Stale węglowe i obróbka cieplna

Praca w całości w załączniku


Cel laboratorium

Celem laboratorium nr 3 jest zapoznanie się z wpływem zawartości węgla na własności mechaniczne i strukturę po obróbkach cieplnych.


Podstawowe pojęcia dotyczące stali węglowych i obróbek cieplnych.

1. Układ równowagi żelazo – cementyt z opisem strukturalnym




2. Podział stali ze względu na zastosowanie (oznakowanie stali)

a) stale konstrukcyjne (zawartość węgla do 0,7 %)
- zwykłej jakości (ogólnego przeznaczenia) oznaczane są: St0; St3 do St7
dodatkowo S – do spawania
X – nieuspokojone
Y – półuspokojone
- niestopowe do utwardzenia powierzchniowego i ulepszania cieplnego oznaczane są liczbą dwucyfrową oznaczającą zawartość węgla w setnych częściach procenta np. 10 – 0,1%C

b) stale narzędziowe (zawartość węgla od 0,7 – 1,4 %) oznaczane są np. N7E– gdzie liczba oznacza dziesiąte części procenta zawartości węgla
- płytkohartujące się (oznaczane literą E)
- głębokohartujące się.

3. Podział stali ze względu na stopień odtlenienia

a) uspokojone – zawierają pierwiastki (Al., Si, Mn) o dużym powinowactwie do tlenu w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenianie ciekłej stali, a nie zachodziła reakcja odtleniania drogą utleniania węgla we wlewnicy
b) półuspokojone – wstępne odtlenianie przeprowadza się mniejsza ilością odtleniaczy, w wyniku czego we wlewnicy występuje częściowe odtlenianie węglem rozpuszczonym w kąpieli. Wydzielający się tlenek węgla tworzy pęcherze gazowe, które kompensują częściowo skurcz przy krzepnięciu.
c) nieuspokojone – minimalna ilość pierwiastków odtleniających powoduje intensywne odtlenianie we wlewnicy drogą reakcji węgla z tlenem rozpuszczonym w żelazie. Powstaje duża ilość pęcherzy gazowych.

4. Podział stali ze względu na zawartość węgla
a)
- niskowęglowe (poniżej 0,25% C)
- średniowęglowe (od 0,25 do 0,6 % C)
- wysokowęglowe (powyżej 0,6% C)
b)
- podeutektoidalne (perlityczno – ferrytyczne)
- eutektoidalne (perlityczne)
- nadeutektoidalne (perlit + cementyt)

5. Fazy i składniki strukturalne występujące w układzie żelazo – cementyt
a) fazy:
- austenit (roztwór stały międzywęzłowy węgla w Fe γ); atomy węgla wchodzą w luki okta lub tetraedryczne , krystalizuje w sieci A1, max. rozpuszczalność węgla w Fe γ wynosi 2,11 %
- ferryt (roztwór stały międzywęzłowy węgla w Fe α); atomy węgla wchodzą w luki okta lub tetraedryczne (bardziej spłaszczone – mniej miejsca), krystalizuje w sieci A@, max. rozpuszczalność węgla w Fe α wynosi 0,0218%
- cementyt Fe3C (struktura rombowa); twardy, kruchy, max. rozpuszczalność węgla 6,67% (cementyt pierwotny, wtórny, trzeciorzędowy)
b) składniki strukturalne:
- ledeburyt (mieszanina eutektyczna składająca się z austenitu i cementytu). Powstaje w wyniku przemiany eutektycznej. Poniżej tempertatury 727º C występuje jako ledeburyt przemieniony.
- Perlit (mieszanina eutektoidalna składająca się z płytek ferrytu i cementytu w stosunku grubości 7 do 1)

Obróbka cieplna -jest to proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych, będących głównie funkcją temperatury, czasy i działania środowiska.
Wyżarzanie – jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu elementu do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone:
Wyżarzanie zupełne
przeprowadzane w temperaturze 30 do 50 C temperatury przemiany austenitycznej, powyżej linii GSE wykresy żelazo-węgiel, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolne schłodzenie, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.
Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie)
przeprowadzane w temperaturze 30 do 50 C temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel, a następnie studzenie w powietrzu. Otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.
Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja)
przeprowadzane w temparaturze zbliżonej do temparatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg sprzyja wydzielaniu się cementytu w postaci kulkowej, sferoidalnej, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.
Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja)
przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550 do 650 C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.
Wyżarzanie odprężające
przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400 do 500 C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.
Wyżarzanie ujednoradniające
przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000 do 1200 C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.
Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja)
stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągłego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.
Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie)
przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100 do 150 C i trwa od kilku do kilkudziesięciu, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.

Hartowanie – jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal, składającym się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723C) (zwykle 30C do 50C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczna lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.
Przy hartowaniu niezwykle istotnym jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.
Prędkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.



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


Hartowanie zwykłe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Prędkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.
Hartowanie stopniowe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.
Hartowanie izotermiczne
Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.
Hartowanie powierzchniowe
metoda, w której, nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.
Hartowanie płomieniowe - Powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.
Hartowanie indukcyjne - Przedmiot przeciągany jest przez cewkę, otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe, powstałe w przedmiocie, powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.
Hartowanie kąpielowe - Polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.

Odpuszczanie – jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.
Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150 do 650C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę zwaną sorbitem lub troostytem.
Ze względu na temperaturę może być:
Odpuszczanie niskie
Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150 do 250C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.
Odpuszczanie średnie
Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250 do 500C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.
Odpuszczanie wysokie
Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.
Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzielimy na:
· kruchość odpuszczania I rodzaju i jest to kruchość nieodwracalna, zachodzi w zakresie temperatur 250-450C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie
· kruchość odpuszczania II rodzaju i jest kruchościa odwracalną, zachodzi powyżej 500C i powolnym chłodzeniu



















Ćwiczenie:


Cel ćwiczenia:

Wyżarzanie, hartowanie stali o 0,15% oraz 0,45% zawartości węgla, sprawdzenie własności mechanicznych stali o różnych zawartościach węgla oraz ich struktury po obróbkach cieplnych.

Przebieg ćwiczenia:

Rodzaj stali (ze względu na zawartość węgla) Temperatura wyżarzania [ºC] Czas [min] Ośrodek chłodzący
ST15 850º C 30 min woda
ST45 850º C 30 min woda


I etap:
Najpierw wykonaliśmy badanie twardości metoda Rockwella ST15 i ST45, których nie poddaliśmy operacji obróbki cieplnej.

ST15
Pomiary:
1.HRD=15,5
2.HRD=18
3.HRD=11
Średnia pomiarów twardości stali niskowęglowej HRD = 15.

ST45
Pomiary:
1.HRD=33,5
2.HRD=33,5
3.HRD=35
Średnia pomiarów twardości stali średniowęglowej HRD = 34.

Można zauważyć, że im więcej zawartości węgla w stali tym własności mechaniczne rosną.

II etap:
Badanie twardości metodą Rockwella ST15 i ST45 po wykonaniu operacji obróbki cieplnej.

ST15
Pomiary:
1.HRD=43,5
2.HRD=53
3.HRD=57
Średnia pomiarów twardości stali niskowęglowej po hartowaniu HRD=51.
ST45
Pomiary:
1.HRD=64
2.HRD=67
3.HRD-67
Średnia pomiarów twardości stali średniowęglowej po hartowaniu HRD=66.

Wnioski:

Twardość stali niskowęglowej ST15 i średniowęglowej ST45 po operacjach obróbki cieplnej jest większa, wynika z tego, że po hartowaniu polepszają się własności mechaniczne stali, kosztem własności plastycznych a granica plastyczności staje się granicą wytrzymałości materiału.