ˇ Tepelné zpracování ocelí. Kalení a popouštení. Chemicko-tepelné zpracování. Tepelné zpracování litin. Tomáš Doktor K618 - Materiály 1
26. listopadu 2013
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
1 / 36
1
Kalení ocelí Kalící teplota Kalící prostˇredí Kalitelnost. Zakalitelnost Prokalitelnost Kalení na martenzit Kalení na bainit
2
ˇ martenzitu Popouštení
3
Flash Bainite
4
Chemicko-tepelné zpracování Cementování
5
Tepelné zpracování litin Žíhání litin Kalení litin Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
2 / 36
Pˇripomenutí - IRA, ARA diagramy
Rozpad austenitu Vliv pˇrechlazení ˇ Cas výdrže na teploteˇ Rychlost ochlazování Koneˇcná doba trvání ˇ pˇremen zaˇcátek pˇri protnutí kˇrivky XS (start) konec pˇri protnutí kˇrivky XF (finish)
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
2 / 36
Kalení ocelí
Kalení ocelí
Cíl Vznik kalících struktur bainit maternzit
Zvýšení tvrdosti a pevnosti
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
3 / 36
Kalení ocelí
Kalící teplota
Kalící teplota Pˇredpoklady pro kalení Vznik austenitu velká rozpustnost uhlíku
ˇ karbidu˚ Rozpuštení Jemnozrná struktura Podeutektoidní oceli Kalící teplota nad A3 ˇ Pˇremena veškerého feritu na austenit Nadeutektoidní oceli Kalící teplota nad A1 (ne nad Ac m) Cementit muže ˚ ve struktuˇre zustat ˚ tvrdost srovnatelná s martenzitem Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
4 / 36
Kalení ocelí
Kalící prostˇredí
Kalící prostˇredí Rychlost ochlazování ˇ kalení Urˇcující pro prub ˚ eh ˇ ˇ V prub ˚ ehu kalení se muže ˚ menit ˇ (vznik mekkého ˇ najdˇríve rychlé pro zamezení perlitické pˇremeny feritu) poté pomalejší pro omezení vnitˇrních pnutí
Chladicí média Voda - rychlost 30 až 600 o C · s−1 (podle teploty) Roztoky hydroxidu, ˚ 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)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
5 / 36
Kalení ocelí
Kalící prostˇredí
Kalící prostˇredí
Zmrazování Teplota MF muže ˚ být i pod bodem mrazu Pˇri jejím nedosažení zustává ˚ ve struktuˇre zbytkový austenit Zmrazovácí lázneˇ ˇ lihu u suchého ledu (tuhý CO2 ) −80o C Smes Tekutý dusík −196o C Zmrazovácí lázneˇ
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
6 / 36
Kalení ocelí
Kalitelnost. Zakalitelnost
Kalitelnost. Zakalitelnost Kalitelnost Schopnost kalením získat martenzitickou strukturu Urˇcena složením oceli Nekalitelné oceli Nízkouhlíkové - nedojde k pˇresycení tuhého roztoku Austenitické - vysoká rozpustnost uhlíku i pˇri nízkých teplotách
Zakalitelnost Schopnost dosáhnout kalením maximální možné tvrdosti Závisí na obsahu uhlíku U nadeutektoidních ocelí se již nezvyšuje
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
7 / 36
Kalení ocelí
Prokalitelnost
Prokalitelnost Rychlost ochlazování se v objemu ˇ souˇcásti mení ˇ Smerem od povrchu do stˇredu rychlost klesá ˇ ejší ˇ souˇcásti mohou být Rozmern zakaleny jen do urˇcité hloubky Prokalitelnost Schopnost dosáhnout své zakalitelnosti do urˇcité hloubky pod povrchem Závisí na kritické rychlosti ochlazování Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
8 / 36
Kalení ocelí
Prokalitelnost
Jominyho zkouška prokalitelnosti Provedení zkoušky Válcový vzorek vyžíhané oceli Ohˇrev v ochranné atmosféˇre Ochlazování proudící vodou Po délce váleˇcku plynulý pˇrechod ochlazovací rychlosti Vyhodnocení ˇ rení tvrdosti Po zakalení meˇ Výsledkem je kˇrivka prokalitelnosti Závislost tvrdosti (HRC) na vzdálenosti od chlazeného povrchu
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
9 / 36
Kalení ocelí
Prokalitelnost
Prokalitelnost - pˇríklad
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
10 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Kalení na martenzit Rychlé ochlazení austenitu nadkritickou rychlostí pod teplotu MS Ve struktuˇre pˇrítomen martenzit a zbytkový austenit zbytkový austenit vzniká, neklesne-li teplota pod MF snižuje pevnost a tvrdost
Získaná struktura se dále upravuje ˇ popouštením Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
11 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Pˇrímé kalení
Provedení Ochlazování jedinou rychlostí až pod MS chladicím médium je voda nebo olej
Vysoká rychlost ochlazování zpusobuje ˚ velké pnutí Použití Malé souˇcásti
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
12 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Pˇrímé kalení
Provedení Ochlazování jedinou rychlostí až pod MS chladicím médium je voda nebo olej
Vysoká rychlost ochlazování zpusobuje ˚ velké pnutí Použití Malé souˇcásti
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
12 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Lomené kalení Ochlazování probíhá ve více fázích ruznými ˚ rychlostmi První fáze ochlazení mezi teplotu nosu a MS Následuje ochlazování nižší rychlostí jiné ochlazovací prostˇredí
Vznikne martenzit s menším vnitˇrním pnutím Lze provést jen u ocelí s delší inkubaˇcní dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
13 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Lomené kalení Ochlazování probíhá ve více fázích ruznými ˚ rychlostmi První fáze ochlazení mezi teplotu nosu a MS Následuje ochlazování nižší rychlostí jiné ochlazovací prostˇredí
Vznikne martenzit s menším vnitˇrním pnutím Lze provést jen u ocelí s delší inkubaˇcní dobou legované Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
13 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Termální kalení
Rychlé ochlazení mezi teplotu nosu a MS Výdrž na teploteˇ Pˇred dosažením zaˇcátku bainitické ˇ ochlazení pod pˇremeny MS Minimální vnitˇrní pnutí Lze provést jen u ocelí s delší inkubaˇcní dobou legované
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
14 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Termální kalení
Rychlé ochlazení mezi teplotu nosu a MS Výdrž na teploteˇ Pˇred dosažením zaˇcátku bainitické ˇ ochlazení pod pˇremeny MS Minimální vnitˇrní pnutí Lze provést jen u ocelí s delší inkubaˇcní dobou legované
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
14 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Povrchové kalení
Cílem je získat rozdílné vlastnosti na povrchu v jádˇre souˇcásti Zakalení jen v povrchové vrstveˇ Indukˇcní ohˇrev, ponoˇrení do chladicí lázneˇ Pohyblivá kalicí hlava
1ohˇrev (plamenem), 2 - chlazení (proudící voda), 3 - zakalený povrch, 4 - austenit, 5 houževnaté jádro
Plynový hoˇrák Chlazení proudem vody
Tloušt’ka vrstvy 0.5 až 3mm
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
15 / 36
Kalení ocelí
Kalení na martenzit
Dílˇcí kalení
ˇ Prub ˚ eh ˇ feritu a martenzitu Cílem je smes Ohˇrev do oblasti α + γ lze provést jen u podeutektoidních ocelí
ˇ na Po zakalení se austenit pˇremení martenzit Vlastnosti Pevnost díky pˇrítomnosti martenzitu
Houževnatost díky pˇrítomnosti feritu Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
16 / 36
Kalení ocelí
Kalení na bainit
Kalení na bainit
Kalení na bainit Izotermické kalení Ochlazení pod teplotu nosu Výdrž pro vytvoˇrení bainitu Rychlé ochlazení
Použití Podeutektoidní oceli Malé souˇcásti Dosažení vysoké pevnosti a zachování tažnosti Není tˇreba další tepelné zpracování Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
17 / 36
ˇ martenzitu Popouštení
ˇ martenzitu Popouštení Po zakalení je martenzit pro vysokou kˇrehkost nepoužitelný ˇ Následuje tepelné zpracování ke snížení pnutí - popouštení Ohˇrev na teplotu pod A1 ˇ popouštení ˇ Prub ˚ eh 1 Rozpad tetragonálního martezitu vyluˇcování C ve formeˇ ε − karbidu
3 Vznik sorbitu ˇ na Fe3 C ε − karbid se mení klesá pˇresycení kubického martenzitu až na α − ferit ˇ feritu a cementitu sorbit smes
snižování tetragonality martenzitu ˇ se na kubický mení vlivem vzniklých karbidu˚ tvrdost ˇ r neklesá témeˇ
6= perlit 6= bainit 4 Hrubnutí sorbitu
2 Rozpad zbytkového austenitu vzniká kubický martenzit a cementit pokles tvrdosti Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
ˇ pod teplotou A1 se sorbit mení na globulární perlit 26. listopadu 2013
18 / 36
ˇ martenzitu Popouštení
ˇ martenzitu Popouštení
ˇ Postupy popouštení ˇ (Napouštení, ˇ ˇ na Nízkoteplotní popouštení popouštení barvu) Teploty do 300o C ˇ barvy vlivem interference na povrchové vrstveˇ Zmena ˇ zevnitˇr - vlastním teplem, po ochlazení Napouštení jen na povrchu
ˇ Vysokoteplotní popouštení Vznik jemného sorbitu Zušlecht’ování - kombinace kalení ˇ a vysokoteplotního popouštení
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
19 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - tepelné zpracování
Flash Bainite Ocel zpracovaná pomocí rychloohˇrevu˚ Technologie posledních ˇ nekolika let ˇ smesí ˇ bainitu, Zpevnení martenzitu a cementitu
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
20 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - tepelné zpracování
Rychlé zvýšení teploty pomocí indukˇcního ohˇrevu nebo plamene Chlazení proudící vodou Mezi ohˇrívací a chladicí zónou grafitová termoizolaˇcní pˇrepážka
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
21 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - struktura
Vývoj mikrosktruktury v ˇ prub ˚ ehu zpracování Poˇcáteˇcní struktura ferit a cementit ˇ Pˇremena feritu na ˇ austenit, rozpouštení cementitu Ochlazení - pˇrevážneˇ martenzit, cˇ ásteˇcneˇ bainit ˇ cementit Nerozpuštený ve struktuˇre zustává ˚
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
22 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - vlastnosti
ˇ bainitu a Smes martenzitu pˇrináší ˇ mechanické výhodnejší vlastnosti než se oˇcekávalo podle ˇ smešovacích pravidel ˇ ˇ rte Poucení - neveˇ ˇ slepeˇ smešovacím ˇ není pravidlum, ˚ svet lineární
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
23 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - vlastnosti Mechanické vlastnosti Pevnost v tahu až 2000MPa nárust ˚ o 30% oproti nejlepším souˇcasným ocelím
Tažnost 8 až 9% nárust ˚ o 7% oproti nejlepším souˇcasným ocelím
dobrá odolost proti mechanickému poškození armádní technika vývoj podporuje armáda Spojených státu˚
vysoká specifická pevnost dopravní prostˇredky - nízká hmotnost pˇri zachování požadovanách mechanických vlastností
ˇ energetická nenárocnost díky rychlému ohˇrevu
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
24 / 36
Chemicko-tepelné zpracování
Cementování
Chemicko-tepelné zpracování: Cementování Sycení povrchu oceli atomárním uhlíkem Zvýšení tvrdosti povrchu (pˇri zachování houževnatosti jádra) Požadovaná koncentrace 0.8 - 0.9 hm. % C
Cementování v prášku ˇ dˇrevené uhlí + katalyzátor
C + O → CO 2 CO → CO2 + C uhlík se váže do povrchu oceli, CO s ˇ ˇ uhlíkem z dˇreveného uhlí tvoˇrí opet
CO2 Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
25 / 36
Chemicko-tepelné zpracování
Cementování
Cementování Cementování v kapalném prostˇredí Kyanidové lázneˇ (KCN , NaCN) Cementaˇcní lázneˇ bez kyanidu˚ (Na2 CO3 , SiC) Cementování v plynném prostˇredí Cementaˇcní atmosféry CO , CO2 , CH4 , H2 , H2 O Tepelná úprava Zakalení nacementované vrstvy Jádro se nezakalí vzhledem k nízkému obsahu uhlíku v cementaˇcní oceli Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
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 pˇri vyšších teplotách
nitridace ve cˇ pavkové atmosféˇre - 2 NH3 → 2 N + 3 H2 iontová nitridace - tvrdost až 3500HV
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
27 / 36
Tepelné zpracování litin
Nadeutektické bílé litiny
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
28 / 36
Tepelné zpracování litin
Podeutektické bílé litiny
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
29 / 36
Tepelné zpracování litin
Litiny ve stabilní soustaveˇ
Odlišné fáze
uhlík ve formeˇ grafitu
grafitické eutektikum
ve stabilní soustaveˇ jen litiny
grafitický eutektoid
krystalizaci ve stabilní nebo metastabilní soustaveˇ urˇcují
Odlišné teploty
složení
eutektická 1153 o C
karbidotvorné prvky: Mn, Cr, Mo, Mg, Ti grafitotvorné prvky: Si, P, Al, Ni, Cu
rychlost ochlazování rychlejší ⇒ metastabilní pomalejší ⇒ stabilní
Tomáš Doktor (18MRI1)
eutektoidní 738 o C Odlišné složení
ˇ Kalení a popouštení
eutektikum 4.25 hm. % C eutektoid 0.69 hm. % C
26. listopadu 2013
30 / 36
Tepelné zpracování litin
Litiny - bílé vs. grafitické
(a) Bílá litina (cementit ve feri- (b) Grafitická litina (lístkový (c) Grafitická litina (kuliˇctické matrici) grafit ve feritické matrici) kový grafit ve feritické matrici)
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
31 / 36
Tepelné zpracování litin
Soustava Fe-C
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
32 / 36
Tepelné zpracování litin
Žíhání litin
Žíhání bílých litin Úˇcel Vznik grafitických litin ˇ pˇremena Fe3 C na grafit
Grafit se vylouˇcí ve formeˇ vloˇcek ˇ Prub ˚ eh teplota 1000 o C výdrž mnoho hodin cementit se rozkládá na 3 Fe + C nutno dodržet maximální teplotu pro získání vloˇckového nebo kuliˇckového grafitu
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
33 / 36
Tepelné zpracování litin
Žíhání litin
Žíhání grafitických litin
Žíhání ke snížení vnitˇrního pnutí teplota 600 − 650 o C výdrž 1 až 2h pomalé ochlazování v peci
Sferoidizaˇcní žíhání ˇ pˇremena lamelárního cementitu na globulární
Feritizaˇcní žíhání rozpad cementitu na grafit a Fe, které vytváˇrí ferit
Žíhání ke snížení pevnosti ˇ ledeburitického cementitu odstranení
Normalizaˇcní žíhání zvýšení pevnosti a tvrdosti odlitku˚
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
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 cˇ istého austenitu
Kalení grafitických litin výsledná struktura martenzit, grafit, zbytkový austenit ˇ sorbit a grafit po popuštení
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
35 / 36
ˇ Dekuji za pozornost
[email protected] Reference Callister, Jr., W.D.: Fundamentals of Materials Science and Engineering, Willey & sons, 2001 ˇ Machek, V., Sodomka, J.: Nauka o materiálu 1: Struktury kovových materiálu, ˚ CVUT, 2006 http://practicalmaintenance.net/?p=1366 L OLLA , T., C OLA , G., N ARAYANAN , B., A LEXANDROV, B., B ABU, 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 C OLA , G., H IGGINS , G.: Flash Bainite 4130. Plate & Tubing, 2012, dostupné z: http://bainitesteel.com/FlashBainite.pdf C OLA , G.: 80ms Bainite Transformation. Rapid Heating & Water Quenching, 2007, dostupné z: http://chapters.sme.org/069/technov07.pdf W U, C. H.: Microstructure of Flash Processed Steel Charactrized by Electron Backscatter Diffraction, Virginia Polytechnic Instituce and State University, master thesis, 2009 L OLLA , T., H ANHOLD, B., T UNG , D., C OLA ,G., B ABU, S. S.: Flash Microstructure, 2013, dostupné z: http://www.msm.cam.ac.uk/apms/presentations/day3/apms_22_Babu.pdf
Tomáš Doktor (18MRI1)
ˇ Kalení a popouštení
26. listopadu 2013
36 / 36
