Podstawowe pojęcia

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,06% co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego.
Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych – składników stopowych – zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.
Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia – stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej – co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej.
W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem – głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

Kucie – proces technologiczny, rodzaj obróbki plastycznej, polegający na odkształcaniu materiału za pomocą uderzeń lub nacisku narzędzi. Narzędzia – czyli matryce lub bijaki umieszczane są na częściach ruchomych narzędzi. Proces ten również może być realizowany w specjalnych przyrządach kuźniczych. W procesie tym nadaje się kutemu materiałowi odpowiedni kształt, strukturę i własności mechaniczne. Materiałem wsadowym jest przedkuwka, natomiast produktem jest odkuwka.

Hartowanie – hartowanie stopów żelaza to rodzaj obróbki cieplnej stopów żelaza (np. stali), polegający na szybkim schłodzeniu uprzednio nagrzanego materiału w celu wytworzenia struktury martenzytycznej bądź bainitycznej. Materiał nagrzewa się najczęściej do temperatury wyższej o 30 do 50 °C od temperatury przemiany austenitycznej (dla stali niestopowej o zawartości węgla 0,77 ÷ 2,11 % temperatura ta wynosi A_{c3}=727 ^oC. W zależności od gabarytów, kształtu i składu chemicznego obrabianego stopu, materiał nagrzewa się ciągle lub stopniowo. Po osiągnięciu docelowej temperatury następuje wygrzewanie wsadu. Tak przygotowany materiał hartuje się w kąpieli hartowniczej (wodzie, oleju mineralnym, emulsji wodno-olejowej, wodnym roztworze polimeru, stopionych solach, stopionych ługach), w gazach lub w ośrodkach fluidalnych. Chłodzenie odbywa się z szybkością większą niż krytyczna prędkość chłodzenia dla danego materiału. Ciągłe chłodzenie prowadzone, aż do temperatury M_f pozwala uzyskać strukturę w pełni martenzytyczną, jeżeli nie powstanie austenit szczątkowy. Hartowanie z wytrzymaniem izotermicznym stosuje się, aby otrzymać strukturę bainityczną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

Przy hartowaniu istotny jest dobór szybkości chłodzenia. Zbyt wolne chłodzenie 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.

Szybkość chłodzenia 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.

Metody hartowania stali

  • Hartowanie zwykłe – Polega na szybkim chłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia lub najlepiej do temperatury końca przemiany martenzytycznej. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju.
  • Hartowanie stopniowe – Polega na szybkim chłodzeniu w kąpieli hartowniczej, 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 chłodzenie, 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 powierzchnię 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.
Nagrzewanie indukcyjne
  • 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.
  • Hartowanie ślepe – hartowanie poniżej wartości temperaturowej właściwej dla nawęglania – zatem – hartowanie bez nawęglania.
  • Hartowanie laserowe– powierzchniowe hartowanie za pomocą wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany przedmiot miejscowo. Głowica lasera umieszczona jest na manipulatorze laserowym, zaś ślad hartowniczy wyznaczany jest komputerowo CAD/CAM. Podczas hartowania laserowego do obrabianego detalu wprowadza się stosunkowo niewielką ilość ciepła co ogranicza rozrost ziarna a w konsekwencji krzywienie powierzchni. Nie są wymagane dodatkowe media chłodzące, obrabiany przedmiot schładza się samoistnie na zasadzie przewodnictwa cieplnego.
  • Hartowanie kontaktowe
  • Hartowanie elektrolityczne
  • Hartowanie impulsowe

Odpuszczanie – rodzaj obróbki cieplnej, której 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 650 °C, 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 fazy noszące nazwy: „martenzyt odpuszczania”, sorbitem odpuszczania” i „troostyt odpuszczania”.

Przemiany zachodzące w martenzycie podczas nagrzewania można podzielić na cztery etapy. Śledzenie tych przemian umożliwiają badania dylatometryczne.

  • Pierwsze stadium, w temperaturze 80–200 °C, jest związane z rozkładem martenzytu i wydzieleniem w nim węglika ε-Fe2C o strukturze heksagonalnej. Następuje zmniejszenie stężenia węgla w martenzycie, zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzy się martenzyt o sieci regularnej, tzw. martenzyt odpuszczania).
  • Drugie stadium, w temperaturze 200–300 °C, jest związane z dalszym wydzielaniem się w stopie węglika ε, skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie maleje do około 0,15%; równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym; w etapie tym powstaje mieszanina ferrytu nieznacznie przesyconego węglem oraz węglika ε. W miarę wydzielania się węglików z martenzytu stopień tetragonalności jego struktury sieciowej c/a maleje.
  • Trzecie stadium przebiega w temperaturze 300–400 °C. Następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu, a węglik ε ulega przemianie w cementyt; struktura otrzymana na tym etapie jest mieszaniną ferrytu i cementytu (troostyt odpuszczania).
  • Czwarte stadium przebiega w temperaturze 400–650 °C. Zachodzi koagulacja cząsteczek cementytu, wzrastająca ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana w tym zakresie temperatur, będąca mieszaniną ferrytu i cementytu, nazywa się sorbitem odpuszczania (cząstki cementytu mają kształt globularny). Na tym etapie następuje całkowite usunięcie naprężeń.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

  • Odpuszczanie niskie
Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150–250 °C. 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 250–500 °C. 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 500 °C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:

  • kruchość odpuszczania I rodzaju – kruchość nieodwracalna, występuje w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie
  • kruchość odpuszczania II rodzaju – kruchość odwracalna, występuje powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu

 

(W oparciu o źródło – Wikipedia)

Dodaj komentarz