Marek Jastrzębski
126645
Inż. materiałowa
Sem. VI
Rok ak. 2006/07
LABORATORIUM
Obróbki cieplnej
ćw. nr. 3
Temat: Hartowanie stali. Rodzaje hartowania
1. Wstęp teoretyczny:
Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej (ewentualnie bainitycznej) o dużej
twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującej jednak znaczną kruchość i
naprężenia własne. Właśnie dla zmniejszenia nadmiernej kruchości i usunięcia naprężeń własnych
po hartowaniu stosuje się odpuszczanie.
Hartowanie polega na austenityzowaniu stali w temperaturze i czasie potrzebnym do maksymalnego rozpuszczenia składników stopowych w austenicie, a następnie na chłodzeniu stali z szybkością większą od krytycznej, dla zapewnienia przemiany martenzytycznej.
Wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:
- Hartowanie zwykle polega na ciągłym chłodzeniu przedmiotu w jednym środku chłodzącym od
temperatury austenityzacji do temperatury otoczenia.
Hartowanie stopniowe polega na chłodzeniu przedmiotu z przystankiem izotermicznym w dwóch
ośrodkach chłodzących. Od temperatury austenityzacji do temperatury nieznacznie wyższej od Ms
(20 ^ 40°C) szybkie chłodzenie zapewnia kąpiel solna umożliwiająca wyrównanie temperatury na
powierzchni i w środku przekroju przedmiotu. Po wyjęciu z kąpieli dochłodzenie przedmiotu do
temperatury otoczenia następuje najczęściej na powietrzu.
Wspólną cechą hartowania zwykłego i stopniowego jest jednakowa końcowa struktura
martenzytyczna.
Hartowanie izotermiczne również polega na chłodzeniu przedmiotu z przystankiem i przeprowadza się je analogicznie jak hartowanie stopniowe. Różnica polega na wyższej temperaturze (250 - 350°C) i na znacznie dłuższym czasie przystanku zapewniającym przebieg przemiany bainitycznej. Hartowanie izotermiczne zapewnia minimalne naprężenia cieplne dzięki bardzo dokładnemu wyrównaniu, temperatury na przekroju i przemianie bainitycznej powodującej małe naprężenia strukturalne (izotermiczny przebieg i mniejsze różnice objętości właściwej niż przy przemianie martenzylycznej). Stosowanie zabiegu jest ograniczone do stali zwykłych o znacznych szybkościach krytycznych chłodzenia
Rezultatem hartowania izotermicznego jest struktura bainityczna (bainit dolny), co stanowi istotną różnicę w stosunku do poprzednich sposobów hartowania. Dlatego hartowanie izotermiczne, nazywane również bainitycznym, kosztem nieco mniejszej twardości i wytrzymałości zapewnia znacznie większą ciągliwość i udarność stali.
2. Cel ćwiczenia:
Zapoznanie strukturami rodzajami hartowania oraz strukturami i właściwościami stali po hartowaniu.
3. Przebieg ćwiczenia:
Do naszej dyspozycji otrzymaliśmy 4 próbki ze stali 40HM (42 CrMo 4):
- po hartowaniu ciągłym, chłodzona w wodzie
- po hartowaniu ciągłym, chłodzona w oleju
- po hartowaniu izotermicznym, z wytrzymaniem z Sn w T=350oC i t = 200 sek.
- po hartowaniu izotermicznym, z wytrzymaniem z Zn w T=420oC i t = 600 sek.
Dla wszystkich próbek wykonane zostały mikroskopowe obserwacje struktur, następnie na wykresie CTP (dla obydwu rodzajów chłodzenia) naniesione zostały krzywe chłodzenia.
4. Wyniki:
42 CrMo 4
Pow. x 800
Trawienie. Mi1Fe
OC: hartowanie z chłodzeniem w wodzie
Struktura: martenzytyczna
a)
b)
OC: hartowanie z chłodzeniem w oleju
Struktura: martenzytyczna z wydzieleniami bainitu.
OC: hartowanie izotermiczne z wytrzymaniem z Sn.
Struktura: bainityczna.
c)
d)
OC: hartowanie izotermiczne z wytrzymaniem z Zn.
Wyniki pomiarów twardości:
Nr. próbki
Twardość HRC
1
60 [700 HV]
2
58 [660 HV]
3
38 [380 HV]
4
33 [330 HV]
Krzywe chłodzenia:
- dla chłodzenia ciągłego (próbka 1 i 2):
- dla chłodzenia izotermicznego (próbka 3 i 4)
350 oC, 38 HRC
420 oC, 33 HRC
5. Wnioski:
W przypadku próbki chłodzonej w wodzie, w strukturze widoczny jest sam martenzyt wraz z austenitem szczątkowym. Jest to struktura zgodna z wykresem CTPc. W drugiej próbce pojawiły się czarne igły, wyraźnie odróżniające się od reszty składników. Biorąc pod uwagę końcową twardość, wykreśliliśmy linię chłodzenia wchodzącą na zakres bainityczny. Zatem druga próbka obok martenzytu i austenitu szczątkowego, zawiera bainit. Wskazują na to również badania twardości, ponieważ bainit nie jest tak twardą strukturą jak martenzyt, stąd można tym tłumaczyć spadek twardości o 2 HRC w porównaniu z pierwsza próbką.
W hartowaniu izotermicznym, widać wyraźny spadek twardości w porównaniu z chłodzeniem ciągłym. Dzieje się tak dlatego, że uzyskany w ten sposób bainit cechuje się lepszą plastycznością kosztem wytrzymałości. Dalsze właściwości i struktura stali hartowanych izotermicznie wynikają z temperatury wygrzewania. Próbka 3. wygrzewana była w 350oC, co stanowi obszar powstawania bainitu dolnego, 420oC dla 4. próbki to zakres górnego bainitu. Bainit dolny jest twardszy od bainitu górnego, gdyż wydzielone węgliki są bardziej dyspersyjne – tym tłumaczyć można wyższą twardość próbki 3 od 4. W obydwu przypadkach przemiana czas wygrzewania był na tyle długi, że przemiana bainityczna zaszła do końca, dalsza szybkość chłodzenia nie ma już wpływu na końcową strukturę.
Polakonoid