Predavanje 6-Deo 1

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Mašinski materijali - Predavanje -

TERMI Č ČKA OBRADA Č ELIKA

1

Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic

Termička obrada je obrada je tehnološki proces koji se sastoji iz zagrevanja metala do odredjene temperature, zadržavanja na toj temperaturi i hladjenja do sobne temperature

Progrevanje

Progrevanje a r u t a r e p m e T

e j n v a e r g Z a

a r e u j t n a a r v e p r e g m a e Z T

H l a d j e n j e

H l a d je n je

Zagrevanje Vreme

Vreme

Zamrzavanje

čke obrade Tok termi č

čke obrade sa hladjenjem ispod 0°C Tok termi č

Cilj termičke obrade metala i legura jeste da se promene neke njihove nj ihove mehaničke i fizičko-hemijske osobine, pre svega faznim i strukturnim promenama u čvrstom stanju; te su promene uglavnom funkcija temperature, vremena Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

2

1


Vrste termičke obrade čelika U postupke obične termičke obrade spadaju:  Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno,

rekristalizaciono, za otklanjanje napona);  Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko);  Otpuštanje (nisko, srednje, visoko).


3

Žarenje čelika Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi zagrevaju do odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme na tim temperaturama i zatim lagano hlade. Time se postiže uspostavljanje strukturne ravnoteže koja je poremećena nekim prethodnim postupkom termičke ili mehaničke obrade. Posle žarenja se dobija perlitno-feritna, perlitna, ili perlitno-cementitna struktura (zavisno od sastava čelika). Cilj žarenja je žarenja je da se popravi obradljivost čelika, da se homogenizuje neujednačena struktura, uklone unutrašnji naponi, smanji tvrdoća, poveća plastičnost i žilavost žilavost itd. Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic


4

2


Metodi žarenja dele se na postupke sa faznim promenama: promenama: difuzno,  normalizaciono,  meko i  potpuno žarenje 

i postupke žarenja bez faznih promena rekristalizaciono žarenje i  žarenje radi popuštanja napona. 

5


Difuziono (homogenizaciono) žarenje Zasniva se na zagrevanju čelika (visoko u austenitnom područ ju), nešto ispod solidus linije, dugotrajnom progrevanju na toj temperaturi i sporom hladjenju. Primenjuje se radi:  

smanjenja nejednorodnost hemijskog sastava kod čeličnih odlivaka, poboljšanja mikrostrukture koja umesto neujednačene (dendritne) postaje homogena.

1200

a r u t a r e p m e T

1100

1000 C ° , a 900 r u t a r e p m 800 e T

Austenit

1050 - 1200°C 10 - 40 h

m C

A

A

C 3

AC1

AC1,3

723°C

V h = 5 0 - 1 0 0 ° C / h

A C3 AC1

500°C

700 Perlit + Ferit

Cementit + Perlit

600

500 0

0.4

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %



Vreme

6

3


Normalizaciono žarenje (normalizacija) (normalizacija) Izvodi se zagrevanjem čelika ili čeličnog liva do temperature oko 30 do 50°C iznad gornje kritične temperature A3 za podeutektoidne, odnosno iznad ACm za nadeutektoidne čelike, zatim progrevanjem pri toj temperaturi i najzad hladjenjem na mirnom vazduhu. Cilj normalizacije je da se dobije ravnomerna i sitnozrnasta struktura. Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci, otkovci i zavareni spojevi od debelih čeličnih delova rdjave zavarljivosti. a r u t a r e p m e T

1200

1100 Austenit 1000 C ° , a 900 r u t a r e p m 800 e T

C ° 0 5 0 3

m

A C

A C

3

A C1

A C1,3

AC3 (A Cm) N a m i r n o AC1 m v a z d u h u

727°C

700 Cementit + Perlit

Perlit + Ferit 600

500

0

0. 4

0. 8 1.2 1. 6 Sadržaj C, maseni %

Vreme


7

Meko (sferoidalno) žarenje Izvodi se zagrevanjem oko donje kritične temperature (A1), zadržavanjem nekoliko desetina sati na toj temperaturi i zatim se delovi sporo hlade do sobne t emperature. Kao rezultat ove obrade dobija se struktura mekšeg-zrnastog (globularnog) cementita, umesto lamelarnog koji je tvrdji. Primenjuje se radi poboljšanja obradljivosti rezanjem, naročito otkovaka od visokougljeničnih i legiranih čelika. Pri obradi obradi rezanjem lamelarnog lamelarnog perlita, nož seče tvrde lamele Fe3C, a kod globularnog razmi če zrna i seče mekšu feritnu osnovu. a r u t a r e p m e T

1200


AC3 (A Cm)

m

A C

AC1

A

C 3

18 - 24 h AC1

AC1,3

727°C

700 Pe rlrl it + F er er it

N a v a z d u h u

C em eme nt nt it + P er er li t

600

500 0

0.4


Vreme



8

4


Potpuno žarenje Zasniva na zagrevanju čelika do austenitnog područ ja (30-50°C iznad tačke AC3 - ACm), zatim zadržavanju na odabranoj temperaturi i veoma sporom hladjenju u peći u intervalu faznih promena (A3, ACm,- A1). Dalje hladjenje od A1 do sobne temperature može biti na vazduhu. Svrha potpunog žarenja jeste usitnjavanje zrna, otklanjanje nepovoljne Vidmanšetenove strukture, ujednačavanje strukture, kao i otklanjanje sopstvenih napona, tako da čelik postane mekši i kovniji. Primenjuje Primenjuje se kod niskouglje niskougljeni ničnih čelika kao priprema za duboko izvlačenje i za poboljšanje mašinske obradljivosti kod visokougljeničnih čelika. Kad se kaže samo žarenje bez bližeg odredjenja, misli se na potpuno žarenje. a r u t a r e p m e T

1200


C ° 0 5 0 3

U p e ć i

m C

A

AC3 (ACm) AC1

A C

3

A C1

AC1,3

N a v a z d u h u

723°C

700 Cementit + Perlit

Perlit + Ferit 600

500 0

0.4


Vreme

9


Izotermalno žarenje Deo se zagreva 30-50°C iznad gornje kritične temperature AC3, zatim brzo hladi do temperature nešto iznad 550ºC, zadržava pri toj temperaturi do završetka perlitne promene i najzad hladi na vazduhu. Izotermalno žarenje ima prednost u odnosu na potpuno žarenje jer obezbeđuje skraćeno vreme procesa i dobijanje jednorodnije strukture. 1200



m

C ° 0 5 0 3

AC3 (ACm) B r z o

A C

AC1

A

C 3

AC1

AC1,3

723°C

Iznad 550°C

700 Perlit + Ferit

Cementit + Perlit

600

500 0

0.4




N a v a z d u h u

Vreme

10

5


Rekristalizaciono žarenje Zasniva se na zagrevanju metala, prethodno plastično deformisanog na hladno, do temperature više od temperature rekristalizacije, zadržavanju na toj temperaturi i hladjenju proizvoljnom brzinom. Temperatura rekristalizacije (Tr) metala i legura zavisi pre svega od njihove temperature topljenja (Tt, K). Za tehnički čiste metale, ona približno iznosi Tr ≈ 0.4 ⋅ T t , a za legure tipa čvrstog rastvora T ≈ 0.6 ⋅ T ; niskougljenični čelici imaju T ≈ 650 C , što predstavlja granicu prerade na toplo i hladno. Na ovaj se način otklanjaju posledice deformisanja na hladno niskougljeničnih čelika. Ovim vidom žarenja omogućuje se dalja prerada presovanjem, valjanjem i vučenjem. Rekristalizaciono žarenje je kratkotrajno kod tankih preseka, a veoma dugo kod debelih preseka zbog potrebe jednolikog progrevanja i rekristalizacije po celom preseku. 

r


t

r

AC3 (ACm) AC1 650 - 700 °C Vreme zavisi od preseka dela

P r o i z v o l j n o

Vreme


11

Žarenje za otpuštanje napona Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i potonjim još sporijim hladjenjem nego pri zagrevanju. Č eli č čne odlivke i odlivke od livenog gvoždja treba žariti radi otpuštanja napona pri temperaturi 500-600°C Č eli č čni delovi , obradjeni plastičnom deformacijom na hladno žare se radi smanjenja napona na znatno nižim temperaturama (250-300°C ispod temperature rekristalizacije). Ponekad se žarenjem pri temperaturi od 150°C izvodi tzv. stabilizaciono otpuštanje , uglavnom kod mernih i kontrolnih alata, da bi se postigla neophodna dimenziona stabilnost. a r u t a r e p m e T

AC3 (ACm) AC1 150-650°C

Vreme



12

6


Kaljenje čelika Kaljenje čelika je termička obrada koja se izvodi zagrevanjem radnog predmeta iznad temperature Ac3, za podeutektoidne i A1,3 za nadeutektoidne čelike, progrevanjem na toj temperaturi i hladjenjem brzinom većom od kritične. 1200

600 1100 Austenit 1000 C ° , a 900 r u t a r e p m 800 e T

m

A C

C ° 0 5 0 3

A

C 3

A C1

AC1,3

723°C

C 400 ° , a r u t a r e p 200 m e T

700

Ms

0 P er erl it + F er er it

Mf

Ce me me nt nt it + P er er li t

600

500 0

-200 0.4

0.2


0. 6

1. 0

1. 4

1. 8

Sadržaj C, maseni %

Kaljenje može biti zapreminsko i površinsko. površinsko. Zapreminsko kaljenje može kaljenje može biti martenzitno (M) martenzitno (M) (kontinualno, stepenasto) i bejnitno (B) bejnitno (B) (izotermičko). Redje se koriste i varijante prekidno martenzitno i ". kontinualno bejnitno kaljenje , kao i taložno kaljenje i "zamrzavanje ". 13


Kontinualno (obi č kaljenje čno)

AC3 AC1

Izvodi se neprekidnim hladjenjem komada iz austenitnog područ ja do temperature ispod martenzitne promene Ms. Brzina hladjenja se bira tako da se spreči difuziona promena austenita sve do temperature martenzitnog preobražaja, gde on potpuno ili delimično prelazi u martenzit.

A

C ° , a r u t a r e p m e T

A→F

a n i š r v o P

Ms

A→P

A→B

o r g z e J

A→M Mf

Martenzit

Vreme (log)



14

7


Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering)

AC3 AC1

Primenjuje se kod ugljeničnih čelika tankih preseka (10-12 mm ) ili malih pre čnika 8-10 mm . Stepenastim kaljenjem smanjuju se unutrašnji naponi, deformacije i mogućnost pojave prslina.

A


A→F

a n i š r v o P

A→P

o r g z e J

A→B

Ms A→M Martenzit

Mf

Vreme (log)

15


Izotermi č čko bejnitno kaljenje (austempering)

AC3 A C1

Čelik bejnitne strukture ima manju tvrdoću (40-58 HRC) od

martenzitne, ali je znatno duktilniji (plastičniji) i žilaviji od čelika zakaljenog na martenzit i otpuštenog na istu tvrdoću. Izotermički se kale uglavnom delovi malih preseka, izradjeni od ugljeničnih i niskolegiranih čelika.

A Ferit + perlit (krupni) C ° , a r u t a r e a n p i m š r e v T o P

A→F

A→P

Ferit + perlit (sitni) Gornji bejnit

o r g z e J

A→B Donji bejnit

Ms A→M Mf

Martenzit

Vreme (log)



16

8


Kontinualno bejnitno kaljenje

AC3 AC1

Ovaj vid kaljenja moguć je jedino za neke čelike čiji KH dijagram ima istureno koleno.


o A r g z a e J n i š r v o A→F P

A→ P

T1 A→B Ms Bejnit + martenzit M f

Vreme (log) Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic

17

Prekidno kaljenje

Prekidno kaljenje omogućuje da se deformacije delova pri kaljenju svedu na minimum, izbegnu prsline i dimenzijske greške.



18

9


Kaljenje na niskim temperaturama Ovim postupkom postiže se odgovarajuće povećanje tvrdoće i bolja stabilizacija strukture, smanjuju se unutrašnji strukturni naponi i time umanjuje sklonost ka spontanoj promeni specifične zapremine u toku vremena (tzv. starenje), što je u nekim slučajevima veoma značajno. Na primer, pri izradi preciznih mernih alata potrebno je ostvariti dimenzijsku stabilnost, koja neće biti poremećena u toku vremena, pa se oni često kale na niskim temperaturama. Pri termičkoj obradi čelika na sniženim temperaturama povećava količina martenzita u strukturi, što dovodi, pre svega, do:  povećanja tvrdoće,  povećanja zapremine i  stabilizacije dimenzija. Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic

19

Otpuštanje Martenzit je suviše krt da bi se čelični delovi sa takvom strukturom mogli uspešno primeniti u mašinstvu. Osim toga, u njima zaostaju znatni unutrašnji naponi. Zato se uvek posle kaljenja, izvodi naknadno zagrevanje zagrevanje i sporo sporo hladjenj hladjenje e - otpuštanje otpuštanje . Ako se okaljeni (zakaljen) čelik zagreva, aktivira se difuzija atoma, posebno ugljenika utoliko više, ukoliko je temperatura zagrevanja viša i duže vreme držanja na toj temperaturi. Ovakav proces termičke obrade, tj. naknadnog zagrevanja do ispod kritične temperature A1, držanja kraće vreme na toj temperaturi temperaturi i zatim laganog hladjenja (na primer, na mirnom vazduhu), naziva se otpuštanje . Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic


20

10


Zavisno od temperature zagrevanja pri otpuštanju ugljeničnih čelika, razlikuju se:  nisko ,  srednje i 

visoko otpuštanje.

Austenit 700

Pri niskom otpuštanju sopstveni naponi nastali pri kaljenju opadaju uz neznatno poboljšanje plastičnosti i održavanje visoke tvrdoće, jačine i otpornosti na habanje. Uglavnom se koristi za alate, opruge, kontrolnike. Isto tako, nisko se otpuštaju delovi posle površinskog kaljenja, cementacije, cijanizacije ili karbonitriranja.


∼750

600 Otpušteni martenzit

500

∼500

Trustit Srednje otpuštanje

400 300

Ms

200

Mf

Sorbit Visoko otpuštanje

∼250

Martenzit Nisko otpuštanje

Martenzit 65HRC

100 0 10

102

103

104

105

106

Vreme, (logt), (logt), s

21


Austenit 700

Pri srednjem otpuštanju jačina i napon tečenja ostaju isti kao i posle kaljenja, ali raste granica elasti čnosti, otpornost na relaksaciju i dinamička izdržljivost (zbog pojave spoljašnjih pritiskujućih napona pri hladjenju u vodi). Zato se na ovaj način otpuštaju delovi kao što su opruge (lisnate, zavojne), poluge za balansiranje, matrice i sl.


∼750


500

Ms


200

Mf

∼250


Martenzit 65HRC

100 0 10

102

103

104

105

106




∼500

400 300


22

11


Austenit 700

Pri visokom otpuštanju postiže se najbolja duktilnost i žilavost.


∼750


500

∼500


400 300

Ms

200

Mf


∼250


Martenzit 65HRC

100 0 10

102

103

104

105

106



23

Poboljšanje

Kaljenje i visoko otpuštanje zajedno se nazivaju poboljšanje . U poredjenju sa čelikom u

normalizovanom ili žarenom stanju, kaljenje praćeno visokim otpuštanjem dovodi do istovremenog povećanja jačine i napona tečenja, istegljivosti, suženja i naročito udarne žilavosti. Pošto se sve osobine popravljaju, to se termička obrada kaljenje + visoko otpuštanje zove poboljšanje . Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic


24

12


Reaustenitizacija

Mašinski deo, koji je prethodno okaljen sa uobičajene temperature kaljenja, naknadno se zagreva do nešto više temperature i odmah potom kali. U toku zagrevanja jedan deo ugljenika difunduje na granice zrna i obrazuje fini cementit, a drugi deo (oko 0.3% C) ostaje rastvoren u austenitu. To znači da se kao konačna struktura dobija martenzit sa 0.3% C i fini cementit, što predstavlja najbolju kombinaciju svojstava otpornosti (R m, R 0.2) i svojstava deformacije (A5 i Z).


AC3 (ACm) AC1

Prvo kaljenje

Drugo kaljenje

Vreme


25

Termo-mehanička obrada (TMO) i reaustenitizacija čka obrada Termo-mehani č

TMO je zasnovana na plastičnom deformisanju austenita i potonjoj martenzitnoj promeni. U poredjenju sa konvencionalnim poboljšanjem dobija se viša granica tečenja, te povećanje jačine na kidanje i duktilnosti. Na osnovu temperature na kojoj se TMO izvodi razlikujemo:  visokotemperatursku termo-mehaničku obradu (VTMO) i  niskotemperatursku termo-mehaničku obradu (NTMO).



26

13


Površinsko kaljenje a r u t a r e p m e T

Površinsko kaljenje je termička obrada kojom se zakaljuju samo površinski slojevi komada, dok njegovo jezgro zadržava početnu strukturu. Tako se dobija velika površinska tvrdoća uz veliku žilavost i manju tvrdoću jezgra što je poželjno kod delova od kojih se traže sledeće osobine:  velika otpornost površine protiv habanja,  povećana otpornost protiv udarnog dinamičkog opterećenja i  visoka granica zamaranja površine.

AC3 AC1 I

III

II

Udaljenost od površine

60 C R H a 40 ć o d r v T 20

0 0

2

4

6

8

Udaljenost od površine, mm

Raspodela temperature i tvrdo ć će na razli č čitim udaljenostima od kaljene površine


27

Površinski okaljen sloj zupčanika

Površinsko kaljenje se sastoji iz brzog zagrevanja površinskih slojeva do temperature kaljenja i zatim brzog hladjenja; pri tome se austenit u površinskim slojevima preobražava u martenzit. Prema izvoru toplote razlikujemo:  površinsko kaljenje plamenom i  indukciono površinsko kaljenje.



28

14


Površinsko kaljenje plamenom Površinsko kaljenje plamenom može se izvesti na postupan način ili izjedna. izjedna.

a)

b)

Primeri površinskog kaljenja cilindri č č nih površina: a) postupno kaljenje, b) kaljenje izjedna


29

Indukciono površinsko kaljenje Pri indukcionom zagrevanju se na površini komada generiše struja (Ik ) iste frekvencije ali suprotnog smera od struje koja protiče kroz induktor (Iind). Površinski slojevi se najpre zagrevaju sekundarnim strujama, a zatim se zakaljuju prskanjem vodom ili potapanjem u kadu. Za utvrdjivanje dubine prodiranja struje važi izraz: ρ 4 δ = 5.03 ⋅ 10

⋅

f ⋅ μ

,

mm

gde je: f – frekvencija frekvencija naizmeni naizmenične struje, specififiični električni otpor i ρ - spec magnetni permeabilitet. permeabilitet. μ - magnetni Za čelik se gornji izraz može svesti na: δ = 60 /

Induktor za površinsko indukciono kaljenje

f

, mm. Pošto je dubina sloja obrnuto srazmerna frekvenciji, znači da će dubina progrejanog sloja opadati sa porastom frekvencije. Ma š šinski i nski materijali - Dr Dragan Adamovic


30

15




31

16

Predavanje 6-Deo 1

Recommend Documents