rozdzial 18.pdf

Rozdział XVIII: Oleje do obróbki cieplnej metali

Rozdział XVIII

OLEJE DO OBRÓBKI

CIEPLNEJ METALI

18.1 Hartowanie

q schłodzeniu z odpowiednią szybkością do temperatury oto-

czenia.

Hartowanie jest to proces stosowany w obróbce cieplnej metali,

polegający na nagrzewaniu metalu i wytrzymaniu (wygrzaniu)

w temperaturze wyższej od temperatury przemiany, a następnie

oziębieniu. Celem hartowania jest poprawienie mechanicznych

właściwości części (detali) wykonanych z metalu: zwiększenie

twardości i wytrzymałości, poprawa sprężystości lub zmniejszenie

naprężeń wewnętrznych. Proces hartowania najczęściej jest sto-

sowany w przypadku stali. Prowadzi on do przemiany austenitu

w martenzyt, nazywa się to wówczas hartowaniem martenzytycz-

nym lub w bainit i jest to wtedy hartowanie bainityczne.

Na uproszczonym wykresie równowagi układu żelazo – węgiel

(rys. 18.1), przedstawiono zakres temperatur hartowania stali.

Wynika z niego, że rodzaj przemiany zależy od zawartości węgla

w stali, ale także od szybkości z jaką będzie obniżała się tempe-

ratura hartowanej stali. W procesie hartowania istotną rolę od-

grywa środek chłodzący, w którym następuje proces oziębiania

i hartowania.

Wyróżnia się wiele odmian procesu hartowania:

q hartowanie zupełne – chłodzenie odbywa się od zakresu jedno-

rodnego austenitu; na wykresie (rys. 18.1) obszar ten zakresko-

wano,

q hartowanie niezupełne – procesowi chłodzenia jest poddawana

stal nagrzana do zakresu temperatury, w której występuje au-

stenit i perlit,

q hartowanie zwykłe, z ciągłym oziębianiem w ośrodku chło-

dzącym, zapewniającym przemianę martenzytyczną lub baini-

tyczną,

q hartowanie stopniowe, w którym chłodzenie zatrzymuje się, do

wyrównania temperatury austenitu na przekroju hartowanego

detalu, w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych,

q hartowanie przerywane, polegające na kolejnym oziębianiu w

dwóch różnych środkach chłodzących, np. najpierw w wodzie, a

następnie w oleju,

q hartowanie z podchłodzeniem, w którym detal przed właści-

wym hartowaniem, jest wcześniej schładzany,

q hartowanie z przemianą izotermiczną, z zastosowaniem ośrod-

ka izotermicznego, w celu przemiany austenitu w strukturę

drobnego perlitu lub bainitu,

q hartowanie objętościowe, gdy hartowaniu podlega cała obję-

tość hartowanego detalu.

Proces hartowania polega na:

q nagrzaniu detalu do temperatury austenityzacji (na rys. 18.1 jest

to obszar zakreskowany),

q wygrzaniu, polegającym na wytrzymaniu detalu w określonej

temperaturze, w celu uzyskania jednakowej temperatury w całej

masie materiału,

W praktyce, największe znaczenie ma hartowanie

stali, ale hartowaniu są poddawane również inne me-

tale, np.: brązy aluminiowe i inne stopy miedzi oraz

aluminium. Hartowaniu poddawane jest również szkło

i niektóre inne materiały.

Stale zwane podeutoktoidalnymi, zawierające mniej

niż 0,8% węgla, których struktura ma postać mieszani-

ny ziaren ferrytu (prawie czyste żelazo) i ziaren perlitu

(składającego się z płytek cementytu w masie ferrytu)

nagrzewa się do temperatury nieco wyższej (30 … 50°C),

od temperatury oznaczonej linią A3 (rys. 18.1). Po wy-

grzaniu stal będzie zawierała tylko kryształy ferrytu

z niewielką domieszką ziaren perlitu.

Rys. 18.1 Uproszczony wykres równowagi żelazo – węgiel, na którym zakreskowano zakres tem-

peratur hartowania zupełnego stali

Stale eutoktoidalne, zawierające w stanie wyżarzonym

około 0,85% węgla, zawierają tylko ziarna perlitu. Są one

nagrzewane do temperatury nieco wyższej (30 … 50°C) od

temperatury oznaczonej linią (A1 – A3), tzn. temperatury

przemiany perlitu w austenit (około 725°C), a następnie

chłodzone z programowaną szybkością tak, aby uzyskać

wymagane parametry jakościowe stali.

XVIII

Austenit – roztwór stały węgla w żelazie, o sieci regularnej, sze-

ściennej i centrowanych ścianach, występuje jako odrębna faza

w układzie Fe-Fe 3 C. Atomy węgla zajmują położenie w lukach

oktaedetrycznych, tworząc roztwór stały, miedzywęzłowy. W au-

stenicie gęstość ułożenia atomów jest większa niż w ferrycie,

stąd podczas przemiany austenitu w ferryt zachodzi zwiększenie

objętości właściwej.

W rezultacie hartowania stal uzyskuje strukturę martenzytyczną

lub bainityczną, która w stosunku do struktury wyjściowej charak-

teryzuje się:

q zwiększoną twardością,

q większą wytrzymałością na rozciąganie i większą granicą zmę-

czenia materiału,

q zmniejszoną udarnością,

q mniejszym wydłużeniem pod wpływem sił rozciągających.

W przypadku konieczności poprawy ciągliwości metalu, jest

stosowany proces polegający na wygrzewaniu w temperaturze

niższej niż temperatura austenityzacji. Proces ten jest nazywany

odpuszczaniem.

Bainit – produkt przemiany bainitycznej, powstający w wyniku

tworzenia się igieł ferrytu przesyconego węglem, przy czym

nadmiar węgla zostaje usunięty z roztworu w wyniku powsta-

wania wydzielin cementytu wewnątrz igieł ferrytu. Wyróżnia

się bainit dolny – występujący w dolnym zakresie temperatury

przemiany oraz bainit górny – występujący w górnym zakresie

temperatury przemiany.

W zależności od sposobu nagrzewania metalu wyróżnia się:

q hartowanie z nagrzewaniem w całej masie metalu (hartowanie

na wskroś),

q hartowanie powierzchniowe: płomieniowe (palnikiem gazo-

wym), indukcyjne (prądami wirowymi), kąpielowe (zanurzenie

w rozgrzanej kąpieli ołowiowej lub solnej).

Podstawowe znaczenie w procesie hartowania ma medium

(środek chłodzący), w którym stal jest hartowana. Jako środki chło-

dzące najczęściej są stosowane (według malejącej intensywności

chłodzenia): woda i roztwory wodne, oleje hartownicze, stopione

sole lub metale, powietrze, ciekłe gazy.

Istotnym parametrem hartowania jest temperatura θ (teta)

środka chłodzącego. Temperatura θ jest to temperatura, powyżej

której występuje tzw. faza niestabilna, mogąca podczas chłodzenia

z odpowiednią szybkością przemienić się w fazę metastabilną.

Faza niestabilna jest to taki stan hartowanego materiału, w któ-

rym proces hartowania może jeszcze pójść w różnych kierunkach:

częściowo do martenzytu lub cementytu, w zależności od prędko-

ści chłodzenia. W następującej po niej fazie metastabilnej miejsco-

wo mogą powstawać struktury o zwiększonej kruchości.

Cementyt (cementyt pierwotny, pierwszorzędowy) – węglik

żelaza wydzielający się z fazy ciekłej podczas krzepnięcia w ukła-

dzie Fe-Fe 3 C. Występuje w stopach o zawartości węgla w grani-

cach 4,3 … 6,67%. Wyróżnia się cementyt wtórny wydzielający

się z austenitu i cementyt trzeciorzędowy wydzielający się

z ferrytu.

Ferryt – roztwór stały węgla w żelazie, o sieci regularnej sze-

ściennej, przestrzennie centrowanej, występuje jako odrębna

faza w czystych stopach Fe-Fe 3 C. Ze względu na odkształcenie

sieci spowodowane obecnością atomów węgla, jego rozpusz-

czalność w żelazie jest mała.

Martenzyt – przesycony roztwór stały węgla w żelazie o sieci

tetragonalnej, powstający jako wynik bezdyfuzyjnej przemiany

austenitu, w przemianie martenzytycznej.

Perlit – składnik struktury w układzie Fe-Fe 3 C, stanowiący eutek-

toidalną mieszaninę ferrytu i cementytu o budowie płytkowej

i zawartości 0,77% C (warunki równowagi). Perlit istnieje w tem-

peraturze poniżej 727°C, w stopach o zawartości węgla w grani-

cach 0,022 … 4,3%. W zależności od grubości płytek cementytu

wyróżnia się: perlit gruby, perlit drobny (zwany sorbitem har-

towania ) oraz perlit bardzo drobny zwany troostytem.

W zależności od temperatury hartowania θ wyróżnia się:

q hartowanie zimne (θ ≤ 80°C),

q hartowanie średnio gorące (80°C < θ ≤ 130°C),

q hartowanie gorące (130°C < θ ≤ 200°C),

q hartowanie bardzo gorące (200°C < θ ≤ 310°C).

W zależności od sposobu chłodzenia wyróżnia się:

q hartowanie zwykłe, polegające na ogrzaniu, a następnie szyb-

kim ochłodzeniu hartowanego detalu,

q hartowanie przerywane; detal po nagrzaniu jest schładzany w

wodzie do temperatury około 300°C, a następnie w oleju lub

pozostawiany w powietrzu (aby przemiana austenitu w marten-

zyt odbywała się wolniej), w efekcie uzyskuje się zmniejszenie

naprężeń i kruchości,

q hartowanie stopniowe, polegające na nagrzaniu i wygrzaniu de-

talu, jak podczas hartowania zwykłego, a następnie oziębieniu

w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyższej od temperatury

początku przemiany martenzytycznej, w czasie niezbędnym do

wyrównania temperatury w całym przekroju detalu, a następnie

schłodzeniu w powietrzu; w efekcie uzyskuje się martenzytycz-

ną strukturę stali, bez powstawania naprężeń,

q hartowanie izotermiczne, polegające na ochłodzeniu w czyn-

niku chłodzącym o temperaturze wyższej od temperatury

początku przemiany martenzytycznej i utrzymaniu detalu w tej

temperaturze, aż do zakończenia przemiany austenitu w bainit;

w takim przypadku proces przebiega bez przemiany martenzy-

tycznej, a detal nie wymaga stosowania odpuszczania.

Współczesne piece hartownicze pozwalają na prowadzenie pro-

cesu hartowania w sposób ciągły. Są to skomplikowane maszyny

z układami sterowania pozwalającymi na zadanie przebiegu pro-

cesu hartowania i jego kontrolę.

W szczególnych przypadkach są stosowane piece hartownicze,

w których atmosfera jest kontrolowana. Przykładowy schemat ta-

kiego pieca hartowniczego (typu IBSEN), z kontrolowaną atmosferą

(azot, dwutlenek węgła), przedstawiono na rys. 18.2.

Stale nadeutektoidalne, zawierające perlit i cementyt, są na-

grzewane do tej samej temperatury co stale eutoktoidalne. W tym

przypadku cementyt (będący bardzo twardym składnikiem stali)

pozostaje nie rozpuszczony w austenicie. W zahartowanej stali

występuje on w postaci drobnych ziaren.

Nagrzewanie hartowanych części do wyższej temperatury niż

wynika to z wykresu (rys. 18.1) nie przyczynia się do zwiększenia

twardości. Natomiast wydłużenie czasu nagrzewania powo-

duje rozrost kryształów, a w jego wyniku zwiększenie kruchości

metalu.

Stal nagrzana do temperatury powyżej linii A1 oraz A3, wolno

stygnąc wraca do swej pierwotnej struktury typu perlitycznego.

Natomiast, jeżeli będzie ona chłodzona z szybkością większą od

tzw. krytycznej szybkości chłodzenia, następuje tzw. przemiana

martenzytyczna; węgiel nie zdąży wykrystalizować z austenitu

w postaci cementytu zawartego w perlicie lub w przypadku stali

nadeutektoidalnych, w postaci tzw. cementytu wolnego; austenit

przechodzi w martenzyt, materiał o dużej twardości, ale i dużej

kruchości.

W przypadku wolniejszego chłodzenia, węgiel częściowo wy-

dziela się w postaci bardzo drobnych płytek cementytu, tworząc

struktury pośrednie: troostyt i sorbit. Mają one mniejszą twardość

od martenzytu.

Zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstawanie naprężeń

hartowniczych, stąd szybkość chłodzenia powinna być zoptymali-

zowana: nie za duża ani nie za mała.

2 XVIII

Rozdział XVIII: Oleje do obróbki cieplnej metali

Rys. 18.2 Piec do hartowniczy typu IBSEN, z kontrolowaną atmosferą

1 – pokrywa, 2 – turbinka, 3 – silnik turbiny, 4 – przegroda wewnętrzna, 5 – ceramiczny promiennik rurowy, 6 – zaczep, 7 – mula, 8 – olej hartowniczy,

9 – mieszadło oleju

W niektórych przypadkach zachodzi potrzeba bardzo szybkiego

schładzania hartowanych detali. Wówczas do hartowania są stoso-

wane ciekłe gazy.

Rezultaty procesu hartowania zależą od wielu czynników, do

których zalicza się:

q kształt, rodzaj powierzchni i masę detalu,

q temperaturę i czas wygrzewania,

q sposób chłodzenia hartowanego detalu.

Efekty hartowania zależą również od tzw. hartowności stali – jest

to zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas

chłodzenia. Ocenę hartowności stali wykonuje się na specjalnych

kształtkach (próba hartowania od czoła), metodami obliczeniowy-

mi (metoda Grossmanna) lub doświadczeń praktycznych (metoda

Lamonta). Miarą hartowalności stali jest grubość zahartowanej

warstwy. Określa się ją jednym z następujących parametrów:

q odległością granicy zahartowania od czoła detalu, w tzw. próbie

hartowania od czoła,

q średnicą hartowanych prętów,

q grubością hartowanych płyt.

Hartowność stali zależy od jej składu chemicznego, a zwłaszcza:

q zawartości węgla,

q zawartości pierwiastków (metali) innych niż żelazo, takich

jak: chrom (Cr), nikiel (Ni),

mangan (Mn), kobalt (Co),

wolfram (W), molibden (Mo),

wanad (V), krzem (Si) i w

mniejszym stopniu innych.

Efekty hartowania są

oceniane na podstawie po-

miarów kilku podstawowych

parametrów, charakteryzują-

cych hartowany materiał:

q próba twardości wg Brinel-

la, której zasadę pomiaru,

przedstawia rys. 18.3,

q próba zginania do wyznaczania granicy plastyczności i wytrzyma-

łości na zginanie, dla której zależność strzałki ugięcia od przyłożo-

nego obciążenia, przedstawia rys. 18.4,

P[daN]

Rr =

(18.1)

S[mm 2 ]

Rys. 18.4 Zależność strzałki ugięcia i od przyłożonego obciążenia

a – granica sprężystości, b – granica plastyczności, P – obciążenie,

S – powierzchnia przekroju

Rys. 18.3 Zasada pomiaru

twardości metodą Brinella

1 – kula, 2 – badany metal,

3 – odcisk na próbce

Rys. 18.5 Zasada pomiaru

udarności

W – praca złamania,

S – powierzchnia przekroju AB

XVIII

q złoża luidalne,

q inne.

Według normy ISO 6743-14, płyny hartownicze są zaliczane

do klasy L (Lubricants – środki smarne) i dzielone na 26 rodza-

jów. Każdy rodzaj ma przydzielony kod literowy, składający się

z litery U (Heat treatment – obróbka cieplna), który jest symbo-

lem grupy oraz jednej z liter:

H, A, S, G, F, K, oznaczającej zakres stosowania:

H – oleje hartownicze typu mineralnego,

A – ciecze na bazie wodnej, w tym roztwory wodne polime-

rów,

S – roztopione sole,

G – gazy,

F – złoża luidalne,

K – pozostałe klasy.

Rys. 18.6 Próba na rozciąganie

L – pierwotna długość próbki, L’ – długość próbki po próbie, P – przyłożona siła

rozciągająca

W symbolu płynu hartowniczego jego rodzaj oznaczają

kolejne litery alfabetu, umieszczone na końcu symbolu litero-

wego.

Symbol płynu hartowniczego może być uzupełniony liczbą,

oznaczającą klasę lepkościową wg ISO 3448. Niektóre irmy

zamiast klasy lepkościowej wg ISO, w symbolu oleju podają lep-

kość kinematyczną w temperaturze 40°C. Wyciąg z klasyikacji

ISO 6743-14, przedstawiono w tabeli 18.1.

Rys. 18.7 Schemat zestawu aparaturowego do oceny hartowności stali i właściwo-

ści olejów hartowniczych

A – część pomiarowa, B – zbieranie i przetwarzanie danych, C – komputerowa

obróbka wyników, 1 – osłona, 2 – pręt srebrny (badanie właściwości olejów) lub

z badanej stali (badanie hartowności stali), 3 – olej hartowniczy, 4 – zapis danych,

5 – komputer i ploter, 6 – pamięć

Przykładowo symbol: ISO-L-UHA 15 oznacza:

ISO – kod klasyikacji,

L – środki smarne,

U – płyny hartownicze,

H – oleje hartownicze,

A – oleje do normalnego hartowania (o dużej zdolności chło-

dzenia),

15 – klasa lepkości wg ISO 3448.

Z praktycznego punktu widzenia oleje hartownicze często

są dzielone na:

q Oleje „zimne” – niskotemperaturowe.

Temperatura pracy tych olejów podczas hartowania nie po-

winna być wyższa niż 80°C. Znajdują one zastosowanie w przy-

padku hartowania:

– detali wykonanych ze stali o dobrej hartowności,

– detali wykonanych z konstrukcyjnych stali węglowych i ni-

skostopowych,

– stali łożyskowych;

q kruchości, której zasadę pomiaru, przedstawia rys. 18.5,

W [mdaN]

U =

(18.2)

S[mm 2 ]

q wydłużenia, którego zasadę pomiaru, przedstawia rys. 18.6.

(L΄–L)*100

A[%] =

(18.3)

q Oleje „ciepłe” – średniotemperaturowe.

Temperatura pracy tych olejów powinna zawierać się w gra-

nicach 80°C … 120°C. Oleje te stosuje się w stanie podgrzanym.

Znajdują one zastosowanie w przypadku hartowania:

– stali konstrukcyjnych o dużej i średniej zawartości węgla oraz

stali stopowych,

– części samochodowych,

– w przypadku niestandardowej obróbki cieplnej;

Współcześnie hartowność stali jest oceniana w specjalnych

zestawach aparaturowych, których zasadniczym elementem jest

przyrząd zwany drastycymetrem. Schemat układu pomiarowego,

przedstawia rys. 18.7. Pomiar polega na nagrzaniu próbki metalu

(srebra), zanurzeniu próbki do czynnika chłodzącego i wyzna-

czeniu przebiegu zmian temperatury w funkcji czasu chłodzenia.

Obliczenia są wykonywane na podstawie specjalnych programów

komputerowych.

q Oleje „gorące” – wysokotemperaturowe.

Temperatura pracy tych olejów powinna zawierać się w grani-

cach 120°C … 180°C. Znajdują one zastosowanie w przypadku:

– stali stopowych, w procesach ciągłego lub stopniowego har-

towania martenzytycznego,

– detali podatnych na odkształcenia hartownicze,

– przekładni zębatych.

18.2 Klasyikacje płynów hartowniczych

Środki chłodzące (płyny hartownicze), w których następuje

proces hartowania to:

q oleje hartownicze na bazie mineralnej,

q oleje hartownicze na bazie syntetycznej,

q woda,

q emulsje lub roztwory wodne,

q stopione sole,

q gazy,

q Oleje „bardzo gorące”.

Temperatura pracy tych olejów może być wyższa niż 180°C.

Znajdują one zastosowanie w przypadku procesów:

– stopniowego hartowania martenzytycznego,

– hartowania izotermicznego (kwasibainitycznego).

4 XVIII

Rozdział XVIII: Oleje do obróbki cieplnej metali

Tabela 18.1 Klasyikacja płynów do obróbki cieplnej metali, klasa ISO-L-U wg ISO 6743-14: 1994

Zastosowanie

Bardziej szczegółowe zastosowanie

Typ płynu

i/lub zalecane funkcje

Symbol ISO-L

Oleje do normalnego hartowania

UHA

Zimne hartowanie θ ≤ 80 ° C

Oleje do szybkiego hartowania

UHB

Oleje do normalnego hartowania

UHC

Średnio gorące hartowanie 80 ° C < θ ≤ 130 ° C

Oleje do szybkiego hartowania

UHD

Oleje do normalnego hartowania

UHE

Oleje do obróbki cieplnej

Gorące hartowanie 130 ° C < θ ≤ 200 ° C

Oleje do szybkiego hartowania

UHF

Oleje do normalnego hartowania

UHG

Bardzo gorące hartowanie 200 ° C < θ ≤ 310 ° C

Oleje do szybkiego hartowania

UHH

Hartowanie próżniowe

UHV

Inne przypadki

UHK

Powierzchniowe hartowanie

Woda UAA

Ciecze wodne do wolnego hartowania UAB

Ciecze wodne do szybkiego hartowania UAC

Ciecze wodne

do cieplnej obróbki

Głębokie hartowanie

Woda UAA

Ciecze wodne do wolnego hartowania UAD

Ciecze wodne do szybkiego hartowania UAE

Inne przypadki

UAK

150 ° C < θ < 500 ° C

Stopione sole

150 ° C < θ < 500 ° C

USA

Stopione sole

do cieplnej obróbki

500 ° C ≤ θ < 700 ° C

Stopione sole

500 ° C ≤ θ < 700 ° C

USB

Inne przypadki

USK

Powietrze

UGA

Neutralne gazy

UGB

Gazy do cieplnej obróbki

Redukujące gazy

UGC

Utleniające gazy

UGD

Fluidalne złoża

Inne przypadki

18.3 Oleje hartownicze

wody. Czasami, obecność wody uznaje się za szkodliwą dla

przebiegu procesu hartowania. Woda tworzy emulsję z ole-

jem. Na rys. 18.10, przedstawiono przebieg zmian temperatury

hartowanego metalu w zależności od zawartości wody w oleju

hartowniczym.

q Przyspieszacze hartowania są to substancje, których zasada

18.3.1 Skład chemiczny olejów hartowniczych

Jako oleje hartownicze są to czyste (bez dodatków) pa-

rainowe oleje mineralne, z zawartością siarki w granicach

0,10 … 1,0%, a także oleje roślinne. Niekiedy do składu olejów

hartowniczych są wprowadzane dodatki uszlachetniające:

q przyspieszacze hartowania (środki zwilżające),

q przeciwutleniające (inhibitory utlenienia),

q wiskozatory (modyikatory lepkości).

Wpływ rodzaju oleju na przebieg temperatury hartowanego

metalu (krzywa pochodna) pokazano na rys. 18.8.

Na przebieg zmian temperatury hartowanego metalu ma

również wpływ mieszanie oleju podczas hartowania. Uwidocz-

niono to na rys. 18.9.

Obecność w olejach hartowniczych węglowodorów aroma-

tycznych i olein pogarsza parametr jakim jest skłonność oleju

do koksowania i wydzielania osadów, a także inne właściwości

eksploatacyjne.

18.3.2 Dodatki do olejów hartowniczych

q W zależności od potrzeb, w celu modyikacji procesu harto-

wania, niekiedy do oleju jest wprowadzana niewielka ilość

Rys. 18.8 Przebieg zmian temperatury hartowanego metalu (krzywa pochodna

– patrz rys. 18.12) od składu oleju hartowniczego

1 – parainowy olej mineralny o lepkości kinematycznej 20 mm 2 /s,

2 – olej mineralny jak 1 z dodatkiem 10% oleju roślinnego,

3 – olej mineralny jak 1 z dodatkiem 2 % substancji powierzchniowo aktywnej

XVIII

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: