Witam

Stale Nadeutektoidalne dziś pozwolę sobie przybliżyć. Po co komu takie informacje? W sumie dla każdego, kto styka się ze stalą podane poniżej informacje mogą być przydatne. W szczególności dla ludzi stykających się z obróbką cieplną (zlecający, wykonujący czy odbierający), kowali. Stale narzędziowe są najczęściej stalami Nadeutektoidalnymi i sprawiają więcej problemów niż stale Podeutektoidalne.

Istnieje podstawowy podział stali na podstawie Układu Równowagi (Wykresu) Żelazo-Cementyt (Fe-Fe₃C). Jest też bliźniaczy Układ Równowagi Żelazo-Grafit (Fe-FeC), ale ten układ przydaje się do klasyfikacji żeliw. Tu Układ Równowagi Fe-FeC nie będzie omawiany.

  

 

Układ Fe-Fe₃C opisuje fazy występujące w stopach Żelaza z Węglem, ale Węgiel w tych stopach (stalach) jest związany w fazę zwaną Cementytem (Fe₃C), w zależności od zawartości Węgla w stopie i temperatury stopu jest tego Cementytu więcej lub mniej. Jest wiele wersji Układów Żelazo-Cementyt, różniących się położeniem punktów charakterystycznych, opisanych dużymi literami. Jednak przesunięcie o kilka stopni Celsjusza w górę lub w dół, czy przesunięcie i kilka setnych procenta zawartości Węgla w prawo lub w lewo jest nieistotne. Ważne jest zrozumienie mechanizmów zachodzących w stopach Żelazo-Węgiel. Układ Żelazo-Cementyt jest zwany Układem Równowagowym, tzn. został stworzony na podstawie grzania i chłodzenia stopów z bardzo małą szybkością, praktycznie nie występującą w produkcji, w codziennym życiu.

Podstawowymi składnikami układu są Żelazo (Fe) i Cementyt (Fe₃C). Cementyt to faza międzymetaliczna zawierająca 6,7% Węgla, twarda i krucha. W zależności od sposobu jego wydzielania się ze stopu żelaza ma różne nazwy. Możemy też najść następujące fazy na Wykresie Fe-Fe₃C:

• Roztwór ciekły – L – występuje ponad krzywymi łączącymi punkty A, H, J, E, C, F
• Ferryt – roztwór stały żelaza Feα z Węglem, o max. zawartości Węgla 0,022% w temperaturze 727 st. C (składnik miękki)
• Austenit – roztwór stały żelaza Feγ z Węglem, o max. zawartości Węgla 2,14% w temperaturze 1147 st. C (składnik miękki)
• Ferryt wysokotemperaturowy – roztwór stały żelaza Feδ z Węglem, występujący w temperaturze powyżej 1394 st. C

Poza wymienionymi wyżej fazami na Wykresie Fe-Fe₃C występują jeszcze składniki strukturalne:

• Cementyt I – Pierwszorzędowy (Pierwotny) – wydzielający się z Roztworu Ciekłego L wzdłuż linii CD, na skutek zmniejszania się rozpuszczalności Węgla w roztworze Ciekłym L,
• Cementyt Drugorzędowy II – (Wtórny) – wydzielający się z Austenitu (Feγ) wzdłuż linii ES, na skutek zmniejszającej się rozpuszczalności Węgla w Austenicie (Feγ)
• Cementyt Trzeciorzędowy III – wydzielający się z Ferrytu (Feα) wzdłuż linii PQ, na skutek zmniejszającej się rozpuszczalności Węgla w Ferrycie (Feα)
• Perlit – (Euktektoid) – mieszanina Eutektoidalna Ferrytu (Feα) i Cementytu (Fe₃C) zawierająca 0,78% Węgla , powstająca podczas chłodzenia, w wyniku Eutektoidalnej przemiany Austenitu (Feγ) w temperaturze 727st. C
• Ledeburyt – mieszanina Eutektyczna Austenitu (Feγ) i Cementytu (Fe₃C) zawierająca 4,3% Węgla, powstająca podczas chłodzenia, w wyniku Eutektycznej przemiany Roztwory Ciekłego (L)
• Ledeburyt Przemieniony – mieszanina Perlitu (P) i Cementytu (Fe3C) powstająca podczas chłodzenia, w wyniku rozpadu Ledeburytu w temperaturze 727st. C.

Przemiana Eutektoidalna. Podczas chłodzenia Austenitu (Feγ) w temperaturze 727st. C rozpuszczalność Węgla wynosi 0,78%. Czyli powyżej tej temperatury rozpuszczalność Węgla się zwiększa, przy przekroczeniu tej temperatury (podczas chłodzenia) Austenit (Feγ) rozpada się na mieszaninę Ferrytu (Feα) i Cementytu (Fe₃C) zwaną PERLITEM, o charakterystycznym wyglądzie pod mikroskopem: ułożone naprzemiennie pasy jasne Ferrytu (Feα) i ciemne Cementytu (Fe₃C).

Przemiana Ektektoidalna oznaczona jest literką S na Wykresie Fe-Fe₃C. Stale położone:

• na lewo od punktu S, o zawartości Węgla poniżej 0,78% nazywamy Podeutektoidalnymi
• na prawo od punktu S, o zawartości Węgla powyżej 0,78% nazywamy Nadeutektoidalnymi
• w punkcie S, o zawartości Węgla równej 0,78% nazywamy Eutektoidalnymi.

Czyli już nie ma problemu z rozróżnieniem stali Nadeutektoidalnych na Wykresie Fe-Fe₃C. Teraz po co ten tekst powyżej był czytany?

Każdy kowal bez problemu odkuje bramę ze stali konstrukcyjnej S355. Jest to stal Podeutektoidalna o zawartości węgla ok. 0,2%. Stal ta nie wymaga specjalnego traktowania podczas kucia (kucie to też obróbka cieplna) czy chłodzenia po kuciu. Tak powie prawie każdy, ja postaram się udowodnić coś innego w odcinku o kuciu. Tutaj jednak warto wspomnieć, że stal S355 bardzo dużo wybacza kowalowi. Bardzo łatwo jest też kuć i hartować stal Podeutektoidalną 40HMN. Nie ma też zbyt dużych wymagań ta stal podczas chłodzenia po kuciu. Trzymając się zaleceń opisanych w poradnikach bez problemu uda się dobrze kuć lub  obrobić cieplnie te stale.

Stale Nadeutektoidalne są kłopotliwe, ze względu na zmniejszającą się rozpuszczalność Węgla w Austenicie (Feγ) z 2,14% (temperatura 1147st. C) do 0,78% (727st. C) po krzywej ograniczonej punktami SE na Wykresie Fe₃C. Dzięki temu zjawisku wydziela się Cementyt II (drugorzędowy). Tak wiec np. stal o zawartości węgla nagrzana powyżej linii S-K:

• o 30-50 st. C nie stanowi problemu, większość Cementytu II jest nierozpuszczona, jeśli struktura przed nagrzewaniem była poprawna, po schłodzeniu też powinna być poprawna,
• powyżej linii S-E (Acm) czyli jak do kucia, lub do normalizacji. Podczas chłodzenia prawie cały Cementyt II wydzieli się na granicach ziarn; rozdzielenie ziarn cienką błoną Cementytu II (bardziej lub mniej ciągłą), twardego i kruchego spowoduje ogromne zmniejszenie ciągliwości stali (udarności, plastyczności), powstała siateczka nazywa się Siatką Węglików.

Siatka Węglików po granicach ziarn na zdjęciu to bardzo ważna wada stali Nadeutektoidalnych.

Stale stopowe narzędziowe. Składniki stopowe wpływają na stal na wiele sposobów, teraz ważna jest możliwość przesuwania punktów S i E. Co to znowu znaczy? Stal o zawartości 0,4% Węgla i 13% Chromu (4H13) może być stalą nadeutektoidalną!

To jak rozpoznawać stale Nadeutektoidalne?! Są dla stali tworzone tzw. Wykresy Czas – Temperatura – Przemiana (CTP) Izotermiczne (CTPi) i dla chłodzenia ciągłego Continuous (CTPc). Są to wykresy opracowane dla chłodzenia nierównowagowego (w odróżnieniu od Wykresu Fe-Fe₃C). Z ich pomocą można określić jaką twardość, jaką strukturę będzie miał detal stalowy o określonej średnicy, chłodzony w danym ośrodku hartowniczym. Teraz ważne jest rozróżnienie z pomocą tego wykresu stali Nadeutektoidalnych i Podeutektoidalnych.

Wykres CTPc dla stali NCLV.

Wykres CTPc dla stali 4H13.

Na wykresach CTP są oznaczona pola: A (Austenit), P (Perlit), F (Ferryt), B (Bainit), M (Martenzyt). Na wykresie CTP stali Nadeutektoidalnej nie ma pola Ferryt (F), często jest krzywa C/K (Carbides/Karbides/Węgliki).

Jak widać, jest pole F (Ferryt), jest to stal Podeutektoidalna.

Teraz do meritum. Wcześniej wspomniany Cementyt II (Drugorzędowy) powinien być zaznaczony na wykresie CTPi i CTPc dla stali Nadeutektoidalnych, w formie krzywej C lub K (Carbides, Karbides). To ten sam Cementyt II (Węglik) występujący na wykresie Fe-Fe₃C po krzywej S-E, kruchy, wydzielający się bardzo niekorzystnie po granicach ziarn, obniżający znacznie ciągliwość (udarność, plastyczność) zahartowanej stali. Podczas hartowania detalu stalowego o wymaganej dużej ciągliwości należy tak dobierać ośrodek hartowniczy by ominąć tą krzywą, by krzywa chłodzenia detalu nie przecięła krzywej Carbides. Węgliki wydzielone w stalach Nadeutektoidalnych podczas chłodzenia noszą nazwę Węglików Przedeutektoidalnych, gdyż wydzielają się z nagrzanej stali obniżając zawartość Węgla w Austenicie, by mogła zajść przemiana Euktektodalna (Perlityczna). W dużych, grubych detalach trudno jest ominąć Krzywą K/C (Karbides, Carbides), ale jak trafi się detal o małej grubości, o wymaganej dużej ciągliwości – warto się postarać. A jak nie wymagamy dużej ciągliwości? Też warto się postarać, wydzielające się Węgliki Przedeutektoidalne z Austenitu powodują zmniejszenie się odporności na ścieranie zahartowanego detalu.

I na sam koniec: to jak chłodzić przy Hartowaniu stale Nadeutektoidalne, większość stali Narzędziowych? W oleju gorącym (min. 50-70 st. C) lub jak trzeba stosować większe szybkości chłodzenia (hartowanie stali niestopowych klasy N8E-N13E) roztwór 5% NaCl w wodzie destylowanej/demineralizowanej.

Podsumowując – stale Nadeutektoidalne to stale:

• – Niestopowe (węglowe) o zawartości Węgla powyżej 0,8%,
• – prawie wszystkie stale Narzędziowe Stopowe do Pracy Na Zimno,
• – prawie wszystkie stale Narzędziowe do Pracy Na Gorąco.

A jeszcze coś, mały bonus. Mamy jeszcze stale tzw. Ledeburytyczne, czyli zawierające Cmementyt I (Pierwszorzędowy). Mozna je traktować jak stale Nadeutektoidalne z dodatkowymi Węglikami, któe trudno rozpuscić. Czyli zalecenia odnośnie obróbki cieplnej dla stali Nadeutektoidalnych, obowiązują rózwnież dla stali Ledeburytycznych. na Wykresach CTP dla tych stali też nie bedzie pola F(Ferrytu), też moze występować (powinna jak wykres jest opracowany rzetelnie) krzywa K/C (Karbides/Carbides).

Literatura:

• http://akochmanska.zut.edu.pl
• http://www.skola.spectator.cz
• Kosieradzki: Zarys obróbki cieplnej, SIMP 1950
• Luty: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stali łożyskowych, WNT 1980
• P. Gulajew: Metaloznawstwo, Wydawnictwo Śląsk 1967
• www.interlloy.com