Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Obróbka cieplna

I.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się teoretyczne i praktyczne z podstawami obróbki cieplnej: 

hartowaniem, wyżarzaniem i odpuszczaniem.

 

II.Wiadomości uzupełniające.

 

1.Hartowanie.

 

Hartowanie stali jest zabiegiem cieplnym stosowanym w wielu przypadkach do wyrobów z 

stali węglowej czy stopowej, zarówno konstrukcyjnej jak i narzędziowej. Hartowaniu podlega 

większość stali węglowych wyższej jakości, stale do patentowania, stale do stopowe do 

nawęglania i ulepszania cieplnego, stale sprężynowe i resorowe, stale na łożyska toczne i 

zaworowe oraz wszystkie stale narzędziowe.

W większości wypadków celem hartowania jest uzyskanie wysokiej twardości, wysokiej 

odporności na ścieranie, dużej trwałości ostrza narzędzi skrawających, jak również uzyskanie 

struktury wyjściowej dla późniejszych zabiegów cieplnych, w rezultacie których otrzymuje się 

optymalne własności mechaniczne ( ulepszanie cieplne ).

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do zakresu austenitycznego, wygrzaniu dla 

ujednorodnienia austenitu i późniejszym szybkim chłodzeniu dla uzyskania warunków 

przemiany austenitu w strukturę martenzytyczną lub strukturę bainityczną.

Z rozważań nad termiczną przemianą stali przy chłodzeniu wynika, że w miarę zwiększania 

stopnia przechłodzenia ( obniżenie temperatury przemiany izotermicznej ) okres czasu, w 

którym austenit jest trwały i ogólny czas przemiany austenitu początkowo maleje, po czym 

rośnie.

W zachowaniu się austenitu przy przemianach izotermicznych decydującą rolę odgrywają dwa 

czynniki: pierwszy to stopień przechłodzenia, który w miarę wzrostu zwiększa szybkość 

krystalizacji i ilość zarodków, a drugi to szybkość procesów dyfuzyjnych. W pierwszym 

okresie przemiany, kiedy ogólny czas przemiany austenitu maleje przeważa czynnik 

przechłodzenia, natomiast w drugim czynnik dyfuzyjny, wiadomo bowiem, że obniżanie 

temperatury wyraźnie zwalnia szybkość dyfuzji.

Rys.1.1.Krzywa izotermicznego rozpadu austenitu w stali podeutektoidalnej.

 

Temperatura, w której okres inkubacyjny ( okres czasu, w którym przemiana nie ujawnia się ) 

a zarazem ogólny czas przemiany austenitu w struktury przejściowe jest najmniejszy, ma dla 

hartowania znaczenie istotne. Wielkość okresu inkubacyjnego ma bezpośredni wpływ na tzw. 

prędkość krytyczną hartowania, która jest najmniejszą prędkością przy chłodzeniu ciągłym 

gwarantującą powstanie struktury martenzytycznej.

Przy chłodzeniu z prędkością mniejszą od krytycznej otrzymuje się w stali mieszaniny struktur 

bainityczno - martenzytycznych, czy perlityczno - bainitycznych ( rys.1.2 ).

Rys.1.2.Zależność temperatury przemiany perlitycznej

i martenzytycznej od szybkości chłodzenia.

W praktyce hartowanie dzieli się na:

a) obróbkę na wskroś,

b) obróbkę powierzchniową.

W pierwszej cały przedmiot nagrzewa się do temperatury austenitycznej i cały chłodzi się z 

prędkością nadkrytyczną. W drugiej nagrzewa się tylko warstwę wierzchnią przedmiotów, 

zazwyczaj znacznie powyżej temperatur krytycznych po czym chłodzi się w wodzie.

Począwszy od pewnej, ściśle określonej dla każdej stali temperatury, przemiana austenitu 

zachodzi bezdyfuzyjnie i otrzymuje się wówczas strukturę zwaną martenzytem. Przemiana 

martenzytyczna nie zachodzi izotermicznie do końca, natomiast wymaga ciągłego obniżania 

temperatury.

Temperatura początku przemiany martenzytycznej Ms, podobnie końca przemiany Mf zależy 

od zawartości węgla i w miarę jego wzrostu ulega obniżeniu.

Jak widać z wykresu, w temperaturze pokojowej koniec przemiany martenzytycznej osiągany 

jest dla stali do zawartości węgla poniżej 0,5 %. Przy wyższych zawartościach węgla i przy 

chłodzeniu do temperatury pokojowej, przemiana martenzytyczna nie osiąga końca, a stopień 

przemiany austenitu w martenzyt maleje. Tak otrzymany austenit nosi miano szczątkowego i 

jego ilość wpływa silnie na własności mechaniczne i technologiczne przedmiotów 

hartowanych.

W warunkach chłodzenia ciągłego przebieg krzywych rozpadu w stosunku do rozpadu 

izotermicznego jest nieco inny. Temperatury początku i końca rozpadu w wyższych 

temperaturach ulegają przesunięciu w prawo ( do dłuższych okresów czasu ) jak również w 

dół ( do niższych temperatur ).

W obróbce na wskroś rozróżnia się trzy metody hartowania:

a) hartowanie zwykłe,

b) hartowanie stopniowe,

c) hartowanie izotermiczne.

Hartowanie zwykłe polega na nagrzaniu stali do temperatury Ac3 + ( 30 - 50oC ), wygrzaniu 

przez czas konieczny dla uzyskania jednorodnego austenitu z następnym chłodzeniem w 

wodzie, oleju lub na powietrzu w temperaturze 18 - 20oC. W wyniku tego zabiegu otrzymuje 

się strukturę martenzytyczną, martenzytyczno - austenityczną lub martenzytyczno - 

austenityczno - cementytową ( w stalach nadeutektoidalnych ). W wyniku chłodzenia 

przedmiotów po hartowaniu w przedmiotach tych powstają naprężenia, które są wynikiem 

powstającej w tym czasie różnicy temperatur pomiędzy warstwą zewnętrzną a wewnętrzną 

przedmiotu. Naprężenia te nie znikają nawet po wyrównaniu się temperatury rdzenia i 

warstwy zewnętrznej i wywołują w rdzeniu naprężenia rozciągające, a w warstwie zewnętrznej 

naprężenia ściskające. Naprężenia te nazywane są naprężeniami cieplnymi. W stali poza 

naprężeniami cieplnymi występują jeszcze naprężenia pochodzące od przemian strukturalnych. 

Naprężenia strukturalne dodają się do naprężeń cieplnych, przy czym najbardziej 

niebezpieczny moment nastaje wtedy, gdy naprężenia rozciągające osiągają wartości, przy 

których spójność materiału zostaje zniszczona.

Naprężenia wewnętrzne, jeżeli nawet nie doprowadzają do zniszczenia przedmiotów 

wywołują często odkształcenie się i krzywienie przedmiotów hartowanych. Zmniejszenie do 

minimum naprężeń jest jednym z ważniejszych problemów obróbki przez hartowanie, z tych 

powodów hartowanie izotermiczne i stopniowe, prowadzące do znacznego zmniejszenia 

naprężeń nabiera szczególnego znaczenia.

Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu stali do temperatury wyższej od A3 (zwykle nieco 

wyższej niż przy hartowaniu zwykłym ) wygrzaniu dla uzyskania jednorodnej struktury , z 

następnym oziębieniem w kąpieli solnej lub metalowej o temperaturze wyższej od temperatury 

Ms ( początku przemiany martenzytycznej ) danej stali, wygrzanie przez czas krótszy od 

okresu inkubacji i dalszym powolnym chłodzeniu. W rezultacie takiej obróbki otrzymuje się 

strukturę martenzytyczną, a więc twardość tę samą co przy hartowaniu zwykłym, lecz znacznie 

mniejsze naprężenia własne. Zmniejszenie naprężeń jest wynikiem zmniejszenia różnicy 

temperatur austenizacji i pierwszego ośrodka chłodzącego. Naprężenia strukturalne pozostają 

bez zmiany.

Hartowanie izotermiczne wykonuje się podobnie jak stopniowe, lecz wygrzewanie w kąpieli 

solnej lub metalowej odbywa się do zajścia całkowitej przemiany austenitu w baninit. 

Struktura bainityczna jest mniej twarda niż martenzytyczna, lecz naprężenia własne są bardzo 

małe. Naprężenia cieplne maleją podobnie jak przy hartowaniu stopniowym a naprężenia 

strukturalne również zmniejszają się, ponieważ struktura bainityczna ma mniejszą objętość 

właściwą niż struktura martenzytyczna.

Zarówno hartowanie stopniowe jak i izotermiczne daje pozytywne efekty wtedy, jeżeli cały 

przekrój obrabianych przedmiotów zostaje oziębiony w ośrodku pośrednim z szybkością 

ponad krytyczną. Osiągnięcie tego celu jest trudne, dlatego hartowanie stopniowe i 

izotermiczne może być stosowane jedynie do przedmiotów o małych przekrojach.

 

Hartowanie powierzchniowe przeprowadza się w sposób zapewniający szybkie 

doprowadzenie do warstwy wierzchniej przedmiotów obrabianych dużych ilości ciepła. Im 

szybciej ciepło zostanie doprowadzone do warstwy i im mniej zostanie z niej odprowadzone 

w głąb wskutek przewodzenia, tym łatwiej zostanie osiągnięta temperatura austenizacji w 

warstwie. Hartowanie powierzchniowe przeprowadza się zasadniczo trzema metodami: 

płomieniową, kąpielową i indukcyjną.

Metoda płomieniowa polega na nagrzaniu przedmiotów palnikami acetylenowo - tlenowymi o 

dużej wydajności cieplnej. Najczęściej są to palniki ze specjalnymi końcówkami 

dostosowanymi do kształtu obrabianego przedmiotu. Ponieważ warstwa nagrzewana szybko 

stygnie musi być natychmiast chłodzona. Chłodzenie realizuje się zazwyczaj natryskiem 

wodnym z dysz umieszczonych przy końcówkach palnikowych. W zależności od kształtu 

przedmiotu stosuje się metodę posuwową lub posuwowo - obrotową. Grubość warstwy 

zahartowanej regulować można zmieniając temperaturę płomienia, odległość palnika czy dyszy 

wodnej od przedmiotu, najczęściej jednak przez zmianę szybkości ruchu zespołu hartującego 

wzdłuż przedmiotu.

Hartowanie kąpielowe polega na nagrzaniu całego przedmiotu lub jego części w kąpieli solnej 

lub metalowej o temperaturze wyższej od temperatury hartowania zwykłego o 200 - 300oC. 

W tych warunkach głębokość hartowania reguluje się czasem zanurzenia. Metoda ta nie 

znajduje szerszego zastosowania ponieważ nie gwarantuje pewności i powtarzalności 

wyników.

Przy hartowaniu indukcyjnym wykorzystuje się zjawisko noskórkowości prądów 

indukcyjnych. Zasadniczym elementem pieca jest generator prądu o wysokiej częstotliwości 

100 - 1000 kHz. Bezpośrednie urządzenie grzejne to cewka pierwotna tzw. wzbudnik, przez 

którą przepływa prąd. Stroną wtórną jest nagrzewany przedmiot. Prądy wzbudzone w 

przedmiocie tzw. prądy wirowe ( Foucoulta ) gromadzą się przy powierzchni przedmiotu 

powodując, dzięki oporowi omowemu, szybkie nagrzewanie warstwy powierzchniowej. 

Głębokość warstwy reguluje się częstotliwością prądu, a przy stałej częstotliwości czasem 

nagrzewania. Hartowanie indukcyjne realizuje się metodą procesu jednoczesnego lub ciągłego. 

Przy pierwszej przedmioty nagrzewa się, a następnie schładza przez szybkie zanurzenie w 

zbiorniku z wodą lub natryskiem wodnym po usunięciu cewki grzejnej. Przy drugiej 

stosowanej do przedmiotów długich, przedmiot wykonuje ruch obrotowy i posuwowy 

względem cewki i tuż pod nią znajdującej się dyszki natrysku wodnego. Szybkość 

nagrzewania w metodzie indukcyjnej jest bardzo duża, czas grzania wynosi kilka do 

kilkudziesięciu sekund.

Hartowanie powierzchniowe przeprowadza się dla stali węglowych o zawartości węgla 0,4 - 

0,6% oraz nisko stopowych o zawartości węgla 0,3 - 0,6%, rzadziej stosuje się dla stali 

narzędziowych. Stale konstrukcyjne węglowe i stopowe mogą być przed hartowaniem 

powierzchniowym ulepszone cieplnie.

 

2.Odpuszczanie.

Przedmioty hartowane posiadają jak już wyżej wspomniano znaczne naprężenie własne, które 

mogą łatwo doprowadzić do zniszczenia ich w czasie eksploatacji a nawet w czasie 

magazynowania. W celu zmniejszenia naprężeń, a w wielu wypadkach w celu obniżenia 

własności wytrzymałościowych ( Rm, Re, HB ) i podniesienia własności plastycznych, jak 

również dla uzyskania optymalnych własności mechanicznych przeprowadza się po hartowaniu 

wyżarzenie w temperaturach poniżej A1. Wyżarzenie takie nosi powszechnie nazwę 

odpuszczania.

Stal węglowa po hartowaniu posiada strukturę martenzytyczno - austenityczną lub 

martenzytyczno - austenityczno - węglikową. Przy odpuszczaniu ulega zmianie zarówno 

struktura martenzytyczna jak i austenityczna, natomiast węgliki nie ulegają zmianie.

W praktyce stosuje się trzy rodzaje odpuszczania:

a) niskie - 150 - 250oC, stosowane głównie dla narzędzi,

b) średnie - 250 - 450oC, stosowane dla elementów konstrukcyjnych, które winne 

wykazywać wysokie własności wytrzymałościowe, a jednocześnie zwiększoną udarność np. 

sprężyny, resory,

c) wysokie - 450 - 650oC, stosowane do elementów konstrukcyjnych, które przy 

zachowaniu dostatecznie wysokiej wytrzymałości winne mieć wysokie własności plastyczne, a 

szczególnie udarność.

Przedmioty hartowane i wysoko odpuszczone na twardość taką samą jak przy wyżarzaniu, 

charakteryzują się w stosunku do wyżarzonych wyższą plastycznością i udarnością. 

Hartowanie i wysokie odpuszczanie nosi nazwę ulepszania cieplnego.

 

3.Wyżarzanie.

Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej 

temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia. Szybkość 

chłodzenia po wygrzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian powinna być 

niewielka, gdyż szybkie chłodzenie uniemożliwiłoby powstanie faz zgodnych ze stanem 

równowagi stopu. Po wyżarzeniu w zakresie temperatury poniżej przemian szybkość 

chłodzenia może być zasadniczo dowolna, gdyż nie zachodzą w tym zakresie żadne przemiany 

fazowe.

W praktyce zależnie od celu rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzenia: ujednorodniające, 

normalizujące, odprężające, zmiękczające, rekrystalizujące, odpuszczające ( omówione wyżej 

) i starzące. Rysunek 1.3 przedstawia temperaturę niektórych rodzajów wyżarzenia.

Rys.1.3.Zakres temperatur wyżarzenia stali.

 

Wyżarzanie ujednorodniające ( homogenizacja ) ma najczęściej zastosowanie do wlewków 

stali stopowych, które po odlaniu wykazują niejednorodności składu chemicznego powstałe 

podczas krzepnięcia stali. Wyżarzanie ujednorodniające ma więc na celu usunięcie przez 

dyfuzję w stanie stałym segregacji dendrytycznej w obszarze ziarn. Ujednorodnienie stali 

osiąga się przez wygrzewanie wlewków staliwnych w zakresie temperatury 1000 - 1250oC w 

ciągu 12 - 15 godzin. Po wyżarzeniu ujednorodniającym, które przeprowadza się w hucie, 

następuje zwykle obróbka plastyczna wlewka, polegająca na kuciu lub walcowaniu.

Wyżarzanie normalizujące ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej, 

która ma lepsze własności mechaniczne niż gruboziarnista. Przebieg procesu normalizowania 

stali zależy w pewnej mierze od jej składu chemicznego. Stale ogrzewa się podczas 

wyżarzania normalizującego do temperatury austenitu, a następnie wyjęte z pieca przedmioty 

chłodzi się na powietrzu. Podczas przemiany perlitu w austenit następuje rozdrobnienie ziarna. 

Odmianą wyżarzania normalizującego jest wyżarzanie zupełne, które różni się od 

poprzedniego sposobem chłodzenia, podczas tej przemiany chłodzenie przedmiotu nagrzanego 

tak jak przy wyżarzaniu normalizującym odbywa się w piecu, który stygnie bardzo powoli. 

Pozwala to na całkowite przeprowadzenie przemian fazowych w stali zgodnie ze stanem 

równowagi. Dzięki temu uzyskuje się dobrą ciągliwość stali, małą twardość i dobrą 

obrabialność.

Wyżarzanie zmiękczające polega na nagrzaniu stali do temperatury określonej w przybliżeniu 

przemianą A1, a następnie studzeniu po długotrwałym ( wielogodzinnym ) wygrzewaniu. 

Wyżarzanie to ma na celu rozbicie siatki cementytu i uzyskanie cementytu kulkowego na tle 

ferrytycznym.

Wyżarzanie rekrystalizujące. Materiał poddany w pewnych warunkach obróbce plastycznej 

wykazuje wybitne zmiany własności. Po obróbce plastycznej, np. po walcowaniu, kuciu lub 

ciągnieniu, wzrastają wyraźnie wytrzymałość i twardość materiału, a maleje zdolność do 

dalszych odkształceń plastycznych. Zjawisko to jest tym większe, im większy jest stopień 

odkształcenia zwanego zgniotem. Umocnienie materiału nie jest zjawiskiem trwałym. Można 

przez wyżarzanie w odpowiedniej temperaturze przywrócić materiałowi własności plastyczne i 

wytrzymałościowe, które miał przed zgniotem. W tym celu należy materiał wyżarzyć w 

temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji, która dla każdego materiału jest inna. 

Temperatura rekrystalizacji zależy od następujących czynników: temperatura topnienia 

materiału, stopień zgniotu, wielkość kryształów pierwotnych, temperaturę, w której dokonano 

zgniotu i inne.

Wyżarzanie odprężające stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych 

powstałych w materiale wskutek zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania lub 

obróbki plastycznej prowadzonej w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, czyli 

na zimno. Wyżarzanie przeprowadzone w celu usunięcia naprężeń własnych, stosowane 

najczęściej do stali, przeprowadza się w temperaturze nie przekraczającej temperatury 

przemiany A1 ( zwykle w temp. 550 do 650oC ). Usunięcie naprężeń zależy od czasu i 

temperatury. Im wyższa jest temperatura, tym krótszy może być czas trwania procesu 

wyżarzania. Dzięki odprężeniu materiału zapobiega się późniejszym odkształceniom 

przedmiotów, a nawet w pewnych przypadkach również pęknięciom, które mogłyby wystąpić 

w czasie pracy naprężonych elementów.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

1.Przygotować arkusz pomiarów ( tabela 1 ).

2.Wykonać trzy próbki do próby udarności z tej samej stali.

3.Jedną z próbek poddać ulepszaniu cieplnemu ( hartowanie i odpuszczanie wysokie ), drugą 

zahartować ( temperatury hartowania i odpuszczania przyjąć na podstawie tabel ),a trzeciej 

próbki nie poddawać obróbce cieplnej.

4.Zbadać udarność i twardość wg Rockwella, a wyniki zapisać w arkuszu pomiarów.

 

IV.Uwagi do sprawozdania.

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

a / określenie celu próby,

b / teoretyczny opis ćwiczenia,

c/ opis przebiegu ćwiczenia,

d/ arkusz pomiarów z wynikami pomiarów ( tabela 1 ),

e/ uwagi i wnioski.

Tabela 1.

 

L.p.

Materiał

Twardość

Udarność

Obr. cieplna

próbka 1

       

próbka 2

       

próbka 3