Hartowanie

Drukuj

OLEJE HARTOWNICZE

1. Hartowanie

Hartowanie jest obróbką cieplną elementów metalowych, która poprawia ich własności mechaniczne. Polega ono na nagrzaniu, np. elementów stalowych do temperatury 750-1100°C, wytrzymaniu (wygrzaniu) w tej temperaturze, a następ­nie oziębieniu elementu. Wartość temperatury wygrzewania zależy od składu ma­teriału - powinna być wyższa od 30 do 50°C od temperatury przemiany alotropowej żelaza alfa w żelazo gamma. Powstający w tej temperaturze austenit następnie przemienia się w martenzyt (hartowanie martenzytyczne) lub bainit (hartowanie bainityczne). Rodzaj przemiany zależy od zawartości węgla w stali, ale również od szybkości, z jaką będzie się obniżała temperatura hartowanej stali.

Stal nagrzana do odpowiednio wysokiej temperatury, stygnąc wolno, wraca do swojej pierwotnej struktury, typu perlitycznego. Przy chłodzeniu odpowied­nio szybkim (z szybkością większą od szybkości krytycznej) austenit przechodzi w martenzyt, strukturę o dużej twardości, ale i dużej kruchości. Gdy chłodzenie przebiega z szybkością niższą od krytycznej, węgiel z austenitu wydziela się częściowo w postaci bardzo drobnych płytek cementytu, tworząc troostyt i sorbit, a więc struktury pośrednie. Mają one twardość mniejszą niż martenzyt. Po hartowaniu stali:

-       zwiększa się twardość,

-       zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie i granica wytrzymałości zmęcze­niowej,

-       zmniejsza się udarność oraz

-       zmniejsza się wydłużenie pod wpływem sił rozciągających.

Jeśli chcemy poprawić ciągliwość materiału poddanego hartowaniu, to przeprowadzamy zabieg dodatkowy, zwany odpuszczaniem (wygrzewanie w temperaturze niższej niż temperatura austenityzacji).

Hartowaniu poddaje się całe elementy (hartowanie na wskroś) lub tylko ich warstwy powierzchniowe (hartowanie powierzchniowe).

Jak już wspomniano, rodzaj przemiany zależy od szybkości, z jaką będzie się obniżała temperatura hartowanej stali. To zaś zależy od własności medium chłodzącego. Na rys. 13.5 przedstawiono zakresy szybkości chłodzenia, jakie można uzyskać za pomocą różnych mediów. Według malejącej intensywności chłodzenia są to: woda i roztwory wodne, oleje roślinne i zwierzęce, oleje mine­ralne, stopione sole i metale, powietrze, ciekłe gazy. Stosując ciecze organiczne można uzyskać szybkość chłodzenia w przedziale od 30 do 800°C/s. Wyższe szybkości (od 700 do 3000°C/s) uzyskuje się w roztworze soli (rys. 1).

image001


 

Rys. 1. Szybkość chłodzenia w różnych środowiskach (l - w piecu hartowniczym, 2 - w stru mieniu powietrza, 3 - w roztopionych solach i metalach, 4 - w olejach hartowniczycl 5 - w olejach roślinnych i zwierzęcych, 6 - w roztworach wodnych, 7 - w wodził 8 - w roztworach soli)

 

W popularnych cieczach hartowniczych - olejach mineralnych, które tem­peraturę wrzenia mają niższą niż temperatura hartowanego elementu, proces schładzania przebiega w trzech etapach, takich jak:

 

a)         faza pierwsza (kalefakcji - rys. 2a), w której wokół nagrzanego do wyso­-
kiej temperatury elementu wytwarza się ciągła warstwa gazowa par i pro­duktów rozkładu termicznego oleju (jak gdyby „koszulka" parowa); chłodze­nie na tym etapie jest stosunkowo wolne, ponieważ warstwa gazowa izoluje element metaliczny (przykładowo przy temperaturze elementu około 600°C olej odbiera ok. 210 kJ/(s • cm2)-rys. 2a i 3a);

 

b)        faza druga (wrzenia pęcherzykowego - rys. 2b i 3b) - w wyniku czę­-
ściowego schłodzenia elementu ciecz przenika przez „koszulkę" parowąi bezpośrednio kontaktuje się z metalem; następuje wrzenie cieczy i wydzie­lanie pęcherzy; efekt chłodzący jest w tym stadium największy - intensyw­ność odprowadzania ciepła przy temperaturze elementu 450°C wynosi około 840 kJ/(s • cm2);

 

c)         faza trzecia (chłodzenia konwekcyjnego - rys. 2c i 3c) - temperatura
elementu hartowanego obniża się poniżej temperatury wrzenia oleju mine­ralnego, ciepło odprowadzane jest jedynie przez konwekcję; intensywność odprowadzania ciepła obniża się do poziomu 85 kJ/(s • cm2) i niżej.

 

 image002
Rys. 2.  Etapy procesu ochładzania w cieczach organicznych (a - etap kalefakcji, b- etap
wrzenia pęcherzykowego, c - etap ochładzania konwekcyjnego)


image003

 

Rys. 3. Zmiana temperatury metalu w cieczy organicznej

 

Poglądowo przedstawiono zmianę szybkości chłodzenia vh (w K/s) na rys. 4. Z kolei na rys. 5 przedstawiono w formie zbiorczej temperatury przejścia między stadium l i 2 oraz 2 i 3 w zależności od rodzaju oleju mineralne­go oraz jego lepkości. Temperatury te można kształtować za pomocą specjalnych dodatków. Na rys. 6 pokazano, że temperaturę przejścia ze stadium kalefakcji do stadium wrzenia (kiedy są najkorzystniejsze warunki odprowadzania ciepła) można podwyższyć nawet o 100°C (rys. 6 - krzywa 3 przy stężeniu dodatku ok. 8%). Dodatki takie to wysokocząsteczkowe polimery, które w wysokiej tempe­raturze tworzą na powierzchni elementu hartowanego (schładzanego) osady będą­ce miejscem zarodkowania pęcherzy. Ułatwia to dostęp do ciekłego oleju i inten­sywniejsze schładzanie elementu.

image004

 

Rys. 4.   Szybkość chłodzenia vh w różnych stadiach (olej parafinowy o lepkości 7 mm2/s w 50°C)

image005

Rys. 5. Temperatura przejścia między etapami procesu chłodzenia podczas hartowania (a - oleje parafinowe, b - oleje naftenowe, c - oleje aromatyczne; l - temperatura przejścia od stadium wrzenia do stadium ochładzania konwekcyjnego, 2 - temperatura przejścia od stadium kolefakcji do stadium wrzenia pęcherzykowego)

image006


 

Rys, 13.10. Temperatura przejścia t między stadium kalefakcji do stadium wrzenia pęcherzyko­wego w zależności od zawartości dodatku i lepkości wysokomolekularnych węglo­wodorowych dodatków (lepkość dodatków: l > 2 > 3; olej parafinowy o lepkości 12mm2/s)[65

 

Temperatury przejścia między fazami pierwszą i drugą  oraz między fa­zą drugą a trzecią  są wyznaczane na specjalnym aparacie pomiarowym (zwanym drastycymetrem i stanowią ważne charakterystyki użytkowe olejów hartowniczych.

 

 



| + -
Joomla! is Free Software released under the GNU/GPL License.