TII I PT -TOPLINSKA OBRADA

Transcript

1 TII I PT -TOPLINSKA OBRADA III. predavanje. PROF. DR. SC. BOŽIDAR MATIJEVIĆ Ak. god. 2015/16.

2 Temperatura, C DUBOKO HLAĐENJE DUBOKO HLAĐENJE (engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic, njem:. Tiefkühlen) PROCES OPIS PARAMETRI SVOJSTVA SMANJENJE DIMENZIJA (Shrink fitting) Hladna odrada čelika (Cold treatment of steels) Duboko hlađenje čelika (Cryotreatment of steels) Cjelokupno smanjenje komada zbog hlađenja omogućuje lakšu montažu dijelova Kompletna martenzitna transformacija Duboko hlađenje na ove tempreature može uzrokovati izlučivanje sitnih karbida -70 do -120 C do potpunog ohlađivanja komada po presjeku -70 od -120 Ckroz 1 h za svaka 3 cm presjeka -135 C i niže u trajanju od 34 sata i duže Privremena promjena dimenzija transformacija zaostalog austenita u martenzit povećanje tvrdoće dimenzionalna stabilnost Poboljšanje otpornosti trošenju zbog izlučivanja karbida Poboljšanje dimenzijske stabilnosti i tvrdoće Trajanje dubokog hlađenja, h Poboljšanje otpornosti trošenju i produljenje trajnosti

3 DUBOKO HLAĐENJE DUBOKO HLAĐENJE (engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic, njem:. Tiefkühlen) - eliminacija Az, dimenzijska stabilnost - stvaranje ηk Duboko hlađenje u ciklusu kompletne TO - smjesa suhog leda i alkohola (do -60 C) - ukapljeni dušik ( do -196 C)

4 DUBOKO HLAĐENJE Primjeri: - igle Boshove pumpe (14 NiCr 14) - dijelovi kotrljajućih ležajeva - alati od npr. BRČ

5 Tvrdoća, HRC TII + PP- TOPLINSKA OBRADA KALJIVOST ČELIKA (toplinska obradljivost, prikladnost materijala za kaljenje, sposobnost pretvorbe u martenzit: Euro norma 52-83) ZAKALJIVOST: sposobnost čelika da postigne što je moguće višu tvrdoću na površini nakom kaljenja ZAKALJIVOST = f (%C), (Me) Mikrostruktura: M + (Az) + K (K", Ke) KALJIVOST ČELIKA PROKALJIVOST: sposobnost čelika da postigne što je moguće ravnomjerniji raspored tvrdoće po presjeku nakom kaljenja Martenzit 99,9 % % Utjecaj %C u čeliku i udjela martenzita na tvrdoću kaljenja (Hodge- Orehoski- Archer- ov dijagram) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Sadržaj ugljika, %

6 KALJIVOST ČELIKA Legirajući elementi ne utječu na zakaljivost čelika tj. postiziva površinska tvrdoća ovisi samo o %C koji sudjeluje u procesu tj. o onom C koji je otopljen u austenitu i zarobljen u martenzitu. ϑ, C ϑ, C 600 0,9 %C 0,5 % Mn 600 0,9 %C 1,2 % Mn 67 HRC t, s t, s Stupanj zakaljenosti:

7 KALJIVOST ČELIKA Ocjena provedenog kaljenja! Rm popuštanja? (ocjena kvalitete poboljšavanja): stupanj zakaljenosti %M ,7 0,8 0,9 1,0 0,72 0,74 0,78 0,76 Ovisnost udjela martenzita o stupnju zakaljenosti R p0.2, N/mm S kalj =0,9 S kalj =0,7 S kalj =0,8 R p0.2 =(0,8+0,1. S kalj ). Rm+170. S kalj -200 Rm, N/mm 2 Ovisnost granice razvlačenja o čvrstoći za Skalj = 0,7 do 1,0

8 A 5, Z, % KV, J KV, J KALJIVOST ČELIKA A S kalj =0,7 S kalj =0,7 S kalj =1 Z S kalj = Ovisnost istezljivosti o vlačnoj čvrstoći za Skalj = 0,7 do 1,0 Rm, N/mm 2 Z=0,96 (0, ,00029 S kalj ) Rm A 5 =0,46 (0,0004-0,00012 S kalj ) Rm KV=460 (0,59-0,29 S kalj ) Rm S kalj =0, Rm, N/mm 2 Ovisnost udarne radnje loma o vlačnoj čvrstoći za Skalj = 0,7 do 1, HRC p Ovisnost udarne radnje loma o tvrdoći za Skalj = 0,7 do 1,0

9 KALJIVOST ČELIKA 18 PROKALJIVOST - - sastav čelika (C, Me svi, osim Co i Al) - dimenzije predmeta - sredstvo za gašenje, o C a A 3 A 3 A 1 A 1 čelik X: X %C čelik Y: X% C Y% Me A F F P P ti min B ti min B M s M s M f M M 20 M f p p j j t, s, lg HV HV čelik X: X %C prokaljeno neprokaljeno Ø10 površina jezgra Ø50 površina jezgra HV HV čelik Y: X% C Y% Me Ø10 prokaljeno površina jezgra Ø50 površina jezgra prokaljeno

10 KALJIVOST ČELIKA 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

11 D k, mm KALJIVOST ČELIKA Intezitet rashladnog sredstva H za različita sredstva i načine hlađenja H 0,8 0,4 0,2 0,1 0,01 D i, mm

12 Dic, in KALJIVOST ČELIKA Dic, mm Razne formule, metode (Grossmann, Moser-Legat, Jatzak...) za proračun Di (sastav, vel. A-zrna) uz multiplikatore (koeficijente) Grossmannov proračun idealnog kritičnog promjera D i Di = Dic M(Si) M(Mn) M(Cr) M(Ni) M (Mo) M(Cu) M(B) M(P) M(S)mm Dic = f( %C, vel. zrna ASTM) Veličina zrna ASTM D ic D ic = 28,8 C D ic = 25,5 C D ic = 23,2 C C, %

13 KALJIVOST ČELIKA Multiplikatorski koeficijenti za različite legirajuće element, C 0,60 %

14 KALJIVOST ČELIKA Udio legirajućeg elementa, % Multiplikatorski koeficijenti za različite legirajuće element prethodno normaliziranih nadeutektoidnih čelika (C.F. Jatzak, D.J. Girardi)

15 KALJIVOST ČELIKA Udio legirajućeg elementa, % Zavisnost D ic o sadržaju C za različite veličine zrna, (Moser, Legat) Multiplikatorski koeficijenti za različite legirajuće element, (Moser, Legat)

16 KALJIVOST ČELIKA Eksperimantalno određivanje prokaljivosti Jominy- eva metoda

17 KALJIVOST ČELIKA Jominy- eva metoda Na jednom te istom čeliku postiže se jednaka struktura gašenja na lokalitetima gašenim jednakim Režimima Jednaka struktura daje uvijek jednaka mehanička svojstva.

18 KALJIVOST ČELIKA Jominy krivulja prikaljivosti 3 čelika

19 (Utjecaj %C i Me na J-krivulju): Pojasevi prokaljivosti KALJIVOST ČELIKA Jominy-ev pojas prokaljivosti čelika a) 41 Cr 4 b) 34 CrMo 4

20 Tvrdoća, HRC KALJIVOST ČELIKA Primjena Jominy krivulje 60 Indeksi prokaljivosti: J H = d J H1-H2 = d J H = d 1 d H 1 30 H 2 J H gornja granica 20 donja granica d 1 10 d 20 d mm Udaljenost od čela J- epruvete

21 Primjena Jominy krivulje KALJIVOST ČELIKA Na jednom te istom čeliku postiže se jednaka struktura gašenja na lokalitetima gašenim jednakim režimima Jednaka struktura daje uvijek jednaka mehanička svojstva Određivanje Di i Dk na osnovi Jominy-eve krivulje prokaljivosti

22 Primjena Jominy krivulje GERBER WYSS dijagrami KALJIVOST ČELIKA Gerber Wyss-ovi dijagrami se koriste za određivanje toka tvrdoće po presjeku okruglog kaljenog izratka. GERBER WYSS dijagrami Za svaki intenzitet hlađenja H vrijedi samo jedan Gerber Wyss-ov dijagram.

23 KALJIVOST ČELIKA Postupak konstrukcije U-krivulje 1. Za zadani promjer osovine odaberemo krivulju u Gerber-Wyssovom dijagramu, npr. 120mm. 2. Presjecišta odabrane krivulje s krivuljama koje označavaju udaljenost od površine osovine δ spuštamo do Jominy krivulje. 3. Zatim povlačimo horizontalne linije iznosa tvrdoće na osovinu. Presjecište ovih linija s odgovarajućim udaljenostima od površine osovine δ daju točke U-krivulje.

24 KALJIVOST ČELIKA CRAFTS LAMONT dijagrami Praktični pokazatelj prokaljivosti nekog čelika jest postignuta raspodjela tvrdoća po presjeku određenih dimenzija, gašen u sredstvu poznatog rashladnog učinka H Svaki dijagram vrijedi za gašenje urazličitim rashladnim sredstvima, ali samo za jednu udaljenost od površine osovine, što je iskazano vrijednošću omjera promjera na kojem želimo mjeriti tvrdoću i vanjskog promjera osovine (d/d) Tako vrijednost d/d=0 vrijedi za određivanje tvrdoće u središtu presjeka šipke, a d/d=1 za tvrdoću na površini

25 KALJIVOST ČELIKA Postupak konstrukcije U-krivulje pomoću Crafts- Lamont-ovih dijagrama 1. Za zadani promjer osovine odaberemo promjer osovine u Craft- Lamont-ovom dijagramu, npr. 120mm. Očitamo tvrdoće za površinu (d/d=1), Zatim za mjesto udaljeno 8 mm od površine (d/d=0,8) te jezgru (d/d=0), Prilikomo dređivanja U- krivulje isti postupak se ponavlja za sve raspoložive dijagrame (odnose d/d). 3. Zatim povlačimo horizontalne linije iznosa tvrdoće na osovinu. Presjecišta ovih linija s odgovarajućim promjerima d daju točke U- krivulje.

26 POPUŠTANJE ČELIKA POPUŠTANJE ČELIKA - postupak ugrijavanja kaljenog čelika na neku temperaturu ispod A1 u svrhu: povišenja žilavosti martenzita postignutog kaljenjem sniženja (redukcije) zaostalih naprezanja martenzita postizanje dimenzijske postojanosti Gašeno stanje: - Mikrostruktura: (Mx%C + Az + (K" + Ke)), - Tvrdoća: visoka HV c a M a M - Stanje zaostalih naprezanja (mikro i makro ZN)

27 POPUŠTANJE ČELIKA

28 POPUŠTANJE ČELIKA Utjecaj temperature popuštanja na udarni rad loma čelika

29 POPUŠTANJE ČELIKA

30 POPUŠTANJE ČELIKA Promjena svojstava popuštanjem Dijagram popuštanja čelika 90 MnCrV 8

31 Utjecaj trajanja popuštanja Hollomon-Jaffeova formula: (izvedeno iz Arrhenius-ove jednadžbe difuzije P = T (C + log t) parametar popuštanja, HRCp = f (P) D = D 0 e Q R T POPUŠTANJE ČELIKA Dijagrami popuštanja raznih čelika (tp = 1h)

32 POPUŠTANJE ČELIKA Primjena popuštanja

33 POPUŠTANJE ČELIKA Krhkost popuštanja Legirani čelici: Cr, Cr-Mn, Ni-Cr; -osjetljivi Ugljični i legirani Mo (do 0,6 %) i W (do oko 1,5 %) nisu skloni Utjecaj temperature popuštanja na udarni rad loma čelika

34 Temperatura, o C POBOLJŠAVANJE ČELIKA POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO) - postupak koji se sastoji od: kaljenja visoko(temperaturnog) popuštanja (400 o C < p < A 1 ) u cilju postizanja: visoke granice tečenja i visoke žilavosti. (Konstrukcijski čelici visoka Re, visoka K) Primjena: - osovine, vratila, koljenaste osovine, poluosovine, zglobovi, alat-ključevi, zatici, zupčanici, vijci, matice... A 3 a, t a A 1 gašenje 400 o C < p < A 1 površina jezgra KALJENJE VISOKO (TEMPERATURNO) POPUŠTANJE F + P M M p + K p Vrijeme, h

35 Naprezanje POBOLJŠAVANJE ČELIKA POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO) Efekti poboljšavanja u σ-ɛ dijagramu. σ, N/mm 2 kaljeno stanje F poboljšano stanje polazno stanje F ε, % Dijagram σ-ɛ za različita stanja čelika u postupku poboljšavanja

36 POBOLJŠAVANJE ČELIKA Dijagrami popuštanja različito prokaljenog čelika 38Cr2 (Č4132) popuštenog na Rm= 1000 N/mm2 Zaključak: Mehanička svojstva poboljšanih čeličnih predmeta nakon visokog popuštanja biti će to povoljnija što je bolje prokaljen, tj. što je sadržavao veći udio M u jezgri.

37 POBOLJŠAVANJE ČELIKA Dijagram poboljšavanja (popuštanja) čelika 42CrMo4

38 IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE Karakteristike (razlozi primjene): 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, t imin., tip) - dimenzije (δ < 25 mm - ugljični, niskolegirani?) Usporedba mehaničkih svojstava klasično i izotermički poboljšanog ugljičnog čelika C80

39 Temperatura, C Temperatura, C IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE KLASIČNO POBOLJŠAVANJE IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE ϑ a ϑ a A 3 A 3 A 1 A 1 ϑ p ϑ iz kaljenje popuštanje Vrijeme, min. Vrijeme, min.

40 Bainit Dobio je naziv po Edgar-u Bain IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE Nastaje kada se austenit hladi dovoljno brzo da se izbjegne transformacija u prelit ali dovoljno sporo da se spriječi nastanak martenzita. Difuzijska pretvorba, ali ne nastaje struktura lamelarnog perlita Može imati svojstva slična martenzitu ili svojstva slična perlitu zavisno od temperature izoterme gornji bainit donji bainit

41 IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE TEHNOLOŠKI PARAMETRI IZOTERMIČKOG POBOLJŠAVANJA - temperatura austenitizacije, ϑ a - trajanje austenitizacije, ta - način ohlađivanja s temperature austenitizacije do temperature izotermičke pretvorbe, t hl - temperatura izotermičke pretvorbe, ϑ iz - trajanje izotermičke pretvorbe, tiz

42 IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE Primjena: opružni prsteni, osiguravajući i Segerovi prsteni, tanjuraste opruge, krunaste matice, dijelovi lanca za pile...

43 Oprema za izotermičko poboljšavanje IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE

44 Temperatura, o C POSTUPCI ŽARENJA POSTUPCI ŽARENJA Homogenizacijsko žarenje Žarenje na grubo zrno A 3 A 1 A cm Normalizacijsko žarenje Sferodizacijsko žarenje (meko žarenje) Rekristalizacijsko žarenje Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja A1 Žarenja II. vrste Žarenja I. vrste Udio ugljika, % C

45 Temperatura, o C POSTUPCI ŽARENJA 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. cilj je smanjenje zaostalih naprezanja nastalih pri: deformiranju obradi odvajanjem čestica (OOČ) prebrzom ohlađivanju nakon žarenja, zavarivanja... A cm nema bitnih promjena mehaničkih svojstava nema mikrostrukturnih promjena A A 1 Za čelike: C/2 i više h / hlađenje vrlo sporo 400 Udio ugljika, % C

46 Temperatura, o C POSTUPCI ŽARENJA Rekristalizacijsko žarenje Nakon (tijekom) hladnog deformiranja tijekom kojeg se promijenila tekstura materijala i nastupilo očvršćenje: valjanja, provlačenja, dubokog izvlačenja (nedostatna deformabilnost) - važno i kod lakih i obojenih matala ) hladno oblikovanje R. Ž. poligonalna kristalna zrna (, t) = f (materijala, φ) hladnom deformacijom očvrsnuto A cm Svrha postignuće poligonalnog zrna (materijalu se vraća duktilnost) i deformabilnost A A 1 Temperatura rekristalizacije kod koje dolazi do kompletne rekristalizacije u određenom periodu (1h) = f(ϕ) stupnja deformacije, vrsti materijala Udio ugljika, % C

47 POSTUPCI ŽARENJA Prikaz promjene vlačne čvrstoće i žilavosti te teksture hladnooblokovanog metala deformiranjem ovisno o visini temperature žarenja Primjena: - Čelika - Cu i Cu-legura (mjedi, bronce) - Al i Al-legure - Ti Ti-legura.

48 30 Temperatura, o C TII + PP- TOPLINSKA OBRADA SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE POSTUPCI ŽARENJA postupak koji se sastoji od: ugrijavanja oko A1 duljeg držanja na ϑ sž vrlo sporog ohlađivanja svrha: prevođenje lamelarnih (eutektoidnih) i mrežastih (sekundarnih) karbida u kuglasti oblik A cm A 3 A 1 Udio ugljika, % C Parametri: (ϑ, t) - podeutektoidni Č. ispod A1 - nadeutektoidni Č iznad A1 - legirani Č (iznad A1) - (osciliranjem oko A1)

49 SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE POSTUPCI ŽARENJA 2..4(8)h F K F K

50 Temperatura, o C POSTUPCI ŽARENJA Normalizacijsko žarenje postupak ugrijavanja: podeutektoidnih čelika n = A 3 + ( ) C nadeutektoidnih čelika n = A 1 + ( ) C ili za otapanje karbidne mreže n = A cm + ( ) C te potkritičnog ohlađivanja (v hl < v kd - na zraku) u svrhu postignuća sitnozrnate i jednolične mikrostrukture, o C n A A cm A 3 A 1 P F podkritično ohlađivanje v hl < v kd A 3 B M s M A 1 lijevanje valjanje zavarivanje M f F + P P F + P t, s, lg P F kovanje Udio ugljika, % C toplinska obrada F grubo kristalno zrno ( žilavost) sitnozrnata jednolična mikrostruktura ( žilavost)

51 Temperatura, o C POSTUPCI ŽARENJA Homogenizacijsko žarenje Žarenje na grubo zrno A cm Žarenje na grubo zrno Parametri žarenja: ϑ gzž = C (100 do 200 C iznad A 3 ) t gzž = dugo hlađenje vrlo sporo svrha: postizanja grubozrnate strukture niskougljičnih čelika radi lakše obrade rezanjem (OOČ) Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja zrna provesti npr. normalizacijsko žarenje!!! A 3 A 1 Udio ugljika, % C Homogenizacijsko žarenje postupak koji se sastoji od: ugrijavanja malo ispod solidus temperature držanja na hž jako dugo (nekoliko dana) vrlo sporog ohlađivanja svrha: postizanje izjednačenja svojstava (eliminacija kristalnih segregacija) Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja zrna provesti npr. normalizacijsko žarenje!!!

52 POSTUPCI ŽARENJA Kolokvij (5 pitanja): sati Primjer pitanja za kolokvij: 1. Objasnite zašto se i kako određuje režim grijanja vratila od nelegiranog konstrukcijskog čelika s 0,42 %C na temperaturu austenitizacije od 850 C. 2. Ucrtajte u TTT dijagramu tehnike gašenja uranjanjem i navedite ukratko karakteristike. 3. Navedite uz skicu osnovne metode plamenog kaljenja. 4. Opišite postupak žarenja na grubo zrno, njegovu svrhu i primjenu. 5. Skicirajte Jominy pojas garantirane prokaljivosti i objasnite čemu služi? Puno uspjeha na kolokviju!!!