7. Ćw.6. Obróbka cieplna stali stopowych PDF

Preview

Summary

Download 7. Ćw.6. Obróbka cieplna stali stopowych PDF

Description

LABORATORIUM METALOZNAWSTWO II DLA STUDENTÓW STUDIÓW STACJONARNYCH

Instrukcja

Obróbka cieplna stali stopowych

1

1. Cel i zakres ćwiczenia Zapoznanie się z obróbką cieplną stali stopowych 2. Wiadomości teoretyczne 2.1. Pojęcia podstawowe Obróbkę cieplną definiuje się jako „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, czasu oraz działania środowiska". Inaczej można powiedzieć że pod pojęciem obróbki cieplnej rozumiemy odpowiednio dobrane zabiegi cieplne, które prowadzą do poprawy własności stali przez zmiany struktury, wywołane przemianami fazowymi zachodzącymi w stanie stałym. W obróbce cieplnej rozróżnia się operację i zabiegi. Operacja to rodzaj procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie), natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie). Operacja składa się zwykle z kilku zabiegów. Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą: Nagrzewnie – ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury elementu obrabianego cieplnie, Wygrzewanie – polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze, Chłodzenie – to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu.

Rys. 1. Przykładowy schemat operacji obróbki cieplnej w układzie temperatura - czas. Uproszczoną istotą obróbki cieplnej w sensie czynności praktycznych jest nagrzewanie stopumetalu z określoną prędkością do założonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze w 2

wymaganym czasie i chłodzenie z różnymi prędkościami. Jak jest wspomniane wcześniej te cząstkowe okresy obróbki nazywa się zabiegami a cały ich zespół nosi nazwę operacji.

3

2.2.

Przemiany podczas nagrzewania w zakres austenitu

Tworzenie się austenitu w stalach stopowych W stalach stopowych węgliki (cementyt stopowy) zawierają zwykle więcej pierwiastków stopowych niż ferryt. Rozpuszczanie się węglików stopowych w powstającym austenicie wymaga dyfuzji na większe odległości nie tylko węgla, lecz i pierwiastków stopowych, które dyfundują znacznie wolniej. Wpływ na przemiany ma również ich powinowactwo do węgla i azotu. Im większe jest to powinowactwo, tym większa jest energia wiązań w węglikach lub azotkach i tym wyższe są temperatury, w których rozpuszczają się one w austenicie. Najtrudniej rozpuszczają się węgliki tytanu, wanadu i niobu, łatwiej wolframu i molibdenu, jeszcze łatwiej chromu a najłatwiej cementyt Fe3C, w którym część atomów żelaza może być zastąpiona innymi pierwiastkami. Wówczas jego wzór zapisuje się jako M3C, gdzie M oznacza zarówno żelazo jak i atomy rozpuszczonych w cementycie pierwiastków. Zagadnienie wielkości ziarna austenitu

4

Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziarna, ponieważ zarodki austenitu tworzą się nie tylko na granicach ziarn ale również w objętości każdego z ziarn perlitu na bardzo rozbudowanej powierzchni między płytkami ferrytu i cementytu, rys.2.

Rys. 2. Schemat przemiany perlitu w austenit Dla stali umownie drobnoziarnistej - por. rys. 3 - (odtlenionej aluminium), w miarę wzrostu temperatury ziarna austenitu rosną najpierw bardzo wolno, a poczynając od pewnej temperatury następuje ich gwałtowny rozrost. W stalach umownie gruboziarnistych (odtlenionych żelazomanganem) rozrost ziarna austenitu następuje natychmiast po zakończeniu przemiany perlitu w austenit. Aluminium dodane jako odtleniacz do stali powoduje powstanie dyspersyjnych azotków (AlN), które odgrywają rolę przeszkód hamujących rozrost ziarna austenitu. Rozrost ziarna austenitu możliwy jest dopiero po rozpuszczeniu tych wydzieleń (w temperaturze 950÷1000°C).

Rys.3. Wpływ temperatury na wielkość ziarna austenitu w stalach eutektoidalnych, wg A.P. Gulajewa

Procesy wydzielania z martenzytu w stalach stopowych 5

Przemiany podczas odpuszczania stali stopowych, poza ewentualnymi różnicami we wpływie niektórych pierwiastków stopowych na stabilność austenitu szczątkowego, do temperatury ok. 450°C zachodzą podobnie jak w stalach niestopowych. Począwszy od ok.450°C rozpoczyna się wydzielanie węglików stopowych, które może przebiegać zgodnie z jednym z dwóch mechanizmów: • Mechanizmem przemiany in situ (z łac. w miejscu). Pierwiastek stopowy koncentruje się stopniowo w cementycie M3C, dopóki nie osiągnie granicznej rozpuszczalności, po czym następuje przemiana cementytu w nowy węglik, np. typu M7C3. • Mechanizmem zarodkowania niezależnego. Najpierw następuje rozpuszczanie się cementytu i w nowych miejscach – niezależnie od istniejących wcześniej węglików - wydzielają się cząstki węglików stopowych, np. typu MC lub M2C. Tworzenie się węglików stopowych mechanizmem zarodkowania niezależnego powoduje silne utwardzanie wydzieleniowe. Zjawisko to określa się mianem twardości wtórnej (rys. 4). Twardość może wówczas nawet przekroczyć tę, którą uzyskano bezpośrednio po zahartowaniu.

Rys.4. Zmiany twardości z temperaturą odpuszczania stali zawierających od 0,5 do 5% w porównaniu ze stalą niestopową, wg E.C. Baina

molibdenu

Na przemianę austenitu szczątkowego w trakcie odpuszczania stali stopowych wpływa zawartość pierwiastków rozpuszczonych podczas austenityzowania. Większość pierwiastków (chrom, mangan, krzem) silnie podnosi temperaturę jego przemiany, niektóre (nikiel, miedź, molibden i wanad) wpływają słabo a kobalt prawdopodobnie w ogóle nie wpływa na temperaturę przemiany austenitu szczątkowego. Przy dużych zawartościach chromu nawet dłuższe wygrzewanie w zakresie 400÷500oC nie powoduje przemiany austenitu szczątkowego, lecz tylko zmniejsza jego stabilność, na wskutek niewyjaśnionych jeszcze procesów dyfuzyjnych. Skutkiem tego przemiana austenitu zachodzi dopiero w trakcie chłodzenia po odpuszczaniu.

6

W wysokostopowych stalach z chromem zachodzi czasem potrzeba kilkakrotnego powtarzania odpuszczania aby doprowadzić do całkowitej destabilizacji austenitu szczątkowego. W stalach o wysokiej zawartości węgla i chromu (o dużym udziale austenitu szczątkowego po hartowaniu), przemiana austenitu szczątkowego może doprowadzić do wyraźnego wzrostu twardości po wysokim odpuszczaniu (rys. 5), czego jednak nie należy mylić ze zjawiskiem twardości wtórnej (twardość wtórna może wystąpić w stalach o znikomym udziale austenitu szczątkowego). Pierwiastki stopowe hamują również spadek twardości z temperaturą odpuszczania poprzez utwardzenie ferrytu oraz opóźnienie procesów dyfuzyjnych. Najbardziej efektywnie działa krzem i mangan a chrom, molibden oraz nikiel działają z porównywalną między sobą siłą ale zdecydowanie słabiej niż krzem i mangan.

Rys.5. Wpływ temperatury odpuszczania na twardość stali 1,8%C i 6,4%Cr, zahartowanej z 900°C, wg E.C. Baina Stale narzędziowe stopowe Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno W porównaniu ze stalami niestopowymi mają: • Zwiększoną hartowność, co daje możliwość produkcji większych narzędzi o bardziej skomplikowanych kształtach, z uwagi na stosowanie podczas hartowania łagodniejszych ośrodków chłodzących (olej, powietrze), • Podwyższoną odporność na ścieranie wskutek na występowanie drobno dyspersyjnych węglików pierwiastków stopowych (Cr, Mo, V, W). Przykłady stali stopowych do pracy na zimno (wg PN-EN 4957:2004) zawarto w tabl. 1 i 2. Oznaczenia stali składają się z liczby wskazującej na zawartość węgla w setnych częściach procenta, a następnie z symboli pierwiastków chemicznych występujących w składzie stali, w malejącej kolejności ich udziału, na końcu jest liczba, która może wskazywać na udział głównego pierwiastka stopowego. Węgiel zawarty jest w szerokich granicach od 0,3 do 2,3%, a dodatkami stopowymi tych stali są chrom do 17%, molibden do 1,3%, wanad do 1,0%, wolfram do 2,2% i nikiel do 4,3, a także mangan do 2,5 i krzem do 1,0%. Są to w zasadzie stale 7

nisko- i wysokostopowe. Stale niskostopowe o zawartości węgla od 0,30 do 0,60 mają dobrą odporność na uderzenia i dlatego stosuje się je na takie narzędzia jak: nitowniki, dłuta. Stale wysokostopowe o wysokiej zawartości węgla od 1,45 do 2,30 należą do stali ledeburytycznych, ponieważ po odlaniu występuje w strukturze ledeburyt przemieniony – mieszanina eutektyczna węglików pierwotnych, wtórnych i najczęściej drobnego perlitu. Po przeróbce plastycznej i rozbiciu struktury pierwotnej, w osnowie stali występują węgliki pierwotne i wtórne. Stale te mają dużą hartowność, która pozwala na hartowanie narzędzi o mniejszych przekrojach w powietrzu, a dzięki dużemu udziałowi objętościowemu twardszych od cementytu węglików stopowych (głównie chromu) należą do bardzo odpornych na ścieranie. Ponadto duża regularność odkształceń po hartowaniu bez zmiany kształtu powoduje, że stosuje się je do wyrobu narzędzi o skomplikowanych kształtach, m.in. na płyty tnące do wykrojników, pierścienie do przeciągania, szczęki i rolki do walcowania i wytłaczania, sprawdziany itp. Obróbka cieplna stali stopowych do pracy na zimno Narzędzia ze stali stopowych do pracy na zimno przede wszystkim muszą mieć dużą twardość i odporność na ścieranie, dlatego są hartowane i nisko odpuszczane. Nagrzewanie narzędzi ze stali wysokostopowych o skomplikowanych kształtach przeprowadza się kilkustopniowo dla zminimalizowania naprężeń cieplnych. Hartowanie stali nadeutektoidalnych przeprowadza się z temperatur 30 - 50°C powyżej Ac1, a ledeburytycznych z temperatur powyżej Accm. (W stalach nadeutektoidalnych podczas austenityzowania węgliki wtórne pozostają nie rozpuszczone, a w stalach ledeburytycznych rozpuszczają się w większości węgliki wtórne, a pozostają nie rozpuszczone węgliki pierwotne.) Podczas austenityzacji pozostawia się więc pewną część węglików nie rozpuszczoną, co zwiększa odporność na ścieranie. Odpuszczanie w temperaturze 180°C zapewnia wysoką twardość, rys. 6b, struktura składa się z martenzytu listwowego z austenitem szczątkowym i węglikami nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji.

Rys.6. Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: niestopowych, b) stopowych do pracy na zimno

a)

Stale narzędziowe do pracy na gorąco 8

Są przeznaczone na narzędzia, których temperatura powierzchni nagrzewa się powyżej 200°C i jednocześnie narażone są na częste i nagłe zmiany temperatury, odpuszczające działanie ciepła, duże naciski i ścieranie. Stosowane są m.in. na matryce, narzędzia do wyciskania, walce hutnicze, formy odlewnicze. Stale do pracy na gorąco muszą odznaczać się: • Dobrymi własnościami mechanicznymi w podwyższonych temperaturach (wysoką wytrzymałością, twardością, dobrą ciągliwością), a w wypadku dużych wymiarów narzędzi w nich wykonywanych (matryce) muszą mieć dużą hartowność, • Dostateczną odpornością na szybkie zmiany temperatury; w wyniku wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia wierzchniej warstwy narzędzi wytwarza się z upływem czasu na ich powierzchni siatka pęknięć. Zjawisko to zwane zmęczeniem cieplnym jest podstawową przyczyną zużywania się narzędzi do pracy na gorąco. Wszystkie gatunki tych stali mają zbliżoną średnią zawartość węgla, w granicach od 0,25 do 0,60% i należą do średniostopowych i wysokostopowych, z udziałem chromu (do 5,5%), molibdenu (do 3,2%) i wanadu (do2,1%), krzemu (do 1%), w niektórych gatunkach; wolframu (do 9,5%), kobaltu (ok. 4,5%) i niklu (do 2%). Skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej przedstawiono w tabl. 3. Oznaczenie stali składa się z liczby wskazującej na zawartość węgla w setnych częściach procenta, czasem poprzedzonej literą X, następnie z symboli pierwiastków w kolejności ich udziału, na końcu występuje liczba, lub liczby niekiedy wskazujące na udział pierwiastków. Stale średniostopowe mają lepszą przewodność cieplną niż wysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięć wskutek zmęczenia cieplnego. Stosuje się je do wyrobu matryc kuźniczych, kowadeł do pras i młotów. Stosunkowo krótki czas kontaktu narzędzia z obrabianym materiałem powoduje, że odporność na odpuszczające działanie ciepła, w tym wypadku ma mniejsze znaczenie. Natomiast z uwagi na duże naciski i wstrząsy w czasie kucia muszą wykazywać dostateczną twardość i dużą ciągliwość. Stale wysokostopowe do pracy na gorąco stosowane są na matryce do pras i formy do odlewów pod ciśnieniem, gdzie kontakt gorącego materiału jest stosunkowo długi i silniejsze nagrzewanie powierzchni narzędzia, przy spokojniejszych warunkach pracy. Dodatki stopowe; wolfram, molibden i wanad dają podczas odpuszczania efekt twardości wtórnej lub hamują spadek twardości przy odpuszczaniu. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Temperatura austenityzacji stali średniostopowych wynosi 1010 - 1040°C, a wysokostopowych 1120 - 1150°C. Nagrzewanie do hartowania dużych narzędzi prowadzi się stopniowo z małymi szybkościami, a czas austenityzacji narzędzi o dużych wymiarach może dochodzić do kilku godzin. Chłodzenie przeprowadza się w oleju lub powietrzu. Po hartowaniu stal ma strukturę martenzytu z niewielką ilością austenitu szczątkowego i węglikami stopowymi nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji. Odpuszczanie stali średniostopowych w zakresie 500 – 550°C, a wysokostopowych w 600°C ma na celu zapewnienie dobrej udarności w warunkach pracy i odporność na odpuszczające działanie ciepła. Po odpuszczaniu struktura składa się z martenzytu odpuszczonego, drobnodyspersyjnych węglików wydzielonych podczas odpuszczania i większych skoagulowanych, nie rozpuszczonych podczas austenityzacji.

9

Rys. 7. Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: a) stopowych do pracy na gorąco, b) szybkotnących Stale szybkotnące Stale szybkotnące stosowane są na narzędzia skrawające pracujące w bardzo ciężkich warunkach; dużych szybkościach skrawania i dużych przekrojach wióra, dzięki zdolności zachowania twardości, odporności na ścieranie do temperatury 600°C oraz zależnych od nich własności tnących stali. Własności stali szybkotnących wynikają ze składu chemicznego oraz obróbki cieplnej, podczas której występuje zjawisko twardości wtórnej, rys. 7b. Wszystkie stale szybkotnące mają wysokie stężenie węgla (0,77 – 1,4%) i dodatki stopowe przede wszystkim; wolfram - do 18%, molibden - do 8,7%, wanad - do 4%, chrom ok. 4%, a kilka z nich kobalt do 10%. Wysoki udział węgla jest niezbędny do utworzenia węglików, zależnie od dodatków stopowych mogą to być węgliki stopowe typu: M6C, M23C6, MC, M2C i M3C. Zawartość węgla jest tak dobrana, aby w stanie wyżarzonym związać w węglikach prawie całkowicie pierwiastki stopowe – Mo, W, V i Cr, a w temperaturze austenityzowania do hartowania część rozpuścić (dla nasycenia austenitu i zwiększenia hartowności stali) i część pozostawić dla zapobieżenia rozrostu ziarn austenitu i zwiększenia odporności na ścieranie. Rola dodatków stopowych w stalach szybkotnących jest następująca: • Chrom zwiększa hartowność, wzmacnia efekt twardości wtórnej, zmniejsza szybkość utleniania, • Wolfram i molibden – podstawowe dodatki stosowane zamiennie; 1% Mo zastępuje 2% W, opóźniają procesy występujące podczas odpuszczania. • Wanad – zwiększa odporność na ścieranie, jest najsilniej węglikotwórczym pierwiastkiem wśród pozostałych dodatków stali szybkotnących, węgliki typu MC, bardzo twarde i trwałe w wysokich temperaturach przyczyniają się do efektu twardości wtórnej, rys. 7b, • Kobalt – zwiększa twardość w podwyższonych temperaturach (ale nie tworzy węglików) oraz jako jedyny zwiększa przewodność cieplną, szczególnie w wysokiej temperaturze wskutek czego 10

narzędzia ze stali z kobaltem mogą skrawać z większą szybkością. Wśród stali szybkotnących można wyróżnić stale wolframowe, molibdenowe i kobaltowe. Z uwagi na własności tnące stale kobaltowe są uważane za najlepsze, o czym zadecydowały względy ekonomiczne, które jednocześnie doprowadziły do ograniczenia stosowania rozpowszechnionej klasycznej stali szybkotnącej HS18-0-1. Stale szybkotnące należą do stali ledeburytycznych, tzn. w stanie odlanym i powolnym chłodzeniu mają strukturę złożoną z drobnego perlitu, węglików wtórnych i ledeburytu - eutektyki przemienionej – w skład której wchodzi perlit drobny, węgliki pierwotne i wtórne. Po wyżarzaniu ujednoradniającym wlewek poddaje się kuciu (lub walcowaniu) w zakresie temperatur 1100 do 900°C celem rozbicia ledeburytycznej siatki węglików. Co najmniej ośmiokrotne zmniejszenie przekroju wlewka jest niezbędne dla obniżenia stopnia segregacji węglików. Segregacja węglików podlega ścisłej kontroli w oparciu o wzorce zawarte w normach, ponieważ w końcowym efekcie decydują one w dużym stopniu o zużywaniu narzędzia i jego jakości. Obróbka cieplna stali szybkotnących Po przeróbce plastycznej półwyroby ze stali szybkotnącej podlegają wyżarzaniu zmiękczającemu w temperaturze 800 - 850°C przez ok. 10 godz. Zapewnia ono zmniejszenie twardości poniżej 300HV i dobrą obrabialność dzięki strukturze równomiernie rozłożonych węglików, których udział objętościowy osiąga 30%, w osnowie ferrytu stopowego. Narzędzia ze stali szybkotnących podlegają hartowaniu i odpuszczaniu, według schematu przedstawionego na rys. 8. Mała przewodność cieplna jest powodem stosowania podgrzewania stopniowego narzędzi do temperatury austenityzowania w kąpielach solnych, z wygrzaniem w ok. 550 i 850°C. Temperatura austenityzowania jest bardzo wysoka, około 50 do 70°C niższa od temperatury solidusu i wynosi około 1280°C. Umożliwia to rozpuszczenie się takiej ilości węglików w austenicie aby został on nasycony pierwiastkami stopowymi i węglem dla zwiększenia hartowności, a jednocześnie pozostawienie pewnej ilości węglików nie rozpuszczonych, które zahamują rozrost ziarn austenitu. Bardzo ważnym parametrem obróbki jest czas austenityzowania. Chłodzenie z temperatury austenityzowania odbywa się stopniowo w kąpieli solnej o temperaturze ok. 550°C i następnie w spokojnym powietrzu. Większe narzędzia można chłodzić w oleju. Po hartowaniu struktura stali składa się z martenzytu listwowego z austenitem szczątkowym (ok. 30%) oraz węglików nie rozpuszczonych podczas austenityzowania. Odpuszczanie przeprowadza się bezpośrednio po hartowaniu, zwykle dwukrotnie w temperaturze od 550 ÷ 600°C przez 2 godz. i chłodzi w powietrzu. Najkorzystniejsza jest temperatura 20 ÷ 30°C wyższa od wykazującej maksymalną twardość wtórną, co daje twardość do ok. 3 HRC wyższą od uzyskanej po zahartowaniu. Podczas pierwszego odpuszczania z martenzytu i austenitu szczątkowego wydzielają się drobnodyspersyjne węgliki, a podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania następuje przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt hartowania. Po pierwszym odpuszczaniu struktura stali zawiera więc martenzyt odpuszczony, martenzyt hartowania, węgliki pierwotne i drobnodyspersyjne oraz pozostały austenit szczątkowy. Drugie odpuszczanie ma na celu usunięcie kruchości martenzytu hartowania i dalsze obniżenie udziału austenitu szczątkowego. Po drugim odpuszczaniu struktura stali złożona jest z martenzytu odpuszczonego, węglików pierwotnych i drobnodyspersyjnych oraz śladów austenitu szczątkowego. Oznaczenie stali szybkotnącej składa się z dwóch liter HS i liczb wyrażających procentowy udział pierwiastków stopowych, najpierw wolframu, następnie molibdenu, wanadu i kobaltu. Na końcu znaku może występować litera C, jeśli stal ma podwyższoną zawartość węgla w 11

stosunku do stali o takim składzie. Przykłady gatunków stali narzędziowych; skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej przedstawiono w tabl. 4

Rys. 8. Schemat obróbki cieplnej narzędzi ze stali szybkotnącej HS18-0-1; hartowanie i dwukrotne odpuszczanie z zaznaczeniem procesów występujących w czasie poszczególnych zabiegów oraz zmniejszania się ilości austenitu szczątkowego i wzrostu twardości podczas odpuszczania

12

13

Studenci przystępujący do zajęć powinni znać takie zagadnienia i pojęcia, jak: 1. Układ żelazo-węgiel 2. Podstawowe pojęcia dotyczące obróbki cieplnej Literatura 1. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2003. 2. Przybyłowicz K. Nowoczesne metaloznawstwo, Wyd. Nauk.”AKAPIT”, Kraków 2012 3. Blicharski M. : Inżynieria materiałowa. Stal, WNT, Wa...