Dziś będzie o zapomnianym procesie, który uprawia każdy hartownik/kowal, w większości nawet o tym nie wiedząc.
Odwęglenie.
Bohaterem tego odcinka jest tlen, ten co nim oddychamy, czasem jak się okaże wielce szkodliwy zawodnik. Właściwie małżeństwo tlenu z stalą.
Każdy zna rdzę na stali, taka rudą. To tlenek żelaza (Fe2O3), produkt korozji niskotemperaturowej. Czasem ten tlenek jest uwodniony.
Są jeszcze inne tlenki żelaza (inne stopnie utlenienia żelaza), tu ważna jest zenda/zgorzelina (często nazywana walcowniczą). Występuje praktycznie na każdej stalowej powierzchni walcowanej/kutej, po wyjściu z huty. Czyli tlenek żelazaFe3O4.
W wysokiej temperaturze tlen zawarty w powietrzu (także w atmosferze pieca do grzania) reaguje ze składnikami zawartymi w stalowym przedmiocie.
Te składniki to pierwiastki: żelazo, węgiel, chrom, inne.
Zaczniemy od chromu: im jest go więcej w stali, tym stal jest bardziej odporna na utlenianie w wysokiej temperaturze. Już to wykorzystano przy projektowaniu stali żaroodpornych i żarowytrzymałych. ALE! Z tych stali nie robi się narzędzi do pracy na zimno (moje ulubione: noże 🙂 ).
Żelazo w obecności powietrza w wysokich temperaturach utlenia się doFe3O4, powstaje na powierzchni przedmiotu stalowego warstwa zgorzeliny – widać gołym okiem.
Węgiel zawarty w stali też reaguje z tlenem! Poniżej temperatury A1-3 (patrz układ Fe-Fe3C linie G-S-K) powoli, powyżej tej temperatury szybko, tym szybciej im wyższa temperatura. Tego nie widać gołym okiem. Dopiero mikroskop pomaga.
Obie te reakcje zachodzą jednocześnie podczas grzania przedmiotu stalowego. Czy to jest nagrzewanie do hartowania, grzanie do kucia, wyżarzanie sferoidyzujące, itd.
Ten zły tlen występuje w: O2, CO2, H2O i każdy z tych składników jest jednocześnie utleniający i odwęglający.
W zależności od temperatury, wzajemnych stosunków tych składników (oraz od ilości CO) odwęglenie może przebiegać z taką samą lub z różną szybkością co utlenienie. Jeśli utlenienie przebiega szybciej, pod warstwą tlenków jest prawie nieodwęglony materiał. Jeśli utlenienie przebiega szybciej, to po wyciągnięciu z pieca pod warstwą zgorzeliny jest materiał odwęglony, nie nadający się do dalszej obróbki. Dlaczego? O tym poniżej.
Jest jeszcze jednej składnik atmosfery w piecu zawierający tlen, to tlenek węgla CO. Jego lubimy, on nawęgla, chroni przed odwęgleniem, utlenieniem. Ma małą wadę: jest trujący, LCL0 (stężenie śmiertelne) dla człowieka to 5850mg/m3 (5 minut inhalacja). JEGO SIĘ BOIMY, ale ze względu na zalety: często wykorzystujemy. Jeszcze raz, bo to ważne: jeden oddech przy stężeniu 13000 ppm (13000 cząstek CO na milion powietrza) to zgon po 1-3 minutach!!!
W sumie: o co te mecyje, zendrę usunę, odwęglenia nie widać, jaki problem?
Komu to odwęglenie przeszkadza?
Odwęglenie = mniej węgla w warstwie podpowierzchniowej stali.
To tak jakby na powierzchni stali mieć inną stal, o mniejszej zawartości węgla.
Przykład:
Stal NC11LV, zawartość węgla 1,6%
Odwęglona na powierzchni do 0,6%. Prawie brak na powierzchni węglików, twardość powierzchni podobna jak rdzenia, odporność na ścieranie w porówaniu z rdzeniem: przerażająco mała!
Stal NC4. zawartość węgla 1%.
Odwęglona powierzchnia na 0,4% C. Efekt? Stal na powierzchni ma mniejszą twardość, wielokrotnie mniejszą odporność na ścieranie, (mniej węgla w martenzycie, brak twardych węglików), mniejszą granicę plastyczności (Re). Naprężenia rozciągające w warstwie przypowierzchniowej. Tu coś ważnego.
Detal zahartowany ma jakąś odporność na zginanie (Rg). Im wyższa twardość, tym większa odporność na zginanie (w przybliżeniu). Jeśli rdzeń noża ma Rg=2000MPa, to może on „dużo znieść”. Jeśli jednak powierzchnia jest utleniona, ma o wiele mniejsza twardość, to po przyłożeniu naprężenia jakie normalnie wytrzyma nieodwęglony detal, to w detalu odwęglonym:
– powierzchnia odwęglona odkształci się, pojawią się mikropęknięcia, które spowodują, że cały detal polegnie przedwcześnie.
Na chwilę z drugiej strony spojrzenie
Nawęglanie
Nawęglanie to dość twardy rdzeń (średnio zawartość węgla 0,1-0,4%) i bardzo twarda powierzchnia (średnio zawartość węgla 0,6-1%).
Koła zębate nawęglane mają bardzo dużą odporność zmęczeniową, na ścieranie, itd.
Nawęglanie połączone z późniejszym hartowaniem powoduje powstanie w warstwie wierzchniej (twardej, nawęglonej) naprężeń ściskających. Efekt: powierzchnia jest jakby ściskana.
Jeśli pojawia się naprężenie rozciągające (zginanie noża) o wartości np. 2000MPa :dużo: (nadajmy mu znak ujemny), a w warstwie nawęglonej jest naprężenie ściskające o wartości 1000MPa (nadajmy mu znak dodatni) to:
– naprężenie zginające (-2000MPa) musi najpierw pokonać naprężenie ściskające (+1000MPa) warstwy wierzchniej,
– w efekcie sama stal musi przenieść naprężenie -1000MPa, jest jej „łatwiej” to znieść, wytrzymuje dłużej! Przy Rg na poziomie 2000MPa, jest jeszcze 1000MPa zapasu.
Powrót do odwęglenia
Odwęglenie powoduje często powstanie naprężeń rozciągających w stali.
Jeśli w warstwie odwęglonej mamy naprężenia rozciągające na poziomie -800MPa, działamy z zewnątrz dodatkowo -2000MPa:
– naprężenia rozciągające sumują się! Osiągają wartość -2800MPa. Przy Rg na poziomie 2000MPa detal po prostu się odkształca, często pęka!
– warstwa odwęglona o mniejszej twardości ma mniejszą wytrzymałość i często same naprężenia rozciągające w warstwie powodują powstanie mikropęknięć od razu po hartowaniu. Wtedy wystarcza niewielki impuls z zewnątrz i po detalu.
Literatura:
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Rdza
- https://www.facebook.com/piaskowaniekorcz/posts/1596338323991825/
- https://www.ciop.pl/CIOPPortalWAR/appmanager/ciop/pl?_nfpb=true&_pageLabel=P27600224401410431343241&id_czynn_chem=511
- https://www.straz.gov.pl/download/112
