1 TOPLINSKA OBRADA Prof.dr.sc. Franjo Cajner UVOD Literatura: 1. Krumes, D.: Toplinska obradba, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, Slavonski Brod, 2000. 2. Löpple, Volker; Wärmebehandlung des Stahles, Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH&Co. KG, Haan-Gruiten, 2006. 3. Bruce B. Bardes (ed.): ASM Handbook: Heat Treatment of Metals, Part 4. 9th edition, Metals Park, Ohio, USA 1994. 4. Stupnišek, M.; Cajner, F: Osnove toplinske obradbe metala, Hrvatsko društvo za toplinsku obradbu, Zagreb 2001. TOPLINSKA OBRADA UVOD Definicija: Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena svojstva (mehanička, fizička, kemijska). (Lijevanje, kovanje, zavarivanje nisu TO jer im je cilj promjena oblika)
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
TOPLINSKA OBRADA Prof.dr.sc. Franjo Cajner UVOD
Literatura:1. Krumes, D.: Toplinska obradba, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu,
Vollmer GmbH&Co. KG, Haan-Gruiten, 2006.3. Bruce B. Bardes (ed.): ASM Handbook: Heat Treatment of Metals, Part 4. 9th
edition, Metals Park, Ohio, USA 1994.4. Stupnišek, M.; Cajner, F: Osnove toplinske obradbe metala, Hrvatsko društvo
za toplinsku obradbu, Zagreb 2001.
TOPLINSKA OBRADA UVOD
Definicija: Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena svojstva (mehanička, fizička, kemijska).
(Lijevanje, kovanje, zavarivanje nisu TO jer im je cilj promjena oblika)
2
TOPLINSKA OBRADA UVOD
Označavanje zahtjeva za toplinsku obradu na tehničkim crtežima (prema DIN 6773, travanj 2001.)
20+5 5-5
A
Detalj A (prikazan u presjeku)Mjerno mjesto za tvrdoću površine
- vrsta materijala (λ, E)- debljina obratka- brzina grijanja- koef. prijelaza topline α- koef. topl. dilatacije (rastezanja) β
σtopl ≥ Rp0,2 → trajna deformacija
σtopl ≥ Rm → lom
2) Strukturna naprezanja: F, P, (K) → A
5
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA
tehniččččki mogućććća brzina grijanja (oprema, instalirana snaga, medij (sredstvo), razlika temperatura obratka i peći, masa šarže i raspored obradaka u šarži)
- tehnološki dozvoljena brzina grijanja (konfiguracija oblika (V/A), kemijski sastav i mikrostrukturamaterijala)
250 … 650 °C a) sporo grijati propisati REŽIM"opasno područje“ b) uz predgrijavanje GRIJANJA
Sadrže takve plinske komponente koje bi mogle reagirati s površinom čelika - zato treba sastav prilagoditi kem. sastavu čeliku i temperaturi obrade. Ugljikovodika (metan, propan, butan, metanol) u plinskim generatorima ili disocijacijom.
INERTNE
Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2
AKTIVNE PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE
Sadrže: H2O, CO2, CO i H2a) OKSIDACIJA - REDUKCIJA b) RAZUGLJIČENJE - POUGLJIČENJE
H2O i CO2, oksidiraju Fe CO2, H2, H2O razugljičuju(Cpot, sastav Č, ϑ, t)
CO i H2 reduciraju FeO CO i CH4 pougljičuju
Fe + CO2 ⇔ FeO + CO CO2 + [C] ⇔ 2CO
Fe + H2O ⇔ FeO + H2 H2O + [C] ⇔ H2 + CO
(Fe2O3, Fe3O4, MeO) 2H2 + [C] ⇔ CH4
Reakcija vodenog plina:CO2 + H2 ↔ CO + H2O → ..... f(ϑ)
22
2
HCO
OHCOK w ⋅
⋅=
Cpot neke plinske atmosfere (ili nekog medija općenito) jest sadržaj C (%) tanke folije od nelegiranogniskougljičnog čelika kojeg će u uvjetima ravnoteže i kod određene temperature taj čelik primiti od atmosfere (medija).
CH3OH) + zraka djelomičnim izgaranjem u komponente CO, CO2, H2, H2O i prateći N2
Sastav generatorskog plina = f (vrsti ugljikovodika, omjer zrak/plin)
EGZOTERMNA atmosfera (oslobađa se toplina)
- jeftina- sprečavaju oksidaciju- nizak Cpot- razugljičuje neke Č.
- TO čelika s niskim %C, (svjetlo žarenje, popuštanje)i kod Cu
ENDOTERMNA atmosfera (dovodi se toplina
- redukcija i pougljičavaju- visok Cpot (do 0,9 %C)
- svjetlo kaljenje, žarenje čelika (%C)- svjetlo lemljenje Cu ili Ag- plin nosač (metan, propan)
DISOCIJACIOM METANOLA (CH3OH)CH3OH + Q →→→→ CO + H2
- visok Cpot pougljičuje!
DISOCIJACIOM AMONIJAKA (NH3)disocira pri temperaturama (850 – 950 °C):
2NH3 + Q →→→→ N2 + 3H2. (1/4: 3/4)
- visoka čistoća i konstantan sastav (nesadrži CO, CO2, H2O)
-svjetlo kaljenje i žarenje visokoleg. i nehrđajućih čelika
SINTETIČKE plinske atmosfere; sastav: (pojedinačne komponente direktno u peć):- N2 (tekući preko isparivača) + neki ugljikovodik (metanol, propan)- kaljenje i/ili pougljičavanje
Važno: Plinske atmosfere koje sadrže iznad 5 % ukupno CO i H2 zapaljive su, a mogu biti i eksplozivne pri < 750 °C (uređaj za prekid dotoka takve smjese sa zrakom!).Smjesa takvog plina iz peći mora se zapaliti na baklji (H2 i otrovni CO izgore u neopasni H2O i CO2).
INERTNE ATMOSFERE
Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2
Karakteristike:
čistoća (10 ppm O2 i H2O i niže kod Cr-čelike; 1 ppm = 0,0001 % vol.), vod. para (- 70 °C temp. rosišta) + reducent H2, mješavina:(Ar, N2) + 5, 10, 20 ili 50 %H2
Primjena:
- za kaljenje čelika,…
11
VAKUUM kao zaštita
Pod vakuumom podrazumijevamo pritisak plina ispod atmosferskog (jako razrijeđena zračna atmosfera – malo kisika i vodene pare → (nema oksidacije niti razugljičenja)
- povišenje brzine strujanja plina- povišenje tlaka plina (do 20 bara)- vrsta plina: (λ, W/mK): (H, He, N, Ar)- odvojena komora s turbinom - odvojena komora s bazenom za gašenje u ulju
- zaostala naprezanja
-što manje deformacije:▪ volumena (∆V 4,3 %)▪ oblika
- bez napuklinaMikrostruktura (M) svojstva HRC, (toplinska + strukturna naprezanja)
KALJENJE
GAŠENJE (Quenching, Abschrecken); Svrha gašenja: različita! (M, A, homogen....)
a
c
MaM
C
Fe
Faze: I. parni omotač II. vrenje III.konvekcije
SREDSTVA ZA GAŠENJELeidenfrost-ov fenomen - temp. vrelišta < ϑa
vodena otopina (NaCl ∼ 10 %, NaOH ∼ 3%)- voda - otopine polimera u vodi (PAG,.. 5 -25 %)
- otopine ulja s vodom- ulja za kaljenje
Ne podliježu L. F.
- rastopljene soli (nitriti, nitrati )
- fluidizirane kupke (korund, Al2O
3fluidiziran dušikom)
- inertni plinovi (N2, He, H
2)
- zrak
12
Metode ispitivanja sredstava za gašenje: (laboratorijske, pogonske)
vsr, vmax, ...
300700
300700,18
−
−
∆
∆=
sredstva
Cmirnevode
sredstvat
tH
oIntenzitet gašenja
DUBOKO HLAĐENJE(engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic,…njem:. Tiefkühlen)
13
TOPLINSKA OBRADA KALJENJE
Tem
pera
tura
°C
ϑ TO
ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme
- alatni čelici za rad u toplom stanju- brzorezni čelici- konstrukcijski čelici za poboljšavanje (i opruge)
Od 450 do A1Visoko
- (čelici za opruge)220 …450 Srednje
- niskolegirani i ugljični alatni čelici za hladni rad
- visokolegirani alatni čelici za hladni rad - pougljičeni i kaljeni čelici (za cementiranje)
do 220Nisko
PrimjenaTemperaturno područje °CVrsta popuštanja
(toplinska obradljivost, prikladnost materijala za kaljenje, sposobnost pretvorbe u martenzit)KALJIVOST ČELIKA
ZAKALJIVOST = f (%C), (Me)
Utjecaj %C u čeliku i udjela martenzita na tvrdoću kaljenja
Ocjena provedenog kaljenja!Rm popuštanja ? (ocjena kvalitete poboljšavanja): stupanj zakaljenosti
(Skalj < 1) (npr. > 0,95); 20%60max +⋅= CH
14%44%50 += CH M
, HRCStupanj zakaljenosti: maxH
HS
kalj
kalj =
, HRC
15
PROKALJIVOST(PROKALJENOST)
- sastav čelika (C, Me – svi, osim Co i Al)- dimenzije predmeta- sredstvo za gašenje
≥ 50 %M ?
Razne formule, metode (Grossmann, Moser-Legat,...) za proračun Di (sastav, vel. A-zrna) uz multiplikatore (koeficijente)
Određivanje (kvantifikacija) prokaljivosti (Računske i eksperimentalne metode)
Di /mm/ - idealni kritični promjer (50 %M uz H = ∞)Dk /mm/ - kritični promjer 50 %M (H) } Di = Dk uz H = ∞
Di > Dk uz H ≠ ∞
16
Eksperimantalno određivanje prokaljivosti
Jominy- eva metoda
Primjena Jominy krivulje
Jominy krivulja prikaljivosti 3 čelika
17
Određivanje Di i Dk na osnovi Jominy-eve krivulje prokaljivosti
Crafts- Lamont
Primjena Jominy krivulje
Gerber Wyss
18
POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO)
(Konstrukcijski čelici – visoka Re, visoka K)Primjena:- osovine, vratila, koljenaste osovine, poluosovine, zglobovi, alat-ključevi, zatici,
zupčanici, vijci, matice...
Dijagram poboljšavanja (popuštanja)
Stupanj zakaljenosti:
maxH
HS
kalj
kalj =
- bolja mehanička svojstva (K, A, Z, Rd) kod visoke Re (Rm)- nema strukturnih naprezanja, manja toplinska naprezanja → manje i ujednačene deformacije i opasnost nastajanja napuklina
- kontinuirani postupak – kraće traje, (jednostavnija automatizacija)Preduvjeti primjene:- prikladan čelik (izotermički TTT dijagram: A→B, timin., tip)- dimenzije (δ < 25 mm - ugljični, niskolegirani?)Svojstva = f (ϑa, ta, hlađenje s ϑa na tip, ϑϑϑϑip , tip ,hlađenje s ϑip do sobne temp.)
Primjena: opružni prsteni, osiguravajući i Segerovi prsteni, tanjuraste opruge, krunaste matice, dijelovi lanca za pile ....
Karakteristike:
19
POVRŠINSKO KALJENJE
Cilj: Brzo ugrijati površinski sloj do potrebne dubine (austenitizirati)i zakaliti.+ niskotemperaturno popušanje
fr ⋅≈
µρ
δ 503
samozakaljivanjemsamozakaljivanjemprskanjem, uranjanjem u bazen (voda, ulje, vod. otop. polimera)
- mehaničku otpornost ( ↑HV, Rm, Rp0,2, Rd..)- otpornost na trošenje (umor površine!)- korozijsku otpornost- vatrootpornost itd.
Cilj: Difuzijom odgovarajućeg elementa promijeniti sastav, (mikrostrukturu) u razmjerno tankoj rubnoj zoni predmeta i tako postići poboljšanje određenih svojstava:
Inženjerstvo površina (Surface Engineering, Oberflächen–und Schichttechnologien)
POSTUPCI ŽARENJA
30
1. ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA (NAPETOSTI)
Grijanje pri dovoljno visokoj temperaturi s naknadnim polaganim hlađenjem u cilju sniženja zaostalih naprezanja, bez znatnih promjena ostalih svojstava
Zaostala naprezanja:- nakon deformiranja- nakon grube OOČ (OSS)-nakon prebrzog ohlađivanja (zavarivanja, žarenja, (popuštanja))
- deformacije- lom
Tem
pera
tura
°C
A1
Vrijeme
400..650 °C/ 2..4 hsporo (npr. u peći)
Larson Millerov parametar:
S= T (logt+20) (čelici leg. Mo, V)
Vrsta čelika (visina Rp02 pri °C)
ϑž = f(vrsta materijala, ZN...)
tž = 2, 4,...8 h
Sniženje Re ugrijavanjem
Posljedice ŽRZN:
- Nema strukturnih promjena !-Trajne deformacije! (Rp0,2 = f(ϑ)!
Primjena: Kada iz bilo kojih razloga u predmetu zaostaju naprezanja:
- Na alatnim i konstrukcijskim čelicima nakon grube strojne obrade- Poslije poboljšavanja (ϑž < ϑp) (ϑž < 500 °C ?krhkost)- Poslije zavarivanja konstrukcijskih čelika- Nakon normalizacije (zrak!)
31
REKRISTALIZACIJSKO ŽARENJE
Nakon (tijekom) hladnog deformiranja:valjanja, provlačenja, dubokog izvlačenja (nedostatna deformabilnost)…- važno i kod lakih i obojenih matala ) Svrha je postignuće poligonalnog zrna (materijalu se vraća duktilnost)
ϕ, %ve
liči
na z
rna
µm2
5 10 20 30
Temperatura rekristalizacije – kod koje dolazi do kompletne rekristalizacije u određenom periodu (1h)= f(ϕ) stupnja deformacije, vrsti materijala
Faze rekristalizacijskog žarenja:- oporavak zrna s poligonizacijom- rekristalizacija- rast zrna
Primjena: - Čelika- Cu i Cu-legura (mjedi, bronce)- Al i Al-legure- Ti Ti-legura.
SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE
Tem
pera
tura
°C
A 1
Kid Vrijeme
K''
sporo(u peći)
2..4(8)h
- slaba zakaljivost (međustanje!)
Parametri: (ϑ, t)- podeutektoidni Č. ispod A1- nadeutektoidni Č iznad A1- legirani Č (iznad A1) - (osciliranjem oko A1)
Parametri žarenja:ϑž = 950 ... 1100 °C (100 do 200 °C iznad A3)t ž = dugohlađenje – vrlo sporo
33
HOMOGENIZACIJSKO ŽARENJE (DIFUZIJSKO ŽARENJE)
Provodi se pri temperaturi malo ispod temperature solidusa (dugotrajno)u cilju:lokalne homogenizacije sastava i izjednačavanje svojstava po masi (eliminacija kristalnih segregacija (pratećih i Me elemenata) – nastalih tijekom primarne i sekundarne kristalizacije).