1. Εισαγωγή Θερμικές Κατεργασίες των Χαλύβων Μέτρηση Σκληρότητας Ο χάλυβας (κοινώς ατσάλι) είναι κράμα σιδήρου άνθρακα (Fe-C) που περιέχει λιγότερο από 2,06% κ.β. άνθρακα, λιγότερο από 1,0% κ.β. μαγγάνιο (Mn) και πολύ μικρά ποσοστά πυριτίου, φωσφόρου, θείου και οξυγόνου. Οι κραματωμένοι χάλυβες, όπως π.χ. οι ανοξείδωτοι χάλυβες, οι εργαλειοχάλυβες, κ.λπ., αποτελούν ειδική κατηγορία χαλύβων που περιέχουν υψηλότερα ποσοστά άλλων μετάλλων. Οι χάλυβες διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες (αγγλ. grades), ανάλογα με την χημική τους σύσταση, την περαιτέρω κατεργασία τους, την κρυσταλλική τους δομή ή και την τελική τους χρήση. Ως προς την χημική τους σύσταση, οι χάλυβες ταξινομούνται ως εξής: Κοινοί ή ανθρακούχοι χάλυβες (carbon steels). Περιέχουν άνθρακα (έως 2,06%) και μικρό ποσοστό μαγγανίου (έως 1,65%), πυριτίου (έως 0,6%) και χαλκού (έως 0,6%). Χρησιμοποιούνται πολύ και συγκολλούνται εύκολα. Με βάση τον περιεχόμενο άνθρακα, οι κοινοί χάλυβες διακρίνονται στις εξής υποκατηγορίες: χάλυβες χαμηλού άνθρακα ή μαλακοί χάλυβες (mild steels C < 0,30%), χάλυβες μέτριου άνθρακα (medium carbon steels 0,30% < C < 0,60%), χάλυβες υψηλού άνθρακα (high carbon steels 0,60% < C < 1,00%), και χάλυβες πολύ υψηλού άνθρακα (ultra-high carbon steels 1,00% < C < 2,00%). Κραματωμένοι χάλυβες (alloy steels), δηλ. κράματα σιδήρου με άλλα μέταλλα σε σημαντική περιεκτικότητα. Τέτοιοι είναι οι ελαφρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης, που περιέχουν συνήθως χρώμιο, μολυβδαίνιο, βανάδιο, νικέλιο κ.λπ. σε συνολικό ποσοστό που δεν ξεπερνά το 10 % κ.β., όπως π.χ. οι εργαλειοχάλυβες (0,7% < C < 1,4%, Mn < 0,3%), και οι ισχυρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες υψηλής κραμάτωσης, όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες (Cr > 10,5%), οι ταχυχάλυβες (C ~ 0.7%, Cr ~4,0%, 5,0% < Mo < 10%, 1,5% < W < 18,0%, 0 % < Co < 8,0%), κ.λπ. Ανάλογα με την περαιτέρω κατεργασία τους, οι χάλυβες διακρίνονται σε: χάλυβες διαμόρφωσης, που υφίστανται περαιτέρω μηχανική κατεργασία (έλαση, διέλαση, κ.λπ.), και χυτοχάλυβες, που παράγονται απευθείας με χύτευση υπό μορφή πλινθωμάτων («χελωνών») και επαναχυτεύονται για την κατασκευή διαφόρων εξαρτημάτων. Τέλος, συχνά γίνεται λόγος για φερριτικούς, περλιτικούς, μαρτενσιτικούς, μπαινιτικούς κ.λ.π. χάλυβες ανάλογα με την κύρια κρυσταλλική φάση τους. Η ονοματολογία των χαλύβων γίνεται σύμφωνα με διάφορα συστήματα τυποποίησης όπως DIN, ASTM, ΕΛΟΤ κ.λπ. Συχνά υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στο όνομα μιας κατηγορίας χάλυβα και την αντοχή της συγκεκριμένης κατηγορίας χάλυβα σε εφελκυσμό. 2. Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων των κραμάτων Fe- C Τα κράματα Fe- C ανήκουν στην κατηγορία συνθέτου τύπου, δηλαδή τα συστατικά του ενώ σε υγρή κατάσταση είναι πλήρως αναμίξιμα σε στερεά κατάσταση είναι εν μέρει αναμίξιμα. Στο Σχ.2.1 έχουμε το διάγραμμα ισορροπίας κραμάτων Fe-C και θα ασχοληθούμε με δύο στερεά διαλύματα (ωστενίτη και φερρίτη) και με το σεμεντίτη.
Σχ.2.1: Διάγραμμα θερμικής ισορροπίας των κραμάτων Fe- C Ωστενίτης είναι ένα στερεό διάλυμα παρεμβολής και σχηματίζεται όταν στο κρυσταλλικό πλέγμα του γ - Fe, έχει διαλυθεί άνθρακας (με παρεμβολή) σε αναλογία περίπου μέχρι 2 % στη θερμοκρασία των 1130 ο C. Στην αναλογία αυτή άνθρακα έχουμε κορεσμένο ωστενίτη. O ωστενίτης είναι αμαγνητικός. Φερρίτης είναι ένα στερεό διάλυμα παρεμβολής και σχηματίζεται όταν στο κρυσταλλικό πλέγμα του α- Fe διαλυθεί άνθρακας σε αναλογία μέχρι 0,03 % στη θερμοκρασία των 723 C. Στην αναλογία αυτή έχουμε κορεσμένο φερρίτη. O φερρίτης είναι μαγνητικός μέχρι τους 769 C. Οι μηχανικές του ιδιότητες είναι ίδιες με του καθαρού σιδήρου. Σεμεντίτης (Fe 3 C) είναι μια χημική ένωση (καρβίδιο) που σχηματίζεται από το σίδηρο και τον άνθρακα (π (C) = 6,67 %), όταν η περιεκτικότητα του κράματος σε C είναι μεγαλύτερη από 0,03 % (κορεσμός του φερρίτη). O σεμεντίτης είναι πολύ σκληρός και πολύ εύθραυστος. Στο Σχ. 2.1 παρατηρούμε τη γραμμή του liquidus (ΑCD) και τη γραμμή solidus (ΑECFD). Η Solidus αρχίζει από τη θερμοκρασία τήξης του καθαρού σιδήρου (1528 C) και ακολουθεί το σχηματισμό του ωστενίτη μέχρι το σημείο Ε (αναλογία 2 % και θερμοκρασία 1130 C). Στη συνέχεια η Solidus παραμένει ευθεία μέχρι τον καθαρό σεμεντίτη. Στο σημείο C του διαγράμματος που αντιστοιχεί σε (π (C) = 4,3 % και θερμοκρασία 1130 o C η έναρξη και το πέρας της στερεοποίησης συμπίπτουν. Η θερμοκρασία αυτή είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία τήξης που συναντάμε στα κράματα Fe - C και ονομάζεται ευτηκτική θερμοκρασία, ενώ η αναλογία 4,3 % C ονομάζεται ευτηκτική αναλογία. Λεδεμβουρίτης είναι το ευτηκτικό κράμα Fe C, το οποίο αντιστοιχεί σε π (C) = 4,3 % (ευτηκτική αναλογία) και θερμοκρασία 1130 o C (ευτηκτική θερμοκρασία), (σημείο C του διαγράμματος), του οποίου η έναρξη και το πέρας της στερεοποίησης συμπίπτουν. Ο λεδεμβουρίτης αποτελείται από πλακοειδείς κρυσταλλίτες εναλλάξ κορεσμένου ωστενίτη (π (C) = 2 %) και σεμεντίτη. Περλίτης είναι το ευτηκτοειδές κράμα Fe C, το οποίο αντιστοιχεί σε π (C) = 0,80 % (ευτηκτοειδής αναλογία) και θερμοκρασία 723 o C (ευτηκτοειδής θερμοκρασία), (σημείο S του διαγράμματος), του οποίου η έναρξη και το πέρας του μετασχηματισμού από ωστενίτη σε φερρίτη συμπίπτουν. Ο περλίτης σχηματίζεται από πλακοειδείς κρυσταλλίτες εναλλάξ φερρίτη και σεμεντίτη. Σίδηρος ονομάζεται το κράμα Fe C με περιεκτικότητα σε C μεταξύ 0 και 0,03 %. Εάν έχουμε 0,008 % < π (C) < 0,03 % σχηματίζεται και ελάχιστος σεμεντίτης. Χάλυβες ή κοινοί χάλυβες ονομάζονται τα κράματα Fe C με 0,03 % < π (C) < 2,00 %. Πρακτικά όμως χρησιμοποιούμε κοινούς χάλυβες κάτω του 1,5 % σε C. Εκτός των κοινών χαλύβων έχουμε και ειδικούς χάλυβες που σχηματίζονται με προσθήκη άλλων στοιχείων στους κοινούς χάλυβες. Χυτοσίδηροι ονομάζονται τα κράματα Fe C με 2,00 % < π (C) < 6,67 %. Οι χυτοσίδηροι διακρίνονται σε λευκούς χυτοσιδήρους (παρουσιάζουν λευκή επιφάνεια θραύσης) και σε φαιούς χυτοσιδήρους (με
φαιά επιφάνεια θράυσης). Εάν 2,00 < π (C) < 4,3 % λέγονται και υποευτηκτικά κράματα για π (C) = 4,3 % ευτηκτικό κράμα και για π (C) > 4,3 % υπερευτηκτικά κράματα. Σχ. 2.2: Διάγραμμα θερμικής ισορροπίας κραμάτων Fe-C που αφορά τους χάλυβες. Το τμήμα του διαγράμματος (Σχ. 2.2) που ενδιαφέρει περισσότερο για πρακτικές εφαρμογές είναι για χάλυβες π (C) = 0,00 % μέχρι π (C) = 2,0 %. Χρήση αυτού του τμήματος κάνουμε και στις θερμικές κατεργασίες των ανθρακούχων χαλύβων. Με βάση το σημείο S του ευτηκτοειδούς κράματος (περλίτης), οι ανθρακούχοι χάλυβες χωρίζονται σε: Υποευτηκτοειδείς με π (C) < 0,80 % Ευτηκτοειδείς με π (C) = 0,80 % και Υπερευτηκτοειδέίς με 0,80 % < π (C) < 2,0 %. Στο αριστερό μέρος του διαγράμματος είναι η περιοχή του φερρίτη. Εδώ ο άνθρακας μπορεί να διαλυθεί πλήρως στο κρυσταλλικό πλέγμα το α - Fe και να σχηματίσει το στερεό διάλυμα του φερρίτου. Κάθε σημείο δεξιά της γραμμής PQ, του διαγράμματος δείχνει, ότι ο φερρίτης είναι πλέον κορεσμένος σε άνθρακα και συνεπώς ο υπόλοιπος άνθρακας του κράματος θα πρέπει να υπάρχει σε αυτό σαν σεμεντίτης. Η κλίση της γραμμής ΡQ δείχνει, ότι ενώ ο άνθρακας διαλύεται στον α Fe στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος κατά ποσοστό 0,008 %, στους 723 C διαλύεται, κατά 0,03 %. Για να αντιληφθούμε τις μεταβολές που γίνονται στην κρυσταλλική δομή των ανθρακούχων χαλύβων, ας μελετήσουμε τρείς αντιπροσωπευτικούς χάλυβες. α) Χάλυβας με π (C) = 0,40 % (υποευτηκτοειδής) O χάλυβας αυτός θερμαινόμενος σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από την Α 3, μετασχηματίζεται πλήρως σε ωστενίτη. 'Οταν ψύχεται και αποκτήσει, θερμοκρασία μικρότερη από εκείνης του σημείου 1 της Α 3, το κρυσταλλικό του πλέγμα αρχίζει να μετασχηματίζεται από εδροκεντρωμένο κυβικό, σε χωροκεντρωμένο κυβικό με τον αποχωρισμό ορισμένων κρυστάλλων α - Fe από τον ωστενίτη. Οι κρύσταλλοι, αυτοί μπορούν να κρατήσουν ορισμένο ποσοστό άνθρακα και να παρουσιάζονται σαν κρύσταλλοι φερρίτη. Εάν συνεχιστεί η πτώση της θερμοκρασίας του κράματος, οι κρύσταλλοι του φερρίτη αυξάνουν το μέγεθος τους σε βάρος του ωστενίτη και ο ωστενίτης που μένει γίνεται πλουσιότερος σε άνθρακα. Στη θερμοκρασία των 723 C (Α 1 ) ο χάλυβας θα αποτελείται από κορεσμένο φερρίτη (π (C) = 0,03 %) και από ωστενίτη με π (C) =0,80 %. O ωστενίτης καθώς πέφτει η θερμοκρασία δεν μπορεί να δεσμεύσει, άνθρακα πάνω από 0,80 /ο και οι κόκκοι, διασπώνται. Ο άνθρακας δε που περισσεύει καθώς αποχωρίζεται, σχηματίζει μαζί με το Fe τον σεμεντίτη, πυρήνες του οποίου επικάθηνται στα όρια των κόκκων του ωστενίτη. Από τους πυρήνες αυτούς αναπτύσσονται πλακοειδείς κρυ-σταλλίτες σεμεντίτη. Τελικά έχουμε την ανάπτυξη πλακοειδών κρυσταλλιτών από φερρίτη και σεμεντίτη εναλλάξ, οι οποίοι αποτελούν τον περλίτη. O σχηματισμός του περλίτη συνεχίζεται μέχρι να καταναλωθεί ο ωστενίτης που υπάρχει. Η περιεκτικότητα τότε του περλίτη σε άνθρακα είναι 0,80 %. Γενικά σε οποιοδήποτε υποευτηκτοειδή χάλυβα θα ακολουθούνται οι ίδιοι μετασχηματισμοί που θα αρχίζουν από ορισμένη θερμοκρασία που προσδιορίζεται από τη γραμμή NS (Α 3 ) και θα τελειώνει, στη θερμοκρασία των 723 C (γραμμή ΡS, Α 1 ). Στη
θερμοκρασία περιβάλλοντος θα έχουμε κόκκους φερρίτη και κόκκους περλίτη ανάλογα και με την περιεκτικότητα του χάλυβα σε C. β) Χάλυβας με π(c) = 0,80 % (ευτηκτοειδής) O χάλυβας αυτός μέχρι τους 723 C έχει τη δομή ωστενίτη, οπότε στη θερμοκρασία αυτή αρχίζει και τελειώνει ο μετασχηματισμός του σε περλίτη. Θα αποτελείται δηλ. από πλακοειδείς κρυσταλλίτες εναλλάξ φερρίτη και σεμεντίτη. γ) Χάλυβας με π(c) = 1,20 /ο (υπερευτηκτοειδής) Ο χάλυβας αρχίζει, να μετασχηματίζεται, από ωστενίτης σε σεμεντίτη, όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το σημείο (2) γραμμή SΕ (Α cm ).Ο σεμεντίτης είναι, βελονοειδής και επικάθεται στα όρια των κόκκων του ωστενίτη. Στη συνέχεια ο ωστενίτης γίνεται φτωχότερος άνθρακα μέχρι τη θερμοκρασία των 723 C οπότε περιέχει 0,80 % C και μετασχηματίζεται σε περλίτη. Λοιπόν κάθε υπερευτηκτοειδής χάλυβας θα έχει στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος κρυσταλλική δομή από κόκκους σεμεντίτη και περλίτη Όσο δε περισσότερο C περιέχει τόσο περισσότερο σεμεντίτη θα έχουμε. Οι ιδιότητες γενικά του χάλυβα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την αναλογία των συστατικών του. Η αύξηση γενικά του άνθρακα στο χάλυβα, δίνει αύξηση της σκληρότητας και του ορίου θραύσεως. Οι ιδιότητες εξαρτώνται και κατά μεγάλο βαθμό, όταν η απόψυξη είναι αργή ή γρήγορη. Τη μεταβολή αυτών των ιδιοτήτων θα εξετάσουμε στις θερμικές κατεργασίες. 3. Θερμικές κατεργασίες χαλύβων Με τον όρο θερμική κατεργασία εννοούμε την υποβολή ενός μετάλλου ή κράματος, που βρίσκεται σε στερεά κατάσταση, σε μια σειρά θερμάνσεων και ψύξεων, ούτως ώστε αυτό να αποκτήσει ορισμένη κρυσταλλική δομή και μέγεθος κόκκων, δηλ. τις μηχανικές ιδιότητες που επιθυμούμε. Για την κατεργασία αυτή το μέταλλο ή το κράμα, θερμαίνεται σε ορισμένη θερμοκρασία, παραμένει ορισμένο χρόνο στη θερμοκρασία αυτή και ακολούθως ψύχεται με ορισμένη επίσης ταχύτητα. Η ανώτατη θερμοκρασία θέρμανσης, ο χρόνος παραμονής και η ταχύτητα απόψυξης του τεμαχίου αποτελούν βασικούς παράγοντες για κάθε θερμική κατεργασία. Με την θερμική κατεργασία τα μέταλλα, μπορούν να αποκτήσουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και αυτό οφείλεται στους μετασχηματισμούς της κρυσταλλικής δομής που γίνεται σε στερεά κατάσταση. Με την θερμική κατεργασία δεν επενεργούμε, ούτε στην μορφή του μεταλλικού τεμαχίου που κατεργαζόμαστε, ούτε στη χημική του σύνθεση, αλλά μόνο στο είδος της κρυσταλλικής δομής. Οι σπουδαιότερες θερμικές κατεργασίες που χρησιμοποιούμε είναι: 1) η ανόπτηση 2) η εξομάλυνση 3) η ανόπτηση για ανακρυστάλλωση 4) η αποτακτική ανόπτηση 5) η ανόπτηση για σφαιροποίηση του σεμεντίτη 6) η βαφή 7) η επαναφορά 8) η επιφανειακή σκλήρωση των χαλύβων 9) επιφανειακή κατεργασία για αντοχή στη διάβρωση. 4. Επίδραση της ταχύτητας απόψυξης Στο διάγραμμα θερμικής ισορροπίας Fe - C (Σχ. 2.2) είδαμε ότι στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, σχηματίζεται φερρίτης και περλίτης, μόνο περλίτης ή περλίτης και σεμεντίτης, ανάλογα με την περιεκτικότητα του χάλυβα σε άνθρακα. Η απόψυξη αυτή γίνεται βραδύτατα δηλ. σε συνθήκες ισορροπίας των φάσεων. Έτσι δίνεται η ευκαιρία και ο χρόνος για να αποκτήσει το κράμα φυσιολογική δομή και παίρνουμε μαλακό χάλυβα στην πιο ευσταθή του κατάσταση. Εάν η απόψυξη του χάλυβα που βρίσκεται σε κατάσταση ωστενίτη δηλ. σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 723 C, γίνει απότομα με μεγάλη ταχύτητα και μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τότε δεν θα προκύψει κρυσταλλική δομή με φυσιολογική εξέλιξη, αλλά θα παρουσιασθούν νέα κρυσταλλογραφικά είδη με διαφορετικό σχήμα, μέγεθος και κατανομή και με διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες. Ας πάρουμε σαν παράδειγμα τεμάχιο ανθρακούχου ευτηκτοειδή χάλυβα με π (C) =0,80 % και το πυρώσουμε σε θερμοκρασία κατά 50 C πάνω
από τους 723 C. Αφού αφήσουμε το τεμάχιο στη θερμοκρασία αυτή αρκετό χρόνο για να αποκτήσει τη δομή του ωστενίτη, το αποψύχουμε απότομα μέσα σε λουτρό ψυχρού νερού ή αλατούχου νερού (τυπική βαφή του χάλυβα). Αποτέλεσμα της απότομης απόψυξης, είναι η εμφάνιση στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος ενός νέου κρυσταλλικού είδους, που ονομάζεται μαρτενσίτης. Ο μαρτενσίτης είναι τελείως διαφορετικός από τον περλίτη (ήρεμη απόψυξη) και αποτελείται από βελονοειδείς λεπτούς κρυστάλλους πολύ σκληρούς και εύθραυστους (Σχ. 4.1). Σχ. 4.1: Κόκκος ωστενίτη μετασχηματιζόμενος σε μαρτενσίτη. O μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μαρτενσίτη γίνεται ως εξής: Κατά την απόψυξη ο γ - Fe μετασχηματίζεται σε α - Fe, αλλά επειδή η απόψυξη έγινε απότομα, ο άνθρακας που βρίσκεται στο πλέγμα του γ - Fe, δεν μπορεί να εγκαταλείψει το πλέγμα του α - Fe και δεν διαλύεται σε αυτό. Αναγκαστικά παραμένει κλεισμένος στον α - Fe (φερρίτη). Ο μαρτενσίτης λοιπόν είναι φερρίτης υπερκορεσμένος σε άνθρακα στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος και βρίσκεται σε ασταθή κατάσταση. O κλεισμένος στο φερρίτη άνθρακα μπορεί να φτάσει μέχρι και 1,50 %, ενώ στην ήρεμη απόψυξη δεν υπερβαίνει το 0,025 %. Ο επιπλέον άνθρακας στρεβλώνει το κρυσταλλικό πλέγμα του φερρίτη (μετατροπή από χωροκεντρωμένο κυβικό σε χωροκεντρωμένο τετραγωνικό) και έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη εσωτερικών τάσεων. Κατά το μετασχηματισμό του μαρτενσίτη, ο χάλυβας αποκτάει μεγάλη σκληρότητα, υψηλότερη μεγίστη αντοχή και όριο ελαστικότητας, ενώ συνοδεύεται από χαμηλή δυσθραυστότητα και έλλειψη πλαστικότητας. Κατά την απόψυξη του χάλυβα με ενδιάμεσες ταχύτητες (μεταξύ απότομης και ήρεμης), εφαρμόζεται, η λεγόμενη ισόθερμος βαφή. Στην περίπτωση αυτή σχηματίζεται ένα νέο διάγραμμα, το διάγραμμα χρόνου -θερμοκρασίας - Μετασχηματισμού (Χ - Θ - Μ), που μας δίνει το ποσοστό μετασχηματισμού της δομής σε συνάρτηση με τον χρόνο και τη θερμοκρασία (Σχ. 4.2). Σχ. 4.2: Διάγραμμα Χ-Θ-Μ ανθρακούχου ευτηκτοειδή χάλυβα
Κατά την απόψυξη με ενδιάμεσες ταχύτητες δημιουργούνται νέα είδη κρυστάλλων, μεταξύ περλίτη και μαρτενσίτη και τα οποία έχουν μεγάλη σημασία κατά την βιομηχανική χρήση των χαλύβων. Τα νέα αυτά είδη κρυστάλλων είναι ο ανώτερος και ο κατώτερος μπαινίτης. Για την κατασκευή του διαγράμματος Χ - Θ - Μ κατασκευάζουμε μικρά δοκίμια χάλυβα, τα πυρώνουμε κατά 50 C πάνω από τους 723 C για μισή ώρα και τα εμβαπτίζουμε σε λουτρό αλάτων σταθερής προκαθορισμένης θερμοκρασίας, χωριστά κάθε δοκίμιο. Προσδιορίζουμε έτσι το σημείο που αρχίζει ο μετασχηματισμός του ωστενίτη και το σημείο που τελειώνει. Τα σημεία έναρξης και τέλους του μετασχηματισμού διαγράφουν τις καμπύλες S 1 και S 2 συναρτήσει του χρόνου σε λογαριθμική κλίμακα. Από το διάγραμμα (Σχ. 4.2) θ 1 βλέπουμε ότι σε θερμοκρασία μεταξύ 550 C και 723 C σχηματίζεται περλίτης που γίνεται τόσο πιο λεπτόκοκκος και σκληρότερος, όσο η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη (στους 700 C χονδρόκοκκος περλίτης, στους 650 C περλίτης με κόκκους μεσαίου μεγέθους και στους 580 C σχηματίζεται λεπτόκοκκος περλίτης). Όσο η θερμοκρασία κατεβαίνει στους 550 C ο μετασχηματισμός αρχίζει νωρίτερα και τελειώνει σε λιγότερο χρόνο. Στους 550 C και τα δυο μεγέθη έχουν τιμή ελαχίστη. Σε θερμοκρασία λίγο κάτω από τους 550 C και πάνω από 260 C σχηματίζεται νέο κρυσταλλικό είδος που ονομάζεται μπαινίτης. Αποτελείται δε από πλάκες φερρίτη και σεμεντίτη (όπως και ο περλίτης) πολύ μικρών διαστάσεων που δεν φαίνονται καλά στο μεταλλογραφικό μικροκόπιο. Λίγο κάτω από τους 550 C ονομάζεται ανώτερος μπαινίτης. Ενώ κοντά στους 260 C ονομάζεται κατώτερος μπαινίτης. Σχ. 4.3: Διάγραμμα Χ-Θ-Μ καμπύλες απόψυξης ευτηκτοειδή χάλυβα Η ταχύτητα απόψυξης εξαρτάται από το μέσο βαφής που χρησιμοποιούμε. Σε κάθε μέσο απόψυξης αντιστοιχεί και ορισμένη καμπύλη αύξησης, όπως στο διάγραμμα Χ Θ - Μ (Σχ. 4.3), που οι καμπύλες (α), (β), (γ), (δ), (ε), (ζ) αντιστοιχούν σε διάφορες ταχύτητες απόψυξης και μάλιστα συνεχώς αυξανόμενες από την καμπύλη (α) μέχρι την καμπύλη (ε). Στην καμπύλη (α) έχουμε απόψυξη με χαμηλή ταχύτητα (ανόπτηση), ο χάλυβας παραμένει αρκετό χρόνο στην κατάσταση του ωστενίτη και στο σημείο 1 αρχίζει ο μετασχηματισμός του, οποίος τελειώνει στο σημείο 1', σε χονδρόκοκκο περλίτη με χαμηλή σκληρότητα. Η καμπύλη (β) αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη ταχύτητα απόψυξης μπορεί να θεωρηθεί σαν τυπική κατεργασία εξομάλυνσης, με μετασχηματισμό του ωστενίτη σε χονδρόκοκκο περλίτη (σημείο 2) και σε περλίτη μεσαίου μεγέθους κόκκων (σημείο 2'). Η καμπύλη (γ) αντιστοιχεί στην καμπύλη απόψυξης βαφής χάλυβα σε λάδι, με μετασχηματισμό του ωστενίτη σε λεπτόκοκκο περλίτη και περλίτη με κόκκους μεσαίου μεγέθους. Η καμπύλη (δ) είναι χαρακτηριστική για ενδιάμεσες ταχύτητες απόψυξης. Στο σημείο 4 αρχίζει ο μετασχηματισμός ορισμένου ποσοστού ωστενίτη σε λεπτόκοκκο περλίτη μέχρι του σημείου 4'. Στο 4'' αρχίζει ο μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μαρτενσίτη και στο σημείο 4'" έχει πλήρως μετασχηματιστεί σε μαρτενσίτη. Η καμπύλη (ε) αντιστοιχεί στην βαφή με μεγάλη ταχύτητα απόψυξης (σε ψυχρό αλατούχο νερό). Ο χάλυβας μετασχηματίζεται, από ωστενίτη σε μαρτενσίτη με θ ε = 260 C (σημείο 5) και θ π = - 40 C (σημείο 5').
Η καμπύλη (ζ) καθορίζει την κρίσιμη ταχύτητα απόψυξης, που οποιαδήποτε τιμή μεγαλύτερης ταχύτητας μας παρέχει μαρτενσίτη. 5. Ανόπτηση Ανόπτηση ονομάζουμε τη θερμική κατεργασία κατά την οποία ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασία λίγο ψηλότερη, περίπου 50 C, από εκείνη που προσδιορίζεται από τη γραμμή ΝS ή Α 3 του Σχ. 5.1, παραμένει στην θερμοκρασία αυτή για ορισμένο χρονικό διάστημα (για να αποκτήσει ομοιόμορφη, θερμοκρασία) και ακολούθως ψύχεται αργά μέσα στον κλίβανο ανόπτησης, μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Σχ. 5.1: Διάγραμμα θερμικής ισορροπίας με περιοχές θερμοκρασιών για διάφορες θερμικές κατεργασίες. Η ανόπτηση έχει σκοπό να καταστήσει, το χάλυβα μαλακό, ομοιογενή, λεπτόκοκκο, να τον απαλλάξει από τυχόν εσωτερικές τάσεις και να βελτιώσει την κατεργαστικότητά του. Γενικά η ανόπτηση δίνει στον χάλυβα την φυσιολογική του κατάσταση, η οποία άλλαξε εξαιτίας μηχανικών ή θερμικών κατεργασιών, ή άλλων λόγων (θερμηλασία, χύτευση, βαφή κλπ.). Η ανόπτηση δεν παρέχει ικανoποιητικά αποτελέσματα σε χάλυβες με μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα (πχ. χάλυβες παρασκευής εργαλείων). Η θέρμανση του χάλυβα για την κατεργασία της ανόπτησης εξαρτάται από την περιεκτικότητα του σε C (π (C) ). Για π (C) < 0,80 % θερμαίνονται 50 C πάνω από τη γραμμή ΝS (Σχ. 5.1) για να αποκτήσουν δομή ωστενίτη (πχ. για π (C) = 0,60 % η θερμοκρασία ανόπτησης είναι περίπου 830 C).Για π (C) > 0,80 %, εάν η θέρμανση γίνει κατά 50 C πάνω από τη γραμμή SΕ τότε ο χάλυβας γίνεται χονδρόκοκκος. Για το λόγο αυτό η θερμοκρασία αυτών των χαλύβων είναι 50 C μεγαλύτερη από τους 723 C δηλαδή 770 C. Η θέρμανση πρέπει να γίνεται σε αργό ρυθμό γιατί υπάρχει κίνδυνος με απότομη θέρμανση να έχουμε διαφορά διαστολής της επιφάνειας και του πυρήνα, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ισχυρών εσωτερικών τάσεων που οδηγούν στην στρέβλωση ή και τη θραύση, του τεμαχίου. Ο χρόνος θέρμανσης πρέπει να είναι τόσος όσος χρειάζεται για να αποκτήσει το τεμάχιο ομοιόμορφη θερμοκρασία σε όλη του τη μάζα (δομή ωστενίτη) και απαιτείται να αποφεύγουμε την οξείδωση του χάλυβα από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Μετά την παραμονή των τεμαχίων για ορισμένο χρονικό διάστημα, στην θερμοκρασία ανόπτησης, αφήνονται να αποψυχθούν αργά μέσα στην ίδια κάμινο, μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος.
6. Εξομάλυνση Εξομάλυνση ονομάζουμε τη θερμική κατεργασία κατά την οποία χάλυβας θερμαίνεται όπως και στην ανόπτηση (με εξαίρεση τους χάλυβες με π (C) > 0,80 % που γίνεται κατά 50 C πάνω από τη γραμμή SΕ ή Α Cm του Σχ. 5.1) παραμένει στην θερμοκρασία αυτή για ορισμένο χρονικό διάστημα και ακολούθως αποψύχεται στον ήρεμο αέριo εκτός κλιβάνου (όχι σε ρεύμα αέρα). Η ταχύτητα απόψυξης είναι μεγαλύτερη της αντίστοιχης στην ανόπτηση και ο χάλυβας μετά από την εξομάλυνση είναι περισσότερο λεπτόκοκκος. Η εξομάλυνση, σχετικά προς την ανόπτηση, έχει σαν σκοπό: α) να ελαττώσει το μέγεθος των κόκκων του χάλυβα β) να καταστήσει το χάλυβα περισσότερο ομοιογενή γ) να βελτιώσει τις μηχανικές του ιδιότητες δ) να βελτιώσει την κατεργαστικότητα των χαλύβων (χαμηλής περιεκτικότητας σε C) και ε) να αφαιρέσει τυχόν παραμένουσες εσωτερικές τάσεις. 6.1 Ανόπτηση για σφαιροποίηση σεμεντίτη Για χάλυβες με μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα λόγω της παρουσίας του σεμεντίτη, χρησιμοποιείται η ανόπτηση για σφαιροποίηση του σεμεντίτη. Η κατεργασία αυτή συνίσταται σε παρατεταμένη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία λίγο κάτω από τους 723 C. Μετά τη θέρμανση ακολουθεί ήρεμη απόψυξη. Ο σεμεντίτης παίρνει σφαιροειδή μορφή αντί της πλακοειδούς, την οποία έχει στον συνηθισμένο περλίτη. Η κρυσταλλική αυτή μορφή, δίνει στο χάλυβα καλή κατεργαστικότητα και καλή πλαστικότητα. Τα περισσότερα είδη των χαλύβδινων εργαλείων, μετά τη θερμική διαμόρφωση τους υποβάλλονται σε ανόπτηση σφαιροποίησης του σεμεντίτη για να διευκολυνθεί η κατεργασία τους με κοπή. 6.2 Ανόπτηση για ανακρυστάλλωση Η ανόπτηση για ανακρυστάλλωση εφαρμόζεται στους υποευτηκτοειδείς χάλυβες, σε θερμοκρασία από 600 C μέχρι 700 C με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων κρυστάλλων στο μέταλλο. Έχει σαν σκοπό να εξαφανίσει τα αποτελέσματα της σκλήρυνσης του χάλυβα συνήθως μετά από ψυχρηλασία. 6.3 Αποτατική ανόπτηση Η αποτατική ανόπτηση συνίσταται στη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία κάτω από τη θερμοκρασία για ανακρυστάλλωση, δηλαδή μεταξύ 550 C και 650 C και την ήρεμη απόψυξη μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η αποτατική ανόπτηση έχει σαν σκοπό την απαλλαγή του χάλυβα από εσωτερικές τάσεις, που δημιουργήθηκαν από έντονη πλαστική παραμόρφωση εν ψυχρώ, γρήγορη μηχανική κατεργασία και από κατεργασίες που δημιουργούν διαφορά θερμοκρασίας στο τεμάχιο, όπως συμβαίνει στις συγκολλήσεις και στην χύτευση. 7. Βαφή Κατά τη θερμική αυτή κατεργασία, ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασία λίγο μεγαλύτερη από τη γραμμή ΝS ή Α 3, ανάλογα με την περιεκτικότητα του σε άνθρακα. Στη συνέχεια παραμένει στη θερμοκρασία αυτή ορισμένο χρόνο για να αποκτήσει ομοιόμορφη θερμοκρασία και ακολούθως αποψύχεται μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η βαφή δίνει στο χάλυβα υψηλή σκληρότητα και χαμηλή δυσθραστότητα. Για την βαφή ο χάλυβας πυρώνεται αφού προηγουμένως ανοπτηθεί, για να αποκτήσει, την φυσιολογική του κατάσταση και για να απαλλαγεί από τυχόν μηχανικές τάσεις. Οι τάσεις αυτές είναι επικίνδυνες και μπορεί να προκαλέσουν ρωγμές. Χάλυβες με π (C) < 0,80 % θερμαίνονται κατά 40 C πάνω από το ανώτερο κρίσιμο σημείο (γραμμή ΝS ή Α 3, Σχ. 5.1). Για χάλυβες με π (C) > 0,80 % δεν ακολουθούμε τη γραμμή SE ή Α Cm του διαγράμματος, αλλά
τους θερμαίνουμε σε σταθερή θερμοκρασία και ίση περίπου με 760 C (723 C + 40 C περίπου) θέρμανση πάνω από τη γραμμή SΕ θα είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση του μεγέθους των κόκκων του ωστενίτη με χειροτέρευση των μηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα. Σπουδαίο παράγοντα στην εκτέλεση της βαφής παίζει η ταχύτητα της απόψυξης του χάλυβα μέχρι τη θερμοκρασία Θ π που ολοκληρώνεται μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μαρτενσίτη (Σχ. 7.1). Σχ. 7.1: Διάγραμμα Θ ε και Θ π συναρτήσει της π (C) των χαλύβων Οι θερμοκρασίες έναρξης Θ ε και τέλους Θ π μετασχηματισμού του ωστενίτη σε μαρτενσίτη, εξαρτώνται από την περιεκτικότητα τους σε άνθρακα, όπως φαίνεται στο Σχ. 7.1. Ο χάλυβας με π (C) = 0,80 % έχει θερμοκρασία Θ ε = 260 C και Θ π = - 40 C. Ο χάλυβας αυτός όταν αποψυχθεί στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (20 C περίπου) αποκτά κρυσταλλική δομή μαρτενσίτη, με ορισμένο ποσοστό ωστενίτη, γιατί ωστενίτης δεν μπορεί να μετασχηματιστεί πλήρως σε μαρτενσίτη, εάν δεν ψυχθεί μέχρι τη θερμοκρασία Θ π = - 40 C. Για να γίνει πλήρης βαφή, πρέπει η ταχύτητα απόψυξης να βρίσκεται αριστερά της καμπύλης (ζ) του Σχ. 4.3 (καμπύλη κρίσιμης ταχύτητας βαφής). Εάν έχουμε μικρότερη ταχύτητα απόψυξης θα γίνει μερική βαφή (περίπτωση δ). Η ταχύτητα απόψυξης εξαρτάται: α) Από το ψυκτικό μέσο (λουτρό βαφής), στο οποίο εμβαπτίζεται το προς βαφή μέταλλο β) Από το βαθμό ανατάραξης του λουτρού βαφής, δηλ αν το λουτρό βαφής βρίσκεται σε ηρεμία ή αναταράσσεται και γ) Από το μέγεθος της διατομής του τεμαχίου που βάφεται, δηλαδή αν είναι λεπτό ή χονδρό. 7.1 Λουτρά Βαφής. Τα λουτρά που χρησιμοποιούνται συνήθως στην πράξη, και κατά σειρά ελαττωμένης δραστικότητας (δυνατότητα για ανάπτυξη μεγαλύτερης ή μικρότερης ταχύτητας απόψυξης) είναι τα ακόλουθα: 1. Υδατικό διάλυμα χλωριούχου νατρίου 10 % w/w 2. Υδατικό διάλυμα καυστικού νατρίου 40-50 % w/w 3. Νερό 4. Τήγματα διαφόρων αλάτων 5. Υδατικό διάλυμα υδατοδιαλυτών λαδιών 6. Διάφορα ορυκτέλαια 7. Αέρας σε ηρεμία Η θερμοκρασία του λουτρού βαφής έχει σημασία στην καλή εκτέλεση βαφής, πρέπει η θερμοκρασία να είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία Θ π για να έχουμε πλήρη βαφή. Με αύξηση της θερμοκρασίας του λουτρού βαφής, η ταχύτητα απόψυξης μειώνεται για νερό και αλατισμένο αλάτι, ενώ για το λάδι έχουμε μικρότερη μείωση της ταχύτητας απόψυξης. Μπορούμε να διατηρήσουμε τη θερμοκρασία του λουτρού σταθερή με κατάλληλη κυκλοφορία του μέσου ψύξης. Η ταχύτητα απόψυξης αυξάνεται με ανάδευση του τεμαχίου που πρόκειται να βάψουμε.
7.2 Επίδραση μεγέθους του τεμαχίου Η ταχύτητα απόψυξης κατά τη βαφή ελαττώνεται όσο προχωρούμε από την επιφάνεια προς τον πυρήνα του τεμαχίου, και μάλιστα όσο το τεμάχιο έχει μεγαλύτερη διατομή. Όταν το τεμάχιο για βαφή είναι μεγάλο σε ένα ορισμένο βάθος από την επιφάνεια του αποκτάει ιστό μαρτενσίτη ενώ στον πυρήνα αποκτάει ιστό μπαινίτη ή περλίτη (δηλ. δεν γίνεται βαφή). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο μάζας, είναι δε εντονότερο στους ανθρακούχους χάλυβες και η σκληρότητα μετά τη βαφή ελαττώνεται γρήγορα προχωρώντας από την επιφάνεια προς τον πυρήνα. Το φαινόμενο αυτό μπορούμε να αποφύγουμε προσθέτοντας άλλα στοιχεία, τα οποία ελαττώνουν την κρίσιμη ταχύτητα απόψυξης με αποτέλεσμα να γίνεται βαφή σε όλη τη μάζα του. 7.3 Προβλήματα κατά την βαφή Κατά τη θέρμανση μεταλλικού αντικειμένου για βαφή, λαμβάνονται προφυλακτικά μέτρα για να αποφύγουμε τυχόν αχρήστευση του μετάλλου. Χαρακτηριστικά σφάλματα που παρατηρούνται στα μέταλλα, τα οποία βάφονται, κυρίως κατά την απόψυξη είναι: α) Ανομοιογένεια του τεμαχίου. Ελέγχεται με μέτρηση σκληρότητας σε διάφορες θέσεις της επιφάνειας. β) Ανεπαρκής βαφή, οπότε το τεμάχιο δεν αποκτά την σκληρότητα που πρέπει και οφείλεται στην δραστικότητα του λουτρού βαφής, είναι δηλ. μικρότερη από εκείνη που χρειάζεται, η σε θέρμανση κατώτερη από εκείνη που χρειάζεται. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται επανάληψη βαφής. γ) Ρωγμές και στρεβλώσεις. Αυτές οφείλονται σε μηχανικές εσωτερικές τάσεις, που αναπτύσσονται στο τεμάχιο κατά τη βαφή. Για να αποφευχθούν οι υπερβολικές τάσεις χρησιμοποιούμε κατάλληλο λουτρό βαφής και ποτέ δραστικότερο, διαλέγουμε χαλυβόκραμα με μικρή κρίσιμη ταχύτητα βαφής και εφαρμόζουμε τη λεγόμενη Κλιμακωτή βαφή. 8. Επαναφορά Επαναφορά έχουμε όταν ο χάλυβας μετά από βαφή, αναθερμανθεί σε ορισμένη θερμοκρασία, χαμηλότερη από τους 723 C και μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία έναρξης σχηματισμού του μαρτενσίτη, παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για ορισμένο χρόνο και κατόπιν αποψυχθεί ήρεμα μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η επαναφορά έχει ως σκοπό να προσδώσει, βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες στο βαμμένο χάλυβα και να τον απαλλάξει από σοβαρές εσωτερικές τάσεις. Ο βαμμένος χάλυβας επαναφέρεται γιατί μετά τη βαφή αποκτάει κρυσταλλική δομή μαρτενσίτη με ελάχιστο ποσοστό ωστενίτη. Στην κατάσταση αυτή είναι πολύ σκληρός με μεγάλο όριο θραύσης και ελαστικότητας. Έχει όμως μικρή πλαστικότητα και δυσθραυστότητα και υψηλές εσωτερικές τάσεις. Στην κατάσταση αυτή είναι ακατάλληλος για βιομηχανική χρήση, εκτός των περιπτώσεων που απαιτείται μόνο μεγάλη σκληρότητα. Μετά την επαναφορά η σκληρότητα και η αντοχή σε εφελκυσμό ελαττώνεται, ενώ η πλαστικότητα και η δυσθραυστότητα αυξάνονται. Η βαφή, όταν ακολουθείται από επαναφορά, βρίσκει εφαρμογή στα εργαλεία κοπής και στην επιβελτίωση, του χάλυβα που χρησιμοποιείται, για στοιχεία μηχανών. Η επιβελτίωση του χάλυβα είναι σύνθετη θερμική, κατεργασία που συνίσταται απο βαφή, η οποία ακολουθεί επαναφορά, σε μεγάλη όμως θερμοκρασία (450 C 650 C), ώστε να αποκτήσει χαρακτηριστική κρυσταλλική δομή (σορμπίτη). Στη περιοχή αυτή θερμοκρασιών ο χάλυβας αποκτά αυξημένη δυσθραυστότητα.
9. Πειραματικό μέρος Βαφή του χάλυβα Διαλέγουμε χάλυβα ευτηκτοειδή ή υπερευτηκτοειδή π (C) >= 0,8, οπότε όπως αναφέρθηκε η θερμοκρασία βαφής είναι (723+40) = 760 o C. Ανάβουμε το φούρνο εώς ότου φτάσει τους 760 o C και βάζουμε μέσα το δοκίμιο. Το αφήνουμε αρκετό χρόνο ώστε όλη η μάζα του μετάλλου να αποκτήσει τη θερμοκρασία βαφής. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται από το μέγεθος του δοκιμίου. Εμείς εδώ, επειδή δεν έχουμε πίνακες αναφοράς που να δείχνουν πόσος χρόνος απαιτείται να μείνει το δοκίμιο για κάθε είδος και μέγεθος χάλυβα, το αφήνουμε μέχρι να ερυθροποιηθεί. Η απόψυξη θα γίνει γρήγορα σε λουτρό με αλατόνερο (διάλυμα 10% NaCl σε νερό) που έχουμε ήδη ετοιμάσει μέσα σε ένα μεγάλο δοχείο. Με λείανση του δοκιμίου και παρατήρηση στο μικροσκόπιο, παρατηρούμε τους βελονοειδείς κρυστάλλους του μαρτενσίτη που σχηματίστηκαν κατά τη βαφή. Επίσης μετράμε και τη σκληρότητα (μέθοδος Vickers) του βαμμένου χάλυβα σε 3 σημεία της επιφανείας του, έτσι ώστε να γίνει σύγκριση με την σκληρότητα του χάλυβα πριν την βαφή. Αν θέλουμε να εξαλείψουμε τις εσωτερικές τάσεις και να δώσουμε πλαστικότητα στο μέταλλο, κάνουμε επαναφορά. Ζεσταίνουμε το δοκίμιο στο φούρνο στους 500 o C, το αφήνουμε ικανό χρόνο και το κρυώνουμε ήρεμα στον αέρα, μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Αν θέλουμε να ξαναδώσουμε στο βαμένο χάλυβα την αρχική του δομή και τις αρχικές τους ιδιότητες, κάνουμε ανόπτηση. Θερμαίνουμε σε φούρνο στους (723+50) = 770 o C (κατά 10 o C πάνω από τη θερμοκρασία βαφής) το δοκίμιο, το αφήνουμε αρκετό χρόνο ώστε όλη η μάζα του να αποκτήσει ομοιόμορφη θερμοκρασία και το αφήνουμε να κρυώσει ήρεμα στον αέρα μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος.