pobieranie: 08_obrobka_cieplna
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
63 5. OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ŻELAZA Związek mikrostruktury z własnościami mechanicznymi stali
JW
Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali są związane z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej, tj. od różnorodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlegała. Wykorzystując fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali można doprowadzić do wytworzenia się w niej najbardziej pożądanych składników strukturalnych, nadających je określone własności wytrzymałościowe. I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wyżarza się zmiękczająco lub normalizuje, w wyniku czego powstaje struktura ferrytyczno-perlityczna, odznaczająca się małą twardością i wytrzymałością, ale dość znaczną ciągliwością. Własności takie ułatwiają wykonanie obróbki wiórowej, więc w tym przypadku są one pożądane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego. Natomiast w gotowym wyrobie, podlegającym znacznym naprężeniom, struktura ferrytycznoperlityczna często nie zapewnia wystarczającej wytrzymałości i twardości. W celu polepszenia tych własności, przy jednoczesnym uzyskaniu dobrej ciągliwości i udarności, stosuje się ulepszanie cieplne, polegające na hartowaniu i odpuszczaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura sorbityczna. Stal w stanie ulepszonym jest materiałem konstrukcyjnym znacznie bardziej wartościowym niż ta sama stal w stanie nieulepszonym. Dlatego jest regułą, że wysokojakościową stal konstrukcyjną, zwłaszcza stopową, należy stosować jedynie w stanie ulepszonym. Z kolei wyroby podlegające ścieraniu (np. narzędzia) powinny odznaczać się bardzo dużą twardością. Wykorzystuje się wtedy wysoką twardość jaką odznacza się struktura martenzytyczna powstająca przy hartowaniu. 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 cieplnochemiczną. Związek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi Aby do danego stopu można było stosować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny się w nim dokonywać przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinne zachodzić przemiany alotropowe lub powinna występować wyraźna zmiana rozpuszczalności pewnych jego składników. Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić. W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt (rys. 5.1). Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych temperatur A1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A2 jest temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A3, wyznaczona przez punkty leżące na linii GS, jest temperaturą graniczną równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym. Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik r w przypadku chłodzenia (np. Ac1, Ar3).
64
JW
Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej żelazo-cementyt 5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali związane z obróbką cieplną Przemiany fazowe w stali są wynikiem tego, że wskutek zmiany warunków, np. temperatury, jeden stan staje się mniej trwały niż drugi. To właśnie jest przyczyną przemian zachodzących w stali. Należy zaznaczyć, że może w niej występować kilka podstawowych struktur, a istotą najważniejszych przemian jest właśnie przejście jednej struktury w drugą. Tymi podstawowymi strukturami są: ferryt Feα(C) stały roztwór węgla w żelazie α, austenit Feγ(C) stały roztwór węgla w żelazie γ , martenzyt Feα'(C) stały, przesycony roztwór węgla w żelazie α (jest to faza metastabilna), perlit (Feα(C)+Fe3C) eutektoidalna mieszanina ferrytu Feα(C) i cementytu Fe3C. W procesach obróbki cieplnej stali występują następujące podstawowe przemiany I. Przemiana ferrytu w austenit Feα(C) → Feγ(C) II. Przemiana austenitu w ferryt Fe γ(C) → Feα(C) III. Przemiana perlitu w austenit (Feα(C) + Fe3C) → Feγ(C) IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) Feγ(C) → Feα(C) + Fe3C V. Przemiana austenitu w martenzyt Feγ(C) → Fe’α(C) VI. Przemiana martenzytu w mieszaninę ferrytu i cementytu Fe’α(C) → Feα(C) + Fe3C
65 5.1.1. Przemiana perlitu w austenit
JW
Przemiana perlitu w austenit przebiega powyżej temperatury równowagi austenitu z ferrytem i cementytem. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, tj. zachodzi rozpuszczanie się cementytu i równomierne rozmieszczanie się węgla w austenicie drogą dyfuzji. W zwykłych warunkach stosunkowo szybkiego nagrzewania stali występuje opóźnienie przemiany i konieczne jest podwyższenie temperatury, aby przemiana zaszła w określonym czasie. Perlit przegrzany powyżej temperatury Ac1 przemienia się w austenit z różną szybkością, zależnie od stopnia przegrzania. Szybkość przebiegu tej przemiany zależy również w znacznym stopniu od początkowej struktury stali, tj. od stopnia dyspersji cementytu i od jego kształtu. Im drobniejsze są cząstki cementytu, a tym samym większa ich ogólna powierzchnia, tym szybciej zachodzą opisane przemiany. Zabieg cieplny polegający na wygrzewaniu stali w celu wytworzenia struktury austenitu przed chłodzeniem nazywany jest austenityzowaniem. 4.1.2. Zmiana wielkości ziarna austenitu Przekroczenie temperatury przemiany Ac1 zaznacza się raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo powstałe ziarna austenitu są zawsze bardzo drobna i w zasadzie ich wymiary nie zależą od wielkości ziarn perlitu, z którego utworzył się austenit. Rozdrobnienie ziarna austenitu w czasie przemiany jest związane z tworzeniem się dużej liczby zarodków nowych ziarn na olbrzymiej i bardzo rozwiniętej powierzchni granicznej między ferrytem i cementytem. Dalsze nagrzewanie (lub wygrzewanie) po dokonanej przemianie wywołuje rozrost ziarn austenitu (rys. 5.2 i 5.3).
Rys. 5.2. Schemat zmiany wielkości ziarna stali eutektoidalnej w czasie nagrzewania powyżej temperatury A1 Zjawisko rozrostu jest procesem samorzutnym, gdyż jego następstwem jest zmniejszenie łącznej powierzchni ziarn (zmniejsza się energia powierzchniowa), wysoka temperatura zapewnia dostatecznie szybki przebieg tego procesu. W praktyce rozróżnia się dwa typy stali (rys. 5.3): stale wykazujące skłonność do rozrostu ziarn austenitu, który zaczyna się po niewielkim przekroczeniu temperatury Ac1 — stale te nazywamy gruboziarnistymi; stale nie mające skłonności do rozrostu ziarn austenitu bezpośrednio po przekroczeniu temperatury Ac1 W stalach tych ziarno zaczyna się rozrastać dopiero po nagrzaniu ich do temperatury ok. 1000°C. Zbyt wysokie i długotrwałe wygrzewanie stali podczas austenityzowania powoduje więc rozrost ziarn austenitu. Z kolei wielkość ziarna perlitu zależy od wyjściowej wielkości ziarna austenitu, z którego powstał perlit. Im większe są ziarna austenitu, tym większe tworzą się na ogół ziarna perlitu. Powstanie struktury gruboziarnistej jest niepożądane, gdyż stal taka charakteryzuje się niższą wytrzymałością i udarnością. Dlatego w czasie austenityzowania stali skłonnych do rozrostu ziarna należy ściśle przestrzegać określonych temperatury i czasu grzania.
66
JW
Rys. 5.3. Schemat przedstawiający zmianę wielkości ziarna austenitu w czasie nagrzewania stali gruboziarnistej (krzywa a) i stali drobnoziarnistej (krzywa b)
Rys. 5.4. Stal węglowa o zawartości 0,45%C w stanie wyżarzonym o strukturze gruboziarnistej. Widoczne ciemne pola perlitu i jasne ziarna ferrytu. 5% Nital. Powiększ.100x
Rys. 5.5. Stal węglowa o zawartości 0,45% C w stanie normalizowanym. Struktura drobnoziarnista. Traw. 5% Nitalem. Powiększ. 100x
Na rysunku 5.4 przedstawiona jest struktura stali węglowej podeutektoidalnej o zawartości 0,45% C w stanie przegrzanym, charakteryzującej się dużym ziarnem. Z kolei na rys. 5.5 widoczna jest struktura drobnoziarnista tej samej stali w stanie normalizowanym, tj. po nagrzewaniu do temperatury tylko ok. 30 ÷ 50 oC powyżej temperatury A3 i chłodzeniu na powietrzu. 5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze niższej niż A1. Rozpoczyna się przy pewnym przechłodzeniu, gdy energia swobodna mieszaniny ferrytu z cementytem (perlitu) stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu. Im niższa jest temperatura przemiany, tj. im większe przechłodzenie, tym większa jest różnica swobodnych energii i tym szybciej przebiega przemiana. Z drugiej strony przemianie austenitu w perlit towarzyszy dyfuzja połączona z przegrupowaniem węgla, gdyż powstają dwie fazy znacznie różniące się zawartością węgla od austenitu. Ferryt zawiera bardzo mało węgla (maks. ok. 0,02%). cementyt zaś 6,67% węgla. Szybkość dyfuzji raptownie zmniejsza się przy obniżaniu temperatury, w związku z tym wzrost przechłodzenia powoduje zmniejszenie szybkości przebiegu przemiany. W wyniku łącznego działania obu czynników szybkość przemiany początkowo zwiększa się ze wzrostem przechłodzenia, osiągając przy pewnej wartości przechłodzenia swe maksimum, a potem zmniejsza się.
67 Wykresy CTP
JW
Przebieg procesu przemiany przechłodzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywać na podstawie wykresów rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura, przemiana). Na wykresach tych naniesione są linie początku i końca przemian we współrzędnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozróżnia się wykresy dla przemian austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w warunkach chłodzenia ciągłego, oznaczane CTPc. Na rysunku 4.6 podany jest schematycznie wykres CTP; dla stali węglowej eutektoidalnej. Trwałość przechłodzonego austenitu zmienia się w zależności od temperatury. Dla stali eutektoidalnej przy małych przechłodzeniach trwałość austenitu jest duża, następnie zmniejsza się i minimum występuje w temperaturze ok. 500°C, po czym znowu trwałość austenitu jest coraz większa aż do temperatury ok. 200°C, poniżej której przechłodzony austenit przechodzi w martenzyt. Wykresy CTPi, buduje się wykorzystując krzywe kinetyczne przemiany austenitu, dla określonego stopnia przechłodzenia, wskazujące ilość wytworzonego perlitu w zależności od czasu jaki upłynął od początku przemiany.
Rys. 5.6. Wykres CTPi przedstawiający linie początku i końca przemian austenitu przechłodzonego w warunkach izotermicznych Na rysunku 5.7 pokazano kilka krzywych kinetycznych obrazujących przebieg przemiany w różnych temperaturach, a więc i przy różnych stopniach przechłodzenia. Jak widać, w początkowym okresie przemiana odbywa się z bardzo małą prędkością, jest to tzw. okres inkubacyjny. Punkty p1, p2, p3 wskazują czas, w którym doświadczalnie stwierdza się początek przemiany (wytworzone jest już wówczas ok. 0,5% perlitu). W miarę upływu czasu wzrasta szybkość przemiany (szybkość ta jest maksymalna, gdy przemianie uległo ok. 50% austenitu), następnie przebiega ona coraz wolniej, aż wreszcie kończy się w punktach k1, k2, k3. Z krzywych kinetycznych obrazujących przemianę austenitu w perlit odmierza się czasy od początku chłodzenia do początków i końców przemiany, a odpowiadające im przy różnych temperaturach punkty p i k rozmieszcza się w układzie temperatura-log czasu, na prostych poziomych odpowiadających tym temperaturom. Otrzymuje się w ten sposób wykres CTPi, (rys. 5.7 II). Struktury, jakie otrzymuje się w wyniku przemiany, zależą od stopnia przechłodzenia austenitu, czyli od temperatury przemiany. Zakres temperatury od A1 do ok. 500°C odpowiada przemianie austenitu w perlit. Perlit utworzony w temperaturze wysokiej przy małym stopniu przechłodzenia jest grubopłytkowy.
68 JW Natomiast w miarę obniżania temperatury perlit staje się coraz drobniejszy, jego płytki stają się coraz cieńsze i powstaje struktura o stosunkowo dużym stopniu dyspersji, która nosi nazwę perlitu drobnego.
Rys. 5.7. Wykres izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej; A - austenit, P - perlit, B - bainit, M –martenzyt Stopień dyspersji perlitu wpływa na jego własności mechaniczne, tak np. twardość perlitu grubego w przypadku stali węglowej eutektoidalnej wynosi ok. 15 HRC, a perlitu bardzo drobnego dochodzi do 40 HRC (rys. 5.7). W stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przemiana perlityczna poprzedzona jest innymi przemianami strukturalnymi. W stali podeutektoidalnej z austenitu tworzy się najpierw ferryt, a w stalach nadeutektoidalnych przed rozpoczęciem przemiany perlitycznej wydziela się z austenitu cementyt (rys. 5.8). Dalsza przemiana perlityczna przebiega podobnie, jak w stali eutektoidalnej. Na rysunku 5.9 podany jest schematycznie wykres CTPi, dla stali węglowej podeutektoidalnej, na którym naniesiono dodatkowe linie przemian izotermicznych (dla różnych temperatur) prowadzących do powstania odpowiednich struktur. Z kolei rys. 5.10 przedstawia wykres dla tej samej stali ale przy chłodzeniu ciągłym (CTPc); zaznaczono również linie chłodzenia prowadzące do powstania różnych struktur.
Rys. 5.8. Wykres CTP dla stali: a) podeutektoidalnej, b) nadeutektoidalnej
69 JW Obniżenie temperatury rozpadu austenitu powoduje, że przemiana zachodzi w warunkach utrudnionej dyfuzji. Struktura produktów rozpadu austenitu w takich linkach nosi nazwę bainitu. W przypadku stali eutektoidalnych przemiana austenitu w bainit zachodzi w temperaturze ok. 500-200°C (rys. 5.6, 5.7), przy czym rozróżnia się bainit dolny o strukturze drobnoiglastej i jeszcze większym stopniu dyspersji wydzieleń cementytu. W odróżnieniu od perlitu ferryt w bainicie zawiera znacznie więcej węgla (tym więcej, im niższa była temperatura przemiany). Bainit górny wykazuje twardość ok. 45 HRC, natomiast twardość bainitu dolnego wynosi ok. 55 HRC. Tę stosunkowo dużą twardość tłumaczy się znaczną dyspersją struktury oraz zniekształceniem sieci.
Rys. 5.10. Wykres przemian austenitu w warunkach chłodzenia ciągłego (CTPc) dla stali podeutektoidalnych Przykładowe wykresy CTPi I CTPc dla stali 45 (węglowa konstrukcyjna wyższej jakości) przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5.11 i 5.12.
Rys. 5.11. Wykres CTPi stali 45
70
JW
Rys. 5.12. Wykres CTPc stali 45 Na wykresach CTPi izotermy reprezentują temperatury Ac1, Ac3 lub Acm oraz Ms i Mf. Krzywe między izotermami Ac1 i Ms przedstawiają początek i koniec przemian dyfuzyjnych. Dodatkowa linia przed krzywą początku przemiany odpowiada początkowi wydzielania ferrytu lub cementytu (węglików) w stalach odpowiednio przed- lub zaeutektoidalnych. Czasami na wykresach umieszcza się dodatkowo: krzywa odpowiadającą zaawansowaniu przemian dyfuzyjnych w 50%, izotermy odpowiadające uzyskaniu 20, 50 lub 90% martenzytu oraz podaje twardości struktur- produktów przemian. Na wykresach CTPc ponadto nanoszone są linie reprezentujące poszczególne szybkości chłodzenia i odpowiadające im twardości Brinella lub Vickersa (w kółkach). 5.1.4. Przemiana austenitu w martenzyt Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poniżej określonej dla danej stali temperatury, oznaczonej zwykle symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura końca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W przypadku stali węglowych temperatury Ms i, Mf obniżają się wraz ze wzrostem zawartości węgla i składników stopowych, tak że przy większej ich zawartości temperatura Mf może być niższa od 0°C (rys. 5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko częściowo W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilość tzw. austenitu szczątkowego. Ze względu na niską temperaturę procesu przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną. W jej wyniku następuje przebudowa sieci sześciennej zwartej (regularnej ściennie centrowanej) austenitu na sieć sześcienną centrowaną (regularną przestrzennie centrowaną) żelaza alfa bez dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt w stalach węglowych jest więc przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie alfa. Wtrącony międzyatomowo węgiel zniekształca strukturę żelaza alfa, tak, że po przemianie martenzyt ma sieć tetragonalną. Stopień tetragonalności zwiększa się proporcjonalnie do zawartości węgla w martenzycie; przy zawartości ok. 1,2% C stopień tetragonalności, czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05. Makroskopowo martenzyt ma charakterystyczną strukturę iglastą, co tłumaczy się tym, że martenzyt składa się z płytek przesyconego węglem ferrytu, które w płaszczyźnie przecięcia (wykonania szlifu metalograficznego) są podobne do igieł (rys. 5.14).
71 JW Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury w zakresie od Ms do Mf.. Przy stałej temperaturze powstawanie martenzytu ustaje. Ponadto przemiana austenitu w martenzyt może zajść dopiero przy odpowiednio dużej szybkości chłodzenia. Najmniejsza szybkość chłodzenia, w wyniku której austenit przechodzi wyłącznie w martenzyt, nazywana jest krytyczną szybkością chłodzenia Vk (rys. 5.15).
Rys. 5.13. Położenie punktów początku Ms i końca Mf przemiany martenzytycznej w zależności od zawartości węgla
Rys. 5.14. Typowa struktura martenzytu. Stal 35 zahartowana w wodzie. Traw. 2% Nitalem, x500
Rys. 5.15. Przebieg chłodzenia stali z różną szybkością na tle wykresu CTP; Vk —szybkość krytyczna chłodzenia Na kształt krzywych CTP duży wpływ mają składniki stopowe dodawane do stali konstrukcyjnych. Składniki te powodują przesunięcie linii początku i końca przemiany austenitu w prawo w stosunku do położenia tych linii dla stali węglowych (rys. 5.16a) lub powodują jednoczesne przesunięcie i zmianę kształtu tych linii polegającą na ich rozdwojeniu (rys. 5.16b). Zjawisko to jest korzystne o tyle, że krytyczna szybkość chłodzenia Vk dla stali stopowych jest w rezultacie znacznie niższa niż w przypadku stali węglowych.
72
JW
Rys. 4.14. Porównanie położenia i kształtu linii początku przemiany przechłodzonego austenitu na wykresach CTP: a) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki nie tworzące węglików, b) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki węglikotwórcze 4.1.5. Przemiany zachodzące podczas odpuszczania martenzytu Martenzyt, który powstaje w wyniku szybkiego chłodzenia austenitu, czyli hartowania, jest strukturą metastabilną, która już po niewielkim podgrzaniu zaczyna ulegać przemianom. Operacja obróbki cieplnej, polegająca na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur leżących poniżej temperatury A1, i następnie chłodzeniu, nosi ogólnie nazwę odpuszczania. Podczas odpuszczania martenzytu w stalach węglowych i niskostopowych można obserwować kolejno, w poszczególnych zakresach temperatur, następujące zmiany: I. W zakresie temperatury 80-200°C następuje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny - zwany też martenzytem odpuszczonym - co związane jest z wydzielaniem węgla z martenzytu w postaci węglika ε. Węglik ten wykazuje zmienny skład wahający się w granicach Fe2C-Fe3C. Przemiana w tym zakresie temperatury związana jest ze skurczem próbki, co można zarejestrować za pomocą badań dylatometrycznych (rys. 5.17).
Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiająca różne stadia przemian zachodzących w czasie odpuszczania stali zahartowanej; ∆l - przyrost długości próbki
73 JW II. W zakresie temperatury 200 -300°C zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony i węglik żelaza, a także zachodzi w dalszym ciągu wydzielanie węglika z martenzytu. Ponieważ objętość właściwa austenitu jest mniejsza niż martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje się rozszerzanie się próbki (rys. 5.18). III. W zakresie temperatury 300-400°C następuje zarodkowanie i wzrost wydzieleń cementytu Fe3C, przy czym węglik ε rozpuszcza się, a węgiel dyfunduje do rosnących wydzieleń cementytu Fe3C. W tym stadium zachodzi również intensywny proces zanikania naprężeń własnych. W temperaturze ok. 400°C zawartość węgla w ferrycie osiąga już wartość odpowiadającą stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje się skurcz próbki. IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powyżej 400°C następuje proces koagulacji wydzieleń cementytu, a wyjściowe igły martenzytu ulegają zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwyższych temperaturach odpuszczania procesami dominującymi stają się rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura składa się z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazwę sorbitu (rys. 5.18).
Rys. 5.18. Mikrostruktura stali o zawartości 0,35% C zahartowanej i odpuszczonej w 600°C. Sorbit. Traw. 2% Nitalem. x500 Na rysunku 4.17 przedstawione są schematycznie kolejne stadia procesów zawodzących w czasie odpuszczania zahartowanej stali.
Rys. 5.19. Schemat przedstawiający procesy zachodzące podczas odpuszczania zahartowanej stali
74 5.2. Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stali
JW
Schemat klasyfikacji podstawowych operacji obróbki cieplnej zwykłej stopów żelaza przedstawiono na rys. 5.20. W obróbce cieplnej stali rozróżnia się trzy główne grupy operacji cieplnych: operacje wyżarzania, operacje hartowania i odpuszczania, operacje przesycania i starzenia. Największe znaczenie spośród wymienionych rodzajów obróbki cieplnej stali ma hartowanie martenzytyczne z następującym po nim odpuszczaniem, czyli tzw. ulepszanie cieplne lub utwardzanie cieplne. Ulepszanie cieplne polepsza znacznie cały zespół mechanicznych własności stali i jest obecnie podstawowym rodzajem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych. 5.3. 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 stali, z których każdy ma na celu osiągnięcie określonych własności materiału, często bardzo różniących się pomiędzy sobą (rys. 5.20). Zakresy temperatury, w jakich przeprowadza się poszczególne, ważniejsze rodzaje operacji wyżarzania, podane są na rys. 5.21.
Rys. 5.20. Podstawowe operacje obróbki cieplnej zwykłej stopów żelaza Wyżarzanie ujednorodniające (ujednorodnianie, homogenizowanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury niewiele niższej od temperatury solidusu, długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu w celu zmniejszenia niejedno-rodności składu chemicznego i struktury. Zakres praktycznie stosowanej temperatur} wynosi ok. 1050-1250°C. Czas wygrzewania wynosi dla wlewków ok. 12-15 h Niejednorodność składu chemicznego występuje w stali na skutek likwacji w czasie krzepnięcia wlewka oraz segregacji dendrytycznej. Podczas wygrzewana pierwiastki nierównomiernie rozłożone w stali, np. węgiel lub składniki stopowe dyfundują z miejsc bogatszych do uboższych, przez co wyrównuje się skład chemiczny stali. Przez ujednorodnianie można zmniejszyć w znacznym stopniu segregację dendrytyczną, nie daje się natomiast usunąć likwacji strefowej, co może nastąpić dopiero przez obróbkę plastyczną, np. kucie lub walcowanie. Wysoka temperatura i długi czas wyżarzania ujednorodniającego powodują silny rozrost ziarna i dlatego w celu poprawienia struktury przeprowadza się dodatkową obróbkę cieplną — wyżarzanie normalizujące. Podczas ujednorodniania zachodzą również takie niekorzystne procesy, jak odwęglenie powierzchniowe i utlenienie powierzchni, co powoduje straty materiału.
75
JW
Rys. 5.20. Zakresy temperatury wyżarzana stali węglowych na tle wykresu żelazo-cmentyt Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu stali ok. 30-50°C powyżej Ac3 lub Acm (w przypadku stali nadeuktoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna i równomiernego rozłożenia składników strukturalnych. Stosunkowo krótkie czasy wygrzewania i dość szybkie chłodzenie w spokojnym powietrzu powoduje uzyskanie korzystnej struktury drobnoziarnistej (rys. 5.5). Normalizowanie polepsza własności wytrzymałościowe stali i w pewnych przypadkach poprawia jej przydatność do obróbki mechanicznej przez skrawanie. Normalizowanie stosuje się też często przed dalszą obróbką cieplną w seryjnej produkcji celem nadania stali jednakowej struktury wyjściowej, co ma wpływ na własności stali po obróbce cieplnej. Wyżarzanie zupełne różni się od normalizowania tylko sposobem studzenia stali. Polega na nagrzaniu stali powyżej Ac3 i następnie powolnym studzeniu (zwykle z piecem) do temperatury poniżej Ar1, w celu zupełnego przekrystalizowania stali. Dalsze studzenie może się już odbywać na wolnym powietrzu. Wyżarzaniu temu poddaje się szczególnie stale stopowe, w przypadku których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu po normalizowaniu jest tak duża, że może już doprowadzić do zahartowania. Stal po wyżarzaniu zupełnym ma dobrą plastyczność, małą twardość i dobrą obrabialność. Wyżarzanie niezupełne jest to wygrzewanie stali podeutektoidalnej w zakresie temperatury Ac1 ÷ Ac3 i studzenie do temperatury poniżej Ar1 w celu częściowego przekrystalizowania stali. Jako celowa obróbka cieplna ten rodzaj wyżarzania jest rzadziej stosowany. Wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzowanie) polega na nagrzaniu do temperaturyty bliskiej Ac1 (nieco wyższej), wygrzewaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu sferoidyzacji węglików. Czas wygrzewania jest stosunkowo długi i może wynosić od kilku do kilkudziesięciu godzin. W wyniku wyżarzania sferoidyzującego otrzymuje się strukturę ziarnistego cementytu w osnowie ferrytycznej (rys. 5.21). Cementyt ziarnisty powstaje przez koagulację podczas wygrzewania w temperaturze bliskiej Ac1. Zaokrąglenie wydzieleń cementytu następuje w tych warunkach przez dążność tej fazy do zmniejszenia energii powierzchniowej. Struktura taka charakteryzuje się małą twardością, co zapewnia optymalną podatność na odkształcenia plastyczne przy obróbce plastycznej na zimno, a także dobrą skrawalność. W stali eutektoidalnej i nadeutektoidalnej wyżarzanie sferoidyzujące pozwala otrzymać korzystną strukturę wyjściową do hartowania pod warunkiem, że cementyt będzie drobny i równomiernie rozłożony w osnowie ferrytu (rys, 5.21).
76
JW
Rys.5.21. Cementyt ziarnisty (sferoidyt) w stali o zawartości ok. 1% C. Traw. 5% nitalem.x500 Wyżarzanie zmiękczające (zmiękczanie) jest to wyżarzanie mające na celu zmniejszenie twardości. Przeprowadza się je zwykle w temperaturze bliskiej Ac1 Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizowanie) jest to wyżarzanie stali utwardzonej plastycznie na zimno, w temperaturze wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, w celu usunięcia skutków zgniotu i uzyskania określonej wielkości ziarna. W praktyce wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się najczęściej jako zabieg międzyoperacyjny, który usuwa skutki zgniotu, co umożliwia wykonywanie dalszych operacji obróbki plastycznej na zimno. Zakres temperatury wyżarzania rekrystalizującego jest podany na rys. 5.20. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń możliwie bez wprowadzenia zmian strukturalnych w stali. Naprężenia występują w odlewach, spoinach materiałach odkształconych plastycznie oraz hartowanych. Naprężenia te mogą być w pewnych przypadkach tak znaczne, że powodują powstawanie pęknięć w materiale. Aby temu zapobiec, stosuje się wyżarzanie odprężające, polegające na nagrzaniu i wygrzaniu przedmiotu w temperaturze poniżej Ac1 i powolnym studzeniu Zależnie od rodzaju materiału oraz od przyczyn wywołujących naprężenia stosuje się różną temperaturę (rys. 5.20) i różny czas wygrzewania. Na ogół im wyższa temperatura, tym krótszy czas wygrzewania (do kilku godzin). 5.4. Hartowanie Hartowanie polega na nagrzewaniu przedmiotu do temperatury, w której następuje wytworzenie struktury austenitu, i następnie szybkim chłodzeniu w wodzie lub oleju w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Temperaturę hartowania stali określa się w zależności od temperatur Ac1 Ac3 Acm. Optymalna temperatura hartowania stali podeutektoidalnych jest zwykle wyższa o 30 ÷ 50°C od temperatury Ac3, a stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych - wyższa o 30 ÷ 50°C od Acm. Zakres temperatury hartowania stali węglowych podany jest schematycznie na rys. 5.22 na tle wykresu żelazo-cementyt.
Rys. 5.22. Zakres temperatury hartowania stali węglowych
77 JW Hartowanie stali podeutektoidalnych od temperatury wyższej od Ac1 lecz niższej Ac3 jest niekorzystne, ponieważ w strukturze martenzytu występuje również pewna ilość wolnego ferrytu, który zmniejsza twardość i pogarsza własności mechaniczne po odpuszczeniu. Natomiast w przypadku stali nadeutektoidalnych zakres temperatury hartowania powyżej Ac1 i poniżej Acm (rys. 5.22) jest korzystny. Nie uzyskuje się wprawdzie pełnego przejścia stali w austenit, lecz pozostający w strukturze cementyt drugorzędowy jest składnikiem o wysokiej twardości i nie pogarsza własności mechanicznych. Nagrzewanie zaś powyżej Acm jest niebezpieczne i zbyteczne, ponieważ nie zwiększa twardości stali zahartowanej, lecz przeciwnie - nawet nieco zmniejsza wskutek zwiększenia ilości austenitu szczątkowego i rozpuszczania się cementytu. Ponadto podczas nagrzewania powyżej Acm rośnie ziarno austenitu i zwiększa się możliwość powstania dużych naprężeń hartowniczych. Rozrost ziarn austenitu powoduje, że w stali zahartowanej otrzymuje się strukturę martenzytu o grubych igłach i grubokrystaliczny przełom, co jest powodem małej ciągliwości i niskiej udarności stali. 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 (rys. 5.23a). 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.
Rys. 5.23. Różne rodzaje hartowania stali. Schemat przebiegu chłodzenia na tle wykresu CTP: a) hartowanie zwykłe, b) hartowanie stopniowe, c) hartowanie z przemianą izotermiczną (bainityczne); p — powierzchnia, r — rdzeń przedmiotu 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 - rys. 5.23b. 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 (rys. 5.23c). 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.
78 5.5. Hartowanie powierzchniowe
JW
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury powyżej Ac3 (temperatury austenityzacji) i oziębieniu z dużą szybkością niezbędną do uzyskania struktury martenzytycznej w tej warstwie. Celem hartowania powierzchniowego jest nadanie warstwie powierzchniowej wysokiej twardości i odporności na ścieranie, przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Hartowaniu powierzchniowemu poddaje się stale węglowe o zawartości 0,4-0,6% oraz stale niskostopowe o zawartości 0,3-0,6% C. Elementy, od których wymaga się większej wytrzymałości, przed hartowaniem powierzchniowym poddaje się ulepszaniu cieplnemu, tj. hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu. Najczęściej stosowanymi metodami hartowania powierzchniowego są: a) hartowanie płomieniowe — polegające na nagrzewaniu powierzchni płomieniem gazowym, zwykle acetylenowo-tlenowym, za pomocą palnika o dużej wydajności, i na intensywnym oziębieniu strumieniem wody; b) hartowanie indukcyjne — polegające na nagrzewaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu prądami wirowymi, wzbudzonymi przez prąd zmienny o wielkiej częstotliwości płynący we wzbudniku w postaci uzwojenia, i następnie szybkim oziębianiu natryskiem wodnym; c) hartowanie kąpielowe — polegające na nagrzewaniu powierzchni przez krótkie zanurzenie do kąpieli solnej lub metalowej i następnie oziębieniu; d) hartowanie kontaktowe lub oporowe, przy którym powierzchnia przedmiotu nagrzewa się w miejscu styku elektrody w postaci rolki dociskowej z powierzchni przedmiotu na skutek oporu omowego; e) hartowanie elektrolityczne, podczas którego grzanie odbywa się w elektrolicie wskutek przepływu prądu o dużym natężeniu przez elektrolit, przy czym katodą jest przedmiot nagrzewany. Stosowane jest również hartowanie z grzaniem powierzchniowym laserowym, elektronowym i plazmowym. Wspólną cechą metod hartowania powierzchniowego jest zapewnienie tak szybkiego nagrzewania, aby przedmiot osiągnął temperaturę hartowania tylko do pewnej zadanej głębokości. Temperatura warstwy powierzchniowej przy szybkim nagrzewania przekracza zwykle znacznie (o ok. 100°C) właściwą temperaturę hartowania, a jednak nie wywiera ujemnego wpływu na własności stali, gdyż czas nagrzewania jest dużo krótszy niż przy hartowaniu zwykłym i praktycznie rozrost ziarn nie występuje. Wszystkie metody hartowania powierzchniowego wymagają bardzo dokładnego opracowania warunków nagrzewania i ścisłego dostosowania ich do kształtu i żądanej charakterystyki hartowanej powierzchni. Wybór jednej z metod hartowania powierzchniowego oraz sposób wykonania zabiegu zależą m.in. od wielkości i kształtu obrabianych przedmiotów, od ich ilości oraz od żądanej głębokości utwardzenia. Hartowanie płomieniowe pozwala na osiągnięcie głębokości zahartowania od około 2 do 8 mm, przy minimalnej średnicy przedmiotu 20 mm. Na wyniki hartowania mają wpływ takie czynniki, jak: wydajność palnika, kształt jego końcówek, szybkość posuwu palnika lub przedmiotu, odległość palnika od powierzchni, czas upływający między końcem grzania a początkiem chłodzenia, intensywność chłodzenia. Zależnie od kształtu i wielkości hartowanego przedmiotu rozróżnia się dwa sposoby hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowoobrotowe. Metoda jednoczesnego hartowania polega na nagrzewaniu od razu całej powierzchni przedmiotu i po osiągnięciu właściwej temperatury na jej szybkim ochłodzeniu. Najczęściej spotykaną odmianą tego sposobu jest hartowanie obrotowe, w czasie którego palnik jest nieruchomy, a przedmiot obraca się z określoną prędkością - rys. 5.24. Sposób ten stosowany jest do przedmiotów okrągłych o niewielkich średnicach.
79
JW
Rys. 5.24. Hartowanie powierzchniowe płomieniowe jednoczesne obrotowe Metoda hartowania ciągłego polega na postępowym ciągłym nagrzewaniu powierzchni i postępującym za nim oziębianiu ciągłym za pomocą natryskiwacza znajdującego się za palnikiem. Metodę tę stosuję się do przedmiotów o dużej powierzchni płaskiej – rys. 5.25, lub krzywoliniowej, długich przedmiotów walcowych (hartowanie posuwowo-obrotowe – rys. 5.26 oraz przedmiotów o dużej średnicy. Hartowaniu płomieniowemu poddaje się przedmioty wykonane ze stali węglowych o zawartości 0,45 ÷0,60% C oraz niektóre gatunki stali manganowych chromowych i chromowowanadowych. Największe zastosowanie ta metoda hartowania znalazła przy miejscowym utwardzaniu dużych części maszyn produkowanych pojedynczo lub w niewielkich seriach. Stosowana jest również przy hartowaniu kół zębatych o dużych modułach oraz wałów o dużych średnicach I długości do 10 m. Hartowanie indukcyjne (rys. 5.27) pozwala na osiągnięcie mniejszych głębokości zahartowania niż przy hartowaniu płomieniowym (ok. 0,2 - 5 mm). Głębokość warstwy, w której indukują się prądy wirowe można obliczyć za pomocą empirycznego wzoru:
d=C
ρ µ⋅f
gdzie: ρ - oporność właściwa µ - przenikalność magnetyczna f - częstotliwość prądu w Hz Przenikalność magnetyczna stali węglowej gwałtownie maleje w temperaturze przemiany magnetycznej (punkt Curie) i przy dalszym nagrzewaniu prawie nie ulega zmianie. Głębokość przenikania prądów wirowych wynosi dla:
ferrytu : d Feα = austenitu : d Feγ = 17 f 600 f [mm] [mm]
80 JW Głębokość warstwy zahartowanej zależy od trzech czynników: częstotliwości prądu, mocy właściwej urządzenia (mocy we wzbudniku przypadającej na jednostkę powierzchni nagrzewanego przedmiotu) oraz czasu nagrzewania. Ze względu na konieczność szybkiego nagrzewania powierzchni przedmiotu w grzejnictwie indukcyjnym stosowane są częstotliwości prądu w granicach 1-5000 kHz.. Dla przykładu można podać, że przy częstotliwości f = 1000 Hz głębokość hartowania d = 6 mm, natomiast przy f = 450 000 Hz - d = 0,9 mm.
Rys. 5.25. Hartowanie powierzchniowe płomieniowe ciągle posuwowe
Rys. 5.26. Hartowanie powierzchnie płomieniowe ciągle posuwowo-obrotowe
Wielkość nagrzewanej powierzchni zależy od mocy generatora. Orientacyjne zapotrzebowanie mocy niezbędnej do nagrzania l cm2 wynosi 0,3-3,0 kW. Rozrzut ten jest spowodowany zróżnicowaną konstrukcją wzbudników, których kształt uzależniony jest od hartowanej powierzchni. Dużą rolę odgrywa też szczelina pomiędzy wzbudnikiem a powierzchnią nagrzewaną. W praktyce szczelina ta powinna zawierać się w granicach 1-3 mm.
Rys.5.27. Schemat grzania indukcyjnego; l — induktor - wzbudnik, .1 -pręt nagrzewany, 3 - linie pola magnetycznego, Iw — prąd we wzbudniku, Ip — prąd w przedmiocie Czas grzania, niezbędny do osiągnięcia temperatury austenityzacji, zależny jest częstotliwości prądu i mocy generatora. Teoretycznie dla bardzo małych powierzchni i małych głębokości czas grzania może wynosić ułamek sekundy, w praktyce zawiera się w granicach 2 ÷ 20 s. Ze względu na bardzo duży koszt urządzeń, hartowanie indukcyjne stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Dla każdego typu przedmiotu wykonuje się specjalny wzbudnik,
81 JW ściśle dostosowany do kształtu i wymiarów przedmiotu. Podobnie jak przy hartowaniu płomieniowym, również przy hartowaniu indukcyjnym rozróżnia się dwie podstawowe metody hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowoobrotowe – rys. 5.28
Rys. 5.28. Schemat hartowania indukcyjnego ciągłego, posuwowo-obrotowego; l - wzbudnik dwuzwojowy, 2 - natryskiwacz, 3 - przedmiot Ogólna zasada hartowania indukcyjnego jest podobna do hartowania płomieniowego z tą różnicą, że w miejscu palników umieszczony jest wzbudnik, który bardzo często spełnia rolę natryskiwacza. W przemyśle największe zastosowanie znalazło hartowanie indukcyjne, a następnie płomieniowe. Inne metody hartowania powierzchniowego jak: kąpielowe, kontaktowe czy elektrolityczne, stosowane są sporadycznie.
5.6. Hartowność i utwardzalność stali
Cechami charakteryzującymi stal zahartowaną są utwardzalność i hartowność. Pojęcia te są zbieżne, gdyż określają własności stali zahartowanej, które są ściśle od siebie uzależnione. 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. Przy hartowaniu przedmiotów stalowych nie następuje zwykle zahartowanie na wskroś, gdyż szybkość chłodzenia jest większa na powierzchni, a mniejsza w rdzeniu. Rozkład szybkości chłodzenia na przekroju okrągłego pręta podczas hartowania przedstawiono w przybliżeniu linią ciągłą na rys. 5.28a. Jeżeli szybkość hartowania w środkowej części pręta będzie mniejsza od krytycznej szybkości hartowania Vkr to pręt nie zahartuje się na wskroś, jego struktura w rdzeniu będzie się składała z perlitu i bainitu, a głębokość strefy zahartowanej będzie równa tylko grubości warstwy zakreskowanej.
82
Strefa nie zahartowana
JW
Rys. 5.29. Hartowanie pręta stalowego Vkr - krytyczna szybkość chłodzenia. Vp szybkość chłodzenia powierzchni. Vr - szybkość chłodzenia rdzenia Na rysunku 5.29 przedstawiono również wykres CTP, na którym naniesiono linie szybkości chłodzenia: powierzchni – Vp i rdzenia - Vr próbki oraz zaznaczono szybkość krytyczną Vkr. Jest oczywiste, że ze zmniejszeniem krytycznej szybkości hartowania wzrasta głębokość warstwy zahartowanej. Tak więc, im mniejsza jest Vkr dla danej stali, tym większa jest jej hartowność. Wartość Vkr jest ściśle związana z szybkością przemiany austenitu w struktury perlityczne, a zatem z położeniem krzywej początku przemiany na wykresie CTP, które z kolei zależne jest od gatunku stali. Głębokość warstwy zahartowanej zmienia się także zależnie od użytego środka oziębiającego. Jeżeli środek oziębiający szybciej będzie odbierał ciepło ze stali, to na większej głębokości od powierzchni stal będzie chłodzona z szybkością większą od krytycznej. Na przykład warstwy zahartowane w przedmiotach chłodzonych w wodzie są grubsze niż warstwy po hartowaniu w oleju. Jako głębokość warstwy zahartowanej przyjmuje się zwykle umownie odległość od powierzchni do początku warstwy o strukturze półmartenzytycznej, czyli do tej warstwy przekroju, w której struktura składa się w 50% z martenzytu i w 50% ze struktur niemartenzytycznych. Największa średnica pręta okrągłego, przy której zachodzi zahartowanie na wskroś (tj. w środku pręta będzie 50% martenzytu), nazywana jest średnicą krytyczną Do. Strefę półmartenzytyczną można łatwo określić na podstawie badań mikrostruktury lub, co jest łatwiejsze, na podstawie pomiarów twardości. Należy zaznaczyć, że twardość strefy półmartenzytycznej, podobnie jak twardości martenzytu, zależy od zawartości węgla i dla różnych gatunków stali będzie inna.
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 (rys . 5.30). 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. Na rysunku 5.31 przedstawione są dwa wykresy zbiorcze dla stali węglowej o zawartości 0,4% C i stali chromowej o zawartości 0,45% C i 1,0% Cr. Twardość struktury półmartenzycznej dla stali o tej zawartości węgla wynosi ok. 45 HRC. Jak widać na wykresie, stal stopowa ma większą hartowność, gdyż próbka o średnicy 50 mm zahartowała się na wskroś (Do = 50 mm), natomiast
83 JW w przypadku stali węglowej na wskroś zahartowała się jedynie próbka o średnicy ok. 15 mm (Do = 15 mm).
Rys. 5.30. Badanie hartowności stali metodą krzywych U. Rozkład twardości na przekroju próbki
Rys. 5.31. Krzywe U dla prętów o różnej średnicy: a) stal węglowa o zawartości 0,45% C, b) stal stopowa o zawartości 0,40% C i 1,0% Cr
Metoda Jominy'ego. Metoda krzywych U jest dość kłopotliwa, gdyż wymaga wykonania 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 (φ 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 (rys. 5.31). Korzystając z tego wykresu oraz znając twardość struktury półmartenzytycznej dla danej stali, można określić, w jakiej odległości od czoła otrzymamy strukturę półmartenzytyczną. Następnie na podstawie odpowiednich nomogramów uwzględniających ośrodek chłodzący można określić średnicę krytyczną Dp badanej stali. Wykonując szereg prób hartowności dla różnych wytopów tego samego gatunku stali i nanosząc wyniki pomiarów twardości na ten sam wykres, otrzymuje się tzw. pasmo hartowności (rys. 5.32
84
JW
Rys. 5.32 Kształt i wymiary próbki do badania hartowności metodą Jominy'ego; na tle próbki krzywa rozkładu twardości wzdłuż tworzącej
Rys.5.33. Pasmo hartowności dla stali węglowej o zaw. ok. 0,50% C
5.7. Odpuszczanie
Hartowanie martenzytyczne jest pierwszym etapem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych. Mała plastyczność i duże naprężenia własne uniemożliwiają bezpośrednie stosowanie stali konstrukcyjnej w takim stanie, jaki otrzymuje się po hartowaniu. Niezbędny jest następny zabieg cieplny - odpuszczanie, który zwiększa plastyczność i ciągliwość, a zmniejsza naprężenia własne. Odpuszczanie jest więc końcowym zabiegiem obróbki cieplnej (ulepszania cieplnego) stali konstrukcyjnej, ustalającym ostatecznie jej własności. Wyjątek stanowi tu jedynie hartowanie bainityczne, po którym odpuszczanie nie jest wymagane. Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Zależnie od stosowanej temperatury rozróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie. Odpuszczanie niskie przeprowadza się w zakresie temperatury 150-250°C celem usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie. Stosuje się głównie do stali narzędziowych. Odpuszczanie średnie przeprowadza się w zakresie temperatury 250-500°C w celu uzyskania przez stal dużej wytrzymałości i sprężystości. Twardość ulega przy tym dość znacznemu obniżeniu. Tego rodzaju odpuszczaniu poddaje się sprężyny, resory, matryce, części silników, samochodów itp. Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w zakresie temperatury powyżej 500°C i poniżej Acl. Ma ono na celu m.in. uzyskanie możliwie najwyższej udarności dla danej stali, przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku Re do Rm. Stal konstrukcyjna odpuszczona wysoko po hartowaniu uzyskuje strukturę sorbityczną i odznacza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze perlitycznej. Podczas wysokiego odpuszczania, poza zmianami strukturalnymi, zachodzi
85 JW jednocześnie prawie całkowite usunięcie naprężeń powstałych podczas hartowania. Odpuszczanie wysokie stosuje się do większości stali konstrukcyjnych. Temperaturę i czas odpuszczania dobiera się w zależności od własności, jakie mają być otrzymane. Schemat zmian własności mechanicznych stali konstrukcyjnych w zależności od temperatury odpuszczania przedstawiony jest na rys. 5.34.
Rys. 5.34. Zmiana własności mechanicznych stali konstrukcyjnej w zależności od temperatury odpuszczania
Kruchość odpuszczania. Temperatura odpuszczania i szybkość chłodzenia przy odpuszczaniu mają znaczny wpływ na udarność konstrukcyjnej stali stopowej. W przypadku powolnego chłodzenia stali po odpuszczaniu krzywa charakteryzująca jej udarność ma dwa
minima: dla około 300°C i około 500 ÷ 600°C. Jest to zjawisko tzw. kruchości odpuszczania pierwszego i drugiego rodzaju.
Rys. 5.35. Wpływ temperatury odpuszczania i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu na udarność stali
Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania w temperaturze około 300°C niezależnie od składu chemicznego stali i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu (rys. 5.35 i 5.36). Z tego względu należy unikać odpuszczania w tym zakresie temperatury.
86
JW
Rys. 5.36. Udarność stali w różnych temperaturach w zależności od szybkości chłodzenia po odpuszczaniu
Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju ujawnia się po odpuszczaniu w temperaturze powyżej 500°C w przypadku, gdy po odpuszczaniu przedmiot jest chłodzony powoli, natomiast w razie szybkiego chłodzenia udarność nie zmniejsza się, wzrasta monotonicznie z podwyższaniem temperatury odpuszczania (rys. 5.35.). Wzrost szybkości chłodzenia po odpuszczaniu powoduje również przesunięcie progu kruchości w kierunku niższych temperatur (rys. 5.36). Skłonność do kruchości odpuszczania drugiego rodzaju wykazują tylko niektóre konstrukcyjne stale stopowe np. chromowo-manganowe, chromowo-niklowe lub chromowo-wanadowe, natomiast nie są do niej skłonne np. stale węglowe i stale stopowe z dodatkiem Mo. 5.8. Przesycanie i starzenie stopów żelaza Przesycaniem nazywa się operację cieplną polegającą na: 1) 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 (rys. 4.37). 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.
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 zabiegu jest rozpuszczenie węglików i uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej. Obróbka taka zwiększa przede wszystkim odporność na korozję międzykrystaliczną stali typu 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Przesycanie stosuje się również w przypadku wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych własnościach magnetycznych. Zabieg ten ponadto jest szeroko stosowany do wielu stopów metali nieżelaznych.
87 JW Starzenie polega na nagrzaniu i wytrzymaniu uprzednio przesyconego roztworu w temperaturze znacznie niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności w celu wydzielenia o odpowiednim stopniu dyspersji składnika lub składników znajdujących się w nadmiarze w przesyconym roztworze stałym. W przypadku niektórych stopów procesy starzenia zachodzą już w temperaturze otoczenia, co nosi nazwę starzenia naturalnego (samorzutnego). W czasie starzenia zachodzą zmiany strukturalne zbliżające skład stopu do stanu równowagi. Wydzielanie się w czasie starzenia składnika (znajdującego się w przesyconym roztworze stałym) w postaci skupień lubfaz o dużej dyspersji powoduje utwardzanie stopu. Z tego względu połączenie zabiegów przesycenia i starzenia nosi nazwę utwardzania wydzieleniowego. W stalach niskowęglowych przeznaczonych do głębokiego tłoczenia, a także w stalach kotłowych starzenie jest niekorzystne, gdyż obniża plastyczność i powoduje kruchość. Zjawisko to występuje silniej w stalach nieuspokojonych, gdyż oprócz węgla w ferrycie rozpuszczony jest także azot, który tworzy z żelazem fazę międzywęzłową Fe4N. Szybkie chłodzenie np. od temperatury walcowania powoduje zatrzymanie prawie całej ilości rozpuszczonych składników w ferrycie, które następnie wydzielają się podczas starzenia, zwłaszcza na granicach ziarn. Starzenie może zachodzić już w temperaturze otoczenia, zwłaszcza w ciągu dłuższych okresów czasu, i powoduje pogorszenie własności plastycznych stali.
08_obrobka_cieplna
63 5. OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ŻELAZA Związek mikrostruktury z własnościami mechanicznymi stali
JW
Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali są związane z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej, tj. od różnorodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlegała. Wykorzystując fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali można doprowadzić do wytworzenia się w niej najbardziej pożądanych składników strukturalnych, nadających je określone własności wytrzymałościowe. I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wyżarza się zmiękczająco lub normalizuje, w wyniku czego powstaje struktura ferrytyczno-perlityczna, odznaczająca się małą twardością i wytrzymałością, ale dość znaczną ciągliwością. Własności takie ułatwiają wykonanie obróbki wiórowej, więc w tym przypadku są one pożądane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego. Natomiast w gotowym wyrobie, podlegającym znacznym naprężeniom, struktura ferrytycznoperlityczna często nie zapewnia wystarczającej wytrzymałości i twardości. W celu polepszenia tych własności, przy jednoczesnym uzyskaniu dobrej ciągliwości i udarności, stosuje się ulepszanie cieplne, polegające na hartowaniu i odpuszczaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura sorbityczna. Stal w stanie ulepszonym jest materiałem konstrukcyjnym znacznie bardziej wartościowym niż ta sama stal w stanie nieulepszonym. Dlatego jest regułą, że wysokojakościową stal konstrukcyjną, zwłaszcza stopową, należy stosować jedynie w stanie ulepszonym. Z kolei wyroby podlegające ścieraniu (np. narzędzia) powinny odznaczać się bardzo dużą twardością. Wykorzystuje się wtedy wysoką twardość jaką odznacza się struktura martenzytyczna powstająca przy hartowaniu. 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 cieplnochemiczną. Związek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi Aby do danego stopu można było stosować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny się w nim dokonywać przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinne zachodzić przemiany alotropowe lub powinna występować wyraźna zmiana rozpuszczalności pewnych jego składników. Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić. W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt (rys. 5.1). Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych temperatur A1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A2 jest temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A3, wyznaczona przez punkty leżące na linii GS, jest temperaturą graniczną równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym. Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik r w przypadku chłodzenia (np. Ac1, Ar3).
64
JW
Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej żelazo-cementyt 5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali związane z obróbką cieplną Przemiany fazowe w stali są wynikiem tego, że wskutek zmiany warunków, np. temperatury, jeden stan staje się mniej trwały niż drugi. To właśnie jest przyczyną przemian zachodzących w stali. Należy zaznaczyć, że może w niej występować kilka podstawowych struktur, a istotą najważniejszych przemian jest właśnie przejście jednej struktury w drugą. Tymi podstawowymi strukturami są: ferryt Feα(C) stały roztwór węgla w żelazie α, austenit Feγ(C) stały roztwór węgla w żelazie γ , martenzyt Feα'(C) stały, przesycony roztwór węgla w żelazie α (jest to faza metastabilna), perlit (Feα(C)+Fe3C) eutektoidalna mieszanina ferrytu Feα(C) i cementytu Fe3C. W procesach obróbki cieplnej stali występują następujące podstawowe przemiany I. Przemiana ferrytu w austenit Feα(C) → Feγ(C) II. Przemiana austenitu w ferryt Fe γ(C) → Feα(C) III. Przemiana perlitu w austenit (Feα(C) + Fe3C) → Feγ(C) IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) Feγ(C) → Feα(C) + Fe3C V. Przemiana austenitu w martenzyt Feγ(C) → Fe’α(C) VI. Przemiana martenzytu w mieszaninę ferrytu i cementytu Fe’α(C) → Feα(C) + Fe3C
65 5.1.1. Przemiana perlitu w austenit
JW
Przemiana perlitu w austenit przebiega powyżej temperatury równowagi austenitu z ferrytem i cementytem. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, tj. zachodzi rozpuszczanie się cementytu i równomierne rozmieszczanie się węgla w austenicie drogą dyfuzji. W zwykłych warunkach stosunkowo szybkiego nagrzewania stali występuje opóźnienie przemiany i konieczne jest podwyższenie temperatury, aby przemiana zaszła w określonym czasie. Perlit przegrzany powyżej temperatury Ac1 przemienia się w austenit z różną szybkością, zależnie od stopnia przegrzania. Szybkość przebiegu tej przemiany zależy również w znacznym stopniu od początkowej struktury stali, tj. od stopnia dyspersji cementytu i od jego kształtu. Im drobniejsze są cząstki cementytu, a tym samym większa ich ogólna powierzchnia, tym szybciej zachodzą opisane przemiany. Zabieg cieplny polegający na wygrzewaniu stali w celu wytworzenia struktury austenitu przed chłodzeniem nazywany jest austenityzowaniem. 4.1.2. Zmiana wielkości ziarna austenitu Przekroczenie temperatury przemiany Ac1 zaznacza się raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo powstałe ziarna austenitu są zawsze bardzo drobna i w zasadzie ich wymiary nie zależą od wielkości ziarn perlitu, z którego utworzył się austenit. Rozdrobnienie ziarna austenitu w czasie przemiany jest związane z tworzeniem się dużej liczby zarodków nowych ziarn na olbrzymiej i bardzo rozwiniętej powierzchni granicznej między ferrytem i cementytem. Dalsze nagrzewanie (lub wygrzewanie) po dokonanej przemianie wywołuje rozrost ziarn austenitu (rys. 5.2 i 5.3).
Rys. 5.2. Schemat zmiany wielkości ziarna stali eutektoidalnej w czasie nagrzewania powyżej temperatury A1 Zjawisko rozrostu jest procesem samorzutnym, gdyż jego następstwem jest zmniejszenie łącznej powierzchni ziarn (zmniejsza się energia powierzchniowa), wysoka temperatura zapewnia dostatecznie szybki przebieg tego procesu. W praktyce rozróżnia się dwa typy stali (rys. 5.3): stale wykazujące skłonność do rozrostu ziarn austenitu, który zaczyna się po niewielkim przekroczeniu temperatury Ac1 — stale te nazywamy gruboziarnistymi; stale nie mające skłonności do rozrostu ziarn austenitu bezpośrednio po przekroczeniu temperatury Ac1 W stalach tych ziarno zaczyna się rozrastać dopiero po nagrzaniu ich do temperatury ok. 1000°C. Zbyt wysokie i długotrwałe wygrzewanie stali podczas austenityzowania powoduje więc rozrost ziarn austenitu. Z kolei wielkość ziarna perlitu zależy od wyjściowej wielkości ziarna austenitu, z którego powstał perlit. Im większe są ziarna austenitu, tym większe tworzą się na ogół ziarna perlitu. Powstanie struktury gruboziarnistej jest niepożądane, gdyż stal taka charakteryzuje się niższą wytrzymałością i udarnością. Dlatego w czasie austenityzowania stali skłonnych do rozrostu ziarna należy ściśle przestrzegać określonych temperatury i czasu grzania.
66
JW
Rys. 5.3. Schemat przedstawiający zmianę wielkości ziarna austenitu w czasie nagrzewania stali gruboziarnistej (krzywa a) i stali drobnoziarnistej (krzywa b)
Rys. 5.4. Stal węglowa o zawartości 0,45%C w stanie wyżarzonym o strukturze gruboziarnistej. Widoczne ciemne pola perlitu i jasne ziarna ferrytu. 5% Nital. Powiększ.100x
Rys. 5.5. Stal węglowa o zawartości 0,45% C w stanie normalizowanym. Struktura drobnoziarnista. Traw. 5% Nitalem. Powiększ. 100x
Na rysunku 5.4 przedstawiona jest struktura stali węglowej podeutektoidalnej o zawartości 0,45% C w stanie przegrzanym, charakteryzującej się dużym ziarnem. Z kolei na rys. 5.5 widoczna jest struktura drobnoziarnista tej samej stali w stanie normalizowanym, tj. po nagrzewaniu do temperatury tylko ok. 30 ÷ 50 oC powyżej temperatury A3 i chłodzeniu na powietrzu. 5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze niższej niż A1. Rozpoczyna się przy pewnym przechłodzeniu, gdy energia swobodna mieszaniny ferrytu z cementytem (perlitu) stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu. Im niższa jest temperatura przemiany, tj. im większe przechłodzenie, tym większa jest różnica swobodnych energii i tym szybciej przebiega przemiana. Z drugiej strony przemianie austenitu w perlit towarzyszy dyfuzja połączona z przegrupowaniem węgla, gdyż powstają dwie fazy znacznie różniące się zawartością węgla od austenitu. Ferryt zawiera bardzo mało węgla (maks. ok. 0,02%). cementyt zaś 6,67% węgla. Szybkość dyfuzji raptownie zmniejsza się przy obniżaniu temperatury, w związku z tym wzrost przechłodzenia powoduje zmniejszenie szybkości przebiegu przemiany. W wyniku łącznego działania obu czynników szybkość przemiany początkowo zwiększa się ze wzrostem przechłodzenia, osiągając przy pewnej wartości przechłodzenia swe maksimum, a potem zmniejsza się.
67 Wykresy CTP
JW
Przebieg procesu przemiany przechłodzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywać na podstawie wykresów rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura, przemiana). Na wykresach tych naniesione są linie początku i końca przemian we współrzędnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozróżnia się wykresy dla przemian austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w warunkach chłodzenia ciągłego, oznaczane CTPc. Na rysunku 4.6 podany jest schematycznie wykres CTP; dla stali węglowej eutektoidalnej. Trwałość przechłodzonego austenitu zmienia się w zależności od temperatury. Dla stali eutektoidalnej przy małych przechłodzeniach trwałość austenitu jest duża, następnie zmniejsza się i minimum występuje w temperaturze ok. 500°C, po czym znowu trwałość austenitu jest coraz większa aż do temperatury ok. 200°C, poniżej której przechłodzony austenit przechodzi w martenzyt. Wykresy CTPi, buduje się wykorzystując krzywe kinetyczne przemiany austenitu, dla określonego stopnia przechłodzenia, wskazujące ilość wytworzonego perlitu w zależności od czasu jaki upłynął od początku przemiany.
Rys. 5.6. Wykres CTPi przedstawiający linie początku i końca przemian austenitu przechłodzonego w warunkach izotermicznych Na rysunku 5.7 pokazano kilka krzywych kinetycznych obrazujących przebieg przemiany w różnych temperaturach, a więc i przy różnych stopniach przechłodzenia. Jak widać, w początkowym okresie przemiana odbywa się z bardzo małą prędkością, jest to tzw. okres inkubacyjny. Punkty p1, p2, p3 wskazują czas, w którym doświadczalnie stwierdza się początek przemiany (wytworzone jest już wówczas ok. 0,5% perlitu). W miarę upływu czasu wzrasta szybkość przemiany (szybkość ta jest maksymalna, gdy przemianie uległo ok. 50% austenitu), następnie przebiega ona coraz wolniej, aż wreszcie kończy się w punktach k1, k2, k3. Z krzywych kinetycznych obrazujących przemianę austenitu w perlit odmierza się czasy od początku chłodzenia do początków i końców przemiany, a odpowiadające im przy różnych temperaturach punkty p i k rozmieszcza się w układzie temperatura-log czasu, na prostych poziomych odpowiadających tym temperaturom. Otrzymuje się w ten sposób wykres CTPi, (rys. 5.7 II). Struktury, jakie otrzymuje się w wyniku przemiany, zależą od stopnia przechłodzenia austenitu, czyli od temperatury przemiany. Zakres temperatury od A1 do ok. 500°C odpowiada przemianie austenitu w perlit. Perlit utworzony w temperaturze wysokiej przy małym stopniu przechłodzenia jest grubopłytkowy.
68 JW Natomiast w miarę obniżania temperatury perlit staje się coraz drobniejszy, jego płytki stają się coraz cieńsze i powstaje struktura o stosunkowo dużym stopniu dyspersji, która nosi nazwę perlitu drobnego.
Rys. 5.7. Wykres izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej; A - austenit, P - perlit, B - bainit, M –martenzyt Stopień dyspersji perlitu wpływa na jego własności mechaniczne, tak np. twardość perlitu grubego w przypadku stali węglowej eutektoidalnej wynosi ok. 15 HRC, a perlitu bardzo drobnego dochodzi do 40 HRC (rys. 5.7). W stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przemiana perlityczna poprzedzona jest innymi przemianami strukturalnymi. W stali podeutektoidalnej z austenitu tworzy się najpierw ferryt, a w stalach nadeutektoidalnych przed rozpoczęciem przemiany perlitycznej wydziela się z austenitu cementyt (rys. 5.8). Dalsza przemiana perlityczna przebiega podobnie, jak w stali eutektoidalnej. Na rysunku 5.9 podany jest schematycznie wykres CTPi, dla stali węglowej podeutektoidalnej, na którym naniesiono dodatkowe linie przemian izotermicznych (dla różnych temperatur) prowadzących do powstania odpowiednich struktur. Z kolei rys. 5.10 przedstawia wykres dla tej samej stali ale przy chłodzeniu ciągłym (CTPc); zaznaczono również linie chłodzenia prowadzące do powstania różnych struktur.
Rys. 5.8. Wykres CTP dla stali: a) podeutektoidalnej, b) nadeutektoidalnej
69 JW Obniżenie temperatury rozpadu austenitu powoduje, że przemiana zachodzi w warunkach utrudnionej dyfuzji. Struktura produktów rozpadu austenitu w takich linkach nosi nazwę bainitu. W przypadku stali eutektoidalnych przemiana austenitu w bainit zachodzi w temperaturze ok. 500-200°C (rys. 5.6, 5.7), przy czym rozróżnia się bainit dolny o strukturze drobnoiglastej i jeszcze większym stopniu dyspersji wydzieleń cementytu. W odróżnieniu od perlitu ferryt w bainicie zawiera znacznie więcej węgla (tym więcej, im niższa była temperatura przemiany). Bainit górny wykazuje twardość ok. 45 HRC, natomiast twardość bainitu dolnego wynosi ok. 55 HRC. Tę stosunkowo dużą twardość tłumaczy się znaczną dyspersją struktury oraz zniekształceniem sieci.
Rys. 5.10. Wykres przemian austenitu w warunkach chłodzenia ciągłego (CTPc) dla stali podeutektoidalnych Przykładowe wykresy CTPi I CTPc dla stali 45 (węglowa konstrukcyjna wyższej jakości) przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5.11 i 5.12.
Rys. 5.11. Wykres CTPi stali 45
70
JW
Rys. 5.12. Wykres CTPc stali 45 Na wykresach CTPi izotermy reprezentują temperatury Ac1, Ac3 lub Acm oraz Ms i Mf. Krzywe między izotermami Ac1 i Ms przedstawiają początek i koniec przemian dyfuzyjnych. Dodatkowa linia przed krzywą początku przemiany odpowiada początkowi wydzielania ferrytu lub cementytu (węglików) w stalach odpowiednio przed- lub zaeutektoidalnych. Czasami na wykresach umieszcza się dodatkowo: krzywa odpowiadającą zaawansowaniu przemian dyfuzyjnych w 50%, izotermy odpowiadające uzyskaniu 20, 50 lub 90% martenzytu oraz podaje twardości struktur- produktów przemian. Na wykresach CTPc ponadto nanoszone są linie reprezentujące poszczególne szybkości chłodzenia i odpowiadające im twardości Brinella lub Vickersa (w kółkach). 5.1.4. Przemiana austenitu w martenzyt Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poniżej określonej dla danej stali temperatury, oznaczonej zwykle symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura końca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W przypadku stali węglowych temperatury Ms i, Mf obniżają się wraz ze wzrostem zawartości węgla i składników stopowych, tak że przy większej ich zawartości temperatura Mf może być niższa od 0°C (rys. 5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko częściowo W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilość tzw. austenitu szczątkowego. Ze względu na niską temperaturę procesu przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną. W jej wyniku następuje przebudowa sieci sześciennej zwartej (regularnej ściennie centrowanej) austenitu na sieć sześcienną centrowaną (regularną przestrzennie centrowaną) żelaza alfa bez dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt w stalach węglowych jest więc przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie alfa. Wtrącony międzyatomowo węgiel zniekształca strukturę żelaza alfa, tak, że po przemianie martenzyt ma sieć tetragonalną. Stopień tetragonalności zwiększa się proporcjonalnie do zawartości węgla w martenzycie; przy zawartości ok. 1,2% C stopień tetragonalności, czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05. Makroskopowo martenzyt ma charakterystyczną strukturę iglastą, co tłumaczy się tym, że martenzyt składa się z płytek przesyconego węglem ferrytu, które w płaszczyźnie przecięcia (wykonania szlifu metalograficznego) są podobne do igieł (rys. 5.14).
71 JW Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury w zakresie od Ms do Mf.. Przy stałej temperaturze powstawanie martenzytu ustaje. Ponadto przemiana austenitu w martenzyt może zajść dopiero przy odpowiednio dużej szybkości chłodzenia. Najmniejsza szybkość chłodzenia, w wyniku której austenit przechodzi wyłącznie w martenzyt, nazywana jest krytyczną szybkością chłodzenia Vk (rys. 5.15).
Rys. 5.13. Położenie punktów początku Ms i końca Mf przemiany martenzytycznej w zależności od zawartości węgla
Rys. 5.14. Typowa struktura martenzytu. Stal 35 zahartowana w wodzie. Traw. 2% Nitalem, x500
Rys. 5.15. Przebieg chłodzenia stali z różną szybkością na tle wykresu CTP; Vk —szybkość krytyczna chłodzenia Na kształt krzywych CTP duży wpływ mają składniki stopowe dodawane do stali konstrukcyjnych. Składniki te powodują przesunięcie linii początku i końca przemiany austenitu w prawo w stosunku do położenia tych linii dla stali węglowych (rys. 5.16a) lub powodują jednoczesne przesunięcie i zmianę kształtu tych linii polegającą na ich rozdwojeniu (rys. 5.16b). Zjawisko to jest korzystne o tyle, że krytyczna szybkość chłodzenia Vk dla stali stopowych jest w rezultacie znacznie niższa niż w przypadku stali węglowych.
72
JW
Rys. 4.14. Porównanie położenia i kształtu linii początku przemiany przechłodzonego austenitu na wykresach CTP: a) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki nie tworzące węglików, b) dla stali węglowej i dla stali stopowych zawierających pierwiastki węglikotwórcze 4.1.5. Przemiany zachodzące podczas odpuszczania martenzytu Martenzyt, który powstaje w wyniku szybkiego chłodzenia austenitu, czyli hartowania, jest strukturą metastabilną, która już po niewielkim podgrzaniu zaczyna ulegać przemianom. Operacja obróbki cieplnej, polegająca na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur leżących poniżej temperatury A1, i następnie chłodzeniu, nosi ogólnie nazwę odpuszczania. Podczas odpuszczania martenzytu w stalach węglowych i niskostopowych można obserwować kolejno, w poszczególnych zakresach temperatur, następujące zmiany: I. W zakresie temperatury 80-200°C następuje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny - zwany też martenzytem odpuszczonym - co związane jest z wydzielaniem węgla z martenzytu w postaci węglika ε. Węglik ten wykazuje zmienny skład wahający się w granicach Fe2C-Fe3C. Przemiana w tym zakresie temperatury związana jest ze skurczem próbki, co można zarejestrować za pomocą badań dylatometrycznych (rys. 5.17).
Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiająca różne stadia przemian zachodzących w czasie odpuszczania stali zahartowanej; ∆l - przyrost długości próbki
73 JW II. W zakresie temperatury 200 -300°C zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony i węglik żelaza, a także zachodzi w dalszym ciągu wydzielanie węglika z martenzytu. Ponieważ objętość właściwa austenitu jest mniejsza niż martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje się rozszerzanie się próbki (rys. 5.18). III. W zakresie temperatury 300-400°C następuje zarodkowanie i wzrost wydzieleń cementytu Fe3C, przy czym węglik ε rozpuszcza się, a węgiel dyfunduje do rosnących wydzieleń cementytu Fe3C. W tym stadium zachodzi również intensywny proces zanikania naprężeń własnych. W temperaturze ok. 400°C zawartość węgla w ferrycie osiąga już wartość odpowiadającą stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje się skurcz próbki. IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powyżej 400°C następuje proces koagulacji wydzieleń cementytu, a wyjściowe igły martenzytu ulegają zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwyższych temperaturach odpuszczania procesami dominującymi stają się rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura składa się z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazwę sorbitu (rys. 5.18).
Rys. 5.18. Mikrostruktura stali o zawartości 0,35% C zahartowanej i odpuszczonej w 600°C. Sorbit. Traw. 2% Nitalem. x500 Na rysunku 4.17 przedstawione są schematycznie kolejne stadia procesów zawodzących w czasie odpuszczania zahartowanej stali.
Rys. 5.19. Schemat przedstawiający procesy zachodzące podczas odpuszczania zahartowanej stali
74 5.2. Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stali
JW
Schemat klasyfikacji podstawowych operacji obróbki cieplnej zwykłej stopów żelaza przedstawiono na rys. 5.20. W obróbce cieplnej stali rozróżnia się trzy główne grupy operacji cieplnych: operacje wyżarzania, operacje hartowania i odpuszczania, operacje przesycania i starzenia. Największe znaczenie spośród wymienionych rodzajów obróbki cieplnej stali ma hartowanie martenzytyczne z następującym po nim odpuszczaniem, czyli tzw. ulepszanie cieplne lub utwardzanie cieplne. Ulepszanie cieplne polepsza znacznie cały zespół mechanicznych własności stali i jest obecnie podstawowym rodzajem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych. 5.3. 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 stali, z których każdy ma na celu osiągnięcie określonych własności materiału, często bardzo różniących się pomiędzy sobą (rys. 5.20). Zakresy temperatury, w jakich przeprowadza się poszczególne, ważniejsze rodzaje operacji wyżarzania, podane są na rys. 5.21.
Rys. 5.20. Podstawowe operacje obróbki cieplnej zwykłej stopów żelaza Wyżarzanie ujednorodniające (ujednorodnianie, homogenizowanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury niewiele niższej od temperatury solidusu, długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu w celu zmniejszenia niejedno-rodności składu chemicznego i struktury. Zakres praktycznie stosowanej temperatur} wynosi ok. 1050-1250°C. Czas wygrzewania wynosi dla wlewków ok. 12-15 h Niejednorodność składu chemicznego występuje w stali na skutek likwacji w czasie krzepnięcia wlewka oraz segregacji dendrytycznej. Podczas wygrzewana pierwiastki nierównomiernie rozłożone w stali, np. węgiel lub składniki stopowe dyfundują z miejsc bogatszych do uboższych, przez co wyrównuje się skład chemiczny stali. Przez ujednorodnianie można zmniejszyć w znacznym stopniu segregację dendrytyczną, nie daje się natomiast usunąć likwacji strefowej, co może nastąpić dopiero przez obróbkę plastyczną, np. kucie lub walcowanie. Wysoka temperatura i długi czas wyżarzania ujednorodniającego powodują silny rozrost ziarna i dlatego w celu poprawienia struktury przeprowadza się dodatkową obróbkę cieplną — wyżarzanie normalizujące. Podczas ujednorodniania zachodzą również takie niekorzystne procesy, jak odwęglenie powierzchniowe i utlenienie powierzchni, co powoduje straty materiału.
75
JW
Rys. 5.20. Zakresy temperatury wyżarzana stali węglowych na tle wykresu żelazo-cmentyt Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu stali ok. 30-50°C powyżej Ac3 lub Acm (w przypadku stali nadeuktoidalnych), wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w spokojnym powietrzu w celu uzyskania drobnego ziarna i równomiernego rozłożenia składników strukturalnych. Stosunkowo krótkie czasy wygrzewania i dość szybkie chłodzenie w spokojnym powietrzu powoduje uzyskanie korzystnej struktury drobnoziarnistej (rys. 5.5). Normalizowanie polepsza własności wytrzymałościowe stali i w pewnych przypadkach poprawia jej przydatność do obróbki mechanicznej przez skrawanie. Normalizowanie stosuje się też często przed dalszą obróbką cieplną w seryjnej produkcji celem nadania stali jednakowej struktury wyjściowej, co ma wpływ na własności stali po obróbce cieplnej. Wyżarzanie zupełne różni się od normalizowania tylko sposobem studzenia stali. Polega na nagrzaniu stali powyżej Ac3 i następnie powolnym studzeniu (zwykle z piecem) do temperatury poniżej Ar1, w celu zupełnego przekrystalizowania stali. Dalsze studzenie może się już odbywać na wolnym powietrzu. Wyżarzaniu temu poddaje się szczególnie stale stopowe, w przypadku których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu po normalizowaniu jest tak duża, że może już doprowadzić do zahartowania. Stal po wyżarzaniu zupełnym ma dobrą plastyczność, małą twardość i dobrą obrabialność. Wyżarzanie niezupełne jest to wygrzewanie stali podeutektoidalnej w zakresie temperatury Ac1 ÷ Ac3 i studzenie do temperatury poniżej Ar1 w celu częściowego przekrystalizowania stali. Jako celowa obróbka cieplna ten rodzaj wyżarzania jest rzadziej stosowany. Wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzowanie) polega na nagrzaniu do temperaturyty bliskiej Ac1 (nieco wyższej), wygrzewaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu sferoidyzacji węglików. Czas wygrzewania jest stosunkowo długi i może wynosić od kilku do kilkudziesięciu godzin. W wyniku wyżarzania sferoidyzującego otrzymuje się strukturę ziarnistego cementytu w osnowie ferrytycznej (rys. 5.21). Cementyt ziarnisty powstaje przez koagulację podczas wygrzewania w temperaturze bliskiej Ac1. Zaokrąglenie wydzieleń cementytu następuje w tych warunkach przez dążność tej fazy do zmniejszenia energii powierzchniowej. Struktura taka charakteryzuje się małą twardością, co zapewnia optymalną podatność na odkształcenia plastyczne przy obróbce plastycznej na zimno, a także dobrą skrawalność. W stali eutektoidalnej i nadeutektoidalnej wyżarzanie sferoidyzujące pozwala otrzymać korzystną strukturę wyjściową do hartowania pod warunkiem, że cementyt będzie drobny i równomiernie rozłożony w osnowie ferrytu (rys, 5.21).
76
JW
Rys.5.21. Cementyt ziarnisty (sferoidyt) w stali o zawartości ok. 1% C. Traw. 5% nitalem.x500 Wyżarzanie zmiękczające (zmiękczanie) jest to wyżarzanie mające na celu zmniejszenie twardości. Przeprowadza się je zwykle w temperaturze bliskiej Ac1 Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizowanie) jest to wyżarzanie stali utwardzonej plastycznie na zimno, w temperaturze wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, w celu usunięcia skutków zgniotu i uzyskania określonej wielkości ziarna. W praktyce wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się najczęściej jako zabieg międzyoperacyjny, który usuwa skutki zgniotu, co umożliwia wykonywanie dalszych operacji obróbki plastycznej na zimno. Zakres temperatury wyżarzania rekrystalizującego jest podany na rys. 5.20. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń możliwie bez wprowadzenia zmian strukturalnych w stali. Naprężenia występują w odlewach, spoinach materiałach odkształconych plastycznie oraz hartowanych. Naprężenia te mogą być w pewnych przypadkach tak znaczne, że powodują powstawanie pęknięć w materiale. Aby temu zapobiec, stosuje się wyżarzanie odprężające, polegające na nagrzaniu i wygrzaniu przedmiotu w temperaturze poniżej Ac1 i powolnym studzeniu Zależnie od rodzaju materiału oraz od przyczyn wywołujących naprężenia stosuje się różną temperaturę (rys. 5.20) i różny czas wygrzewania. Na ogół im wyższa temperatura, tym krótszy czas wygrzewania (do kilku godzin). 5.4. Hartowanie Hartowanie polega na nagrzewaniu przedmiotu do temperatury, w której następuje wytworzenie struktury austenitu, i następnie szybkim chłodzeniu w wodzie lub oleju w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Temperaturę hartowania stali określa się w zależności od temperatur Ac1 Ac3 Acm. Optymalna temperatura hartowania stali podeutektoidalnych jest zwykle wyższa o 30 ÷ 50°C od temperatury Ac3, a stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych - wyższa o 30 ÷ 50°C od Acm. Zakres temperatury hartowania stali węglowych podany jest schematycznie na rys. 5.22 na tle wykresu żelazo-cementyt.
Rys. 5.22. Zakres temperatury hartowania stali węglowych
77 JW Hartowanie stali podeutektoidalnych od temperatury wyższej od Ac1 lecz niższej Ac3 jest niekorzystne, ponieważ w strukturze martenzytu występuje również pewna ilość wolnego ferrytu, który zmniejsza twardość i pogarsza własności mechaniczne po odpuszczeniu. Natomiast w przypadku stali nadeutektoidalnych zakres temperatury hartowania powyżej Ac1 i poniżej Acm (rys. 5.22) jest korzystny. Nie uzyskuje się wprawdzie pełnego przejścia stali w austenit, lecz pozostający w strukturze cementyt drugorzędowy jest składnikiem o wysokiej twardości i nie pogarsza własności mechanicznych. Nagrzewanie zaś powyżej Acm jest niebezpieczne i zbyteczne, ponieważ nie zwiększa twardości stali zahartowanej, lecz przeciwnie - nawet nieco zmniejsza wskutek zwiększenia ilości austenitu szczątkowego i rozpuszczania się cementytu. Ponadto podczas nagrzewania powyżej Acm rośnie ziarno austenitu i zwiększa się możliwość powstania dużych naprężeń hartowniczych. Rozrost ziarn austenitu powoduje, że w stali zahartowanej otrzymuje się strukturę martenzytu o grubych igłach i grubokrystaliczny przełom, co jest powodem małej ciągliwości i niskiej udarności stali. 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 (rys. 5.23a). 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.
Rys. 5.23. Różne rodzaje hartowania stali. Schemat przebiegu chłodzenia na tle wykresu CTP: a) hartowanie zwykłe, b) hartowanie stopniowe, c) hartowanie z przemianą izotermiczną (bainityczne); p — powierzchnia, r — rdzeń przedmiotu 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 - rys. 5.23b. 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 (rys. 5.23c). 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.
78 5.5. Hartowanie powierzchniowe
JW
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury powyżej Ac3 (temperatury austenityzacji) i oziębieniu z dużą szybkością niezbędną do uzyskania struktury martenzytycznej w tej warstwie. Celem hartowania powierzchniowego jest nadanie warstwie powierzchniowej wysokiej twardości i odporności na ścieranie, przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Hartowaniu powierzchniowemu poddaje się stale węglowe o zawartości 0,4-0,6% oraz stale niskostopowe o zawartości 0,3-0,6% C. Elementy, od których wymaga się większej wytrzymałości, przed hartowaniem powierzchniowym poddaje się ulepszaniu cieplnemu, tj. hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu. Najczęściej stosowanymi metodami hartowania powierzchniowego są: a) hartowanie płomieniowe — polegające na nagrzewaniu powierzchni płomieniem gazowym, zwykle acetylenowo-tlenowym, za pomocą palnika o dużej wydajności, i na intensywnym oziębieniu strumieniem wody; b) hartowanie indukcyjne — polegające na nagrzewaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu prądami wirowymi, wzbudzonymi przez prąd zmienny o wielkiej częstotliwości płynący we wzbudniku w postaci uzwojenia, i następnie szybkim oziębianiu natryskiem wodnym; c) hartowanie kąpielowe — polegające na nagrzewaniu powierzchni przez krótkie zanurzenie do kąpieli solnej lub metalowej i następnie oziębieniu; d) hartowanie kontaktowe lub oporowe, przy którym powierzchnia przedmiotu nagrzewa się w miejscu styku elektrody w postaci rolki dociskowej z powierzchni przedmiotu na skutek oporu omowego; e) hartowanie elektrolityczne, podczas którego grzanie odbywa się w elektrolicie wskutek przepływu prądu o dużym natężeniu przez elektrolit, przy czym katodą jest przedmiot nagrzewany. Stosowane jest również hartowanie z grzaniem powierzchniowym laserowym, elektronowym i plazmowym. Wspólną cechą metod hartowania powierzchniowego jest zapewnienie tak szybkiego nagrzewania, aby przedmiot osiągnął temperaturę hartowania tylko do pewnej zadanej głębokości. Temperatura warstwy powierzchniowej przy szybkim nagrzewania przekracza zwykle znacznie (o ok. 100°C) właściwą temperaturę hartowania, a jednak nie wywiera ujemnego wpływu na własności stali, gdyż czas nagrzewania jest dużo krótszy niż przy hartowaniu zwykłym i praktycznie rozrost ziarn nie występuje. Wszystkie metody hartowania powierzchniowego wymagają bardzo dokładnego opracowania warunków nagrzewania i ścisłego dostosowania ich do kształtu i żądanej charakterystyki hartowanej powierzchni. Wybór jednej z metod hartowania powierzchniowego oraz sposób wykonania zabiegu zależą m.in. od wielkości i kształtu obrabianych przedmiotów, od ich ilości oraz od żądanej głębokości utwardzenia. Hartowanie płomieniowe pozwala na osiągnięcie głębokości zahartowania od około 2 do 8 mm, przy minimalnej średnicy przedmiotu 20 mm. Na wyniki hartowania mają wpływ takie czynniki, jak: wydajność palnika, kształt jego końcówek, szybkość posuwu palnika lub przedmiotu, odległość palnika od powierzchni, czas upływający między końcem grzania a początkiem chłodzenia, intensywność chłodzenia. Zależnie od kształtu i wielkości hartowanego przedmiotu rozróżnia się dwa sposoby hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowoobrotowe. Metoda jednoczesnego hartowania polega na nagrzewaniu od razu całej powierzchni przedmiotu i po osiągnięciu właściwej temperatury na jej szybkim ochłodzeniu. Najczęściej spotykaną odmianą tego sposobu jest hartowanie obrotowe, w czasie którego palnik jest nieruchomy, a przedmiot obraca się z określoną prędkością - rys. 5.24. Sposób ten stosowany jest do przedmiotów okrągłych o niewielkich średnicach.
79
JW
Rys. 5.24. Hartowanie powierzchniowe płomieniowe jednoczesne obrotowe Metoda hartowania ciągłego polega na postępowym ciągłym nagrzewaniu powierzchni i postępującym za nim oziębianiu ciągłym za pomocą natryskiwacza znajdującego się za palnikiem. Metodę tę stosuję się do przedmiotów o dużej powierzchni płaskiej – rys. 5.25, lub krzywoliniowej, długich przedmiotów walcowych (hartowanie posuwowo-obrotowe – rys. 5.26 oraz przedmiotów o dużej średnicy. Hartowaniu płomieniowemu poddaje się przedmioty wykonane ze stali węglowych o zawartości 0,45 ÷0,60% C oraz niektóre gatunki stali manganowych chromowych i chromowowanadowych. Największe zastosowanie ta metoda hartowania znalazła przy miejscowym utwardzaniu dużych części maszyn produkowanych pojedynczo lub w niewielkich seriach. Stosowana jest również przy hartowaniu kół zębatych o dużych modułach oraz wałów o dużych średnicach I długości do 10 m. Hartowanie indukcyjne (rys. 5.27) pozwala na osiągnięcie mniejszych głębokości zahartowania niż przy hartowaniu płomieniowym (ok. 0,2 - 5 mm). Głębokość warstwy, w której indukują się prądy wirowe można obliczyć za pomocą empirycznego wzoru:
d=C
ρ µ⋅f
gdzie: ρ - oporność właściwa µ - przenikalność magnetyczna f - częstotliwość prądu w Hz Przenikalność magnetyczna stali węglowej gwałtownie maleje w temperaturze przemiany magnetycznej (punkt Curie) i przy dalszym nagrzewaniu prawie nie ulega zmianie. Głębokość przenikania prądów wirowych wynosi dla:
ferrytu : d Feα = austenitu : d Feγ = 17 f 600 f [mm] [mm]
80 JW Głębokość warstwy zahartowanej zależy od trzech czynników: częstotliwości prądu, mocy właściwej urządzenia (mocy we wzbudniku przypadającej na jednostkę powierzchni nagrzewanego przedmiotu) oraz czasu nagrzewania. Ze względu na konieczność szybkiego nagrzewania powierzchni przedmiotu w grzejnictwie indukcyjnym stosowane są częstotliwości prądu w granicach 1-5000 kHz.. Dla przykładu można podać, że przy częstotliwości f = 1000 Hz głębokość hartowania d = 6 mm, natomiast przy f = 450 000 Hz - d = 0,9 mm.
Rys. 5.25. Hartowanie powierzchniowe płomieniowe ciągle posuwowe
Rys. 5.26. Hartowanie powierzchnie płomieniowe ciągle posuwowo-obrotowe
Wielkość nagrzewanej powierzchni zależy od mocy generatora. Orientacyjne zapotrzebowanie mocy niezbędnej do nagrzania l cm2 wynosi 0,3-3,0 kW. Rozrzut ten jest spowodowany zróżnicowaną konstrukcją wzbudników, których kształt uzależniony jest od hartowanej powierzchni. Dużą rolę odgrywa też szczelina pomiędzy wzbudnikiem a powierzchnią nagrzewaną. W praktyce szczelina ta powinna zawierać się w granicach 1-3 mm.
Rys.5.27. Schemat grzania indukcyjnego; l — induktor - wzbudnik, .1 -pręt nagrzewany, 3 - linie pola magnetycznego, Iw — prąd we wzbudniku, Ip — prąd w przedmiocie Czas grzania, niezbędny do osiągnięcia temperatury austenityzacji, zależny jest częstotliwości prądu i mocy generatora. Teoretycznie dla bardzo małych powierzchni i małych głębokości czas grzania może wynosić ułamek sekundy, w praktyce zawiera się w granicach 2 ÷ 20 s. Ze względu na bardzo duży koszt urządzeń, hartowanie indukcyjne stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Dla każdego typu przedmiotu wykonuje się specjalny wzbudnik,
81 JW ściśle dostosowany do kształtu i wymiarów przedmiotu. Podobnie jak przy hartowaniu płomieniowym, również przy hartowaniu indukcyjnym rozróżnia się dwie podstawowe metody hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowoobrotowe – rys. 5.28
Rys. 5.28. Schemat hartowania indukcyjnego ciągłego, posuwowo-obrotowego; l - wzbudnik dwuzwojowy, 2 - natryskiwacz, 3 - przedmiot Ogólna zasada hartowania indukcyjnego jest podobna do hartowania płomieniowego z tą różnicą, że w miejscu palników umieszczony jest wzbudnik, który bardzo często spełnia rolę natryskiwacza. W przemyśle największe zastosowanie znalazło hartowanie indukcyjne, a następnie płomieniowe. Inne metody hartowania powierzchniowego jak: kąpielowe, kontaktowe czy elektrolityczne, stosowane są sporadycznie.
5.6. Hartowność i utwardzalność stali
Cechami charakteryzującymi stal zahartowaną są utwardzalność i hartowność. Pojęcia te są zbieżne, gdyż określają własności stali zahartowanej, które są ściśle od siebie uzależnione. 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. Przy hartowaniu przedmiotów stalowych nie następuje zwykle zahartowanie na wskroś, gdyż szybkość chłodzenia jest większa na powierzchni, a mniejsza w rdzeniu. Rozkład szybkości chłodzenia na przekroju okrągłego pręta podczas hartowania przedstawiono w przybliżeniu linią ciągłą na rys. 5.28a. Jeżeli szybkość hartowania w środkowej części pręta będzie mniejsza od krytycznej szybkości hartowania Vkr to pręt nie zahartuje się na wskroś, jego struktura w rdzeniu będzie się składała z perlitu i bainitu, a głębokość strefy zahartowanej będzie równa tylko grubości warstwy zakreskowanej.
82
Strefa nie zahartowana
JW
Rys. 5.29. Hartowanie pręta stalowego Vkr - krytyczna szybkość chłodzenia. Vp szybkość chłodzenia powierzchni. Vr - szybkość chłodzenia rdzenia Na rysunku 5.29 przedstawiono również wykres CTP, na którym naniesiono linie szybkości chłodzenia: powierzchni – Vp i rdzenia - Vr próbki oraz zaznaczono szybkość krytyczną Vkr. Jest oczywiste, że ze zmniejszeniem krytycznej szybkości hartowania wzrasta głębokość warstwy zahartowanej. Tak więc, im mniejsza jest Vkr dla danej stali, tym większa jest jej hartowność. Wartość Vkr jest ściśle związana z szybkością przemiany austenitu w struktury perlityczne, a zatem z położeniem krzywej początku przemiany na wykresie CTP, które z kolei zależne jest od gatunku stali. Głębokość warstwy zahartowanej zmienia się także zależnie od użytego środka oziębiającego. Jeżeli środek oziębiający szybciej będzie odbierał ciepło ze stali, to na większej głębokości od powierzchni stal będzie chłodzona z szybkością większą od krytycznej. Na przykład warstwy zahartowane w przedmiotach chłodzonych w wodzie są grubsze niż warstwy po hartowaniu w oleju. Jako głębokość warstwy zahartowanej przyjmuje się zwykle umownie odległość od powierzchni do początku warstwy o strukturze półmartenzytycznej, czyli do tej warstwy przekroju, w której struktura składa się w 50% z martenzytu i w 50% ze struktur niemartenzytycznych. Największa średnica pręta okrągłego, przy której zachodzi zahartowanie na wskroś (tj. w środku pręta będzie 50% martenzytu), nazywana jest średnicą krytyczną Do. Strefę półmartenzytyczną można łatwo określić na podstawie badań mikrostruktury lub, co jest łatwiejsze, na podstawie pomiarów twardości. Należy zaznaczyć, że twardość strefy półmartenzytycznej, podobnie jak twardości martenzytu, zależy od zawartości węgla i dla różnych gatunków stali będzie inna.
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 (rys . 5.30). 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. Na rysunku 5.31 przedstawione są dwa wykresy zbiorcze dla stali węglowej o zawartości 0,4% C i stali chromowej o zawartości 0,45% C i 1,0% Cr. Twardość struktury półmartenzycznej dla stali o tej zawartości węgla wynosi ok. 45 HRC. Jak widać na wykresie, stal stopowa ma większą hartowność, gdyż próbka o średnicy 50 mm zahartowała się na wskroś (Do = 50 mm), natomiast
83 JW w przypadku stali węglowej na wskroś zahartowała się jedynie próbka o średnicy ok. 15 mm (Do = 15 mm).
Rys. 5.30. Badanie hartowności stali metodą krzywych U. Rozkład twardości na przekroju próbki
Rys. 5.31. Krzywe U dla prętów o różnej średnicy: a) stal węglowa o zawartości 0,45% C, b) stal stopowa o zawartości 0,40% C i 1,0% Cr
Metoda Jominy'ego. Metoda krzywych U jest dość kłopotliwa, gdyż wymaga wykonania 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 (φ 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 (rys. 5.31). Korzystając z tego wykresu oraz znając twardość struktury półmartenzytycznej dla danej stali, można określić, w jakiej odległości od czoła otrzymamy strukturę półmartenzytyczną. Następnie na podstawie odpowiednich nomogramów uwzględniających ośrodek chłodzący można określić średnicę krytyczną Dp badanej stali. Wykonując szereg prób hartowności dla różnych wytopów tego samego gatunku stali i nanosząc wyniki pomiarów twardości na ten sam wykres, otrzymuje się tzw. pasmo hartowności (rys. 5.32
84
JW
Rys. 5.32 Kształt i wymiary próbki do badania hartowności metodą Jominy'ego; na tle próbki krzywa rozkładu twardości wzdłuż tworzącej
Rys.5.33. Pasmo hartowności dla stali węglowej o zaw. ok. 0,50% C
5.7. Odpuszczanie
Hartowanie martenzytyczne jest pierwszym etapem obróbki cieplnej stali konstrukcyjnych. Mała plastyczność i duże naprężenia własne uniemożliwiają bezpośrednie stosowanie stali konstrukcyjnej w takim stanie, jaki otrzymuje się po hartowaniu. Niezbędny jest następny zabieg cieplny - odpuszczanie, który zwiększa plastyczność i ciągliwość, a zmniejsza naprężenia własne. Odpuszczanie jest więc końcowym zabiegiem obróbki cieplnej (ulepszania cieplnego) stali konstrukcyjnej, ustalającym ostatecznie jej własności. Wyjątek stanowi tu jedynie hartowanie bainityczne, po którym odpuszczanie nie jest wymagane. Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Zależnie od stosowanej temperatury rozróżnia się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie. Odpuszczanie niskie przeprowadza się w zakresie temperatury 150-250°C celem usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie. Stosuje się głównie do stali narzędziowych. Odpuszczanie średnie przeprowadza się w zakresie temperatury 250-500°C w celu uzyskania przez stal dużej wytrzymałości i sprężystości. Twardość ulega przy tym dość znacznemu obniżeniu. Tego rodzaju odpuszczaniu poddaje się sprężyny, resory, matryce, części silników, samochodów itp. Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w zakresie temperatury powyżej 500°C i poniżej Acl. Ma ono na celu m.in. uzyskanie możliwie najwyższej udarności dla danej stali, przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku Re do Rm. Stal konstrukcyjna odpuszczona wysoko po hartowaniu uzyskuje strukturę sorbityczną i odznacza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze perlitycznej. Podczas wysokiego odpuszczania, poza zmianami strukturalnymi, zachodzi
85 JW jednocześnie prawie całkowite usunięcie naprężeń powstałych podczas hartowania. Odpuszczanie wysokie stosuje się do większości stali konstrukcyjnych. Temperaturę i czas odpuszczania dobiera się w zależności od własności, jakie mają być otrzymane. Schemat zmian własności mechanicznych stali konstrukcyjnych w zależności od temperatury odpuszczania przedstawiony jest na rys. 5.34.
Rys. 5.34. Zmiana własności mechanicznych stali konstrukcyjnej w zależności od temperatury odpuszczania
Kruchość odpuszczania. Temperatura odpuszczania i szybkość chłodzenia przy odpuszczaniu mają znaczny wpływ na udarność konstrukcyjnej stali stopowej. W przypadku powolnego chłodzenia stali po odpuszczaniu krzywa charakteryzująca jej udarność ma dwa
minima: dla około 300°C i około 500 ÷ 600°C. Jest to zjawisko tzw. kruchości odpuszczania pierwszego i drugiego rodzaju.
Rys. 5.35. Wpływ temperatury odpuszczania i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu na udarność stali
Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania w temperaturze około 300°C niezależnie od składu chemicznego stali i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu (rys. 5.35 i 5.36). Z tego względu należy unikać odpuszczania w tym zakresie temperatury.
86
JW
Rys. 5.36. Udarność stali w różnych temperaturach w zależności od szybkości chłodzenia po odpuszczaniu
Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju ujawnia się po odpuszczaniu w temperaturze powyżej 500°C w przypadku, gdy po odpuszczaniu przedmiot jest chłodzony powoli, natomiast w razie szybkiego chłodzenia udarność nie zmniejsza się, wzrasta monotonicznie z podwyższaniem temperatury odpuszczania (rys. 5.35.). Wzrost szybkości chłodzenia po odpuszczaniu powoduje również przesunięcie progu kruchości w kierunku niższych temperatur (rys. 5.36). Skłonność do kruchości odpuszczania drugiego rodzaju wykazują tylko niektóre konstrukcyjne stale stopowe np. chromowo-manganowe, chromowo-niklowe lub chromowo-wanadowe, natomiast nie są do niej skłonne np. stale węglowe i stale stopowe z dodatkiem Mo. 5.8. Przesycanie i starzenie stopów żelaza Przesycaniem nazywa się operację cieplną polegającą na: 1) 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 (rys. 4.37). 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.
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 zabiegu jest rozpuszczenie węglików i uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej. Obróbka taka zwiększa przede wszystkim odporność na korozję międzykrystaliczną stali typu 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Przesycanie stosuje się również w przypadku wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych własnościach magnetycznych. Zabieg ten ponadto jest szeroko stosowany do wielu stopów metali nieżelaznych.
87 JW Starzenie polega na nagrzaniu i wytrzymaniu uprzednio przesyconego roztworu w temperaturze znacznie niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności w celu wydzielenia o odpowiednim stopniu dyspersji składnika lub składników znajdujących się w nadmiarze w przesyconym roztworze stałym. W przypadku niektórych stopów procesy starzenia zachodzą już w temperaturze otoczenia, co nosi nazwę starzenia naturalnego (samorzutnego). W czasie starzenia zachodzą zmiany strukturalne zbliżające skład stopu do stanu równowagi. Wydzielanie się w czasie starzenia składnika (znajdującego się w przesyconym roztworze stałym) w postaci skupień lubfaz o dużej dyspersji powoduje utwardzanie stopu. Z tego względu połączenie zabiegów przesycenia i starzenia nosi nazwę utwardzania wydzieleniowego. W stalach niskowęglowych przeznaczonych do głębokiego tłoczenia, a także w stalach kotłowych starzenie jest niekorzystne, gdyż obniża plastyczność i powoduje kruchość. Zjawisko to występuje silniej w stalach nieuspokojonych, gdyż oprócz węgla w ferrycie rozpuszczony jest także azot, który tworzy z żelazem fazę międzywęzłową Fe4N. Szybkie chłodzenie np. od temperatury walcowania powoduje zatrzymanie prawie całej ilości rozpuszczonych składników w ferrycie, które następnie wydzielają się podczas starzenia, zwłaszcza na granicach ziarn. Starzenie może zachodzić już w temperaturze otoczenia, zwłaszcza w ciągu dłuższych okresów czasu, i powoduje pogorszenie własności plastycznych stali.
