Obróbka cieplna.docx

Obróbką cieplną nazywa sie zabiegi technologiczne umożliwiające dzięki grzaniu i chłodzeniu zmianę mikrostruktury , a przez to własności stopów : mechanicznych , fizycznych , technologicznych i chemicznych . Obróbce cieplnej można poddawać stopy , w których zabiegi cieplne wywołują w stanie lanym zmianę rozpuszczalności składników i przemianę eutektoidalną lub alotropową.

Klasyfikacja rodzajów obróbki cieplnej

Operacje wyżarzania- przez wyżarzanie rozumiemy zabiegi cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzą do stanu równowagi termodynamicznej w obrabianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewane do określonej temperatury, wygrzewane i chłodzone.

Wyżarzanie 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 przegrzewające- przeprowadza się podobnie jak ujednorodniające, lecz celem jego jest spowodowanie rozrostu ziaren i ułatwienie skrawalności stali.

Wyżarzanie grafityzujące- jest to długotrwałe wygrzewanie stali powyżej Ac3 celem rozkładu cementytu na grafit- przeprowadza się je przy produkcji żeliwa ciągliwego.

Wyżarzanie normalizujące- polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-40ºC powyżej linii GSE i następnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziaren i ujednoliceniu struktury.

Wyżarzanie zupełne- prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej do stanu równowagi. Polega na austenityzowaniu stali, jak przy normalizowaniu, i następnie studzeniu w piecu. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości stali.

Wyżarzanie niezupełne- przeprowadza się podobnie jak wyżarzanie zupełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia pomiędzy Ac1- Ac3 dla stali podeutektoidalnych oraz między Ac1-Acm dla stali nadeutektoidalnych. Cel zabiegu jest analogiczny jak przy wyżarzaniu zupełnym.

Wyżarzanie izotermiczne- polega na austenityzowaniu stali jak przy wyżarzaniu zupełnym i następnie szybkim ochłodzeniu do temperatury leżącej poniżej Ar1, i wyżarzaniu w tej temperaturze aż do zajścia przemiany perlitycznej. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości stali.

Wyżarzanie perlityzujące- jest podobnie do wyżarzania izotermicznego, z tym ze nie jest konieczne szybkie studzenie do temperatury perlityzowania. Zwykle do perlityzowania stal jest ponownie nagrzewania do temperatury austenityzowania w celu zahartowania. W wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, a tym samym zwiększenie dyspersji martenzytu.

Wyżarzanie sferoidyzujące- zwane również zmiękczającym, polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy, co prowadzi do zmniejszania twardości stali i polepszeniu obrabialności mechanicznej.

Wyżarzanie rekrystalizujące- stosowanie po uprzednim zgniocie, przeprowadza się w temperaturze poniżej Ac1, ale powyżej temperatury rekrystalizacji w celu usunięcia skutków zgniotu.

Wyżarzanie odprężające- polega na wygrzaniu wyrobów do temperatury poniżej Ac1(zwykle poniżej 650ºC), wygrzaniu w tej temperaturze a następnie studzeniu. Celem obróbki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych bez wywołania zmian strukturalnych. Odmianą tego wyżarzania jest wyżarzanie stabilizowane, które przeprowadza się w temperaturze poniżej 150ºC w celu zmniejszenia naprężeń własnych. Przeprowadza się również stabilizowane naturalne w temperaturze otoczenia przez długi czasu.

Operacje Hartowania- w przeciwieństwie do zabiegów wyżarzania hartowanie, zwłaszcza martenzytyczne, prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej. Celem zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości wyrobu.

Rozróżniamy następujące metody harowania: objętościowe i powierzchniowe.

Hartowanie objętościowe- polega na nagrzaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia.
 

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 powierzchnie 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 martenzytyczne

Polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

Hartowanie bainityczne

W czasie tego hartowania stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej.

Hartowanie ciągłe

Polega na ciągłym obniżaniu temperatury obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej. Dobór ośrodka chłodzącego uzależniony jest od hartowanego materiału oraz rodzaju struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu procesu.

a)       Hartowanie izotermiczne na bainit - w kąpieli solnej , czas przebywania w kąpieli taki aby nie zaszły zmiany dyfuzyjne. Następnie przedmiot wyciągnięty i studzony np. w powietrzu.

b)       Hartowanie w różnych ośrodkach- np. chłodzony przedmiot w wodzie a następnie w oleju 

( unikanie pęknięć )

c)       Hartowanie z podchłodzeniem – element schładzany di temperatury nieco powyżej Ar1.

d)       Hartowanie zwykłe na bainit-bainit mniej twardy od materiału ale bardziej plastyczny.

Operacje odpuszczania- odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury leżącej poniżej Ac1, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołanych zmniejszeniem twardości i wzrost plastyczności stali. Przemiany zachodzące podczas odpuszczania mają charakter dyfuzyjny, istotna jest temperatura i czas odpuszczania.

Odpuszczanie niskie

Stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo. Celem odpuszczania niskiego jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych, skłonności do kruchego pękania oraz zachowanie dużej twardości i odporności na ścieranie. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu tetragonalnego, wydzielonego węglika i austenitu szczątkowego.

Odpuszczanie średnie

Jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy zachowanej dużej wytrzymałości i równoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych. Twardość struktury nieznacznie się zmniejsza. Odpuszczanie średnie jest stosowane głównie do stali sprężynowych oraz konstrukcyjnych. Po odpuszczaniu średnim struktura stali węglowych składa się z martenzytu średnio odpuszczonego, tj. martenzytu regularnego i wydzielonego cementytu.

Odpuszczanie wysokie

Stosowane jest głównie do stali konstrukcyjnych w celu otrzymania najbardziej korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, tj. dużej udarności i wydłużenia przy maksymalnym stosunku Re/Rm. Struktura stali po wysokim odpuszczaniu składa się ze sferoidalnych wydzieleń cementytu w osnowie ferrytycznej.

Połączenie hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym, natomiast połączenie hartowania z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywamy ulepszaniem cieplnym.

Wzór Hollomona-Jaffe wartość parametru M dana jest równaniem:

M=T(C+logt)

gdzie: T oznacza temperaturę w stopniach Kelvina,

t – czas odpuszczania w godzinach

C jest wielkością stałą.

Jeżeli zmiana temperatury oraz czasu odpuszczania nie powoduje zmiany parametru M to twardość się nie zmieni.

Inne rodzaje obróbki

Obróbka podzerowa (wymrażanie) powiększa twardość , zapewnia niezmienność wymiarów przedmiotu w temperaturze otoczenia oraz polepsza własności magnetyczne materiałów magnetycznie twardych . Najlepsze wyniki otrzymuje się im szybciej po zakończeniu hartowania przeprowadza się wymrażanie , unikniemy wtedy stabilizacji austenitu szczątkowego . Dla większości stali temperatura Mf nie przekracza minus 70 stopni Celsjusza . Wówczas jako kąpiel wymrażającą stosuje się roztwór stałego dwutlenku węgla w alkoholu.

Stabilizowanie jest odmianą niskiego odpuszczania. Polega na długotrwałym wygrzewaniu (kilkadziesiąt godzin) w temperaturze od 80 - 150 stopni Celsjusza. Celem zabiegu jest otrzymanie struktury martenzytu odpuszczonego , a przede wszystkim zmiany austenitu szczątkowego w martenzyt regularny. Zabieg przyspiesza przemianę austenitu szczątkowego, co zapewnia stałość wymiarów przedmiotów obrobionych cieplnie.

Przesycanie polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze zapewniającej przejście składników fazowych do roztworu stałego (w temperaturze wyższej od temperatury nasycenia roztworu), a następnie szybkim oziębieniu do temperatury otoczenia. Zabieg zapewnia otrzymanie jednofazowej struktury przesyconego roztworu stałego (w temperaturze otoczenia ), niezgodnej fazowo ze stanem równowagi zapewniającej małą twardość i wytrzymałość, ale dużą ciągliwość.

Starzenie polega na wydzielaniu się składnika przesycającego z roztworu w postaci drobno dyspersyjnych wtrąceń , hamujących poślizgi i powodującym umocnienie stopu przy czym powiększa się jego twardość i wytrzymałość a zmniejsza ciągliwość.

Utwardzenie wydzieleniowe - poddawane są stopy charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym i ma zastosowanie do umacniania metali nieżelaznych oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych. Jeżeli celem utwardzania dyspersyjnego jest uzyskanie maksymalnej twardości i wytrzymałości należy zwrócić szczególną uwagę na dobór odpowiedniej temperatury starzenia. Ponieważ przeprowadzenie operacji w zbyt wysokiej temperaturze powoduje tzw. przestarzenie czyli następuje utrata koherencji fazy wydzielonej z osnową oraz koagulacja wydzielonych cząstek. Jest to przyczyną zmniejszenia twardości i wytrzymałości.

Zachodzące procesy starzenia mogą być niekorzystne w stalach przeznaczonych do głębokiego tłoczenia oraz kotłowych, gdyż powodują zmniejszenie plastyczności i wzrost kruchości.

Patentowanie- patentowaniem nazywamy obróbkę mającą na celu uzyskanie drobnego perlitu. Po austenityzowaniu następuje szybkie schłodzenie do temperatury ok 500ºC i wytrzymaniu w tej temperaturze przez okres wystarczający do zajścia przemiany perlitycznej.