TOPLINSKA OBRADA
Prof.dr.sc. Franjo Cajner
UVOD
Literatura: 1. 2. 3. 4.
Krumes, D.: Toplinska obradba, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, Slavonski Brod, 2000. Löpple, Volker; Wärmebehandlung des Stahles, Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH&Co. KG, Haan-Gruiten, 2006. Bruce B. Bardes (ed.): ASM Handbook: Heat Treatment of Metals, Part 4. 9th edition, Metals Park, Ohio, USA 1994. Stupnišek, M.; Cajner, F: Osnove toplinske obradbe metala, Hrvatsko društvo za toplinsku obradbu, Zagreb 2001.
TOPLINSKA OBRADA
UVOD
Definicija: Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena svojstva (mehanička, fizička, kemijska). (Lijevanje, kovanje, zavarivanje nisu TO jer im je cilj promjena oblika)
1
TOPLINSKA OBRADA
UVOD
Označavanje zahtjeva za toplinsku obradu na tehničkim crtežima (prema DIN 6773, travanj 2001.)
Detalj A (prikazan u presjeku) Mjerno mjesto za tvrdoću površine 20+5
5-5 Indukcijski kaljeno 550 + 100 HV 30 Rht 450 = 0,8 + 0,8 mm
A
Mjerno mjesto za Rht
TOPLINSKA OBRADA OOČ (OSS) lijevanje deformiranje zavarivanje
UVOD
TOPLINSKA OBRADA
Osnovni parametri: ϑTO, t, i izvedeni vgr, vhl
brušenje fina strojna obrada poliranje elektroerozija površinska zaštita
Postupci
2
TOPLINSKA OBRADA
UVOD
TOPLINSKA OBRADA
KALJENJE
KALJENJE AUSTENITIZACIJA - ϑa, ta - zaštita
°C ϑ TO
ϑa površina
REŽIM GRIJANJA
Temperatura
GAŠENJE jezgra jezgra
ugrijavanje
površina
progrijavanje
držanje
ohlađivanje Vrijeme
grijanje ukupno vrijeme ugrijavanja
3
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA - peć (komorna, jamska, vakumska,…) - kupka (solna, fluidizirajuća) - uređaji za ugrijavanje s visokom gustoćom energije (kratkotrajno ugrijavanje: plameno, indukcijsko, LASER-skim i elektronskim snopom)
Uređaji za austenitizaciju
Prijenos topline: 1. KONDUKCIJOM (PROVOĐENJEM) kroz krutnine, kapljevine i plinove
λ W/mK c J/kgK
koeficijent vodljivosti topline specifični toplinski kapacitet
2. KONVEKCIJOM (KOMEŠANJEM) kapljevitih i plinovitih čestica (prirodna i prinudna)
α W/m2K
koeficijent prijelaza topline
ε
emisijski faktor
3. ZRAČENJEM (RADIJACIJOM)
(*)
Napomena: Konvekcija je prisutna samo ako nije zrakoprazni prostor unutar peći.
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA Φ100
rub
1500
termoelement jezgra
Čelik: 0,9 %C; 1,6 %Cr λ [W/mK], koef. vodljivosti topline =
f(kem.sastava, mikrostrukture, temperature)
1) Toplinska naprezanja: σtopl = β ⋅ E ⋅ ∆T - vrsta materijala (λ, E) - debljina obratka - brzina grijanja - koef. prijelaza topline α - koef. topl. dilatacije (rastezanja) β
σtopl ≥ Rp0,2 → trajna deformacija σtopl ≥ Rm → lom 2) Strukturna naprezanja: F, P, (K) → A
4
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA 250 … 650 °C "opasno područje“
a) sporo grijati b) uz predgrijavanje
propisati REŽIM GRIJANJA
tehnički moguća brzina grijanja (oprema, instalirana snaga, medij (sredstvo), razlika temperatura obratka i peći, masa šarže i raspored obradaka u šarži) - tehnološki dozvoljena brzina grijanja (konfiguracija oblika (V/A), kemijski sastav i mikrostruktura materijala)
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA Pravilo za predgrijavanje
Skupina čelika C ekv
Mn Cr Mo Ni V Si − 0,5 Ti W Al =C+ + + + + + + + + 5 4 3 10 5 5 5 10 10
(2 %Al; 0,9 %C;1,1 %Mn; 1,8 %Cr; 0,5 %Mo; 5 %Ni; 0,25 %V;1,8 %Si; 2 %W; 0,5 %Ti)
konstrukcijski čelici - nelegirani i niskolegirani
vrijeme
alatni čelici - sve vrste - visoko legirani alatni čelici s ϑa = 960 do 1150 °C, - brzorezni čelici sa ϑa > 1200 °C
I. II.
predgrijavanje na 400 … 500 °C I.+ II. predgrijavanje na 860 … 880 °C
I.+II.+ III. predgrijavanje na 1050 °C
5
AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA Određivanje trajanja grijanja (tgr) Metode kemijski sastav, dimenzije, medij (sredstvo)
1. Analitičke
Smoljnikov, Ordinanz ...
t gr = m ⋅ K ⋅
,min
za kratke obratke ( za duge i ostalo postoje druge formule)
Newton
t gr
2. Numeričke
V ⋅ K f ⋅ Kk A
V ⋅c⋅ ρ ϑ peć − ϑ poč = A ⋅ ln α ⋅ε ϑ peć − ϑ završ
,s
- MKE (metoda konačnih elemenata) - MKV (metoda kontrolnih volumena) - MKD (metoda konačnih diferencija)
AUSTENITIZACIJA
SIMULACIJA GRIJANJA 1
6
AUSTENITIZACIJA
SIMULACIJA GRIJANJA 2
Zadavanje početnih i rubnih uvjeta i svojstava materijala
AUSTENITIZACIJA
Mreža konačnih elemenata
SIMULACIJA GRIJANJA 3
Rezultati računalne simulacije
z = 150 mm
z
r
7
AUSTENITIZACIJA Temperatura austenitizacije visina ϑa → zrno, deformacije i pukotine, oksidacija i razugljičenje, prokaljivost (timin.), Ms, količinu Az. .. Ugljični čelici Fe-Fe3C dijagram
Temperatura
Legirani čelici Pseudobinarni Fe-Fe3C dijagram Za visokolegirane (i visokougljične) vrijede druga pravila, npr.: kriterij 0,6%C
°C
70 °C 30 °C
A cm
-Priručnici
A3
50 °C
70 °C
-Razne podloge
A1
20
Držanje na temperaturi austenitizacije (ta)
% Udio ugljika
=
f (sastava, polazne mikrostrukture)
AUSTENITIZACIJA
Dijagrami TTS (Time - Temperature - Solution), odnosno ZTA (Zeit – Temperatur - Austenitisierung)
8
Zaštita pri grijanju OKSIDACIJA Fe (FeO, … ) Fe + CO2 ⇔ FeO + CO
RAZUGLJIČENJE (sniženje [C])
CO2 + [C] ⇔ 2CO H2O + [C] ⇔ H2 + CO 2H2 + [C] ⇔ CH4
Posljedice: - ↓ HRC - ↓ Rd -↓H - (brušenje ?)
NUŽNA ZAŠTITA
-zaštitne folije, paste - zaštitni granulati - solne kupke - fluidizirane kupke - plinske zaštitne atmosfere - vakuum
PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE : AKTIVNE i INERTNE AKTIVNE Sadrže takve plinske komponente koje bi mogle reagirati s površinom čelika - zato treba sastav prilagoditi kem. sastavu čeliku i temperaturi obrade. Ugljikovodika (metan, propan, butan, metanol) u plinskim generatorima ili disocijacijom.
INERTNE Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2
AKTIVNE PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE H2O, CO2, CO i H2 a) OKSIDACIJA - REDUKCIJA Sadrže:
b) RAZUGLJIČENJE - POUGLJIČENJE
H2O i CO2, oksidiraju Fe
CO2, H2, H2O razugljičuju (Cpot, sastav Č, ϑ, t)
CO i H2 reduciraju FeO
CO i CH4 pougljičuju
Fe + CO2 ⇔ FeO + CO Fe + H2O ⇔ FeO + H2 (Fe2O3, Fe3O4, MeO)
Reakcija vodenog plina: CO2 + H2 ↔ CO + H2O
CO2 + [C] ⇔ 2CO H2O + [C] ⇔ H2 + CO 2H2 + [C] ⇔ CH4
→
Kw =
CO ⋅ H 2 O CO2 ⋅ H 2
..... f(ϑ)
Cpot neke plinske atmosfere (ili nekog medija općenito)
jest sadržaj C (%) tanke folije od nelegiranog niskougljičnog čelika kojeg će u uvjetima ravnoteže i kod određene temperature taj čelik primiti od atmosfere (medija).
9
AKTIVNE PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE Plinski generatori: ugljikovodik (plinovitih: metan CH4, propan C3H8, butan C4H10 i tekućeg metanola CH3OH) + zraka djelomičnim izgaranjem u komponente CO, CO2, H2, H2O i prateći N2 Sastav generatorskog plina = f (vrsti ugljikovodika, omjer zrak/plin) EGZOTERMNA atmosfera
(oslobađa se toplina)
- jeftina - sprečavaju oksidaciju - nizak Cpot - razugljičuje neke Č. - TO čelika s niskim %C, (svjetlo žarenje,
ENDOTERMNA atmosfera (dovodi se toplina
- redukcija i pougljičavaju - visok Cpot (do 0,9 %C) popuštanje)
i kod Cu
- svjetlo kaljenje, žarenje čelika (%C) - svjetlo lemljenje Cu ili Ag - plin nosač (metan, propan)
DISOCIJACIOM METANOLA (CH3OH) CH3OH + Q → CO + H2
DISOCIJACIOM AMONIJAKA (NH3)
- visok Cpot pougljičuje!
- visoka čistoća i konstantan sastav (ne sadrži CO, CO2, H2O) -svjetlo kaljenje i žarenje visokoleg. i nehrđajućih čelika
disocira pri temperaturama (850 – 950 °C):
2NH3 + Q → N2 + 3H2.
(1/4: 3/4)
SINTETIČKE plinske atmosfere; sastav: (pojedinačne komponente direktno u peć): - N2 (tekući preko isparivača) + neki ugljikovodik (metanol, propan) - kaljenje i/ili pougljičavanje
Važno: Plinske atmosfere koje sadrže iznad 5 % ukupno CO i H2 zapaljive su, a mogu biti i eksplozivne pri < 750 °C (uređaj za prekid dotoka takve smjese sa zrakom!). Smjesa takvog plina iz peći mora se zapaliti na baklji (H2 i otrovni CO izgore u neopasni H2O i CO2).
INERTNE ATMOSFERE Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2
Karakteristike: čistoća (10 ppm O2 i H2O i niže kod Cr-čelike; 1 ppm = 0,0001 % vol.), vod. para (- 70 °C temp. rosišta) + reducent H2, mješavina:(Ar, N2) + 5, 10, 20 ili 50 %H2 Primjena: - za kaljenje čelika,…
10
VAKUUM kao zaštita Pod vakuumom podrazumijevamo pritisak plina ispod atmosferskog (jako razrijeđena zračna atmosfera – malo kisika i vodene pare → (nema oksidacije niti razugljičenja)
- TO: do 10-4 mbar, - «stupanj propusnosti peći» (mbar·l/s) ( < 1·10-3 mbarl/s) - «selektivno otparavanje Me» - intenzitet gašenja: inertni plin (mali H?): - povišenje brzine strujanja plina - povišenje tlaka plina (do 20 bara) - vrsta plina: (λ, W/mK): (H, He, N, Ar) - odvojena komora s turbinom - odvojena komora s bazenom za gašenje u ulju
GAŠENJE (Quenching, Abschrecken); Svrha gašenja: različita! (M, A, homogen....)
KALJE NJE
Mikrostruktura (M) svojstva HRC, (toplinska + strukturna naprezanja) Fe
c
C aM
- bez napuklina -što manje deformacije: ▪ volumena (∆V 4,3 %) ▪ oblika
- zaostala naprezanja
aM
SREDSTVA ZA GAŠENJE Leidenfrost-ov fenomen - temp. vrelišta < ϑa vodena otopina (NaCl ∼ 10 %, NaOH ∼ 3%) - voda - otopine polimera u vodi (PAG,.. 5 -25 %) - otopine ulja s vodom - ulja za kaljenje Ne podliježu L. F. - rastopljene soli (nitriti, nitrati ) - fluidizirane kupke (korund, Al2O3 fluidiziran dušikom) - inertni plinovi (N2, He, H2) - zrak
Faze:
I. parni omotač
II. vrenje
III.konvekcije
11
Metode ispitivanja sredstava za gašenje: (laboratorijske, pogonske)
vsr, vmax, ... Intenzitet gašenja
H sredstva =
∆tmirnevode18o C ,700−300 ∆tsredstva 700−300
DUBOKO HLAĐENJE (engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic,…njem:. Tiefkühlen)
12
TOPLINSKA OBRADA
KALJENJE AUSTENITIZACIJA - ϑa, ta - zaštita
°C ϑ TO
ϑa površina
REŽIM GRIJANJA
Temperatura
GAŠENJE jezgra jezgra
ugrijavanje
površina
progrijavanje
držanje
ohlađivanje Vrijeme
grijanje ukupno vrijeme ugrijavanja
POPUŠTANJE ČELIKA - sniženje krhkosti (povišenje žilavosti) - sniženje zaostalih naprezanja
Mikrostruktura kaljenja: Mx%C + Az + (K" + Ke) Stadiji popuštanja: °C/ 1h
I.
70... 200
II.
200...320
Az
M x%C M%C
-
tvrdoća malo se snizuje
niskoleg. i nel. Az → B"
volumen smanjuje se (c/a snizuje se!) povećava se
žilavost povećava se
"krhkost 300" (niskotemp. krh. pop.) (260 –320?)
III.
> 300
IV.
480...580
M%C<
-
visokolegirani Az →M"+Kp (sekundarno otvrdnuće)
snizuje se
smanjuje se
malo se povisuje (OP)
povećava se
ukupno snizuje se
«krhkost popuštanja» (Mo,W, brže hlađenje) (visokotemp. krhkost.) (Č. za poboljšavanje!)
smanjuje se povećava se
13
Vrsta popuštanja
Temperaturno područje °C
Nisko
do 220
Srednje
220 …450
Visoko
Od 450 do A1
Primjena - niskolegirani i ugljični alatni čelici za hladni rad - visokolegirani alatni čelici za hladni rad - pougljičeni i kaljeni čelici (za cementiranje) - (čelici za opruge) - alatni čelici za rad u toplom stanju - brzorezni čelici - konstrukcijski čelici za poboljšavanje (i opruge)
Dijagram popuštanja čelika 90 MnCrV 8
Dijagrami popuštanja raznih čelika (tp = 1h)
Hollomon-Jaffeova formula: P = T (C + lg t) parametar popuštanja; HRCp = f (P)
KALJIVOST ČELIKA (toplinska obradljivost, prikladnost materijala za kaljenje, sposobnost pretvorbe u martenzit)
ZAKALJIVOST = f (%C),
(Me)
Utjecaj %C u čeliku i udjela martenzita na tvrdoću kaljenja
Stupanj zakaljenosti:
S kalj =
H kalj H max
(Skalj < 1) (npr. > 0,95);
H max = 60 ⋅ %C + 20
, HRC
H 50% M = 44 %C + 14
, HRC
Ocjena provedenog kaljenja! Rm popuštanja ? (ocjena kvalitete poboljšavanja): stupanj zakaljenosti
14
PROKALJIVOST (PROKALJENOST) - sastav čelika (C, Me – svi, osim Co i Al) - dimenzije predmeta - sredstvo za gašenje ≥ 50 %M ?
Određivanje (kvantifikacija) prokaljivosti (Računske i eksperimentalne metode) Di /mm/ - idealni kritični promjer (50 %M uz H = ∞) Dk /mm/ - kritični promjer 50 %M (H)
}
Di = Dk uz H = ∞ Di > Dk uz H ≠ ∞
Razne formule, metode (Grossmann, Moser-Legat,...) za proračun Di (sastav, vel. A-zrna) uz multiplikatore (koeficijente)
15
Eksperimantalno određivanje prokaljivosti
Jominy- eva metoda
Primjena Jominy krivulje
Jominy krivulja prikaljivosti 3 čelika
16
Određivanje Di i Dk na osnovi Jominy-eve krivulje prokaljivosti
Primjena Jominy krivulje
Crafts- Lamont
Gerber Wyss
17
POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO) (Konstrukcijski čelici – visoka Re, visoka K) Primjena:- osovine, vratila, koljenaste osovine, poluosovine, zglobovi, alat-ključevi, zatici, zupčanici, vijci, matice...
Stupanj zakaljenosti:
S kalj =
H kalj H max Dijagram poboljšavanja (popuštanja)
Karakteristike:
- bolja mehanička svojstva (K, A, Z, Rd) kod visoke Re (Rm) - nema strukturnih naprezanja, manja toplinska naprezanja → manje i ujednačene deformacije i opasnost nastajanja napuklina - kontinuirani postupak – kraće traje, (jednostavnija automatizacija) Preduvjeti primjene: - prikladan čelik (izotermički TTT dijagram: A→B, timin., tip)
- dimenzije (δ < 25 mm - ugljični, niskolegirani?) Svojstva = f (ϑa, ta, hlađenje s ϑa na tip, ϑip , tip ,hlađenje s ϑip do sobne temp.)
Primjena: opružni prsteni, osiguravajući i Segerovi prsteni, tanjuraste opruge,
krunaste matice, dijelovi lanca za pile ....
18
POVRŠINSKO KALJENJE Cilj: Brzo ugrijati površinski sloj do potrebne dubine (austenitizirati)i zakaliti. + niskotemperaturno popušanje
Plameno kaljenje Gustoća snage, kW/cm2 Trajanje zagrijavanja (s) Dubina zakaljene zone (mm) Gašenje
Indukcijsko kaljenje
Kaljenje laserskim snopom
Kaljenje snopom elektrona
1
3 - 20
0,5 – 5
10 – 1 000
10 – 100
0,5 – 10
0,01 – 10
0,001 – 0,1
0,2 – 2,0 (W/cm2, t)
0,1 – 1,5
samozakaljivanjem
samozakaljivanjem
2,0 – 6,0
0,5 – 5,0 δ (W/cm2, t)
≈ 503
ρ µr ⋅ f
prskanjem, uranjanjem u bazen (voda, ulje, vod. otop. polimera)
Primjena: svornjaci, zupčanici, osovine (bregasta i koljenasta), vratila, bregovi ekscentara, košuljice cilindara, oštrice alata za obradu drva (noževi, pile...), noževi kosilica,... (automobilska industrija!)
Plameno kaljenje
Kaljenje Laserskim snopom
Stacionarno, rotaciono
Indukcijsko kaljenje
Rotaciono - posmično
19
Metalurške specifičnosti:
- kratko vrijeme ugrijavanja! - ϑa viša → iz TTS (ZTA) dijagrama M ↑ HRC Polazna mikrostruktura: - poboljšana! - normalizirana - meko žarena
Karakteristike - povišenje OT - povišenje otpornosti na kontaktne pritiske - povišenje Rd - široka mogućnost variranja dubine kaljenja - omogućeno djelomično (parcijalno) kaljenje - kratkotrajni postupak - ušteda energije - nema razugljičenja niti oksidacije (ne traba zaštita) - neznatne deformacije - cijena obrade niska - jednostavna automatizacija (mogućnost uklapanja u proizvodnu liniju)
Materijali: - 0,35 ...0,55 %C - čistoća – uključci (P, S), Cf, Ck, (Ck45, Cf53... - čelični lijev (neleg. i legirani) - sivi lijev (Cvez = 0,5 ... 0,8) + sitne G- lamele - nodularni lijev - niskoleg. alatni čelici i visokoleg AČ
- skupi uređaji – visoki investicijski troškovi (velikoserijska i masovna proizvodnja)
TOPLINSKO KEMIJSKI POSTUPCI (Termokemijski, termodifuzijski) Cilj: Difuzijom odgovarajućeg elementa promijeniti sastav, (mikrostrukturu) u razmjerno tankoj rubnoj zoni predmeta i tako postići poboljšanje određenih svojstava:
- mehaničku otpornost ( ↑HV, Rm, Rp0,2, Rd..) - otpornost na trošenje (umor površine!) - korozijsku otpornost - vatrootpornost itd.
U austenitnom području
U feritnom području
- Pougljičavanje (cementiranje) (C) - Karbonitriranje (C,N) - Boriranje (B)
- Nitriranje (N) - Nitrokarburiranje (N,C) - Oksinitrokarburiranje (N,C,O)...
20
POUGLJIČAVANJE (CEMENTIRANJE = pougljičavanje + kaljenje + nisko(temperaturno) popuštanje)
Pougljičavanje
ϑpougljičavanja=900..950 °C
parametri: - ϑpouglj. = 900 .... 950 °C - tpouglj. ≈ nekoliko h (ovisno o traženoj dubini) - Cpot. – ispitivanje i regulacija pomoću npr. kisikove sonde, točke rošenja itd. - dubine od 0,5 do 1,5 mm sredstvo za pougljičavanje:(medij): - čvrsta (granulati) – smjesa drvenog ugljena + aktivator (BaCO3) - tekuća (rastaljene soli) – smjesa NaCN+KCN+ aktivator - plinovita (plinske atmosfere) sadrže spojeve CO, CH4,... - plazmatična (ionizirani plinovi)
Kaljenje: f(svojstva površine (OT)!, svojstva jezgre (K))? Postupak pougljičavanja + kaljenja + popuštanja ? nekoliko načina!
21
Rezultati (svojstva):
Mikrostruktura:
Tvrdoća površine HV, HRC CHD (mm) (HG = 550 HV1 ili dogovorno!)
Primjena:
UMOR POVRŠINE!
22
BORIRANJE - plin - tekuće sredstvo - prašak (granulat) - pasta
[B]
(FeB (1900 – 2100 HV)) boridi
Fe2B (1800 – 2000 HV)
Parametri: ϑb = 800 ... 1100 °C tb = nekoliko h dubina = nekoliko 10-taka do 300 µm
Svojstva: - visoka tvrdoća - OT (abrazija, adhezija, erozija, kavitacija) - postojanost prema T - otpornost prema kiselinama i lužinama Naknadna obrada: moguće kaljenje (zaštita)
Primjena: - trnovi i žigovi za duboko vučenje - dijelovi mjenjača - dijelovi za oblikovanje betona - sapnice za lijevanje - dijelovi ventila...
23
NITRIRANJE - NITROKARBURIRANJE Sredstva (medij): γ′- nitrid Fe4N (FCC) ε- nitrid Fe2-3N (HCP) N – rešetku F
- čvrsta (prašak) - plinovita (NH3) - tekuća (solne kupke npr. TENIFER (KCN + KCNO) - plazmatična (ionsko)
N ( C, O)
Parametri: ϑn ispod A1 (400...600 °C) tn = do nekoliko h
ZS – zona spojeva DZ- difuzijska zona OM – osnovni materijal
SVOJSTVA: - OT (adhezija, abrazija,) - viša tvrdoća - viša Rd - viša korozijska otpornost - male deformacije (prilagoditi T-t) ϑp ≥ ϑN
ZS
DZ
OM
Površinska tvrdoća Nht (mm) Zona spojeva (?)
24
PRIMJENA:
Kalup za injekcijsko prešanje polimera (20MnCr5)
Pogon kompresora (GG 25)
Pogon tahometra
Tijelo sinhrona mjenjačke kutije (34Cr4)
Glava Diesel motora (sivi lijev Mjenjačka viljuška
Klipnjača
Ispušni ventili Diesel motora
25
Pužni vijak i cilindar ekstrudera
Upravljačka poluga (Ck45
Osovinski rukavac
Ukovanj
Zupčanici uljne pumpe (C15) Bregasta osovina
Upravljački zupčanici Diesel motora Klipni bubanj (lijev)
TOPLINSKI POSTUPCI PREVLAČENJA U PARNOJ FAZI
Neoksidna keramika:
Oksidna keramika: Dijamantu slični ugljik
PVD (Physical Vapour Deposition) postupci 200...500 °C
Spojevi: - karbidi: TiC, B4C, SiC,... - nitridi: TiN (∼2300 HV), TiAlN (∼3300 HV), CrN (∼ 1800 HV),... - karbonitridi: TiCN (∼ 3000 HV), TiAlCN,... - oksidi: Al2O3, TiO2,ZrO2, ... - DLC (Diamond like Carbon)
- Tvrdi metal! - Čelici!: nakon K + P
- Tvrdi metal! - Čelici (TO dimenzije?!)
CVD (Chemical Vapour Deposition) postupci 800...1000 °C MTCVD (Medium Temperature CVD) 700 ...900 °C PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition ≈ 500 °C
Svojstva: visoka HV, visoka OT (abraziju, adheziju, tribokoroziju), OK, izgled Vrste prevlaka: jednoslojne, višeslojne, (nanoslojevi, nanokompoziti)
Višestruko se produljuje trajnost dijelova !
26
TiN
TiCN
AlTiN
CrN
ZrN
Kalupi za lijevanje
Alati za oblikovanje
Alati za prerada polimera
27
W-C:H (OT, niski µ) - zupčanici mjenjača
Dekorativna prevlačenja (OT, održavanje, dekorativno)
DUPLEX POSTUPCI
funkcionalni sloj: npr: TiN, TiCN, TiAlNi
podporni sloj: npr. nitrirano
osnovni materijal (podloga, substrat)
DUPLEX POSTUPCI: npr.: - NITRIRANJE + PREVLAČENJE (PVD) TiN, - NITROKARBURIRANJE + OKSIDACIJA - POUGLJIČAVANJE + VANADIRANJE,....
28
Inženjerstvo površina (Surface Engineering,
Oberflächen–und Schichttechnologien)
POSTUPCI ŽARENJA
29
1. ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA (NAPETOSTI) Grijanje pri dovoljno visokoj temperaturi s naknadnim polaganim hlađenjem u cilju sniženja zaostalih naprezanja, bez znatnih promjena ostalih svojstava Zaostala naprezanja:
- deformacije - lom
- nakon deformiranja - nakon grube OOČ (OSS) -nakon prebrzog ohlađivanja (zavarivanja, žarenja, (popuštanja))
°C ϑž = f(vrsta materijala, ZN...)
Larson Millerov parametar: S= T (logt+20) (čelici leg. Vrsta čelika (visina Rp02
Temperatura
tž = 2, 4,...8 h
A1
400..650 °C/ 2..4 h sporo (npr. u peći)
Mo, V)
pri °C)
Vrijeme
Sniženje Re ugrijavanjem
Posljedice ŽRZN: - Nema strukturnih promjena ! -Trajne deformacije! (Rp0,2 = f(ϑ)!
Primjena: Kada iz bilo kojih razloga u predmetu zaostaju naprezanja: - Na alatnim i konstrukcijskim čelicima nakon grube strojne obrade - Poslije poboljšavanja (ϑž < ϑp) (ϑž < 500 °C ?krhkost) - Poslije zavarivanja konstrukcijskih čelika - Nakon normalizacije (zrak!)
30
REKRISTALIZACIJSKO ŽARENJE Nakon (tijekom) hladnog deformiranja: valjanja, provlačenja, dubokog izvlačenja (nedostatna deformabilnost)…- važno i kod lakih i obojenih matala ) Svrha je postignuće poligonalnog zrna (materijalu se vraća duktilnost) Temperatura rekristalizacije – kod koje dolazi do kompletne rekristalizacije u određenom periodu (1h) = f(ϕ) stupnja deformacije, vrsti materijala
veličina zrna
µm2
5 10 Primjena: - Čelika - Cu i Cu-legura (mjedi, bronce) - Al i Al-legure - Ti Ti-legura.
20
30
ϕ, %
Faze rekristalizacijskog žarenja: - oporavak zrna s poligonizacijom - rekristalizacija - rast zrna
SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE Lamelarni, mrežasti K → KUGLASTI KARBID (HB ↓, A ↑, OD ↑)
°C
2..4(8)h sporo (u peći)
Temperatura
A1
- najmanju tvrdoću uz maksimalnu žilavost - najbolja plastičnost, OD - najbolja rezljivost - OOČ ( > 0,5 %C) Parametri: (ϑ, t) - podeutektoidni Č. ispod A1 - nadeutektoidni Č iznad A1 - legirani Č (iznad A1) - (osciliranjem oko A1) - slaba zakaljivost (međustanje!)
id
K K''
Vrijeme
31
NORMALIZACIJSKO ŽARENJE
ϑn =A 3 +(30-70) °C
nadeutektoidnih čelici
ϑn = A1 +(50-70) °C
za otapanje karbidne mreže
ϑn = Acm +(10-20) °C
Hlađenje: podkritičnom krivuljom hlađenja!
°C
Primjena: grubo zrno uslijed pregrijanja: - lijevanje (i Widmanstätten-ova mikrostruktura) - toplinska obrada - topla prerada: valjanje, kovanje (trakasta struktura) - zavarivanje IZOTERMIČKA NORMALIZACIJA
ϑn
°C
A1 Temperatura
- sitnozrnata, jednolična mikrostruktura (dobra žilavost!)
ϑa
A1 Vhl ≤ V kd (zrak)
Temperatura
podeutektoidnih čelici
Vrijeme, h
Vrijeme visokolegirani AČ čelici kaljivi u ulju
Vrijeme: samo progrijati!
- preciznije udjel F/P - skraćeno vrijeme procesa - kontinuirani proces
ŽARENJE NA GRUBO ZRNO Žarenje na temperaturu znatno iznad A3 te odgovarajuće hlađenje sa ciljem postizanja grubog zrna. Parametri žarenja: ϑž = 950 ... 1100 °C (100 do 200 °C iznad A3) t ž = dugo hlađenje – vrlo sporo
Cilj: - F/P krupnozrnata mikrostruktura (međustanje) -dobra OOČ (niskougljični Cr-Mn, Cr-Mo čelici za cementiranje)
- čelici s nižim i srednjim % C – Žarenje na grubo zrno i normalizacijsko žarenje - čelici s višim %C – sferoidizacijsko žarenje
32
HOMOGENIZACIJSKO ŽARENJE (DIFUZIJSKO ŽARENJE)
Provodi se pri temperaturi malo ispod temperature solidusa (dugotrajno) u cilju: lokalne homogenizacije sastava i izjednačavanje svojstava po masi (eliminacija kristalnih segregacija (pratećih i Me elemenata) – nastalih tijekom primarne i sekundarne kristalizacije). Zrno je grubo – normalizirati!
33
