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 (Ac3, Acm) 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 Ac1, następnie bardzo powolnym studzeniu do ok. 600oC i dochładzaniu na powietrzu do temperatury otoczenia. Technologię zabiegu można realizować kilkoma wariantami. Długotrwałe wygrzewanie w temperaturze nieznacznie niższej od Ac1 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 Ac1+20oC i chłodzeniu z długim przystankiem w temperaturze Ac1-20oC. Wyżarzanie wahadłowe w zakresie Ac1+/-20oC, dzięki kilkakrotnym przemianom podczas nagrzewania i chłodzenia, znacznie skraca czas zabiegu.
Polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1 wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze do 20°C powyżej lub poniżej temperatury Ac1. Najbardziej efektywne jest wygrzewanie wahadłowe wokół temperatury Ac1, 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 50-100oC 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 Ac1, 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 Ac3+(30-50)oC stali podeutektoidalnej, a Accm+(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 600-500oC. 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 Ac3, Acm, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim chłodzeniu do temperatury zawartej pomiędzy temperaturą Ar1, 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:
a) Wyżarzanie:
Bez przemiany fazowej:
- ujednorodnianie;
- rekrystalizowanie;
Odprężanie.
Z przemianą fazową:
- wyżarzanie zupełne;
- normalizowanie;
- wyżarzanie izotermiczne;
- zmiękczanie;
- perlityzowanie;
- przegrzanie.
b) Ulepszanie ciepne:
- hartowanie;
- odpuszczanie;
- wymrażanie;
- stabilizowanie.
c) 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 Ms, 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 Ms 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 Ac1+ 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 (Do = 50 mm), natomiast w przypadku stali węglowej na wskroś zahartowała się jedynie próbka o średnicy ok. 15 mm (Do = 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 ...
amigo47