Utwardzanie powierzchnioe stali PDF

Preview

Summary

Obrobka cieplna - powierzchniowa...

Description

Konrad Kuleta Gr 2.2

Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Materiałowej

Materiały metaliczne - obróbka cieplna Laboratorium 3 - UTWARDZANIE POWIERZCHNIOWE STALI

1. Wstęp teoretyczny Nawęglanie jest to obróbka cieplno-chemiczna polegająca na dyfuzyjnym nasyceniem węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału, co prowadzi do uzyskania twardych, odpornych na ścieranie warstw powierzchniowych przy zachowaniu dosyć wytrzymałego, ale o dobrej plastyczności i udarności rdzenia (który przez to może przenosić obciążenia) przy jednoczesnej poprawie odporności na zmęczenie obrobionych części. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe (do 0,25% zawartości węgla). Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1–1,3%, a głębokość nawęglania zależy od parametrów procesu. Nawęglanie odbywa się najczęściej w temperaturze 900-950°C. Po procesie nawęglania stosuje się dalszą obróbkę cieplną. W warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref:   

Nadeutektoidalną o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych przypadkach występującego w postaci siatki na granicach ziaren perlitu Eutektoidalną o strukturze perlitycznej Podeutektoidalną o strukturze perlityczno-ferrytycznej

W stalach stopowych w strefie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe. Metody nawęglania      

Nawęglanie w proszkach Nawęglanie gazowe Nawęglanie w złożach fluidalnych Nawęglanie w ośrodkach ciekłych Nawęglanie jonizacyjne Nawęglanie próżniowe

Hartowanie powierzchniowe jest rodzajem obróbki cieplnej stosowanej w celu uzyskania większej twardości, szczególnie w elementach narażonych na siły trące. Jednocześnie proces ten nie zmienia struktury rdzenia pozwalając zachować jego odpowiednią ciągliwość. Można to osiągnąć poprzez szybkie nagrzanie warstwy roboczej elementu do temperatury hartowania a następnie szybkie schłodzenie przedmiotu, przy czym szybkość ochładzania musi być co najmniej równa szybkości krytycznej. Metody hartowania powierzchniowego   

Hartowanie indukcyjne Hartowanie płomieniowe Hartowanie kąpielowe

Hartowanie indukcyjne odbywa się poprzez przeciągnięcie przedmiotu przez cewkę otaczającą go. Prądy wirowe powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Jest bardzo popularna metoda hartowania powierzchniowego, ponieważ można precyzyjnie kontrolować temperaturę i głębokość nagrzewania.

Odpuszczanie to proces obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu uprzednio zahartowanego materiału w celu obniżenia stopnia metastabilności struktury, usunięcia naprężeń hartowniczych, zmiany struktury i własności materiału zahartowanego. Procesy odpuszczania zbliżają strukturę materiału w kierunku stanu równowagi. Ze względu na temperaturę obróbki, odpuszczanie dzielimy na:   

Niskie (150-250°C) – stosowane do narzędzi, zmniejsza naprężenia hartownicze przy zachowaniu wysokiej twardości i odporności na ścieranie Średnie (250-500°C) – stosowane do sprężyn, resorów. Ma na celu uzyskanie jak najwyższej granicy plastyczności oraz wytrzymałości na rozciąganie Wysokie (powyżej 500°C) – stosowane do elementów maszyn, ma na celu otrzymanie wysokiej wytrzymałości i plastyczności

Hartowanie z wysokim odpuszczaniem nazywamy ulepszaniem cieplnym.

2. Cel ćwiczenia  

Badanie wpływu nawęglania, hartowania powierzchniowego i odpuszczania na mikrostrukturę i twardość stali Zbadanie wpływu natężenia prądu cewki na głębokość hartowania

3. Metodyka Otrzymaliśmy próbki czterech gatunków stali: 18HGT, 15, 15H, 15HGM poddane nawęgleniu. Próbki każdego gatunku zostały poddane hartowaniu. Zbadaliśmy twardość powierzchni i rdzenia próbek po nawęglaniu oraz nawęglaniu i hartowaniu. Otrzymaliśmy również próbki stali 45 oraz 36H3M, które poddaliśmy hartowaniu indukcyjnemu. Wykonaliśmy rozkład twardości próbek hartowanych powierzchniowo. Wykonaliśmy odpuszczenie w temperaturze 250°C przez czas 3h próbek zahartowanych. Zbadaliśmy twardość powierzchni próbek odpuszczonych. Zainkludowaliśmy próbki w żywicy, przygotowaliśmy zgłady metalograficzne (użyliśmy tarcz szlifierskich o gradacji 120-1600, następnie polerowaliśmy próbki na suknie przy użyciu pasty diamentowej o gradacji 1µm. Trawienie wykonaliśmy przy pomocy nitalu. Następnie obserwowaliśmy mikrostrukturę próbek przy użyciu mikroskopu metalograficznego oraz wykonaliśmy zdjęcia.

4. Wyniki i ich opracowanie Tabela 1 Wyniki pomiarów twardości dla próbek po nawęglaniu

Powierzchnia [HRC]

Rdzeń [HRB]

Próbka

1

18HGT

27,7

15

21,6

15H

13,7

15HGM

13,1

18HGT

77,5

2 3 28, 28,5 3 22, 21,8 1 13, 13,1 1 41, 42,7 6 77, 76,8

Wartość średnia

Wartość HB

28,17

264

21,83

233

13,30

190

32,47

300

77,17

139

15 15H 15HGM

2 76, 75,7 2 76, 76,4 6 83, 81,9 8

76,6

76,17

137

76,4

76,47

137

83,7

83,55

158

Tabela 2 Wyniki pomiarów twardości dla próbek po nawęglaniu i hartowaniu

Miejsce pomiaru

Próbka 18HGT 15

Powierzchnia [HRC]

15H 15HGM 18HGT

Rdzeń [HRC]

15 [HRB] 15H 15HGM

1 65, 5 47, 8 53, 7 65, 3 25, 1 85, 6 18 26, 7

2

3

Wartość średnia

Wartość HB

66,2

66,2

65,97

735

47,1

48,3

47,73

456

62,5

59,6

58,6

613

66,0

66,3

65,87

735

27,2

26,3

26,2

255

86,3

86,2

86,13

167

20,7

20,7

19,8

233

29,3

27,2

27,73

264

Tabela 3 Wyniki pomiarów twardości dla próbek po nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu

Miejsce pomiaru

Próbka 18HGT 15

Powierzchnia [HRC]

15H 15HGM

Rdzeń [HRC]

18HGT 15 15H 15HGM

Twardość powierzchni

1 57, 4 46, 3 56, 2 58, 6 27 3,2 20 29, 1

2

3

Wartość średnia

57,5

57,6

57,45

45,5

45,2

45,67

50,6

50,3

54,13

58,4

58,9

58,63

27,2 3 20,8

26,7 3,8 20

26,97 3,33 20,27

30,2

29,8

29,70

Wartość HB 592 430 534 613 262 160 223 277

Powierzchnia 800 700 Twardość HB

600 500

Nawęglanie Nawęglanie + hartowanie Nawęglanie + hart. + odp.

400 300 200 100 0 18HGT

15

15H

15HGM

Gatunek stali

Rysunek 1 Wykres zależności twardości powierzchniowej od przeprowadzonej obróbki cieplnej dla różnych gatunków stali

Twardość rdzenia

Rdzeń 300

Twardość HB

250 200

Nawęglanie Nawęglanie + hartowanie Nawęglanie + hart. + odp.

150 100 50 0 18HGT

15

15H

15HGM

Gatunek stali

Rysunek 2 Wykres zależności twardości rdzenia od przeprowadzonej obróbki cieplnej dla różnych gatunków stali

Na podstawie Rys 1. możemy stwierdzić, że hartowanie stali nawęglonej gwarantuje otrzymanie największej twardości powierzchniowej, natomiast odpuszczenie stali po hartowaniu powoduje niewielki spadek jej twardości na powierzchni. Na podstawie Rys 2. możemy stwierdzić, że hartowanie stali nawęglonej zwiększa twardość rdzenia próbki, a odpuszczanie w niewielkim stopniu wpływa na twardość rdzenia. Z obu wykresów możemy wywnioskować, że na twardość stali nawęglonej po hartowaniu i hartowaniu z odpuszczeniem w dużym stopniu wpływają pierwiastki stopowe, dla stali węglowej 15 wzrost twardości jest najmniejszy. Hartowanie indukcyjne

Głębokość hartowania indukcyjnego zbadaliśmy dla dwóch gatunków stali, próbki stali 36H3M oraz 45. Literą S oznaczono stal 36H3M hartowaną indukcyjnie używając natężenia prądu 480A przez 6s, cyfrą 3 oznaczono stal 45 hartowaną w takich samych parametrach.

Tabela 4 Rozkład mikrotwardości dla próbki S hartowanej indukcyjnie

Nr Pomiaru

Odległość od powierzchni [μm]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

89 389 689 989 1289 1589 1889 2189 2489 2789 3089 3389 3689 3989 4289 4589 4889

Zmierzone długości odcisków [μm] 39,65 39,9 40,84 42,87 43,01 41,05 40,91 41,87 40,36 39,29 40,84 43,74 45,37 44,69 46,25 45,24 46,6

38,82 39,82 40,72 42,59 42,81 40,57 41,26 42,34 40,51 38,9 40,38 42,7 44,57 43,84 44,77 45,45 44,8

Wartość średnia długości [ mm] 0,039235 0,03986 0,04078 0,04273 0,04291 0,04081 0,041085 0,042105 0,040435 0,039095 0,04061 0,04322 0,04497 0,044265 0,04551 0,045345 0,0457

Obliczona twardość HV0.2 240,93 233,43 223,02 203,13 201,43 222,69 219,72 209,20 226,84 242,66 224,89 198,55 183,40 189,28 179,07 180,37 177,58

260 240

Twardość [HV0,2]

220 200 180 160 140 120 100 89

389 689 989 1289 1589 1889 2189 2489 2789 3089 3389 3689 3989 4289 4589 4889 Odległość od powierzchni [μm]

Rysunek 3 Wykres rozkładu mikrotwardości próbki S hartowanej indukcyjnie

Na podstawie Rys. 3 możemy oszacować grubość zahartowanej warstwy na około 3,2 mm.

Tabela 5 Rozkład mikrotwardości dla próbki 3 hartowanej indukcyjnie

Nr Pomiaru

Odległość od powierzchni [μm]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

98 398 698 998 1298 1598 1898 2198 2498 2798 3098 3398 3698 3998 4298 4598 4898

Zmierzone długości odcisków [μm] 29,54 30,7 27,3 26,3 29 32,1 32,63 30,08 29,96 28,8 30,21 36,99 40,09 38,67 38,66 37,18 40,5

29,44 30,15 27,15 26,24 28,93 30,37 31,18 29,55 29,76 28,94 30,08 36,59 49,63 38,4 37,66 36,66 40,11

Wartość średnia długości [mm]

Obliczona twardość HV0.2

0,02949 0,030425 0,027225 0,02627 0,028965 0,031235 0,031905 0,029815 0,02986 0,02887 0,030145 0,03679 0,04486 0,038535 0,03816 0,03692 0,040305

426,47 400,66 500,38 537,42 442,07 380,15 364,35 417,22 415,96 444,98 408,13 274,01 184,30 249,76 254,69 272,09 228,31

600 550

Twardość [HV0,2]

500 450 400 350 300 250 200 150 98

398 698 998 1298 1598 1898 2198 2498 2798 3098 3398 3698 3998 4298 4598 4898 Odległość od powierzchni [μm]

Rysunek 4 Wykres rozkładu mikrotwardości próbki 3 hartowanej indukcyjnie

Na podstawie Rys 4. możemy oszacować grubość warstwy zahartowanej na około 3,2 mm.

Próbka nawęglana Tabela 6 Rozkład mikrotwardości dla próbki nawęglanej

Nr Pomiaru

Odległość od powierzchni [μm]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

124 224 324 424 524 624 724 824 924 1024 1124 1224 1324 1424 1524 1624

Zmierzone długości odcisków [μm] 18,93 19,87 21,42 19,93 20,88 22,09 25,08 25,75 26,15 26,64 27,97 27,15 24,66 23,38 25,27 26,01

17,73 18,65 21,18 19,87 20,63 28,23 25,56 26,09 26,02 27,73 28,47 27,11 23,32 32,07 26,84 26,23

Wartość średnia długości [ mm] 0,01833 0,01926 0,0213 0,0199 0,020755 0,02516 0,02532 0,02592 0,026085 0,027185 0,02822 0,02713 0,02399 0,027725 0,026055 0,02612

Obliczona twardość HV0.05 275,96 249,95 204,37 234,14 215,24 146,47 144,63 138,01 136,27 125,46 116,43 125,97 161,11 120,62 136,58 135,90

300 280

Twardość [HV0,05]

260 240 220 200 180 160 140 120 100 124 224 324 424 524 624 724 824 924 1024 1124 1224 1324 1424 1524 1624 Odległość od powierzchni [μm]

Rysunek 5 Wykres rozkładu mikrotwardości próbki nawęglanej

Nawęglanie + hartowanie indukcyjne Tabela 7 Rozkład mikrotwardości dla próbki nawęglanej i hartowanej indukcyjnie

Nr Pomiaru

Odległość od powierzchni [μm]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

113 212 311 410 509 608 707 806 905 1004 1103 1202 1301 1400 1499 1598

Zmierzone długości odcisków [μm] 13,85 13,25 15,27 13,99 15,59 17,91 18,25 17,99 20,74 20,62 22,83 23,33 20,05 22,77 19,39 28,55

13,44 13,18 15,23 14,39 15,41 16,91 17,66 18,95 20,62 20,82 22,32 23,66 23,38 22,7 20,28 21,99

Wartość średnia długości [mm]

Obliczona twardość HV0.05

0,013645 0,013215 0,01525 0,01419 0,0155 0,01741 0,017955 0,01847 0,02068 0,02072 0,022575 0,023495 0,021715 0,022735 0,019835 0,02527

498,00 530,93 398,69 460,48 385,93 305,90 287,61 271,79 216,81 215,97 181,94 167,97 196,63 179,38 235,67 145,20

600 550

Twardość [HV0,05]

500 450 400 350 300 250 200 150 100 113 212 311 410 509 608 707 806 905 1004 1103 1202 1301 1400 1499 1598 Odległość od powierzchni [μm]

Rysunek 6 Wykres rozkładu mikrotwardości próbki nawęglanej i hartowanej indukcyjnie

Hartowanie indukcyjne Tabela 8 Wyniki pomiaru twardości w zależności od natężenia prądu

Próbka Oznaczenie 36H3 M

45

A H S K 1 2 3 4

Czas [s] 6 6 6 6 6 6 6 6

Natężenie prądu [A] 320 400 480 560 320 400 480 560

Twardość HRC 0° 90° 180° 270° 29,2 25,9 27,6 24,3 39,5 35,5 38,2 29,5 43,3 39,5 42,8 36,9 39,2 39 40,8 38,5 55,6 51,6 55,6 57,9 50,4 48 47 51,5 55,6 49,8 54,6 58,6 22,1 9,3 23,4 35,3

Tabela 9 Wyniki pomiaru twardości w zależności od ułożenia próbki

Oznaczenie próbki Twardość HRC 3 55,6 51,6 53,4 49,8 54,8 52,5 54,6 53,2 57,1 58,6 54,4 56,8 S 43,3 38,4 39,2 39,5 37,3 36,2 42,8 38,7 32,7 36,9 35,7 37,6 Kąt obrotu próbki 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330°

0 330

60

30

300

60 10

-40

270

90

240

Próbka 3 Próbka S

120 210

150 180

Rysunek 7 Wykres twardości próbek w zależności od ułożenia

Na podstawie Tabeli 8 możemy stwierdzić, że natężenie prądu ma wpływ na głębokość hartowania, zależność jest wprost proporcjonalna. Na podstawie Rys. 7 możemy stwierdzić, że orientacja próbki ma wpływ na głębokość zahartowania.

5. Zdjęcia i ich omówienie

Rysunek 8 Zdjęcie mikrostruktury stali 18HGJ po procesie nawęglania powiększenie 50x

Rysunek 9 Zdjęcie mikrostruktury stali 18HGJ po procesie nawęglania powiększenie 200x

Rysunek 10 Zdjęcie mikrostruktury stali 18HGJ po procesie nawęglania i hartowania powiększenie 50x

Na Ry Rysunek 11 Zdjęcie mikrostruktury stali 18HGJ po procesie nawęglania i hartowania powiększenie 100x na około 500 μm. Na Rys. 10 oraz Rys. 11 widoczna jest struktura martenzytyczna powstała w wyniku bezdyfuzyjnej przemiany fazowej warstwy nawęglonej.

6. Wnioski       

Nawęglanie zwiększa twardość warstw powierzchniowych stali Po nawęglaniu konieczna jest dalsza obróbka cieplna w celu poprawy właściwości stali Dodatki stopowe mają znaczny wpływ na hartowność stali Hartowanie powierzchniowe pozwala na uzyskanie twardej powierzchni przy zachowaniu plastyczności rdzenia Odpuszczanie zmniejsza twardość powierzchni stali, ale pozwala usunąć naprężenia hartownicze i zachować wyższą plastyczność materiału Orientacja próbki względem cewki ma wpływ na głębokość zahartowanej warstwy Głębokość zahartowanej warstwy jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu cewki

7. Bibliografia  

„Metaloznawstwo”, Karol Przybyłowicz „Podstawy nauk o materiałach i metaloznawstwo”, L. A. Dobrzański...