MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2013 NELA POLÁKOVÁ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Laboratorní pece pro tepelné zpracování kovů Bakalářská práce Vedoucí práce: doc. Ing. Josef Filípek, CSc. Vypracovala: Nela Poláková Brno 2013

3

4

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Laboratorní pece pro tepelné zpracování kovů vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis bakaláře...

6 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěla hluboce poděkovat panu doc. Ing. Josefu Filípkovi, CSc. za odborné vedení při psaní mé bakalářské práce a ochotu při prováděných praktických zkouškách. Za čas, který mi s nadšením věnoval a za předání jeho odborných znalostí. Zároveň chci poděkovat panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. a panu Ing. et Ing. Petrovi Dostálovi, Ph.D. za odborné znalosti a ochotnou pomoc při praktických zkouškách, jejich vyhodnocení a konzultování. Ze srdce patří poděkování také mému dědečkovi Ing. Janu Křížovi, za předání celoživotních zkušeností a poznatků z praxe a jeho přínos k mé bakalářské práci.

7 ABSTRAKT Tato práce se zabývá použitím laboratorních elektrických pecí k tepelnému zpracování kovů. Studijně zjišťuje potřebné teploty pro různé tepelné zpracování ocelí, litin a neželezných kovů. Studijně bylo zjištěno, že stávající školní laboratorní pec vyhovuje pro většinu obvyklého tepelného zpracování těchto kovů. Pro případ ukončení životnosti stávající laboratorní pece MP tato práce doporučuje pořízení stejného typu pece v modernějším provedení. Použitelnost pece MP byla ověřena zkouškami kalení, normalizačního žíhání a žíhání s chladnutím ve vypnuté peci oceli Klíčová slova: Laboratorní pece, tepelné zpracování kovů, zkoušky kalení a žíhání. ABSTRACT This bachelor thesis deals with the use of laboratory electric furnaces for metals heat treatment. By means of experimental research the appropriate temperature for various heat treatment of steels, cast irons and tenderness-ferrous metals is determined. The study indicates that the existing school laboratory furnace is suitable for most conventional metals heat treatment. In case of use impossibility of existing laboratory furnace MP this paper recommends purchase of the same type of furnace in more sopisticated version. Usability of furnace MP was verified on steel by tests of hardening, normalizing and annealing with cooling in the turned off furnace. Keywords: Laboratory furnaces, heat treatment, tests of quenching and annealing.

8 1. ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED TECHNICKÉ PARAMETRY LABORATORNÍCH PECÍ POTŘEBNÉ PRO ZKOUŠKY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ KOVŮ Oceli Žíhání Kalení Popouštění Cementování Nitridování Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování ocelí Litiny Temperovaná litina s bílým lomem Temperovaná litina s černým lomem Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování litin Neželezné kovy Slitiny hliníku Slitiny hořčíku Slitiny mědi Slitiny niklu Slitiny titanu Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování neželezných kovů ZAŘÍZENÍ PRO TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ KOVŮ V PRŮMYSLU Zařízení v malých výrobnách a opravnách Zařízení v sériové výrobě Běžná prostředí pro ohřev výrobků Běžná prostředí pro ochlazování výrobků MĚŘENÍ TEPLOT V LABORATORNÍCH I PRŮMYSLOVÝCH PECÍCH Termoelektrický pyrometr STANOVENÍ OPTIMÁLNÍHO ZPŮSOBU TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ LOŽISKOVÉ OCELI Úvod Provedené zkoušky Optimální tvrdosti kroužků a tělísek z oceli po kalení a popouštění Ekonomie výroby TECHNICKO EKONOMICKÝ ROZBOR BUDOUCÍ NÁHRADY PECE MP SOUČASNĚ POUŽÍVANÁ ŠKOLNÍ LABORATORNÍ PEC MP Firemní parametry TECHNICKÉ PARAMETRY LABORATORNÍCH PECÍ TYPU LAC PROVEDENÍ L... 31

9 4.3 TECHNICKÉ PARAMETRY LABORATORNÍCH PECÍ TYPU LAC PROVEDENÍ LH TECHNICKÉ PARAMETRY TRUBKOVÝCH LABORATORNÍCH PECÍ TYPU LAC PROVEDENÍ LT TECHNICKÉ PARAMETRY LABORATORNÍCH PECÍ TYPU LNT TECHNICKÉ PARAMETRY UNIVERZÁLNÍCH KOMOROVÝCH PECÍ TYPU RKZ TECHNICKÉ PARAMETRY MUFLOVÉ PECE MP 05-DR1, DR TECHNICKO - EKONOMICKÉ SROVNÁNÍ PROVOZU LABORATORNÍCH PECÍ Srovnání pecí podle nákupní ceny Srovnání pecí podle použitelného objemu pro ohřev NÁVRH BUDOUCÍ NÁHRADY ZA PEC MP PRAKTICKÁ ČÁST ZKOUŠKA OHŘEVU A OCHLAZOVÁNÍ PECE MP ZKOUŠKA OHŘEVU A OCHLAZOVÁNÍ KELÍMKOVÉ PECE ESA K KALÍCÍ ZKOUŠKA OCELI S POUŽITÍM PECE MP POUŽÍVANÉ TERMOČLÁNKY ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 53

10 1. ÚVOD Tepelným zpracováním kovů (zvláště slitin železa) lze vlastnosti kovů měnit někdy i ve velmi velkém rozsahu. Například ocel může při vhodném tepelném zpracování obrábět, lisovat za studena i za tepla strojní součásti z jiné oceli. Při vhodném chemickém složení a tepelném zpracování lze z oceli vyrobit i pružiny všeho druhu. Cementováním lze získat například pancéřovou ocel pro výrobu tanků a nitridováním lze získat obráběcí nástroje s vysokou trvanlivostí. Pro zajištění správné technologie je třeba mít možnost příslušnou technologii ověřit zkouškami na laboratorních pecích. Při tepelném zpracování kovů a jejich slitin využíváme znalostí fázových a strukturních přeměn a jejich vliv především na mechanické vlastnosti zpracovávaných kovových součástek. Ve všech případech se bere ohled na ekonomii výroby, protože tepelné zpracování kovových materiálů je ekonomicky velmi náročná operace. Při ohřevu součástí se zpravidla používá elektrická energie, která je velmi drahá. Ohřev plynem se používá spíše ve velkých pecích, je sice levnější, ale je velmi obtížné získání stejnoměrné teploty v prostoru pece. Používání laboratorních pecí pro tepelné zpracování kovových materiálů je důležité především pro ověření účinnosti a přesnosti navrženého tepelného zpracování pro sériovou výrobu. Například v případě výroby kroužků a tělísek valivých ložisek se jedná o stotisícové až milionové série a proto je nutné navrhnout co nejekonomičtější postup tepelného zpracování. 2. CÍL PRÁCE Cílem této práce je posouzení vhodnosti použití školní laboratorní pece MP pro zkoušky tepelného zpracování kovů. Dále je cílem porovnání uvedené laboratorní pece s laboratorními pecemi dostupnými na trhu jak v oblasti technických parametrů, tak v oblasti jejich ceny. Po uvedeném srovnání navrhnout laboratorní pec dostupnou na trhu jako budoucí náhradu školní laboratorní pece MP

11 3. LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Technické parametry laboratorních pecí potřebné pro zkoušky tepelného zpracování kovů Oceli Žíhání Všechny postupy směřují k dosažení rovnovážného stavu. Jejich společným znakem je proto malá rychlost ochlazování. Různé způsoby žíhání lze rozdělit na dvě hlavní skupiny a to žíhání bez překrystalizace, tj. žíhání pod teplotou A 1 a žíhání s překrystalizací, tj. nad teplotou A 3. K žíhání bez překrystalizace patří zejména žíhání na měkko a žíhání ke snížení pnutí. Obr. 1 Oblasti žíhacích teplot v rovnovážném diagramu Fe Fe 3 C [1] 9

12 Žíhání na měkko Je obvykle několikahodinový ohřev při teplotě těsně pod A 1 a pomalé chladnutí v peci. Žíháním na měkko se přemění lamelární perlit v perlit globulární. Obr. 2 Perlit [1] a) lamelární, b) globulární Účelem žíhání na měkko je zmenšení pevnosti a tvrdosti, zlepšení schopnosti k tváření za studena, u oceli s obsahem uhlíku nad 0,4 % zlepšení obrobitelnosti a u eutektoidních a nadeutektoidních ocelí zlepšení homogenity struktury před kalením. Tento způsob žíhání odpovídá stavu oceli označenému podle ČSN první doplňkovou číslicí 3. Žíhání ke snížení pnutí Spočívá v pomalém ohřevu na teplotu pod A 1, obvykle C tak dlouho, aby se žíhaná součást rovnoměrně prohřála. Následuje pomalé ochlazení na vzduchu, nebo u složitějších výrobků v peci. Účelem tohoto žíhání je snížení nebo odstranění vnitřních pnutí vzniklých předchozím zpracováním, např. tvářením za studena, svařováním, nerovnoměrným ohřevem nebo ochlazováním a podobně. Normalizační žíhání Patří mezi žíhání s překrystalizací, kdy nastává úplná přeměna feritu a perlitu na austenit. V průběhu ochlazování ze žíhací teploty se austenit rozpadá na struktury více nebo méně blízké rovnovážným. Teplota normalizačního žíhání je asi 50 C nad teplotou A 3, výdrž na této teplotě bývá 1 4 hodiny. Ochlazování z normalizační teploty se děje zásadně na klidném vzduchu. Účelem normalizačního žíhání je dosáhnout překrystalizace, a tím stejnoměr- 10

13 nější a jemnozrnnější struktury. Normalizační žíhání je běžné tepelné zpracování podeutektoidních ocelí. U nadeutektoidních ocelí se normalizační žíhání používá ojediněle, zpravidla slouží k odstranění síťoví sekundárního cementitu. [1,9] Kalení Železo se v závislosti na teplotě vyskytuje ve dvou krystalografických modifikacích. Čisté železo se až do teploty 912 C vyskytuje ve formě krystalické mřížky krychlové prostorově středěné. Tato modifikace má atomy Fe v rozích krychle a jeden atom Fe ve středu krychle a označuje se jako modifikace α (obr. 3). Obr. 3 Krystalické mřížky [1] a) krychlová prostorově středěná, b) krychlová plošně středěná Modifikace α je feromagnetická až do teploty 760 C, nad touto teplotou ztrácí železo magnetické vlastnosti. Nemagnetická modifikace s krychlovou mřížkou prostorově středěnou se označuje jako modifikace β. V intervalu teplot C má čisté železo krychlovou mřížku plošně středěnou, označovanou jako modifikace γ (obr. 3). Nad tímto intervalem až do teploty tavení nabývá čisté železo opět krystalickou mřížku krychlovou prostorově středěnou a označuje se jako modifikace δ. Chemicky čisté železo se v technické praxi používá jen výjimečně. Rozhodující přísadou ve slitinách železa je uhlík. Atomy C jsou tak malé, že mohou vytvářet mezerové (intersticiální) tuhé roztoky. V tuhém roztoku zůstávají atomy železa γ (nad teplotou A 1 ) na svých místech a do volného prostoru v mřížce se vtěsná atom uhlíku. Tento tuhý roztok C v železe γ se nazývá austenit (obr. 4) 11

14 Obr. 4 Elementární buňka austenitu [1] Kalení je ohřev oceli nad překrystalizační teplotu, výdrž na této teplotě (nasycení modifikace γ uhlíkem - vznik austenitu) a ochlazení rychlostí větší než je spodní kritická rychlost ochlazování. U podeutektoidních uhlíkových ocelí je kalící teplota asi C nad A 3, u nadeutektoidních nad A 1 (obr. 5). Obr. 5 Oblasti kalicích teplot v diagramu Fe Fe 3 C [1] Během ohřevu se uvolňuje C z perlitického Fe 3 C a difuzí se dostává do γ železa, čímž vytvoří austenit. Setrvání na teplotě ohřevu nesmí být delší, než je nezbytně nutné, protože hrubne austenitické zrno, což dělá zakalenou ocel křehčí a zvyšuje procento zbytkového austenitu. 12

15 Tvrdost zakalené oceli závisí na podílu martenzitu a obsahu uhlíku viz obr. 6. Obr. 6 Závislost tvrdosti na podílu martenzitu a na obsahu uhlíku v oceli [6] Na obr. 7 jsou znázorněny různé způsoby kalení. Obr. 7 Schematické znázornění způsobu kalení [9] a) do studené lázně 1, lomené 2, b) termální 3, izotermické zušlechťování 4, [křivka ochlazování povrchu (p) součásti a jádra (j) součásti] Martenzitické kalení do studené lázně (voda, olej, vzduch) je nejjednodušší a nejčastěji používaný způsob kalení. Mezi hlavní přednosti tohoto způsobu kalení patří jeho 13

16 technologická nenáročnost a relativně nízká cena. Hlavní nedostatky spočívají ve vysoké úrovni vnitřních pnutí, zejména po kalení do vody, a následných deformacích až praskání kalených předmětů (křivka 1 na obr. 7). Přerušované (lomené kalení) spočívá v rychlém ochlazování až na teplotu těsně nad M s, které zabrání perlitické přeměně, poté se předmět přemístí do mírnějšího ochlazovacího média, ve kterém proběhne martenzitická přeměna (křivka 2 na obr. 7). Lomené kalení vede ke snížení úrovně strukturních pnutí a využívá se zejména u tvarově složitých rozměrných výrobků (veliké zalomené hřídele a zápustky). [9] Při termálním kalení (křivka 3 na obr. 7) se předmět ochlazuje v lázni, jejíž teplota obvykle leží těsně nad teplotou M s kalené oceli. Dostatečná výdrž na této teplotě vede k vyrovnání teplot mezi povrchem a středem kaleného předmětu a tím i k potlačení teplotních pnutí již před vlastním kalením. Prodleva by však neměla přesáhnout inkubační prodlevu do vzniku bainitu, poté následuje ochlazení, při kterém proběhne martenzitická přeměna. Termální kalení je vhodné zejména u výrobků zhotovených z legovaných ocelí s dostatečnou stabilitou austenitu nad teplotou M s, nebo u menších tenkostěnných a tvarově složitých výrobků z uhlíkových nebo nízkolegovaných ocelí. U všech dosud uvedených způsobů kalení, kdy ve výsledné struktuře převládá martenzit, následuje popouštění zakalených součástí. [9] Při izotermickém zušlechťování se stejně jako při termálním kalení předmět rychle přenese z kalící teploty do termální lázně (roztavené soli nebo slitiny kovů), jejíž teplota je v oblasti bainitické přeměny (obvykle C viz. křivka 4 na obr. 7). V lázni setrvá předmět až do ukončení bainitické transformace, poté následuje ochlazení na vzduchu. Při izotermickém zušlechťování se dosahuje minimální úrovně teplotních a strukturních pnutí, takže nebezpečí deformace a praskání kalených předmětů je rovněž minimální. Izotermicky zušlechťované součásti se nepopouštějí, mechanické vlastnosti jsou určeny výškou teploty izotermického rozpadu austenitu. Izotermické zušlechťování je vhodné pro výrobky menších průřezů z nízkolegovaných ocelí se střední prokalitelností. Z důvodů menší intenzity ochlazování se izotermicky zušlechťují předměty z uhlíkových ocelí jen do průřezu asi 5 mm. [9] Izotermické kalení je modifikací izotermického zušlechťování, kdy teplota lázně leží těsně pod teplotou M s, a kdy výsledná struktura je tvořena směsi martenzitu, bainitu a zbytkového austenitu. [9] 14

17 Kalení se zmrazováním je postup, kdy zakalený předmět je v co nejkratší době přenesen do prostředí s teplotou pod bodem mrazu (až -196 C, teplota kapalného dusíku). Jeho cílem je zmenšit podíl zbytkového austenitu ve struktuře. Používá se u výrobků, u nichž je důležitým požadavkem rozměrová stabilita (měřidla, nástroje, přesná valivá ložiska). [9] Povrchové kalení ocelí a litin je relativně levný způsob jak získat dostatečně tvrdý povrch odolný proti otěru při měkkém a houževnatém jádru. Pro povrchové kalení jsou vhodné oceli uhlíkové a některé oceli slitinové, obsahující 0,45 0,60 % C. Za určitých podmínek je však možné povrchově kalit i oceli nástrojové s vyšším obsahem uhlíku. Rovněž je možné povrchově kalit i součásti ze šedé litiny (např. vodící plochu na soustružnickém loži) Povrchové kalení je možné provést dvěma zásadně odlišnými způsoby: Na kalící teplotu, tj. nad A 3, se prohřeje pouze povrchová vrstva. Po prudkém ochlazení se vytvoří martenzit v těch oblastech, jejíchž teplota při kalení byla nad A 3. Druhý způsob povrchového kalení spočívá v ohřevu součástky v celém objemu. Kalení probíhá tak, aby rychlost ochlazování převýšila kritickou rychlost pouze ve slabé povrchové vrstvě, ve které se vytvoří martenzit. Struktura jádra ochlazovaného rychlostí podkritickou, obsahuje perlit nebo bainit. Tato metoda se používá při relativně nízké prokalitelnosti a větším objemu součástky. Jedná se o metodu nenáročnou na vybavení kalírny a velmi ekonomickou. [11] Indukční povrchové kalení spočívá v ohřevu indukovanými proudy střední nebo vysoké frekvence ( Hz nebo 150 khz 2 MHz) pomocí induktoru, který je zpravidla tvořen cívkou nebo smyčkou a do něhož se předmět vkládá. Střídavý proud procházející induktorem indukuje ve vloženém, elektricky vodivém předmětu magnetické pole a vznikají vířivé proudy. Intenzita výsledného magnetického pole i vířivých proudů je největší na povrchu předmětu, povrchová vrstva se tudíž nejvíce ohřívá Jouleových teplem. Tloušťka ohřáté vrstvy je nepřímo úměrná frekvenci proudu, dále závisí na rychlosti a době ohřevu a obvykle se pohybuje v rozmezí 1 6 mm. [9] Povrchové kalení plamenem spočívá v ohřevu povrchové vrstvy předmětu obvykle kyslíko-acetylenovým hořákem. Při jednorázovém kalení lze dosáhnout nejmenší tloušťky zakalené vrstvy asi 3 mm při postupném kalení pak asi 1,5 mm. Ve srovnání s indukčním ohřevem jsou rychlosti ohřevu dosahované při ohřevu plamenem menší, tloušťka zakalené vrstvy je 15

18 tudíž větší a rovnoměrnost struktury zakalené vrstvy horší. Povrchové kalení plamenem však vyžaduje nižší pořizovací náklady. Povrchového kalení, plamenem nebo indukčním ohřevem, se využívá především u dynamicky namáhaných součástí, jejíchž povrch musí mít maximální odolnost proti opotřebení a jádro musí být dostatečně houževnaté. Povrchové kalení se aplikuje na ozubená kola, čepy, řetězová kola, kladky atd. Povrchové kalení nástrojových ocelí je méně časté, umožňuje však např. výrazně zvýšit trvanlivost zápustek. [9] Laserové tepelné zpracování umožňuje koncentrovat výkonovou hustotu a dodat povrchu bezkontaktně a velmi rychle značné množství energie. S tím pak souvisí bezkonkurenčně nejvyšší rychlost ohřevu i ochlazování ( C sec -1 ). Velikost oblasti tepelného ovlivnění a tvar zpevněné zóny jsou dány dobou působení a hustotou energie dopadajícího svazku. Podle podmínek ozáření a dle materiálu se mění hloubka transformované vrstvy od 0,2 do 0,8 mm, stopa dosahuje šířky až 5 mm. Při zpracování větších ploch je třeba několikanásobné kladení laserových stop vedle sebe nebo jejich křížení, přičemž dochází ke vzájemnému ovlivnění jednotlivých stop. Mezi hlavní přednosti zpracování laserem patří možnost lokalizace do libovolné požadované oblasti, minimální deformace a vnitřní pnutí, dobrá soudržnost mezi zpevněnou vrstvou a základním materiálem. Hlavní nevýhoda tohoto zpracování spočívá ve vysoké ceně zařízení a ve vysokých provozních nákladech. [9] Tepelně mechanické zpracování umožňuje zlepšit vlastnosti ocelí kombinovaným účinkem tváření a tepelného zpracování (TMZ). Tvářením austenitu může dojít k podstatnému zjemnění jeho zrna, tedy i produkty jeho následujících přeměn (martenzit, ferit, perlit) budou jemnější. Mezi nejznámější postupy TMZ patří tyto technologické varianty: nízkoteplotní tepelně mechanické zpracování NTMZ, obr. 8 vysokoteplotní tepelně mechanické zpracování VTMZ, obr. 8 16

19 Obr. 8 Schéma průběhu (1) vysokoteplotního a (2) nízkoteplotního tepelně mechanického zpracování ocelí [9] Kalením se označují ty způsoby tepelného zpracování, jejíchž cílem je dosažení nerovnovážných stavů ocelí a litin. Podle převažující strukturní složky se kalení rozděluje na martenzitické a bainitické, přičemž většinou je cílem kalení zajistit vznik struktury martenzitické. Kalitelnost je schopnost ocelí a litin dosáhnout martenzitické struktury. Takové oceli a litiny označujeme jako kalitelné. Mezi nekalitelné oceli se řadí především vysokolegované nepolymorfní oceli s feritickou nebo austenitickou strukturou. Zakalitelnost se zpravidla hodností tvrdostí oceli po zakalení a její maximální dosažitelná hodnota je určena tvrdostí martenzitu, která závisí především na obsahu uhlíku v austenitu. Prokalitelností se označuje schopnost oceli získat po zakalení tvrdost odpovídající její zakalitelnosti v určité hloubce pod povrchem kaleného předmětu. 17

20 Obr. 9 Schematické znázornění křivek prokalitelnosti (1) uhlíkové a (2) legované oceli [9] Z obr. 9 je vidět rozdílná prokalitelnost uhlíkové a legované oceli. V případě použití legované oceli na tvarově složité výrobky je možné použít kalení i do oleje při dosažení potřebné prokalitelnosti, přičemž deformace a pnutí v kaleném výrobku budou podstatně nižší než při kalení do vody. Obr. 10 Struktura oceli získaná po martenzitickém kalení (vlevo) a struktura oceli získaná po bainitické přeměně (vpravo) [9] Martenzitická přeměna austenitu je přeměna bezdifuzní, kdežto bainitická přeměna austenitu je přeměna difuzní. Martenzit je tuhý roztok uhlíku v železe α, bainit vznikl difuzní přeměnou austenitu na nelamelární směs feritu a cementitu. [1, 9, 2, 6, 11] 18

21 Popouštění Popouštění se skládá z ohřevu na teploty nižší než A 1, výdrže na teplotě a z následujícího ochlazování vhodnou rychlostí. Protože vnitřní pnutí mohou vést k popraskání zakaleného předmětu i po vyjmutí z kalící lázně, mělo by popouštění následovat ihned po zakalení. Popouštění při nízkých teplotách se uskutečňuje zpravidla v rozmezí teplot C. Jeho cílem je snížit hladinu vnitřních pnutí, zmenšit obsah zbytkového austenitu a stabilizovat rozměry součástí. Používá se zejména u nástrojových ocelí, u konstrukčních ocelí je toto popouštění méně časté valivá ložiska, některé vysoce pevné oceli, součásti po cementaci a po povrchovém kalení. Předměty se popouštějí ve vařící vodě, v teplé olejové lázni, v solných lázních, v elektrických pecích atd. Popouštění při vysokých teplotách (anizotermické zušlechťování) obvykle v rozmezí C, se používá k dosažení optimální kombinace pevnosti, houževnatosti a plasticity. Uvedenou kombinaci zaručuje sorbitická struktura, která se vidět z obr. 11. Obr. 11 Sorbitická struktura v oceli (kaleno, popuštěno 680 C/2h zv ) [9] Uvedené zušlechťování se používá hlavně u ušlechtilých konstrukčních ocelí s obsahem C 03 0,6 %. Rozeznáváme zušlechťování na dolní pevnost, obvyklou u příslušné oceli (označuje se podle ČSN první doplňkovou číslicí 6), na střední pevnost, obvyklou u dané oceli (označuje se podle ČSN první doplňkovou číslicí 7) a na horní pevnost, obvyklou u dané oceli (označuje se podle ČSN první doplňkovou číslicí 8). [9, 2, 6] Cementování Je sycení povrchu nízkouhlíkové oceli uhlíkem při teplotě nad A 3 19

22 Obr. 12 Část rovnovážného diagramu Fe Fe 3 C s vyznačeným pásmem obvyklých cementačních teplot [1] Vzniklá povrchová vrstva se po zakalení vyznačuje velkou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Při velké povrchové tvrdosti musí být jádro součásti houževnaté. Cementuje se buď v uhelném prášku, v tekuté cementační lázni, nebo v plynu. Při cementování v prášku se součásti uloží do plechových nebo litinových krabic a zasypou se práškem skládajícím se obvykle asi ze 60 % dřevěného uhlí a 40 % uhličitanu barnatého. Po uzavření se krabice vloží do pece a ohřívají se na teplotu, při níž může uhlík vnikat do oceli, tj. nad A 3 ( C), kdy je struktura oceli austenitická. Pro dosažení tloušťky cementované vrstvy asi 0,5 1 mm je potřeba po prohřátí krabic sytit ocel po dobu 1 4 hodiny. Po ukončení cementování se součástky vyjmou a okamžitě kalí a po zakalení popouští. Cementování je možné i v tekutých lázních skládajících se z vhodných solí, např. z uhličitanu sodného, chloridu sodného s přísadou látek dodávajících oceli uhlík. Jsou to zejména různé kyanidy. Tento postup je rychlejší než cementování v prášku. Cementování v plynném prostředí je nejpokrokovější způsob chemickotepelného zpracování. Jako aktivního nauhličovala se používá kysličník uhelnatý (CO). Získává se zpravidla ze zemního plynu, propanbutanu apod. [1, 9] Nitridování Jedná se o povrchové sycení oceli dusíkem, který vytváří s vhodnými slitinovými kovy (Al, Cr, Ti, V) velmi tvrdé nitridy. Dusík je však plyn celkem netečný, je proto třeba získat dusík ve stavu zrodu, který s kovy reaguje. Proto se do pece ohřáté na teplotu asi 500 C vhání čpavek (NH 3 ), který se rozkládá a dusík ve stavu zrodu vniká do oceli a tvoří nitridy. Po nitridování se součástky nekalí. [1, 9] 20

23 Obr. 13 Průběh času a teplot při nitridování [1] Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování ocelí. Z výše uvedených způsobů tepelného zpracování oceli vyplývá, že lze provádět všechny zkoušky až na cementování pomocí kysličníku uhelnatého a nitridování pomocí čpavku jak na školní laboratorní peci MP , tak na pecích laboratorních typu L, LH, trubkových LT Litiny Nejčastěji jsou tepelným zpracováním získány litiny s vločkovým grafitem. Jedná se o temperovanou litinu ČSN EN Litina s vločkovým grafitem je slitina železa s uhlíkem, která má takový obsah uhlíku a křemíku, že ztuhne podle metastabilní soustavy jako litina bílá, tj. bez grafitu. Veškerý uhlík je ve vázané formě jako karbid železa Fe 3 C. Tato strukturní složka je velmi tvrdá, křehká, opracovatelná pouze broušením. Pokud bílou litinu podrobíme tepelnému zpracování, které se nazývá temperování, tak dostaneme litinu temperovanou, která se dá dobře opracovat a má podstatně vyšší houževnatost než litina bílá nebo šedá. Takto zpracovaná litina se používá mimo jiné pro výrobu vodovodních fitinků. [9] Temperovaná litina s bílým lomem Teplota žíhání při temperování je asi 1050 C. Proces probíhá v peci s oduhličující automaticky řízenou oxidační atmosférou. Ta se skládá ze směsi plynu oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, vodíku a vodních par. Působí oxidačně a odebírá odlitkům uhlík. Výsledná struktura je feriticko perlitická s bílým lomem. Na obr. 14 jsou znázorněny žíhací křivky pro tepelné zpracování temperovaných litin s bílým lomem. [9] 21

24 Obr. 14 Schematické znázornění žíhacích křivek pro tepelné zpracování temperovaných litin s bílým lomem [9] V jádře odlitku je struktura z lamelárního perlitu a temperovaného uhlíku (obr. 14 vlevo a obr. 15). Lamelární perlit má však jen nízkou tažnost a dá se obtížně obrábět. Pro zlepšení těchto vlastností se litina dále žíhá na vzduchu. Materiál se po oduhličujícím žíhání ochladí rychle v proudícím vzduchu a pak se žíhá na teplotě C. Tímto způsobem (obr. 14 vpravo) se získá v matrici zrnitý perlit a temperovaný grafit. [9] Obr. 15 struktura perliticko feritické temperované litiny s bílým lomem [9] Temperovaná litina s černým lomem U této litiny je veškerý uhlík vyloučen ve tvaru temperového (vločkového) grafitu. Tepelné zpracování je dvoustupňové. V prvním grafitizačním stupni se ledeburitický cementit rozpadá podle rovnice Fe 3 C = 3Fe + C graf. Přitom se vylučuje temperovaný grafit. Tento proces probíhá v neutrální atmosféře pece při teplotách asi 950 C. V následujícím druhém stupni grafitizace se žíháním získá požadovaná struktura základní kovové hmoty. Druhým stupněm žíhání lze tedy získat strukturu feritickou nebo perlitickou. Žíhací křivka pro získání feritické 22

25 litiny s černým lomem je znázorněna na obr. 16 vlevo, žíhací křivka pro získání perlitické litiny s černým lomem je znázorněna na obr. 16 vpravo. Odpovídající struktury jsou vidět na obr. 17 vlevo a 17 vpravo. [9] Obr. 16 vlevo Schematické znázornění žíhací křivky pro tepelné zpracování na feritickou litinu s černým lomem [9] Obr. 16 vpravo Schematické znázornění žíhací křivky pro teplené zpracování na perlitickou litinu s černým lomem [9] Obr. 17 vlevo Struktura feritické temperované litiny s černým lomem [9] Obr. 17 vpravo Struktura perliticko feritické temperované litiny s černým lomem [9] 23

26 Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování litin Zkoušky žíhání pro získání temperované litiny s bílým lomem pomocí plynné oxidační atmosféry a s černým lomem pomocí neutrální atmosféry u sledovaných pecí nejsou možné, protože sledované pece tento proces neumožní Neželezné kovy Slitiny hliníku Žíhání na odstranění pnutí se používá u tvarově složitých součástí tvářených za tepla, u odlitků litých zejména do kovové formy a po svařování. Teplota žíhání je C. Žíhání rekrystalizační se nejčastěji zařazuje jako mezioperace po tváření za studena. Použitá teplota bývá zpravidla C. Homogenizační žíhání se používá před tvářením k odstranění dendritického odmíšení v hutním polotovaru. Použitá teplota nepřesahuje 600 C. Žíhání vytvrzených slitin ke snížení pevnosti se používá tehdy, je-li vytvrzený materiál určen k další operaci tváření. Žíhací teplota je obvykle 350 C. [9] Slitiny hořčíku Homogenizační žíhání slouží k odstranění nerovnovážného rozdělení přísadových prvků v objemu slitiny po krystalizaci a tím ke zlepšení pevnostních a tvárnostních charakteristik odlitku. Teploty homogenizačního žíhání se pohybují do 420 C. Žíhání na snížení vnitřního pnutí se provádí po operaci, která vznik těchto pnutí vyvolává. Obvyklé teploty jsou C. [9] Slitiny mědi Tepelné zpracování čisté mědi je nejčastěji prováděno jako rekrystalizační žíhání při teplotě C po dobu jedné hodiny s ochlazováním na vzduchu. 24

27 Rekrystalizační žíhání slitin mědi se používá pro změkčení konečného polotovaru nebo pro změkčení mezi operacemi tváření. Teplota žíhání závisí na druhu slitiny a na stupni deformace. Bývá v rozmezí C. Žíhání pro snížení vnitřních pnutí se provádí u mosazí za teploty C, kde tato pnutí bývají příčinou korozního praskání. Vytvrzování se používá pro bronzy hliníkové, nikl-křemíkové, nikl-cínové, a zejména pro bronzy beryliové. Sestává z rozpouštěcího ohřevu za teplot C po dobu 2 5 hodin dle druhu slitiny, dále ochlazení ve vodě a umělého stárnutí při C po dobu 1 2 hodiny při kterém se z tuhého roztoku vylučují jemné precipitáty intermetalických sloučenin, zvyšující tvrdost a pevnost těchto slitin. [9] Slitiny niklu Technicky čistý nikl se nejčastěji žíhá na snížení pnutí při teplotě 300 C po dobu 1 hodiny nebo se žíhá rekrystalizačně při C po dobu 1 hodiny. Vytvrzování žáropevných niklových slitin se provádí ohřevem při teplotě C. Ohřev se provádí 2 12 hodin ve vakuových pecích nebo v pecích s ochrannou atmosférou, aby se zamezilo ochuzování povrchu součástí legujícími prvky. Ochlazování z teploty rozpouštěcího ohřevu se obvykle provádí na vzduchu. [9] Slitiny titanu Žíhání na odstranění pnutí vzniklých po třískovém obrábění a podobně se provádí při C. Žíhání rekrystalizační k odstranění deformačního zpevnění slitin tvářených za studena se provádí při 800 C. [9] Vhodnost různých laboratorních pecí pro zkoušky tepelného zpracování neželezných kovů Pro tepelné zpracování žáropevných slitin niklu žádná z posuzovaných pecí není vhodná, protože v nich není možné použít ochrannou atmosféru. Pro zkoušky tepelného zpracování ostatních neželezných kovů a jejich slitin jsou všechny posuzované laboratorní pece vhodné. 25

28 3.2 Zařízení pro tepelné zpracování kovů v průmyslu Zařízení v malých výrobnách a opravnách K dispozici je zpravidla jedna univerzální komorová pec s elektrickým ohřevem do 1200 C. Pro ochlazování při kalení se používá především vodní a olejová lázeň. Pro popouštění se používá komorová pec s elektrickým ohřevem do teploty cca 700 C. Jak ohřívací tak popouštěcí pec musí být současně v provozu, protože popouštění se má provádět bezprostředně po kalení, protože vnitřní pnutí mohou vézt k popraskání zakaleného předmětu. [3] Zařízení v sériové výrobě Pokud se jedná o tvarově, rozměrově a materiálově podobné výrobky (např. kroužky valivých ložisek) pak se používají linky složené z tunelové pece pro ohřev součástí, olejové ochlazovací lázně a tunelové pece pro popouštění. Podobné linky se používají i pro bainitické kalení (např. články a čepy řetězů pro jízdní kola a motocykly). Součástky se pak po ohřátí na austenitizační teplotu musí ochladit na teplotu bainitické přeměny ( C) s výdrží několika hodin. Pokud se nejedná o velkosériovou výrobu (traktory) pak je nutno zvolit zcela individuální řešení zařízení dílen pro tepelné zpracování. Je to dáno nutností zpracování zcela různorodých druhů výrobků. Pro velkosériovou výrobu například cementovaných součástek se používají automatické linky viz. obr. 18. Obr. 18 Linka na cementování v plynu 1 nakládka a vykládka, 2 podélný posuv, 3 předehřev, 4 mufle, 5 nauhličovací zóna, 6 příčný posuv, 7 podchlazovací zóna, 8 ohřev na kalící teplotu, 9 kalení, 10 pračka, 11 popouštěcí pec [3] 26

29 3.2.3 Běžná prostředí pro ohřev výrobků Z ekonomického hlediska je nejčastějším prostředím vzduch. Cena za levné prostředí jsou oxidy, které vznikají na povrchu především ocelových výrobků. Z tohoto důvodu jsou druhým nejčastějším používaným prostředím roztavené soli. Pro ohřev na kalící teploty do 900 C se používají směsi NaCl a KCl s přísadami NaCN, BaCl 2, H 3 BO 3. Pro nejvyšší kalící teploty ( C) je vhodný BaCl 2, případně jeho směs s 5 % NaCl a dalšími desoxidujícími přísadami. Oxidaci kovů též brání ohřev ve vakuu a ochranných atmosférách. Tyto dvě metody jsou však velmi drahé a proto se používají zřídka. [3] Běžná prostředí pro ochlazování výrobků Z ekonomických důvodů se pro ochlazování ocelových předmětů z austenitizační teploty používá voda a olej. Jako kalící prostředí jsou nejrozšířenější oleje. Ve srovnání se stojatou vodou při 20 C ochlazují oleje v oblasti perlitické přeměny asi poloviční rychlostí, ale v oblasti martenzitické přeměny je jejich ochlazovací rychlost řádově menší, což je velmi příznivé z hlediska vnitřního pnutí a odpovídající deformaci. [3] 3.3 Měření teplot v laboratorních i průmyslových pecích Termoelektrický pyrometr V termočlánku se využívá poznatku, že napětí, které vzniká na spojích dvou různých kovových vodičů závisí na teplotě spojeného místa. Jestliže volné konce mají odlišnou teplotu, než je teplota spoje, pak na nich vzniká termoelektrické napětí. Výsledné napětí termočlánku je úměrné rozdílu teplot. Základní schéma termoelektrického obvodu pro měření teplot je znázorněno na obr. 19. Kompenzační a spojovací vedení z úsporných důvodů nahrazuje drahé kovy termočlánku. 27

30 Obr. 19 Termočlánek a) schéma zapojení, b) konec termočlánku [6] Hlavní důvod velké obliby termočlánků je ten, že jich lze použít v největším rozsahu měřených teplot a zároveň poskytují možnost dálkového přenosu údajů, samočinné regulace a registrace. [12] 3.4 Stanovení optimálního způsobu tepelného zpracování ložiskové oceli Úvod V roce 1989 provedl Kříž větší množství zkoušek tepelného zpracování ložiskové oceli (1 % C; 1,5 % Cr) ze které se vyrábí většina menších a středních valivých ložisek. Výsledkem zkoušek tepelného zpracování a jeho vlivu na tvrdost, rázovou houževnatost, rozměrovou stabilitu, tvarovou stabilitu a ekonomii výroby byl návrh optimálního tepelného zpracování kroužků a tělísek valivých ložisek vyrobených z oceli Optimální tepelné zpracování je zaručeno kontrolou tvrdosti (HRC) po kalení a po popouštění, což je velmi levná metoda kontroly kvality. [4] Provedené zkoušky Při různé délce austenitizace při teplotě 840 C bylo sledováno: Dosažená tvrdost po kalení do oleje (kroužek 6303/1) Pokles tvrdosti při teplotě popouštění 130 a 170 C (kroužek 6303/1) Závislost stupně austenitizace a stupně popouštění na rázovou houževnatost vzorků bez vrubu 28

31 Vliv stupně austenitizace a popouštění na rozměrovou stabilitu při teplotě 120 C. Vzorky 10x100. Vliv popouštění a následujícího působení provozní teploty 120 C na změnu tvrdosti vzorku 10x100. [4] Optimální tvrdosti kroužků a tělísek z oceli po kalení a popouštění Optimální tvrdost ložiskových kroužků a tělísek po kalení je 64 1HRC. Jestliže respektujeme požadavek, aby ve valivém ložisku byla tělíska o 1 2 HRC tvrdší než kroužky, pak po popouštění je optimální tvrdost kroužků 61,5 1,5 HRC a u tělísek 62,5 1,5 HRC. Optimální pokles tvrdosti při popouštění kroužků je 2 2,5 HRC. Optimální pokles tvrdosti u tělísek je 1 2 HRC. [4] Ekonomie výroby Ani z technického ani ekonomického hlediska není žádoucí kalit kroužky a tělíska vyrobená z oceli na tvrdost vyšší než 65 HRC. Při kalení na 66 HRC je třeba dobu ohřevu prodloužit přibližně na dvojnásobek, což zhoršuje ekonomii výroby. [4] 4. TECHNICKO EKONOMICKÝ ROZBOR BUDOUCÍ NÁHRADY PECE MP Největší dodavatel laboratorních pecí v České republice je firma MERCI, Hviezdoslavova 55b, Brno, firma LAC, Štefánikova 116, Rajhrad a firma ELSKLO, Desná I/370, Desná. V dalším textu budou posuzovány technicko ekonomické parametry vhodné budoucí náhrady za současnou laboratorní pec MP [8, 5, 13] 29

32 4.1 Současně používaná školní laboratorní pec MP Firemní parametry Obr. 20 Laboratorní pec MP Tabulka 1 Technické parametry pece MP [10] Typ Ochranná teplota Provozní teplota Vnější rozměry Vnitřní rozměry Příkon Hmotnost C C mm mm kw kg MP Typ Počet nastavitelných programů Počet úseků v programu Doba trvání jednoho úseku Rozlišovací schopnost Odezva regulace Napětí min C s V MP ,1 2,

33 Pec MP má plášť z ocelového plechu. Skládá se ze dvou částí spojených šrouby. Ve spodní části pláště je umístěno ovládání a řízení pece, v horní části je keramická mufle s topným vinutím a tepelnou izolací. Teplotu v peci snímá termočlánek PtRh Pt. Topné vinutí je připraveno přes kontakty stykače. Cívka stykače je také ovládána dveřním spínačem a ochranným obvodem regulátoru. Připojení k napětí v rozvodné síti je přes zásuvku 16 A gumovým kabelem CGSG 3 1,5 mm 2. Pec je dodávána vysušená a vypálená. [7] 4.2 Technické parametry laboratorních pecí typu LAC provedení L Obr. 21 Pec typu LAC (provedení L) [14] 31

34 Tabulka 2 Technické parametry pecí typu LAC provedení L[5] Typ LAC Regulátor Tmax Objem Vnější rozměry Vnitřní rozměry Příkon Hmotnost Napětí C l mm mm kw kg V L 03/12 HT 40 A , L 05/12 HT 40 A , L 09/12 HT 40 A L 15/12 HT 40 A , L 03/13 INDUSTRY , L 05/13 INDUSTRY , L 09/13 INDUSTRY L15/13 INDUSTRY , Technické parametry laboratorních pecí typu LAC provedení LH Obr. 22 Pec typu LAC (provedení LH) [14] 32

35 Tabulka 3 Technické parametry pecí typu LAC provedení LH [5] Typ LAC Jištění pece Tmax Objem Vnější rozměry Vnitřní rozměry Příkon Hmotnost Napětí A C l mm mm kw kg V LH 06/13 16/ , LH 09/13 16/ LH 15/13 16/ , LH 30/13 16/ , Technické parametry trubkových laboratorních pecí typu LAC provedení LT Obr. 23 Trubková pec [14] 33

36 Tabulka 4 Technické parametry trubkových pecí typu LAC provedení LT [5] Typ LAC Vnitř. Ø trubky Tmax Délka trubky Vnější rozměry Délka topné zóny Příkon Hmotnost Napětí mm C mm mm mm kw kg V LT 50/300/ , LT 50/500/ LT 50/750/ LT 75/500/ , LT 75/750/ LT 100/500/ LT 100/750/ , Technické parametry laboratorních pecí typu LNT Obr. 24 Laboratorní a nástrojařská univerzální pec typu LNT [13] 34

37 Tabulka 5 Technické parametry pecí typu LNT [13] Typ Proud Tmax Objem Vnější rozměry Vnitřní rozměry Příkon Hmotnost Napětí A C l mm mm kw kg V LNT , LNT , LNT , LNT , LNT , LNT , Technické parametry univerzálních komorových pecí typu RKZ Obr. 25 Univerzální komorová pec typu RKZ [13] 35

38 Tabulka 6 Technické parametry pecí typu RKZ [13] Typ Proud Tmax Objem Vnější rozměry Vnitřní rozměry Příkon Hmotnost Napětí A C l mm mm kw kg V RKZ RKZ RKZ RKZ Technické parametry muflové pece MP 05-DR1, DR20 Tyto pece jsou určeny pro žíhání, kalení, smaltování a pro všechny ostatní práce v teplotním rozsahu C. Mají tepelnou ochranu, napájení u obou typů je 230 V, příkon 2100 W. Mohou být osazeny programovatelnými regulátory DR 1 nebo DR 20, oba dovolují nastavení programu pro čas od 1 do 9999 minut po 1 minutě. Rozměrové i vizuální parametry jsou podobné jako u současné pece MP Tabulka 7 Technické parametry muflových pecí [8] Typ Typ regulátoru Teplota Cena Termočlánek C Kč MP DR 1 K 1100 K MP DR 20 K 1100 K MP DR 1 S 1250 S MP DR 20 S 1250 S Termočlánek typ K (NiCr Ni) -220 až C Termočlánek typu S (Pt10Rh Pt) -50 až C Rozlišení 1 C [8] 36

39 4.8 Technicko - ekonomické srovnání provozu laboratorních pecí Srovnání pecí podle nákupní ceny Tabulka 8 Nákupní ceny srovnávaných pecí Typ Cena Cena Cena Typ Typ [Kč] [Kč] [Kč] L 03/ LT 100/750/ RKZ L 05/ LH 06/ MP DR L 09/ LH 09/ MP DR L 15/ LH 15/ MP DR L 03/ LH 30/ MP DR L 05/ LNT L 09/ LNT L 15/ LNT LT 50/300/ LNT LT 50/500/ LNT LT 50/750/ LNT LT 75/500/ RKZ LT 75/750/ RKZ LT 100/500/ RKZ Ceny jsou uvedeny bez DPH. Aktualizovány k datu [8, 13, 14, 15, 16] Srovnání pecí podle použitelného objemu pro ohřev Tabulka 9 Použitelné pracovní objemy srovnávaných pecí v litrech [13, 14] Typ Objem Objem Objem Typ Typ [l] [l] [l] L 03/12 3 LT 100/500/13 4 RKZ L 05/12 5 LT 100/750/13 6 RKZ L 09/12 9 LH 06/13 6 RKZ L 15/12 15 LH 09/13 9 MP L 03/13 3 LH 15/13 15 MP DR 5 L 05/13 5 LH 30/13 30 MP DR 5 L 09/13 9 LNT6 6 MP DR 5 L 15/13 15 LNT12 12 MP DR 5 LT 50/300/13 1 LNT15 15 LT 50/500/13 1 LNT20 20 LT 50/750/13 2 LNT25 25 LT 75/500/13 3 LNT30 30 LT 75/750/13 4 RKZ

40 4.9 Návrh budoucí náhrady za pec MP Posuzovány byly pece s vnitřním použitelným objemem 5 6 l. Jako nejvýhodnější náhrada i z hlediska ceny byla vybrána muflová pec MP DR v pořizovací ceně Kč, eventuálně MP DR v pořizovací ceně Kč. Uvedenou pec dodává firma MERCI. Nevýhodou pece je, že zde není možné provádět cementování a nitridování oceli pomocí plynné atmosféry. Není možné provádět řízené ochlazování. Dále není možné provádět kalení některých nástrojových ocelí. 5. PRAKTICKÁ ČÁST 5.1 Zkouška ohřevu a ochlazování pece MP Obr. 26 Počítačová sestava k ukládání naměřených dat 38

41 Obr. 27 Program GSOFT 3050 sloužící k zapisování dat do počítače Obr. 28 Program GSOFT

42 T [ C] y = -0,0118x ,241x - 20,271 R² = 0, Obr. 29 Ohřev pece MP t [min] T [ C] t [min] Obr. 30 Stupňovitý ohřev pece MP (černě naprogramovaný, růžově reálný) 40

43 T [ C] y = 0,041x 2-7,965x + 899,9 R² = 0, Obr. 31 Ochlazování pece MP t [min] 5.2 Zkouška ohřevu a ochlazování kelímkové pece ESA K59 Kelímková laboratorní pec ESA TYP K59 č r. výr. 1972, 220 V, 750 W, Hz, IP 20, jmenovitá teplota 1000 C, vzduchové prostředí, Elektrodružstvo Praha. 41

44 Obr. 32 Zkouška ohřevu a ochlazování v kelímkové peci ESA K59 T [ C] y = 0,0048x 3-0,7762x ,175x - 50,175 R² = 0, t [min] Obr. 33 Ohřev v kelímkové peci ESA K59 na stupeň 1 42

45 T [ C] y = -7E-05x 4 + 0,0147x 3-1,2225x ,64x - 49,126 R² = 0, Obr. 34 Ohřev v kelímkové peci ESA K59 na stupeň 2 t [min] T [ C] y = 791,17e-0,013x R² = 0, t [min] Obr. 35 Ochlazování v kelímkové peci ESA K59 43

46 5.3 Kalící zkouška oceli s použitím pece MP Charakteristika oceli a příklady použití Tabulka 10 Charakteristika oceli ČSN ocel k zušlechťování Chemické složení (rozbor tavby v %) C Mn Si P S Cr Ni Cu 0,32-0,4 0,5-0,8 0,15-0,4 max. 0,04 max. 0,04 max. 0,25 max. 0,3 max. 0,3 Mechanické vlastnosti tepelně nezpracované oceli (v MPa) Pevnost v tahu Rm Mez kluzu Re Velké hřídele stabilních spalovacích motorů, parních strojů a čerpadel, hřídele těžních strojů, hřídele a věnce těžných strojů, transmisní hřídele, sloupy a válce lisů, tvarová tělesa, čepy, kolíky, tlačítka, rozpěrná pouzdra, destičky, šoupátka, čelisti, šrouby, pístnice, ojnice, kované svorníky tlakových nádob, závěsy pružin, ruční a nožní páky, součásti řízení, táhla, jeřábové háky apod. [17] Obr. 36 Pracoviště kde byly provedeny kalící zkoušky oceli

47 Obr. 37 Pec MP C s vloženými třemi vzorky oceli Prodleva na teplotě pro všechny tři vzorky byla 15 minut. Vzorek č. 1 byl zakalen do vody a následně zlomen ve svěráku. Vzorek č. 2 byl vystaven normalizačnímu žíhání, vyjmut a ochlazen na vzduchu při teplotě místnosti. Následně byl ohnut ve svěráku. Vzorek č. 3 byl ponechán v peci do úplného vychladnutí pece, tj. do druhého dne, z důvodu žíhání ve vypnuté peci. Na vzorku č. 1 byla změřena tvrdost 55 HRC. Na vzorku č. 2 byla změřena tvrdost 95 HRB, která při převodu podle tabulky [10] reprezentuje u vzorku č. 1 tvrdost 626 HV a tvrdost 208 HV u vzorku č. 2. Tato tvrdost reprezentuje tepelně nezpracovanou ocel

48 Obr. 38 vlevo - poloha bodů M s, M f u uhlíkových ocelí.[2] Obr. 39 vpravo - vzorek č. 1 tetragonální martenzit, zvětšeno 400 S ohledem na skutečnost, že martenzitická přeměna austenitu u oceli s 0,4 % C začíná asi při 350 C a končí asi při 150 C, došlo u vzorku č. 1 k úplné přeměně austenitu na tetragonální martenzit. Tloušťka vzorku 2 mm usnadnila prokalení celého vzorku. Obr. 40 Vzorek č. 2 ferito perlitická struktura. Světlá část ferit (v modrém kroužku), tmavá část perlit (v růžovém kroužku), zvětšeno

49 Obr. 41 Vzorek č. 3 ferito perlitická struktura. Světlá část ferit (v modrém kroužku), tmavá část perlit (v růžovém kroužku), zvětšeno 800 Při porovnání obr. 46 a obr. 47 je zřejmé, že velmi pomalé chladnutí vzorku v peci (24 hodin) má vliv jen na větší množství feritu u ferito perlitické struktury vzorku č Používané termočlánky Při praktickém měření laboratorních pecí byl použit termočlánek GOT 130 NiCr-Ni (Typ K) -65 až +900 C GREISINGER elektronic. Muflová pec má integrovaný termočlánek PtRh Pt. Obr. 42 Digitální teploměr měřící teplotu pomocí termočlánku typu K 47

50 6. Závěr Na trhu je 33 laboratorních pecí v pořizovací ceně od Kč do Kč. Vnitřní objem se pohybuje v rozmezí dm 3. Maximální pracovní teplota jednotlivých pecí je od 1200 C do 1340 C. Pece dodávají tyto firmy: MERCI, Hviezdoslavova 55b, Brno. LAC, Štefánikova 116, Rajhrad a firma ELSKLO, Desná I/370, Desná. Navržená laboratorní pec MP DR v případě náhrady za současnou pec v pořizovací ceně Kč, kterou dodává firma MERCI je v levnější části uvedeného rozsahu. Školní muflová laboratorní pec typu MP je výhodná pro tepelné zpracování kovů, kde je postačující teplota ohřevu 1250 C. Tato teplota nepostačuje např. pro rychlořezné oceli. Průběh ohřevu je možné pomocí naprogramovaného regulátoru příslušně ovlivnit. Není však možné regulovat ochlazování pece. Není též možné tuto pec použít pro zkoušky chemicko tepelného zpracování (cementace a nitridace kovů), vytvrzování žáropevných slitin niklu (které se děje ve vakuu nebo ochranné atmosféře), protože tyto výrobní postupy pec neumožňuje. Uvedenou pec není možné používat pro zkoušky slinování práškových kovů, protože slinovací teplotu (1300 C a více) na této peci není možné dosáhnout. Výrobky z austenitické oceli a ze slinutých karbidů se slinují ve vakuu nebo v atmosféře vodíku. Rovněž není možné tuto pec použít pro slinování keramických materiálů, kdy teplota slinování dosahuje až 2000 C. V případě ukončení životnosti školní laboratorní pece MP doporučuji tuto pec nahradit pecí stejného typu, ale modernějšího provedení. Jedná se o muflovou pec MP DR 1 S, nebo typ MP DR 20 S. Tyto pece jsou určeny pro tepelné zpracování kovů, smaltování, vypalování barviv, keramiky a lepidel a pro všechny ostatní práce v teplotním rozsahu C. Zmíněné pece mohou být osazeny programovatelnými regulátory. Pokud by se v budoucnu vyskytla potřeba zkoušek větších vzorků, tak by bylo nutné zakoupit jiný typ pece. 48

51 Seznam použité literatury [1] BOTHE O., 1979: Strojírenská technologie. SNTL Praha, 176 s. [2] JECH J., 1983: Tepelné zpracování oceli. STNL Praha, 392 s. [3] KRAUS V., 2000: Tepelné zpracování a slinování. Západočeská univerzita Plzeň, 274 s. [4] KŘÍŽ J., 1989: Optimalizace kalení a popouštění kroužků a tělísek valivých ložisek vyrobených z oceli Technický zpravodaj ZVL. Považská Bystrica, 24 s. [5] LAC, 2011: Katalog laboratorních pecí firmy LAC, Rajhrad, 50s. [6] MACEK K. a kol., 2008: Tepelné zpracování kovových materiálů. ČVUT Praha, 133s. [7] MARTÍNEK, 2008: Technický manuál k Muflové peci MP05-1.1, 27s. [8] MERCI, : Laboratorní katalog. Brno, 513 s. [9] PTÁČEK L. a kol., 2002: Nauka o materiálu 2. CERM, s.r.o. Brno, 395 s. [10] SCHMIDT Z., DOBROVOLNÝ B., 1956: Technická příručka. Praha, 1551 s. [11] SVOBODOVÁ M., 2008:Vliv povrchového kalení u nízkolegovaných ocelí. Diplomová práce. MZLU Brno, 80 s. [12] TOPOL J., 1975: Chyby při měření teplot termočlánky. VÚK, Panenské Břežany, 81 s. Internetová publikace: [13] Elsklo s r. o., 2009: Pece a elektrotepelná zařízení pro průmysl. Databáze online [cit ]. Dostupné na: