Tepelné zpracování. Tepelné zpracování ocelí Tepelně mechanické zpracování Chemicko tepelné zpracování

Transkript

1 Tepelné zpracování Tepelné zpracování ocelí Tepelně mechanické zpracování Chemicko tepelné zpracování

2 Cíl Řízené využívání fázových a strukturních přeměn v tuhém stavu s cílem získat požadované mechanické, technologické či jiné užitné vlastnosti výrobků nebo polotovarů Využívá se řízených změn teploty (tepelné zpracování), změn chemického složení povrchových vrstev a teploty (chemickotepelné zpracování) změn teploty a důsledků plastické deformace (tepelněmechanické zpracování)

3 Technologie TZ vycházejí z teorie fázových přeměn, Zohledňují: konkrétní tvar a velikost zpracovávaných součástí, požadavky na kvalitu povrchu (okujení, oduhličení..), rozměrovou a tvarovou stabilitu.

4

5

6 Ohřev Q z dq= m C p dt Změna teploty m. tep. kapacita hmotnost Q x Q y ρ C p T t = k r r r T r

7 Ohřev Q z dq= m C p dt Změna teploty m. tep. kapacita hmotnost Q T = m C p Q x Q y Zdroj tepla má konstantní teplotu, tedy změna teploty není konstantní a tedy i tepelný tok není konstantní! Měrná tepelná kapacita není konstantní!

8 teplota teplota Teplota zdroje povrch jádro t3 povrch t2 t1 jádro t1 t2 t3 čas

9 Výrobek Přenosové prostředí Zdroj tepelné energie

10 Ohřev-pec (tl. 8 mm) Fázové přeměny: Ferit - austenit Perlit austenit P F P - Prodlužuje se s růstem obsahu uhlíku F zkracuje se s růstem obsahu uhlíku Pákové pravidlo Fe-Fe3C

11 teplota Teplota zdroje Fázová přeměna roztoku čas

12 teplota Teplota zdroje Fázová přeměna eutektoidu čas

13 Přenosová prostředí Přenosová prostředí, která zprostředkují pouze přenos tepla, lze označit za prostředí neutrální. Ta prostředí, která brání změnám chemického složení na povrchu výrobku, se nazývají ochranná nebo inertní. Dochází-li při styku přenosového prostředí s výrobkem také k přenosu hmoty, jde o prostředí aktivní.

14 Prostředí pro ohřev Tuhá, Fluidní, Roztavené soli, Vzduch a spaliny, exo-atmosféry a endo-atmosféry Ochranné atmosféry, Vakuum.

15 Roztavené soli pro nízké teploty popouštění jsou tvořeny alkalickými dusičňany a dusitany, které však při vyšších teplotách mají oxidační charakter. NaNO3, NaNO2, KNO3, KNO2, LiNO3

16 Pro ohřev na kalicí teploty do 900 C se používají směsi NaCl, a KCl s přísadou NaCN, BaCl2 a H3BO3.

17 Pro nejvyšší kalicí teploty (až 1300 C) je vhodný BaCl2, případně směs s 5 % NaCl a dalšími přísadami (ferosilicium, SiO2, SiC).

18 Ochranné nátěry Proti oxidaci Proti cementaci Proti nitridaci Kalicí folie

19 Vzduch ochlazování (tl. 8mm)

20 Olej ochlazování (tl. 8mm)

21 Voda ochlazování (tl. 8 mm)

22 Porovnání

23 Prostředí pro ochlazování Optimální ochlazovací prostředí je takové, které umožní ochlazování příslušných objemů rychlostí jen o málo překračující rychlost kritickou. Účinnost závisí na tepelné vodivosti, měrném a výparném teple a na viskozitě ochlazovacího prostředí. Pokud se v ochlazovacím prostředí vyskytuje při ochlazování parní polštář (voda, olej), je nutno tento polštář porušit (pohyb prostředí nebo předmětu).

24 Ochlazovací prostředí - Voda Nenáročné, nehořlavé, levné a nejběžnější prostředí nejúčinnější je v oblasti nosu ARA diagramu s rostoucí teplotou vody klesá ochlazovací účinnost v oblasti perlitické přeměny. Ochlazovací účinnost lze zvýšit jejím pohybem. Přísadou kyselin, louhu, rozpustných polymerů lze měnit ochlazovací účinnost.

25 Ochlazovací prostředí - Voda Louhy (NaOH) a soli (NaCl+KNO3). Malá citlivost k oteplení, čistý povrch výrobku zbavený okují. Nutnost odsávání vnikajících par. Optimální koncentrace %

26 Ochlazovací prostředí - Voda Vodné roztoky polymerů, jejichž ochlazovací účinek leží mezi vodou a olejem Vhodnými polymerními aditivy jsou Polyvinylalkohol (PVA), polyalkylenglykol (PAG) či polyethyloxazolin (PEO). Roztoky jsou nehořlavé, neznečišťují výrobky, jejich páry méně obtěžují než kouř z olejů, jsou však nákladnější než oleje a vyžadují častější kontrolu kvality.

27 Ochlazovací prostředí - Oleje Minerální oleje jsou chemicky stálejší, i když tyto oleje postupně oxidují a vlhnou, musí se proto čistit, převařovat a regenerovat. Rostlinné oleje mají příznivější průběh ochlazování, ale rychleji ztrácejí svůj ochlazovací účinek a při styku s alkalickým prostředím mýdelnatí. Při kalení do oleje může dojít k jeho vzplanutí zejména tehdy, když není množství oleje dostatečné (15 kg oleje na 1 kg.h -1 oceli) nebo když výrobek nebyl do lázně zcela ponořen.

28 Ochlazovací prostředí - Oleje Účinek olejů založen na jejich odpařování, a proto musí být zaručen relativní pohyb prostředí vzhledem k výrobku, nejlépe nucenou cirkulací oleje. Ochlazovací účinek oleje dále závisí na jeho chemickém složení, viskozitě a teplotě vzplanutí. Zvýšení teploty oleje jednak prodlužuje období stability parního a plynného polštáře ( C), jednak snižuje viskozitu oleje, což usnadňuje jeho cirkulaci a odvod bublin plynů.

29 Ochlazovací prostředí Roztavené soli a kovy Předností obou skupin ochlazovacích prostředí je, že maximum rychlosti ochlazování leží v oblasti vysokých teplot, a že rychlost ochlazování je při nízkých teplotách značně ovlivněna teplotou lázně. Z roztavených kovů se nejvíce používá olovo, případně jeho slitiny s cínem, při pracovních teplotách C pro patentování drátu. Lázně nemají nucenou cirkulaci a jejich povrch se musí chránit proti oxidaci. Páry olova jsou jedovaté, ale jeho teplota vypařování je vysoká (1754 C).

30 Ochlazovací prostředí - Vzduch Ochlazování na klidném vzduchu je velmi pomalé a závisí na velikosti výrobku. Maximum ochlazovací rychlosti opět leží ve vysokoteplotní oblasti. Chladný vzduch proudící pod malým přetlakem má oproti klidnému vzduchu až řádově větší ochlazovací účinek Pohyb Ochlazovací prostředí Prostředí Výrobku Vzduch Olej Voda Vodný roztok Ne Ne 0,02 0,3 1,0 2,2 Ne Pomalý - 0,4 0,6 1,5 3,0 - Ne Rychlý - 0,6 0,8 3,0 6,0 7,5 Rychlý Ne 0,08 1,0 1,7 6,0 12,0 -

31 Tepelné zpracování Rovnovážná struktura Název: žíhání Struktura v tepelném cyklu: roztoky, eutektoid, sekundární fáze Nerovnovážná struktura Název: Kalení, zušlechťování, Výsledné struktury tepelného cyklu: martenzitické, bainitické

32 Žíhání Způsob TZ, jehož cílem je dosažení rovnovážného strukturního stavu. Malá ochlazovací rychlost. Zařazováno jako přídavná nebo konečná operace TZ. Pro polymorfní oceli dělíme postupy žíhání podle výšky použité teploty na žíhání bez překrystalizace a na žíhání s překrystalizací.

33 Teplota ( C) Žíhání bez překrystalizace Způsoby žíhání pod teplotou A 1 u polymorfních ocelí. Dochází ke strukturním změnám sferoidizace karbidů, zotavení, rekrystalizace). U nepolymorfních vysocelegovaných ocelí se jedná vždy o žíhání bez překrystalizace rekrystalizační Na měkko Snížení pnutí % C

34 Teplota ( C) Žíhání na snížení pnutí Cílem je snížit nebo odstranit vnitřní pnutí, které vznikla při předchozím zpracování jako důsledek místního ohřevu (svařování), tváření za studena, rozsáhlého třískového obrábění nebo nerovnoměrného chladnutí tvarově složitých součástí či velkých rozměrů Provádí se při C 1-2 hodiny Snížení pnutí % C

35 Teplota ( C) Rekrystalizační žíhání K odstranění deformačního zpevnění po předchozím tváření za studena Teploty C pro polymorfní oceli Cca 800 C pro nepolymorfní Pro austenitické oceli až 1100 C Doba 1-5 hodin? Doba a teplota rekrystalizačního žíhání jsou závislé na stupni deformace a požadovaných vlastnostech výrobku. Žíháme tak aby došlo ke zjemnění zrna. % C

36 Teplota ( C) Žíhání na měkko Účelem je snížení tvrdosti a zejména zvýšení obrobitelnosti oceli Dochází k sferoidizaci perlitického cementitu Podeutektoidní oceli C po 4 hodiny i více s pomalým ochlazením v peci Nadeutektoidní oceli nad A 1 s velmi pomalým ochlazením (10-15 C/h) přes teplotní interval A 1 do 600 C při kterém vzniká zrnitý perlit % C Na měkko

37 Protivločkové žíhání U ocelových polotovarů náchylných ke vzniku vloček (trhliny v důsledku vylučování vodíku na fázovém rozhraní matrice) jako prevence ke vzniku vnitřních trhlin. Teplota polotovaru při ochlazování po odlití nebo po tváření za tepla nesmí výrazně klesnout pod A 1, poté následuje buď velmi pomalé ochlazování v peci nebo prodleva na teplotě C po dobu desítek hodin.

38 Žíhání pro odstranění křehkosti po moření Při odstranění okují mořením dochází k difúzi vodíku do oceli C po dobu 1-4 hodiny Rozpouštěcí žíhání U nepolymorfních ocelí s cílem rozpustit v tuhém roztoku minoritní fáze (karbidy, nitridy) Až 1100 C U polymorfních ocelí ohřev pod A 1 s rychlým ochlazením se odstraňují důsledky stárnutí

39 Žíhání s překrystalizací Dochází k úplné nebo k téměř úplné přeměně výchozí feriticko-cementitické struktury v austenit. Podeutektoidní oceli se žíhají nad teplotou A 3. Nadeutektoidní oceli se žíhají nad A cm nebo mezi A 1 a A cm.

40 Teplota ( C) Homogenizační žíhání Účelem je zmenšení chemické heterogenity (při tuhnutí odlitků ) Lokální rozdíly se vyrovnávají difúzí C po dobu 5-15 hodin. Zhrubnutí austenitu odstraníme tvářením za tepla nebo normalizací. homogenizační % C

41 Teplota ( C) Normalizační žíhání Účelem je zjemnění austenitického zrna a zrovnoměrnění sekundární struktury. Vhodné pro uhlíkové a nízkolegované oceli. Vhodné pro výkovky, svařence, odlitky. normalizační % C

42 Kalení a popouštění Kalením se označují způsoby tepelného zpracování, jejichž cílem je dosažení nerovnovážných stavů ocelí. Podle převažující složky rozdělujeme kalení na martenzitické a bainitické. Cílem kalení je zajistit vznik struktury martenzitické.

43 Kalení a popouštění Kalitelnost schopnost získat martenzitickou strukturu. Zakalitelnost hodnotí se tvrdost oceli po zakalení (maximální tvrdost je určena tvrdostí martenzitu). Prokalitelnost schopnost oceli získat po zakalení tvrdost odpovídající její zakalitelnosti (nebo smluvní hodnotě) v určité hloubce pod povrchem kaleného předmětu.

44 Teplota ( C) Kalicí teplota U podeutektoidních ocelí C nad A c3 u jemnozrnných ocelí lze použít vyšší teplotu austenitizace. U nadeutektoidních ocelí C nad A c1. % C

45 Způsoby kalení Volba závisí: Vlastnosti kaleného předmětu Na velikosti kaleného předmětu Na tvaru kaleného předmětu Na druhu použité oceli Při plynulém ochlazování jsou předměty kaleny v prostředí o pokojové teplotě. Při přetržitém kalení se používá dvou prostředí s různou intenzitou ochlazování, nebo prostředí o dvou různých teplotách Cílem variant přetržitého kalení je snížit úroveň vnitřních pnutí.

46 Teplota ( C) Kalení do studené lázně Do vody, oleje nebo na vzduchu Nejjednodušší Vysoká úroveň vnitřních pnutí A1 A-P A-B A-M čas

47 Přerušované (lomené) kalení Rychlé ochlazení až na teplotu těsně nad M s poté přemístit předmět do mírnějšího média. Kombinace voda-olej, voda vzduch, olej vzduch. Sníží se úroveň vnitřních pnutí. Používáme u tvarově složitých a rozměrných výrobků. A-M A1 A-B A-P

48 Termální kalení Ochlazování v lázni jejíž teplota leží těsně nad teplotou M s kalené oceli. Potlačení teplotních pnutí již před vlastním kalení. Vhodné pro legované oceli, které mají dostatečnou stabilitu austenitu nad M s. U menších tenkostěnných a tvarově složitých výrobků z uhlíkových nebo nízkolegovaných ocelí. A-M A1 A-B A-P

49 Izotermické kalení Teplota lázně těsně pod M s A1 A-P A-B A-M

50 Kalení se zmrazováním Po kalení do vody okamžitě přeneseme do tekutého dusíku. Pro výrobky rozměrově stabilní.

51 Popouštění Ohřev na teplotu nižší než A 1 a výdrž na této teplotě Následuje ochlazení vhodnou rychlostí. Popouštění při nízkých teplotách (napouštění) 100 až 300 C. Popouštění při vysokých teplotách (anizotermické zušlechťování) 400 až 650 C pro optimální kombinace pevnostních charakteristik a plastických vlastností

52

53 Dvoufázové oceli Feritickomartenzitické Martenzitickoferitické Bainitickomartenzitické TRIP TWIP Pákové pravidlo Fe-Fe3C

54 Bainiticko-martenzitické Anizotermický rozpad austenitu Izotermický rozpad austenitu Podchlazení pod Ms Ohřev k Bs 50% 99%

55 Tepelně mechanické zpracování TMZ Deformace před fázovou přeměnou Deformace během izotermické fázové přeměny

56 izoforming

57 TMZ s redistribucí uhlíku Přeměna austenitu začíná změnou rozpustnosti vznik feritických zrn Austenit se obohacuje uhlíkem změna kinetiky rozpadu, posun Ms a Mf k nižším teplotám Ms A-M Mf A 3 A 1 A-F A-P A-B Čas

58 TMZ s redistribucí uhlíku Austenit se obohacuje uhlíkem změna kinetiky rozpadu, posun Ms a Mf k nižším teplotám Vysokouhlíkový austenit při dalším ochlazování se přemění na martenzit + zbyde podíl austenitu Ms A 3 A 1 A-P A-B 0 C A-M Mf Čas

59

60 Vícefázové dvoufázové 10-25% martenzitu Zbytek ferit TRIP % feritu % bainitu 5-15 % zbytkového austenitu Méně než 5 % martenzitu Řídí se obsahem uhlíku v oceli Možné použití u všech podeutektoidních složení

61 Properties of high-strength weldable steels compared to austenitic steels and aluminium alloys: P = phosphorus-alloyed, IF = interstitial-free, HSLA = high-strength, low-alloy, BH = bake hardening, DP = dual phase, TRIP = transition-induced plasticity, CP = complex phases, MS = martensite phases (from U. Brüx and G. Frommeyer).

62 Zpevňování povrchu Plastickou deformací Fázovou transformací Chemicko tepelným zpracováním Iontovou implantací

63 Zpevňování povrchu plastickou deformací Válečkování, tryskání Plastická deformace povrchu vede ke vzniku tlakových pnutí.

64 Zpevnění povrchu fázovou transformací povrchové kalení Indukční povrchové kalení. Povrchové kalení plamenem. Laserové tepelné zpracování. Vysoká tvrdost povrchu a dostatečná houževnatost jádra. Rychlá austenitizace povrchu a následné zakalení. Ohřev sta C/s Teplota austenitizace cca o 200 C vyšší než při objemovém kalení. Oceli vhodné: obsah C vyšší než 0,35 % nebo nízkolegované oceli. Následuje nízkoteplotní popouštění.

65 Indukční povrchové kalení Ohříváme indukovaným proudem o frekvenci 1 khz až 2 MHz. Intenzita magnetického pole a vířivých proudů je na povrchu předmětu. Tloušťka ohřáté vrstvy je nepřímo úměrná frekvenci proudu. Závisí na době ohřevu, rychlosti ohřevu. Běžně 1 3 mm Ohřev a následné zakalení je nepřetržité nebo přetržité (jednorázové)

66 4u9s

67 Povrchové kalení plamenem Ohřev kyslíko-acetylénovým plamenem. Při jednorázovém kalení je nejmenší tloušťka 3 mm, u postupného 1,5 mm. Nižší rychlost ohřevu než u indukčního kalení. o-i4y

68 Laserové tepelné zpracování Rychlost ohřevu i ochlazování 10 4 až 10 6 C/s. Hloubka je 0,2 až 0,8 mm. Lze natavit povrch a tak rozpustit některé fáze. WJBmg

69 Chemicko tepelné zpracování CHTZ cementování nitridování nitrocementování karbonitridování Difúzní sycení povrchu oceli různými prvky (C, N, B, Si, Al ) s cílem dosáhnout rozdílných mechanických nebo fyzikálně chemických vlastností povrchu a jádra součásti Požadovaných vlastností se dosahuje buď přímo obohacením povrchové vrstvy a pomalým ochlazením nebo následujícím TZ. Základní pochody při CHTZ jsou: disociace, adsorpce, difúze

70 Cementování Povrch oceli sytíme uhlíkem na eutektoidní nebo těsně nadeutektoidní koncentraci. Povrchové tvrdosti dosahujeme kalením a nízkoteplotním popouštěním. Vhodné jsou oceli s 0,10 až 0,25 % C.

71 Cementační prostředí Sypké směs dřevěného uhlí a uhličitanu barnatého (BaCO 3 ). Plynné směs plynů CO, CO 2, CH 4, Vyšší nauhličovací schopnost, lze regulovat. Kapalné lázně roztavených chloridových solí s přísadou kyanidů (KCN, NaCN) nebo SiC. Rychlost nauhličování je vysoká.

72 Nadeutektoidní (perlit + cementit II ) h Eutektoidní Podeutektoidní Při určování cementační hloubky počítáme pásmo nadeutektoidní + eutektoidní + ½ pásma podeutektoidního. Podle tloušťky jsou tenké (do 0,5 mm), střední (do 1,5 mm) a tlusté (nad 1,5 mm). Čím silnější vrstva tím vyšší měrné tlaky.

73 Teplota ( C) Nadeutektoidní (perlit + cementit II ) h Eutektoidní Podeutektoidní % C

74 Tepelné zpracování po nauhličení A c3 A c1 S přichlazením Dvojité kalení Ms přímé Po normalizačním žíhání HtjDc

75 Nitridování Sycení povrchu oceli dusíkem.

76 Nitridování Oceli legované Cr, Al, V CrN, AlN, VN. Plynné prostředí čpavek (NH 3 ). Vrstva 0,1 až 0,3 mm. Doba nitridace až 60 h. Tvrdost HV Zušlechtění ocelí před nitridací.

77 Nitrocementování a karbonitridování Sycení povrchu dusíkem a uhlíkem C 1-2 hodiny Směs uhlovodíků a čpavku Solné lázně s přísadou kyanidů Kalení a popouštění C 4 hodiny Bez dalšího tepelného zpracování 1 nitridace 2 nitrocementace 3 cementace 4 povrchové kalení

78 Boridování Sulfonizování Sulfonitridace Difúzní chrómování Alitování, alumetování Křemíkování Atd.

79 Iontová implantace Při implantaci dopadá svazek vhodně volených iontů s vysokou kinetickou energií na základní materiál Povrch je bombardován dávkami až iontů na cm 2 Používají se především N, C, O a kovy Cr, Mo, Ti, Al, Zn, Ta, Pt aj Hloubka vrstvy je od několika atomových rovin až po mikrometry Užívá se ke zvýšení tvrdosti povrchu, odolnosti proti opotřebení a korozi, i ke zvýšení meze únavy

80 Druhy ocelí podle EN Nelegované Svařitelné Tlakové nádoby Kolejnice Pro zušlechťování Pro cementování Pro nitridování.atd.

81 Oceli Nelegované jakostní oceli (ČSN EN A1) Ploché a dlouhé výrobky Tváření za tepla i za studena Označení C Mn Si S P Cu R e (MPa) R m (MPa) A (%) S235J0 max. 0,17 max. 1,4 - max 0,040 max. 0,040 - min S275J0 max. 0,2 max. 1,5 - max. 0,040 max. 0,040 - min min. 14 S355J0 max. 0,2 max. 1,6 max. 0,55 max. 0,040 max. 0,040 - min

82 Oceli Svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli (ČSN EN a -4) Ploché a dlouhé výrobky, plechy Tváření za tepla i za studena Dodávané ve stavu normalizačně žíhaném nebo termomechanicky válcovaném Mikrolegované Nb, V, Al, Ti S275, S355, S420, S460

83 Oceli Oceli pro tlakové nádoby (ČSN EN 10028) jsou určeny pro výrobu plochých a dlouhých výrobků používaných pro konstrukci tlakových nádob. Tyto oceli se vedle chemického složení a mechanických vlastností zkouší ještě vnitřní jakost. Oceli pro výztuž do betonu (ČSN EN 10080) jsou normovány dvě oceli B500A a B500B, které mají stejné chemické složení. Předepsaný uhlíkový ekvivalent činí 0,50 %. Oceli mají předepsanou mez únavy 180 MPa. Obě oceli se liší hodnotou poměru R m /R e. pro jakost B500A je poměr 1,05 a pro jakost B500B 1,08 při R m =500 MPa. Oceli pro kolejnice jsou perlitické nelegované, legované manganem nebo chrómem. U ocelí se požaduje dobrá odolnost proti kontaktní únavě.

84 Oceli Oceli k cementování (ČSN EN 10084) jsou oceli s nízkým obsahem uhlíku, které jsou určeny k povrchovému nauhličení nebo k nitrocementaci s následným kalením. 35 značek Legující prvky ovlivňují obsah uhlíku v povrchové vrstvě, její tloušťku a tvrdost Značka Č. mat. C Mn Cr Mo Ni C16E ,12-0,18 0,60-0,90 28Cr ,24-0,31 0,60-0,90 0,90-1,20 20MnCr ,17-0,22 1,10-1,40 1,00-1,30 20MoCr ,17-0,23 0,70-1,00 0,30-0,60 0,40-0,50 17CrNi ,14-0,20 0,50-0,90 1,40-1,70 1,40-1,70 18CrNiMo ,15-0,21 0,50-0,90 1,50-1,80 0,25-0,35 1,40-1,70

85 Oceli Oceli k nitridaci (ČSN EN 10085) jsou určeny pro tepelné zpracování, které obsahují kontrolovaný obsah dvou nebo více nitridotvorných prvků Al, Cr, Mo, V, a jsou proto vhodné pro nitridování. Všechny značky mají předepsaný stejný režim pro zušlechtění. Kalí se z teploty 870 až 930 C do vody nebo oleje, popouštění při 580 až 700 C a nitridují se při teplotě 480 až 570 C. Značka Č. mat. C Cr Mo V R m (MPa) R e (MPa) A min. (%) KV min. (J) 31CrMo ,28-0,35 2,8-3,30 0,30-0, CrMoV ,27-0,37 2,3-2,7 0,15-0,25 0,1-0, CrAlNi ,30-0,37 1,5-1,8 0,15-0, CrAlMo ,38-0,45 1,5-1,8 0,20-0, CrMoV ,36-0,43 3-3,5 0,7-1 0,15-0, CrAlMo ,30-0,37 1-1,3 0,15-0,

86 Oceli Pružinové oceli (ČSN EN ) jsou dodávány jako oceli uklidněné ve stavu žíhaném na měkko, válcovaném za studena nebo zušlechtěném. Pro ocel je předepsána zkouška na nekovové vměstky a na velikost zrna. Žíháno na měkko zušlechtěno Značka Č. mat. C Si Mn Cr R p0,2 (MPa) R m (MPa) A 80 (%) min HV max. R m (MPa) max. C55S 0,52-0,60 0,15-0,35 0,60-0,90 max. 0, C125S 1,20-1,30 0,15-0,35 0,30-0,60 max. 0, Si7 0, ,60 1,60-2,00 0,60-0,90 0,80-1, CrV2 0,75-0,85 0,15-0,35 0,30-0,50 0,40-0, Cr6 0,95-1,1 0,15-0,35 0,20-0,35 1,35-1,

87 Oceli Oceli k zušlechťování (ČSN EN 10083) Oceli jsou převážně určeny k výrobě strojních součástí, které se tepelně zpracovávají zušlechťováním nebo izotermickým zušlechťováním, popřípadě jsou používány ve stavu normalizovaném. Všechny oceli musí být uklidněné, dodávané ve stavu tepelně nezpracovaném. Všechny oceli jsou obrobitelné ve stavu žíhaném na měkko. Značka Č. mat. C Mn Cr Mo Ni C22E ,17-0,24 0,40-0,70 max. 0,40 max. 0,10 max. 0,40 C60E ,57-0,65 0,60-0,90 max. 0,40 max. 0,10 max. 0,40 38Cr ,35-0,42 0,50-0,80 0,40-0, Cr ,38-0,45 0,60-0,90 0,90-1, CrMo ,46-0,54 0,50-0,80 0,90-1,2 0,12-0,30-36NiCrMo ,32-0,39 0,30-0,60 1,60-2,00 0,25-0,45 3,6-4,10

88 Korozivzdorné oceli (ČSN EN 10088) Základním prvkem ve vysokolegovaných ocelích je chróm. Korozivzdorné oceli jsou schopné pasivace, která dává těmto ocelím odolnost proti elektrochemické korozi v oxidačním prostředí. Podmínkou pasivace je obsah chrómu v tuhém roztoku vyšší než 11,5 %. Obsah chrómu v tuhém roztoku, který zajišťuje korozivzdornost, závisí i na obsahu uhlíku, neboť tvoří s chrómem karbidy. Obsah C nižší než 0,1 %

89 martenzitické austenitické

90 Korozivzdorné oceli Martenzitické oceli, aby mohly obsahovat více než 11,5 % Cr a byly tedy korozivzdorné, musí obsahovat prvky rozšiřující oblast. Snižování obsahu uhlíku v těchto ocelích je omezeno koncentrací asi 0,08 % C. nejvýše přípustný obsah feritu v těchto ocelích je 20 %. Snížení obsahu uhlíku pod uvedenou hranici je nutné kompenzovat zvýšeným množstvím niklu. Nad 5 % Cr jsou tyto oceli samokalitelné. Popouštěním na 450 až 550 C se vylučují z martenzitu karbidy, korozní odolnost klesá a oceli křehnou.

91 Korozivzdorné oceli Feritické oceli obsahují % Cr a do 0,08 % C. při tuhnutí těchto ocelí se vylučuje z taveniny chrómový ferit, který se již dále netransformuje. Rozpustnost uhlíku v chrómovém feritu je nižší než 0,1 %, proto se přítomný uhlík vylučuje ve formě karbidů. Feritické oceli s vyššími obsahy uhlíku jsou křehké a používají se jako žáruvzdorné.

92 Korozivzdorné oceli Austenitické oceli obsahují nejčastěji 18 až 20 % Cr a 8 až 11 % Ni. Rozpustnost uhlíku v austenitu těchto ocelí je 0,03 %. Přísada niklu, manganu, popř. dusíku, ke slitinám železa s chrómem ve vhodně vyváženém množství vytváří základ austenitických ocelí, protože si zachovávají austenitickou strukturu za normální teploty i za velmi nízkých teplot.

93 Korozivzdorné oceli Dvoufázové (duplexní) Precipitačně vytvrditelné (martenzitické a austenitické)

94 Korozivzdorné oceli - použití Martenzitické bez Ni Mírně agresivní prostředí Chemický průmysl Chirurgické nástroje Potravinářský průmysl Martenzitické s Ni Lopatky parních turbín Armatury Čerpadla Energetický průmysl Křehnutí v oblasti 350 až 550 C

95 Korozivzdorné oceli - použití Feritické Výměníky Potravinářství (sudy, nádobí) Architektura Austenitické Chemický a petrochemický průmysl Papírenský průmysl Mořská voda

96

97 Ochrana proti korozi Organické povlaky Anorganické povlaky Kovové povlaky (elektrolytické, chemické, žárové) Konzervace (emulze, oleje ) Inhibitory koroze Výběr materiálu Konstrukční uspořádání

98 Nástrojové oceli Při volbě materiálu na určitý nástroj se musí uvážit podmínky jeho provozu v co nejširší míře

99 Nástrojové oceli Ruční nástroje a nářadí Z uhlíkových a nízkolegovaných ocelí se nejčastěji vyrábějí nejrůznější ruční nástroje jako kladiva, kleště, šroubováky, sekáče, dláta, sekery, nože nebo různé zemědělské nástroje. TZ na cca 55 HRC

100 Nástrojové oceli Nelegované nástrojové oceli pro řezné nástroje se používají pro výrobu menších méně namáhaných nástrojů (nástroje opracovávající dřevo, závitníky, pilky na kov aj.). Obsahují nejčastěji 0,5 % až 1,5 % C, s obsahem manganu do 0,40 % a obsahem křemíku do 0,40 %. TZ HRC

101 Nástrojové oceli Legované nástrojové oceli pro řezné nástroje Mají však vyšší prokalitelnost, vyšší tvrdost (60 až 64 HRC) a menší pokles tvrdosti při popouštěcích teplotách. Bývají legovány chrómem, wolframem a molybdenem a vanadem. Součet legujících prvků obvykle nepřesahuje 3 až 5 %. Zvláštní skupinou jsou vysokolegované chrómové ledeburitické oceli obsahující 11 až 13 % Cr a i přes 2 %C. Vzhledem k tomu, že tyto oceli mají oblast sekundární tvrdosti mezi 500 až 520 C, lze tyto oceli nitridovat.

102

103 Nástrojové oceli Rychlořezné oceli se vyznačují odolností proti poklesu tvrdosti, až do teplot okolo 550 C. Jedná se o ledeburitické oceli vysoce legované s obsahem uhlíku nad 0,7 %. Základním legujícím prvkem v rychlořezných ocelích je wolfram, který bývá částečně nahrazen polovičním množstvím molybdenu. Rychlořezné oceli se kalí z teplot až C. Popouštějí se na sekundární tvrdost při teplotě okolo 560 C. Popouštění se třikrát opakuje, načež dosáhneme tvrdosti kolem 65 HRC.

104 X210Cr12 (Cr,Fe)7C3 primární Matrice cca 0,6%C Sekundární karbidy

105 Specifikace skupiny materiálů Nástrojové nelegované oceli pro práci za studena Příklad značek ocelí C45U, C70U, C80U, C90U, C105U a C120U. Nástrojové legované oceli pro práci za studena 105V, 50WCrV8, 102Cr6, 21MnCr5, 90MnCrV8,X100CrMoV5, X153CrMoV12, X210Cr12, X210CrW12 55NiCrMoV7,X38CrMoV5-3, Nástrojové oceli pro práci za tepla Nástrojové oceli rychlořezné X40CrMoV5-1, X30WCrV9-3,X35CrWMoV5, 38CrCoWV HS0-4-1, HS1-4-2, HS18-0-1, HS6-5-3, HS , HS

106 Litiny Slitiny železa s uhlíkem, křemíkem a dalšími přísadovými prvky, které ve struktuře tvoří eutektikum. Obsahují více než 2,1 % C Karbidické litiny (bílé) Fe Fe 3 C Grafitické litiny (šedé) Fe - C

107

108 Uhlíkový ekvivalent C e Ce C 0,3( Si P) Stupeň eutektičnosti Se C 4,25 0,3( Si P) Rm Se

109 Teplota ( C) δ H A B N J δ+γ L+δ Tavenina (L) L+grafit D γ austenit E L+γ C L+Fe 3 C F G γ+grafit α Q Fe M α+γ P Ferit+ perlit 0,02 O S 0,80 Perlit+ Cementit II 2,11 γ+ledeburit Perlit+ Ledeburit (rozpadlý) C c (%) 4,30 Ledeburit+Fe 3 C Cementit+ Ledeburit (rozpadlý) K Fe 3 C, C

110

111 Očkování Způsob ovlivnění stavu a množství heterogenních krystalizačních zárodků Si, Al, P Ovlivnění velikosti grafitických útvarů, jejich vzdálenost Ovlivnění obsahu uhlíku v matrici

112 Modifikace Zabezpečení požadovaného tvaru grafitu. Mg, Ce pro kuličkový grafit (zvýšení povrchového napětí). Změna tvaru lupínku až ke kuličce

113 T γ G T γ G

114 Hodnotí se dle normy ČSN EN 1560 jako lupínkový (I), vločkový (II), červíkovitý nebo-li vermikulární (III), povoučkovitý (IV), nedokonale zrnitý (V) a zrnitý (VI)

115 Značení litin - zkrácené 1. Pozice obsahuje znaky EN 2. Pozice obsahuje znaky GJ (odlitek z litiny) 3. Pozice uvádí označení pro tvar grafitu L lamelární S kuličkový M vločkový V vermikulární N ledeburitická litina bez grafitu Y zvláštní tvar uvedený v příslušné normě

116 4. Pozice označuje mikrostrukturu (nebo se vynechá) 5. Pozice uvádí mech. Vlastnosti nebo chem. složení A F P M L Q T B W austenit ferit perlit martenzit ledeburit struktura po zakalení struktura po zušlechtění neoduhličená struktura oduhličená struktura

117 Značení litin podle mechanických vlastností S odděleně litý zkušební vzorek U přilitý vzorek C zkušební vzorek vyříznut z odlitku

118 Označení pevnosti EN GJL-150C Označení tažnosti EN GJL C Označení rázové houževnatosti v ohybu EN GJL-150C-RT (LT) Označení tvrdosti EN GJL-HB160 Označení dle chemického složení EN- GJL-X300CrNiSi9-5-2

119 Systém číselného označování litin pozice znak E N - X X n n n n 1. až 3.pozice má neměnné složení znaků EN- 4. Pozice používá písmeno J 5. Pozice označuje tvar grafitu 6. Pozice symbolizuje hlavní uváděnou vlastnost litiny (1-pevnost, 2-tvrdost, 3-chemické složení) 7. a 8. pozice je dvoumístné číslo označující jednotlivé materiály

120 9. Pozice uvádí požadavky: 0 Žádné požadavky 5 Rázová houževnatost při nízkých teplotách 1 Odděleně lité vzorky 6 Stanovená vhodnost ke svařování 2 Přilité zkušební vzorky 7 Tepelně nezpracovaný odlitek 3 Zkušební vzorky vyřízlé z odlitku 4 Rázová houževnatost při pokojové teplotě 8 Tepelně zpracovaný odlitek 9 Další požadavky dle požadavků v objednávce

121 Fázové přeměny litin v tuhém stavu Přeměny v tuhém stavu můžeme sledovat stejně jako u ocelí v diagramech ARA Pomalé ochlazování (1) vzniká úplná transformace austenitu na ferit a grafit Se zvyšující se rychlostí (2,3) ochlazování probíhají oba druhy eutektoidní přeměny s výslednou feriticko-perlitickou matricí Při určité rychlosti (4) proběhne pouze metastabilní přeměna austenitu na perlit Ochlazování (5) vede ke vzniku strukturní směsi perlitu, bainitu, martenzitu a zbytkového austenitu A~M 6 A~P A~B A~F+G 1 Vysoké ochlazovací rychlosti (6) vedou ke vzniku martenzitu

122 Grafitické litiny Struktura grafitických litin je tvořena grafitem a základní kovovou matricí Vlastnosti závisí na tvaru, velikosti, obsahu a rozložení grafitu a na druhu matrice (perlit, ferit, cementit) a steaditu (fosfodické eutektikum) ČSN EN 1560 rozlišuje tyto typy grafitu: Lupínkový Kuličkový Vermikulární (červíkovitý)

123 Litina s lupínkovým grafitem ČSN EN 1561 Grafit je přítomen ve tvaru lamelárních částic lupínků Levný konstrukční materiál s dobrými slévárenskými vlastnostmi Křemík jako grafitizační činidlo má tuhnutí litiny největší vliv Norma nebere v úvahu způsob výroby Normuje však charakteristické vlastnosti pevnost nebo HB dle tloušťky odlitku E není konstantní neplatí Hookův zákon mění se s napětím

124 Značka litiny dle ČSN EN Číslo litiny Značka litiny normalizované v ČR Pevnost v tahu R m (MPa) EN-GJL-100 EN-JL1010 ČSN EN-GJL-150 EN-JL1020 ČSN EN-GJL-200 EN-JL1030 ČSN EN-GJL-250 EN-JL1040 ČSN EN-GJL-300 EN-JL1050 ČSN EN-GJL-350 EN-JL1060 ČSN

125 Litina s kuličkovým grafitem ČSN EN 1563 Grafit je přítomen ve tvaru částic kuličkového grafitu Má výrazně lepší mechanické vlastnosti (tvárnost..) Chemické složení odpovídá většinou eutektické či nadeutektické koncentraci Koncentrace Si je větší než u litiny s lupínkovým grafitem Velikost grafitických kuliček závisí na rychlosti ochlazování Matrice feritická, perlitická, bainitická Vysoce jakostní materiál spojující přednosti lité oceli a litiny s lupínkovým grafitem, má větší útlum.. Pevnostní charakteristiky jsou na rozdíl od litiny s lupínkovým grafitem méně závislé na tloušťce odlitku

126 Označení materiálu Pevnost Rm (MPa) Pevnost Rp0,2 (MPa) Tažnost (%) Tvrdost HB 4) EN-GJS F EN-GJS (15) (15) F EN-GJS F Struktura EN-GJS F + P EN-GJS P + F EN-GJS P EN-GJS P, S EN-GJS B, S

127 Litina s vermikulárním grafitem Grafit je přítomen ve tvaru červíků Svým tvarem zaujímá místo mezi litinou s lupínkovým grafitem a kuličkovým grafitem Přísada vyvolávající vznik kuličkového grafitu je dodána v takovém množství, které je nedostatečné pro úplné vytvoření kuličkového grafitu Vhodná pro tepelně namáhané odlitky Feritická nebo perlitická matrice

128 Litina s vločkovým grafitem temperovaná litina ČSN EN 1562 Slitina Fe a C má takový obsah uhlíku a křemíku, že ztuhne dle MD jako litina karbidická veškerý uhlík je vázán jako karbid železa. Své charakteristické vlastnosti (dobrá houževnatost a obrobitelnost) získává následným TZ temperování (grafitizační žíhání rozložení karbidů v ledeburitu na temperovaný grafit). TZ 2 způsoby TZ v oduhličujícím prostředí temperovaná litina s bílým lomem) a neoduhličujícím (temperovaná litina s černým lomem) prostředí.

129 Autor: Brožek, M.

130 Předpis tepelného zpracování temperování, jednotlivé křivky udávají typ temperování; 1) na bílý lom, 2) na černý lom, 3) perlitická litina

131 Značka Průměr zkušební tyče Pevnost R m (MPa) Tažnost A (%) Mez kluzu R p (MPa) Tvrdost HB EN-GJMW max max max max. 230 EN-GJMW max max max max. 200 EN-GJMW max max max max. 220 EN-GJMW max max max max. 220 EN-GJMW max max max max. 250

132 Značka Průměr tyče zkušební Pevnost (MPa) R m Tažnost (%) A Mez kluzu R p (MPa) Tvrdost HB EN-GJMB nebo max. 150 EN-GJMB nebo max. 150 EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo EN-GJMB nebo

133 1. litina s lupínkovým grafitem 2. litina s červíkovitým grafitem 3. litina s kuličkovým grafitem 4. litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s bílým lomem) 5. litina s vločkovým grafitem (temperovaná litina s černým lomem) 6. temperovaná perlitická litina

134 Tvrzená litina Druh litého materiálu u kterého je plně zvládnut proces krystalizace za zvláštních podmínek ochlazování cílem je dosáhnout na povrchu vytvoření bílé litiny s metastabilním ledeburitem a v jádru litina s kuličkovým nebo lupínkovým grafitem Válcovací stolice, zdvihátka..

135 Legované druhy litin Obsah přísady nesmí ovlivnit tvorbu grafitu Mají zlepšit mechanické vlastnosti bez dalšího tepelného zpracování Přidáním prvků se zlepšují následující vlastnosti litin: 1. Mechanicko-technologické vlastnosti - Cr, Mo, Ni, Cu 2. Vlastnosti za zvýšených teplot Si, Al, Mo, Cr, Ni 3. Korozivzdornost Si, Cr, Ni, Cu Podle převažující přísady je dělíme do 4 skupin: 1. Litiny legované hliníkem korozivzdorné 2. Litiny legované křemíkem - žárovzdorné 3. Litiny legované chrómem odolné vůči korozi, opotřebení, žáruvzdorné 4. Litiny legované niklem pro chladící techniku

136 Tepelné zpracování grafitických litin Žíhání litin Žíhání ke snížení vnitřních pnutí u tvarově složitých odlitků z litiny s lupínkovým grafitem Žíhání ke snížení tvrdosti u grafitických litin s lupínkovým a kuličkovým grafitem, kdy vysoká tvrdost zhoršuje obrobitelnost Sferoidizační (přeměna perlitu na zrnitý), feritizační (grafitizace), Normalizační je zvýšení odolnosti proti opotřebení nebo jako výchozí operace pro další TZ Kalení litin Matrice bainitická nebo martenzitická Izotermické zušlechťování bainit (ADI litina)

137 ADI (austempered ductile iron) Izotermické zušlechťování (austempering) Teplota izotermické výdrže obsah zbytkového austenitu Abraze x eroze

138 Karbidická (bílá) litina Odpovídá svou strukturou metastabilní rovnováze soustavy Fe-C-Si Ve stavu po odlití je tvořena směsí eutektického a sekundárního cementitu a perlitu vznik této strukturní směsi je podporován zvýšenými obsahy karbidotvorných prvků a vyšší rychlostí tuhnutí Tvrdost je ovlivňována především obsahem cementitu ve struktuře ( HB) Tvrdost lze zvýšit martenzitickým kalením Výroba jednoduchých odlitků s vysokou odolností proti opotřebení Nelegovaná bílá litina je výchozím produktem pro litinu temperovanou

139

140 Legované karbidické litiny Především pro abrazívní prostředí mlýny kulové (uhlí), mísiče, lopatky tryskačů, bagrovací čerpadla, čelisti drtičů, skluzy, rypadla, kladiva drtičů aj. Hlavní legury: Cr, Ni, Mo, V, Mn

141 Chrómniklové karbidické litiny Matrice martenzitická + cementit Obsah Cr 1-11 % (působí protigrafitizačně, v tomto množství se rozpouští v cementitu) Obsah Ni 3-7 % (pro potlačení perlitické přeměny, závisí na velikosti stěny odlitku) Obsah uhlíku 1-3,6 % (dle potřebné houževnatosti)

142 Chrómové karbidické litiny Matrice + karbidy Obsah chrómu % Tvorba karbidu M 7 C 3 Velmi pomalé chladnutí 3-10 C/min při velikosti stěny 50 mm pro tvorbu karbidů je nutná vyšší rychlost. Poměr Cr/C = 3-10 Při vyšším poměru krystalizuje první fáze feritická a tvoří se karbid M 23 C 6 Možno přilegovat Ti, B, Te, Mo, Ni, Cu, Yt

143

144 Chrómvanadové karbidické litiny Obsah vanadu až 8 % Zjemňuje strukturu M 7 C 3 Možnost vzniku karbidů V 6 C 5 Obsah chrómu %

145 Chrómmolybdenové karbidické litiny Obsah Cr % Obsah Mo do 3 % Molybden ovlivňuje morfologii eutektika Lze kalit martenzitická matrice

146 Chrómmanganové karbidické litiny Obsah chrómu až 30 % Obsah manganu až 15 % S růstem obsahu manganu roste stabilita austenitu, ve struktuře je tedy vedle perlitu austenit, při deformaci se přeměňuje na martenzit