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 Obr. 7.1: Obecný diagram tepelného zpracování 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
Prostředí pro ohřev: •
tuhá – zásypy (koks, litinové třísky apod.)
• •
fluidní – zvířené prášky (např. Al2O3)
•
vzduch a spaliny – vznikající oxidy
roztavené soli – nižší teploty alkalické dusičnany a dusitany, vyšší chloridy (NaCl, KCl event. BaCl2) – desoxidace
•
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 –
Obr. 7.2: Teplotní závislost rychlosti ochlazování pro různá prostředí
•
vzduch – velmi pomalé, zvýšení prouděním event. vodní mlhou
•
roztavené kovy – vysoká tepelná vodivost a měrné teplo – ekologie
•
roztavené solné lázně –
•
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
7.1 Žíhání 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 A1 -
Obr. 7.3: Oblasti žíhacích teplot v rovnovážném diagramu Fe-Fe3C /žíhání: a-ke snížení pnutí, b-rekrystalizační, c-na měkko, d-homogenizační, e-normalizační/
•
ke snížení pnutí - odstranění vlivů předchozího zpracování - ( 500 - 650 0C ) - snížení vnitřních pnutí vlivem místní plastické deformace, část pružné deformace se odstraní relaxací - pomalé ochlazování do 200 0C –
•
rekrystalizační - odstranit předchozí deformační zpevnění, obnovit tvárné vlastnosti - ( 550 - 700 0 C ) - obvykle mezioperační
•
protivločkové - odstranění vodíku ze surovin a metalurgického procesu - rozpustnost v a nižší dlouhodobé mezi A1 a Bs (Ms) - porušení vločky viz H2 - CrNi oceli –
• na odstranění vodíku po moření - difúze vodíku do povrchu vlivem zpracování - vodíková křehkost - ( 200 - 500 0C ) –
•
na měkko - snížení tvrdosti, zlepšení obrobitelnosti - sferoidizace perlitického cementitu - podeutektoidní oceli pod A1 (680-720 0C) - nadeutektoidní těsně nad A1 neb kolísání - pomalé ochlazování (10-15 0C.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 - ( 1100 - 1200 0C ) - zhrubnutí austenitického zrna, oxidace a oduhličení povrchu – •
rozpouštěcí (austenitizační) - nedochází k překrystalizaci austenitické oceli - karbidy na hranici zrn, koroze –
•
normalizační - rovnoměrnost struktury - ( 30 - 50 0C nad Ac3, 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 700 0C izotermická přeměna austenitu (IRA diagram) - vhodnější u legovaných ocelí - zařízení, vhodný tvar a velikost součástí-
•
kombinované - různé způsoby např. normalizační, normalizační + popouštění ap.
•
k zhrubnutí zrna - cementační oceli, transformátorové plechy, hysterezní ztráty ap.
homogenizační
+
obrobitelnost
-
7.2 Kalení Obr. 7.4: Vliv uhlíku na tvrdost po zakalení /1-podeutektoidní ocel z teploty nad Ac3, 2-martenzit z teploty nad Acm, 3nadeutektoidní oceli z teploty nad Ac1, 4oceli z teploty nad Acm (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
a) b) Obr. 7.5: Schéma průběhu ochlazování válcového tělesa a vztah mezi kritickou rychlostí ochlazování vk a skutečnou rychlostí ochlazování v /a-uhlíková ocel, blegovaná 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-Fe3C /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 Ms - 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
Popouštění •
nízkoteplotní (napouštění) – nástroje
•
vysokoteplotní - konstrukční díly - popouštěcí křehkost Kalení + vysokoteplotní popouštění = zušlechťování Izotermické zpracování – využití IRA
• •
izotermické "kalení" - prodleva nad Ms ev. pod Ms (bainit, martenzit, zbytkový austenit) - nutnost popouštění izotermické zušlechťování - ochlazení do lázně 300 až 400 0C (prodleva) - horní bainit - bez popouštění - vlastnosti dle teploty rozpadu - menší průřezy - dříve u drátů patentování 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 200 0C vyšší /obr. 7.7/ tím i jemnější zrno a vyšší houževnatost než konvekční zpracování Zdroje:
Obr. 7.7: Vliv rychlostí ohřevu na kalící teplotu při povrchovém kalení
•
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 tef v níž 500 t ef = jsou koncentrovány proudy f (f v Hz) - vysokofrekvenční generátory až 2 MHz, vrstva od desetin mm – •
kalení z přehřátých lázní
•
moderní laser, elektronový paprsek
Moderní způsoby TZ –
Obr. 7.8: Schéma průběhu tepelně mechanického zpracování /1-vysokoteplotního (VTMZ), 2- nízkoteplotního (NTMZ)/
•
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 MS pod 0 0C, 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 500 0C –
4
•
interkritické tepelné zpracování – tepelné zpracování vhodných ocelí mezi teplotami Ac1 a Ac3 -
•
řízené válcování a ochlazování – zvýšení meze kluzu, nízké tranzitní teploty, příznivé křehkolomové vlastnosti – ovlivněno teplotou ohřevu, doválcování, rychlostí ochlazování a stupněm úběru -
7.3 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 900 0C - cementační oceli (0,1-0,25%C) - použitá prostředí:
•
pevné - prášek dřevěné uhlí + BaCO3 (7-20%) - rovnováha reakcí, rozklad BaCO3 = BaO + CO2, CO2 + C = 2 CO - jednoduché - nevýhody: obtížná regulace, zdlouhavé, ekonomie
•
kapalné - roztavené chloridové soli + kyanidy - ekologie –
•
plynné prostředí - endoplyn + CH4 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 550 0C - 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
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
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) –
•
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/
6
normalizační - rovnoměrnost struktury pevnost a tvrdost (ponejvíce tvárná) Kalení vliv grafitu - nižší tvrdosti - vhodnější izotermické zušlechtění - povrchové kalení -
