7. TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ

Transkript

1 7. TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Záměrné využívání fázových a strukturních přeměn v tuhém stavu k přeměně struktury a tím získání požadovaných mechanických nebo technologických vlastností - struktura ne tvar - využití, náhrada legovaných ap. Základ /obr. 7.1/: ohřev výdrž (prodleva) - ochlazování ohřev - rovnoměrný - přestup tepla a vodivost - tepelná a strukturní pnutí - deformace ev. porušení - vliv prostředí výdrž - prohřátí (tepelný spád) - průběh reakcí (difúzní, rozpouštění, homogenizace chemického složení ap.) ochlazování - dle potřeby, zajištění rovnovážnosti nebo nerovnovážnosti struktury - tepelná a strukturní pnutí viz ohřev Pro optimální podmínky znalost fyzikálních veličin a jejich změny během zpracování měrné teplo, tepelná vodivost, teplotní vodivost, teplotní součinitel délkové roztažnosti Přenos tepla sáláním, prouděním, vedením Technologické zásady ohřevu výše teploty, rychlost ohřevu režimy ohřevu Pnutí a deformace dle vzniku: tepelná deformační strukturální Obr. 7.1: Obecný diagram tepelného zpracování Prostředí pro ohřev: tuhá zásypy (koks, litinové třísky apod.) fluidní zvířené prášky (např. Al 2O 3) roztavené soli nižší teploty alkalické dusičnany a dusitany, vyšší chloridy (NaCl, KCl event. BaCl 2) desoxidace vzduch a spaliny vznikající oxidy ochranné atmosféry - vodík, dusík, štěpený čpavek, exoatmosféry, endo-atmosféry, vakuum Prostředí pro ochlazování volba dle požadavků kde nedochází ke změně skupenství, analogie s ohřevem při změně skupenství nerovnoměrné ochlazování s význačně oddělenými maximy rychlosti ochlazování /obr. 7.2/ - údobí stabilního parního polštáře, údobí varu s vývinem bublin, údobí výměny tepla prouděním vzduch velmi pomalé, zvýšení prouděním event. vodní mlhou roztavené kovy vysoká tepelná vodivost a měrné teplo ekologie roztavené solné lázně Obr. 7.2: Teplotní závislost rychlosti ochlazování pro různá prostředí voda a její roztoky vysoká intenzita ochlazování, negativní vliv teplota vody a obsah plynů zvýšení intenzity cirkulací a přísadami snižujícími stabilitu parního polštáře (NaCl, NaOH) snížení přísadami stabilizujícími parní polštář (glycerin, vodní sklo apod.) moderní vodné roztoky polymerů (polyvinylalkohol-pva, polyalkylenglykol-pag, oleje výhodní ochlazovací rychlost v martenzitické oblasti nízký vliv teploty a cirkulace nevýhody 1

2 7.1 Žíhání Obr. 7.3: Oblasti žíhacích teplot v rovnovážném diagramu Fe-Fe 3C /žíhání: a-ke snížení pnutí, b-rekrystalizační, c-na měkko, d-homogenizační, e-normalizační/ Snaha dosáhnout nebo se přiblížit k rovnovážnému stavu - základní rozdělení: bez překrystalizace - s překrystalizací Žíhání bez překrystalizace - pouze strukturní přeměny (sferoidizace, koagulace karbidických fází, zotavování, rekrystalizace ap.) - obvykle pod A 1 - ke snížení pnutí - odstranění vlivů předchozího zpracování - ( C ) - snížení vnitřních pnutí vlivem místní plastické deformace, část pružné deformace se odstraní relaxací - pomalé ochlazování do C rekrystalizační - odstranit předchozí deformační zpevnění, obnovit tvárné vlastnosti - ( C ) - obvykle mezioperační protivločkové - odstranění vodíku ze surovin a metalurgického procesu - rozpustnost v a nižší - dlouhodobé mezi A 1 a B s (M s) - porušení vločky viz H 2 - CrNi oceli na odstranění vodíku po moření - difúze vodíku do povrchu vlivem zpracování - vodíková křehkost - ( C ) na měkko - snížení tvrdosti, zlepšení obrobitelnosti - sferoidizace perlitického cementitu - podeutektoidní oceli pod A 1 ( C) - nadeutektoidní těsně nad A 1 neb kolísání - pomalé ochlazování ( C.h -1 ) - vliv výchozí struktury Žíhání s překrystalizací - větší rovnoměrnost struktury a větší homogenita chemického složení - homogenizační (difúzní) - zmenšení chemické heterogenity (dendritické odmíšení, ne pásmové) - vyrovnání difúzí - vyšší teploty, vyšší rychlost - ( C ) - zhrubnutí austenitického zrna, oxidace a oduhličení povrchu rozpouštěcí (austenitizační) - nedochází k překrystalizaci - austenitické oceli - karbidy na hranici zrn, koroze normalizační - rovnoměrnost struktury - ( C nad A c3, ochlazení na klidném vzduchu ) - vliv rychlosti ochlazování - zjemnění zrna, struktura závislá na složení a ochlazování základní - jako normalizační a řízené ochlazování v peci - nižší pnutí, pevnost, tvrdost izotermické - austenitizace a ochlazení na teploty 600 až C - izotermická přeměna austenitu (IRA diagram) - vhodnější u legovaných ocelí - zařízení, vhodný tvar a velikost součástí- kombinované - různé způsoby např. homogenizační + normalizační, normalizační + popouštění ap. k zhrubnutí zrna - cementační oceli, obrobitelnost - transformátorové plechy, hysterezní ztráty ap. 7.2 Kalení Obr. 7.4: Vliv uhlíku na tvrdost po zakalení /1-podeutektoidní ocel z teploty nad A c3, 2-martenzit z teploty nad A cm, 3- nadeutektoidní oceli z teploty nad A c1, 4- oceli z teploty nad A cm (více zbytkového austenitu)/ Dosáhnout nerovnovážného stavu - martenzit (bainit) - vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení - Kalitelnost - schopnost dosáhnout nerovnovážného stavu (martenzitické struktury) - obvykle měřítko tvrdost - ne oceli feritické a austenitické - Zakalitelnost - nejvyšší dosažitelná tvrdost - martenzit, vliv uhlíku /obr. 7.4/ - 2

3 a) b) Obr. 7.5: Schéma průběhu ochlazování válcového tělesa a vztah mezi kritickou rychlostí ochlazování v k a skutečnou rychlostí ochlazování v /a-uhlíková ocel, b- legovaná ocel/ Prokalitelnost - schopnost dosáhnout tvrdost odpovídající zakalitelnosti v určité hloubce pod povrchem - jádro ochlazovací rychlost podkritická (není zakaleno) - vlivy : složení, ochlazovací prostředí, velikost součásti - Bainův diagram /obr. 7.5/ - Hodnocení prokalitelnosti - kritický průměr - pro použité kalící prostředí - Jominnyho čelní zkouška prokalitelnosti - pás (index) prokalitelnosti - Austenitizace /obr. 7.6a/ teplota (vliv na strukturu podkalení (heterogenní) velikost pnutí), prodleva (homogenizace austenitu) - Kalící prostředí - rychlost větší než kritická, pnutí, nebezpečí deformace a praskání - Postupy (způsoby) kalení /obr. 7.6 b, c/ - dle druhu oceli, velikosti a tvaru součásti i požadovaných vlastností - a) b) c) Obr. 7.6: Pásmo kalících teplot v diagramu Fe-Fe 3C /a/ a způsoby kalení /b-do studené lázně 1, přerušované 2, c-termální 3, izotermické zušlechťování 4, p-ochlazování povrchu, j-ochlazování jádra/ kalení přímé (nepřetržité) - do studené lázně - nejjednodušší, velký teplotní spád mezi povrchem a středem (pnutí, objemové změny, deformace) přerušované (lomené) - dvojí ochlazovací prostředí (intenzivní + mírné - např. voda + olej, olej + vzduch) - Bainův diagram -? vhodný okamžik termální - výdrž nad M s - vyrovnání teploty - ne bainitická transformace - nízké pnutí -? velikost se zmrazováním - zmenšit podíl zbytkového austenitu - po martenzitickém kalení ihned ochlazení pod M f (stabilizace zbytkového austenitu) - vyšší tvrdost, odolnost proti opotřebení, nižší teplota popouštění, stabilizace rozměrů 3

4 Popouštění nízkoteplotní (napouštění) nástroje vysokoteplotní - konstrukční díly - popouštěcí křehkost Kalení + vysokoteplotní popouštění = zušlechťování Izotermické zpracování využití IRA izotermické "kalení" - prodleva nad M s ev. pod M s (bainit, martenzit, zbytkový austenit) - nutnost popouštění izotermické zušlechťování - ochlazení do lázně 300 až C (prodleva) - horní bainit - bez popouštění - vlastnosti dle teploty rozpadu - menší průřezy - dříve u drátů patentování - Obr. 7.7: Vliv rychlostí ohřevu na kalící teplotu při povrchovém kalení Povrchové kalení - houževnaté jádro + tvrdý povrch - ohřev povrchové vrstvy vyšší rychlostí než vedení tepla, vzniká tepelný spád - dle rychlosti ohřevu tloušťka zakalené vrstvy - mechanismus fázových přeměn v podstatě stejný - austenitizace -aby se dosáhlo při velkých rychlostech ohřevu (krátkých časech) homogenizace austenitu (difúzní děj) jsou teploty kalení (austenitizační) až o C vyšší /obr. 7.7/ - tím i jemnější zrno a vyšší houževnatost než konvekční zpracování - Zdroje: kyslíko-acetylenový plamen - jednoduchý, adaptabilní - výbušnost - tloušťky od cca 3 mm indukce (středofrekvenční a vysokofrekvenční) - vířivé Foucaultovy proudy indukované pomocí induktoru do kterého je předmět vložen - ohřev přímým Jouelovým teplem - přibližná efektivní tloušťka vrstvy t ef v níž 500 jsou koncentrovány proudy t ef = f (f v Hz) - vysokofrekvenční generátory až 2 MHz, vrstva od desetin mm kalení z přehřátých lázní moderní laser, elektronový paprsek Obr. 7.8: Schéma průběhu tepelně mechanického zpracování /1-vysokoteplotního (VTMZ), 2- nízkoteplotního (NTMZ)/ Moderní způsoby TZ zpracování v magnetickém poli obdoba klasického kalení, velké hustoty magnetického toku reaustenitizace ohřev rychlými cykly kalené oceli, jemný dislokační martenzit tepelně mechanické zpracování /obr. 7.8/ - rozpad deformovaného austenitu zjemnění struktury, snížení dynamického účinku rázu martenzitických desek na hranice původních austenitických zrn, ovlivnění vyloučení karbidické fáze VTMZ vliv rekrystalizace NTMZ stabilita podchlazeného austenitu, deformační schopnost deformačně vyvolaná martenzitická transformace oceli M S pod 0 0 C, výsledná martenziticko-austenitická struktura vykazuje vysokou pevnost při velkém homogenním prodloužení precipitační vytvrzování ocelí martenzitické zpevnění doprovázeno precipitačním vylučováním fází, (Ni 3/Ti,Al/, event. ε fαze Cu) vytvrzovacν teplota 450 až C 4

5 interkritické tepelné zpracování tepelné zpracování vhodných ocelí mezi teplotami A c1 a A c3 - řízené válcování a ochlazování zvýšení meze kluzu, nízké tranzitní teploty, příznivé křehkolomové vlastnosti ovlivněno teplotou ohřevu, doválcování, rychlostí ochlazování a stupněm úběru Chemicko-tepelné zpracování Difúzní sycení povrchu - rozdíl chemického složení a tím i vlastností jádra a povrchu - vlastnosti jsou získány přímo nebo následným zpracováním - Základem aktivní prostředí a uvolnění výchozích látek (disociace) v aktivním stavu - následuje adsorpce na povrchu a difúze ve směru koncentračního spádu (dovnitř) Cementování Nasycování povrchu uhlíkem při teplotách nad C - cementační oceli (0,1-0,25%C) - použitá prostředí: pevné - prášek dřevěné uhlí + BaCO 3 (7-20%) - rovnováha reakcí, rozklad BaCO 3 = BaO + CO 2, CO 2 + C = 2 CO - jednoduché - nevýhody: obtížná regulace, zdlouhavé, ekonomie kapalné - roztavené chloridové soli + kyanidy - ekologie plynné prostředí - endoplyn + CH 4 ev. rozklad kapalin - lepší nauhličovací schopnost - pece, regulace složení cementační vrstvy - ochrana proti cementaci - zpracování po cementaci /obr. 7.9/ - problematika kalení - kalení na vrstvu, na jádro, dvojité kalení Obr. 7.9: Schéma postupů kalení po cementování /A-přímé z cementační teploty, B-přímé s přichlazením, C-s podchlazením, D-na jádro, E-na vrstvu, F-dvojité kalení/ Obr. 7.10: Část rovnovážného diagramu Fe-N /šrafované pásmo nitridačních teplot/ Nitridování Sycení povrchu dusíkem - diagram Fe-N /obr. 7.10/ (analogie, nitridy) - provozní teploty 500 až C - nitridy ev. karbonitridy Fe a legujících prvků - nitridační oceli (0,3-0,4%C + legování Cr, Al, V apod.) - většinou plynné prostředí - štěpený čpavek (atomární dusík) - vrstvy 0,2 až 0,6 mm, rychlost cca 0,01 mm.h -1, tvrdost 1000 až 1200 HV - složení vrstvy - moderní iontová nitridace - disociace v doutnavém výboji - součást jako katoda regulovatelnost Nitrocementace analogie cementace + dusík - nižší teploty, stabilizace austenitu (jádro, prokalitelnost, zbytkový austenit) výhody Karbonitridace analogie nitridace + uhlík - vyšší teploty - bílá (spojovací) vrstva karbonitridu ε (10-30µm) + difúzní - záběh, opotřebení 5

6 Možnost sycení dalšími prvky viz povrchové úpravy. 7.4 Tepelné zpracování litin Bílé litiny Obr. 7.11: Výroba temperované litiny s černým lomem /a-schéma průběhu tepelného zpracování, b-výsledná struktura: ferit + vločkový grafit/ temperovaná litina s černým lomem /obr. 7.11/ - feritická s vločkovým grafitem - prvá fáze rozložení ledeburitického cementitu, druhá perlitického - neutrální prostředí - temperovaná litina s bílým lomem - oxidační prostředí - postupné oduhličování vlivem koncentračního spádu - nevhodná grafitizace - pouze feritická - temperovaná litina perlitická - vločkový grafit + perlit (lamelární ev. sféroidální) kalení Obr. 7.12: Způsoby žíhání grafitických litin /a-na snížení vnitřních pnutí, b-sferoidizační, c-feritizační, d-na snížení tvrdosti (ve výchozí struktuře ledeburit), e-normalizační/ Grafitické litiny - obdoba ocelí - vliv grafitu - Žíhání /obr. 7.12/: na snížení vnitřních pnutí ke snížení tvrdosti - zlepšení obrobitelnosti - různé dle typu struktury - sferoidizace perlitu ev. překrystalizace grafitizační (feritizační) - rozklad perlitu ev. ledeburitu - stabilizace rozměrů, ložiska (tření) normalizační - rovnoměrnost struktury - pevnost a tvrdost (ponejvíce tvárná) Kalení vliv grafitu - nižší tvrdosti - vhodnější izotermické zušlechtění - povrchové kalení - 6