Obróbka cieplna – hartowanie, odpuszczanie PDF

Preview

Summary

Materiałoznawstwo
Obróbka cieplna – hartowanie, odpuszczanie - sprawozdanie
Wydział Transportu PW, semestr 1...

Description

Politechnika Warszawska

Wydział Transportu

Materiałoznawstwo Semestr I

Ćwiczenie nr I Temat: Obróbka cieplna – hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie

1) Poszczególne rodzaje obróbek cieplnych Hartowanie - zabieg cieplny mający na celu zwiększenie twardości danego materiału. Polega on na nagrzaniu i wygrzaniu stali w temperaturze nieco wyższej niż Ac3 i Ac1,3, a następnie ochłodzeniu w wodzie lub oleju. Hartowanie objętościowe – jego celem jest uzyskanie na całym przekroju przedmiotu struktury martenzytycznej o dużej wytrzymałości, twardości i odporności na ścieranie, odznaczające się jednak znaczną kruchością i naprężeniem własnym. Hartowanie zwykłe – polega na oziębianiu w jednym ośrodku hartowniczym. Ujemną stroną jest wyzwalanie się znacznych naprężeń hartowniczych. Chłodzenie do temperatury poniżej przemiany martenzytycznej przebiega w sposób ciągły i bez gwałtownej przemiany szybkości chłodzenia. Dla stali wysokowęglowych hartowanie takie daje strukturę martenzytyczno–bainityczną. Hartowanie stopniowe – występuje w dwóch ośrodkach i umożliwia dokładną regulację czasu wytrzymywania w pierwszej cieczy hartowniczej. Element oziębia się w kąpieli solnej o temperaturze Ms (30-500C) i wychładza na powietrzu. Czas wychładzania w pierwszym ośrodku nie może przekroczyć czasu trwałości przechłodzonego austenitu. Sposób ten zmniejsza naprężenia hartownicze strukturalne i cieplne. Hartowanie izotermiczne – jest hartowaniem bainitycznym, nie wymagającym odpuszczania. Polega na oziębianiu przedmiotu w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms (2504000C) i wytrzymaniu w niej przez czas zapewniający całkowite zakończenie przemiany bainitycznej. Przy wysokiej twardości (45-55 HRC) uzyskuje się wyższą plastyczność i udarność niż przy hartowaniu martenzytycznym. Hartowność - zdolność stali do wytwarzania struktury martenzytycznej. Prędkość krytyczna - możliwie najmniejsza prędkość chłodzenia, przy której zajdzie przemiana austenitu w martenzyt. Jest to linia styczna do krzywej początku przemiany austenitu w perlit. Odpuszczanie - obróbka cieplna, którą stosuje się do stali uprzednio zahartowanej. Stal poddawaną odpuszczaniu wygrzewa się w temperaturze niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzi na wolnym powietrzu do temperatury otoczenia. Podczas odpuszczania zasadniczy składnik strukturalny zahartowanej stali węglowej – martenzyt rozpada się przez wydzielenie dyspersyjnych ziarenek cementytu i powstają takie struktury jak troostyt odpuszczania oraz sorbit odpuszczania. Odpuszczanie niskie - przeprowadza się w zakresie temperatur 150250C w celu usunięcia ostrych naprężeń hartowniczych, a zmiany strukturalne zachodzące w stali odpuszczanej nisko są niewielkie w stosunku do struktury uzyskanej przez zahartowanie. Pozwala to na zachowanie dużej twardości i odporności na ścieranie. Odpuszczanie niskie stosuje się głównie dla stali narzędziowych. Odpuszczanie średnie - przeprowadza się w zakresie temperatur 250500C w celu nadania stali zahartowanej dużej wytrzymałości i sprężystości przy dostatecznej odporności na uderzenia. Struktura martenzytyczna przechodzi wówczas w troostyt odpuszczania, czyli

drobnoziarnistą mieszaninę cementytu i ferrytu. Powoduje to znaczny spadek twardości stali. Odpuszczanie niskie stosuje się głównie dla takich elementów jak: sprężyny, resory, matryce itp. Odpuszczanie wysokie - przeprowadza się w temperaturach powyżej 500C do AvC1 w celu niemal całkowitego usunięcie naprężeń hartowniczych oraz uzyskania możliwie najwyższej udarności dla danej stali przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku Re do Rm. Zahartowana stal odpuszczona wysoko uzyskuje strukturę sorbitu odpuszczania, czyli drobnego i równomiernie rozłożonego cementytu w osnowie perlitu. Odpuszczanie wysokie stosuje się głównie do większości stali konstrukcyjnych. Wyżarzanie – zabieg polegający na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze oraz następnym powolnym studzeniu.

2) Stale węglowe przeznaczone do hartowania Celem wykonywanego przez nas ćwiczenia, było przedstawienie, jak zmienia się twardość różnych próbek stali w procesie hartowania. Przed praktyczną częścią ćwiczenia, grupa została zapoznana przez Wykładowcę z częścią teoretyczną. Przedstawiona została ogólna charakterystyka badanych próbek podana w tabeli poniżej. Badaniu zostało poddanych pięć próbek stali o różnych właściwościach chemiczno-fizycznych. Poniżej przedstawiam wspomnianą już tabelę z charakterystyką badanych próbek. Stal

%C

45 50HS 65H N11E NC6

0,45 0,50 0,65 1,10 1,30

Twardość przed hartowaniem HRB 98 96 89 88 94

W tabeli tej podane zostały następujące określenia: o Stal - jest to ogólnie przyjęta nazwa dla stopu stali o określonych właściwościach o % C – oznacza procentową zawartość pierwiastka węgla w danym stopie o Twardość przed hartowaniem HRB – jest to współczynnik twardości próbki przed hartowaniem, mierzony w skali HRB Charakterystyka poszczególnych próbek stali: o 45 – stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,45%; o 50HS – stal węglowa o zawartości węgla równej 0,55% znajduje zastosowanie w np. resorach do pojazdów mechanicznych, sprężynach, amortyzatorach, sprężynach zaciskowych;

o 65H – stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,65%; o N11E - stal węglowa narzędziowa płytko hartująca się o zawartości węgla równej 1,1%. Znajduje zastosowanie w np. matrycach, wykrojnikach, narzynkach, rozwiertakach, frezach gwintownikach. o NC6 – stal węglowa o zawartości węgla równej 1,3%. Znajduje zastosowanie w np. wiertłach, nożach krążkowych.

3) Dobór temperatur hartowania dla stali węglowych

Temperatura nagrzewania przy hartowaniu zależna jest od składu chemicznego stali oraz co ważniejsze od zawartości węgla. Temperatura ta odczytywana jest z wykresu żelazo - węgiel. Na powyższym rysunku przedstawiono zakres temperatur, w jakich należy wygrzewać hartowany przedmiot .  Ferryt – jest to roztwór stały węgla w żelazie ;  Austenit – jest to roztwór stały węgla w żelazie ;  Cementyt – rozróżnia się następujące rodzaje cementytu: - pierwotny – krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie;

  



wtórny – wydzielający się w stanie stałym z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie ; trzeciorzędowy – wydzielający się z ferrytu na skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie . Perlit – jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu. A1 – przemiana eutektoidalna (perlityczna) zachodząca w stałej temperaturze 727C przy chłodzeniu (Ar1) powstaje z austenitu mieszanina eutektoidalna (perlit), natomiast przy nagrzewaniu (Ac1) z eutektoidu powstaje austenit; A3 – przemiana alotropowa; zachodząca w czystym żelazie w temperaturze 912C; w stopach przemiana A3 oznacza początek wydzielania się ferrytu z austenitu (Ar3 – przy chłodzeniu) lub koniec przemiany ferrytu w austenit (Ac3 – przy nagrzewaniu); Acm – początek wydzielania się cementytu wtórnego z austenitu (Ar cm – przy chłodzeniu) lub koniec rozpuszczania się cementytu wtórnego w austenicie (Accm – przy nagrzewaniu).

4) Szybkość chłodzenia w procesie hartowania Wykres CTP przedstawia przemianę austenitu pod wpływem chłodzenia.

Odległość między liniami początku i końca przemiany określa szybkość przemiany austenitu. Z krzywych CTP możemy wywnioskować, że poniżej temperatury A1 trwałość austenitu jest bardzo duża dlatego mała jest szybkość przemiany, wraz ze wzrostem chłodzenia szybkość przemiany wzrasta osiągając największą wartość w zakresie od 550  600C. W skutek dalszego obniżania temperatury szybkość przemiany austenitu maleje. W temperaturze ok. 250C austenit osiąga ponownie dużą trwałość a szybkość jego rozkładu spada do minimum. Poniżej linii Ms przemiana austenitu ma charakter bezdyfuzyjny, co tłumaczy zanik linii początku i końca przemiany poniżej tej linii. Szybkość chłodzenia V kr to prędkość krytyczna – jest to minimalna prędkość chłodzenia umożliwiająca przemianę martenzytyczną.

5) Proces hartowania wybranych materiałów konstrukcyjnych Bezpośrednio przed rozpoczęciem ćwiczenia, grupa została poinformowana o istniejącym, wysokim zagrożeniu poparzeniem, gdyż badane próbki, które należało zahartować, znajdowały się w piecu o bardzo wysokiej temperaturze.

a) Hartowanie: Przebieg ćwiczenia wyglądał następująco: Wszystkie próbki na początku zajęć zostały umieszczone w piecu i pozostały tam do momentu nagrzania się do temperatury 820OC. Następnie, przy użyciu specjalnych przyrządów, jedna z próbek została wyjęta, po czym gwałtownie włożono ją do wody, zataczając okręgi, aby przyspieszyć jej chłodzenie. Zabieg został wykonany tak samo dla każdej próbki. Po ostudzeniu, górne części próbek zostały oczyszczone papierem ściernym w celu usunięcia ewentualnych zanieczyszczeń, które utrudniłyby zmierzenie twardości. W kolejnym etapie dokonaliśmy pomiaru twardości każdej stali metodą Rockwella (polega ona na wgniataniu w próbkę wgłębnika dla HRC - stożka diamentowego, a dla HRB - kulki stalowej). Wyniki z pomiarów zostały przeliczone na twardość w skali Vickersa (HV). b) Odpuszczanie Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali poddanej uprzedniemu hartowaniu w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego. Chłodzenie po wygrzewaniu odpuszczającym przeprowadza się w powietrzu lub - w celu uniknięcia kruchości odpuszczania - w oleju lub w wodzie.

c) Wyżarzanie Ta część ćwiczenia polega na odpuszczeniu próbek, które zostały zahartowane w pierwszej części zadania. Trzeba najpierw ochłodzić piec do temperatury 600OC i umieścić w nim zahartowane próbki. Po upływie ok. 10 min. próbki należy wyciągnąć z pieca i ułożyć na metalowej podkładce. Aby można było przystąpić do kolejnej czynności trzeba odczekać pewien okres czasu, aż wszystkie próbki ochłodzą się. Ciekawym jest, że w temperaturze odpuszczania próbki nie zmieniają koloru na czerwony jak w przypadku

temperatury hartowania. Tak, więc widząc czarną próbkę stali, nie jesteśmy w stanie określić czy jest ona dostatecznie gorąca, aby można było przystąpić do jej oczyszczenia. Po dłuższym czasie, gdy wszystkie próbki zostały wyszlifowane papierem ściernym, zmierzona została ich twardość metoda Rockwella. Wyniki z pomiarów zapisano i przeliczono na twardość w skali Vickersa.

6)

Analiza twardości materiałów przed i po hartowaniu

Poniżej przedstawiam w tabeli zestawienie pomiarów twardości próbek stali, przed i po hartowaniu. Wartości twardości próbek przedstawione są w skali HV.

Stal

%C

45 50HS 65 N11E NC6

0,45 0,50 0,65 1,10 1,30

TWARDOŚĆ przed po hartowaniu hartowaniem HRB HV HRC HV 98 240 63,3 780 96 225 59,5 690 89 190 64,8 820 88 185 61,6 740 94 215 60,8 720

W tabeli przedstawiono poniższe określenia:     

Stal - jest to ogólnie przyjęta nazwa dla stopu stali o określonych właściwościach % C - oznacza procentową zawartość pierwiastka węgla w danym stopie HRB - współczynnik twardości próbki przed hartowaniem HRC - współczynnik twardości próbki po hartowaniu HV - skala twardości Vickersa.

Zmiany twardości hartowanych próbek w skali HV 45

50HS

65

N11E

NC6 820

780

740 690

240

225

190

185

720

215

MAT EMATYCZNE OBLICZENIA ZMIANY TWARDOŚCI PRÓBEK PO PROCESIE HARTOWANIA: Twardość przed hartowaniem

Twardość po hartowaniu

Procentowy przyrost twardości próbki po hartowaniu obliczamy ze wzoru:

HV zahartowane−HV niehartowane ⋅100 % HV niehartowane

Stal 45 50HS 65 N11E NC6

Twardość przed hartowaniem 240 225 190 185 215

Twardość po hartowaniu 780 690 820 740 720

Procentowy przyrost twardości 225% 206,67% 331,58% 300% 234,88%

Wykres twardości HRB 100 95

HRB

90 85 80 0.45

0.5

0.65

1.1

1.3

Wykres twardości HRC 66 64 HRC

62 60 58 56 0.45

0.5

0.65

1.1

1.3

Wykres twardości HV przed i po hartowaniu 900 800 700 600 500

HV przed hartowaniem HV po hartowaniu

400 300 200 100 0 0.45

0.5

0.65

1.1

1.3

Wykres procentowego przyrostu twardości po hartowaniu w zależności od zawartości węgla w próbce 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0%

0.45%

0.50%

0.65%

1.10%

1.30%

Przed hartowaniem Po hartowaniu

Z powyższych wykresów wynika, że po hartowaniu próbek stali ich twardość wzrosła, co było celem przeprowadzanego ćwiczenia....