

WYŻARZANIE STABILIZUJĄCE

przeprowadza się w temperaturze do 150°C i ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Najczęściej jest stosowane do narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, walców hutniczych itp. Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi nazwę sezonowanie.

WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJACE (homogenizujące) polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200°C (o ok.100-200°C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności (mikrosegregacji) składu chemicznego.

ujednorodniające (homogenizujące) polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200°C (o ok.100-200°C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności (mikrosegregacji) składu chemicznego.

WYŻARZANIE IZOTERMICZNE

jest odmianą wyżarzania zupełnego i polega na nagrzaniu stali o 30-50°C powyżej temperatury A_c3, A_cm, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim chłodzeniu do temperatury zawartej pomiędzy temperaturą A_r1, a temperaturą najmniejszej trwałości przechłodzonego austenitu i izotermicznym wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej. W wyniku wyżarzania izotermicznego uzyskuje się równomierne rozmieszczenie cementytu w perlicie, ziarna średniej wielkości, dobrą obrabialność oraz twardość w granicach 150 - 220 HB. Z tych względów proces ten jest zalecany dla stali stopowych do nawęglania i ulepszania, przeznaczonych na koła zębate, wałki wielowypustowe itp.

OBRÓBKA CIEPLNA

Jest zabiegiem technologicznym umożliwiającym dzięki grzaniu i chłodzeniu materiału zmianę jego pierwszy ma wygląd ciemnych igieł mikrostruktury, a w konsekwencji i właściwości. Często stosowane są modyfikacje zabiegu polegające na oddziaływaniu dodatkowych czynników (mianowicie, wpływ zmian temperatury):

-uzupełniony odkształceniem plastycznym stanowi obróbkę cieplno-plastyczną;

- uzupełniony działaniem pola magnetycznego stanowi obróbkę cieplno-magnetyczną, itp.

Obróbce cieplnej podlegają stopy, w których zabiegi cieplne wywołują w stanie stałym:

-przemianę etektoidalną;

-zmianę rozpuszczalności składników.

Ponadto obróbce cieplnej w ograniczonym zakresie można poddawać również stopy jednofazowe i metale techniczne, w których uprzednie procesy technologiczne wytworzyły stan odbiegający od warunków równowagi(np. Niejednorodność składu, naprężenia własne, odkształcenie plastyczne).

Wyniki obróbki cieplnej zależą od poprawności:

-wyboru zabiegu uwarunkowanego celem;

Wyboru parametrów zabiegu uwarunkowanego gatunkiem materiału i rodzajem wyrobu.

Zabiegi obróbki cieplnej:

1. Wyżarzanie:

Bez przemiany fazowej:

- ujednorodnianie;

- rekrystalizowanie;

Odprężanie.

Z przemianą fazową:

- wyżarzanie zupełne;

- normalizowanie;

- wyżarzanie izotermiczne;

- zmiękczanie;

- perlityzowanie;

- przegrzanie.

2. Ulepszanie ciepne:

- hartowanie;

- odpuszczanie;

- wymrażanie;

- stabilizowanie.

3. Utwardzanie dyspersyjne:

- przesycanie;

- starzenie.

Obróbka cieplna zwykła jest to rodzaj obróbki cieplnej, w wyniku której uzyskuje się zmiany własności metali i stopów będące głównie funkcją temperatury i czasu. Czasem jednak łączy się również zabiegi obróbki cieplnej z odkształcaniem plastycznym, z działaniem pola magnetycznego lub też z działaniem chemicznym środowiska. Mamy wówczas do czynienia odpowiednio z obróbką cieplno-plastyczną, cieplno-magnetyczną lub cieplno-chemiczną.

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 w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem

Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego elementu do temp poniżej Ac1, głównym celem jest poprawa ciągliwości materiału i zmniejszenie naprężeń, chociaż następuje to kosztem obniżenia jego twardości. Odpuszczanie może być niskie, średnie i wysokie. Odpuszczaniu niskiemu poddaje się głównie narzędzia, wyroby nawęglane i hartowane powierzchniowo oraz łożyska, średniemu - resory i sprężyny, a wysokiemu -stale konstrukcyjne i narzędziowe do pracy na gorąco.

HARTOWANIE

Hartowanie polega na austenityzowaniu stali w temperaturze i w czasie umożliwiającym maksymalne rozpuszczenie składników stopowych w austenice, a następnie na chłodzeniu stali z szybkością większą od krytycznej, zapewniająca przemianę martenzytyczną. Temperatura i czas austenityzowania oraz szybkość chłodzenia są parametrami zabiegu zależnymi od składu stali. Zależnie od warunków przemianę martenzytyczną można zapewnić w całym przekroju (hartowanie obiętościowe) albo tylko w powierzchniowej jego warstwie (hartowanie powierzchniowe)

HARTOWANIE ZWYKŁE

polega na hartowaniu z ciągłym (nie przerywanym) oziębianiu z szybkością większą od krytycznej w środowisku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej Stale węglowe hartuje na ogół w wodzie a stale stopowe w oleju. Przy chłodzeniu w powietrzu nie uzyskuje się szybkości krytycznych wymaganych dla stali węglowych i niskostopowych. Jedynie stale wysokostopowe o malej szybkości krytycznej ulegają zahartowaniu w powietrzu; są to tak zwane stale samohartujące się.

HARTOWANIE STOPNIOWE

Zwykłe hartowanie martenzytyczne powoduje powstawanie naprężeń cieplnych i strukturalnych, co jest często przyczyną deformacji i pęknięć elementów obrabianych cieplnie. Aby tego uniknąć, stosuje się w niektórych przypadkach hartowanie stopniowe. Jest to hartowanie z pierwszym stopniem oziębiania w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyższej od M_s, w ciągu czasu niezbędnego do oziębienia całego przekroju przedmiotu do temperatury kąpieli, i z drugim stopniem oziębiania w powietrzu. Czas przetrzymywania w kąpieli solnej nie może być dłuższy niż wynosi czas trwałości austenitu w tej temperaturze. Hartowanie stopniowe jest stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów o małych przekrojach i skomplikowanym kształcie.

HARTOWANIE BAINITYCZNE Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ

jest zabiegiem cieplnym polegającym na hartowaniu i oziębianiu w kąpieli solnej o temperaturze bliskiej lecz nieco wyższej od M_s i wytrzymaniu w tej kąpieli w czasie zapewniającym całkowite ukończenie przemiany bainitycznej i następnie ochłodzeniu na powietrzu. Ten rodzaj hartowania ma wszystkie dodatnie cechy hartowania stopniowego, a więc zmniejszenie naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszenie możliwości powstawania pęknięć i deformacji, a ponadto zapewnia uzyskanie przez stal dużej udarności, lecz niższej twardości od martenzytu.

HARTOWANIE I UTWARDZALNOŚĆ

Przez utwardzalność rozumie się zdolność stali do utwardzania się przy hartowaniu, a określa ją maksymalna twardość mierzona na powierzchni stali, którą uzyskano przy optymalnych parametrach hartowania. Twardość po hartowaniu jest zależna od zawartości węgla w stali. Wyższa zawartość węgla w martenzycie zwiększa twardość stali, ale tylko do zawartości ok. 0,9% C. W stalach nadeutektoidalnych, dla których optymalną temperaturą hartowania jest A_c1+ 30°C, zawartość węgla w martenzycie po hartowaniu jest stała, zmienia się natomiast ilość cementytu, który jednak nie wpływa w sposób istotny na zmianę twardości.

Z kolei przez hartowność rozumie się głębokość na jaką stal da się zahartować. Miarą hartowności jest więc grubość strefy zahartowanej.

Jakościową ocenę hartowności danej stali umożliwia jej wykres CTP. Stale o dużej szybkości krytycznej chłodzenie cechuje mała hartowność i odwrotnie .Wszystkie czynniki powiększające trwałość przechłodzonego austenitu powiększają hartowność stali. Spośród pierwiastków stopowych hartowność silnie powiększają Mn Mo Cr a słabiej Si i Ni (kobalt zmniejsza hartowność) Hartowność stalipowiększają również: gruboziarnistość i jednorodnośc austenitu

Srednica krytyczna-Dk jest największąa średnica pręta hartującego w danych warunkach na wskroś tzn mającego po zahartowaniu w osi strukturę półmartenzytyczna.

Współczynnik intensywności hartowaniaH jest wartością określającą zdolność środka chłodzącego do przejmowania ciepła od stali

METODY OKREŚLANIA HARTOWNOŚCI

Metoda krzywych U. Hartowność i średnicę krytyczną dla danego gatunku stali

można określić metodą pomiaru twardości na przekroju poprzecznym zahartowanej próbki. W tym celu poddaje się hartowaniu w tych samych warunkach kilka próbek różnych średnicach, następnie przecina się je i dokonuje pomiaru twardości wzdłuż średnicy próbki. Wyniki pomiarów nanosi się na wykres, który wyglądem przypomina literę U. Stąd metoda ta nosi nazwę krzywych U. W celu pełnego scharakteryzowania hartowności badanej stali, wyniki pomiarów twardości dla wszystkich próbek nanosi się na jeden zbiorczy wykres.Twardość struktury półmartenzycznej dla stali o tej zawartości węgla wynosi ok. 45 HRC. stal stopowa ma większą hartowność, gdyż próbka o średnicy 50 mm zahartowała się na wskroś (D_o = 50 mm), natomiast w przypadku stali węglowej na wskroś zahartowała się jedynie próbka o średnicy ok. 15 mm (D_o = 15 mm).

Metoda Jominy'ego. Metoda krzywych U jest dość kłopotliwa, gdyż wymaga konania i przebadania wielu próbek. Z tego względu obecnie najczęściej stosowaną metodą oznaczania hartowności stali jest metoda hartowania od czoła (Jminy'ego). Próba ta jest znormalizowana i opisana w normie PN-79/H-04402 polega ona na nagrzaniu próbki o znormalizowanych wymiarach (f 25 mm, długość 100 mm) do temperatury austenityzacji i następnie oziębieniu jej od czoła strumieniem wody. Następnie po obu stronach próbki wzdłuż tworzącej dokonuje się pomiarów twardości metodą Rockwella lub Vickersa. Średnie arytmetyczne kolejnych pomiarów z obu stron próbki nanosi się na wykres przedstawiający zmianę twardości w funkcji odległości od czoła Korzystając z tego wykresu oraz znając twardość struktury półmartenzytycznej dla danej stali, można określić, w jakiej odległości od czoła otrzymamy strukturę półnartenzytyczną. Następnie na podstawie odpowiednich nomogramów uwzględniających ośrodek chłodzący można określić średnicę krytyczną Dp badanej stali. Wykonując szereg prób hartowności j la różnych wytopów tego samego gatunku stali i nanosząc wyniki pomiarów twardości na ten sam wykres, otrzymuje się tzw. pasmo hartowności

PRZESYCANIE

nazywa się operację cieplną polegającą na:

l) nagrzaniu stali do temperatury, w której wydzielona faza przechodzi do roztworu stałego, tj. powyżej temperatury granicznej rozpuszczalności,

2) wygrzaniu w tej temperaturze,

3) oziębieniu w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze przesyconym .

Stan przesycony jest nietrwały i stop dąży do przejścia w stan równowagi, co może nastąpić stosunkowo łatwo np. po podgrzaniu. W stanie przesyconym stop ma większą plastyczność, natomiast twardość i wytrzymałość ulegają zmniejszeniu. Zabieg zapewnia otrzymanie metastabilnej struktury przesyconego roztworu stałego, odznaczającej się dużą ciągliwością.

Przesycanie stosowane jest np. do stali chromowo-niklowej o strukturze austenitycznej (stale kwasoodporne) lub o dużej zawartości manganu. Stale te nagrzewa się do temperatury ok. 1100°C i następnie oziębia się w wodzie. Celem tego zabiega jest rozpuszczenie węglików i uzyskanie jednorodnej struktury austenityczne; Obróbka taka zwiększa przede wszystkim odporność na korozję międzykrystaliczną, stali typu 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Przesycanie stosuje się również w przypadki; wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych własnościach magnetycznych. Zabieg ten ponadto jest szeroko stosowany do wielu stopów metal: nieżelaznych.

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.

Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

UTWARDZANIE WYDZIELENIOWE

Polega na wydzieleniu w stanie stałym dyspersyjnych faz, które blokując ruch dyslokacji umacniają stop, tj. zwiększa się jego wytrzymałość i twardość, a maleje ciągliwość. Utwardzenie wydzieleniowe może być stosowane wyłącznie w stopach, w których istnieje zmienna rozpuszczalność składników z temp. Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch operacji: 1)Przesycania, mającego na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Dokonuje się przez nagrzanie stopu powyżej linii zmiennej rozpuszczalności i szybkie oziębianie w wodzie; 2)Starzenia, polegającego na wytrzymaniu przesyconego elementu przy temp pokojowej lub podwyższonej przez okres czasu potrzebny do wydzielenia dyspersyjnych cząstek.

Utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne polega na umocnieniu roz-tworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne) wydzielenia faz międzymetalicz-nych. Im drobniejsze wydzielenia, a tym samym mniejsze odległości między nimi, tym bardziej jest utrudniony ruch dyslokacji i dzięki temu wzrasta poziom właści-wości wytrzymałościowych.

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Przesycony roztwór słały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniami fazy Θ, tzn. jest miękki i plastyczny

Przesycony roztwór a nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagą przez wydzielenie nadmiaru miedzi - ulega starzeniu. Starzenie jest procesem długotrwałym, polegającym na tworzeniu skupisk atomów miedzi w roztworze α, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw stref G-P (Guinier-Preston), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno Θ" i Θ' oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej Θ (CuAl₂). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicznych, całkowicie lub częściowo koherentnych z osnową (koherencja polega na spójności sieci krystalograficznych wydzielenia i osnowy), powodują umocnienie stopu (patrz ćwiczenie 11). Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwiększenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości między nimi. Wynika z tego, że utwardzenie stopu jest tym mniejsze, im wyższa jest temperatura starzenia (rys. 7.3).

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni starze- niu jest roztwór stały α z wydzieleniami stref G-P. Starzenie naturalne pozwala na uzyskanie największego umocnienia. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta od około 250 MPa bezpośrednio po przesycaniu do około 420, a nawet 450 MPa, twardość dochodzi wtedy do 115 HB.

Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 160°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Przyspieszone starzenie jest nazywane starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wytrzymałość - 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych Θ" i Θ' które w mniejszym stopniu umacniają stop. Stop po przestarzeniu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

STAL

jest to przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem (stężenie C od kilku setnych części procentu wagowego do 2,11%) i innymi pierwiastkami. Innymi pierwiastkami mogą być domieszki metaliczne, np. Mn, Si, Al, wprowadzone w celu odtlenienia i odsiarczenia stali bądź pochodzące ze złomu używanego przez huty do wytapiania stali, np. Cr, Cu, Ti. Pierwiastki metaliczne wprowadzone w celu zmiany właściwości stali nazywa się pierwiastkami stopowymi. Odrębną grupą pierwiastków stanowiących o czystości metalurgicznej stali są zanieczyszczenia P, S, As, N, O, N, H pochodzenia surowcowego i technologicznego. Ich całkowite usunięcie jest trudne i kosztowne, lecz już niewielkie (setne części procentu) zmiany stężenia wyraźnie wpływają na poziom właściwości mechanicznych stali.

Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt, występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

CEL WĘGLOUTWARDZANIA(NAWĘGLANIA)

Nawęglanie jest rodzajem obróbki cieplno - chemicznej polegającym na powierzchniowym nasyceniu stali węglem .Celem procesu jest uzyskanie części o twardej i odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia, zapewniającego odporność na obciążenia udarowe. Do nawęglania stosuje się stale węglowe wyższej jakości oraz stale stopowe o zawartości węgla do 0,25%. Stale stopowe do nawęglania z reguły zawierają chrom, utrudniający przegrzanie i podnoszący wytrzymałość oraz takie pierwiastki jak: Ni, Mn, Mo, zwiększające wytrzymałość rdzenia, po obróbce cieplnej przy zachowaniu jego wysokiej plastyczności. Równocześnie dodatki stopowe umożliwiają hartowanie tych stali w oleju, co daje mniejsze naprężenia hartownicze przy zachowaniu wysokiej twardości warstwy powierzchniowej.

Nawęglaniem nazywamy dyfuzyjne nasycanie stali C. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe o zawartości do ok. 0,2% C, przez co zawartość C zwiększa się do ok. 1%. Po zahartowaniu uzyskuje się wysoką twardość powierzchni i ciągliwy rdzeń, co w wielu konstrukcjach jest rozwiązaniem optymalnym. Nawęglanie przeprowadza się przy temperaturze 930°C- zwykle ok. 10 h. Nawęglanie można przeprowadzać w ośrodkach sta­łych, ciekłych i gazowych

Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wyko-nanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25%. Ope-rację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakre-sie 900 - 930°C.

Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 - 1,0% i o grubości 0,6 - 1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne.

Szybkość nawęglania zależy przede wszystkim od temperatury i czasu trwania procesu (rys. 3.3), a także od aktywności ośrodka (potencjału węglowego) i składu chemicznego stali.

STRUKTURA PO NAWĘGLANIU

W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia, w związku z czym zmienia się również struktura (rys. 3.4). Najsilniej nawęglona strefa zewnętrzna (nadeutektoidalna) powinna składać się z perlitu, ewentualnie z niewielką ilością cementytu. Natomiast struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu przy powierzchni (rys. 3.5) jest niedopuszczalna, gdyż jest krucha i łatwo pęka podczas hartowania. Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna łagodnie przechodzić w ferrytyczno-perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.

OBRÓBKA CIEPLNA PO NAWĘGLANIU

Twardość stali węglowej nawęglonej i wolno chłodzonej wynosi 240 - 280 HV, a jej właściwości mechaniczne są nie najlepsze ze względu na rozrost ziaren zacho-dzący podczas procesu. W związku z tym nawęglone przedmioty poddaje się dalszej obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i niskim odpuszczaniu w celu:

- otrzymania w warstwie wierzchniej struktury drobnoiglastego martenzytu z węglikami (rys. 3.7), co zwiększa twardość powierzchni do około 60 HRC; w war-stwie tej z reguły występuje również austenit szczątkowy (rys. 3.8), którego ilość zależy od gatunku nawęglonej stali, stężenia węgla w warstwie i rodzaju hartowania po nawęglaniu;

- zapewnienia znacznej ciągliwości i wymaganych właściwości wytrzymało-ściowych rdzenia; struktura rdzenia stali stopowych to najczęściej niskowęglowy martenzyt lub bainit, w niektórych przypadkach z wydzieleniami ferrytu.

Nowoczesne stale stopowe do nawęglania (odporne na roz-rost ziaren austenitu podczas nawęglania) umożliwiają sto-sowanie hartowania bezpośred-nio z temperatury nawęglania gazowego, co znacznie uprasz-cza proces technologiczny.

Określony rozkład struktury na przekroju warstwy utwar-dzonej determinuje odpowiednie właściwości mechaniczne. Na rysunku 3.9 przedstawiono typowy rozkład twardości warstwy utwardzonej wraz z rozkładem stężenia węgla.

Dla pełnego wykorzystania walorów nawęglania, tj. uzyskania max twardości powierzchni należy nawęglone elementy poddać hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest bezpośrednie hartowanie po nawęglaniu możliwe jednakże tylko w przypadku pieców o działaniu ciągłym. W tym przypadku korzystne jest wstępne podchłodzenie do temp hartowania, co obniża naprężenia i ilość austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej.

OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA

Obróbka cieplno-chemiczna, będąca dziedziną obróbki cieplnej, to zespół operacji, których celem jest wytworzenie zmian struktury, a w konsekwencji zmian właściwości użytkowych warstwy wierzchniej metali i stopów w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska. W tych procesach technologicznych wykorzystuje się szeroko nasycanie (stopowanie) dyfuzyjne, czyli wprowadzanie w wyniku dyfuzji do warstwy wierzchniej metalu lub stopu w stanie stałym jednego lub kilku składników w celu nadania jej pożądanych właściwości mechanicznych i (lub) fizykochemicznych. Nasycanie to prowadzi się w temperaturze zapewniającej szybką dyfuzję.

Obróbce cieplno-chemicznej poddaje się części maszyn i narzędzia wykonane najczęściej ze stopów żelaza, od których wymaga się zwiększonej odporności na: ścieranie, korozyjne i erozyjne oddziaływania środowiska oraz zmęczenie mecha-niczne i cieplne.

Obróbka cieplno-chemiczna 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

- chromowanie

- nawęglanie

- siarkowanie

- węgloazotowanie (cyjanowanie)

Istota obróbki cieplno-chemicznej. Warunkiem dyfuzyjnego nasycenia metalu innymi pierwiastkami jest zasto­sowanie chemicznie aktywnej atmosfery i odpowiednio wysokiej temperatury, w której mogą zachodzić reakcje chemiczne dostarczające aktywne atomy. Ato­my te po zaadsorbowaniu na powierzchni dyfundują w głąb metalu, tworząc roztwory lub fazy międzymetaliczne.

HARTOWANIE BEZPOŚREDNIO PO TEMP. NAWĘGLANIA

Rozpowszechnienie nawęglania gazowego preferuje hartowanie bezpośrednie od temp. zabiegu(oszczędność energii cieplnej).Zalecane jest wstępne podchłodzenie przedmiotów w powietrzu do temp. A_c1+(20-30)^oC (temp. austenityzowania warstwy nawęglonej o zawartości ok. 0,8%C), dochładzanie w kąpieli oziębiającej właściwej dla gatunku stali oraz odpuszczenie(od 150-200^oC). Jest to wariant tani i wydajny, zalecany dla stali skłonnych do drobnoziarnistości, ponieważ nie umożliwia rozdrobnienia ziarna. Prowadzi do struktury gruboziarnistego martenzytu z dużą ilością austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej, a do struktury ferrytyczno-perlitycznej w rdzeniu.

CEL AZOTOWANIA

Azotowanie polega na wzbogacaniu powierzchniowej warstwy stali w azot. Celem zabiegu jest uzyskanie dużej twardości powierzchniowej i odporności na ścieranie oraz powiększenie wytrzymałości zmęczeniowej- azotowanie utwardzając-albo powiększenie odporności na korozję atmosferyczną(działania powietrza, wody, pary wodnej)-azotowanie antykorozyjne. Cienka i bardzo twarda warstwa dyfuzyjna przenosząca znaczne naciski powierzchniowe wymaga sztywnego podłoża, zabezpieczającego ją przed pękaniem i wykruszeniem się.

AZOTKI

Należące do faz między węzłowych azotki, w technicznych stopach żelaza, podobnie jak węgliki tworzą pierwiastki, których atomy mają podpoziom(n-1)d mniej wypełniony elektronami niż atom żelaza(Al., Ti, V, Mo, Cl). Są to fazy o strukturach prostych, a często Al., trwałe w różnych zakresach stężeń, którym przypisuje się wzory stechiometryczne: M₄X,M₂X,MX. Azotki odznaczają się wysoką temp. topnienia, bardzo dużą twardością i kruchością oraz minimalną rozpuszczalnością w roztworach stałych. W stopach żelaza występują, podobnie jak węgliki, azotki kompleksowe, np.(Fe,Al)₄N. Ponadto wobec węglikotwórczych właściwości pierwiastków tworzących azotki, w sieci tych faz atomy azotu często są zastępowane atomami węgla, co prowadzi do tworzenia tzw. Węgloazotków.

Azotowanie jonowe jest odmianą procesu, w której stosuje się wysokie napięcie prądu stałego, przy czym obrabiane elementy znajdują się na katodzie. Następuje jonizacja atmosfery złożonej z azotu lub amoniaku, ewentualnie z dodatkiem H, Ar lub węglowodorów pod obniżonym ciśnie­niem 100- 1000 Pa. Powierzchnia jest bombardowana jonami N, co nagrzewa element i aktywizuje dyfuzję. Zaletą azotowania jonowego jest skrócenie czasu procesu i duża możliwość wpływania na strukturę warstwy. Wadą jest wysoki koszt urządzenia. Zmieniając skład atmosfery i warunki procesu, możemy tą metodą wprowadzać do stali także inne pierwiastki: C, C+ N, B, Ti i inne.

Azotowanie gazowe- odbywa się najczęściej w atmosferze częściowo zdysocjo-wanego amoniaku (NH₃). Współcześnie stosuje się nowoczesne metody regulowanego azotowania gazowego, umożliwiające kontrolowanie składu strukturalnego war-stwy azotowanej. Grubość warstwy i twardość powierzchni azotowanej zależą od temperatury i czasu procesu, a także od składu chemicznego stali i aktywności atmosfery.

CHROMOWANIE DYFUZYJNE

Jest to proces polegający na nasycaniu warstwy wierzchniej

stopów żelaza chromem, prowadzony w środowisku stałym, gazowym lub ciekłym.

Spośród znanych metod największe zastosowanie w praktyce znalazło chromo-

wanie w proszkach z uwagi na prostotę technologii i łatwą obsługę procesu. Inne

metody okazały się bardzo skomplikowane i drogie. Prace nad nimi nie wyszły poza

skalę prób laboratoryjnych bądź półtechnicznych.

W wyniku chromowania dyfuzyjnego stopów żelaza w zależności od zawartości

węgla w podłożu tworzą się dwa typy warstw powierzchniowych. W stopach o za-

wartości węgla poniżej 0,15% warstwa jest zbudowana z roztworu stałego chromu

w ferrycie, a w stopach powyżej tej granicy warstwa powierzchniowa o charakterze

powłoki jest zbudowana z węglików chromu.

*Dodatkowe-((Chromowanie dyfuzyjne z powodzeniem można stosować do obróbki elementów narażonych podczas eksploatacji na zużycie przez tarcie i korozję atmosferyczną lub

gazową w podwyższonej temperaturze. Zwiększenie trwałości takich elementów, jak

sprawdziany tłoczkowe, narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco oraz

formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych wynosi od kilku procent do kilkudzie-

sięciu razy w zależności od warunków pracy wyrobów. Części maszyn i narzędzia, np. sprawdziany tłoczkowe, formy do tworzyw sztucznych itp., które podczas eks-

ploatacji podlegają jedynie statycznym lub niewielkim dynamicznym obciążeniom,

po chromowaniu dyfuzyjnym nie wymagają już zastosowania obróbki cieplnej

utwardzającej podłoże stalowe. Utwardzenie podłoża stalowego jest jednak niezbęd-

ne w przypadku chromowania elementów narażonych na znaczne obciążenia dyna-

miczne, takich jak np. matryce do tłoczenia i kucia oraz matryce do przeciwbieżnego

wyciskania stali i stopów metali kolorowych.

Obróbkę cieplną elementów stalowych należy wykonać w takiej samej tempera-

turze jak elementów z materiałów bez powłoki. Nie jest wymagane stosowanie at-

mosfer ochronnych, ponieważ powłoka chromowana ma właściwości żaroodporne

do temperatury 1250 K. Po hartowaniu chromowanych elementów stalowych w

oleju na ich powierzchni występują zanieczyszczenia, które można usunąć przez

polerowanie mechaniczne. Nie obserwuje się po tych zabiegach wyraźnego ubytku

grubości powłok chromowanych))

CHROMOWANIE GALWANICZNE

odbywa się w wannach galwanicznych zasilanych

prądem stałym z prostownika lub prądnicy prądu stałego. Do chromowania stosuje

się kąpiele będące wodnym roztworem bezwodnika kwasu chromowego z dodatkiem

kwasu siarkowego. Najważniejszymi warunkami procesu, od których zależy odpo-

wiednia jakość powłok, są skład i temperatura kąpieli oraz gęstość prądu. Zazwy-

czaj do otrzymania powłok chromu przyjmuje się temperaturę kąpieli 320 K i kato-

dową gęstość prądu 35 -i- 50 A/dm2

. Powłoki otrzymane w tych warunkach są gładkie i błyszczące.

Chromowanie galwaniczne stopów żelaza w zależności od technologii wytwarza-

nia prowadzącej do różnej budowy powłok można podzielić na dekoracyjne i tech-

niczne. Dekoracyjne powłoki chromu nakłada się na podwarstwach miedzi i niklu

lub niklu. Zewnętrzna warstwa chromu o grubości 1 ÷ 5 µm ma tutaj jedynie zabez-

pieczać powierzchnię przed porysowaniem i zmatowieniem, ponieważ nawet błysz-

czący nikiel z czasem żółknie i ulega ścieraniu.

W chromowaniu technicznym nakłada się grubsze powłoki

chromu - 10 ÷150 µm - bezpośrednio na stal lub stopy miedzi dla uzyskania od-

powiedniej twardości i odporności na ścieranie. Tą metodą praktycznie można na-

kładać powłoki o grubości do 1 mm, jednak są one wtedy bardzo nierównomierne i

kruche.

Powłoka chromu może być szara, błyszcząca lub mleczna w zależności od wa-

runków wytwarzania. Najlepsze jakościowo błyszczące powłoki chromu mają twar-

dość 1000 ÷ 1200 HV.

Powłoki nie zmieniają swojego wyglądu na powietrzu, są odporne na działanie

kwasu azotowego i siarkowego oraz na zużycie przez tarcie.

Powłoki chromu technicznego są bardziej porowate. Ich szczelność i odporność

na korozję chronionego podłoża uzyskuje się dopiero przy grubościach większych od

0,1 µm. Chromowanie techniczne stosuje się zarówno do przedmiotów nowych, jak i

regenerowanych. Powłoki są gładkie, odporne chemicznie, twarde, o małym współczynniku

tarcia w połączeniach zarówno z powierzchnią chromowaną, jak i stalową

POWŁOKI GALWANICZNE

Powłoki galwaniczne są nakładane na przedmioty wykonane z metali lub stopów

metali w kąpieli galwanicznej z udziałem lub bez udziału zewnętrznego źródła prą-

du. Stosuje się je powszechnie ze względu na dobrą odporność na korozję, walory

dekoracyjne i odporność na ścieranie.

Najbardziej znanym i powszechnie stosowanym procesem nakładania powłok

ochronnych metodą elektrolityczną jest chromowanie galwaniczne. Chrom w szeregu

napięciowym zajmuje miejsce w grupie metali elektroujemnych, jednak z uwagi na

dużą zdolność do pasywacji ma on właściwości metali szlachetnych. Spasywowany

chrom ma potencjał normalny +1,19 V, a więc wyższy od platyny.

CYNKOWANIE OGNIOWE

to metoda zanurzeniowa. Oznacza to, że zarówno przygotowanie powierzchni, jak też powlekanie cynkiem odbywa się poprzez zanurzenie elementów konstrukcji w wannach, które zawierają kąpiele o odpowiednim składzie chemicznym. Taka technologia zapewnia możliwość dotarcia do każdej szczeliny, oczyszczenia jej i zabezpieczenia przed korozją. Końcowym etapem procesu cynkowania jest nałożenie powłoki cynkowej na czyste elementy stalowe, które zanurza się w roztopionym cynku. Temperatura robocza kąpieli cynkowej wynosi ok. 450°C. Następuje wtedy szybka reakcja między żelazem i cynkiem, która prowadzi do powstania na powierzchni stali powłoki cynkowej. Jej budowa i właściwości zależą od składu chemicznego podłoża stalowego, a także od jego grubości i konstrukcji. Przy spełnieniu określonych warunków dotyczących gatunku stali, szczególnie chodzi o zawartość krzemu i fosforu, a także przy odpowiednim skonstruowaniu elementów przeznaczonych do cynkowania, otrzymuje się powłoki antykorozyjne wytrzymałe na uszkodzenia mechaniczne, ścieranie, erozję, udary, wolne od porowatości, wykazujące doskonałą przyczepność do podłoża.

Technologia cynkowania ogniowego wykorzystuje zjawisko dyfuzji, które polega na "wnikaniu" atomów cynku w zewnętrzną warstwę stali podczas "kąpieli" w roztopionym cynku. W ten sposób na powierzchni elementu stalowego tworzy się stop żelazo-cynk. Podczas wyjmowania ocynkowanego przedmiotu z kąpieli cynkowej, na zewnętrznej powierzchni stopu pozostaje warstwa czystego cynku. Powłoka cynkowa otrzymywana w procesie cynkowania ogniowego ma strukturę warstwową. Składa się z faz stopowych, żelazowo-cynkowych oraz warstwy czystego cynku. Obecność warstw stopowych sprawia, że powłoka cynkowa jest nierozdzielnie związana ze stalowym podłożem. Jest to bardzo ważna cecha, jeśli uwzględni się fakt, że elementy stalowe są wystawiane na znaczne obciążenia powierzchni podczas transportu, montażu i dalszego użytkowania, których nie wytrzymują powłoki związane z podłożem jedynie przez fizyczny efekt adhezji.

POWŁOKI ZANURZENIOWE

Powłoki wytwarzane metodą zanurzeniową

Metalizowanie zanurzeniowe polega na wytwarzaniu na powierzchni wyrobów ze

stopów żelaza powłoki metalowej trwale związanej z podłożem przez zanurzenie w

ciekłym metalu lub stopie metali niskotopliwych. Powłoki wytwarzane metodą zanu-

rzeniową charakteryzują się dobrą odpornością na korozję i utlenianie w podwyż- szonej temperaturze. Najbardziej rozpowszechnione w przemyśle są metody cynkowa-

nia i aluminiowania.

Warunki procesu metalizowania zanurzeniowego muszą być tak dobrane, aby

było można uzyskać odpowiednią grubość i jakość powłoki przy niezmienionych

właściwościach wyrobu. Na właściwości powłoki wpływa wiele czynników, a

zwłaszcza przygotowanie powierzchni wyrobu, skład ciekłego stopu, rodzaj pokry-

wanego stopu żelaza, szybkość wyciągania przedmiotu z kąpieli, temperatura kąpieli

i czas zanurzania.

Aluminium i cynk tworzą ze stopami żelaza, w temperaturze procesu trwale

związane z podłożem roztwory i fazy międzymetaliczne. Powłoki zanurzeniowe są

więc zwykle wielowarstwowe, przy czym warstwę zewnętrzną stanowi strefa zbu-

dowana z materiału powłokowego o składzie kąpieli, powstająca podczas wyciąga-

nia przedmiotu z cieczy.

Nasycanie dyfuzyjne jest to proces wprowadzania pierwiastków w postaci ato-

mowej do warstwy wierzchniej metali lub stopów metali. Efekt procesu zależy od

czasu jego trwania i temperatury, materiału podłoża oraz od stężenia ośrodka ak-

tywnego, z którego pochodzi pierwiastek wzbogacający warstwę wierzchnią.

Warstwy dyfuzyjne wytwarza się ze względu na ich cenne właściwości użytko-

we, takie jak: duża twardość i odporność na ścieranie, żaroodporność oraz odpor-

ność na korozję. Pierwiastkami nasycającymi są najczęściej takie niemetale, jak wę-

giel, azot, siarka i bor oraz metale: glin, chrom, tytan i krzem.

---