OSNOVE TOPLINSKE OBRADE
1. Postupci žarenja Fe -legura
1.1. Žarenje za redukciju (sniženje) zaostalih naprezanja ("vlastitih naprezanja, "napetosti")
Cilj je ovog postupka žarenja razgradnja zaostalih naprezanja ugrijavanjem, dovoljno dugim držanjem te odgovarajućim hlaĎenjem bez bitnih strukturnih strukturnih promjena. Pod zaostalim zaostalim se naprezanjima naprezanjima podrazumijevaju podrazumijevaju takva naprezanja koja koja vladaju u proizvodu i kada se
ukloni vanjsko opterećenje. Zaostala naprezanja zaostaju u proizvodu nakon ohlaĎivanja pri nekim postupcima toplinske obrade, zavarivanja, toplog oblikovanja deformiranjem, deformiranjem, lijevanjem, itd. ali i
nakon obrade odvajanjem čestica.
Slika 1. Opći dijagram postupka dijagram postupka žarenja za redukciju napetosti napetosti
Zaključci: 1. Žarenje na 1 C C snižava se samo približno napetosti, a nema ga smisla provoditi dulje od dva sata.
. Žarenje na C C ukida oko naprezanja do 1 pa i vie sati. . Žarenje na C C uklanja praktično sva naprezanja poslije četiri sata držanja, a oko naprezanja ičezne već poslije dva sata držanja. -ovi zaključci vrijede kvalitativno!
1.. Rekristalizacijsko žarenje Radi se o postupku toplinske obrade kojim se stvara klica kristalizacije i rastom zrna (bez transformacije transformacije zrna) izaziva stvaranje
novog zrna u prethodno oblikovanom metalu s ciljem omekanja i povienja duktilnosti. Hladno se oblikovanje metalnih limova (duboko vučenje, provlačenje, valjanje - sl. 5.6.) karakterizira stupnjem deformiranja.
1.. Normalizacijsko žarenje Prema definiciji radi se o postupku austenitiziranja te ohlaĎivanja na mirnom zraku u svrhu postignuća jednolične i sitnozrnate strukture s perlitom. Isti EURONORM EURONORM 52-83 definira posebno postupak postupak usitnjenja zrna kao ugrijavanje podeutektoidnog čelika na temperaturu malo iznad AC3 , a nadeutektoidnog malo iznad AC 1 te s prikladnim
ohlaĎivanjem sa svrhom postignuća sitnijeg i jedinstvenijeg zrna.
Slika 2. Pojas temperature normizacije u dijagramu Fe-Fe 3C EURONORM 52-83
Slika 3. Pojas temperature postupka usitnjenja zrna u dijagramu Fe Fe3c EURONORM 52-83
Jo se postiže: 1. Eliminiranje sekundarne trakaste strukture 2. Eliminiranje tzv. Widmannstattenove strukture 3. Eliminiranje grubozrnatosti nastale pri žarenju na grubo zrno, difuzijskom žarenju ili zavarivanju (u zavaru i ZUT -u)
Dijagrami postupka normalizacijskog žarenja
Slika 4. Normalizacijsko žarenje
Slika 5. Normalizacijsko žarenje kombinirano
Slika 6. Postupak normalizacije u kontinuiranom TTT dijagramu A - austenit (nestabilni) F - ferit (podeutektoidni) P - perlit B - bainit Ms - početak stvaranja martenita
1.. Sferoidizacijsko žarenje Radi se o žarenju sa svrhom prevoĎenja karbida u kuglasti oblik. Ono se provodi duljim dr žanjem proizvoda oko temperature AC1 ili osciliranjem oko te temperature.
Slika 7. Dijagram postupka cikličkog sferoidizacijskog žarenja ugljičnog čelika s 1% C
1..1. Izotermno sferoidizacijsko žarenje Daljnji postupak za postizanje kuglastog cementita je izotermno
žarenje (perlitizacija), koja daje najbolje rezultate. Sve ovo se može dobro očitati iz izotermičkog TTT dijagrama
Slika 8. Izotermički TTT dijagram
Slika 9. Izotermički TTT dijagram
1.. Žarenje na grubo zrno Cilj je poboljavanje obradljivosti odvajanjem čest ica.
Slika 10. Dijagram postupka Neka vrsta visoke normalizacije po ASTM-u (prikladno za obradu)
1.. Izett žarenje Djelovanje ovog žarenja osniva se na saznanju da na krhkost nekog čelika ne utječe toliko količina tetnih pratilaca koliko i njihov raspored.
Nečistoće u čeliku:
a) Nepovoljan raspored nečistoća
b) Povoljan raspored nečistoća
Slika 11.
Slika 12. Dijagram postupka Izett žarenja Izett žarenje se primjenjuje kod limova, nosača i profila svih vrsta izraĎenih od masovnih čelika.
2. Kaljenje čelika i željeznih ljevova
.1. PothlaĎenje austenita - Uptonov dijagram Pri toplinskoj analizi čistog željeza, čak i uz t ohl ≈ ∞ postoji pri prijelazu iz y-Fe u α-Fe temperaturna histereza 13 K.
a) Pothlađenje čistog željeza
b) Granična temperatura pretvorbe Slika 13.
Povećanjem brzine ohlaĎivanja (koja teži ∞) histereza će posajati sve veća gdje je granična temperatra (pretvorbe) prekristalizacije y -Fe u
α-Fe ≈ C. Niz takvih eksperimenata daje Uptonov dijagram.
Slika 14. Uptonov dijagram A - austenit K - karbidi A p - poputeni austenit M - martenzit Ms - početak stvaranja martenzita Mf - zavretak stvaranja martenzita
Ako promatramo neku kristalizaciju nekog čelika sa , C prilikom hlaĎenja dobiti ćemo jo 1 martenzita. Taj Uptonov dijagram služi samo (vrijedi samo) za vrlo brzo hlaĎenje, dok za zagrijavanje čeličnih legura služi Fe -C metastabilni dijagram.
2.2. Uvjeti zakaljivanja i osnove mikrostrukturne karakteristike Primjena Fe-C dijagrama za odreĎivanje postupka kaljenja č elika
Kaljenje čelika se osniva fizički: 1. Na sposobnosti y-Fe da otopi veće udjele ugljika da se stvori austenit
. Sposobnosti austenita da se pothladi tj. da zadrži ugljik u otopini Uvjeti zakaljivanja čelika su: 1. Transformacija α-y kod zagrijavanja i y-α kod hlaĎenja . Čelik mora sadržavati dovoljno visok udjel ugljika (> , C) . Čelik treba zagrijati u austenitno područje jer martenzit može nastati samo od austenita
. Austenitizirani čelik treba dovoljno brzo hladiti ("gasiti") kako bi se spri ječila difuzija ugljika iz austenitne reetke Za praktičnu primjenu toplinske obrade ugljičnih čelika koriste se podaci iz sistema Fe-Fe3C tj. za ugrijavanje, a Uptonov dijagram za
hlaĎenje.
Slika 15. Fe-Fe3C dijagram (za ugrijavanje)
Slika 16. Uptonov dijagram (za hlađenje)
Da bi se neki ugljični čelik zakalio, treba ga najprije austenitizirati. Potrebna temperatura austenitizacije odreĎuje se iz Fe -Fe3C dijagrama ovako:
a) Podeutektoidni čelici
Slika 17. Shematski prikaz promjene strukturnih faza ug ljičnoga podeutektoidnog čelika
Kad bi se čelik ugrijao na neku temperature iznad A 1 i A3 on bi stigao u strukturno stanje A+F. Gaenjem dolazi samo do reakcije A→M pa
bi se kaljena struktura tako austenitnog čelika sastojala od konstituenata M+F M - visok a tvrdoća (do 9 HV), a niska duktilnost F - vrlo niska tvrdoća (≈ 1 HV), a visoka duktilnost
Koegzistencijska faza toliko različitih svojstava nepovoljna je (pogotovo ako postoje dinamička naprezanja). Treba težiti 1 M, a u tom cilju treba austenitizirati iznad temperature A3.
Da ne bi dolo do neželjenih promjena u veličini austenitnog zrna, temperatura austenitizacije podeutektoidnog čelika treba iznositi δa=A3 + (30...70 K). b) Nadeutektoidni čelici
Slika 18. Shematski prikaz promjene strukturnih faza ugljičnoga nadeutektoidnog čelika
Ugrijavanje čelika na neku temperaturu izmeĎu A 1 i Acm dovodi čelik u strukturno stanje A+Fe 3C.
Gaenjem dolazi do reakcije A→M pa je tako kaljeni čelik u strukturnom stanju M+Fe3C" + Az M+ Fe3C" - podjednaka mehanička svojstva Az - svega ... mase u slučaju ugljičnih čelika
Ugrijavanje čelika na temperaturu austenitizacije δ a → Acm uzrokovalo bi nakon kaljenja: - grubo martenzitno zrno - visok udio zaosalog austenita - kemijske promjene na povrini oksidacija
3. Kaljivost čelika Prema normi EURONORM definira se kao sposobnost pretvorbe austenita u martenzit.
Zakaljivost čelika je povrinska tvrdoća nakon gaenja iz austenitnog područja. Radi se o povrinskoj tvrdoći kada se radi o 1 martenzita.
Slika 19. Prikaz gašenja u kontinuiranom TTT dijagramu
1. Krivulja nadkritičnog gaenja . Krivulja gornjeg kritičnog gaenja . Krivulja donjeg kritičnog gaenja 4. Krivulja podkritičnog gaenja
.1. Gaenje Gaenje je naglo odvoĎenje topline. Sredstva za gaenje mogu biti barska voda ili kinica, vodovodna voda, ulja, topli zrak, hladni zrak, topla kupka, olovna kupka. Svrha gaenja je dovoljno pothlaĎenje da bi se od austenita (A) stvorio martenzit (M).
Slika 20. Idealizirana krivulja gašenja u TTT dijagramu
Kritični momenti gaenja su pri ... C.
.. Prokaljivost čelika Prokaljivost čelika je sposobnost čelika i postupka gaenja da se
dostigne jednolična tvrdoća po poprečnom presjeku predmeta. Čelik će biti apsolutno prokaljen, ako je u svakoj točki svog presjeka i
maksimalno zakaljen, tj. ako je svaka točka presjeka gaena nadkritičnom brzinom, tko da se u svakoj od njih postigla struktura sa 100% M.
4. Postupak poboljšavanja čelika (kaljenje i visoko popuštanje)
.1. Postupci i svrha poboljavanja Cilj je dobivanje martenzitne strukture M i ukinuti vlastita naprezanja (napetosti).Visokim poputanjem ispod A1 ( C) linije cilj je
postizanje visoke granice tečenja i visoke žilavosti. Definicija:
Ugrijavanje čelika ... K iznad AC3 i odgovarajućeg gaenja u nekom od sredstava (voda iz vodovoda, barska voda, ulje, emulzija ulja: voda-ulje, zrak, topla kupka, olovna kupka) te poputanje pri temperaturi > C do ispod AC1 u svrhu postizanja udarne radnje
loma (žilavost) uz odreĎenu povienu čvrstoću.
a) Dijagram postupka poboljšavanja čelika otpornih na krhkost popuštanja
K... kaljenje
P... poputanje
b) Dijagram postupka poboljšavanja čelika sklonih krhkosti popuštanja Slika 21.
Klasičan način poboljavanja razvio se s vremenom u neke nove ekonomičnije i efikasnije postupke pa imamo nekoliko postupaka koji se upotrebljavaj za specijalne svrhe i oni su bitno različiti od klasičnog načina poboljavanja.
Slika 22. Dijagram postupka gašenja u toploj kupki
Slika 23. Dijagram postupka izotermičkog poboljšavanja
Osnovni cilj poboljavanja čelika je postgnuće visoke udarne radnje loma proizvoda uz odreĎeu povienu čvrstou, granicu razvlačenja i dinamičku izdržljivost.
Slika 24. Gašenje u TTT dijagramu za kontinuirano hlađenje nekog nelegiranog čelika za poboljšavanje
Zadatak je da u ovom dijagramu TTT promatramo krivulju hlaĎenja
kada hladimo u vodi, krivulju hlaĎenja kada hladimo u ulju i krivulju hlaĎenja kada hladimo na zraku. Svi novi postupi poboljavanja daju bolje (rezultate) vrijednosti mehaničkih svojstava osobito izotermički postupak, meĎutim novi postupci nisu primjenjivi u nekim slučajevima kod proizvoda većih dimenzija nelegiranih ili vrlo nisko legiranih čelika, pa trebamo i dalje primjenjivti klasični način poboljavanja. Od svih ovih postupaka proizlazi da je moguće postizanje jednoličnog poboljavanja po presjeku to ovisi o visini temperature poputanja odnosno i procesu i načinu gaenja.
Primjer 1
Imamo dva čelika istih promjera, jedan čelik Č1 je prokaljiv čelik, a drugi čelik Č je neprokaljiv čelik. Od svakog smo čelika izradili tri epruvete i njih toplinski obradili. Prve epruvete od Č1 i Č smo kalili i nismo poputali, druge epruvete od Č1 i Č smo kalili i nisko poputali, a treće epruvete od Č1 i Č smo kalili i visoko poputali. Epruvete smo prerezali po dužini i mjerili čvrstoću (HB i HV) od ruba prema jezgri.
a) Promjer prokaljivog čelika Slika 25.
b) Promjer neprokaljivog čelika
______________ kaljeno, nepoputeno _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ kaljeno, nisko poputeno _._._._._._._._._._ kaljeno, visoko po puteno
Zaključak: Kod prokaljivog čelika postiže se izjednačenje čvrstoće (ili tvrdoće) po presjeku i to već nižim poputanjem. Kod neprokaljivog čelika tek će visoko poputanje izjednačiti čvrstoću (tvrdoću) po čitavom presjeku. Što je dakle veća strukturna razlika izmeĎu ruba i jezgre, biti će potrebno poputanje na vioj temperaturi.
Primjer 2
a) Mali promjer Φ 10 b) Srednji promjer Φ 50 c) Veliki promjer Φ 100 Slika 26. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ gaeno u ulju
______________ gaeno u vodi Gaenje se vrilo nakon zagrijavanja na temperaturu austenitizacije.
Zaključak: Pri gaenju neprokaljivih čelika velikih dimenzija sve je manja razlika u čvrstoći postignutih u ulju prema onima koji su gaeni u vodi. Stupanj homogenosti svojstava (čvrstoće, tvrdoće) znatno je bolji nakon gaenja u ulju nego nakon gaenja u vodi, pa bi bilo neracionalno gasiti veće dimenzije u vodi. Kod manjih dimenzija poputanje nakon gaenja u vodi daje znatno viu čvrstoću jezgre, pa je samo tada gaenje u vodi opravdano.
.. Postupak izotermičkog poboljanja čelika Prema EURONORMI 52-83 radi se o postupku austenitizacije te gaenja do neke temperature iznad M s takvim intezitetom ("brzinom")
da se sigurno izbjegne svaka transformacija u ferit i perlit, te držanja na toj temperaturi do djelomične ili potpune pretvorbe (pothlaĎenog) austenita u bainit (A→B). OhlaĎivanje nako n pretvorbe provodi se obično na mirnom zraku.
a) U općem dijagramu postupka
tink - temperatura inkubacije
δizot - temperatura izoterme t pret - temperatura pretvorbe
b) U izotermičkom dijagramu TTT (kvalitativno) Slika 27. Dijagrami postupka izotermičkog poboljšanja Cilj ovog postupka je dobivanje bainitne strukture.
