.A)

7 *•

WYDZIAŁY POLITECHNICZNE KRAKÓW

;;

BIBLIOTEKA GŁÓWM

mw.

jr

I)¹ ly

.......... ......

SMI

Wt HhHSŁra*J %S^p.>iiÿÆ

ifei

ii§ ■    !

■Hn |l|git8

>:

xiSKJ v v ■ ;*■■; / ".:.:/>* .

::l

hi

Kg*

KSsSffiS

:!j;

sa

Kij

5}

iH

Fj

pi

.

*

%

'

'

/ •

■

i

i

f.

V.

P¹

■

Biblioteka Politechniki Krakowskiej

-

100000231388

• *

/

-

«

⁴

!

f

(i,

\

.

/

*

/

V

*

HARTOWANIE STALI

STANISŁAW ANCZYC

PROFESOR POLITECHNIKI LWOWSKIEJ

HARTOWANIE STALI

LWÓW 1926

NAKŁADEM GUBRYNOWICZA I SYNA

/->

Wszelkie prawa przedruku i przekładu zastrzeżone.

BIBLIOTEKA POLITECHNICZNA

KRA K ó W

clx>

KRAKÓW — DRUK W. L. ANCZYCA I SPÓŁKI

Mc. Nr.

PRZEDMOWA

Hartowanie stali jest procesem znanym bardzo dawno, tak starym jak wyrób żelaza na broń, narzędzie ludom pierwotnym najbardziej potrzebne do celów myśliwskich i wojennych. Zadziwiające jest, jak umysł ludzki umiał, niewątpliwie przypadkowo odkryty objaw har-towności stali udoskonalić, jedynie na podstawie praktycznych doświadczeń, nie znając ani istoty żelaza i jego ustroju ani procesów cieplnych, na których polega hartowanie. Wyjaśnienie tych rzeczy jest owocem badań rozpoczętych zaledwie z końcem wieku dziewiętnastego, a przecież jak dawno przedtem były znane narzędzia stalowe wybornej jakości!

Dziś, kiedy potrzeby ludzkości wymagają jak najlepszych i najodpowiedniejszych, a zarazem najtańszych w użyciu narzędzi, dziś, kiedy stal nie jest materjałem otrzymywanym zapomocą procesów niewytłomaczonych i napół tajemniczych, ale ściśle określonych co do budowy, zawartości składników i postępowania cieplnego, a wyrabianym w rozmaitych gatunkach, nie wystarczają już dawne, na doświadczeniu tylko oparte i często przez praktyków zazdrośnie ukrywane procedery; dziś hartownik zdawać sobie musi jasno sprawę, czem jest ten, przez niego wykonywany zabieg, jaka musi być do niego zastosowana temperatura, jakie zachowane ostrożności,

aby narzędzie jak najlepiej zahartować a nie zaszkodzić mu ani nie zepsuć, o co przecież tak łatwo.

To też w dzisiejszych wielkich fabrykach maszyn hartownie są pracowniami wyposażonemi w doskonałe piece do ogrzewania narzędzi, bardzo czułe instrumenty do mierzenia temperatury, różne urządzenia do chłodzenia stali, przyrządy do badania twardości i wytrzymałości gotowych wyrobów, a często w łączności z temi do-skonałemi pracowniami fabrycznemi pracują laboratorja, badające materjał narzędzi i warunki, w jakich należy je przygotowywać.

Nie wystarcza dziś ognisko kowalskie, dawniej jedynie używane do rozgrzewania stali, z dodatkiem kubła wody do hartowania, gdy wprawne ale często omylne oko z barwy narzędzia oceniało temperaturę, stosowną do jego zahartowania czy odpuszczenia. Dzisiejszy hartownik musi swój zawód znać nietylko praktycznie ale i teoretycznie, aby swemu zadaniu odpowiedzieć i być w fabryce pracownikiem użytecznym a tern samem pożądanym.

Celem tej książki jest podać to, co nowoczesny pracownik powinien wiedzieć o stali narzędziowej i procesie hartowania ¹).

CZĘŚĆ OGÓLNA

Stal-żelazo

W codziennem życiu spotykamy się ciągle z dwoma materjałami, bardzo do siebie podobnemi: mówi sie o narzędziach, sprężynach, szablach, instrumentach «stalowych), a używa się «żelaza» do wyrobu gwoździ, drutu, podków, dźwigarów budowlanych itp. a nawet często miesza się te nazwy, mówiąc, że części maszyn żelazne wyrobione są ze stali martinowskiej, a mater jał pewien określa się raz jako miękką stal, drugi raz jako twarde żelazo.

Skąd takie dwie nazwy i takie ich pomieszanie? I jeden i drugi materjał zawiera w przeważnej części składnik, który jako pierwiastek chemiczny nosi nazwę «żelaza» (znak chemiczny: Fe), a różnicę między niemi powoduje nadzwyczaj drobna przymieszka innych ciał, między któremi najwybitniejszą i nierównie od innych ważniejszą odgrywa pierwiastek «węgiel» (znak che-miczy: C). Nieznaczny, bo wynoszący ledwie ułamek procentu, dodatek tego ciała w czystem żelazie, zmienia wybitnie jego własności. Przy bardzo małej przymieszce węgla (np. 0.05°/o) jest ono wydatnie ciągliwe,. tj. daje się bez pękania przerabiać w stanie zimnym np. zginać, wyciągać, zgrubiać, («spęczać») i t. p., daje się zgrzewać («spawać», z niemieckiego «szwajsować») ale nie ma

wielkiej wytrzymałości i przy stosunkowo niewielkiem obciążeniu urywa się; nie można też zwiększyć jego twardości przez hartowanie. Z powiększeniem zawartości węgla zmieniają się własności żelaza, np. żelazo zawierające 1 °/₀ węgla ma więcej niż dwukrotnie większą od tamtego wytrzymałość, w stanie naturalnym jest o wiele twardsze, a po zahartowaniu staje się nadzwyczaj twar-dem; natomiast jest bardzo trudne do zgrzewania i o wiele mniej ciągliwe (kruchsze) niż żelazo zawierające mało węgla. Pierwszy gatunek nazywamy żelazem miękki e m, drugi stalą, a rodzaje pośrednie (np. 0.5°/0 węgla) żelazem twardem lub miękką stalą.

Widzimy więc, że różnicę między temi dwoma mater jałami stanowi zawartość węgla, a ponieważ może ona nieznacznie wzrastać od najmniejszych ilości (np. 0.05°/o) do wielokrotnie większych (np. 1.5°/₀), spotykanych w stali, nie można między niemi oznaczyć ścisłej granicy i powiedzieć, kiedy pewien materjał jest żelazem a kiedy s t a 1 ą, i to tern bardziej, że przymieszki innych ciał (pierwiastków) jak krzem, mangan, siarka, fosfor i inne, dostające się do żelaza w procesach hutniczych, wpływają, chociaż w mniejszym stopniu, na jego własności, a w znacznie jeszcze większym umyślne dodatki innych metali, jak nikiel, chrom, wolfram itd.

Obecnie objawia się dążenie, aby za przykładem krajów posługujących się językiem angielskim lub francuskim, wszelkie rodzaje żelaza, otrzymywane procesami hutniczemi w stanie stopionym, nazywać «stalą», bez względu na to, ile zawierają węgla czy innych dodatków.

W dziełku tem, traktującem o hartowaniu, posługiwać się będziemy nazwą «stal», mówiąc o materjale, który daje się hartować, hartowność bowiem jest najważniejszą właściwością, odróżniającą stal od żelaza bardzo miękkiego. Mówiąc ogólnie o żelazie, zawieraj ącem węgiel, jako główną przymieszkę, nazywać je będziemy «stalą węglistą», gdy zaś omawiać będziemy te rodzaje stali, w których znajdują się umyślne dodatki innych metali, dla wywołania w stali pewnych specjalnych własności, nazywać je będziemy «stalami specjalnemi».

Jest znaczna różnica we własnościach, zastosowaniu i cenie tych dwóch rodzajów stali, dlatego każdy z nich omówimy osobno, zaczynając od stali węglistej.

Stal węglistą

Jest to materjał najwięcej używany w przemyśle, — także na narzędzia podlegające hartowaniu, i z tego powodu najważniejszy. Zależnie od ilości zawartego węgla własności stali bardzo się zmieniają, dlatego własności te należy przedewszystkiem omówić.

Własności najważniejsze, które stanowią o stosowalności stali do celów technicznych, a w szczególności na narzędzia, są: wytrzymałość, ciągliwość (i jej przeciwieństwo: kruchość), zgrzewalność, twardość, hartowność.

Wytrzymałością nazywamy zdolność mate-rjału do znoszenia natężeń wywołanych działaniem sił rozciągających, ściskających, zginających itd. bez zniszczenia; o ile to nastąpi, mówimy że granica wytrzymałości materjału została przekroczona. Wytrzymałość mierzymy obciążeniem, działającem na jednostkę powierzchni, oznaczając obciążenie w kilogramach a powierzchnię obciążoną w milimetrach kwadratowych (także w centymetrach kw.). Jeżeli np. podaje się, że pewna stal ma wytrzymałość na rozerwanie 50 kilogramów na milimetr kwadratowy (przyjęty znak: 50 kg/mm²), znaczy to, że przedmiot wyrobiony z tej stali doznaje pęknięcia dopiero wtedy, gdy na każdy milimetr kwadratowy jego przekroju działa obciążenie 50 kg. Mając okrągły pręt z takiej stali o grubości 11 mm a więc o powierzchni przekroju 95 mm², będziemy wiedzieli, że dopiero przy obciążeniu 4750 kg. (95X50) nastąpi jego urwanie. Inaczej zachowuje się materjał pod działaniem sił rozciągających niż ściskających lub zginających, dlatego rozróżniamy wytrzymałość na rozciąga-n i e, wytrzymałość na ściskanie, zginanie i t. d. Wytrzymałość ma wielkie znaczenia w konstrukcjach wszelkich (np. w maszynach, budowlach itp.), a także w narzędziach, od niej bowiem zależy ich całość w użyciu; im jest większa, tem przedmioty obliczane na działanie pewnych sił mogą być cieńsze, a więc lżejsze i często tańsze.

o tej własności mówić będziemy poniżej.

», —

Zawartość węgla zwiększa wytrzymałość stali; następująca tabelka podaje wytrzymałość na rozciąganie stali (badanej w postaci prętów) przy różnych zawartościach węgla. Tabelka zawiera jeszcze jedną rubrykę: «wydłużenie

TABELA I.

Wydłużenie w %

Zawartość węgla w %

Wytrzymałość w kg/mm²

OOOOO,—itHtH

^tOOSCOOi^GOC

Widzimy z tabelki jak wielki wpływ na wytrzymałość stali ma zawartość węgla, jak więc ważnym jest on czynnikiem w stali. Na wytrzymałość stali mają wpływ także i inne domieszki i zanieczyszczenia, wprawdzie

mniejszy niż węgiel, jednak w pewnych wypadkach mogą one znacznie zmienić tę własność a także ciągliwość.

C i ą g 1 i w o ś ć jest własnością dozwalającą przerabiać stal przez kucie, walcowanie itp.; o ile stal nie jest ciągliwa ale krucha, przeróbka taka nie jest możebna. Ale ciągliwość ma jeszcze inne znaczenie: gdy działanie sił na przedmiot przewyższa jego wytrzymałość i następuje odkształcenie, to materjał kruchy pęka, a jego odłamki mogą spowodować uszkodzenie otaczających przedmiotów, czy nawet ludzi. Materjał ciągliwy natomiast dozna w takim wypadku tylko wydłużenia, zgięcia itp., nie powodując dla otoczenia takiego niebezpieczeństwa jak kruchy.

Ciągliwość materjału oznaczamy, porównywując pierwotną długość z długością, jaką posiada po próbie na rozerwanie; procentowe zwiększenie długości nazywa się wydłużeniem. Jego znajomość pozwala dogodnie ocenić ciągliwość materjału. W powyższej tabeli podane jest wydłużenie stali przy różnych zawartościach węgla. Widzimy z niej, że im mniej węgla zawiera stal, tern jest ciągliwsza, im więcej, tem kruchsza.

Zgrzewalność jest to własność wynikająca z procesów krystalizacyjnych w stali, wskutek której dwa kawałki stali rozgrzane bardzo silnie, położone na sobie i ściśnięte (zapomocą prasy, uderzeń młota itp.) łączą się ze sobą w jedną całość, ponieważ ziarna obu mate-rjałów zrastają się ze sobą, tworząc jednolite kryształy.

Z własności tej korzysta się często, łącząc ze sobą części żelazne, a przy wyrobie narzędzi, nagrzewając płytki z drogiej stali specjalnej na trzonach ze stali zwykłej, i w ten sposób stosując drogi materjał tylko tam, gdzie on służy do obróbki.

Jednakże ze wzrostem zawartości węgla zgrzewalność stali spada, powyżej l°/₀ węgla jest już trudno zgrze-walna a powyżej 1.3°/₀ zupełnie nie.

Twardość naturalna stali niehartowanej wzrasta również ze wzrostem w niej węgla, jak to widzimy z tabelki II (lewa strona), gdzie naturalna twardość stali wyrażona jest liczbami według metody Brinella. Próbę twardości wykonywamy tą metodą, wciskając bardzo twardą kulkę stalową w badany materjał i ze stosunku wywartego nacisku do wytworzonego wgłębienia otrzymując liczbę twardości. Im materjał jest twardszy, tem zagłębienie będzie mniejsze, a tern wyższa liczba twardości.

TABELA II.

Zawartość węgla W °/o

Twardość naturalna

Twardość po hartowaniu

w stopniach Brinella

0-1

120

155

0-2

135

280

0-3

162

0-4

185

hJ-

tO o oc o

0-5

195

0-6

212

0-7

230

0-8

240

0-9

250

1-0

264

1*1

275

1-2

283

0)0)0)0)0)00101 rfi Cn rfi. to IO © Ü1 MOOOOi^OOO

Twardość naturalna stanowi o trudności obrabiania przedmiotu wykonanego z pewnego gatunku stali, o powolnie jszem ścieraniu się jego powierzchni (np. czopa umieszczonego w łożysku) i wogóle jego zużyciu.

Harto w noś ć. Twardość, jakiej stal nabiera wskutek zahartowania, polega na zmianie jej ustroju, o czem będzie później mowa; stal zahartowana ma twardość wielokrotnie większą niż w stanie naturalnym. W tabelce II (ostatnia rubryka) podana jest, dla różnych zawartości węgla, twardość stali zahartowanej. W porównaniu z podaną twardością naturalną tych stali widzimy, że stale o większej zawartości węgla zwiększają swą twardość przez zahartowanie znacznie więcej niż małowęgliste.

Tabela III wskazuje, że hartowanie wpływa także na zwiększenie wytrzymałości stali, i wywiera wpływ nie-tylko na stal twardą ale i na miękką, której twardość po hartowaniu nieznacznie się tylko zwiększa, natomiast wzrasta jej wytrzymałość.

TABELA III.

Zawartość węgla w %

Wytrzymałość w kg/mm

stali niebartowanej

stali zahartowanej

0-05

36

50

0-2

44

67

0-44

57

107

0-65

64

97

Ustrój stali

Wiadomo już, że dodatek węgla wpływa wybitnie na zmianę własności stali, — dlaczego jednak tak się dzieje, w czem leży tego przyczyna?

Aby to wyjaśnić, zapoznać się nam trzeba z ustrojem stali, z postacią niezmiernie drobnych cząsteczek, składających się na jej budowę, a widzialnych tylko w powiększeniu, przy użyciu mikroskopu.

Tak jak wszystkie minerały, sole itp., są także wszystkie metale a więc i stal, ciałami o budowie krystalicznej, tj. składają się z bardzo drobnych kryształków, mających te same własności. Gdy stopiony metal stygnie, tworzą się w nim najpierw liczne stałe pyłki, ośrodki, około których formują się kryształy. Gdyby każdy kryształ żelaza wykształcał się swobodnie, jak się to np. dzieje z solą, rozpuszczoną w gorącej wodzie aż do nasycenia, to kształt jego byłby umiarowy i miał postać ośmiościanu równoosiowego (Rys. 1). Ponieważ jednak tężeje cała masa równocześnie, i narastające około swych ośrodków kryształy przeszkadzają sobie wzajemnie w rozwoju, tworzą się w miejscach ich zetknięcia przypadkowe powierzchnie graniczne, jak to widać na rys. 2, przedstawiającym stopniowy rozrost trzech kryształów, które rozwijając się z początku swobodnie (szkic A) około swych ośrodków, zbliżają się coraz bardziej do siebie (B), aż wreszcie dochodzą do wza-

Pf!

-X

\

v\

Rys. 2.

Rys. 1.

jemnego zetknięcia (C), stanowiącego kres ich rozwoju. Skutkiem tego kryształy stężałych metali, nie mają prawidłowego kształtu, odpowiadającego ich ustrojowi krystalicznemu, ale są nieregularnemi bryłkami wielościen-nemi, które jednak zachowały bez zmiany własności kryształu. Jest to tak, jakgdybyśmy z regularnego kryształu, np. soli kuchennej, poobijali naroża, pościnali dowolnie ściany itd.; zmieniłaby się przez to jego postać, ale pozostały kawałek byłby mimo to częścią pierwotnego kryształu i zachowałby niezmiennie jego własności, jak łupli-wość, twardość, przepuszczalność światła, odporność chemiczna, jednakową w tych samych zawsze kierunkach.

Tak nierównomiernie pod względem swej postaci wykształcone kryształy nazywamy ziarnami, a budowę metali ziarnistą; tę budowę metali widzimy go-

Jeżeli kawałek stali oszlifujemy płasko, wypolerujemy do zwierciadlanej gładkości i tak przygotowaną powierzchnię wytrawimy w jakimś odczynniku chemicznym, np. w roztworze kwasu azotowego, to wskutek odmiennej odporności powierzchni zetknięcia kryształów i ich różnego nachylenia względem badanej powierzchni, zobaczymy na niej pod mikroskopem zarys poszczególnych Koziarń ' krystalicznych.

łem okiem na przełomie, często grubą jak w surowcu żelaza, często nadzwyczaj drobną, jak w stali zahartowanej należycie.

;v

Rys. 3.

Rys. 3 przedstawia (w powiększeniu 150-krotnem) obraz żelaza bardzo miękkiego z wi-docznemi granicami ziarn, które w przekroju przedstawiają się jako wieloboczne figury.

Tak jednolicie jak na rys. 3 przedstawia się każdy metal czysty albo stop, którego składniki, rozpuszczając się w sobie, tworzą jednolite kryształy. Gdy jednak składniki nie rozpuszczają się w sobie, występują oddzielnie obok siebie, wtedy obraz mikroskopowy pokazywać będzie nie jeden rodzaj kryształów lecz dwa.

Ten wypadek zachodzi w stali. Jak wiemy, zawiera ona zawsze, choćby w małej ilości, — węgiel. Węgiel nie występuje tu w stanie czystym, jako pierwiastek, ale w związku chemicznym z żelazem, jako węglik żelaza (inaczej: karbid żelaza znak chemiczny: Fes C).

Związek ten, zawierający 93.3°/₀ żelaza i 6.7°/₀ węgla, nie jest w żelazie rozpuszczony, ale występuje obok niego jako odrębny składnik. Własności jego są zupełnie odrębne niż żelaza, jest niezmiernie twardy, kruchy, ma znaczną wytrzymałość, i dlatego jego przymieszka w żelazie, jak to widzieliśmy w tabelach, podnosi jego wytrzymałość i naturalną twardość, a obniża ciągliwość.

ii

mm

Jg»?

mm

r--

r/;

Rys. 4.

Postać, w jakiej karbid x) objawia się w stali, jest bardzo osobliwa. 0 ile zawartość węgla w stali wynosi 0.9°/₀, nie tworzy karbid samoistnych skupień krystalicznych, ale występuje w mieszaninie z czystem żelazem w ten sposób, że niezmiernie cienkie płatki karbidu są poprze-gradzane również bardzo cienkiemi płatkami żelaza, i mieszanina taka tworzy odrębne ziarna, jak to widzimy na rys. 4 w powiększeniu trzystokrotnem.

x) Dla skrócenia mówimy krótko: «karbid» zamiast: «karbid

żelaza».

Taki ustrój posia- wm dają przeważnie stale narzędziowe.

■'W-¹

nie-

Rys. 5.

Jeszcze raz należy V dokładnie uprzytomnić Bh sobie, że zawartość we- ł . gla w takiej mieszani- |L nie wynosi 0.9% i jest bezwarunkowo zmienna. Jeżeli więc w pewnym rodzaju stali ilość węgla jest mniejsza niż 0.9%, tak że jest go za mało, aby z całą ilością zawartego w stali

żelaza utworzył powyższą mieszaninę, wtedy wytwarzają się skupienia jej w takiej ilości, na jaką wystarcza zawartość węgla, a reszta pozostaje bez zmiany jako ziarna czystego żelaza. Na rys. 5 widzimy obraz stali zawierającej 0.3°/₀ węgla (pow. 150-krotne), a na rys. 6 0.6% (pow.

«mi?

100-krotne); i w jednym i drugim wypadku utworzyły się skupienia mieszaniny płatkowego karbidu i żelaza, zawierające 0.9% węgla, a reszta pozostała jako ziarna czystego żelaza.

Rys. 6.

Hartowanie stali.

Bardzo osobliwa budowa perlitu powoduje, że płatki żelaza i karbidu są bardzo cienkie i odróżnić je można tylko w wielkiem powięk-

szeniu (jak na rys. 4 i 7). Ta delikatna budowa jest już słabo uwidoczniona przy słabszem powiększeniu na rys. 5, a na rys. 6 przedstawia tylko ciemne plamki, odróżniające się od jasnego składnika, przedstawiającego czyste żelazo.

Gdy zawartość węgla jest większa niż 0.9°/₀, a więc jest go więcej niż potrzeba do wytworzenia płatkowej

V.

Rys. 7.

mieszaniny, wtedy mieszanina ta zajmuje całe tło obrazu, a nadmiar węgla wydziela się w postaci czystego karbidu, jak to widzimy na rys. 7, przedstawiającym obraz stali o zawartości 1.4°/₀ węgla (X500) ¹).

Niewprawne oko nie odróżnia z początku obrazu karbidu od obrazu czystego żelaza — są one jednak zupełnie odrębne. Wolny karbid występuje w postaci czysto

Ó Powiększenia w dalszym ciągu tej pracy będą w ten sposób oznaczane.

białej, gdy ziarna żelaza, wprawdzie także jasne, są jednak szarawo cieniowane, jak to widzimy na rys. 3.

Na podanych dotychczas obrazach mikroskopowych różnych stali, spotykamy się z trzema rodzajami kryształów (ziarn), składających się na jej budowę: 1. z czystem żelazem (rys. 3 a także na rys. 5 i 6 obok mieszaniny, tj. wtedy, gdy zawartość węgla jest mniejsza niż 0.9°/₀), 2. z mieszaniną płatków żelaza i karbidu o niezmiennej zawartości 0.9°/₀ węgla (rys. 4, a także rys. 5 i 6 obok czystego żelaza, a rys. 7 obok czystego karbidu), i 3. z karbidem żelaza (na rys. 7 w otoczeniu mieszaniny), gdy zawartość węgla jest większa niż 0.9°/o.

Ponieważ w przemyśle przerabiającym stal badania mikroskopowe ciągle są wykonywane i struktura stali omawiana, potrzeba było nadać nazwy poszczególnym jej składnikom, oglądanym w powiększeniach, aby było można wymienić je w jednem słowie, bez opisywania. Składnik mikroskopowy, przedstawiający ziarna czystego żelaza (a dokładniej mówiąc, zawierającego nadzwyczaj mało węgla, najwyżej 0.05%) nazwano ferrytem, od łacińskiego słowa «ferrum», oznaczającego żelazo. Składnik przedstawiający wyodrębniony karbid żelaza (Fe₃ C), nazwano «cementytem», od dawno znanego procesu zwanego «cementowaniem», zapomocą którego nawęgla się żelazo w stanie stałym, o czem będzie mowa w dalszym ciągu tej książki. A wreszcie płatkową mieszaninę obu składników tj. żelaza i karbidu, czyli ferrytu i cementytu (0.9°/o węgla) nazwano perlitem, dlatego że stal składająca się wyłącznie z tego składnika, wypolerowana i natrawiona kwasem, mieni się podobnie jak masa perłowa.

Znając przyjęte nazwy składników możemy teraz określić podane obrazy mikroskopowe w ten sposób, że na rys. 3 widzimy czysty ferryt, na rys. 5 i 6 perlit w fer-

Na podstawie omówionych poprzednio własności czystego żelaza i karbidu, możemy powiedzieć, widząc strukturę czysto ferrytyczną (rys. 3), że materjał, z którego zrobiono tę fotografję, jest czystem żelazem, że jest miękki, ciągliwy, zgrzewalny, o niezbyt wielkiej wytrzymałości, niehart owny; że mater jał czysto perlity czny (rys. 4) ma wytrzymałość znacznie większą, jest mniej ciągliwy, trudno zgrzewalny i doskonale hartowny, — że stale na obrazach 5 i 6 mają własności pośrednie między mater jąłem czysto ferrytycznym a czysto perlity cz-nym, zależnie od tego, który składnik przeważa, że wreszcie stal, której obraz widzimy na rys. 7 jest od perlitu twardsza ale kruchsza i zupełnie niezgrzewalna.

rycie, na rys. 4 czysty perlit a na rys. 7 cementyt w perlicie.

Proces hartowania

Prastary proces hartowania stali polega na ogrzaniu jej do czerwoności i nagłem oziębieniu przez zanurzenie w wodzie. Stal nabiera przez to wybitnej twardości, sprężystości, wytrzymałość jej zwiększa się a ciągliwość maleje, — stal staje się bardzo kruchą; przełom wygląda zupełnie inaczej niż przed zahartowaniem.

Wszystko to są znane objawy, stosowane od najdawniejszych czasów do celów praktycznych, zwłaszcza przy wyrobie narzędzi. Ale w czem leży przyczyna, że stosowanie nagłego oziębienia zamiast powolnego, powoduje tak wielką zmianę, jak sobie wyjaśnić mamy ten zabieg, — tak prosty, a tak doniosłe wy woły wu jacy zmiany?

Pierwszą wskazówkę powinien dać obraz mikroskopowy stali hartowanej w porównaniu z niehartowaną. Na rys. 8 widzimy po stronie lewej (A) obraz stali nieharto-wanej, o strukturze perlitycznej, po prawej (B), obraz tej

samej stali, lecz zahartowanej. Oba obrazy są zupełnie odmienne i wskazują, że proces hartowania, zmieniający tak wybitnie własności stali, zmienia także jej strukturę; w obrazie stali zahartowanej nie widzimy żadnego ze znanych nam już składników stali, — perlit, z którego była zbudowana, zmienił się w zespół kryształów zupełnie odrębnej budowy, zbiorowisko jakby igieł, zwróconych w różnych kierunkach.

111’':'.':' ^

nH®

mm

WÊKÊk

Rys. 8.

Aby zjawisko hartowania zbadać i wytłomaczyć, obserwujemy, jak się zachowuje stal ogrzana do temperatury hartowania. Obok zwykłych u wielu metali objawów zmniejszenia wytrzymałości i twardości, zwiększenia ciągliwości, występuje jeden, bardzo znamienny. Żelazo każde, a więc i żelazo węgliste (stal) działa, jak wiadomo, w stanie zimnym na magnes, i skoro do niego zbliżymy igłę magnesową, widzimy jak nagle zbacza ona ze swego stałego kierunku, podlegając wychyleniu. Gdy jednak żelazo rozżarzymy, znika jego działanie na igłę, a więc żelazo przez rozżarzenie staje się niemagnetycznem, i dopiero gdy jego temperatura spadnie do pewnego punktu, zaczyna znów działać na igłę. A więc, wskutek rozgrza-nia, zachodzi w żelazie doniosła zmiana, objawiająca się zanikiem jego magnetyczności; zachodzą jeszcze zmiany innych własności fizycznych, które pomijamy.

Jest wiadomem, że pewne ciała jak siarka, fosfor, a z metali cyna, występują w pewnych warunkach, zależnych od temperatury, w dwu lub więcej postaciach czyli modyfikacjach. Takiej modyfikacji doznaje także żelazo żarzone, i tak: żelazo czyste przy temperaturze 906°, żelazo węgliste przy niższej lub wyższej, zależnie od zawartości węgla, przyczem stal perlityczna (0.9°/o węgla) ma najniższą temperaturę przemiany, bo 720°.

Objaw przemiany magnetycznej, jakkolwiek bardzo znamienny, nie ma większego praktycznego znaczenia dla przemysłu, natomiast niezmiernie doniosły jest objaw inny, a mianowicie ten, że gdy żelazo w stanie zimnym nie rozpuszcza w sobie karbidu węgla, co było widoczne na obrazach mikroskopowych, to po ogrzaniu go do temperatury, przy której zachodzi zmiana magnetyczna, żelazo rozpuszcza karbid i tworzy z niem jednolity r o z-t w ó r. Zamiast więc dwóch ciał, istniejących obok siebie w stanie zimnym, tj. żelaza i karbidu, mamy po rozżarzeniu jedno tylko, będące roztworem tamtych dwóch. Ponieważ zmiana ta odbywa się tylko wskutek rozżarzenia ale bez stopienia stali, a więc nie w płynnym ale stałym stanie, nazywamy tę postać roztworem stałym, a temperaturę, przy której odbywa się przemiana, temperaturą krytyczną albo przełomową. Ze względu na to, że w obu wypadkach (w stanie zimnym i rozżarzonym) mamy wprawdzie ten sam pod-stawoAvy materjał: żelazo, ale w dwu modyfikacjach, posiadających odrębne własności, odróżniamy te dwie modyfikacje żelaza greckiemi literami, nazywając żelazo będące w stanie zimnym magnetyczne i nie rozpuszczające karbidu: żelazem« (alfa), a żelazo rozżarzone ponad temperaturę krytyczną, niemagnetyczne i rozpuszczające karbid: ż e 1 a z e m y (gamma). Niejednokrotnie przekonamy się, jak niezwykle doniosłem zjawiskiem dla przemysłu jest objaw tych dwu modyfikacyj, i jak ważne procesy, oprócz hartowania, są od niego zawisłe.

Wróćmy teraz do procesu hartowania. Skoro stal perlityćzną (0.9°/o węgla) ogrzejemy ponad temperaturę krytyczną (720°), przechodzi żelazo zawarte w perlicie z postaci a w postać y, rozpuszczającą karbid; wskutek tego przylegające do niego płatki karbidu rozpuszczają się i przechodzą w roztwór stały z żelazem. Gdybyśmy wtedy powoli oziębili stal, to z chwilą, gdy temperatura jej spadnie poniżej 720°, wydzieli się karbid napowrót z żelaza i znowu powstanie perlit, jak przed ogrzaniem, bo żelazo wracając do modyfikacji -j, traci własność rozpuszczania go. My jednakże oziębiamy stal bardzo szybko, i jak widzieliśmy na rys. 8, otrzymujemy postać zupełnie od perlitu odrębną, tj. stal zahartowaną. Czemże ona jest? — czy może przez nagłe oziębienie nie daliśmy żelazu wrócić do postaci a i pozostało w modyfikacji y? Nie, — bo jeżeli do zahartowanej stali zbliżymy igłę magnesową, to zobaczymy, że tak samo się wychyla, jak przy żelazie niehartowanem, a więc żelazo wróciło ze stanu y do stanu a. Zaszedł więc inny wypadek, — nagłe oziębienie przeszkodziło wydzieleniu się rozpuszczonego w żelazie karbidu, który mimo przemiany żelaza y w żelazo a, pozostał w roztworze. Stal zahartowana jest więc roztworem karbidu w żelazie a. Objętość stali po zahartowaniu jest większa niż przedtem, u stali perlitycznej wzrost objętości jest największy, i wynosi 1% ²).

Stan zahartowania jest nienaturalny, prz3^musowy, wywołany tylko szybkością oziębienia, bo w warunkach zwykłych karbid nie rozpuszcza się w żelazie; charakteryzuje go powiększenie objętości i wewnętrzne naprężenia, uważane za przyczynę niezwykłej twardości stali hartowanej. Z tego też powodu stan ten jest nietrwały, tak, że słabe stosunkowo rozgrzanie (200—300°) wywoływa znaczne zmniejszenie twardości, jak również kruchości, ogrzanie do 400° usuwa zupełnie nabytą twardość, a powyżej 600°, więc w temperaturze nie dochodzącej temperatury krytycznej, wraca stal do stanu jaki był przed zahartowaniem.

Zwiększona wytrzymałość po zahartowaniu, nawet u małoweglistych rodzajów stali, znajduje również wy-tłomaczenie w stanie naprężenia, jakiemu one po tym procesie podlegają.

Odmienna struktura stali zahartowanej nazwana została martenzytem, od imienia uczonego niemieckiego Martensa; mówimy więc, że po zahartowaniu struktura per lityczna zmienia się w martenzy-tyczną.

Pozostaje jeszcze do omówienia temperatura krytyczna, przy której stał przechodzi w roztwór stały. Wiemy już, że stal czysto perlityczna (0.9°/o węgla) posiada temperaturę krytyczną 720°, wiemy także, że żelazo czyste przechodzi ze stanu a w stan 7 przy 906°. Znaczy to, że dla różnych zawartości węgla mają stale różne temperatury kiytyczne, począwszy od 906° przy żelazie czystem, aż do 720° przy perlitycznem.

Na rys. 9 przedstawiony wykres wyjaśnia tę sprawę. Aby go zrozumieć, trzeba pamiętać, że stal przy 0.9°/0 węgla jest czystym perlitem, poniżej tej granicy zawiera ferryt obok perlitu, a powyżej cementyt w perlicie.

Na poziomej linji wykresu oznaczone są (u dołu) zawartości węgla w procentach, na pionowej temperatury w stopniach, według skali Celsiusa. Grubszemi linjami PSK i GSE oznaczone są temperatury krytyczne dla różnych zawartości węgla, które z wykresu łatwo możemy

oznaczyć. Jeżeli np. chcemy dowiedzieć się jaką temperaturę krytyczną ma stal o zawartości węgla 0.3°/₀, (obraz jej był podany na rys. 5), to z tego miejsca na linji poziomej, które odpowiada zawartości 0.3°/₀, wykreślamy linję pionową, która przecina linję PSK w punkcie ax a linję GS w punkcie a₃. Ponieważ linja PSK jest pozioma i pociągnięta jest w wysokości oznaczającej temperaturę 720°, widzimy, że punkt ax oznacza chwilę, kiedy perlit zawarty w stali, przechodzi w roztwór stały. Reszta tj. fer- m ryt, nie rozpuszcza się jeszcze, lecz wymaga do tego tempe- \ ratury wyższej, i z jej wzrostem tworzy js z roztworem perlitu roztwór coraz bar-

^iOOC

Q.

dziej nasycony ferrytem, aż przy osiągnięciu temperatury t3 odpowiadającej punktowi a₃ przecinającemu linję GS (ok.

860°), wszystek zawarty w stali ferryt jest rozpuszczony, tworząc jednolity roztwór stały; oziębiwszy go nagle, będziemy mieli stal zahartowaną. Gdyby przedtem nie osiągnięto temperatury t₃ odpowiadającej punktowi a₃ leżącemu na linji GS, znajdowałyby się w zahartowanej stali cząsteczki nierozpuszczonego a więc niezahartowanego żelaza (ferryt w martenzycie) i zabieg hartowania byłby nieudany.

00

0-9

~tr

OZ 0U 06 Od 10    12 1U 16    13    2

Zawartość węgla w %

Rys. 9.

Rozważając opisany powyżej przebieg procesu widzimy, że linja PSK jest linja temperatur rozpoczynającego się tworzenia roztworu, linja GS linja ukończonego

(całkowitego) roztworu. Linja PSK, jako pozioma, poucza że dla wszelkich zawartości węgla początek powstawania roztworu ma tę samą temperaturę (720°), co jest zrozumiałe, gdyż składnikiem stali rozpuszczającym się wtedy jest zawsze perlit. Natomiast linja GS kończącego się rozpuszczania ferrytu wznosi się stale do góry, w miarę jak zawartość węgla w stali maleje. W punkcie S (0.9°/₀ węgla przy 720°) obie linje zbiegają się, to znaczy, że czysty perlit przechodzi odrazu w roztwór, dlatego stale czysto perlityczne mają najniższą temperaturę hartowania.

To, co było powiedziane o gatunkach stali, zawierających mniej niż 0.9°/₀ węgla, odnosi się analogicznie i do stali o zawartościach większych, z tą jednak różnicą, że składnikiem pozostającym po rozpuszczeniu się perlitu nie jest ferryt, ale zawarty w perlicie czysty karbid (jak na rys. 7). Karbid ten rozpuszcza się w miarę wzrostu temperatury, i osiągnąwszy temperaturę odpowiadającą pewnemu punktowi na linji SE, przechodzi całkowicie w roztwór stały.

Linja SE wznosi się wyżej niż GS, dlatego temperatury zupełnego roztworu są u stali wysokowęglistych wyższe niż u małowęglistych, co, jak będzie później mowa, powoduje odmienny sposób hartowania tych stali.

Aby było można łatwo się porozumieć co do temperatur, przy których rozpoczyna się i kończy tworzenie roztworu, określa się ogólnie, bez względu na zawartość węgla, temperaturę początkową (linja PSK — 720°) znakiem Ax, temperaturę kończącego się rozpuszczania (linja GSE) znakiem A?>.

Omówiony wykres ma dla wszelkich zabiegów, w których stal podlega ogrzewaniu, niezmiernie wielkie znaczenie i niejednokrotnie jeszcze będziemy się na niego powoływać.

Odpuszczanie stali

Ponieważ stal przez nagłe ostudzenie zahartowana, jest wprawdzie bardzo twarda ale także krucha, i narzędzie w tym stanie łatwo się ukrusza przy robocie, stosuje się, odpowiednio do jego przeznaczenia zabieg, zwany odpuszczaniem, polegający na slabem ogrzaniu (200—350°) zahartowanego narzędzia, przez co zmniejsza się nieco jego twardość ale także i kruchość, a powiększa wytrzymałość. U stali konstrukcyjnych, dla powiększenie ich wytrzymałości, stosuje się hartowanie i odpuszczenie do temperatur znacznie wyższych (500-650°). Tabela IV przedstawia zmiany twardości (w stopniach Brinella) stali o zawartości 1.2% węgla, zahartowanej i odpuszczonej przy różnych temperaturach, tabela V zmiany wytrzymałości i wydłużenia stali o 0.65°/₀ węgla tak samo traktowanej.

TABELA IV.

Stan stali

Twardość Brinella

Zahartowana Odpuszczona przv 100° » " 200° »    300°

»    400°

»    500°

» 600°

640

630

570

500

380

320

Wyżarzona

to to

TABELA V.

Stan stali

wytrzymałość w kg/mm²

Wydłużenie w %

Zahartowana Odpuszczona przy 100° » 200° »    300°

»    400°

»    500°

105

138

0-05

184

165

140

85

1T

4-0

67

9-5

Wyżarzona

64

14-0

Cóż się dzieje w stali wskutek zabiegu odpuszczania? Wiemy, że stan zahartowania jest niejako przymusowy i nietrwały, to też już małe ogrzanie wywoływa rozkład martenzytu, będącego nienaturalnym roztworem karbidu w żelazie a; oba składniki napowrót się wydzielają, najpierw w nadzwyczaj drobnych cząsteczkach, nie dających rozpoznać się pod mikroskopem. W miarę wzrostu temperatury rozpad ten postępuje dalej, cząstki składników łączą się i narastają, aż wreszcie tworzy się ta sama struktura, jaka była przed hartowaniem.

Odpuszczaniu towarzyszy zmniejszenie objętości, co naturalnie wpływa na zachowanie się stali.

Oczywiście, że takim zmianom własności i budowy odpowiadać muszą obrazy mikroskopowe struktury. Na rys. 10 widzimy obraz drutu z miękkiej stali, który po

Rys. 10.

zahartowaniu ogrzano z jednej strony (A) aż do zupełnego odpuszczenia (perlit w ferrycie); wskutek przewodnictwa ciepła ogrzały się dalsze części drutu, wywołując coraz słabsze odpuszczenie, aż do miejsca, gdzie już ono nie działało (B), i pozostał nienaruszony martenzyt. Między jednym a drugim stanem widzimy obrazy przejściowe struktury, coraz ciemniejsze, w środku szeroką warstwę czarną. Te stany przejściowe między żelazem zaharto-

w*

JĘm

. ■

■ '

!V,

Rys. 11.

wanem a odpuszczonem, gdzie coraz więcej występuje składnik czarny, a następnie stopniowo zanika, mają także pośrednie własności i, jak wszystkie rodzaje struktury w stali, posiadają swoje nazwy. Na rys. 11 (X100) widzimy obraz stali hartowanej, słabo (ok. 250°) odpuszczonej. Wśród jasnego martenzytu, a więc materjału zahartowanego, widzimy jednostajnie czarne pola, nie przedstawiające widocznej struktury, z powodu, że mikroskop, nawet przy najsilniejszem powiększeniu, nie może rozróżnić tych niezmiernie drobnych pyłków. Ten stan częściowego rozpadu martenzytu nazwano troo-s t y t e m, od imienia francuskiego badacza Troosta. Im silniejsze jest ogrzanie, tern więcej ubywa martenzytu, przy 400° znajduje się już wyłącznie ów czarny składnik. Dalsze ogrzewanie powoduje tworzenie się większych cząsteczek, — strukturę tę nazwano sorbitem (Sorby, uczony francuski), a wreszcie powstaje perlit. Rys. 12

Rys. 12.

(X300) przedstawia żelazo sorbityczne, spotykane w stalach konstrukcyjnych, ulepszonych przez hartowanie i odpuszczanie.

Naturalne przymieszki i zanieczyszczenia w stali

Mówiąc o własnościach stali, mieliśmy na myśli stal węglistą, nie zawierającą żadnych innych dodatków. Takiej jednak stali niema w praktycznem zastosowaniu.

Zapomocą doskonałych metod wyrobu stali w piecach elektrycznych, możnaby wprawdzie otrzymać stal, zawierającą oprócz węgla nadzwyczaj małe ilości przymieszek innych ciał, stal taka jednak, jako zbyt droga, nie miałaby zbytu; wobec tego, że przymieszki owe, o ile nie przekraczają pewnej granicy, nie szkodzą jej — niekiedy są nawet korzystne, wyrabia się stal, dopuszczając ich zawartość w określonych granicach, która jest tańsza.

Mowa tu jest jedynie o przymieszkach naturalnych, jakie w procesach wyrobu stali dostają się do niej z rud, paliwa, powietrza itd.; — dodatki innych metali, stosowane umyślnie dla wytworzenia stali o pewnych żądanych własnościach, omówione będą w rozdziale o stalach specjalnych.

Jako najwięcej rozpowszechnione i w stalach zawsze spotykane przymieszki, wymienić należy mangan, krzem, siarkę i fosfor.

Mangan (znak chemiczny Mn) zwiększa wytrzymałość stali i jej naturalną twardość i odporność na uderzenie, nie zmieniając ciągliwości; powoduje też obniżenie temperatury krytycznej Av Zawartość manganu spotykana zwykle w stalach, dochodzi do 1 °/₀.

Krzem (znak chem. Si) w większych ilościach działa niekorzystnie na ciągliwość stali i odporność jej na uderzenie, w mniejszych podnosi jej sprężystość. Zawartość jego nie powinna przekraczać 0.5°/₀.

Siarka (znak chem. S) utrudnia kucie stali rozżarzonej, czyniąc ją kruchą; ilość jej w stali nie powinna być większa niż 0.05%. Szkodzi także hartowności stali.

Fosfor (znak chem. P) zwiększa twardość i robi stal kruchą w stanie zimnym i nieodporną na uderzenia, zwłaszcza w stali hartowanej; dlatego zawartość jego w stali konstrukcyjnej nie powinna przekraczać 0.05°/₀, a w stalach narzędziowych 0.025°/o.

Gazy. Oprócz ciał stałych znajdować się mogą w stali rozpuszczone gazy, które się do niej dostały podczas procesów hutniczych; gazami temi są wodór i azot. Zawartość ich powoduje zwiększenie twardości i wytrzymałości, ale także kruchości stali.

Nadto spotkać można w stali surowej (tj. w blokach świeżo zrobionych) zawartość gazów w postaci baniek, które rozpłaszczone podczas kucia, o ile nie dały się usunąć, przerywają ciągłość materjału, osłabiając go.

Rys. 13.

Żużel. Tak samo działa zawartość żużli, tj. przymieszek niemetalicznych, powstających w procesach hutniczych, w żelazie nierozpuszczalnych, kruchych w stanie zimnym, które tworząc drobne, kuliste kropelki, a po przekuciu (lub prze-walcowaniu) stali płaskie ciałka lub pasemka, przerywają ciągłość stali i przez to osłabiają ją. Na rys. 13 widzimy stal walcowaną, zawierającą takie zanieczyszczenia żużlem.

Tlenki. W niektórych stalach, niedość starannie wykonanych, zauważyć można pod mikroskopem liczne a drobne plamki (rys. 14), będące cząsteczkami utlenionego w czasie procesów hutniczych żelaza, nie usunie-temi z niego w odpowiedniej chwili. Oczywiście, że i one niekorzystnie działają na wytrzymałość i kujność stali.

W stalach konstrukcyjnych a nawet narzędziowych, jeżeli proces ich wykonania (np. w piecu Martina) nie był dość staranny, objawić się mogą wady, pochodzące

zanieczyszczeń, znajdujących w stopniu znacznie większym niż normalnie; takiemi zwłaszcza okazują się cząstki, leżące w środku sztabki surowej. Wada ta pochodzi z procesu wyrobu stali zlewnej, którą z pieca hutniczego wypuszcza się do żelaznej formy. Otrzymany

się

\*+

|:

r*

;1§|

'V

m&a

:#■

■.mS;

Rys. 14.

Rys. 15.

blok o przekroju kwadratowym, stężawszy na powierzchni na zimnych ścianach formy, stygnie następnie wolniej, a ponieważ stal w miarę stygnięcia kurczy się pomiędzy stężałemi z początku ścianami bloka, powstaje w górnej części dziura, zwana jamą blokową (rys. 15). Tam gdzie jama się tworzy, stal tężeje najpóźniej, a ponieważ wszelkie zanieczyszczenia obniżają temperaturę tężenia, dlatego w sąsiedztwie jamy blokowej zbiera się mater jał najwięcej zanieczyszczony fosforem, siarką, żużlem i bańkami gazów. Skoro z takiego bloku wyrobi się, przez walcowanie lub kucie, sztabę czy jakiś element

•i

ii

wŁ

WM

Rys. 16.

? v^i

maszynowy, to z tej części bloka wyrobiony kawałek zawiera owe zanieczyszczenia i przedstawia wskutek tego materjał najgorszy. Na rys. 16 i 17 widzimy przekroje takich

walcówek;

wadliwych przez wytrawienie odpowiednie-mi płynami stal zanieczyszczona zabarwia się ciemno, dlatego taki wadliwy ośrodek wyróżnia się ciemnem zabarwieniem od czystego i jasnego materjału na brzegach.

Rys. 17.

Chcąc uchronić wyroby od pogorszenia wskutek zawartych w jamie zanieczyszczeń, odcina się często część bloka, zawierającą jamę, albo innemi sposobami nie dopuszcza się wytworzenia wydzieleń; wtedy walcówka nie zawiera wadliwego materjału. O ile

zaniecha się tego dla zaoszczędzenia straty stali, jest część walcówki, pochodzącą ze złej części bloka, — wadliwa. Dla stali narzędziowej jest to bardzo szkodliwe, i dlatego taki wadliwy koniec sztaby powinien być odcięty i usunięty od sprzedaży.

Stale specjalne

Przez dodatek niektórych metali podnosi się w stali pewne własności, robiące ją doskonalszą w zastosowaniu. W ten sposób zapomocą chromu i wolframu zostały udoskonalone stale narzędziowe, zapomocą niklu i chromu stale konstrukcyjne. Te wszystkie stale złożone z żelaza, węgla i umyślnego dodatku jednego jeszcze lub kilku innych metali, nazywamy stalami specjalnemi i dzielimy je na narzędziowe i konstrukcyjne. Pierwsze z nich służą do wyrobu narzędzi i podlegają hartowaniu, drugie, używane w konstrukcjach, mają dla celów, którym ta książka służy, mniejsze znaczenie; ponieważ jednak i one bywają ulepszane przez hartowanie i odpuszczanie, musimy się niemi także zająć, choć pobieżnie.

Stale szybkotnące. Stale narzędziowe węgliste nie nadają się do ścinania grubszych wiórów i bardzo szybkiej roboty, gdyż rozgrzewając się łatwo przy pracy do temperatury odpuszczenia (powyżej 200°), tracą twardość i stają się niezdatne do pracy. Nowoczesna technika wyrobu maszyn wymaga jednak, aby w pewnych razach z odkutego zgrubsza elementu zdjęto szybko gruby pokład materjału, ścinając odrazu grube warstwy, — wtedy do obróbki ostatecznej pozostaje do stoczenia lub zeszli-fowania cienki tylko pokład. Taką przygotowawczą obróbkę nazwano «zdzieraniem»; stosując ją, wykonywa się robotę szybko i tanio. Stal węglista, mimo swych wielu zalet, jak względna taniość, łatwość wyżarzania, kucia i hartowania przy stosunkowo niskich temperaturach, nie może być, jak to już powiedziano, używana do takich celów, i konieczne jest wtedy stosowanie stali szybkotnącej, która oprócz węgla (0.6—0.9°/₀) zawiera znaczną ilość chromu (4—6°/₀) i bardzo wielką wolframu (15—

26%), a niekiedy jeszcze dodatki innych metali, jak wanad, molibden, kobalt itd.

Rys. 18.

Stal szybkotnąca, jakkolwiek o wiele droższa od węglistej z powodu wysokiej zwykle ceny owych dodatków, i o wiele trudniejsza w przygotowaniu na narzędzie, ma tę dla obróbki doniosłą wartość, że zahartowana, doznaje odpuszczenia dopiero przy 700°, tracąc wtedy swą wysoką twardość; rozgrzewając się więc przy obróbce, nawet bardzo energicznej, nie przestaje działać, i nawet rozżarzona do słabej czerwoności (powyżej 500°) zachowuje twardość. Dzięki jej wynalezieniu (w Ameryce, z końcem XIX wieku) nastąpił po roku 1900 zupełny przewrót w budowie obrabiarek, które od tego czasu budują coraz silniej, aż do olbrzymich niekiedy rozmiarów; można skrawać na nich w godzinie setki kilogramów stali maszynowej.

Jakiż jest ustrój tej stali i jaki sposób hartowania? Jeżeli stali szybkotnącej niehartowanej przyjrzymy się pod mikroskopem (rys. 18, X300), zobaczymy wiele ziarn cementytu wolnego o nieregularnych, jednak okrągła-wych formach, na ciemnem tle, będącem bardzo drobną mieszaniną poszczególnych składników. Występujący tu cementyt, nie jest czystym karbidem żelaza, jak w stab węglistej; ponieważ chrom i wolfram tworzą z węglem podobne karbidy jak żelazo, przedstawia cementyt stali szybkotnącej roztwór wszystkich tych karbidów (żelaza, chromu i wolramu), tz. karbid wielokrotny.

Hartowanie takiej stali odbywa się odmiennie niż węglistej.

Rys. 19.

Przy ogrzaniu jej do 900° i nagłem ostudzeniu osiąga się wprawdzie strukturę marten-zytyczną i wielką twardość, ale dopiero zahartowanie stali ogrzanej na 1200—1300° tj. blisko punktu jej topliwości, daje ową zdolność trwałego zachowywania twardości i odporności przeciw odpuszczeniu. Obraz mikroskopowy stali takiej po zahartowaniu widzimy na rys. 19 (X300), przedstawia on drobne i liczne ziarna karbidu w roztworze stałym.

Sprawa hartowności i odporności przeciw odpuszczeniu stali szybkotnącej nie jest dotąd zadawalająco wyjaśniona, mimo licznych badań. Przyjąć jednak można, że roztwór karbidów metali do jej wyrobu użytych, jest przy niższych temperaturach nieznaczny i dopiero w bardzo wysokich (ponad 1200°) postępuje szybciej i nasyca się bardziej karbidem, nabierając owych charakterystycznych dla tej stali własności; nierozpuszczona zaś reszta karbidów, w postaci drobnych, okrągłych ziarn, podnosi jej twardość, jak w stalach węglistych, nadperli-tycznych. W każdym razie stwierdzono doświadczeniami, że stal ta nabywa odporności przeciw działaniu odpuszczenia wskutek dodatku wolframu (dlatego ma tak wielką zawartość tego metalu), twardość zaś po zahartowaniu zawdzięcza obok węgla głównie chromowi.

Oprócz stali szybkotnącej używane bywają na narzędzia stale wolframowe, o składzie stali wysoko-węglistych, z dodatkiem 1—3°/₀ wolframu, przez co nabywają większej twardości i wytrzymałości na uderzenie, odpowiedniej na materjał do wyrobu form kuźniczych itp. Używane bywają także na narzędzia do obróbki ma-terjałów niejednolitych, narażających nóż na wstrzą-śnienia.

Do wyrobu przedmiotów twardych, zwłaszcza kulek łożyskowych, stosuje się stal chromową, zawierającą obok węgla do 3°/₀ chromu, bardzo twardą po zahartowaniu.

Hartowanie tych rodzajów stali odbywa się podobnie jak węglistych, niekiedy przy temperaturach nieco wyższych (850—950°). Dokładne przepisy hartowania podają huty wyrabiające te stale.

Stale specjalne konstrukcyjne. Tu należą stale zawierające nikiel (stale niklowe) w ilościach 1.5—5°/₀, i stale niklowo-chromowe (1.5—4 °/₀ niklu i 0.5—0.8°/o chromu, oraz 0.2 — 0.4°/₀ węgla). Ustrój tych stali jest taki sam jak węglistych (ferryt w perlicie), jak to widzimy na rys. 20 (X250), przedstawiającym stal niklową; jeden ze składników tych stali, nikiel, tworzy roztwór z żelazem, znajduje się więc w ferrycie, drugi t. j. chrom, tworzy karbid chromu, dający roztwór z karbidem żelaza, znajduje się więc w cementycie.

U stali tych proces hartowania spełnia tylko pośrednią rolę nadania im większej wytrzymałości w ten sposób, że po zahartowaniu (na sposób stali węglistych) odpuszcza się je przy 550—650° i wytwarza w ten sposób strukturę sorbityczną, korzystną pod względem wytrzymałości.

Wpływ ogrzewania na ustrój stali

Stale podlegają w procesie hartowania ogrzewaniu do wysokiej nieraz temperatury, i to nietylko podczas

[i

jr*

Rys. 20.

istotnego hartowania, ale także przedtem, dla wyżarzenia stali i nadania jej wymaganego kształtu zapomocą kucia. Ogrzewanie nie jest bez wpływu na materjał, i zależnie od tego jak bywa stosowane, wywołać w nim może różnorakie zmiany, odnoszące się jużto do warstw zewnętrznych przedmiotu, jużto do jego całości.

Zen dra. Przez ogrzewanie przy dostępie powietrza, oddziaływuje zawarty w niem tlen na powierzchnię rozżarzonej stali i utlenia (spala) ją. Powstaje cienka war-

siewka tz. zendry (tlenek żelazawo-żelazowy, znak chem. Fe., 0₄), bardzo krucha, o grubości odpowiadającej czasowi, przez jaki rozżarzona stal stykała się z powietrzem. Jest to oczywiście strata materjału.

Odwęglenie. Jeżeli gazy, powstające w piecu, w którym odbywa się rozgrzewanie stali, zawierają wolny tlen

\%

hm

tfi*»

Rys. 21.

z powietrza, albo same mają własności utleniania, może nastąpić spalenie karbidu zawartego w wierzchniej warstwie stali i wskutek tego odwęglenie, przez co warstwa ta stanie się miękka i niehar-towna. Taki odwęglony materjał widzimy na obrazie mikroskopowym odlewu stalowego (rys. 21, X250), wyżarzonego, o znacznej zawartości węgla (dużo perlitu, mniej ferrytu), który na powierzchni został całkowicie (czysty ferryt), a do pewnej głębokości częściowo usunięty (utleniony).

Przegrzanie. Bardzo częstym wypadkiem jest przegrzanie stali wskutek zanadto wysokiego i długiego ogrzewania jej. Przy wysokiej bowiem temperaturze odbywają się w stali procesy krystalizacyjne, polegające na tern, że poszczególne kryształy (ziarna) pochłaniają sąsiednie, wzrastając ich kosztem. Wskutek tego stal, złożona z licznych a drobnych ziarn, zamienia się w gruboziarnistą, stając się przez to kruchą i nieodporną na ude-

£\

0&

-,

V-ÿSâ

A

-4.

* -. *.

tidk

**    ■ XT

ÿ ■■

Rys. 22.

rżenie. Na rys. 22 (X250) widzimy stal drobnoziarnistą (A), która wskutek długiego żarzenia stała się przegrzaną i gruboziarnistą (B). Składniki stali wskutek przegrzania układają się często w tz. strukturę siatkową. W stali miękkiej ferryt układa się dokoła perlitu w cienkie pasemka, tworzące rodzaj siatki (rys. 23, X100), w stali nadperli-tycznej tworzy siatkę wolny cementyt (rys. 24, X100).

k-ys

OT

rf'

i,

W:

am'

m.

lMH

P"

Rys. 23.

Rys. 24.

Przegrzaną stal można poprawić zapomocą procesu termicznego, zwanego regeneracją. Polega ona na zastosowaniu tej samej własności stali, z której korzystamy przy hartowaniu, a mianowicie na ogrzaniu jej do temperatury krytycznej A₃ oznaczonej na rys. 9 lin ją GSE; stal czysto-perlityczna (0.9 °/₀ węgla) wymaga najsłabszego ogrzania, przy mniejszej lub większej zawartości węgla musi być ogrzana wyżej. Przez krótkie ogrzanie do tej temperatury (a raczej trochę ponad nią, aby mieć pewność, że ogrzanie przeniknęło nawskroś) przechodzą w roztwór stały składniki stali: perlit i ferryt, względnie cementyt, kryształy dawnych składników zanikają, i z tego jednolitego roztworu tworzy się nowe ciało krystaliczne. Taka nowa krystalizacja odbywa się w ten sposób, że powstaje mnóstwo ośrodków krystalizacyj-nych, około których formują się drobne kryształki roztworu stałego. Jeżeli wtedy wstrzymamy dalsze ogrzewanie i pozwolimy stali ostygnąć poniżej temperatury krytycznej, przerwiemy dalszy proces krystalizacji w stali i zachowamy jej budowę drobno-krystaliczną. Poniżej temperatury krytycznej nastąpi też rozpad roztworu stałego na swoje składniki, przedstawiając materjał zregenerowany, drobnoziarnisty. Przez walcowanie lub kucie staje się stal jeszcze więcej drobnokrystaliczną. Rys. 25 (X100) przedstawia strukturę bardzo miękkiej , (0.06°/o węgla) stali w trzech okresach: A stal nieżarzoną, wskutek walcowania bardzo drobnoziarnistą, B tę samą stal po długiem żarzeniu przy 1000°, o bardzo grubej strukturze, wreszcie C po regeneracji przy 950°.

Przepalenie. Jeżeli stal pozostawała długo w ogniu przy wysokiej temperaturze a w utleniającej atmosferze, to wskutek wnikania (dyfuzji) gazów w jej wnętrze, następuje na granicy kryształów poszczególnych utlenienie, a cząsteczki kruchego tlenku, odgradzając ziarna od siebie, rozluźniają ich spoistość. Zachodzi przytem często to-

y,

mgm

sa

Rys. 25.

pienie się częściowe kryształów zawierających więcej przymieszek, co tem bardziej ułatwia spalanie się pod działaniem tlenu. Nazywamy to przepaleniem. Na rys. 26 widzimy obraz stali przepalonej; poszczególne ziarna są bardzo wielkie, a dokoła nich siatkowo rozłożone i rozdzielające je czarne plamki kruchych tlenków. Taka stal jest zupełnie bezwartościowa, przy kuciu rozpada się, — do regenracji również się już nie nadaje.

WÊïk

ws.

tpSii®

;

.    .7

li

&

IIIlpKd

Obróbka zimna

••

Zdarza się często, że dla wykonania jakiej małej poprawki w przedmiocie stalowym, np. wyprostowania, zgięcia itp., uderzamy go młotkiem w zimnym stanie, nie uciekając się do dość uciążliwego rozżarzania, albo chcąc go szybko przeciąć, robimy to na zimno, na nożycach mechanicznych.

Trzeba sobie jednak zdać sprawę, że taka obróbka na zimno zmienia bardzo wybitnie własności stali, która

w miejscu uderzonem staje się twardszą i kruchszą, i że taka deformacja jej wywoływa miejscowe naprężenia a często pęknięcia. Rys. 27 przedstawia kawałek sztabki z obu stron uciętej na zimno mechanicznemi nożycami. Widoczne, wskutek zawartości fosforu i żużla, warstwy materjału, są powyginane a nawet popękane. Obraz mikroskopowy takiego żelaza jest bardzo charakterystyczny.

#4-',

«S

fj

: Ja

■A fü*

Sm

Hartowanie stali szybkotnącej

¹

) Własności i zachowanie się w przeróbce stali omówione są obszernie w książce autora «Żelazo». Lwów, Gubrynowicz i Syn, 1926.

²

Są teorje tłomaczące inaczej proces hartowania.

HN;

Rys. 26.

■A fü*

Rys. 27.

Na rys. 28 widzimy stal miękką w stanie nienaruszonym (A) obok tę samą stal, po obróbce na zimno (B). Ziarna wydłużyły się w pasma o niewyraźnych granicach, co wskazuje na doniosłe działanie zimnej przeróbki. Przez ogrzanie do 600° lub wyżej ustępuje odkształcenie ziarn i wraca równomierny kształt ziarn (C), tylko ich wielkość bywa odmienna i zależy od stopnia odkształcenia, jakiemu poprzednio uległy w miejscu uderzonem. Ze względu na skutki jakie zimna obróbka może wywołać (kruchość, pęknięcie), należy ile możności unikać wszelkiego obrabiania stali na zimno młotem, zginania jej, prostowania itd.

Tak samo, a może jeszcze więcej niebezpieczne jest obrabianie stali niedostatecznie ogrzanej, bo skoro temperatura jej spadnie do ok. 300° (do tz. temperatury niebieskiego nalotu), staje się stal bardzo kruchą, i uderzenie jej może wywołać albo natychmiastowe pęknięcie, albo wytworzyć niewidoczną dla oka rysę, która będzie zaczątkiem późniejszego pęknięcia. Stara reguła kowalska, że

c VI

y.

i ir,- ' 'r ~

ijjS

*• .• ••. -»JCTŁ-y** —-

• 'S

rv

Rys. 28.

żelaza (stali) nie powinno się kuć gdy się już nie żarzy, jest bardzo słuszna i powinna być starannie zachowywana.

Cementowanie

Do częstych procesów termicznych stosowanych w fabrykach i zwykle przydzielanych hartowni, należy cementowanie czyli nasycanie na powierzchni, w stanie stałym, węglem (karbidem) przedmiotów wyrobionych z żelaza miękkiego, dla nadania im twardej powierzchni, dającej się hartować, przy pozostawieniu ośrodka miękkiego i ciągliwego, odpornego na uderzenie. Na rys. 29 widzimy obraz mikroskopowy drutu z miękkiej stali z jednej strony (A) bardzo silnie nawęglonego, dalej coraz słabiej a wreszcie wcale (B) nie. Widzimy tu trzy różne pola przedstawiające rozmaite nasycenie karbidem: z jednej strony (B) dość jasne, miękkiej stali (ferryt z perlitem) nietkniętej procesem, przechodzące w czarny środek czystego perlitu (C) a dalej w strukturę coraz jaśniejszą i wreszcie zupełnie białą (A), wskutek wydzielania się wolnego cementytu.

Proces cementowania polega na tem, że żelazo ogrzane powyżej temperatury krytycznej A₃, otoczone ciałami zawierającemi węgiel lub jego związki, i wydzie-

»; wiis

m

mSm

Rys. 29.

lającemi gazy bogate w węgiel, przyswaja sobie z nich na powierzchni węgiel, tworzący z niem karbid (Fe₃C), karbid zaś gromadzący się w nadmiarze w wierzchniej warstwie żelaza, udziela się (dyfunduje) warstwom głębszym, nasycając je stopniowo.

Aby proces mógł się odbywać, potrzeba więc ciała wydzielającego węgiel w związkach gazowych, łatwo go oddających, oraz temperatury tak wysokiej, aby żelazo było w postaci y, — inaczej bowiem nie mogłoby go rozpuścić. Żelazo przeznaczone do cementowania powinno być miękkie, zawierać co najwyżej 0.2°/₀ węgla, dlatego aby miało wymaganą ciągliwość, a także ponieważ takie żelazo szybciej przyswaja węgiel z otoczenia. Ponadto stal

o większej zawartości węgla nasyca się na powierzchni za mocno, wytwarzając przez to kruchą a więc łatwo pękającą skorupę.

Oprócz żelaza węglistego cementuje się także wyroby konstrukcyjne ze stali niklowej i niklowo-chro-mowej.

Warstwa nacementowana powinna mieć na powierzchni budowę perlityczną (0.9°/₀ węgla), wtedy bowiem ma po zahartowaniu najlepsze własności mecha-

dśsSgm -

'• . w

ii

w¹'

Rys. 30.

niczne, tj. znaczną twardość przy niezbyt wielkiej kruchości. Silniejsze nawęglenie powoduje występowanie w warstwie nawęglonej wolnego cementytu o postaci siatkowej (jak na rys. 24), która nie zmienia się po hartowaniu, bo nie może być przekuta celem pokruszenia pasemek cementytu, a to ze względu na niezmienność cementowanego przedmiotu. Dlatego tylko wyjątkowo dopuszczalna jest w warstwie cementowanej zawartość l°/0 węgla a tembardziej wyższa. Warstwa nacementowana powinna przechodzić stopniowo w materjał nienawę-glony, jak to widzimy na rys. 30 (A), gdyż nagłe przejście (B) powoduje łatwo odpadanie (łuszczenie się) tej warstwy od ośrodka przy wstrząśnieniu, uderzeniu, zgięciu itp. ; takie nawęglenie jest zupełnie wadliwe.

Naprężenia

B-

Rys. 31.

Przy wszystkich operacjach termicznych, tj. tam, gdzie przedmiot podlega ogrzewaniu i chłodzeniu, a więc raz rozszerza się pod działaniem ciepła, drugi raz kurczy się stygnąc, występują wskutek nierównoczesności ogrzewania i chłodzenia, między częściami o odmiennej temperaturze, naprężenia, działające na materjał rozciągaj ąco lub ściskaj ąco. Wyobraźmy sobie, że beleczka, (jak na rys. 31), doznaje po stronie A rozgrzewania, a więc się rozszerza, a po str. B chłodzenia, a więc się kurczy, to strona A chcąc się rozszerzyć będzie wywierała na stronę B ciągnienie, odwrotnie strona B chcąc się skurczyć, będzie ściskać stronę A. Z jednej więc strony wystąpią natężenia rozciągające, z drugiej ściskające, a gdy wielkość ich przewyższy wytrzymałość materjału, nastąpi odkształcenie. Ponieważ stal jest mniej wytrzymała na działanie sił rozciągających, nastąpić musi w takim razie rozerwanie, lub, w przedmiotach cieńszych, — wygięcie.

Naprężenia bywają przejściowe, to znaczy, że z wyrównaniem temperatury w całym przedmiocie, ustają, albo też trwałe; jeżeli np. w czasie rozgrzewania materjał doznał z jednej strony wydłużenia, to po wystygnięciu będzie dłuższy niż pierwotnie. Stosunek poprzednich w)r-miarów zostaje zmieniony, co wywoła trwałe naprę-żenią w pewnych częściach przedmiotu. Grożą one zawsze pęknięciem, jeżeli wystąpi jakieś dodatkowe natężenie, np. w czasie pracy maszyny, której częścią jest ów przedmiot, i zesumuje się z istniejącem już naprężeniem. Że naprężenia są wskutek tego niebezpieczne dla wyrobów, nie potrzeba wyjaśniać.

Podczas hartowania zwiększa się objętość stali (około 1 °/₀) a ponieważ żelazo ostudzone, mając tę samą

'W.

• -;.æ ; ,v-. r •

,    . • /    i

Rys. 32.

postać (a) jak przed hartowaniem, dąży do swej pierwotnej objętości, powstają w niem naprężenia, które, przy sprzyjającym temu kształcie przedmiotu, wywołać mogą pęknięcie.

Ponadto hartowanie wymaga bardzo szybkiego oziębienia, gdy więc przedmiot rozgrzany nagle studzimy, warstwa zewnętrzna, stykająca się pierwej z zimną wodą, stygnie i kurczy się szybciej, a wewnętrzna później, powstają naprężenia przejściowe, powodujące bardzo

Hartowanie stali.

często odkształcenia i pęknięcia, zwłaszcza u przedmiotów o kształtach więcej zawiłych lub nieregularnych. Na rys. 32 (X100) widzimy takie pęknięcie spowodowane hartowaniem.

Naprężenia trwałe dają się usuwać przez rozżarzenie do 600° i bardzo powolne studzenie przedmiotu, bo wtedy stal staje się plastyczną, podatną na działanie sił; pod wpływem wewnętrznych naprężeń następuje wtedy wydłużenie lub skurczenie przedmiotu i nastaje równowaga. Bardzo powolne studzenie jest konieczne dlatego, żeby temperatura opadała równocześnie i jednakowo we wszystkich miejscach, i nie powstały na nowo naprężenia.

Ponieważ przedmiotów zahartowanych nie można wyżarzać, bo one swoją służbę pełnią w stanie zahartowania, są naprężenia, występujące z powodu hartowania, tern bardziej niebezpiecznym a bardzo częstym objawem.

Rodzaje stali

W poprzednich ustępach podzielono stal według jej składu chemicznego na węglistą i specjalną; ten podział wystarcza do wytłomaczenia procesów hartowania i stosowania stali w praktyce, gdyż skład chemiczny charakteryzuje jej własności. Dobór stali na pewne wyroby odbywa się na podstawie tych własności, jak twardość, wytrzymałość, sprężystość, ciągliwość, zdatność do hartowania.

Oto niektóre przykłady stosowania stali węglistej o różnej zawartości węgla do wyrobów podlegających hartowaniu:

Zawartość węgla w “/o

Wyroby

TABELA VI.

05—O6°/0 06—0‘7°/o

0-7—0*8%

0-8—0-9%

0*9-1*0%

1-0—1-2%

1-2—l-4°/o

sprężyny, szable, sierpy, kosy,

sprężyny, kosy, noże stołowe, piły do drzewa młotki,

sprężyny, narzędzia do obróbki drzewa, dłóta do żelaza, narzędzia chirurgiczne, młoty, narzędzia kowalskie,

narzędzia chirurgiczne, sprężyny, noże stolarskie, nożyce, dłóta ręczne do żelaza, stemple do wytłaczania,

narzędzia chirurgiczne, noże do obróbki metali, świdry, nożyce, frezy, piły do metali, stemple,

noże do obróbki metali, frezy, rozwiertaki, scyzoryki, nożyce, stemple, pilniki,

pilniki, brzytwy, frezy, rozwiertaki, stemple.

Stale specjalne stosujemy wtedy, gdy tańsza stal węglista nie nadaje się do żądanego celu, np. stal szybkotnącą do masowej, bardzo szybkiej obróbki, stal chromową do kulek łożyskowych itd., opierając wybór na zdaniu wyrabiających je hut i nabytem już doświadczeniu.

W fabrykach rozróżnia się często stal według metod jej wyrobu, co zarówno jest ważne ze względu na cenę, jak i na dobroć i stosowalność. Z tych powodów należy krótko omówić tę sprawę.

Są pewne rodzaje stali na narzędzia, wyrabianej w wielkich ilościach w piecu martinowskim; stal taka jest tańsza ale zawiera więcej szkodliwych zanieczyszczeń (fosfor i siarka, tlenki, żużel) i nie jest dość

4*

jednolita. Stal tego pochodzenia nadaje się do wyrobu narzędzi górniczych, narzędzi do poruszania ziemi, narzędzi kowalskich, tańszych narzędzi do obróbki metali itp. Na narzędzia lepsze do obróbki metali i inne cele, wymagające doskonałych własności narzędzia, używa się stali udoskonalonych dodatkowym procesem rafinowania metodą tyglową, lub, dziś coraz więcej, w piecach elektrycznych, przyczem w miarę potrzeby, stosuje się dodatki pewnych metali, znacznie droższych niż żelazo. Stale rafinowane są oczywiście o wiele wyższe w cenie niż stal martinowska.

Rozróżnia się więc w handlu stal martinowska, tyglową, elektryczną, przyczem fabryki dodają swoje własne nazwy, często dziwacznie brzmiące.

Inne rodzaje żelaza

Oprócz żelaza miękkiego i stali, spotykanej w handlu w postaci walcowanej lub kutej, bywają w przemyśle, zwłaszcza maszynowym, używane inne jeszcze rodzaje żelaza. Należy o nich wspomnieć, ponieważ w pewnych wypadkach bywają używane do celów konstrukcyjnych zamiast stali lub obok niej, i czy hartownik, czy inny zawodowiec metalowy, powinien znać je i umieć odróżniać.

Odlewy stalowe. Najbliższym stali walcowanej czy kutej jest stalowy odlew, a więc również stal lecz nie przerabiana mechanicznie, otrzymująca swój kształt przez wlanie w formę stopionego materjału. Wytrzymałość jej jest naogół mniejsza niż stali walcowanej, zwłaszcza na uderzenie, z powodu że zawiera często bańki gazów i kropelki żużla, a ziarna ma naogół większe. Zawartość węgla w odlewanej stali bywa rozmaita, zależnie od przeznaczenia odlewu, najczęściej 0.2—0.5°/₀. Obraz mikro-

skopowy takiej stali (rys. 33, X100) przedstawia więc mieszaninę perlitu i ferrytu, a różnica ustroju od stali przerabianej mechanicznie polega na tern, że ziarna są nieregularne, rozrośnięte w różnych kierunkach i dziwacznie nieraz powrastałe w siebie.

V -i

Surowiec biały, spotykany w konstrukcjach w postaci odlewów na powierzchni bardzo twardych, jest składem swym zbliżony do bardzo twardej stali węgli stej (zawiera

Hi

Ça.

Rys. 33.

Ht    m

ES

-

mm

me

La

mi

Rys. 34.

węgla powyżej 1.8— 3%) i w obrazie mikroskopowym przedstawia wolny cementyt obok perlitu (rys. 34, X100). Właściwością twardej leizny jest to, że na zewnątrz jest bardzo twarda a także krucha, a w głębszych warstwach miększa i mniej krucha. Pochodzi to stąd, że warstwa zewnętrzna (rys. 35 nat. wielk.

SS&bsésLîKsK

Rys. 35.

lit. A) złożona z surowca białego, przechodzi stopniowo w warstwę (B), będącą surowcem szarym, o którym będzie poniżej mowa. Oba rodzaje różnią się także postacią przełomu i zabarwieniem, co uwidocznia ich nazwa.

Odlew żeliwny (żelazo lane, surowiec szary) powszechnie używany na odlewy z powodu swej taniości, zawiera węgiel nie w postaci połączenia chemicznego (karbidu) jak stal, ale jako węgiel czysty, krystaliczny, zwany grafitem. W obrazie mikroskopowym (rys. 36, XI00) widzimy grafit w postaci

czarnych, jako pasemka i bryłki skupionych kryształków grafitu obok perlitu (szarego) i ferrytu (jasnego).

Kujna leizna.

Przez żarzenie odle

wów z pewnego rodzaju surowca białego, otrzymuje się kujną leiznę, mate-rjał miękki, o większej wytrzymałości niż odlew żeliwny i znacznie mniej kruchy. Obraz mikro-

Rys. 36.

skopowy (rys. 37, X200) przedstawia ferryt, czasem z domieszką perlitu i bryłkami czarnego węgla, wytworzonego podczas żarzenia przez rozpad karbidu na ferryt i węgiel.

■>

Tj

Rys. 37.

Węgiel ten, w istocie swojej równoznaczny z grafitem, ma bardzo drobną, w mikroskopie niedostrzegalną, krystaliczną budowę, przedstawiającą się jako pyłek skupiony w bryłki. Postać ta, zwana węglem żarzenia, jest korzystniejsza dla materjału niż grafit, bo tworząc mniejsze przerwy, mniej żelazo osłabia.

te.

Jeżeli żarzenie odbywało się w ciałach wydzielających tlen (np. w rudzie żelaznej, zwanej żelaziakiem czerwonym), to wydzielony z rozkładu karbidu węgiel żarzenia spala się (utlenia) i obraz mikroskopowy (rys. 38) takiej leizny »białej» (A), w przeciwieństwie do poprzedniej , zwanej « czarną » (B), przedstawia czysty fer-

Rys. 38.

ryt.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

W części poprzedniej omówiliśmy własności stali i jej zachowanie się podczas procesów termicznych, mających na celu jej zahartowanie lub wykonanie jakiegoś innego zabiegu w podwyższonej temperaturze. Znając to, zajmiemy się w tej części samem hartowaniem i operacjami z niem związanemi, tak jak się je przeprowadza w zakładach umiejętnie prowadzonych.

Hartowaniu podlegają przedewszystkiem narzędzia do obrabiania materjałów, pozatem części maszyn i przyrządy, od których wymaga się wielkiej twardości a wskutek tego odporności na ścieranie i mechaniczne zużycie. Ponieważ nadto przez hartowanie i następujące po niem odpuszczanie można wytrzymałość stali znacznie podnieść, nie obniżając wiele jej ciągliwości, przeto procesowi temu poddaje się często materjały konstrukcyjne, zwykle gotowe części maszyn, zwłaszcza wykonane ze stali specjalnych.

Stal, z której wyrabia się narzędzia, otrzymuje fabryka w formie sztabek, najczęściej kwadratowych, rzadziej okrągłych lub innej postaci, — z nich przed hartowaniem wykuwa się lub w inny sposób wyrabia potrzebny kształt. To samo odnosi się do części maszyn podlegających hartowaniu dla twardości (kulki łożyskowe) i ulepszaniu termicznemu (wały korbowe motorów wybuchowych itp.). Wszelkie operacje termiczne wykonywa się na przedmiotach posiadających gotowy już kształt, tak, że po zahartowaniu następuje tylko ostrzenie (narzędzi) lub zeszlifowanie (części maszyn) cienkiej warstewki, aby przedmiot był gotowy do użytku.

Ponieważ wszystkie te zabiegi wymagają ogrzania przedmiotu do wymaganej temperatury, omówimy prze-dewszystkiem urządzenia do ogrzewania, zwane ogólnie «piecami» i sposoby mierzenia temperatury, do jakiej przedmiot winien być ogrzany.

Piece

Wymagania stawiane piecom są różnorodne. Żądamy przedewszystkiem, aby piec mógł rozgrzać stal do wymaganej temperatury w czasie krótkim, aby ogrzanie było jednostajne w całym przedmiocie, aby temperatura pieca dawała się regulować i utrzymywać, bez wahnień, na wymaganej wysokości, aby wreszcie ogrzewana stal była zabezpieczona od niekorzystnych wpływów chemicznych, a więc utlenienia i nasycenia szkodliwemi przymieszkami.

Poza temi głównemi wymaganiami, mającemi na celu prawidłową pracę, idą żądania co do działania pieca w kierunku jak najmniejszych kosztów jego ruchu, łatwej obsługi, dogodnego mierzenia temperatury.

Piece używane do hartowania w różnym stopniu spełniają stawiane im wymagania.

Piec ogniskowy. Pod względem kosztów założenia przedstawia się najkorzystniej ognisko kowalskie, piec znany najdawniej i jak jego nazwa wskazuje, służący przedewszystkiem do robót kowalskich. Piec taki, przy małym rozwoju przemysłu, służył oczywiście także do celów ogrzewania stali, przeznaczonej do hartowania, i dziś jeszcze używany bywa do tego celu w mniejszych warsztatach, nie mogących zdobyć się na inny, a nawet w większych zakładach, które nie rozumieją doniosłości należytego hartowania albo ją lekceważą.

Ponieważ każdy warsztat mechaniczny musi posiadać ognisko kowalskie, przeto do celów hartowania nie potrzeba sprawiać osobnego pieca, co warsztatowi zaoszczędza kosztów. Jest to jednak zbyt mała korzyść wobec wad, jakie dla celów hartowania wykazuje ognisko kowalskie.

Z powodu ogrzewania materjału bezpośrednio węglem, spalanym w miejscu, gdzie powietrze wypływa z miecha czy wentylatora, jest przestrzeń objęta żarem stosunkowo mała, węgiel żarzy się jednostronnie, dlatego jednostajne ogrzewanie przedmiotów większych jest niemożliwe, a mniejszych trudne. Tak samo trudne jest regulowanie temperatury, przez co przedmiot może być w jednem miejscu niedostatecznie, w drugim za bardzo ogrzany, i jest rzeczą konieczną ustawicznie go odwracać i przesuwać w żarzącem się paliwie. Możność przepalania stali jest wielka z powodu dopływu powietrza do żaru, a wskutek bezpośredniego zetknięcia się stali z węglem, łatwo udzielają się jej przymieszki, zawarte w paliwie, głównie siarka.

Że mimo tych wad można z pomocą ogniska kowalskiego zahartować należycie przedmioty mniejszych rozmiarów, np. noże do obrabiania, zawdzięcza się to umiejętności robotnika, który wobec trudnej obsługi ogniska musi posiadać więcej niż przy innych piecach wprawy i doświadczenia, obok sumienności.

Paliwo. Użyte paliwo ma również doniosły wpływ na wynik roboty. Ze względu na swoją zupełną czystość najlepszy jest węgiel drzewny, który ponadto nie wymaga do rozżarzenia tak silnego ciśnienia powietrza, jak inne gatunki węgla, daje więc mniej sposobności do spalenia stali; cena jego jest jednak wysoka a przytem nie ma on własności spiekania się, co jest często potrzebne. Tańszy od niego i wybornie żarzący się koks ma tę wielką wadę, że zazwyczaj zawiera dużo siarki, której łatwo udziela stali przez zetknięcie; nadto wymaga on silniejszego ciśnienia wdymanego powietrza, a to wzmaga niebezpieczeństwo przepalenia stali. Mimo to jest koks często używany, przy zachowaniu ostrożności, aby koło dyszy, doprowadzającej powietrze, była warstwa paliwa, nie dopuszczająca do stali wolnego powietrza.

Rys. 39.

Najmniej bezpieczny jest węgiel kamienny z powodu największych ilości posiadanych szkodliwych zanieczyszczeń i wytwarzania przy spaleniu żużla, zalewającego żar i zatykającego dyszę. Zanim się do niego włoży stal, należy go przedtem wyżarzyć dla usunięcia połączeń siarki. Węgiel kamienny ma jednak dużą zaletę wobec poprzednio omówionych paliw, a mianowicie zdolność spiekania się przy spaleniu, dzięki czemu, manewrując umiejętnie, możemy z niego wytworzyć żarzącą się jamę. Włożone do niej narzędzie jest ze wszystkich stron otoczone żarem, przez co jednoliciej się rozgrzewa i jest z boków i z góry chronione od dostępu powietrza. Do tego sa-mego celu służyć może pokrywa wykonana z cegły szamotowej (rys. 39), która ustawiona na ognisku, rozżarzywszy się, otacza i chroni z boków i z góry wsunięte pod nią narzędzie. Podobną usługę oddać także może kawałek rury żelaznej, zaklepany (zatkany) z jednej strony, w którym umieszcza się narzędzie przeznaczone do zahartowania i wkłada w ognisko, zasypawszy proszkiem węgla drzewnego dla zabezpieczenia od utlenienia. Umyślnie do celów hartowania bywają budowane ogniska rusztowe (rys. 40) w kształcie

<7

Wadą pieców ogniskowych jest także niemożność mierzenia temperatury zapomo-cą przyrządów używanych w innych piecach.

loj

Rys. 41.

Wlîffl

///

/I

/I

y,

Rys. 40.

ItT

L.

mmim

skrzyni, zamkniętej od góry, z przodu otwartej dla włożenia narzędzia i z otworami z boku, któremi na ognisko wsypuje się koks, układając go tak wysoko, aby zamykał dostęp powietrza z boku.

'y~JZ

/y

//'

////

^/////^

Piece płomienne. Piece płomienne ogrzewają przedmioty stalowe zapomocą gorących gazów, wytworzonych przez spalenie węgla na palenisku, spalanie rozpylonego palnego płynu (ropa naftowa, olej niebieski itp.), wtryskiwanego zapomocą zgęszczonego powietrza, lub mieszanina jakiegoś palnego gazu z powietrzem. Piec płomienny opalany węglem, do rozżarzania mniejszych narzędzi (noży, pilników, wierteł itp.) widzimy na rys. 41. Piec ma kształt prostokątny, na palenisku P

zasilanem powietrzem z wentylatora (przewód V) wytwarza spalony węgiel gorące gazy, które przepływają około sklepionego od dołu trzonu T z przedmiotami żarzonemi, ogrzewają go, zarówno jak znajdującą się nad nim przestrzeń roboczą, i uchodzą przez otwory boczne do kanału odpływowego, zamykanego regulacyjną klapą.

Do żarzenia przedmiotów większych, także do cementowania, służy piec przedstawiony na rys. 42. Wy-

Si

77a

ZA

Z.

y/y

Z/////

ZA

ZA

y/.y

uyz.

■ \y

yyyyyy

v/////y

ÜHÉ

|

ZZ//A

yy/ŻY///.

~    W— yyyyyyyyyA a/ \y/Azy.z7Xv7y.'

Müh    ~i-rrrZjL    ;    1    vZy.

Vn-    1,1 | ^ |    |I    |    i    y- 53

>n    11 I    I    1    I yZ

1 rtil    I    II    I ' I ' X//A

H»ł*~ 4-»- - — -f - - - f - - -+ -    m - A

fz I    I 1 I I

■i

-,

ZA

yyy/yi

Zs

/A

zzsvxyyy_

te

te

Rys. 42.

tworzone na palenisku P gorące gazy, dostając się z góry, rozgrzewają całą przestrzeń roboczą R i trzon wraz z le-żącemi na nim wyrobami, i bocznemi otworami uchodzą do kanału odpływowego, regulowanego zasuwą. Przy zastosowaniu opału płynnego umieszcza się w ścianie przestrzeni roboczej dyszę rozpylającą, aby powstały płomień wypełniał i rozżarzał wnętrze pieca. Rys. 43 podaje widok pieca opalanego paliwem płynnem, które przewodem R dopływa do dyszy D (mogą być dwie dysze), umieszczonej w ścianie pieca, i mieszając się z powietrzem dopływającem przewodem P, wytwarza płomień.

Bardzo dogodne dla hartowni narzędzi są piece ogrzewane gazami, gdzie mieszanina jakiegoś palnego gazu (np. świetlnego) zwykle ze zgęszczonem powietrzem, rozgrzewa roboczą komorę szamotową; przez odpowiedni dopływ powietrza można płomień tak regulować, by nie działał utleniająco. Rys. 44 *) przedstawia

•o,

Ern

Rys. 43.

piec płomienny, ogrzewany gazem świetlnym do wysokich nawet temperatur (1300°). Palnik umieszczony pod płytą ogniotrwałą ogrzewa ją, a następnie, przez szczeliny utworzone z płytek ogniotrwałych, dostaje się do przestrzeni roboczej, ogrzewając ją ze wszystkich stron. Na rys. 45 widzimy piec gazowy o dwóch komorach płomiennych, umieszczonych ponad sobą. W dolnej A,

¹) Rysunku tego, jak również rysunku 46, 54, 70, 71 i 88 udzieliła autorowi z grzeczności firma Schuchardt & Schütte w Wiedniu.

ogrzewanej bezpośrednio gazem palnym, panuje wyższa temperatura, w górnej B, ogrzewanej gorącemi gazami, uchodzącemi z dolnej, niższa. Jest to korzystne wyzyskanie ciepła, piec górny służy bowiem do podgrzewania stali, którą następnie w dolnym ogrzewa się do wyższej temperatury, jakiej wymaga hartowanie. Piec taki nadaje

EE,

Sm

pjjr

Rys. 45.

Rys. 44.

się szczególnie do stali szybkotnącej, którą należy najpierw ogrzewać wolno do ok. 700°, a następnie szybko do wysokiej, przy której odbywa się hartowanie. Dla małych narzędziami dogodny jest piecyk gazowy jak na rys. 46, zamykany z góry przykrywą, pozwalający szybko ogrzać pojedyncze narzędzie.

Zaletą dobrze zbudowanych pieców płomiennych jest możność osiągnięcia wysokiej temperatury, łatwiejsze — przy paleniskach węglowych, a bardzo dogodne przy gazowych i płynowych, regulowanie temperatury, zadawalające zabezpieczenie stali przed utlenieniem i szkodliwemi przymieszkami, łatwa obsługa, możność mierzenia temperatury. Piece gazowe i płynowe pozwalają przy tern piec szybko rozgrzać. Możność jednolitego rozżarzania przedmiotów zależy od budowy pieca, tj. od sposobu prowadzenia gorących gazów około trzonu, —

a!?

i0$:

iii

jest ona bez porównania większa niż w piecu ogniskowym, ponieważ rozżarzona przestrzeń robocza bardzo się przyczynia do ustalenia temperatury i nie dopuszcza nagłych zmian.

Piece komorowe (muflowe). Chcąc stal uchronić od utlenienia, zwłaszcza przedmioty cienkie, gdzie utworzenie się zendry na powierzchni jest niedopuszczalne, ogrzewa się ją fasa w zamkniętych komorach (mu-* flach), do których powietrze ani gazy nie mają dostępu pod-r" czas ogrzewania.

Rys. 46.

Aby powietrze zamknięte w komorze nie powodowało utlenienia, choćby w małym stopniu, nie może mieć ona wielkich rozmiarów; gdy zaś przedmiot w stosunku do niej jest bardzo mały, wypełnia się ją cegłami dla zmniejszenia zawartości powietrza. Komory bywają wykonywane z gliny ogniotrwałej (szamoty) lub z żelaza lanego, i mają kształt prostokątny w przekroju, albo do niego zbliżony. Otwór po włożeniu stali jest zamykany drzwiczkami, oblepionemi następnie gliną, albo zamuro-wywany. Rys. 47 przedstawia piec komorowy opalany

węglem. Płomień i gazy wytworzone na palenisku, okrążają muflę A, zamkniętą drzwiczkami, ogrzewają ją i uchodzą do kanału dymowego, poprowadzonego pod posadzką do komina.

Piec komorowy ogrzewany ropą naftową widzimy na rys. 48, gdzie palenisko zastępuje palnik R. Palniki takie bywają rozmaicie budowane; zasadniczo składają się z przewodu, doprowadzającego płynne paliwo, rozpylane

Wi

i~t

V'Ä

//

■A

MÊË

Rys. 47.

zgęszczonem powietrzem, dopływającem drugim przewodem. Schemat urządzenia do opału płynnego podaje rys. 49. Z beczki A wtłacza pompa skrzydełkowa płyn palny do zbiornika O, umieszczonego tak wysoko, by paliwo własnym ciężarem spływało do palnika p, prowadzącego do pieca H. Powietrze potrzebne do rozpylania dopływa przewodem a, podgrzewając się często ciepłem gazów uchodzących z pieca, a przepływających zbiornik blaszany b, otaczający rurę odpływową.

Hartowanie stali.

Piece komorowe, obok zalety zabezpieczania wyrobów od wpływu gazów piecowych, mają ujemne strony, ograniczające ich stosowanie. Wadą najważniejszą jest trudność jednostajnego ogrzania komory, wskutek czego

H|

Rys. 48.

przedmioty większych rozmiarów nie ogrzewają się równomiernie, większe niż w innych piecach zużycie opału, gdyż uzyskane ze spalenia ciepło ogrzewa najpierw komorę, a dopiero przez jej ścianę udziela się stali. Wskutek tego także jest ogrzewanie pieca powolniejsze. Ponieważ piece płomienne, zwłaszcza gazowe i płynowe, pozwalają tak regulować palenie, by płomień nie działał utleniająco, a pracują szybko i tanio, są one w hartowniach więcej rozpowszechnione niż komorowe.

[2]

Rys. 49.

Piece płynowe. W piecach tych ciałem ogrzewają-cem jest rozgrzany płyn: stopiony metal lub sól, w którym zanurzona stal, rozgrzewa się do temperatury jaką płyn posiada. Urządzenie składa się zatem z ogrzewanego jednym z podanych już sposobów naczynia (tygla), w którem znajduje się płyn, służący do rozgrzewania stali. Mamy tu więc, podobnie jak w piecu komoro-wym, ciało pośredniczące (tam mufla, tu tygiel i płyn) w przeprowadzeniu ciepła płomienia na stal. Przy pośrednictwie płynu osiąga się bardzo jednolite ogrzanie przedmiotu, bo temperatura płynu jest naogół jednolita, części cienkie nie ulegają przegrzaniu, tak łatwemu w piecach innych typów, lecz mają tę samą temperaturę co części grube, utlenienie jest wykluczone, gdyż stal zanurzona w płynie nie styka się ani z powietrzem ani ze spalinami, szybkość ogrzewania jest wielka, bo rozżarzony płyn styka się ze stalą w każdem miejscu. Możność ogrzania stali ściśle do wymaganej temperatury, jest ze wszystkich pieców największa, gdyż płyn ogrzany dokładnie do wymaganej dla stali temperatury, ogrzewa w nim zanurzoną stal do tej samej wysokości, podczas gdy w piecach innych systemów, powolnie ogrzewających przedmioty, temperatura otoczenia musi być wyż-

sza, co łatwo prowadzi do przekroczenia wymaganej temperatury w samej stali. Jeżeli wreszcie zależy na tem, aby ogrzać nie cały przedmiot, ale tylko jego część, np. koniec noża, świdra itp., to również najdogodniej da się to uczynić w piecu płynowym.

Jako płyny używane bywają łatwo topliwe metale, przedewszystkiem ołów i jego stopy, a więcej jeszcze pewne sole i ich mieszaniny, które topią się przy pewnych im właściwych temperaturach i pozwalają się przegrzewać. Ołów topi się przy 327° *), jego stopy przy jeszcze niższych, sole przy wyższych. Do ogrzewania stali węglistych (aż do 900°) używa się najczęściej mieszaniny dwu części chlorku barowego z jedną częścią chlorku potasowego, dla wyższych temperatur, potrzebnych przy hartowaniu stali szybkotnących (900—1300°), czystego chlorku barowego. Piece ołowiowe mają wady: pary ołowiu są trujące a więc szkodliwe dla zdrowia pracowników; ponieważ ołów jest cięższy niż stal, przeto narzędzia w nim zanurzone wypływają na wierzch płynnego metalu i muszą być przytrzymywane w płynie, gdy w płynnych solach, stal cięższa od nich, sama się zanurza i nie nastręcza powyższej przeszkody. Po wyjęciu narzędzia z soli pozostaje na niem cienka jej warstewka, chroniąca je po wyjęciu z płynu od zetknięcia z powietrzem; warstewka odpada po zanurzeniu stali w wodzie. Zaletą natomiast ołowiu jest to, że nie niszczy on żelaznego tygla, gdy sole przeżerają go szybko. Tygle grafitowe, używane przy wyższych temperaturach, nie podlegają działaniu soli. Na rys. 50 widzimy piec płynowy, urządzony do ogrzewania tygla T zawierającego płyn, paleniskiem węglowem. Dla usunięcia z pracowni wydobywających się z tygla par (z ulatniających się soli)

0 Stopnie oznaczane są wszędzie według stustopniowej skali Celsiusa.

znajduje się nad tyglem osłona z drzwiczkami i otworem

odpływowym w górze. Nad piecami płynowemi powinny być umieszczane okapy z przewodami prowadzącemi do osobnego komina, dla odprowadzania wywiązujących się par.

I-I

Rys. 51 przedstawia piec płynowy, opalany paliwem płynnem. Gazy spalenia ogrzewają tygiel T, a następnie przechodzą przez piec płomieny P z płytą, na której podgrzewane bywają narzędzia, co, zwłaszcza przy stali szybkotnącej, jest konieczne a zarazem pozwala lepiej wyzyskać ciepło. Gazy odchodzące z pieca oddają je-

Rys. 50.

Ili

if

Pi

•z y

'■I i.

p.;'

Rys. 51.

-pr

Va

\\V\1

Rys. 52.

szcze swoje ciepło powietrzu dopływającemu do dyszy przez blaszany zbiornik E otaczający rurę odpływową. Paliwo płynne mieści się w zbiorniku Z.

Sposobem ogrzewania najdroższym ale najdogodniejszym i najlepiej dozwalającym regu-==a® lować temperaturę, jest piec ogrzewany prądem elek-E trycznym (rys. 52). W piecu zbudowanym z materjalu ogniotrwałego mieszczą się po przeciwnych stronach dwie elektrody E, doprowadzające prąd, który można dokładnie mierzyć i regulować zapomocą odpowiedniej opornicy. Rys. 53

K\\\\

przedstawia kompletny piec elektryczny płynowy wraz z tablicą dla przyrządów do załączania prądu i mierzenia temperatury oraz opornicą (z tyłu).

Ogrzewanie elektryczne jest nietylko bardzo wygodne i dokładne, ale także, — przy należytem urządzeniu, najbezpieczniejsze. Przy użyciu paliwa, zwłaszcza gazowego lub płynnego, zdarzają się niebezpieczne wy-

Rys. 53.

buchy gazów, gdy spalanie nie odbywa się prawidłowo, a uniknięcie ich zależy najwięcej od uwagi i sumienności robotnika, co czasami zawodzi; przy zastosowaniu pieca elektrycznego niema tego niebezpieczeństwa.

Mierzenie temperatury w piecach

Poznaliśmy zasadę procesów cieplnych, towarzyszących hartowaniu, i wiemy jak wiele one zależą od temperatury przerabianej stali. Jeżeli ją ogrzejemy tylko o kilka stopni niżej niż jest jej temperatura krytyczna, to hartowanie nie uda się, bo nie wytworzymy roztworu karbidu w żelazie, który po nagłem ostudzeniu powoduje zahartowanie (powstanie martenzytu). Jeżeli zahartowaną stal węglistą ogrzejemy dla odpuszczenia tylko o kilkanaście stopni za mało lub za dużo, będzie nasze narzędzie w pierwszym wypadku za kruche i ułamie się, w drugim za miękkie, i przy obróbce rychło się stępi. Temperatura stali szybkotnącej jest bardzo wysoka, bliska punktu topienia się stali, jeżeli jej dokładnie nie zachowamy, możemy tę drogą stal zupełnie zepsuć.

Z tych powodów jest mierzenie temperatury w hartowni rzeczą niezmiernie ważną a poznanie służących do tego urządzeń konieczne.

Sposoby mierzenia bywają różne, stosownie do rodzaju stali i pieca jaki służy do ogrzewania. Jeszcze przed niewielu laty nie używano przy hartowaniu żadnych przyrządów do mierzenia temperatury, a przecież stal od-dawna hartowano, nie popełniając błędów wskutek niedokładnego ogrzania lub przez przegrzanie stali. I dziś jeszcze tak często używane ognisko kowalskie wyklucza pomiar temperatury zapomocą przyrządów, a posługujemy się do tego celu okiem. Ten najdawniejszy sposób oznaczenia odpowiedniej chwili, kiedy osiągnięto wymaganą dla procesu temperaturę, polega na barwie żaru, jaką posiada rozżarzona stal i na tz. barwach nalotowych, występujących przy niższych temperaturach na czystej powierzchni stali.

Stal włożona do ognia jest z początku szara; gdy rozgrzanie osiągnie pewną wysokość, zaczyna świecić, przyczem barwa żaru, z początku ciemno-czerwona i trudna do zauważenia w niedość ciemnem miejscu, zmienia się w miarę zwiększania się żaru w jasno-czer-woną, pomarańczową, żółtą i wreszcie w jaskrawo białą, gdy z rozgrzanego nadmiernie materjału zaczynają padać iskry, oznaczające przepalenie stali. W miarę więc wzrostu temperatury żarzenia zmienia się barwa rozżarzonej stali, a każdej barwie odpowiada pewna, oczywiście niezbyt ściśle dająca się oznaczyć temperatura. Następująca tabelka podaje skalę temperatur odpowiadających pewnym barwom żaru:

TABELA VII.

Barwa żaru

Temperatura w °C

Początek czerwonego żarzenia

Ciemno-czerwona

Wiśniowa

Jasno-czerwona

Pomarańczowa

Żółta

Żółtawo-biała

Biała

Olśniewająco biała

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400 [ wyżej

Określenia barw są w podręcznikach podawane rozmaicie, często niezgodnie, a różnice wynoszą po 100°

i więcej, ocena bowiem zależy od wrażliwości oka na barwy, niejednakowej u różnych ludzi, a także od jasności miejsca, w którem żar bywa oceniany; w jasnem miejscu trudniej go spostrzec niż w ciemnem. Z tego powodu umieszczano dawniej hartownie w miejscach ciemnych, co źle wpływało na inne roboty tam wykonywane. Dziś, o ile ocena okiem jest potrzebna, umieszczają takie pracownie od strony północnej, gdzie słońce nie świeci bezpośrednio, a w oknach dają szyby niebieskie.

Przy ciągłej praktyce hartownik nabiera wiekiej wprawy w ocenianiu barw, naogół jednak zdarzają się omyłki, nieraz znaczne, a gdy chodzi o bardzo ścisłe określenie temperatury, tam jest konieczne użycie przyrządów, wolnych od błędów osobistej obserwacji, albo przynajmniej zmniejszających bardzo znacznie możność popełnienia błędu.

Do oznaczania przy pomocy oka temperatur niższych, z jakiemi mamy do czynienia przy odpuszczaniu zahartowanej stali węglistej, tj. 200—350°, stosuje się tz. barwy nalotowe, jakie występują na metalicznie czystej powierzchni rozgrzanej stali. Barwy występują z tego powodu, że przy temperaturach wyższych niż 200° odbywa się utlenianie powierzchni stali stosunkowo wolno, przy-czem wytwarza się bardzo cienka, przeźroczysta warstewka tlenku, która wskutek tz. interferencji światła zabarwia się na różne kolory, zależnie od swej grubości. Zabarwienie występuje około 220°, w miarę wzrostu temperatury warstewka tlenku grubieje i zmienia barwę, aż wreszcie około 330° staje się szarą jak zendra. Każdej więc występującej barwie odpowiada pewna temperatura, jak to wskazuje tabelka VIII.

TABELA VIII.

Barwa nalotowa

Temperatura w °C

OiOiÜiCnOlÜiOiOiOiO

Blado-żólta

Jasno-żółta

Ciemo-żółta

Brunatno-żółta

Brunatno - czerwona

Purpurowa

Fioletowa

Ciemno-niebieska

Jasno-niebieska

Szaro zielona

Różne wrażliwości oczów na barwy powodują tak samo różnice przy ocenianiu barw nalotowych. Wiedzieć przytem należy, że barwa nalotowa odpowiada podanym temperaturom tylko w chwili występowania; stal ogrzana do pewnej temperatury okaże na swej powierzchni kolejno całą skalę barw nalotowych, mimo że jej temperatura będzie stała. Barwy odpowiadające powyższej skali temperatur, występują bardzo szybko, dalsze barw}' znacznie wolniej, — jest to więc wskazówka, że należy oceniać temperaturę stali w chwili wystąpienia barwy, gdy stal podlega rozgrzewaniu, np. do ostrza noża dopływa wciąż ciepło od trzona i coraz bardziej je rozgrzewa; nie można zaś oceniać barwy w przedmiocie ostygającym lub utrzymywanym przez dłuższy czas w jednakowej temperaturze.

Sposoby mierzenia temperatury w sposób mniej zależny od wrażliwości oka posługują się różnemi przyrządami, z których najczęściej używane w hartowniach są następujące:

Termometry rtęciowe zwykłe do temperatur niższych niż 350°,

Termometry nadają się w hartowni do mierzenia temperatury płynów, służących do odpuszczania stali przy pewnej stałej temperaturze.

Pyrometry termoelektryczne do temperatury 200—1200°, Pyrometry optyczne od 600° do najwyższych, stosowanych w przemyśle temperatur.

Termometr. Przyrząd ten i jego użycie jest tak znane, że opis jest zbyteczny. Przy mierzeniu należy zwrócić uwagę, aby kulka z rtęcią znajdowała się w zetknięciu z mierzonem ciałem lub bezpośrednio przy niem; jeżeli np. mierzy się temperaturę płynu, powinna kulka być zanurzona w miejscu, gdzie temperatura jest najbardziej ustalona, a więc nie na powierzchni ani przy ścianie ogrzewanej z zewnątrz. Rurka termometru winna też być jak najgłębiej zanurzona, aby termometr w swej przeważ- ^ nej części miał tę samą temperaturę co kulka z rtęcią.

ii

J!

Rys. 54 przedstawia termometr używany w har-towniach, osadzony w metalowej oprawie dla za- 1 bezpieczenia od stłuczenia.

Pyrometr termoelektryczny. Jeżeli dwa druty z odmiennych metali lub stopów z jednej strony ze sobą zlutowane w tz. termoelement a z drugiej J połączone z galwanometrem, tj. przyrządem do mierzenia słabych prądów elektrycznych, ogrzeje- Rys- 54. my w miejscu zlutowania, to powstanie prąd elektryczny, który spowoduje wychylenie skazowki galwano-metru i wskaże wielkość napięcia prądu. Napięcie to jest tern większe, im więcej było ogrzane miejsce zlutowania. Dlatego termoelementów można używać do pomiaru temperatury, przyczem galwanometr, zwany tutaj miliwolt-metrem (ponieważ mierzy napięcie w tysiącznych częściach jednostki elektrycznej, zwanej woltem, tj. w mili-

Na rys. 55 widzimy schemat urządzenia do mierzenia zapomocą termoele-mentu temperatury płynu w naczyniu. Obydwa druty zlutowane w miejscu L są od siebie oddzielone rurką porcelanową, a całość umieszczona w rurce ogniotrwałej dla ochrony drutów od działania gorących gazów czy płynów. Oba wolne końce łączy się z galwanometrem G, który jest osobno przedstawiony na rys. 56.

woltach) może mieć podział-kę pokazującą wprost temperaturę.

vLŻ

Rys. 55.

Termoelementy bywają wykonywane z różnych metali, najwięcej są używane następujące:

Mied ź-k onstantan (stop z 60 °/₀ miedzi i 40°/o chromu) z drutów zlutowanych do 400°, a powyżej (do 600°) drut konstantanowy jest wlutowany w rurkę miedzianą.

Rys. 56.

Żel a z o-k onstantan w postaci drutów do 600°, wyżej (do 800°) drut konstantanowy wlutowany w rurkę żelazną.

Nikiel-niklochrom (91°/₀ niklu, 9°/₀ chromu)

do 1000°.

Platyna-platynar odium (90°/ft platyny, 10°/o rodium) do 1400°.

Każdy rodzaj termoelementu daje inne napięcie prądu i galwanometr dla niego musi mieć odpowiednio do tego wykonaną podziałkę.

Termoelementy są bardzo dogodne w użyciu, gdyż połączone z galwanometrem długiemi drutami, pozwalają z większej odległości odczytywać temperaturę pieca, w którym jest umieszczony termoelement. Muszą być chronione od działania gorących gazów, dlatego umieszcza się je zwykle w rurach stalowych, niklowych lub z gliny ogniotrwałej.

Przy pomiarze niemi należy przestrzegać, aby były umieszczone dokładnie w tej przestrzeni pieca, której temperatura ma być mierzona. Błędy jakie można popełnić przy ich użyciu, zapobieganie im i usuwanie, nie dadzą się zebrać w krótkim opisie, tak samo jak praktyczne wykonywanie pomiaru; zakład, który je wprowadza u siebie, powinien się postarać, aby odnośni pracownicy mogli się zapoznać praktycznie z temi urządzeniami.

Pyrometry optyczne. Przy bardzo wysokich temperaturach termoelementy nie dają się stosować, zwłaszcza że. osady, w których je umieszczamy nie znoszą zbyt silnego i długiego ogrzewania. Jakkolwiek np. termoelement platynowy pozwala mierzyć temperatury do 1400°, to ze względu na swoją armaturę rzadko bywa stosowany przy temperaturach wyższych niż 1200°. Ponadto nie zawsze można umieścić termoelement w piecu tuż obok przedmiotu badanego, albo też rozmiary przedmiotu są wielkie, tak że stwierdziwszy w jednem miejscu jego temperaturę, nie mamy pewności, czy jest ona taka sama w innem.

W takich wypadkach używamy pyrometrów optycznych, pozwalających oznaczyć temperaturę przedmiotu ze stopnia jego rozżarzenia. Jak widzimy, jest to ta sama zasada, co osądzanie temperatury według barwy żaru, różnica jednak na tern polega, że nie posługujemy się okiem do bezpośredniej obserwacji żaru, co dopuszcza omyłki z powodu odmiennej u każdego człowieka wrażliwości na światło i barwy, ale przyrządem, pozwalającym o wiele ściślej oznaczyć stopień rozżarzenia.

Opiszemy dwa najwięcej używane pyrometry op

tyczne.

Pyrometr Holborna i Kurlbauma polega na porównywaniu rozżarzonego przedmiotu z żarzącem się włóknem lampki elektrycznej, którego temperatura jest znana. Rys. 57 przedstawia schemat przyrządu. Jest to

•J>

MWM

PB»

---------w

Rys. 57.

luneta, którą trzymając w ręce, kierujemy na rozżarzony przedmiot, przykładając oko do okularu O, osłoniętego ochronną czerwoną szybką. W linji obrazu uchwyconego objektywem S umieszczona jest żarówka Z, zasilana z akumulatora A prądem, którego napięcie mierzy gal-wanometr G. Siłę światła lampki można zmieniać zapo-mocą opornicy R. Jeżeli żarówka żarzy się słabiej niż przedmiot, włókno jej wygląda ciemno na tle obrazu przedmiotu (rys. 58 a), gdy mocniej, — jasno (c). Przez odpowiednie nastawienie opornicy doprowadza się obraz

Hfl

LJ

Rys. 58.

włókna do zniknięcia w obrazie badanego przedmiotu (b), co oznacza, że oba ciała jednakowo się żarzą, tj. mają te samą temperaturę, którą się wtedy na galwanometrze odczytuje. Rys. 59 przedstawia lunetę wraz ze skrzynką zawierającą akumalator i galwanometr.

ralj

i. •

'Mi

sm

Rys. 59.

Działanie przyrządu polega więc na obserwowaniu żaru, ale temperatury nie ocenia się tu wprost okiem, ale w sposób o wiele łatwiejszy i nastręczający znacznie mniej sposobności do omyłki. Pyrometry tego systemu mierzą temperatury 600—2600°.

Pyrometr zwany ardometrem polega na zastosowaniu termoelementu umieszczonego w lunecie, jak to widać na rys. 60. Jest to podobna luneta do poprzedniej,

itiK

HHH

to

Rys. 60.

lecz zamiast żarówki znajduje się w niej termoelement T, którego temperaturę mierzy galwanometr G. Miejsce zlutowania drutów termoelementu jest przylutowane do płytki platynowej, poczernionej od strony objektywu. Promienie żarzącego się przedmiotu kieruje objektyw na płytkę platynową, rozgrzewając ją odpowiednio do żaru przedmiotu badanego, a temperaturę jej wskazuje termoelement zapo-mocą galwanometru. Obraz przyrządu, który ustawia się na statywie, widzimy na rys. 61.

W przyrządzie tym jest obserwacja oczna zupełnie wykluczona. Ardometry mierzą temperatury 600—2000°.

Rys. 61.

Użycie pyrometrów optycznych wymaga wprawy, aby nie popełniać omyłek.

Roboty przygotowawcze do hartowania stali

Hartowanie składa się z kilku zabiegów, zależnych od rodzaju stali i jej przeznaczenia, dlatego jego opis podzielimy na kilka ustępów, zaczynając od robót przygotowawczych.

Ucinanie stali przeznaczonej na narzędzia czy inne przedmioty, nie powinno się nigdy odbywać w stanie zimnym, przez ułamywanie uderzeniem młota nakarbo-wanej sztabki, ani ucinanie jej dłutem na kowadle. Gwałtowny taki zabieg w stanie zimnym wywoływa stwardnię-cie i skruszenie materjału, w miejscu ucięcia powstają rysy i pęknięcia, które powodują łamanie się przedmiotu w dalszej przeróbce. Stal można ucinać dłutem tylko rozżarzoną, w stanie zaś zimnym jedynie zapomocą piły lub na tokarce, czy strugarce.

Kucie. Nadanie stali wymaganego kształtu, o ile on nie da się otrzymać przez szlifowanie, wykonywa się kuciem, do czego stal musi być odpowiednio rozgrzana, aby się stała podatną.

Twarde stale węgliste najlepiej kuć przy żarze wiśniowym (800°), miększe przy jasnej czerwoności (900°), a nawet jeszcze bardziej rozgrzane (ok. 1000°). Stale szybkotnące wymagają temperatury kucia około 1100°; oczywiście, należy unikać przegrzania i przepalenia. Rozgrzewanie do kucia winno być jednostajne i nie nagłe, aby nie wywołać pęknięć wskutek istniejących już lub powstających naprężeń. Kuć należy dostatecznie ciężkim młotem, by przeróbka materjału odbywała się nawskroś a nie na powierzchni tylko. Ogrzewanie przy tej czynności należy możliwie ograniczać i nie powtarzać ze względu na stratę stali przez spalenie i możliwe odwęgle-

Hartowanie stali.

nie zewnętrznej warstwy. Wystrzegać się jednak należy przedłużania obróbki przez kucie, gdy stal jest już tak oziębiona, że nie świeci. Obróbka wywołuje wtedy stwardnięcie stali na powierzchni, naprężenia i kruchość, a jest szczególnie niebezpieczna, gdy temperatura stali obniży się poniżej 300°; łatwo wówczas powstają pęknięcia, a przynajmniej niewidoczne rysy, zarodek późniejszych złamań.

Wyżarzanie. Każdy kawałek stali powinien być wyżarzony przed hartowaniem. Poprzednie kucie, wywołujące zdrobnienie struktury, nie odbywa się jednostajnie w każdem miejscu, wskutek czego materjał w jednej części jest drobno, w innej gruboziarnisty. Zdarzają się wypadki miejscowego przegrzania a także obróbki w stanie zbytnio ochłodzonym. Nawet przedmioty, którym kształt nadano w stanie zimnym, wykazują nieraz naprężenia, wywołane niejednakową ostrością noża obrabiającego, prostowania w stanie zimnym itp. Narzędzia kształtów prostych, nadanych im tylko przez oszlifowanie surowej sztabki stalowej, nie są wolne od naprężeń, jeżeli poprzednie walcowanie ich lub kucie odbywało się w temperaturze zbyt niskiej.

Te wszystkie niejednolitości materjału mogą podczas ogrzewania do hartowania nie wyrównać się należycie i spowodować pęknięcie, skrzywienie przedmiotu lub nawet niewidoczne dla oka lecz bardzo niebezpieczne rysy.

By tego uniknąć, należy wyżarzyć każdy przedmiot przed hartowaniem, dla usunięcia istniejących w nim naprężeń i wyrównania struktury. Gdy chodzi tylko o naprężenia wywołane obróbką za chłodną, wystarczy ogrzanie do 600°, — dla ujednostajnienia mate-rjału trzeba go ogrzać powyżej temperatury krytycznej A₃, a więc twarde stale węgliste do ok. 750°, miększe do

800°, bardzo miękkie do 850°. Aby uniknąć utlenienia (spalenia) i odwęglenia na powierzchni, należy ułożyć przedmiot w skrzynce blaszanej, żelaznej rurze i t. p., w proszku węgla drzewnego lub opiłkach żelaza lanego, i szczelnie oblepić gliną. Żarzy się w piecach płomiennych, jakie były opisane poprzednio. Po wyżarzeniu, trwającem, zależnie od wielkości przedmiotu, 2—4 godzin, przy małych krócej, trzeba je bardzo wolno studzić wraz ze skrzynką, przysypując popiołem lub piaskiem. Zapobiega się przez to nierównomiernemu stygnięciu poszczególnych części, co mogłoby napowrót wywołać naprężenia.

Hartowanie stali węglistej

Wiadomo, że stal podlega zahartowaniu, jeżeli jest ogrzana powyżej temperatury krytycznej A₃, a następnie bardzo szybko ostudzona. Różnica ustroju jej przed i po hartowaniu polega na tem, że przed hartowaniem składała się z mieszaniny bardzo drobnego (płatkowego) ferrytu i cementytu, w postaci zwanej perlitem (0.9°/₀ węgla), w którym, stosownie do zawartości węgla, mogą się znajdować ziarna wolnego ferrytu lub cementytu; po zahartowaniu natomiast przedstawia stal roztwór stały karbidu w żelazie a, zwany martenzytem. Są więc dwa zasadnicze warunki hartowania:

1.    ogrzanie stali do temperatury krytycznej,

2.    nagłe oziębienie.

Należy dokładnie rozważyć oba warunki i sposoby ich spełnienia.

Ogrzewanie. Wysokość ogrzania jest ściśle określona temperaturą krytyczną As, przy której powstaje roztwór stały. W stalach czysto perlitycznych (0.9°/₀ wę-

gla) powstaje roztwór stały odrazu, bo temperatura A3 obniża się do A₁; wynosi ona u stali czysto węglistej 720°, a uwzględniając zmienną zawartość domieszek (głównie manganu), obniżających punkt krytyczny, przyjąć ją można w granicach 700—720°. W stalach podperli-tycznych (poniżej 0.9°/o węgla), zawierających w perlicie ziarna czystego ferrytu, powstawanie roztworu odbywa

Ük

li?

wà

mĘ

■W

W

Rys. 62.

się, jak już wiadomo, w dwóch granicach temperatur: A₁ (720°), w której rozpuszcza się perlit i A₃, przy której rozpuszczający się stopniowo ferryt od chwili przekroczenia temp. Av w zupełności przechodzi w roztwór. Im mniej jest węgla w żelazie, tern wyżej leży A₃, a więc im miększa jest stal, tern silniejszego wymaga rozgrzania. Gdybyśmy przekroczyli punkt Ai, i nie osiągnąwszy punktu A₃ oziębili stal, znaleźlibyśmy w martenzycie ziarna nierozpuszczonego ferrytu, jak to pokazuje rys. 62, przedstawiający stal o zawartości 0.4°/o węgla, hartowaną przy

temp. 750°. Widzimy tam białe ziarna nierozpuszczonego ferrytu w masie martenzytycznej, powstałej z rozpuszczonego perlitu i małej części ferrytu. Na rys. 63 widzimy tę samą stal, zahartowaną przy 800°, o składzie jednolicie martenzytycznym.

Skoro dla zahartowania konieczne jest przekroczenia temperatury krytycznej A₃, zdawałoby się, że bardzo silne ogrzanie tern bardziej prowadzi do celu, dając

Rys. 63.

pewność, że temperaturę krytyczną niewątpliwie osiągnięto. Tak jednak nie jest, gdyż materjał wtedy ulega przegrzaniu i przedstawia martenzyt gruboziarnisty, bardzo kruchy i dla narzędzi niezdatny. Rys. 64, (X100) przedstawia trzy struktury martenzytyczne, otrzymane przy różnych temperaturach hartowania: B przy bardzo -przekraczającej punkt A₃, martenzyt bardzo gruby, wybitnie igiełkowatej struktury, C niżej, ale jeszcze za wysoko ogrzany, drobniejszy od poprzedniego ale także mający znamiona przegrzania, i D drobnokrystaliczny, stali zahartowanej w odpowiedniej temperaturze.

FSB

PI

;/-*

mÉtWÊÊÊÈ

MÊÊËmm’

■apffiTnMm

■■

,■

PÜI

gag®

y;

I#

Ryc. 64. B, C, D.

Z powodu możliwości przegrzania i wywołania przez to grubej struktury, wymagają stale nadperłityczne (powyżej 0.9°/₀ węgla) odmiennego postępowania przy hartowaniu niż stale miększe. Zawierając wolne ziarna cementytu w perlicie, zachowują się przy rozgrzewaniu podobnie jak podperlityczne, mianowicie przy temp. Ax rozpuszcza się perlit, powyżej, stopniowo cementyt, a przy A₃ tworzy się roztwór zupełny. Jednakże linja SE (na rys. 9 str. 25), oznaczającą temperatury A₃ dla różnych ilości węgla, wznosi się bardziej bystro w górę niż linja GS, tak, że już przy małym wzroście zawartości węgla, temperatura A₃ leży tak wysoko (ponad 900°), że stal tak ogrzana otrzymuje po zahartowaniu grubą strukturę, staje się nadmiernie kruchą i do użycia niezdatną. Na szczęście jest na to rada, przychodzi tu mianowicie w pomoc wielka twardość naturalna cementytu, który pozostawiony częściowo w martenzycie podczas hartowania, nie obniża jego twardości ale ją nawet zwiększa. Dzięki temu nie potrzeba stali nadperlitycznych ogrzewać do A₃, ale tylko do At, jak czysto perlityczne. W tym wypadku zachodzi jednak inna trudność: cementyt w tych stalach tworzy strukturę siatkową (rys. 24 str. 41) i, o ile pozostanie w tej postaci po zahartowaniu, będzie szkodził spójności stali,

Struktura zahartowanej stali zaznacza się wyraźnie w przełomie, stal zahartowana należycie ma przełom nadzwyczaj drobnoziarnisty, nie błyszczący ale matowy, jak tkanina aksamitna, materjał przegrzany ma przełom gruboziarnisty i błyszczący, zahartowany przy temperaturze za niskiej, — gruboziarnisty i zadzierżysty. Narzędzia dobrze zahartowane wykazują w przełomie grubszą strukturę ośrodka (rys. 67, obraz 4); pochodzi to stąd, że dla uniknięcia przegrzania, a więc grubego martenzytu, hartuje się narzędzie, gdy wierzchnie warstwy osiągną potrzebną temperaturę, a ośrodek jeszcze nie przekroczył punktu Ay

zwiększając jej kruchość. Trzeba więc, by ziarna cementytu po zahartowaniu były rozdrobione, co osiąga się, przekuwając silnie narzędzie przed hartowaniem; kruchy cementyt rozpada się pod wpływem kucia na drobne cząstki i, po zahartowaniu przy temperaturze stosowanej do stali perlitycznych, wykazuje bardzo korzystną budowę, mianowicie drobne a liczne (białe)

--

V-

Rys. 65.

ziarna cementytu w martenzycie, jak to widać na rys. 65. Na podstawie tego, co powiedziano wyżej, zastosowano na rys. 66 wykres termiczny (taki, jak na rys. 9 str. 25) do celów hartowania, rysując na nim linję HHX H₂, oznaczającą najodpowiedniejszą temperaturę hartowania dla stali o rozmaitych zawartościach węgla. Dla stali podper-litycznych, które muszą być ogrzane ponad A₃, przyjęto linję HH₁ równoległą do GS lecz około 35° wyżej, dla nadperlitycznych linję H₁ H₂ równoległą do SK, również

w takiej samej odległości. Przekroczenie temperatury krytycznej o 30—40° jest najodpowiedniejsze dla należytego zahartowania; cienkie i szybko ogrzewające się przedmioty mogą być jeszcze niżej ogrzane, nie trzeba tylko przesadzać w tem, bo zdarzyć się może, że przedmiot z ognia wyjęty, zanim zostanie ostudzony, dozna

Temperatura w °C

8ł

-EL

jc

700

o?

o*

0-6    08 CO C2 4U- C6

Zawartość węgla w %

Rys. 66.

oziębienia poniżej temperatury krytycznej, i hartowanie się nie uda. Przedmioty grube, ogrzewające się zwolna do głębi, należy ogrzewać więcej (np. o 50° wyżej), aby była pewność, że temperatura została nawskroś osiągnięta.

O ile nie można się posłużyć wykresem termicznym a zna się zawartość węgla (np. z obrazu mikroskopowego), można odpowiednio do niej obrać temperaturę hartowania, na podstawie doświadczeń praktycznych.

Wynosi ona dla stali o zawartości 0.9°/o węgla i twardszych 710—740°, dla miększych (0.7—0.8°/o węgla) 750— 800°, dla jeszcze miększych (0.5—0.7°/₀) 800—840°.

W rozważaniach dotychczasowych przyjmowaliśmy wykres termiczny za podstawę oznaczenia temperatury hartowania dla stali węglistych. Ale w praktyce mamy nieraz do czynienia ze stalami o nieznanej zawartości węgla, a przytem wykres termiczny, odnoszący się do czystych stopów żelaza z węglem, jest tylko przybliżoną wskazówką ze względu na możliwe przymieszki i zanieczyszczenia w stali, zmieniające jej temperaturę krytyczną. Ponadto bieg linji GS w wykresie nie jest dotychczas zupełnie pewnie oznaczony, i różni badacze dość odmiennie go przyjmują. Jakże więc należy postępować przy hartowaniu, nie znając choćby tylko zawartości węgla? W laboratorjach badawczych a także w wielkich hartowniach fabrycznych znajdują się przyrządy do dokładnego wyznaczenia temperatur krytycznych stali. Mniejsze zakłady, nie mające takich urządzeń ani pracowników do tego wyszkolonych, posługują się próbami praktycznemi dla oznaczenia najodpowiedniejszej temperatury hartowania jakiejś stali. Tam, gdzie hartowanie odbywa się bez mierzenia temperatury, a więc przede-wszystkiem w zakładach posługujących się tylko ogniskiem kowalskiem, stosuje się do tego celu sposób Met-c a 1 f f a. Badaną sztabkę (15—20 mm grubą) nakarbo-wuje się w sześciu do ośmiu miejscach co 15 mm, a następnie wkłada w ogień od strony nakarbowanej, tak by sam jej koniec podlegał najsilniejszemu ogrzaniu. Koniec rozżarzy się wskutek tego najsilniej, a kawałki sąsiednie, oddzielone karbami, będą się, w miarę oddalenia, coraz słabiej żarzyć i przyjmować odpowiednią do tego barwę. Wykonywujący próbę hartownik, naturalnie o wprawnem oku, stara się zapamiętać barwy żaru poszczególnych części sztabki. Skoro koniec jej rozżarzy się do jasnej białości, aż do przepalenia (iskry), wyjmuje się sztabkę z ognia i szybko studzi (hartuje). Następnie odłamuje się uderzeniami młotka oddzielone karbami kawałki i obserwuje przełom; najdrobniejszy i najgładszy, o matowej powierzchni, okazywać będzie ułomek zahartowany przy najodpowiedniejszej temperaturze. Na rys. 67 widzimy 1 otrzymane tym zabiegiem najważniejsze próby (z sześciu), z których oznaczona liczbą 4 jest najlepiej zahartowana, (szeroka, «aksamitna» warstwa zewnętrzna), próba 1, pierwsza od strony żarzenia, jest gruboziarnista (przepalona), ostatnia (5) niezahartowana. Końcową (szóstą), jako nie mającą znaczenia, opuszczono. Próba Metcalffa wymaga wielkiej wprawy oka, 3 §f| aby zauważyć i zapamiętać barwy w różnych miejscach sztabki; w razie braku pewności można ją powtórzyć przy mniejszej liczbie karbów i barwie żaru zbliżonej do zaobserwowanej.

m

mk

mm

; mml i

0wĄ

'i____i;

* mS

W piecach, gdzie temperaturę przedmiotu można mierzyć, bada się stal, ogrzewając krótkie, zaopatrzone karbem kawałki, poczynając od 730°, co 20° w górę, hartując w wodzie i oglądając przełom.

Rys. 67.

Między temperaturami, które dały najkorzystniejsze przełomy, można dodatkowo wykonać jeszcze jedną próbę przy temperaturze pośredniej.

Ogrzewanie stali do hartowania wymaga starannego postępowania, zależnie od rodzaju pieca. W zwykłym piecu ogniskowym można ogrzewać tylko małe przedmioty. Jako paliwa należy używać węgla drzewnego, jako nie zawierającego siarki, która przy zetknięciu stali z zanieczy-szczonem nią paliwem (węgiel kamienny, koks) udziela się stali, czyniąc miejsca nią zakażone niehartownemi.

Jeżeli nie można użyć węgla drzewnego lecz tylko koksu, lub co gorzej węgla kamiennego, należy go prze-żarzyć przed włożeniem stali, dla usunięcia przeważnej części zawartej w nim siarki. Przedmioty małych rozmiarów najlepiej w takim razie umieścić w żelaznej rurze (np. gazowej) i razem z nią rozgrzewać.

Aby rozżarzenie było jednolite, powinno się przedmiot często obracać i przekładać w żarze. Przed ostudzeniem trzeba usunąć zendrę, jaka się wytwarza na powierzchni stali.

Nieporównanie korzystniejsze dla wyniku hartowania są piece komorowe i płomienne, te ostatnie, przy opale gazowym lub płynowym są najchętniej używane, jako dogodne i szybko pracujące.

Najlepsze w użyciu są piece płynowe, pozwalają bowiem najłatwiej regulować temperaturę i przedmioty ogrzewać częściowo (np. końce nożów, wierteł itp.), chronią najzupełniej powierzchnię stali od utlenienia, i jednolicie ogrzewają. Gdy się w nich ogrzewa zapomocą stopionych soli, jest stal po wyjęciu z tygla chroniona od zetknięcia z powietrzem warstewką stężałej soli, przywartej do powierzchni; przy zanurzeniu w wodzie dla zahartowania, sól odpada. Ogrzewając stal w ognisku, posypują ją niekiedy solą kuchenną dla ochrony. Przedmioty wielkie, wymagające długiego ogrzewania, chroni się od utlenienia powierzchni, układając je w blaszanej skrzynce, w proszku węgla drzewnego.

Studzenie dla zahartowania rozżarzonej stali musi odbywać się bardzo nagle, aby wstrzymać rozpad roztworu (martenzytu) na składniki (karbid i ferryt), co w stali węglistej odbywa się nadzwyczaj szybko. Oziębienie powinno dojść momentalnie do 200°, przy tej bowiem dopiero temperaturze wytwarza się wła-

ściwa struktura (martenzyt), — w stalach chłodzonych wolniej powstaje przy 600° struktura stali odpuszczonej (troostyt) a zahartowanie jest przez to niedostateczne. Przez stosowne regulowanie szybkości studzenia można umyślnie wytworzyć strukturę mieszaną (troostyt w mar-tenzycie), co dla pewnych narzędzi jest pożądane.

Ze względu na to, że studzenie w pewnych razach odbywać się musi bardzo szybko, w innych wolniej, muszą być sposoby oziębiania zastosowane do tego; osiąga się taki skutek przez używanie różnych płynów o rozmaitej zdolności studzenia (o różnym stopniu przewodzenia ciepła) i różnych sposobów postępowania przy zanurzaniu w nich hartowanych przedmiotów.

Powszechnie używana jest w o d a o temperaturze normalnej (20°), jako płyn najtańszy i wszędzie się znajdujący, który chłodzi bardzo szybko. Chcąc szybkość chłodzenia wody jeszcze bardziej zwiększyć, dodaje się ciał zwiększających jej przewodnictwo cieplne, chcąc ją zmniejszyć, stosuje się dodatki zmniejszające je. Do pierwszych należy, najczęściej stosowana, sól kuchenna i kwas siarkowy, do drugich mleko wapienne.

Parowanie wody stanowi przeszkodę w studzeniu, ponieważ para, osiadając na powierzchni przedmiotu, nie dopuszcza chłodzenia, jako gorszy przewodnik ciepła. Z tego powodu przedmioty oziębiane powinny być wkładane tak do wody, aby para nie mogła się na nich zatrzymywać, i poruszane, aby usuwać jej banieczki.

Do płynów studzących wolniej należą oleje (rzepakowy, lniany i i.), tłuszcz rybi (tran), nafta, łój stopiony. Im tłuszcz jest gęstszy, tern wolniej studzi. Kombinuje się także płyny ze sobą, np. chłodząc początkowo w wodzie, a następnie w oleju, zanurzając narzędzia w wodzie pokrytej warstwą oleju, wskutek czego olej, przylegając do powierzchni narzędzia, chroni je od zbyt szybkiego ochłodzenia w wodzie.

Narzędzia nie potrzebujące zbyt wielkiej twardości chłodzi się wolniej, tak samo przedmioty o kształtach niejednostajnych, które wskutek tego są skłonne do pękania przy chłodzeniu.

Sposób chłodzenia wpływa także na wynik hartowania, np. przedmioty wąskie a długie powinny być wkładane prostopadle do płynu, w kierunku swej długości, a nie poprzecznie, przedmioty szerokie a cienkie — stroną wąską; nie należy kawałków hartowanych wrzucać do płynu (chyba tylko bardzo drobnych rozmiarów i to do płynu poruszanego), ale trzymać je i poruszać aż ostygną. Poruszanie jest konieczne, aby przedmiot stykał się wciąż z nowemi, a więc nierozgrzanemi cząstkami cieczy. Części z otworami studzi się zapomocą płynów tryskających z rury. Przedmioty grubości niejednostajnej wkłada się do płynu najpierw stroną grubszą, aby przyspieszyć chłodzenie. Ilość płynu powinna być tak wielka, aby przez hartowanie w nim narzędzi, temperatura jego nieznacznie tylko mogła się podnieść. Przy ciągiem hartowaniu płyn powinien być chłodzony i poruszany dla wyrównania temperatury.

Przedmioty cienkie (z blachy) hartuje się czasami między grubemi płytamiz żelaza, które szybko odbiera ciepło.

Studzenie w wodzie zwykłej, czasem wapiennej, stosuje się do narzędzi hartowanych tylko na końcach, wody zakwaszonej używa się do narzędzi twardych, pracujących spokojnie. Narzędzia o kształtach trudnych, hartowane w całości, albo z bardzo twardej stali, narażone na wstrząśnienia, hartuje się w tłuszczach.

Urządzenia do studzenia. Poza zwykłemi naczyniami dostatecznej wielkości, jakie można stosować w małych zakładach, wyrabiane bywają umyślnie do tego celu służące urządzenia, umożliwiające, przy ciągłem hartowaniu wielu przedmiotów, doskonałe studzenie przy wyma-

ganej temperaturze, a więc chłodzenie lub podgrzewanie płynu, utrzymywanie go w ruchu itd. Niektóre z tych urządzeń opiszemy:

Na rys. 68 widzimy zbiornik z ciągłym dopływem i odpływem wody, która dziurkowaną rurą u dołu wpływa, a przelewem u góry wypływa.

Rys. 69 pokazuje urządzenie do chłodzenia z dwoma zbiornikami, jednym dla wody, drugim dla oleju, umie-

i-d

Ç?

r~r

î

H!

2EÜ

Rys. 68.

Rys. 69.

szczonemi w blaszanej skrzyni chłodzonej wodą, która dopływa w dole dziurkowanemi rurami a odpływa w górze.

Podobne urządzenie o dwu zbiornikach z udoskonaleniami przedstawia rys. 70. Między ścianami zbiorników a zewnętrznej skrzyni krąży woda chłodząca, dająca się podgrzewać wężownicą A, ogrzewaną gazem. Płyny utrzymuje się w ruchu zapomocą zgęszczonego powietrza, wtłaczanego od dołu do zbiorników, przez co temperatura ich może być jednostajna.

isSï

■ff

«

w

ül

.-W;

,v.

Rys. 70.

W wielkich hartowniach ustawia

gP!

mu

fl

ją w środku pracowni wielki zbiornik żelazny lub betonowy (rys. 89, str. 114) z wstawioną skrzynią żelazną na olej. Wodę chłodzącą doprowadza rura wodociągowa, odprowadza przelew. Wielka ilość wody i jej regulowane krążenie zapewnia utrzymanie jednostajnej temperatury.

in

LJ?'

przedmiotów

z otworami służą urządzenia rozmaite, jedno z nich przedstawia rys. 71. Z dyszy umieszczonej w górze tryska strumień wody na przedmiot ustawiony na pierścieniu utwierdzonym w środku naczynia, które chwyta tryskającą wodę i odprowadza otworem w dnie.

Do chłodzenia

Rys. 71.

Odpuszczanie

Z wyjątkiem pewnych narzędzi, wymagających wielkiej twardości a nie narażonych na wstrząśnienia podczas pracy, lub u których rodzaj i sposób wykonywanej obróbki nie jest niebezpieczny, odpuszcza się wszystkie narzędzia ze stali węglistej. Nie odpuszcza się np. pilników, których liczne, drobne ostrza zbierają naraz tylko bardzo małe ilości materjału i przez to nie są zbytnio narażone; jedynie tylko nóżki pilników, osadzone w trzonku i narażane na wygięcie, wymagają odpuszczenia. Nie odpuszcza się także wyrobów ze stali miękkiej, po zahartowaniu z natury rzeczy mniej kruchych, których twardość niezbyt wielka nie może już być zmniejszona.

Odpuszczanie stosuje się w różnym stopniu, zależnie od wymaganej od narzędzia gotowego do użytku twardości, elastyczności, wytrzymałości itd.

Tabela IX podaje przykłady temperatur odpuszczania pewnych narzędzi.

TABELA IX.

Temperatura odpuszczania w °C

Przedmioty odpuszczane

150-200

200-220

220—240

240-260

260-280

280-300

Narzędzia miernicze, kulki i wałki łożyskowe.

Noże do obróbki stali maszynowej, płatnie młotów, noże do cięcia papieru, rylce do metali.

Frezy, wiertła spiralne, rozwiertaki, gwintowniki, przebijaki, piłki do metali, scyzoryki, narzędzia do obróbki kamieni.

Narzędzia do obróbki drzewa, stemple do metali, młotki ręczne, szczęki gwinciarskie.

Narzędzia chirurgiczne, świdry do drzewa, siekiery, stemple do metali, dłóta dla pilnikarzy, dłóta do żelaza.

Dłóta i piły do drzewa, igły, szable, noże stołowe, piły krążkowe.

300-330

Sprężyny, kosy, piły taśmowe.

Do oceniania temperatury odpuszczania stosowane bywają dotychczas najwięcej barwy nalotowe (str. 74). Do ogrzewania odpuszczanej stali używane bywają piece ogniskowe, najniedogodniejsze do tego celu, płyty gorące, ogrzewane od spodu paleniskiem lub gazem (dogodniej), na których układa się narzędzia, zbiorniki żelazne z piaskiem, w ten sam sposób ogrzewane jak płyty. W wielkich hartowniach i przy wyrobie masowym używa się pieców płomiennych i płynowych, najczęściej olejowych (lub ze stopionym łojem), pozwalających zachować bardzo ściśle temperaturę odpuszczania.

Na rys. 72 widzimy przekrój takiego pieca. Jest to zbiornik żelazny A ogrzewany od spodu palnikami, i otoczony . osłoną B. Do zbiornika wypełnionego olejem jest wpuszczone blaszane, dziurkowane naczynie, do którego wkłada się przedmioty odpuszczane. Z boku zbiornika znajduje się wgłębienie T, do wstawienia termo-

Tl

metru.

Rys. 72.

Po ogrzaniu przedmiotu w oleju, mającym wymaganą temperaturę, wyjmuje się go i studzi w wodzie. Ogrzewanie powinno się odbywać wolno, aby nie powstały naprężenia, a jeżeli są, aby się dały, choć częściowo, usunąć.

O ile odpuszczanie nie odbywa się przy zastosowaniu pieców o wymaganej temperaturze, lecz temperatura przedmiotów zmienia się, oznacza się ją przy pomocy barw nalotowych, stosując dwie metody odpuszczania: «od zewnątrz» lub «od wewnątrz». Przy stosowaniu pierwszej z tych metod narzędzie zahartowane jest zimne lub, lepiej ze względu na naprężenia, ogrzane poniżej temperatury odpuszczenia; najlepiej ogrzewać w piasku lub na płycie. Narzędzie wkłada się w ogień, tak jednak, by nie ogrzewało się samo ostrze, które powinno być metalicznie czyste, ale dalsza jego część; ciepło dochodzące od niej do ostrza podnosi jego temperaturę, poczynają występować barwy nalotowe, a gdy żądana się ukaże, studzi się narzędzie szybko w wodzie.

Przy odpuszczaniu od wewnątrz narzędzie jest tylko na końcu zahartowane i zaraz po tej czynności, gdy jego dalsza część (trzon) jest jeszcze gorąca, oczyszcza się szybko zahartowane ostrze i obserwuje barwy nalotowe, występujące na niem pod wpływem ciepła dopływającego od trzona. Gdy żądana barwa wystąpi, następuje szybkie ochłodzenie całego narzędzia.

Chcąc zahartowane i odpowiednio odpuszczone narzędzie odpuścić dodatkowo silniej poza ostrzem, nagrzewa się je (tylko) w żądanem miejscu, aż do wystąpienia odpowiedniej barwy, i studzi. W ten sposób postępuje się z piłami ręcznemi, już odpuszczonemi, aby końce ich, zaopatrzone otworami do utwierdzenia w osadzie, zrobić giętkiemi i mniej kruchemi.

Opalanie. Do odpuszczania małych przedmiotów, zwłaszcza sprężyn, które zachować mają elastyczność, stosuje się zabieg, zwany opalaniem. Przedmioty takie, lekko ogrzane, powleka się warstewką oleju lub łoju, i znowu ogrzewa nad ogniskiem, pokąd powłoka się nie zapali; wtedy się je studzi w oleju. Ponieważ tłuszcz zapala się powyżej 200° (zależnie od rodzaju), jest chwila jego zapłonięcia oznaką że osiągnięto potrzebną temperaturę.

Ulepszanie termiczne. Tak nazywamy odpuszczanie części maszyn dla nadania im lepszej wytrzymałości. Odbywa się więc ta czynność, zwana także «uszlachetnianiem», w innym celu niż przy odpuszczaniu narzędzi. Przez ogrzanie zahartowanych (zwykle w oleju) przedmiotów do temperatur, przy których tworzy się struktura sorbityczna (str. 30) tj. przy 550—650°, ustępuje twardość wywołana zahartowaniem, ale także, co w tym wypadku jest ważniejsza, ustępuje także kruchość; natomiast w znacznie mniejszym stopniu obniża się wytrzymałość uzyskana przez zahartowanie. Wskutek takiego procesu przedmiot zyskuje bardzo wiele na wytrzymałości w porównaniu ze stanem przed procesem hartowania i odpuszczania, a nie traci dużo ze swej pierwotnej ciągliwości, staje się więc o wiele cenniejszym materjałem konstrukcyjnym.

Ulepszaniu termicznemu poddaje się najczęściej części maszyn (zwłaszcza samochodów i samolotów), wyrobione ze stali specjalnych, niklowych i niklowo-chromo-wych (często z dodatkiem wanadu), chociaż i stale wę-gliste dają się ulepszać termicznie.

Metody ulepszania tym sposobem są wynikiem kosztownych i nieraz żmudnych badań, dlatego fabryki zajmujące się tym procesem pilnie strzegą nabytych przez siebie doświadczeń. Ze względu, że książka ta nie zajmuje się stalami konstrukcyjnemi, nie będziemy tej sprawy szerzej omawiać.

Przykłady hartowania

Dla przedstawienia różnych sposobów i forteli stosowanych przy hartowaniu wogóle, podamy przykłady hartowania pewnych narzędzi, służące także do hartowania innych przedmiotów.

Noże tokarskie, wiertła, dłóta do żelaza itp. rozgrzewa się tylko od strony ostrza na długości ok. 15 mm do ciemno-wiśniowego żaru i studzi w wodzie, zanurzając nieco głębiej niż sięga żar, — aż do jego zniknięcia, poczerń wyjmuje, oczyszcza szybko (szmirglem) ostrze i ob-serwuje występujące barwy nalotowe. Gdy się żądana barwa ukaże, (żółta aż do niebieskiej, zależnie od przeznaczenia narzędzia), zanurza się nóż ponownie aż do zupełnego wystygnięcia (odpuszczanie od wewnątrz).

O ile narzędzie zupełnie się ostudza przy hartowaniu, wtedy dla odpuszczenia ogrzewa się nie sam jego koniec, ale część nieco dalszą, aby można było dogodnie obserwować na ostrzu występujące barwy nalotowe, w miarę jak dopływa ciepło od gorącego trzona narzędzia (odpuszczanie od zewnątrz). Rys. 73 przedstawia od-

(lu

ar

Rys. 73.

Rys. 74.

puszczanie tym sposobem małego wiertła przy pomocy płomienia gazowego. Dla równomiernego ogrzania należy wiertło obracać około jego osi. Zanurzanie narzędzi tego rodzaju powinno się odbywać pionowo, w kierunku osi (rys. 74 — strzałki), a po zanurzeniu poruszać wkółko (jak wykreskowane). Korzystne również jest obracanie narzędzia około osi. W czasie studzenia przedmioty trzyma się kleszczami od strony nieogrzanej.

Narzędzia krótkie, hartowane i odpuszczane w całości, obwiązuje się drutem i zawiesza (rys. 75). Do hartowania większych ilości cienkich wierteł, które mają skłonność do wyginania się, stosuje się naczynie do hartowania z ukośną dziurkowaną płytą (rys. 76), na której kładzie się wiertło, i naciskając płytą z uchwytem p, wtacza do płynu.

Narzędzia z jednego końca grubsze, np. cienkie wiertła maszynowe z normalną osadą stożkową, zanurza się w wodę najpierw grubym końcem.

Rys. 75.

SI

Narzędzia o przekroju do hartowania niebezpiecznym np. gwintowniki, otacza się umyślnie dostosowanemi przyrządami, regulującemi oziębianie. Na rys. 77 widzimy gwintownik, na który nasunięto przyrząd A tak, by jego pryzmatyczna część b przylegała swoją płaską powierzchnią do płaskiego również końca gwintownika, przyczem sprężyny c, przytwierdzone do przyrządu, zachodzą na żłobki gwintowmika, zakrywając je szczelnie. W ten sposób oba kawałki tworzą ze sobą kształt zbliżony do cylindrycznego, nie dopuszczający wcześniejszego, szybkiego i niebez- : piecznego ostudzenia cienkich części gwintownika. Czworokąt d najlepiej jest wyżarzyć w piecu płynowym.

Rys. 76.

Szczęki gwinciarskie (rys. 78) hartuje się albo nawskroś i odpuszcza od grzbietu (a), albo rozżarza tylko od strony wcięcia, do głębokości sięgającej poza wcięcie (linja 1—1), a do hartowania zanurza płyciej (linja 2—2) od strony ostrza (strzałka) zagłębiając i podnosząc naprzemian szczękę; wskutek tego między częścią zahartowaną a nie-

—A--

Z) c<

zahartowaną wytwarza się struktura przejściowa (troosty-tyczna) bez nagłych zmian, któreby były niebezpieczne dla narzędzia.

Frezy krążkowe hartuje się, zawieszając je na odpowiednim wieszaku (rys. 79 A) i zanurzając węższą stroną w płyn, a podczas oziębiania poruszając pionowo. Tak samo poste- 1 puje się z frezami walcowemi (B),    2' ~~    ~ 2

zanurzając je węższą, a więc płaską    i

Rys. 78.

stroną. Natomiast frezy ślimakowe, z wielkiemi zataczanemi zębami, zawiesza się poziomo na wieszaku (C), aby płyn obejmował je szybciej i równomierniej. Zamiast różnych wie-

T7777777777Ż

B Î

'////////.

/777777777T.

Rys. 79.

szaków używa się także koszyczków drucianych, w które wkłada się frezy do hartowania.

Formy kuźnicze, zazwyczaj bardzo grube i trudne do szybkiego ostudzenia, chłodzi się zapomocą wytrysków wodnych, jak to widać na rys. 80. Do zbiornika A, napełnionego wodą do wysokości H, dochodzi woda rurą C, umieszczoną w środku naczynia, a zamykaną wentylem G. Nad jej wylotem ustawia się rozżarzoną formę (■B) na żelaznym ruszcie J, do spodu stroną hartowaną, i wypuszcza na nią z rury silny strumień wody, który ją nagle ochładza, wywołując zahartowanie zewnętrznej warstwy. Tryskająca na powierzchnię formy woda zbiera

się następnie w zbiorniku, i — przy zamkniętym odpływie i, podnosi się w górę aż do wysokości L, gdzie jest przelew D. W ten sposób najpierw wytrysk ochładza powierzchnię formy, następnie woda obejmuje całą formę, przyczem jednak najzimniejsza (koło wytrysku) styka się z powierzchnią dolną (hartowaną). Aby uniknąć powstania naprężeń wskutek jednostronnego chłodzenia formy, skrapia się ją także od góry natryskiem E, regulowanym wentylem F. Skrapianie to jest jednak słabsze niż od dołu,

u.

■t5i

KfT³

to I *>]

Rys. 80.

gdyż ma na celu tylko stopniowe chłodzenie strony górne] formy, nie podlegającej hartowaniu, jak dolna.

Piły krążkowe z powodu wielkiej średnicy a małej grubości skłonne są do wygięcia przy hartowaniu. Aby temu zapobiec używają fabryki, pracujące masowo, do hartowania takich pił prasy, o płytach wewnątrz pustych i chłodzonych krążącą wewnątrz wodą lub olejem. Rozżarzone w piecu krążki wkłada się między płyty prasy i ściska, zetknięcie z niemi wywołuje oziębienie a więc i zahartowanie krążka. Nie stosując tego sposobu można zahartować piły bez odkształcenia, ściskając je z obu stron między grubemi żelaznemi krążkami, o średnicy około 50 mm mniejszej. Do tego samego celu używane bywają kleszcze w kształcie krążków z licznemi sztyftami, któremi się chwyta piłę i zanurza w płynie chłodzącym; naciskające piłę w wielu miejscach sztyfty, nie dopuszczają wygięcia. Pojedyncze krążki udaje się często zahartować w stanie swobodnym bez deformacji, zanurzając je szybko wąską stroną w wodę («przecinając» niemi wodę).

Młoty. Małe młotki chwyta się po rozżarzeniu od-powiedniemi kleszczami (rys. 81) włożonemi w otwór, i chłodzi odwracając je i naprzemian zanurzając jedną i drugą stronę. Część środkowa, mieszcząca otwór na

>•

Rys. 81.

trzonek, nie doznaje zahartowania. Odpuszcza się je «na niebiesko».

Młoty większe ogrzewa się w całości i najpierw hartuje zwężony koniec a następnie płatnię; podczas tego środek ostyga i pozostaje miękki. Młoty te bywają zwykle wyrabiane z miękkiej stali, i nie podlegają odpuszczaniu, albo tylko bardzo słabemu (barwa jasno-żółta).

Młoty wielkie ogrzewa się najpierw od strony płatni i hartuje, następnie z drugiej.

Stosują także strumień tryskającej wody dla chłodzenia (rys. 82). Tak samo w wytrysku hartuje się ni-towniki, przyczem strumień uderzać powinien u szczytu wgłębienia, rozlewając się następnie dzwonowato (rys. 83), przez co wgłębienie doznaje największego oziębienia i jest tak samo zahartowane jak brzegi. Przy oziębianiu przez zanurzenie, doznają ostre brzegi silniejszego zahartowania, i przy robocie łatwo się wykruszają, podczas gdy wgłębienie, niedostatecznie oziębione pozostaje miękkie.

Pilniki, jak już była mowa, nie bywają po zahartowaniu odpuszczane, jedynie nóżka, osadzona w trzonku, doznaje zupełnego odpuszczenia, aby nie była krucha i przez to skłonna do ułamania się.

's

fft

Wydrążenia, otwory, wgłębienia, których powierzchnia ma być zahartowana, jeżeli są płytkie, hartuje się przy pomocy natrysków. Długie otwory, do których prąd wody nie mógłby dojść, chłodzi się zapomocą wpuszczonej do środka rury (rys. 84) na całej długości otworu dziurkowanej, przez którą tryska woda, dopływająca pod ciśnieniem. O ile powierzchnia otwo-    ,||V

ru nie ma być zahartowana, należy */ p ||j ją chronić przed dopływem cieczy ™ chłodzącej, wypełniając otwór gliną, zatykając azbestem, zakrywając Rys. 82. z obu stron żelaznemi płytkami, Rys. 83. przyciskanemi śrubą itp.

Podobnie ochrania się powierzchnię przedmiotów tylko częściowo hartowanych, np. czopy wałków służących do walcowania blachy na zimno, okrywając je kawałkiem rury, blaszaną puszką itp. i wypełniając wnętrze gliną, azbestem itd. Czopy wskutek tego niezaharto-wane, nie nabierają niebezpiecznej dla nich kruchości.

y—

ooooooooooo

Hartowanie stali szybkotnącej

Stale te, wyrabiane przez liczne huty w doskonałych jakościach, miewają bardzo zmienny skład. Podany na str. 36 średni skład stali szybkotnących wskazuje, jak wielkie bywają różnice zawartości poszczególnych składników, co naturalnie bardzo znacznie oddziaływa na zachowanie się ich w czasie procesu hartowania. Dlatego nie można, — jak to było ze stalą węglistą, określić sposobu postępowania przy hartowaniu w odniesieniu do zawartości węgla; obok niego działają tu wielkie ilości dodatków innych metali, z których każdy wywiera pewien wpływ, a których ilość i zawartość w pewnej stali jest zazwyczaj nam nieznana.

Fabryki stali narzędziowych podają szczegółowe przepisy postępowania przy hartowaniu dostarczanych przez nie gatunków stali, przepisy ułożone na podstawie przeprowadzanych w hucie doświadczeń i badań. Przepisów tych należy żądać przy zakupnie stali i stosować się do nich przy wyrobie narzędzi. Zdarza się, że warsztat pracując długo z pewnym gatunkiem stali, wyrobi sobie ; z czasem nieco odmienny i dla niego odpowiedniejszy sposób postępowania; jest to jednak rzecz długiego doświadczenia, którego się nie posiada, otrzymując po raz pierwszy pewien rodzaj stali, — wtedy należy trzymać się ściśle przepisów huty.

Ogólne zasady postępowania przy hartowaniu stali szybkotnącej są następujące: Czynność hartowania odbywa się na tych samych zasadach jak przy stali węgli-stej, tj. stal poddaje się najpierw ogrzaniu a następnie oziębieniu, ale obie te czynności wykonywa się odmiennie niż tam.

Ogrzanie poprzedza jak wiadomo dokładne przekucie stali podczas formowania narzędzia, aby zawarte

w niej grube ziarna i złoża wielokrotnego karbidu zostały jak najbardziej rozdrobnione. Ogrzewanie do hartowania, mimo stosowanych bardzo wysokich temperatur (do 1300°) nie wytworzy zupełnego roztworu karbidu wielokrotnego, którego tylko część rozpuści się w żelazie, reszta pozostałych ziarn przybierze wskutek przebytego, częściowego rozpuszczenia na powierzchni, kształt drobnych, kulkowatych ziarnek (rys. 19 str. 37). Ogrzewanie stali do tak wysokiej temperatury przedstawia dla niej niebezpieczeństwo, raz dlatego, że stal ta, będąc zwłaszcza w niższych temperaturach, gorszym przewodnikiem ciepła niż węglista, ma skłonność do pękania przy nagłem ogrzaniu, a powtóre, że w temperaturach wysokich grozi jej przegrzanie i utlenienie, gdy znajduje się w atmosferze gazów, choćby tylko słabo utleniających. Dlatego jest regułą, że stal szybkotnącą ogrzewa się wolno do 700° a następnie szybko do wymaganej temperatury hartowania.

Oziębianie jest również procesem o wiele trudniejszym niż u stali węglistej, raz z powodu o wiele większej różnicy temperatur przed i po oziębieniu (stal wę-glistą hartuje się przy ok. 750°, szybkotnącą ok. 1200°), a po drugie, dla znacznie gorszego u niej przewodnictwa ciepła, przez co oziębiana nie stygnie, a tem samem nie kurczy się dość szybko. Gdyby chłodzenie tej stali podczas hartowania odbywać się musiało tak nagle jak stali węglistej, to narzędzia popękałyby niewątpliwie, — istotnie też pierwsze próby hartowania stali szybkotnącej w zimnej wodzie zupełnie się nie udawały.

Na szczęście przemiany w tej stali odbywają się bez porównania wolniej niż w stali węglistej, nie potrzeba zatem studzić jej tak raptownie ale wystarczy chłodzenie znacznie powolniejsze zapomocą środków działających łagodniej, do których należy powietrze pod ciśnieniem (3—5 atmosfer) lub olej, tran, łój stopiony itp.

Urządzenia do ogrzewania są takie same jak dla stali węglistej, liczyć się tylko trzeba ze znacznie wyższą temperaturą pieców, przyrządy do mierzenia temperatury muszą być również dostosowane do tego.

O ile chłodzenie odbywa się zapomocą zgęszczonego powietrza, muszą być do tego odpowiednie urządzenia. Dla narzędzi prostych wystarczy zwykły przewód doprowadzający powietrze wprost na ostrze narzędzia: noża, wiertła itp. (rys. 85). Przy hartowaniu większej naraz liczby takich narzędzi, umieszcza się je obok siebie w skrzynkach blaszanych, przez które przepływa zgę-szczone powietrze.

Dla frezów wymagających chłodzenia na całym

wmÊmmm

Rys. 86.

Rys. 85.

obwodzie, używa się obrotowej podkładki, jak na rys. 86, obracającej się na łożysku kulkowem. Podkładka ma w środku czop c do założenia hartowanego freza f i skrzydełka s. Po nałożeniu freza na czop puszczamy prąd powietrza tak, by trafiał w jego ostrza; wskutek tego, że powietrze uderza także w skrzydełka, doznaje podstawka obrotu, przez co chłodzenie wszystkich ostrzy freza odbywa się równomiernie. Aby działanie było szybkie, stosuje się naraz kilka dysz powietrznych, jak to widzimy na rys. 87, gdzie powietrza dostarczają trzy dysze d połączone gumowemi wężami z przewodem powietrza, o kierunku dowolnie nastawialnym na słupkach a zapomocą śrub.

Noże ze stali szybkotnącej nie podlegają odpuszczaniu, ponieważ stal ta nie jest po zahartowaniu tak krucha jak węglista.

Wyżarzanie dla ponownego przekucia zużytego noża

Rys. 87.

odbywa się powyżej temp. 700°, ponieważ dopiero przy tej temperaturze stal szybkotnąca doznaje wydatnego odpuszczenia. Stal tę kuje się w temperaturze 1200° a 900°.

Narzędzia pomocnicze

Między rozmaitemi narzędziami, jakich używa się w hartowni, wyróżnić należy różnego rodzaju k 1 e-s z c z e, w dostatecznie wielkim doborze, aby przedmioty hartowane o postaci rozmaitej i różnej wielkości, można było wygodnie i pewnie ujmować i trzymać w czasie roboty. Narzędzia powinny być ułożone w pewnym porządku, aby było łatwo znaleźć potrzebne. Do tego celu służą wieszadła ścienne albo przewoźne statywy, z których jeden przedstawia rys. 88.

Oczyszczanie przedmiotów hartowanych

Wskutek przebytego żarzenia, studzenia i odpuszczania, a więc stykania się z płomieniem, rozżarzonym węglem, powietrzem, wodą i innemi płynami, może być powierzchnia stali w rozmaity sposób zanieczyszczona lub zabarwiona. Jeżeli hartowanie odbywa się do własnego użytku warsztatu, na małą skalę, a narzędzie dostaje się

KM

Rys. 88.

zaraz do rąk robotnika, niema potrzeby poddawać go oczyszczaniu, wystarczy osuszenie, obtarcie itp. Gdy jednak ma ono pozostać na składzie przez czas dłuższy, jak to się dzieje w większych fabrykach, mających osobny oddział przygotowywania narzędzi, albo narzędzia wyrabia się do sprzedaży, wtedy muszą one przechodzić zewnętrzne wykończenie (oczyszczenie), raz dlatego, aby na składzie nie zardzewiały, a powtóre by ich nieładna powierzchnia nie odstręczała nabywców. Pewne przedmioty, jak narzędzia miernicze, kulki łożyskowe itp. musza być w każdym wypadku obrobione na powierzchni przez szlifowanie czy polerowanie.

Sposób oczyszczania zależy od rodzaju i ilości wyrobów. Przedmioty małe, nie mające ostrych krawędzi i wyrabiane masowo, można oczyszczać w blaszanym, obrotowym bębnie, z dodatkiem trocin, piasku, zendry itp. Większe oczyszcza się bardzo szybko w d m u-chawce piaskowej, gdzie drobne ziarna piasku, wyrzucane z dyszy prądem powietrza, działają bardzo szybko, wytwarzając miłą dla oka, srebrzysto-szarą, matową powierzchnię.

Przedmioty hartowane lub odpuszczane w oleju oczyszcza się w gorącym roztworze sody.

Ponieważ powierzchnie zabarwione nalotami wyglądają pięknie, utarł się dla pewnych przedmiotów hartowanych zwyczaj sprzedawania ich w zabarwieniu nalo-towem, co ma być także dowodem, że narzędzie zostało odpowiednio odpuszczone. Nie jest to trafne, gdyż wiemy, że przy tej samej temperaturze można otrzymać kolejno wszystkie barwy nalotowe, i zależy to tylko od czasu przez jaki trwa ten proces, z drugiej zaś strony można odpuszczać w piecach płynowych, bez wywołania nalotu. Gdy jednak handel żąda barwy nalotowej, należy ją nadawać wyrobom. Przedmioty takie muszą być poprzednio oczyszczone, aby nalot wypadł równo i pięknie.

Urządzenie hartowni

Z opisanych zabiegów i służących do nich urządzeń, możemy zdać sobie sprawę, że jakkolwiek czynność hartowania da się u prostych narzędzi i zwyczajnej stali wykonać przy bardzo prostych urządzeniach, to jednak stosując nowoczesne sposoby hartowania, wymagające jak największej jednolitości procesów, wyrabiając narzędzia

czy inne przedmioty w większych ilościach, stosując nowe gatunki stali i chcąc pracować jak najbardziej ekonomicznie, należy posługiwać się urządzeniami doskonalszemu i mieć do rozporządzenia różne ich rodzaje. To też nowoczesne hartownie większych fabryk są oddzielnemi, zasobnie wyposażonemi zakładami, i stanowią jeden z najważniejszych organów fabryki. Na rys. 89 widzimy obraz takiej nowoczesnej hartowni fabrycznej x) z róż-nemi piecami, kąpielami chłodzącemi, mierzeniem temperatury, rurociągami dla odprowadzania chwytanych okapami spalin i wyziewów uchodzących z pieców.

Zakłady małe ale prowadzone z nowoczesną, niezbędną dziś ekonomją, powinny posiadać także postępowe, choć skromniejsze urządzenia.

Błędy hartowania

W przedmiotach zahartowanych występują często różne nieprawidłowości, przedewszystkiem naprężenia i niedostateczne zahartowanie. Te nieprawidłowości, mówiąc inaczej — błędy, mają swe źródło w materjale lub przebytej obróbce. Błędy są często drobne i nieszkodliwe, lub dające się usunąć, niekiedy zaś tak znaczne, że czynią zahartowany przedmiot bezużytecznym.

Naprężenia. Hartowaniu jak wiemy towarzyszy powiększenie objętości, odpuszczaniu zmniejszenie. Jeżeli kształt przedmiotu jest równomierny, wtedy rozszerzanie czy kurczenie odbywa się jednakowo we wszystkich kierunkach. Taki najkorzystniejszy wypadek zachodzi przy hartowaniu kuli, która jednostajnie się powiększa, przy odpuszczaniu jednostajnie kurczy. Każdy inny

¹) Urządzona przez firmę Schuchardt & Schütte w Wiedniu, która z grzeczności dostarczyła fotografji.

Hartowanie stali.

fir

•, ■ •:

il

;* kJ

' .4

'    ' T]

K

I

Jg||

| •

j

Rys. 89.

w

* rft

■

Wà

jf

:

m

'

••i    ■

Eli

B®:

'

H

• ;

*1

ß

.

,

■ ■

W:

! . ■

hüi'l-

^ 4 M

•» ::

m

\$j

kształt doznaje deformacji niejednolitej, np. sześcian z powodu większego oddalenia naroży od środka niż mają krawędzie, otrzyma przekrój o kształcie przedstawionym nieco przesadnie na rys. 90.    ^

■■

Rys. 90.

Im kształt przedmiotu jest bardziej \ złożony, tern odkształcenia są niebezpieczniejsze, a naprężenia bardziej niejednolite. Jak bardzo na kształt przedmiotu działa hartowanie, poucza rys. 91, przedstawiający cylin- , dryczny kawałek (a), wielokrotnie Zahartowany i żarzony, który po 200 takich procesach przybrał postać beczkowatą (b), a po 300 stał się prawie kulistym (c).

Naprężenia wywołane zmianami objętości mogą być niewidoczne, to znaczy, że siły działające wewnątrz przedmiotu są przezwyciężone wytrzymałością materjału, dlatego nie występują odkształcenia ani pęknięcia. Można śmiało powiedzieć, że w każdym przedmiocie zahartowa-

.j-:

•: '0} '

Rys. 91.

nym istnieją naprężenia, chodzi tylko o to, aby nie były wielkie i, wskutek działania dodatkowego sił zewnętrznych, nie wywołały pęknięcia czy deformacji. Często zdarza się, że naprężenia są bardzo duże, wtedy przedmiot doznaje odkształcenia czyto wyginając się czy pękając. I pierwszy i drugi wypadek jest szkodliwy, dlatego starać się trzeba, aby naprężenia były jaknajmniejsze i nie sprowadzały niebezpieczeństwa dla całości przedmiotu.

Naprężenia powstają z wielu powodów: 1. Jeżeli przedmiot nie był wyżarzony przed hartowaniem i były w nim już naprężenia, pochodzące z przeróbki kuźniczej, z prostowania lub wykończania na zimno; 2. gdy przedmiot był niejednostajnie ogrzany do hartowania, wtedy zmiany objętości, wywołane tym procesem, będą w różnych miejscach niejednakowe, co spowoduje naprężenia;

3.    gdy chłodzenie stali dla zahartowania było niejednostajne, co jest powodem niejednolitych zmian objętości;

4.    gdy odpuszczenie było niejednolite; materjał przy tym zabiegu zmienia objętość (kurczy się) odpowiednio do temperatury, jeżeli ona nie jest wszędzie taka sama, powstać muszą naprężenia.

Gdy te czynniki występują w sposób wybitny, wywołują odkształcenie lub pękanie przedmiotu. Muszą jednak w stali istnieć sprzyjające temu warunki: 1. Zawiły kształt przedmiotu wymaga łagodnego hartowania; gdy jest ono za nagłe, np. w wodzie zamiast w oleju, może wystąpić deformacja. 2. To samo może się zdarzyć, gdy oziębienie nie odbywa się równomiernie z powodu niejednakowej grubości poszczególnych części przedmiotu, — części cienkie doznają ostudzenia nawskroś, gdy w grubych dojdzie ono tylko do pewnej głębokości. Pęknięcie powstałe podczas studzenia można rozpoznać, gdyż jest ono zwykle pokryte rdzą. 3. Przegrzanie podczas rozżarzania wywołuje strukturę gruboziarnistą i kruchą, nieodporną wobec naprężeń. Może ono wystąpić tylko w cienkich częściach przedmiotu, nie okazując się jeszcze w grubszych, — to jednak nie zmniejsza niebezpieczeństwa, bo właśnie części cieńsze są mniej odporne. Błędy ustroju w materjale przyspieszają często odkształcenia; jeżeli np. wolny cementyt w stalach nadperlitycznych rozłoży się siatkowo (rys. 24, str. 41)), co zwykle zachodzi przy tężeniu stali surowej, a przez przekucie i wyżarzenie nie zostanie przekształcony w drobne ziarna, stal łatwo pęka. 5. Niebezpieczne są również wobec istniejących naprężeń bańki gazu lub kropelki żużla, rozwalcowane w cienkie krążki, które przerywają ciągłość materjału. 6. Sprzyjają pęknięciu błędy lub celowe wymagania konstrukcji, gdy grube części przedmiotu przechodzą bezpośrednio w cienkie, tworząc ostre wcięcia. Na rys. 92 widzimy dwa schematyczne szkice sprawdzianu walcowego, z których jeden (1) ma ostre przejście między cienkim chwytem (c) a grubym cylindrem (s), w drugim zaś (2) przejście to odbywa się łagodnie, powodując przy harto-

Rys. 92.

waniu mniejsze naprężenia. Obraz pękniętego sprawdzianu o konstrukcji jak szkic 1 widzimy na rys. 93. 7. Wreszcie szlifowanie przedmiotu zahartowanego, jeżeli odbywa się za nagle i wywołuje miejscowe rozgrzanie materjału, spowodować może pęknięcie. Wtedy w miejscu szlifowania tworzą się niewidoczne dla oka rysy, które przy slabem nawet natężeniu przechodzą w zupełne pęknięcie. Rysy rozpoznać można, zanurzając miejsce podejrzane w nafcie i posypując je potem sproszkowaną kredą, która uwydatni rysę. Można też pęknięcie rozpoznać przez opukanie. Przedmiot nieuszkodzony zawieszony swobodnie, gdy go uderzymy czemś twardem np. małym młotkiem, wydaje czysty i długo dźwięczący ton, natomiast gdy jest pęknięty, wydaje ton głuchy, szybko zanikający.

O ile przedmiot pękł, nie można go już naprawić, gdy się tylko wygiął, udaje się często naprostować go, naciskając ze strony wypukłej; pomaga tu lekkie rozgrzanie materjału, które jednak nie może być większe niż było przy odpuszczaniu, inaczej bowiem zanika wpływ hartowania. Budują do tego celu przyrządy, w których potrzebny nacisk wywiera śruba.

Cl

Gdy przedmiot nie jest za silnie zahartowany, a wykonany jest ze stali niezbyt twardej, można wygięcie usunąć przez klepanie na zimno młotkiem miejsca wygiętego; wywołane tą czynnością naprężenia działają w kierunku przeciwnym i mogą spowodować naprostowanie przedmiotu.

Rys. 93.

Niedostateczna twardość zahartowania objawiać się może albo w całym przedmiocie albo tylko w poszczgólnych jego częściach. W pierwszym wypadku przyczyna leżeć może w jednym z następujących powodów: 1. Zawartość węgla w stali użytej do wyrobu przedmiotu była za mała, aby po prawidłowem zahartowaniu mógł osiągnąć wymaganą twardość. Poprawić takiego stanu nie można. 2. Ogrzanie do hartowania było niedostateczne (poniżej temperatury krytycznej), i zahartowanie albo wcale nie nastąpiło (ogrzanie poniżej A,) albo niedostatecznie (temp. między A₁ i A₃), jak widzieliśmy na rys. 62, str. 84. Przedmiot taki należy wyżarzyć i zahartować na nowo, przy odpowiedniej temperaturze. 3. Chłodzenie dla zahartowania było niedostateczne, (np. w oleju zamiast w wodzie), nie osiągnięto struktury martenzytycz-nej ale troostytyczną lub mieszaną. Przedmiot należy po-

nownie zahartować w sposób należyty. 4. Podczas obróbki poprzedzającej hartowanie (kucie, żarzenie) nastąpiło odwęglenie na powierzchni, wskutek niedostatecznego zabezpieczenia przedmiotu (np. bez ułożenia w proszku węglowym). Przy hartowaniu zewnętrzne warstwy przedmiotu nie mogły wskutek tego nabrać potrzebnej twardości. Jeżeli kształt przedmiotu pozwala na to, należy po po-przedniem wyżarzeniu zeszlifować miękką warstwę i na nowo go zahartować. Gdy to nie jest wykonalne z jakiegoś powodu, można powierzchnię utwardzić przez nawe-glenie wierzchniej warstewki przedmiotu zapomocą że-lazocyjanku potasu, o czem będzie mowa przy cementowaniu. Jest to jednak tylko półśrodek, bo taka twarda warstwa nie sięga głębiej, więc tylko w wyjątkowych razach może rzetelny hartownik zastosować ten zabieg.

Zahartowanie niejednostajne objawia się w ten sposób, że pewne części przedmiotu są po zahartowaniu twarde, pewne nie. Powodem tego jest niejednolite postępowanie przy zabiegach hartowniczych, a więc:

1.    Nierównomierne ogrzanie, wskutek czego, w pewnych częściach przedmiotu temperatura hartowania była za niska; zdarza się to najłatwiej przy ogrzewaniu w ognisku.

2.    Oziębianie dla zahartowania było niejednostajne i miejscami nie dość nagłe, np. w przedmiotach niejednakowej grubości. 3. Zajść także mogło odwęglenie na pewnych częściach powierzchni przedmiotu albo zakażenie siarką z nieczystego paliwa; oba ostatnie wypadki zdarzają się w piecu ogniskowym. O ile zaszedł jeden z wypadków wymienionych najpierw tj. nierównomierne ogrzanie lub oziębienie, można sprawę naprawić, wyżarzając przedmiot i na nowo hartując go poprawnie; o ile zaszły ostatnie dwa wypadki, stan rzeczy nie da się naprawić.

Do błędów występujących niekiedy w stali zahartowanej należy tz. przełom czarny, objawiający się czarnym ośrodkiem w przełomie stali, jak to widać na rys. 94.

Przyczyna tego objawu nie jest dostatecznie wyjaśniona, zdaje się, że tkwi ona w procesie walcowania stali lub kucia przy temperaturze za niskiej, a także w za Wysokiem ogrzaniu podczas wyżarzania stali. Jest prawdopodobne, że już w surowym mate-rjale tkwią powody wywołujące to zjawisko podczas obróbki. Jako powód uważają występowali w stali, wyrobionej w piecu hutniczym, pyłków czystego węgla, które potem powodują wydzielenie się węgla czystego tz. węgla żarzenia w stali wskutek procesów

iii

kuźniczych.

Narzędzia składane

Rys. 94.

Stal szybkotnąca jest bardzo droga, z tego powodu wyrabiane z niej w całości noże są kosztowne. Tymczasem jest rzeczą obojętną dla zdolności obróbczej noża, z jakiego materjału jest wyrobiony trzon, byle miał dostateczną wytrzymałość na działające na niego siły podczas pracy; może zatem być wykonany ze zwykłej, znacznie tańszej stali węglistej, stal szlachetna jest bowiem potrzebna tylko w ostrzu. Dlatego już oddawna praktykuje się stosowanie stali szybkotnącej tylko na części noża, stanowiące jego ostrze. Jest wiele konstrukcyj trzonów, w których zapomocą śruby, klina czy innego sposobu osadzony jest w silnej oprawie ze stali węglistej krótki i stosunkowo cienki nóż ze stali szlachetnej, stanowiący ostrze; składane noże tego rodzaju nie znalazły dotychczas w praktyce szerszego zastosowania, natomiast bardzo

rozpowszechnione są noże o trzonach wyrobionych ze zwykłej stali np. martinowskiej, (rys. 95 a), do których przytwierdzone są trwale, przez zgrzanie lub zlutowanie, płytki ze stali szybkotnącej (b).

Rys. 95.

Więcej używa się obecnie noży o płytkach przygrzanych, ponieważ robota ta jest prostsza niż zlutowanie, a narzędzie gotowe można hartować jak ze stali jednolitej.

Mając wykuty trzon noża z dość twardej stali zlewnej, aby miał potrzebną wytrzymałość, dopasowuje się do niego dokładnie płytkę ze stali specjalnej i obie części ogrzewa do czerwoności (700—800°); gdy to osiągnięto, oczyszcza się szybko powierzchnię styku z zendry, posypuje proszkiem zgrzewczym, i lekkiem uderzeniem młotka dociska płytkę, przez co powstaje tymczasowe złączenie na zasadzie przyczepności (adhezji). Można ponadto połączenie utrwalić, owijając je cienkim drutem. Wtedy tak przygotowany nóż ogrzewa się szybko do białego żaru (1200—1300°), i wyjąwszy z pieca, dokonywa złączenia, wywierając spokojny nacisk przy pomocy prasy lub w imadle. Po zgrzaniu należy narzędzie bardzo wolno ostudzić (w skrzynce z rozżarzonym węglem drzewnym, aż do ostygnięcia). Czyni się to dla zapobieżenia naprężeniom, mogącym łatwo wystąpić, ponieważ oba złączone ze sobą rodzaje stali mają odmienny współczynnik przewodnictwa ciepła i stygnąc szybko, kurczą się niejednakowo. Po ostygnięciu i oczyszczeniu noża następuje hartowanie w sposób przepisany dla stali specjalnej. Jako proszek zgrzewczy nadaje sie mieszanina 5 części prze-żarzonego boraksu i 2 części drobnych, wolnych od rdzy opiłek żelaza miękkiego, — zalecają także dodatek tłuczonego szkła. Proszek zgrzewczy wytwarza w miejscu złączenia żużel, chroniący powierzchnię stali od utlenie-nia i rozpuszczający tlenek, o ile się wytworzył. Trzon ze zwykłej stali, będącej lepszym przewodnikiem ciepła niż stal szybkotnąca, lepiej odprowadza ciepło, wywiązujące się wskutek obróbki, co jest korzystne dla trwałości noża.

Wielkie warsztaty stosują do zgrzewania prąd elektryczny, używając do tej czynności specjalnych maszyn; prąd przepuszczony przez miejsce styku obu stali, ogrzewa je do potrzebnej temperatury, poczem następuje nacisk dla złączenia.

Ujemną stroną nagrzewania płytek stalowych jest potrzeba wywarcia nacisku dla złączenia, przy Wysokiem ogrzaniu, a więc wielkiej plastyczności materjału; wyklucza to możność stosowania płytek profilowanych bo je deformuje nacisk. W takich razach zastosowuje się 1 u-t o w a n i e, które jednak wyklucza możność zahartowania narzędzia, a płytka ze stali specjalnej musi być przedtem zahartowana. Lutuje się zapomocą mosiądzu w postaci wiórków lub cienkiej blachy z dodatkiem boraksu, albo stosuje się gotową pastę, zawierającą proszek miedzi i odpowiednie dodatki dla oczyszczenia powierzchni łączonych i ochrony od utlenienia.

Cementowanie

Cementowanie stosowane bywa przeważnie jako sposób nadawania twardości pewnym częściom maszyn, podlegającym mechanicznemu zużyciu (czopy wałów, koła zębate, trzony tłokowe, dźwignie sterujące przy motorach itp.). Do cementowania używa się jak wiadomo stali o bardzo małej zawartości węgla, a także stali specjalnych, niklowych i niklówo-chromowych, w których nikiel działa korzystnie na strukturę i zmniejsza niebezpieczeństwo przegrzania (gruboziarnistości), występujące wskutek silnego żarzenia przedmiotów cementowanych.

Jako materjału służącego do nasycenia karbidem przedmiotów cementowanych, używa się wielu materja-łów, które zawierają węgiel w stanie gotowym (węgiel drzewny, sadza, sproszkowany węgiel ze skóry lub kości), ciał organicznych zawierających węgiel (róg, kopyta, kości zmielone) i związków chemicznych, wydzielających w wysokiej temperaturze gazy nawęgla-jące (węglan barowy, węglan sodowy, żelazocyjanek potasowy). Materjałów płynnych lub gazowych, zawierających związki węgla, nie używa się w procesach cementowania, stosowanych powszechnie w fabrykach maszyn. Wartość i działanie powyższych środków cementacyj-nych jest rozmaita. Węgiel drzewny jest mater jąłem bardzo czystym ale działa wolno, dlatego, prawie zawsze stosowany, mieszany jednak bywa z innemi ciałami. Węgiel ze skóry zawiera związki azotowe, które, jak to już praktyka dawno pokazała, a potwierdziły później doświadczenia, ułatwiają rozpuszczanie się karbidu, a nasycając żelazo, zwiększają twardość nawęglonej warstwy, ale także i jej kruchość. Podobnie działa sproszkowany róg, kopyta itp. Węgiel kostny zawiera związki fosforu, dlatego należy być oględnym w stosowaniu go do cementowania. Węglany rozgrzane z węglem wydzielają tlenek węgla, który, jak wiemy, jest istotnym czynnikiem cementującym. Rozkład tych soli odbywa się szybko, należą więc do materjałów nawęglających energicznie. Żelazocyjanek potasowy [znak chem. Fe (CN)₆ K₄] jest to żółta sól, łatwo rozkładająca się w temperaturze żaru, i silnie na-węglająca.

Cementowanie powinno się tak odbywać (str. 47), aby warstwa nawęglona zawierała około 0.9°/o węgla, wyjątkowo tylko więcej, a nasycenie karbidem zmniejszało się ku wnętrzu stopniowo, a nie urywało nagle. Dobry wynik nawęglenia zależy od tego, czy szybkość nasycania odpowiada szybkości przenika-n i a (dyfuzji) karbidu do wnętrza; gdy jest niewystarczająca, tworzy się na powierzchni owa silnie nawęglona, niebezpieczna skorupa.

Na wynik i postać cementowania warstwy nawęglo-nej składa się stosowana temperatura, długość żarzenia, własności materjału cementowanego i dobór środków cementujących. Im temperatura jest wyższa, tern nawęglenie szybciej się odbywa, za wysoka powoduje tworzenie się warstwy silniej nawęglonej, nie trzeba więc iść za daleko, co zresztą nie jest wskazane także z tego powodu, że wskutek wynikłego stąd przegrzania tworzy się struktura gruboziarnista. Temperatura za niska powoduje znowu przedłużanie się procesu, a więc większe zużycie paliwa i gorszą ekonomję roboty. Najkorzystniejsze jest cementowanie przy 900°; jako granicę najniższą przyjmuje się 850°, najwyższą 950°, rzadko 1000°. Długość cementowania wpływa mniej na tworzenie się nagłego przejścia (skorupy), gdyż nasycający żelazo karbid, ma czas przenikać do warstw głębszych, tworząc ową pożądaną, przejściową strukturę, — jednakże powolne cementowanie jest nieekonomiczne. Najodpowiedniejsza szybkość nawęglania wynosi 1—1¹/₂ godziny dla warstwy o grubości 1 mm, a ponieważ grubość warstwy nawęglonej wynosi 0.5—3 mm, zależnie od przeznaczenia wyrobu, zatem czas procesu wyniesie 1—4 godzin. Stale niklowe nawęglają się znacznie wolniej, dlatego cementowanie ich trwa 4—6 razy dłużej.

Żelazo cementowane powinno być bardzo miękkie (poniżej 0.2°/o węgla), bo wtedy karbid lepiej przenika do warstw głębszych.

Dobór materjału cementującego ma znaczenie dla szybkości nawęglania. Użycie środków nasycających wolno przedłuża proces, — działających nagle wytwarza kruchą skorupę. W praktyce istnieje wiele recept na mieszaniny cementujące; często są one dobre, często jednak

zawierają dodatki niepotrzebne. Najgorsze są tajemnicze środki, reklamowane pod różnemi, osobliwemi nazwami, bo często obok użytecznych, zawierają niepotrzebne a nawet szkodliwe dodatki, a cena ich jest zawsze znacznie wyższa od wartości składników.

Główną część mieszaniny nawęglającej stanowi zawsze węgiel drzewny, w mniejszej ilości węgiel ze skóry i kostny. Dodatków proszku z rogu i kopyt stosuje się około 10°/o całej ilości. Węglanów używa się również dużo, żelazocyjanku potasowego nie więcej niż 2°/₀. Oto kilka używanych mieszanin:

60°/₀ węgla drzewnego, 40°/o węglanu barowego,

90°/₀ węgla drzeMmego, 10°/o węglanu sodowego (sody), 50°/o węgla drzewnego, 20°/₀ węgla ze skóry, 30°/₀ sody, 89°/₀ węgla drzewnego, 10°/o mielonych kopyt i rogów,

l°/₀ żelazocyjanku potasowego.

Mieszanina podana na czele działa bardzo dobrze i jest tania, gdyż zużywa się bardzo wolno.

Piece do cementowania używane, są to piece płomienne, ogrzewane węglem lub płynnem paliwem, tych samych typów jak przy hartowaniu, tylko większe, jeżeli służyć mają do cementowania większych przedmiotów. Wyroby do cementowania układa się w skrzyniach z blachy stalowej, wytłaczanych lub wyrobionych przez stapianie, także odlewanych, kształtu najczęściej prostokątnego, czasem okrągłego. Mieszczą w sobie albo jeden przedmiot wypełniający je, albo większą ilość małych; w tym ostatnim wypadku nie należy używać skrzynek dużych, bo wtedy przedmioty, położone bliżej ścian, szybciej i silniej się rozgrzeją i nacementują niż położone w środku. Ułożenie wyrobów w skrzynkach powinno być staranne, to znaczy powinny być należycie obłożone ubitym proszkiem cementacyjnym, nie mogą dotykać się wzajemnie ani ścian naczynia, na spodzie i na górze

Niektóre części maszyn wymagają utwardzania tylko na pewnych powierzchniach na innych powinny pozostać miękkie i podatne. Cementując taki przedmiot, należy powierzchnię części, które nie podlegają nawęgle-niu, ochronić przed niem zapomocą odpowiedniej osłony, albo umożliwić późniejsze usunięcie warstwy nawęglonej przed hartowaniem.

skrzynki warstwa proszku winna być grubsza. Dla oszczędności paliwa i czasu należy skrzynkę w całości wypełniać wyrobami. Pełną skrzynkę zamyka się pokrywą i oblepia szczelnie gliną, aby spaliny z pieca nie miały dostępu do wnętrza, ani gazy nie uchodziły ze skrzynki.

Dla ochrony używa się zwykle plastycznej ogniotrwałej gliny, pokrywając nią chronioną powierzchnię. Aby powłoka nie odpadła, np. z przedmiotu okrągłego, okręca się go drutem, którego glina lepiej się trzyma; nalepioną warstwę można również z zewnątrz drutem utwierdzić. Glinę należy po nalepieniu wysuszyć, a powstałe przy tern pęknięcia zatrzeć świeżą. Niekiedy owijają chronione miejsce papierem asbestowym pod warstwę gliny. W warsztatach cementujących często i duże ilości, zabezpieczają powierzchnię przed cementowaniem, osadzając na niej drogą galwaniczną warstewkę miedzi.

Jeżeli w miejscu, które nie ma być utwardzone, pozostawi się podczas obróbki warstwę materjału parę milimetrów grubą, to po nawęgleniu, a przed hartowaniem, można tę warstwę usunąć (obtoczyć, zestrugać, zeszlifo-wać) i w ten sposób osiągnąć zamierzony cel. Ten sposób zwiększa jednak koszt obróbki (podwójnej), więc nie bywa często stosowany. Na rys. 96 widzimy koło zębate przygotowane do cementowania. W skrzynce okrągłej jest dokoła zębów ubita masa cementacyjna (b), piastę oblepiono gliną (a), aby ją ochronić od nawęglenia; resztę miejsca, około ramion, wypełniono piaskiem (c) dla zaoszczędzenia masy. Wskutek przepuszczalności piasku zostaną ramiona nieco nawęglone, jest to jednak bez znaczenia.

Dla kontroli procesu wkłada się do skrzynki, umyślnie wykonanemi otworami, kawałki tego samego

wm

Mg g

ii

billig

Rys. 96.

materjału jak cementowany, przytwierdzone do drutów, i w stosownej chwili wyjmuje dla przekonania się o grubości warstwy nawęglonej. Po zamknięciu skrzyni pokrywą, uszczelnia się ją gliną.

Skrzynkę z osią tokarki, przygotowaną do cementowania widzimy na rys. 97. Czopy (i) obracające się

Tb

Rys. 97.

w łożyskach i noszące cały ciężar osi, muszą być twarde, dlatego wymagają nawęglenia i zahartowania; łączące je części (2), na których osadzone będą koła, nie wymagają utwardzenia, — ze względu jednak na ich sąsiedztwo z czopami i trudność izolowania, podlegają również ce-mentowaniu, z tem, że warstwa nawęglona będzie z nich później zebrana; w tym celu muszą być o tę warstwę grubsze. Części, na których będzie nacięty gwint (3) i muszą pozostać miękkie, ochronione są gliną, nalepioną na drut na nich okręcony. Skrzynia jest zamknięta dnem i na brzegach oblepiona.

Rzecz oczywista, że części 2 można również osłonić gliną jak 3.

Przebieg całego procesu składa się z żarzenia cementującego, hartowania nawęglonej warstwy i ulepszania termicznego materjału, przegrzanego wskutek żarzenia. Przy tych wszystkich czynnościach musi być dokładnie zachowana wymagana temperatura, należy ją więc mierzyć. Po wyjęciu z pieca ce-mentarskiego skrzynki z wyrobami, pozostawia się je w niej aż do zupełnego ostygnięcia. Dawniej wrzucano rozżarzone przedmioty zaraz po wyjęciu z pieca do płynu hartującego; przyspieszało to wprawdzie robotę i zaoszczędzało opału, ale przedmioty przy cementowaniu przegrzane, miały po zahartowaniu strukturę gruboziarnistą i były przez to kruche. Dziś tylko małe i niezbyt ważne wyroby tak się traktuje, z reguły jednak nawę-glone przedmioty, zwłaszcza części maszyn, regeneruje się, by im przywrócić drobną strukturę, i dopiero wtedy hartuje. Regeneracja jest rzeczą trudną, bo przedmiot po nawęgleniu składa się z dwojakiego materjału (rys. 98): wewnątrz jest miękka, nienawęglona stal (do 0.2°/₀ węgla), zewnątrz warstwa nawęglona (około 0.9°/₀). Regeneracja (str. 42) wymaga ogrzania stali tuż ponad temperaturę A₃ i ostudzenia, tymczasem w tym samym przedmiocie warstwa wewnętrzna ma temperaturę Az około 850°, zewnętrzna około 720°. Regeneracja musi więc składać się z dwóch czynności: najpierw ogrzewa się nieco powyżej 850° i chłodzi, wskutek czego miękki rdzeń przedmiotu staje się drobnoziarnistym, następnie ogrzewa się powyżej 720° (np. do 750°) dla zregenerowania warstwy nawęglonej, a ponieważ ona ma być zahartowana, przeto po ogrzaniu chłodzi się ją nagle. Na powierzchni wytwarza się drobny martenzyt, przy-czem struktura ośrodka nie doznaje zmiany, bo jego temperatura krytyczna leży znacznie wyżej. Aby warstwa zahartowana nie była zbyt krucha, a ukryte w niej naprężenia nie były niebezpieczne, odpuszcza się ją czasem do 200°. Rys. 99 przedstawia ułamek koła zębatego nacementowa-nego warstwowo.

Rys. 98.

Nawęglanie powierzchowne. Zdarza się, że wskutek nieumiejętnego żarzenia, powierzchnia przedmiotu dozna odwęglenia i stanie się przez to miękką i niehar-towną. Aby ten błąd, występujący nieraz i w narzędziach hartowanych, usunąć choć połowicznie, wytwarza się na

zapomocą

krótkiego zabiegu: Miejsce wymagające nawęglenia rozgrzewa się do czerwoności, posypuje grubo żelazocyjan-kim potasowym, rozgrzewa ponownie i nagle ostudza w wodzie. Bardzo energicznie nawęglający żelazocyjanek wytwarza cienką, twardą warstewkę. Chcąc żeby była nieco grubsza, trzeba ten zabieg parę razy powtórzyć.

Aby uniknąć niejednolitego nawęglenia wskutek

Hartowanie stali.

odnośnej powierzchni cienką warstewkę twardą przez powierzchowne nawęglenie jej następującego,

Rys. 99.

tego, że żelazocyjanek odpada miejscami przed ukończeniem zabiegu, zalecają robić z niego 10-oprocentowy roztwór w roztopionej soli kuchennej i w nim narzędzie cementować przez zanurzenie. Im dłużej trwało zanurzenie, tern grubsza jest warstwa nawęglona. Po wyjęciu z soli, następuje hartowanie przedmiotu. Zużycie żelazo-cyjanku jest tutaj mniejsze.

Badanie materjałów w hartowni

Odpowiednio do celów jakie ma osiągnąć przeróbka stali w hartowni, stosować należy sposoby badania jej dla przekonania się, czy wymagany cel osiągnięto i w jakim stopniu, a także czy materjały przeznaczone do hartowanych wyrobów odpowiadają swemu przeznaczeniu. Dlatego w dobrze urządzonej pracowni mater jały surowe i wyroby gotowe podlegają odpowiednim badaniom.

Najważniejszym celem hartowania jest uzyskanie należytej twardości, badania twardości należą więc tutaj do najważniejszych zadań.

Często jednak proces hartowania nie ma na celu osiągnięcia twardości ale jest tylko pośrednikiem w tz. ulepszaniu termicznem, tj. hartowaniu i odpuszczaniu, dla nadania stali lepszej wytrzymałości, przy zachowaniu lub małem zmniejszeniu ciągliwości. W takim razie celem badania jest wyznaczenie tych dwóch czynników.

Różne błędy popełniane przy wykonywaniu procesów termicznych złączonych z hartowaniem, wymagają rozpoznawania ustroju wadliwego przedmiotu; aby uniknąć błędów, potrzeba często ustrój zbadać jeszcze przed zahartowaniem. Zdarza się też, że stal przeznaczona do hartowania nie nadaje się do tego z powodu nieodpowiedniego składu chemicznego; nie mając co do tego pewności, trzeba wykonać stosowne badanie chemiczne.

To są najważniejsze cele badań stosowanych w hartowni; przedstawimy krótko ich zasady, nie wchodząc w szczegóły badań, o ile hartownik sam ich nie przeprowadza.

'//////.

7777777/

Rys. 100.

Badanie twardości. Już na początku tej książki (str. 12) podana była zasada badania twardości metodą Brinella; objaśnia ją rysunek 100. Kulka stalowa zahartowana, o średnicy D—10 mm, wciśnięta w badaną stal ciśnieniem P=3000 kg, wytwarza w niej wgłębienie o średnicy d. Podzieliwszy wywarte ciśnienie przez powierzchnię wytworzonej wklęsłości, otrzymamy liczbę twardości według skali Brinella. Twardość stali niehartowanej zależy od zawartości węgla i innych dodatków i bywa rozmaita. Żelazo miękkie ma liczbę twardości 115—130, po zahartowaniu około 140, stale o większej zawartości węgla 145—220, stale twarde i stale specjalne 230—350, odlew stalowy o 0.4% węgla 145, przy 0.85%, — 220. Pewien rodzaj stali narzędziowej perlitycznej miał po wyżarzeniu 310 stopni twardości Brinella, po zahartowaniu 650, po odpuszczeniu do barwy żółtej 550, do niebieskiej 470.

Liczby Brinella otrzymywane przy badaniu stali hartowanej nie są pewne, ponieważ wciskana kulka, wykonana także ze stali, wprawdzie specjalnej, np. chromowej, i zahartowana, spłaszcza się nieco przy wciskaniu w bardzo twardy materjał, jakim jest np. zahartowana stal wysokowęglista, wskutek czego powstaje za duże wklęśnięcie; z powodu kruchości materjału odcisk nie ma często kształtu koła ale jest nierówny i trudny

9*

do dokładnego zmierzenia. Z tych powodów twardość stali hartowanej i cementowanej mierzy się zwykle in-nemi metodami.

Starym i w warsztatach używanym sposobem odróżnienia stali niehartowanej od hartowanej jest próba pilnikiem, który w pierwszej robi ślad, po drugiej ślizga się; badanie to nie pozwala jednak ocenić jak wielka jest ta twardość.

Nie znalazły większego zastosowania sposoby używające obciążonego ostrza diamentu, który posuwając się po badanym materjale, tworzy ślad w postaci rowka, tem węższego, im twardszy jest przedmiot.

Rys. 101.

Bardzo natomiast rozpowszechniony jest w hartowniach skleroskop, zbudowany przez S h o r a, rys. 101. Głownem narzędziem jest tu ciężarek ważący parę gramów, zakończony kuli-sto obrobionym diamentem, który ze stałej wysokości spada na badaną powierzchnię i wskutek jej elastycznego oddziaływania, odbija się i odskakuje do pewnej wysokości. Ciężarek porusza się w rurce szklanej z po-działkąj Do badania ustawia się rurkę zapo-mocą kółka zębatego na badanym przedmiocie (na rysunku jest to frez), i naciskając tłoczek umieszczony u góry, zwalnia ciężarek, znajdujący się w górnym końcu rurki. Odskok ciężarka obserwuje się na podziałce. Przy pewnej przepisanej twardości można w odpowiedniem miejscu podziałki nastawić wskazówkę, do której ciężarek winien odskoczyć, jeżeli twardość jest należyta. Przy pomocy ssawki uruchomianej tłoczkiem, podnosi się ciężarek w najwyższe położenie. Im powierzchnia stali jest trwadsza, tem odskok jest większy, dlatego można zapomocą skleroskopu sprawdzić,

czy twardość przedmiotu jest dostateczna i wszędzie jednakowa.

Na pewne miejsce można tylko raz opuścić ciężarek, gdyż po każdem uderzeniu następuje utwardzenie materjału wskutek działania zimnej obróbki, i liczba twardości się zwiększa, dając mylne spostrzeżenia.

Ze względu na łatwość użycia i szybkość pracy, znalazł skleroskop w hartowniach obszerne zastosowanie, np. do badania cementowanych i hartowanych kół zębatych do automobilów, gdzie wiele zależy na tem, aby wszystkie zęby koła były jednakowo twarde i jednostajnie się zużywały. Tz. liczbę twardości Shora przyjęto dla pewnego rodzaju hartowanej stali równą 100, — stale mniej twarde mają liczby niższe.

Badanie wytrzymałości i ciągliwości. Z tego co było powiedziane o tych własnościach (str. 9 i 11) wiemy, że badanie ma na celu wyznaczyć natężenie działające na 1 mm² (względnie cm²), przy którem nastąpi rozerwanie; równocześnie wyznacza się towarzyszące próbie wydłużenie.

Zamiast określać natężenia rozrywające, wyznacza się często natężenia, przy których następuje trwałe odkształcenie tj. gdy materjał zaczyna się wydatnie wydłużać, nie pękając. Nazywamy to natężeniem u granicy plastyczności.

Z używanych sposobów badania wytrzymałości najwięcej bywają stosowane dwa: 1. badanie przy s p o k o j-nem rozciąganiu i 2. badanie wytrzymałości n a uderzenie.

Do badania sposobem pierwszym wyrabia się z materjału okrągły pręt (rys. 102) o ściśle oznaczonych wymiarach, i na specjalnie do tego zbudowanej maszynie rozciąga go aż do granicy wytrzymałości (lub plastyczności), wyznaczając potrzebne do tego natężenie i wydłużenie pręta podczas próby.

Przy badaniu na uderzenie wycina się z materjału beleczkę przepisanych wymiarów z karbem w środku (rys. 103) i łamie ją uderzeniem ciężkiego kloca, zawieszonego wahadłowo. Wytrzymałość na uderzenie określa się pracą, jaką wykonał ciężar aby spowodować złamanie.

Rys. 102.

Hartowność stali bada się dorywczo, ogrzewając wykonaną z niej sztabkę do czerwoności, chłodząc ją nagle w wodzie i zginając. Materjał hartowny łamie się już przy małem zgięciu, gdyż jest kruchy po zahartowaniu, niehartowny (miękki) daje się wygiąć znacznie więcej. Dokładniejszy sąd o hartowności pozwala wyrobić sobie znajomość składu chemicznego stali, przede-wszystkiem zawartości węgla.

Rys. 103.

».

Badanie ustroju (struktury) stali wykonywane bywa dwojako; jeden oddawna stosowany, polega za złamaniu badanego pręta i osądzaniu go z przełomu, który może być drobno lub gruboziarnisty; w stali zahartowanej, a także odpuszczonej, bywa tak drobny, że nie można odróżnić ziarn ale struktura wydaje się jednolicie matową, «aksamitną

Oglądanie przełomu pozwala tylko wtedy wyprowadzić prawdziwy wniosek, jeżeli skład chemiczny materjału i metoda jego przeróbki są znane (jak to jest w hutach wyrabiających stal), a sposób wykonania przełomu jest zawsze jednakowy; wtedy postać przełomu odpowiada tym samym przebytym procesom i pozwala trafnie osądzić materjał. Badanie jednak przełomu ma-terjału nieznanego, o przeróbce niewiadomej, i łamanego w sposób dokładnie nie określony, doprowadzić może do zupełnie fałszywego sądu, ponieważ wszystkie czynniki, jak skład chemiczny, przeróbka i sposób łamania, wpływają bardzo wybitnie na postać przełomu.

Daleko lepszy pogląd na stan materjału daje b a-danie mikroskopowe; obrazy podane w ciągu całej tej pracy dostatecznie to tłomaczą. Do badania mikroskopowego potrzeba próbę materjału przygotować w odpowiedni sposób, a następnie obejrzeć pod mikroskopem, który od nazwy nauki, zajmującej się ustrojem metali, nazywa się «metalograficznym». Wykonywanie takich badań musi być powierzone wykształconemu pracownikowi.

Aby poznać skład chemiczny stali, które obok węgla zawierają różne naturalne domieszki, a często umyślne, bardzo ważne dodatki, należy wykonać badanie chemiczne, pracę nieraz trudną a zawiłą, którą powierza się innemu specjaliście, chemikowi-anality-kowi.

Wyznaczanie zawartości węgla w żelazie węglistem jest również sprawą badania chemicznego; wiemy jednak, że obraz mikroskopowy ujawnia składniki zawierające węgiel (perlit i cementyt), dlatego i drogą mikroskopową można nieraz, ze znaczną dokładnością, określić zawartość węgla, jak to widzieliśmy na obrazach przedstawionych na rys. 4—7.

BIBLIOTEKA POLITECHNICZNA

KRAKÓW

SPIS ROZDZIAŁÓW.

Str.

PRZEDMOWA.......................

CZĘŚĆ OGÓLNA ......................

Stal-żelazo .......................

Stal węglista......................

Ustrój stali.......................

Proces hartowania...................

Odpuszczanie stali...................

Naturalne przymieszki i zanieczyszczenia w stali. Mangan.

Krzem. Siarka. Fosfor. Gazy. Żużel. Tlenki......

Stale specjalne. Stale szybkotnące. Stale konstrukcyjne . Wpływ ogrzewania na ustrój staii. Zendra. Odwęglenie.

Przegrzanie. Przepalenie...............

Obróbka zimna.....................

Cementowanie.....................

13

20

27

30

35

39

43

45

Naprężenia.......................

Rodzaje stali......................

Inne rodzaje żelaza. Odlewy stalowe. Surowiec biały. Odlew żeliwny. Kujna leizna...............

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA ...................

Piece. Piec ogniskowy. Paliwo. Piece płomienne. Piece

komorowe. Piece płynowe..............

Mierzenia temperatury w piecach. Termometr. Pyrometr

termoelektryczny. Pyrometry optyczne........

Roboty przygotowawcze do hartowania staii. Ucinanie.

Kucie. Wyżarzanie..................

Hartowanie stali węglistej. Ogrzewanie. Studzenie. Urządzenia do studzenia..................

Odpuszczanie. Opalanie. Ulepszanie termiczne.....

Przykłady hartowania. Noże tokarskie. Narzędzia. Szczęki

48

50

52

56

57

71

81

83

97

gwinciarskie. Frezy. Formy kuźnicze. Piły krążkowe. Młoty. Pilniki. Wydrążenia

Hartowanie stali.

100

* ‘ v •*>

Str.

Hartowanie stali szybkotnącej. Ogrzanie. Oziębianie . . . 107

Narzędzia pomocnicze............

Oczyszczanie przedmiotów hartowanych . . .

Urządzenie hartowni..............

Biedy hartowania. Nąprężenia. Niedostateczna twardość . 113

Narzędzia składane...................

Cementowanie. Nawęglanie powierzchniowe......

Badanie materjałów w hartowni. Badanie twardości. Badanie wytrzymałości i ciągliwości............

110

. . 111

112

120

122

130

S'96

■N

(13

#

/

À

.

<

; : ;':i

.

«

.

•' • sm

■

-,‘i. ..'7-

s

-

V

-fx/,

-, (

i

!

}■

y i r

'* r;Ą ■■ %:

4

:

$

*

ff

$

V.

Y

'w

.

e* y

%*

V

■

m

m

:

$

:?

#50?

Ü

ï

?!

m

.

ÿ if/m

m

■>*$

r i*

.>

v

é    '"-mr"

\ J

yr-!.

i i

f mu ^    - sàtffltifc,

m

Sg

il

;

- '

M;-.

W'n-

Mr

il»!

H;

fe

#> \

I

San

Ü?

i

ISS

u:v

X”

Biblioteka Politechniki Krakowskiej

•Śg

100000231388

KB!

Hfl

w- -J

. m