Tepelné zpracování ocelí. Kalení a popouštění. Chemicko-tepelné zpracování. Tepelné zpracování litin. Tomáš Doktor K618 - Materiály 1 26. listopadu 2013 Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 1 / 36
1 Kalení ocelí Kalící teplota Kalící prostředí Kalitelnost. Zakalitelnost Prokalitelnost Kalení na martenzit Kalení na bainit 2 Popouštění martenzitu 3 Flash Bainite 4 Chemicko-tepelné zpracování Cementování 5 Tepelné zpracování litin Žíhání litin Kalení litin Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 2 / 36
Připomenutí - IRA, ARA diagramy Rozpad austenitu Vliv přechlazení Čas výdrže na teplotě Rychlost ochlazování Konečná doba trvání přeměn začátek při protnutí křivky X S (start) konec při protnutí křivky X F (finish) Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 2 / 36
Kalení ocelí Kalení ocelí Cíl Vznik kalících struktur bainit maternzit Zvýšení tvrdosti a pevnosti Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 3 / 36
Kalení ocelí Kalící teplota Kalící teplota Předpoklady pro kalení Vznik austenitu velká rozpustnost uhlíku Rozpuštění karbidů Jemnozrná struktura Podeutektoidní oceli Kalící teplota nad A 3 Přeměna veškerého feritu na austenit Nadeutektoidní oceli Kalící teplota nad A 1 (ne nad A c m) Cementit může ve struktuře zůstat tvrdost srovnatelná s martenzitem Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 4 / 36
Kalení ocelí Kalící prostředí Kalící prostředí Rychlost ochlazování Určující pro průběh kalení V průběhu kalení se může měnit najdříve rychlé pro zamezení perlitické přeměny (vznik měkkého feritu) poté pomalejší pro omezení vnitřních pnutí Chladicí média Voda - rychlost 30 až 600 o C s 1 (podle teploty) Roztoky hydroxidů, solí, kyselin - rychlost stovky o C s 1 Olej 100 až 200 o C s 1 Proudící vzduch 30 o C s 1 Klidný vzduch 3 o C s 1 Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 5 / 36
Kalení ocelí Kalící prostředí Kalící prostředí Zmrazování Teplota M F může být i pod bodem mrazu Při jejím nedosažení zůstává ve struktuře zbytkový austenit Zmrazovácí lázně Směs lihu u suchého ledu (tuhý CO 2 ) 80 o C Tekutý dusík 196 o C Zmrazovácí lázně Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 6 / 36
Kalení ocelí Kalitelnost. Zakalitelnost Kalitelnost. Zakalitelnost Kalitelnost Schopnost kalením získat martenzitickou strukturu Určena složením oceli Nekalitelné oceli Nízkouhlíkové - nedojde k přesycení tuhého roztoku Austenitické - vysoká rozpustnost uhlíku i při nízkých teplotách Zakalitelnost Schopnost dosáhnout kalením maximální možné tvrdosti Závisí na obsahu uhlíku U nadeutektoidních ocelí se již nezvyšuje Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 7 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost Prokalitelnost Rychlost ochlazování se v objemu součásti mění Směrem od povrchu do středu rychlost klesá Rozměrnější součásti mohou být zakaleny jen do určité hloubky Prokalitelnost Schopnost dosáhnout své zakalitelnosti do určité hloubky pod povrchem Závisí na kritické rychlosti ochlazování Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 8 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost Jominyho zkouška prokalitelnosti Provedení zkoušky Válcový vzorek vyžíhané oceli Ohřev v ochranné atmosféře Ochlazování proudící vodou Po délce válečku plynulý přechod ochlazovací rychlosti Vyhodnocení Po zakalení měření tvrdosti Výsledkem je křivka prokalitelnosti Závislost tvrdosti (HRC) na vzdálenosti od chlazeného povrchu Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 9 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost Prokalitelnost - příklad Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 10 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Kalení na martenzit Rychlé ochlazení austenitu nadkritickou rychlostí pod teplotu M S Ve struktuře přítomen martenzit a zbytkový austenit zbytkový austenit vzniká, neklesne-li teplota pod M F snižuje pevnost a tvrdost Získaná struktura se dále upravuje popouštěním Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 11 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Přímé kalení Provedení Ochlazování jedinou rychlostí až pod M S chladicím médium je voda nebo olej Vysoká rychlost ochlazování způsobuje velké pnutí Použití Malé součásti Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 12 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Přímé kalení Provedení Ochlazování jedinou rychlostí až pod M S chladicím médium je voda nebo olej Vysoká rychlost ochlazování způsobuje velké pnutí Použití Malé součásti Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 12 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Lomené kalení Ochlazování probíhá ve více fázích různými rychlostmi První fáze ochlazení mezi teplotu nosu a M S Následuje ochlazování nižší rychlostí jiné ochlazovací prostředí Vznikne martenzit s menším vnitřním pnutím Lze provést jen u ocelí s delší inkubační dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 13 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Lomené kalení Ochlazování probíhá ve více fázích různými rychlostmi První fáze ochlazení mezi teplotu nosu a M S Následuje ochlazování nižší rychlostí jiné ochlazovací prostředí Vznikne martenzit s menším vnitřním pnutím Lze provést jen u ocelí s delší inkubační dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 13 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Termální kalení Rychlé ochlazení mezi teplotu nosu a M S Výdrž na teplotě Před dosažením začátku bainitické přeměny ochlazení pod M S Minimální vnitřní pnutí Lze provést jen u ocelí s delší inkubační dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 14 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Termální kalení Rychlé ochlazení mezi teplotu nosu a M S Výdrž na teplotě Před dosažením začátku bainitické přeměny ochlazení pod M S Minimální vnitřní pnutí Lze provést jen u ocelí s delší inkubační dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 14 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Povrchové kalení Cílem je získat rozdílné vlastnosti na povrchu v jádře součásti Zakalení jen v povrchové vrstvě Indukční ohřev, ponoření do chladicí lázně Pohyblivá kalicí hlava Plynový hořák Chlazení proudem vody Tloušt ka vrstvy 0.5 až 3mm 1 - ohřev (plamenem), 2 - chlazení (proudící voda), 3 - zakalený povrch, 4 - austenit, 5 - houževnaté jádro Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 15 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit Dílčí kalení Průběh Cílem je směs feritu a martenzitu Ohřev do oblasti α + γ lze provést jen u podeutektoidních ocelí Po zakalení se austenit přemění na martenzit Vlastnosti Pevnost díky přítomnosti martenzitu Houževnatost díky přítomnosti feritu Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 16 / 36
Kalení ocelí Kalení na bainit Kalení na bainit Kalení na bainit Izotermické kalení Ochlazení pod teplotu nosu Výdrž pro vytvoření bainitu Rychlé ochlazení Použití Podeutektoidní oceli Malé součásti Dosažení vysoké pevnosti a zachování tažnosti Není třeba další tepelné zpracování Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 17 / 36
Popouštění martenzitu Popouštění martenzitu Po zakalení je martenzit pro vysokou křehkost nepoužitelný Následuje tepelné zpracování ke snížení pnutí - popouštění Ohřev na teplotu pod A 1 Průběh popouštění 1 Rozpad tetragonálního martezitu vylučování C ve formě ε karbidu snižování tetragonality martenzitu - mění se na kubický vlivem vzniklých karbidů tvrdost téměř neklesá 2 Rozpad zbytkového austenitu vzniká kubický martenzit a cementit pokles tvrdosti 3 Vznik sorbitu ε karbid se mění na Fe 3 C klesá přesycení kubického martenzitu až na α ferit sorbit směs feritu a cementitu perlit bainit 4 Hrubnutí sorbitu pod teplotou A 1 se sorbit mění na globulární perlit Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 18 / 36
Popouštění martenzitu Popouštění martenzitu Postupy popouštění Nízkoteplotní popouštění (Napouštění, popouštění na barvu) Teploty do 300 o C Změna barvy vlivem interference na povrchové vrstvě Napouštění zevnitř - vlastním teplem, po ochlazení jen na povrchu Vysokoteplotní popouštění Vznik jemného sorbitu Zušlecht ování - kombinace kalení a vysokoteplotního popouštění Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 19 / 36
Flash Bainite Flash Bainite - tepelné zpracování Flash Bainite Ocel zpracovaná pomocí rychloohřevů Technologie posledních několika let Zpevnění směsí bainitu, martenzitu a cementitu Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 20 / 36
Flash Bainite Flash Bainite - tepelné zpracování Rychlé zvýšení teploty pomocí indukčního ohřevu nebo plamene Chlazení proudící vodou Mezi ohřívací a chladicí zónou grafitová termoizolační přepážka Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 21 / 36
Flash Bainite - struktura Flash Bainite Vývoj mikrosktruktury v průběhu zpracování Počáteční struktura - ferit a cementit Přeměna feritu na austenit, rozpouštění cementitu Ochlazení - převážně martenzit, částečně bainit Nerozpuštěný cementit ve struktuře zůstává Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 22 / 36
Flash Bainite - vlastnosti Flash Bainite Směs bainitu a martenzitu přináší výhodnější mechanické vlastnosti než se očekávalo podle směšovacích pravidel Poučení - nevěřte slepě směšovacím pravidlům, svět není lineární Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 23 / 36
Flash Bainite - vlastnosti Flash Bainite Mechanické vlastnosti Pevnost v tahu až 2000MPa nárůst o 30% oproti nejlepším současným ocelím Tažnost 8 až 9% nárůst o 7% oproti nejlepším současným ocelím dobrá odolost proti mechanickému poškození armádní technika vývoj podporuje armáda Spojených států vysoká specifická pevnost dopravní prostředky - nízká hmotnost při zachování požadovanách mechanických vlastností energetická nenáročnost díky rychlému ohřevu Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 24 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování Chemicko-tepelné zpracování: Cementování Sycení povrchu oceli atomárním uhlíkem Zvýšení tvrdosti povrchu (při zachování houževnatosti jádra) Požadovaná koncentrace 0.8-0.9 hm. % C Cementování v prášku dřevěné uhlí + katalyzátor C + O CO 2 CO CO 2 + C uhlík se váže do povrchu oceli, CO s uhlíkem z dřevěného uhlí tvoří opět CO 2 Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 25 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování Cementování Cementování v kapalném prostředí Kyanidové lázně (KCN, NaCN) Cementační lázně bez kyanidů (Na 2 CO 3,SiC) Cementování v plynném prostředí Cementační atmosféry - CO,CO 2,CH 4,H 2,H 2 O Tepelná úprava Zakalení nacementované vrstvy Jádro se nezakalí vzhledem k nízkému obsahu uhlíku v cementační oceli Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 26 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování Chemicko-tepelné zpracování Nitridování sycení povrchu oceli atomárním dusíkem tenká vrstva (0.2 až 0.6mm), tvrdost až 1200HV zachovává si tvrdost i při vyšších teplotách nitridace ve čpavkové atmosféře - 2 NH 3 2 N + 3 H 2 iontová nitridace - tvrdost až 3500HV Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 27 / 36
Nadeutektické bílé litiny Tepelné zpracování litin Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 28 / 36
Podeutektické bílé litiny Tepelné zpracování litin Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 29 / 36
Tepelné zpracování litin Litiny ve stabilní soustavě uhlík ve formě grafitu ve stabilní soustavě jen litiny krystalizaci ve stabilní nebo metastabilní soustavě určují složení karbidotvorné prvky: Mn, Cr, Mo, Mg, Ti grafitotvorné prvky: Si, P, Al, Ni, Cu rychlost ochlazování rychlejší metastabilní pomalejší stabilní Odlišné fáze grafitické eutektikum grafitický eutektoid Odlišné teploty eutektická 1153 o C eutektoidní 738 o C Odlišné složení eutektikum 4.25 hm. % C eutektoid 0.69 hm. % C Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 30 / 36
Litiny - bílé vs. grafitické Tepelné zpracování litin (a) Bílá litina (cementit ve feritické matrici) (b) Grafitická litina (lístkový grafit ve feritické matrici) (c) Grafitická litina (kuličkový grafit ve feritické matrici) Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 31 / 36
Tepelné zpracování litin Soustava Fe-C Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 32 / 36
Tepelné zpracování litin Žíhání litin Žíhání bílých litin Účel Vznik grafitických litin přeměna Fe 3 C na grafit Grafit se vyloučí ve formě vloček Průběh teplota 1000 o C výdrž mnoho hodin cementit se rozkládá na 3 Fe + C nutno dodržet maximální teplotu pro získání vločkového nebo kuličkového grafitu Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 33 / 36
Tepelné zpracování litin Žíhání litin Žíhání grafitických litin Žíhání ke snížení vnitřního pnutí teplota 600 650 o C výdrž 1 až 2h pomalé ochlazování v peci Sferoidizační žíhání přeměna lamelárního cementitu na globulární Feritizační žíhání rozpad cementitu na grafit a Fe, které vytváří ferit Žíhání ke snížení pevnosti odstranění ledeburitického cementitu Normalizační žíhání zvýšení pevnosti a tvrdosti odlitků Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 34 / 36
Tepelné zpracování litin Kalení litin Kalení litin Kalení bílých litin výsledná struktura martenzit a cementit litina se nedostane do stavu čistého austenitu Kalení grafitických litin výsledná struktura martenzit, grafit, zbytkový austenit po popuštění sorbit a grafit Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 35 / 36
Děkuji za pozornost xdoktor@fd.cvut.cz Reference Callister, Jr., W.D.: Fundamentals of Materials Science and Engineering, Willey & sons, 2001 Machek, V., Sodomka, J.: Nauka o materiálu 1: Struktury kovových materiálů, ČVUT, 2006 http://practicalmaintenance.net/?p=1366 LOLLA, T., COLA, G., NARAYANAN, B., ALEXANDROV, B., BABU, S. S.: Development of rapid Heating and Cooling (Flash Processing) Pricess to Produce Advanced High Strength Steel Microstructures, Materials Science and Technology 27(5), pp. 863 865, 2011 COLA, G., HIGGINS, G.: Flash Bainite 4130. Plate & Tubing, 2012, dostupné z: http://bainitesteel.com/flashbainite.pdf COLA, G.: 80ms Bainite Transformation. Rapid Heating & Water Quenching, 2007, dostupné z: http://chapters.sme.org/069/technov07.pdf WU, C. H.: Microstructure of Flash Processed Steel Charactrized by Electron Backscatter Diffraction, Virginia Polytechnic Instituce and State University, master thesis, 2009 LOLLA, T., HANHOLD, B., TUNG, D., COLA,G., BABU, S. S.: Flash Microstructure, 2013, dostupné z: http://www.msm.cam.ac.uk/apms/presentations/day3/apms_22_babu.pdf Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštění 26. listopadu 2013 36 / 36