MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2010
PETR DOSKOČIL
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Tepelné zpracování oceli Bakalářská práce
Vedoucí bakalářské práce
Vypracoval
Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Petr Doskočil Brno 2010
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Tepelné zpracování oceli vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Brno, dne………………………… Podpis studenta…………………………..
Poděkování: Tímto chci poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi za ochotu a trpělivost, kterou projevil při konzultacích.
ANOTACE Bakalářská práce se zabývá tepelným zpracováním oceli. Ocel je nejpoužívanějším kovovým konstrukčním materiálem. Na toto místo se řadí díky tomu, že u ní lze dosáhnout mnoha vlastností při nízkých nákladech. Nejčastějším způsobem jak pozměnit vlastnosti oceli bývá tepelné zpracování. Práce je zaměřena na nejčastější způsoby tepelného zpracování jako žíhání, kalení, popouštění. U každého způsobu zpracování je popsán technologický postup a změny ve struktuře materiálu.
Klíčová slova: Tepelné zpracování, kalení, žíhání, diagramy
ANNOTATION This thesis deals with the possibilities of steel heat treatment. Steel is the most common metallic construction material. This place it takes because of the low cost and good nature of the material. The widely use way to change the nature of the steel is its heat treatment. In this paper the most frequent ways of the steel heat treatment as annealing, hardening and tempering would be described. By every processing method is described its procedure and changes in the structure of the material.
Key words: Heat treatment, hardering, annealig, diagrams
Obsah 1
ÚVOD..................................................................................................................... 10
2
CÍL .......................................................................................................................... 10
3
ROZDĚLENÍ OCELI DLE NORMY..................................................................... 10 3.1.
4
3.1.1.
Význam třetí a čtvrté číslice v základní značce ........................................ 12
3.1.2.
Význam první a druhé doplňkové číslice ................................................. 14
TEORIE TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ OCELI................................................... 15 4.1.
6
Diagram Fe-Fe3C ............................................................................................. 16
4.1.1.
Fázový diagram Fe-C................................................................................ 17
4.1.2.
Strukturní diagram Fe-C ........................................................................... 18
4.2.
5
Rozdělení dle ČSN 42 0002............................................................................. 10
IRA a ARA diagramy....................................................................................... 18
4.2.1.
Diagram izotermického rozpadu austenitu ............................................... 19
4.2.2.
Diagram anizotermického rozpadu austenitu ........................................... 20
ŽÍHÁNÍ................................................................................................................... 20 5.1.
Žíhání bez rekrystalizace.................................................................................. 21
5.2.
Žíhání s rekrystalizací ...................................................................................... 22
KALENÍ OCELI..................................................................................................... 22 6.1.
Základní pojmy u kalení................................................................................... 23
6.1.1.
Kalitelnost................................................................................................. 23
6.1.2.
Prokalitelnost ............................................................................................ 24
6.1.3.
Kalící prostředí ......................................................................................... 25 7
6.2.
7
8
9
Druhy kalení..................................................................................................... 26
6.2.1.
Martenzitické kalení ................................................................................. 26
6.2.2.
Bainitické kalení ....................................................................................... 28
POPOUŠTĚNÍ ........................................................................................................ 29 7.1.
Teorie popouštění............................................................................................. 29
7.2.
Popouštění za nízkých teplot do 400 °C .......................................................... 30
7.3.
Popouštění za vysokých teplot 400 až 700 °C ................................................. 30
MÉNĚ POUŽÍVANÉ METODY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ ........................ 31 8.1.
Patentování....................................................................................................... 31
8.2.
Rozpouštění...................................................................................................... 32
8.3.
Vytvrzování...................................................................................................... 32
8.4.
Povrchové kalení .............................................................................................. 32
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST .................................................................................. 33 9.1.
Použité přístroje ............................................................................................... 33
9.2.
Popis metody.................................................................................................... 33
9.2.1. 9.3.
10
Metalografický rozbor .............................................................................. 34
Výsledky měření .............................................................................................. 35
9.3.1.
Ocel 11 373 ............................................................................................... 35
9.3.2.
Ocel 14 260 ............................................................................................... 37
ZÁVĚR ................................................................................................................... 39
Seznam použité literatury ............................................................................................... 40 Seznam Obrázků ............................................................................................................. 41 8
Seznam tabulek ............................................................................................................... 41
9
1 ÚVOD Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků, která obsahuje méně než 2,14 % uhlíku. Oceli jsou nejčastěji používanými kovovými materiály. Legováním a kombinací tepelného a tepelně-mechanického zpracování je možno ovlivnit vlastnosti ocelí v širokém rozmezí a tak jejich vlastnosti přizpůsobit zamýšlenému použití. Hustota oceli je 7850 kg/m³. Měrná tepelná kapacita oceli je cca 469 J.kg-1.K-1 (závisí na obsahu příměsí). Bod tání oceli je 1450 °C. Ocel se vyrábí ze surového železa. Výroba probíhá ve vysokých pecích, kde se ze surového železa odstraní přebytečné množství grafického uhlíku obsažených v železné rudě. Při výrobě se ocel upravuje na požadované chemické složení, především na obsah uhlíku a hlavních legur na hodnoty uvedené v normě. Legury jsou prvky obsažené v oceli, které upravují její vlastnosti.
2 CÍL Cílem bakalářské práce je vyjmenovat jednotlivé druhy tepelného zpracování a popsat jejich specifikace. Na závěr provést ověření platnosti principů uvedených v teorii v experimentu. Experiment je zaměřený na rozdíl výsledků kalení v závislosti na obsahu uhlíku.
3 ROZDĚLENÍ OCELI DLE NORMY 3.1. Rozdělení dle ČSN 42 0002 Tato norma se využívá při značení oceli při jejich vnitrostátním obchodu. Oceli ke tváření se označují číselně a toto označení se skládá ze základní číselné značky a doplňkového čísla odděleného tečkou.
10
První
číslice
v
základní
značce
je
1
označuje
tvářenou
ocel.
Druhá číslice ve spojení s první označuje třídu oceli. Třetí a čtvrtá číslice mají různý význam podle třídy oceli. Doplňkové číslo má jednu nebo dvě doplňkové číslice. Tab.1 Rozdělení oceli do tříd [3] Třída oceli
Oceli podle použití
stupně legování
Charakteristika ocelí, legovací prvky Předepsané hodnoty mechanických vlastností, chemické složení není předepsáno
10
Předepsané hodnoty mechanických vlastností a obsah C, P, S popř. (P+S) i dalších prvků
Nelegované
11 12
Předepsaný obsah C, Mn, Si, P popř. (P+S) i dalších prvků
13
Legovací prvky: Mn, Si, Mn - Si, Mn - V
14
Legovací prvky: Cr, Cr - Al, Cr - Mn, Cr - Si, Cr - Mn - Si
Nízkolegované Konstrukční
Legovací prvky: Mo, Mn - Mo, Cr - Mo, Cr V, Cr - W, Mn - Cr - V, Cr - Mo - V, Cr - Si Mo - V, Cr - Mo - V - W
15 Legované 16
17
19
Nízkolegované a středně legované
Legovací prvky: Ni, Cr - Ni, Ni - V, Cr - Ni Mn, Cr - Ni - V, Cr - Ni - W, Cr - Ni - Mo, Cr - V - W, Cr - Mo - V - W
Středně legované a vysokolegované
Legovací prvky: Cr, Ni, Cr - Ni, Cr- Mo, Cr V, Cr - Al, Cr - Ni - Mo, Cr - Ni - Ti, Cr - Mo - V, Mn - Cr - Ni, Mn - Cr - Ti, Mn - Cr - V, Cr - Ni - Mo - V, Cr - Ni - Mo - W, Cr - Ni Mo - Ti, Cr - Ni - V - W, Cr - Ni - W - Ti atd.
Nelegované
Předepsaný obsah C, Mn, Si, P, S
Legované (nízko,středně, vysoko)
Legovací prvky: Cr, V, Cr - Ni,Cr - Mo, Cr Si, Cr - V, Cr - W, Cr - Al, Cr - Ni - W, Cr Si - V, Cr - Mo - V, Cr - V - W, Cr - Ni - Mo - V, Cr - V - W - Co, Cr - Ni - Mo - W, Cr Ni - V - W atd.
Nástrojové
Nelegované oceli se dělí podle obsahu uhlíku na nízkouhlíkové, středněuhlíkové, a vysokouhlíkové.
11
Tab. 2 Rozdělení oceli podle obsahu uhlíku [3] Ocel
Obsah C %
nízkouhlíková
do 0,25
středněuhlíková
od ,25 do 0,6
vysokouhlíková
od 0,6 do 2,14
3.1.1. Význam třetí a čtvrté číslice v základní značce Význam těchto číslic se mění v závislosti na třídě oceli. Třída 10 Dvojčíslí dané třetí a čtvrtou číslicí v číselné značce oceli vyjadřuje u konstrukčních ocelí
nejmenší
pevnost
v
tahu
v
10
MPa
s
těmito
výjimkami:
- oceli obchodní jakosti, kde třetí a čtvrtá číslice je 0 (např. 10 000, 10 004) - betonářské oceli, u kterých dvojčíslí udává nejmenší mez kluzu v 10 MPa Třída 11 Dvojčíslí dané třetí a čtvrtou číslicí v číselné značce oceli vyjadřuje u konstrukčních ocelí nejmenší pevnost v tahu v 10 MPa s výjimkou automatových ocelí, kde třetí číslice - 1 - označuje ocel obzvlášť vhodnou k obrábění a čtvrtá číslice charakterizuje střední obsah uhlíku v desetinách procenta, zaokrouhlený na nejbližší celé číslo. Je-li střední obsah uhlíku menší než 0,1 %, používá se číslice 0. Třídy 12 až 16 U ocelí třídy 12 je třetí číslice v číselné značce oceli většinou 0. U ocelí tříd 13 až 16 vyjadřuje třetí číslice součet středních obsahů legovacích prvků v procentech, zaokrouhlený na nejbližší celé číslo. Čtvrtá číslice vyjadřuje střední obsah uhlíku v desetinách procenta se zaokrouhlením setin od 3 na vyšší desetinné číslo. Př. Průměrný obsah C 0,23 % se zaokrouhlí na 0,3; čtvrtá číslice bude 3. Třída 17 Třetí číslice v základní číselné značce ocelí třídy 17 vyjadřuje typ legování ocelí jednotlivými legovacími prvky nebo skupinou hlavních legovacích prvků dle tabulky (Tab 3). Čtvrtá číslice v základní číselné značce ocelí třídy 17 vyjadřuje obsah hlavních legovacích prvků Cr, Mn a Ni v jednotlivých druzích ocelí podle typu legován 12
Tab. 3 Význam třetí číslice v základní značce u oceli třídy 17 [8] Číselná značka
Význam třetí číslice
17 0xx
Oceli chromové
17 1xx
Oceli chromové s dalšími přísadovými prvky (Al, Mo, Ni)
17 2xx
Oceli chromniklové, popř. stabilizované (Ti, Nb)
17 3xx
Oceli chromniklové, popř. stabilizované (Ti, Nb) a s dalšími přísadovými prvky (Mo, V, W,, aj.)
17 4xx
Oceli manganochromové, manganochromniklové
17 5xx
Oceli niklové
17 6xx
Oceli manganové
17 7xx Volné
17 8xx 17 9xx
Třída 19 Třetí číslice v základní číselné značce ocelí třídy 19 vyjadřuje jednak nelegované oceli, jednak typ legování oceli jednotlivými legovacími prvky nebo skupinou hlavních legovacích prvků dle tabulky (Tab. 4). Čtvrtá číslice v základní číselné značce legovaných ocelí třídy 19 má význam pořadový. Tab. 4 Význam třetí číslice v základní značce u oceli třídy 19 [8] Číselná značka
Význam třetí číslice
19 0xx 19 1xx
Dvojčíslí zde 3. A 4. Číslice vyjadřuje u nelegovaných ocelí střední obsah uhlíku
Nástrojové oceli uhlíkové
19 2xx 19 3xx
Oceli manganové, křemíkové, vanadové
19 4xx
Oceli chromové
19 5xx
Oceli chrommolybdenové
19 6xx
Oceli niklové
19 7xx
Oceli wolframové
19 8xx
Oceli rychlořezné
19 9xx
Speciální oceli
13
Nástrojové oceli legované
3.1.2. Význam první a druhé doplňkové číslice První doplňková číslice vyjadřuje stav oceli v závislosti na tepelného zpracování. Druhá doplňková číslice vyjadřuje stupeň přetváření oceli. Tab. 5 Význam první doplňkové číslice [3] První doplňková číslice
Stav oceli (druh tepelného zpracování
1x xxx.0
tepelně nezpracovaný
1x xxx.1
normalizačně žíhaný
1x xxx.2
žíhaný (s uvedením způsobu žíhání)
1x xxx.3
žíhaný na měkko
1x xxx.4
kalený nebo kalený a popouštěný při nízkých teplotách, po rozpouštěcím žíhání (jen u austenitických ocelí)
1x xxx.5
normalizačně žíhaný a popouštěný
1x xxx.6
zušlechtěný na dolní pevnost obvyklou u příslušné oceli
1x xxx.7
zušlechtěný na střední pevnost obvyklou u příslušné oceli
1x xxx.8
zušlechtěný na horní pevnost obvyklou u příslušné oceli
1x xxx.9
stavy, které nelze označit číslicemi 0 až 8
Tab. 6 Význam druhé doplňkové číslice [3] Stupeň přetváření Druhá doplňková číslice
Pásy válcované za studena
Plechy válkcované za tepla
1x xxx.x0 1x xxx.x1
Dále nepřeválcováno Lehce převálcováno
1x xxx.x2
1/4 tvrdý
1x xxx.x3
1/2 tvrdý
1x xxx.x4
3/4 tvrdý
1x xxx.x5
4/4 tvrdý
1x xxx.x6
5/4 tvrdý
1x xxx.x7
netvoří se při něm čtyřlístky (pásy jsou zpracovány se zřetelem na omezení anizotropie mechanických vlastností materiálů - omezení tvorby cípů); mechanické vlastnosti jako u měkce žíhaného materiálu
1x xxx.x8
Zpracováno podle zvláštního předpisu
1x xxx.x9
Zpracováno podle dohodnutého předpisu
14
za studena
4 TEORIE TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ OCELI Tepelným zpracováním kovů se rozumí postup, při kterém se řízeně mění teploty a někdy také chemické složení kovu. Účelem tepelného zpracování je zejména dosažení požadovaných mechanických a technologických vlastností kovových materiálů. V některých případech dochází při tepelném zpracování k dalším pozitivním efektům. Průběh tepelného zpracování je u všech způsobů a u všech kovových materiálů v podstatě stejný. Skládá se z ohřevu na vhodnou teplotu, setrvání na této teplotě (prohřev) a následném ochlazení, přičemž se tento postup může i vícekrát opakovat. Konkrétní druh tepelného zpracování je charakterizován rychlostí a průběhem ohřevu, konečnou výškou teploty ohřevu, dobou setrvání na dané teplotě a rychlostí ochlazování, případně podmínkami při opakování základního postupu. Vhodná rychlost ohřevu a průběh ohřívání závisejí na účelu tepelného zpracování. U některých postupů je nutný pozvolný ohřev, při němž rozdíl mezi teplotou povrchu a teplotou vnitřku ohřívaného materiálu není velký, aby v důsledku teplotních dilatací v materiálu nedocházelo ke vzniku pnutí a porušení jeho pevnosti. V těchto případech se ohřev provádí v pecích s regulovanou teplotou, někdy postupně v několika pecích s rozdílnou teplotou. Jiné postupy naopak vyžadují velmi prudký ohřev povrchu kovu. Příkladem je povrchové kalení ocelí, při kterém se materiál ohřívá plamenem. Volba výšky konečné teploty ohřevu závisí na povaze strukturálních změn, které při tepelném zpracování probíhají. V některých případech zůstává struktura v podstatě stejná jako za normálních teplot, v jiných se materiál ohřevem uvádí do potřebné strukturální oblasti. Doba prohřívání materiálu opět závisí na účelu zpracování a na rozměrech materiálu. Rychlost ochlazování je závislá na cíli tepelného zpracování. V případech, kdy má během chladnutí být zachován rovnovážný stav soustavy, probíhá ochlazování pomalu. Příkladem je chladnutí materiálu v peci s regulovaným poklesem teploty. V jiných případech je naopak cílem zpracování rychlým ochlazením potlačit změny, ke kterým by došlo v rovnovážném stavu a tak vytvořit nové strukturální složky se specifickými vlastnostmi. Ochlazování stejně jako ohřev může probíhat stupňovitě, přičemž materiál postupně prochází několika prostředími. Během tepelného zpracování oceli se v závislosti na druhu oceli (obsahu uhlíku) a výšce ohřevu se mění vlastnosti oceli, a to od základních struktur po mechanické 15
a fyzikální vlastnosti. Pro zlepšení orientace v těchto přeměnách se v tepelném zpracování oceli používají diagramy [4].
4.1. Diagram Fe-Fe3C Soustava železo – karbid železa je pro technickou praxi nejdůležitější, jelikož má význam především pro slitiny s menším obsahem uhlíku, tj. pro oceli. Na diagramu lze sledovat průběh změn při ochlazování slitin železa s různým obsahem uhlíku. V diagramu je znázorněna pouze technicky relevantní část do obsahu uhlíku 6,67 %, což odpovídá 100 % obsahu cementitu Fe3C. O ocel se jedná pouze do obsahu uhlíku 2,14%. Tato oblast se nadále dělí na podeutektoidní oceli (obsah uhlíku 0-0,8%) a nadeutektoidní oceli (obsah uhlíku 0,8-2,14%). Železo s obsahem uhlíku vyšším než 2,14% se nazývá litinou. Litina se podle obsahu uhlíku rozděluje na podeutektické litiny (obsah uhlíku 2,14-4,3%) a nadeutektické litiny (obsah uhlíku 4,3-6,67%). Na ose x rovnovážného diagramu jsou naneseny koncentrace uhlíku. Na ose y je nanesena teplota ve °C. Mezi nejdůležitější body v grafu se řadí S (eutektoidní bod) a C (eutektický bod) Linie ABCD tzv. likvidus linie. Nad touto linií se nachází pouze tavenina. Linie AHIECF představuje solidus linii. Pod touto linií existuje jen ztuhlá slitina. Mezi likvidem a solidem se nachází pásmo směsi taveniny a ztuhlého kovu.
16
4.1.1. Fázový diagram Fe-C
Obr. 1 Fázový diagram Fe-C
Fázové modifikace jsou určeny uspořádáním atomů železa v atomové mřížce. Železo α má atomovou mřížku kubickou prostorově centrovanou tvořenou devíti atomy. Existuje pod teplotou 911 °C . Fáze α je feromagnetická. Maximální rozpustnost uhlíku je 0,02 %. Železo γ má atomovou mřížku kubickou plošně centrovanou tvořenou čtrnácti atomy. Existuje v intervalu teplot od 910 °C do 1 400 °C. Fáze γ je paramagnetická. Železo δ (δ Ferit) je intersticiální tuhý roztok (v strukturním diagramu označen MK) uhlíku v železe δ s atomovou mřížkou prostorově centrovanou. Maximální obsah C 0,105 % při 1 493 °C [3].
17
4.1.2. Strukturní diagram Fe-C
Obr. 2 Strukturní diagram Fe-C
Austenit je tuhý roztok uhlíku v železe. V diagramu se nachází v gama-oblasti při teplotě nad 723 °C. Maximální rozpustnost uhlíku v austenitu je 2,06 % při teplotě 1147 °C. Je houževnatý a dobře tvářitelný za studena. Ferit je nízkoteplotní modifikace železa krystalizující v krychlové prostorově středěný soustavě. Má malou pevnost a tvrdost, je tvárný za studena. Ledeburit je eutektická směs austenitu a cementitu vznikající u slitin s obsahem uhlíku nad 2,14%. Perlit vzniká eutektoidní přeměnou austenitu na směs feritu a cementitu. Je relativně tvárný a pevný [3].
4.2. IRA a ARA diagramy Pro zobrazení změn probíhajících během tepelného zpracování se používají diagramy, které zobrazují změnu teploty v závislosti na čase. Tyto diagramy se nazývají IRA a ARA. Pomocí IRA digramu se znázorňuje rozpad austenitu, který probíhá nejprve rychlým ochlazením pod teplotu A1 a následnou výdrží na určité teplotě po celou dobu přeměny austenitu. V ARA diagramu se zobrazuje rozpad austenitu probíhající za stálého 18
ochlazování. ARA-diagramy (anizotermického rozpadu austenitu)jsou velmi podobné diagramům IRA (izotermického rozpadu austenitu), liší se od nich tím, že křivky rozpadu austenitu jsou posunuty směrem k nižším teplotám. ARA i IRA-diagramy jsou specifické pro každou ocel[4].
Obr. 3 Rozdíl mezi diagramy IRA a ARA [4]
V časovém záznamu izotermického a anizotermického rozpadu austenitu, kresleném pro nejjednodušší případ eutektoidního složení, představuje bod O výchozí austenitizovaný stav, body A (A’) začátek rozpadu, body B (B’) konec rozpadu. Pro každou teplotu (IRA) nebo každou rychlost (ARA) ochlazování, při kterých probíhá rozpad, je experimentálně získán specifický časový záznam. Z těchto záznamů jsou pak konstruovány diagramy určující začátky a konce rozpadu. 4.2.1. Diagram izotermického rozpadu austenitu
Obr. 4 Diagram IRA
Znázorňuje doby rozpadu austenitu za izotermických podmínek při teplotách pod AC1, (tj. 723 °C podle rovnovážného diagramu Fe3C). Podle teploty rozpadu vzniká z austenitu perlit, horní, popřípadě dolní bainit nebo martenzit. Pro eutektoidní ocel 19
(tj. s 0,8 % C) má IRA-diagram tvar jednoduché křivky, připomínající písmeno S. Přeměna austenitu začíná při dané teplotě po určité době (inkubační) a končí, když je prakticky všechen austenit přeměněn. Přeměna austenitu na perlit nebo bainit je difúzní, zárodková,
přeměna
na martenzit
je bezdifúzní.
Pro
uhlíkové oceli
pod-
a nadeutektoidní a pro oceli legované je IRA-diagram mnohem složitější. 4.2.2. Diagram anizotermického rozpadu austenitu
Obr. 5 Diagram ARA
Diagram anizotermického rozpadu austenitu. Udává změny struktury při plynulém ochlazování austenitu z teplot nad Ar1 tj. závislost času, potřebného pro vznik a zakončení rozpadu austenitu na martenzit, dolní a horní bainit a popřípadě perlit, na teplotě. Jsou důležité pro tepelné zpracování ocelí.
5 ŽÍHÁNÍ Cílem žíhání ocelí je zpravidla jejich uvedení do stavu blízkého rovnováze. Proto se při žíhání užívá rovnoměrného a pomalého ohřevu, dlouhé doby prohřátí a pomalého ochlazování. Žíhání snižuje tvrdost materiálu a tím zlepšuje jeho obrobitelnost. Dále snižuje vnitřní pnutí a způsobuje dosažení žádoucí mikrostruktury.
Žíhání je možno podle užité teploty ohřevu rozdělit do dvou hlavních skupin: Žíhání bez rekrystalizace Žíhání s rekrystalizací 20
Obr. 6 Zobrazení žíhacích teplot v diagramu Fe-C [4]: A) žíhání na snížení pnutí, B) rekrystalizační, C) na měkko, D) normalizační, E) homogenizační,
5.1. Žíhání bez rekrystalizace 1) Žíhání na měkko Ohřev probíhá na teploty pod A1 (Obr. 6, C), výdrž na teplotě se u uhlíkových ocelí pohybuje mezi 4-8, u legovaných však doba výdrže může být až několik desítek hodin. Ochlazování je pomalé v peci. Používá se pro zlepšení obrobitelnosti, snížení vnitřního pnutí a snížení tvrdosti. Při žíhání se je převeden laminární perlit na lobulární [1]. 2) Žíhání ke snížení vnitřního pnutí Ohřev probíhá na teploty 470 až 650 °C (Obr. 6, A), výdrži na této teplotě a pomalém ochlazováním v peci. Používá se pro snížení vnitřního pnutí, která vznikají při předchozích operacích (válcování, svařování a obrábění). Při tomto způsobu nedochází k záměrné změně struktury oceli [1]. 3) Rekrystalizační žíhání Ohřev materiálu je na teploty 550 až 700 °C (Obr. 6, B), po výdrži na teplotě následuje libovolné ochlazování, nejčastěji na vzduchu. Využívá se pro obnovení tvárných vlastností po tváření materiálu za studena. Tvářením za studena roste pevnost, mez kluzu a tvrdost, klesá tažnost a houževnatost. Mez kluzu roste přitom rychleji než pevnost. Zároveň tažnost, která vyjadřuje schopnost kovu k plastickému přetvoření, klesá téměř na nulu. Kov se při dalším tváření porušuje. Takto vyžíhaná ocel, však získává mechanické vlastnosti blížící se vlastnostem původní oceli [1].
21
4) Žíhání pro odstranění křehkosti po moření Ohřev bývá na teploty 200 – 300°C. Ochlazování může probíhat na vzduchu nebo v peci. Používá se k odstranění vodíku z povrchových vrstev materiálu, který se tam dostal při jeho moření.
5.2. Žíhání s rekrystalizací 1 Homogenizační žíhání Ohřev bývá na teploty 950 – 1200 °C (Obr. 6, E). Ochlazování probíhá v peci nebo na vzduchu. V závislosti na druhu a tvaru materiálu může ochlazování probíhat i kombinovaně např.: do 400 °C v peci, dále už na vzduchu. Využívá se k vyrovnání chemického složení oceli, především u ingotů. Při tomto druhu žíhání dochází k hrubnutí zrna, následuje po homogenizačním žíhání normalizační žíhání. 2 Normalizační žíhání Ohřev bývá na teploty o 30 – 50 °C nad A3 (Obr. 6, D). Ochlazování probíhá na vzduchu. Účelem je vytvoření rovnoměrné jemnozrnné a rovnoměrné struktury feritu a perlitu, čímž vznikají i stejnoměrné mechanické vlastnosti. Používá se především u podeutektoidní oceli u které došlo k zhrubnutí zrna při lití, nebo přitváření za vysoké teploty. 3 Izotermické žíhání Ohřev bývá na podobné teploty jako u normalizačního žíhání (30 – 50 °C nad A3). Ochlazení probíhá rychle do dosažení teploty perlitické přeměny, poté dochází k dochlazení na vzduchu. Používá se k dosažení rovnoměrné struktury, zlepšení obrobitelnosti.
6 KALENÍ OCELI Účelem kalení je zvýšení tvrdosti oceli. Tohoto cíle je možno dosáhnout i jinými způsoby tepelného a mechanického zpracování. Kalení je způsobem nejčastějším. Principem kalení je převedení perlitické nebo perliticko-feritické struktury na strukturu martenzitickou nebo bainitickou. Dosažení požadovaných struktur je možné 22
pouze u ocelí s obsahem uhlíku alespoň 0,3 % uhlíku. U ocelí s obsahem uhlíku menším se vytváří jen malé množství martenzitu, které se v tvrdosti finální struktury výrazně neprojeví (martenzit je přesycený tuhý roztok uhlíku v železe α). Proto jsou oceli s obsahem uhlíku nižším než 0,2 % označovány jako nekalitelné [1].
Obr. 7 Zobrazení kalících teplot v diagramu Fe-C [4]
Výše ohřívací teploty závisí na požadovaném zvýšení tvrdosti materiálu V rovnovážném diagramu je pásmo teplot ohřevu pro kalení vyznačeno (Obr. 7). Pokud by u ocelí podeutektoidních teplota ohřevu byla v oblasti přechodu austenitu na ferit, změnil by se při ochlazení austenit na martenzit, ale ferit by žádnou přeměnu neprodělal. Získali bychom tak pouze směs tvrdého martenzitu a měkkého feritu. Proto je nutno ohřát materiál až do oblasti austenitu. Pak získáme větší podíl martenzitu. Naopak u ocelí nadeutektoidních je vhodné ohřát ocel pouze do oblasti přechodu austenitu na sekundární cementit. Po ochlazení dostaneme směs tvrdého martenzitu a ještě tvrdšího cementitu. Při ohřevu vyšším, do pásma austenitu, bychom s vyššími náklady na ohřev získali jen martenzit, tedy strukturu s nižší tvrdostí. Po ohřevu a dostatečném prohřevu materiálu následuje chladnutí, které probíhá nadkritickou rychlostí [4].
6.1. Základní pojmy u kalení U kalení se můžeme setkat s několika pojmy které popisují specifické vlastnosti oceli spojené s kalením. 6.1.1. Kalitelnost Je to schopnost oceli dosáhnout kalením zvýšení tvrdosti. Přitom nejvyšší dosažitelná tvrdost oceli po kalení je závislá především na obsahu uhlíku. Při nízkém obsahu uhlíku se nedosáhne vysoké tvrdosti. Proto považujeme teprve uhlíkové oceli 23
obsahující více než 0,35% uhlíku za dobře kalitelné a méně než 0,2% C za nekalitelné.
6.1.2. Prokalitelnost Je schopnost dosáhnout po kalení v určité hloubce pod povrchem tvrdosti odpovídající kalitelnosti dané oceli při 50% martenzitu ve struktuře. Prokalitelnost bude v první řadě závislá na tvaru diagramu ARA. Čímž bude inkubační doba delší tj. křivky Ps a Bs více vpravo, tím větší hloubky zakalené vrstvy dosáhneme při stejné rychlosti ochlazování. Je to proto, že rychlost ochlazování předmětu na jeho povrchu je dána kalícím prostředím, a to podle toho, jak rychle je schopno odnímat teplo z povrchu oceli. Naproti tomu rychlosti ochlazování uvnitř průřezu v určitých vzdálenostech od povrchu jsou dány tepelnou vodivostí ocelí a samozřejmě teplotním rozdílem mezi daným místem a povrchem. Protože jednotlivé tavby oceli stejné značky se od sebe poněkud liší chemickým složením, bylo by nutné zjišťovat křivku ARA pro každou tavbu a kontrolovat, zda odpovídá normou předepsané prokalitelnosti. Stanovení křivek ARA je zdlouhavé a
proto
byla
vypracována
a
normalizována
čelní
zkouška
prokalitelnosti
(ČSN 42 0447). Při této zkoušce se čelo standardního válcového zkušebního vzorku, který se v peci ohřeje na kalící teplotu, ochlazuje ve zvláštním přípravku proudem vody. Rychlost ochlazování je největší na kaleném čele a se vzrůstající vzdáleností od čela se plynule zmenšuje. Po zakalení se na vzorku vybrousí podélně ploška v hloubce 0,4 mm, na níž se zjišťuje tvrdost podle Vickerse v postupně se zvětšujících vzdálenostech od kaleného čela [4].
Obr. 8 Schéma zkoušky prokalitelnosti dle ČSN 42 0447 [4]
24
Zjištěné hodnoty tvrdosti v jednotlivých bodech vyneseme do diagramu a jejich spojením dostaneme tzv. křivku prokalitelnosti. Vzhledem k povolenému rozmezí chemického složení u dané oceli podle materiálového listu (např. obsah C může kolísat v rozmezí 0,1%) bude určitá ocel prokalitelná v určitém rozmezí, v tzv. pásu prokalitelnosti. U ocelí se zaručenou prokalitelností musí křivka prokalitelnosti každé tavby ležet uvnitř pásu prokalitelnosti dané oceli [2].
Obr. 9 Pás prokalitelnosti [4]
6.1.3. Kalící prostředí Pro oceli s malou prokalitelností, tj. s krátkou inkubační dobou podle diagramu ARA, musíme volit kalící prostředí umožňující vyšší ochlazovací rychlosti. U ocelí s větší prokalitelností postačí kalící prostředí působící méně intenzivně (olej nebo vzduch). Při velké rychlosti ochlazování vzniká totiž velký teplotní rozdíl mezi povrchem a jádrem součásti, který vede ke vzniku tepelných pnutí, která se přičítají k pnutím způsobeným vlastní martenzitickou přeměnou. Tím mohou výsledná pnutí nabýt hodnot, které způsobí trvalou deformaci součásti nebo dokonce její prasknutí. Druhy prostředí: 1) Voda Nejstarší kalící prostředí. Musíme rozlišovat, jakou vodou kalíme a to: vodní sprcha, proudící voda, klidná voda (s různou teplotou). Při nejběžnějším způsobu; ponoření součásti ohřáté na teplotu kalení se kolem ní vytvoří parní polštář, který zpomaluje ochlazování. V tomto stádiu není rychlost ochlazování největší. Po ochlazení na teplotu asi 400 °C se parní polštář poruší a nastává intenzivní ochlazování prudkým varem vody. Ve třetím stadiu intenzita ochlazování opět klesá. Nejvyšší účinnost má vodní sprcha [4]. 25
2) Olej Jedná se mírnější prostředí, než voda, i když ochlazování v olejích probíhá podobně jako u vody, jen s tím rozdílem, že parní film se dříve poruší a maximum ochlazovacích rychlostí leží okolo 500 °C. V oblasti martenzitické přeměny bývá rychlost ochlazování u olejů asi 10krát menší než u vody. Ke kalení se používá převážně minerálních olejů. Proto musí být olejové kalící lázně ohřáté, zpravidla na 50 °C [4]. 3) Roztavené solné lázně Na rozdíl od předcházejících prostředí dokáží zajistit plynulé ochlazování. To znamená, že jejich rychlost ochlazování bude v prvním stadiu vyšší a bude postupně klesat s klesajícím teplotním rozdílem mezi předmětem a lázní. Z počátku intenzivní ochlazování později v oblasti martenzitické přeměny pomalejší [4]. 4) Vzduchem Kalí se hluboko prokalitelné oceli, např. rychlořezné oceli. Vnitřní pnutí je velmi malé. Kalení na vzduchu je však spojena s nebezpečím oduhličení. Proto takto kalíme hlavně rozměrné předměty [4]. 5) Roztavené kovové lázně Používají se méně často než ostatní metody. Průběh ochlazení je podobný jako za použití roztavených solných lázní [4].
6.2. Druhy kalení Kalení rozdělujeme na dva hlavní druhy podle vzniklé konečné struktury. 6.2.1. Martenzitické kalení Martenzit je silně přesycený tuhý roztok uhlíku v železe α (feritu), který vzniká při dostatečně rychlém ochlazení austenitu.
1) Nepřetržité kalení Běžný postup spočívá v ohřevu předmětu na teplotu vyšší než Ac3, popř. Ac1, ve výdrži na této teplotě k dosažení homogenního austenitu a v ochlazení v kalícím
26
prostředí (voda, olej, vzduch), jehož teplota je nižší než teplota počátku martenzitické přeměny.
2) Přerušované (lomené) kalení Probíhá tak, že se ochlazuje ve dvou studených lázních po sobě. Předmět se vyjme z první lázně po takové době, aby jeho teplota byla o něco vyšší než teplota Ms dané oceli, a dochladí se v druhé lázni s menším ochlazovacím účinkem právě v oblasti martenzitické přeměny. Nevýhodou je nutnost stanovení správného okamžiku pro přemístění z vody do oleje. Tím se zmenší vnitřní pnutí proti vnitřnímu pnutí při prostém kalení do vody. Používá se u složitějších předmětů z ocelí kalitelných do vody.
Obr. 10 Lomené kalení v diagramu ARA [4]
3) Termální kalení Snižuje pnutí a deformace v kaleném předmětu. Předmět ohřátý na austenitizační teplotu se ochladí v solné lázni o teplotě těsně nad teplotou počátku martenzitické přeměny dané oceli (asi 20 až 30 °C nad Ms). Na této teplotě může předmět setrvat poměrně dlouhou dobu, aniž by došlo k bainitickému rozpadu. Tím je možno dosáhnout vyrovnání teplot v jádře a na povrchu předmětu při zachování austenitického stavu. Po vyrovnání těchto teplot se vyjme předmět ještě v austenitickém stavu z lázně a ochlazuje se dále volně na vzduchu. Martenzitická přeměna pak probíhá při pomalé ochlazovací rychlosti, a proto je vnitřní pnutí podstatně menší než při kalení do studené lázně [1]. Termální kalení je vhodné pro kalení menších součástí tvarově složitých a nástrojů z uhlíkových a nízkolegovaných ocelí, určených pro kalení do vody. 27
Obr. 11 Termální kalení v ARA diagramu [4]
4) Kalení se zmrazováním Následuje po kalení martenzitickém další ochlazování oceli, jejíž teplota Mf leží pod 0°C, na teploty pod bodem mrazu, aby se dosáhlo co největšího rozpadu zbytkového austenitu na martenzit. Používá se hlavně u nadeutektoidních ocelí. Musí být provedeno ihned po zakalení, aby se nestabilizoval zbytkový austenit. Používá se hlavně tam, kde se požaduje stabilizace rozměrů součástí, např. měřidel, valivých ložisek atd..
6.2.2. Bainitické kalení Bainit vzniká rozpadem přechlazeného austenitu v širokém rozsahu teplot.
1) Izotermické bainitické kalení Bylo vyvinuto na podkladě znalosti diagramů
IRA. Abychom
dosáhly
izotermického pochodu, musíme použít pro ochlazení buď solných, nebo kovových lázní. Po skončení izotermické přeměny předmět z lázně vyjmeme a dochladíme na vzduchu. Tento postup se hodí pro středně prokalitelné oceli, t.z. oceli nízko a středně legované, pro součásti středního a menšího průřezu. Izotermický rozpad austenitu při tomto kalení může probíhat dvojím způsobem:
28
1) V oblasti teplot přeměny austenitu na bainit. Zakalená ocel se již nepopouští. Tento postup se nazývá izotermické zušlechťování. Protože nevzniká martenzit, jsou pnutí menší a deformace součásti téměř nulové. Přitom lze dosáhnout pevnosti 1000 - 2000 MPa při velmi dobré houževnatosti. 2) V oblasti teploty těsně pod Ms. V tomto případě se zakalená ocel vzhledem k přítomnosti určitého podílu martenzitu vedle bainitu obvykle popouští.
Obr. 12 Izotermické kalení v ARA diagramu [4]
7 POPOUŠTĚNÍ Ocel zakalená na martenzitickou strukturu má značné vnitřní pnutí a velkou tvrdost, je také značně křehká. Cílem popouštění je provést rozpad martenzitu i zbytkového austenitu a získat strukturu, která bude mít nižší tvrdost a pevnost a vyšší charakteristiky houževnatosti, odstranit vnitřní pnutí a křehkost. Popouštění je ohřev na nízkou teplotu, výdrži na této teplotě a pozvolném ochlazení materiálu. Pro dosažení lepších výsledků se může tento postup i několikrát opakovat.
7.1. Teorie popouštění Martenzit (přesycený tuhý roztok uhlíku v železe α ) vzniklý po základním kalení má jehlicovitý tvar. Při popouštění na teploty 80 až 180 °C podle druhu oceli dojde uvnitř jehlic k vyloučení uhlíku v podobě přechodných fází (karbidů). Toto stadium martenzitu nazýváme kubickým martenzitem. Vyznačuje se mírným, někdy velmi 29
nepatrným poklesem tvrdosti, ale výraznějším poklesem křehkosti. V rozmezí teplot 180 – 300 °C se rozpadá zbytkový austenit na bainit. Současně v teplotním rozmezí 200- 400 °C dochází k úplnému rozpadu martenzitu na ferit a cementit ve velmi jemné formě. Přitom vyloučený cementit má tvar kuliček a zůstává ještě částečně zachována jehlicovitá struktura. Za teplot nad 400°C až do A1 se postupně cementitové kulovité částice zvětšují a mizí jehlicovitý charakter struktury. Výsledkem je jemná struktura s kuličkovitým cementitem v základní feritické hmotě a označujeme ji názvem sorbit. Tato struktura se vyznačuje pevností a vysokou houževnatostí.
7.2. Popouštění za nízkých teplot do 400 °C Protože je používáme převážně u nástrojových ocelí, můžeme také mluvit o popouštění nástrojů, což pro praktické účely je vhodnější rozlišení. Jedná se zpravidla o ohřev pod 400 °C. Výjimku tvoří ty případy, kdy vyžadujeme vysokou houževnatost. Potom mohou popouštěcí teploty přesáhnout teplotu 400 °C. Další výjimkou jsou rychlořezné a vysokolegované oceli pro práci za tepla (např. zápustky). Účelem popouštění je zmírnění křehkosti a citlivosti nástrojů na nárazy při práci, aniž by se snížila jejich tvrdost. Podle postupu při popouštění nástrojů dělíme popouštění na celkové a místní. Při místním popouštění se popouští jen určitá část nástroje. Při celkovém popouštění se prohřívá celý nástroj. Nástroje, u nichž se požaduje největší tvrdost, se napouštějí při teplotách 100 až 180 °C. Jde pak o tzv. vyvařování v oleji.
7.3. Popouštění za vysokých teplot 400 až 700 °C Tomuto druhu popouštění se také říká zušlechťování. Účelem je dosáhnout vysoké meze kluzu, pevnosti a odolnosti proti únavě materiálu při vysoké houževnatosti. Stav po tomto tepelném zpracování označujeme doplňkovou číslicí 6, 7, 8 za značkou oceli. Při zušlechťování je jednou ze základních podmínek prokalení předmětu v celém průřezu, jinak dojde ke zhoršení mechanických vlastností neprokalené části.
30
Obr. 13 Zobrazení mechanických vlastností oceli 12 050 po normalizačním žíhání a zušlechťování [4]
Význam zušlechťování vyplývá z uvedeného diagramu, kdy se výrazně zvýší mez kluzu a hlavně vrubová houževnatost u zušlechtěné oceli. Čím vyšší mez kluzu, tím lze součást zatížit více bez nebezpečí deformace a čím vyšší vrubová houževnatost, tím větší odolnost oceli proti křehkému porušení nenadálými rázy [4].
8 MÉNĚ POUŽÍVANÉ METODY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ 8.1. Patentování Patentování ocelí je postup užívaný při výrobě ocelových drátů tažením. Ocel se při tažení průvlakem zpevňuje (tvrdne). U oceli s malým obsahem uhlíku se pro odstranění zpevnění mezi jednotlivé tahy zařazuje normalizační nebo rekrystalizační žíhání. U pevnějších ocelí s vyšším obsahem uhlíku vyžíhání nepostačuje. Proto se volí postup, který je zvláštní případ izotermického rozpadu austenitu v lázních o teplotě 450 až 550°C, spojený s opakovaným tažením. Struktura je tvořena směsí jemného perlitu a bainitu s vysokou houževnatostí, dovolující značné redukce průřezu při tváření za studena. Takto zpracované oceli se nazývají patentované. Patentované dráty mají 31
vysokou pevnost (σPt = 1500 až 3000 Mpa) při dobré houževnatosti. Používají se na struny, pružiny a lana [4].
8.2. Rozpouštění Můžeme se také setkat s označením „rozpouštěcí žíhání“. Používá se pro potlačení segregace u slitin neželezných kovů, u austenitických ocelí a některých dalších ocelí, které jsou vytvrzovatelné. Po ohřevu na žíhací teplotu, která zajistí vznik homogenního tuhého roztoku, následuje prudké ochlazení většinou do vody. U austenitických ocelí je žíhací teplota vždy vyšší než 950°C z toho důvodu, že v oblasti teplot 600 až 850 °C vzniká zvláštní krystalická fáze, která způsobuje jejich zkřehnutí. Tento druh tepelného zpracování se označuje doplňkovou číslicí 1.
8.3. Vytvrzování Používá se na austenitické oceli s vysokou pevností pro vysoké teploty. Vlastnímu vytvrzování předchází vždy rozpouštění. Jím se získá nestabilní přesycený tuhý roztok. Ten se buď za normální teploty (přirozené vytvrzování), nebo za zvýšené teploty (umělé vytvrzování) rozpadá uvnitř zrn. Při nižších teplotách probíhá rozpad tak, že se v určitých místech mřížky nahromadí větší počet atomů druhého prvku, při vyšších teplotách může dojít až k plné precipitaci. Oba jevy vedou k deformaci základní mřížky, což se navenek projeví zvýšenou pevností a tvrdostí a zpravidla i sníženou houževnatostí. Někdy však tento jev probíhá proti naší vůli a pak hovoříme o stárnutí oceli. Při něm zpravidla dochází k výraznému poklesu vrubové houževnatosti a jen k menšímu přírůstku pevnosti [4].
8.4. Povrchové kalení Jedná se o speciální druh kalení, při kterém se ohřívá a kalí pouze svrchní vrstva materiálu. Ohřev probíhá rychle většinou acetylenovými hořáky nebo indukčními ohřívači. Pro toto zpracování jsou vhodné uhlíkové a některé slitinové oceli s obsahem uhlíku mezi 0,45 - 0,60 %, které jsou kalitelné již na značnou tvrdost. Mohou proto 32
v řadě případů vyhovět požadavkům na povrchovou tvrdost, jako např. u ozubených kol, čepů apod. Přitom oceli s tímto obsahem uhlíku se vyznačují ještě vyhovující houževnatostí a pevností jádra zejména, je-li součást před povrchovým kalením buď normalizačně vyžíhána, nebo lépe zušlechtěna. Jádro součásti, které není ovlivněno povrchovým kalením, si podrží vlastnosti předchozího tepelného zpracování [1].
9 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Cílem experimentu bylo porovnání struktur vzniklých při kalení nízkouhlíkové a středněuhlíkové oceli. Ověřit zda se vzniklé struktury shodují se strukturami popsanými v teoretické části. V tomto pokusu je nízkouhlíková ocel zastoupena ocelí 11 373. Zástupcem středěnuhlíkové oceli je 14 260.
Ocel 11 373 je ocel 11 třídy s pevností v tahu
370 MPa. Ocel 14 260 je ocel třídy 14 s 2 % legovacích prvků a obsahem uhlíku 0,2 %.
9.1. Použité přístroje Muflová pec řady MP, s programovatelným regulátorem DR 20 Kalsen. Jedná se o přípravek, který chrání povrch vzorků před oduhličením tvrdoměr Lucznik,typ PH 106 výrobní číslo 3218 Bruska a Leštička KOMPAKT 1031 Leptadlo Nitol. Jedná se o 2 % roztok alkoholu v kyselině dusičné.
9.2. Popis metody Byly připraveny vzorky oceli 11 373 a 14 260. Před ohřevem byla na vzorky nanesena vrstva prostředku „Kalsen“, který zabraňuje nechtěným difůzním a oxidačním procesům probíhajícím během kalení, především oduhličení vrchních vrstev vzorku. Ohřev vzorků probíhal v muflové peci na teplotu 950 °C. Ocel 11 373 byla kalena do vody, ocel 14 260 do oleje.
33
9.2.1. Metalografický rozbor Metalografický rozbor se sestává ze souboru po sobě jdoucích operací, které mají za úkol připravit povrch vzorku k pozorování pod mikroskopem. Kovy a jejich slitiny jsou materiály neprůhledné a k jejich pozorování tedy používáme optické mikroskopy v režimu odrazu. Protože nejvyšší odrazivost mají plochy dokonale rovné a hladké, cílem bude připravit vzorek právě s takovou plochou [5]. Operace použité v metalografickém rozboru: 1) Řezání Jedná se o třískové oddělování materiálu. Pro metalografický rozbor je při této operaci nejdůležitější, aby nebyl tepelně ovlivněn materiál, čehož lze dosáhnou chlazením při řezání [5]. 2) Broušení Jedná se o třískové obrábění materiálu, při kterém dochází k odebírání hmoty z povrchu materiálu. Cílem je dosáhnout rovinného povrchu vzorku s minimálním poškozením, které se snadno odstraní při leštění. Jsou použity brusné papíry o zrnitosti 220 – 2500. Číslo vyjadřuje počet zrn obsažených na čtverečním palci (25,39 mm) papíru [5]. 3) Leštění Je následnou operací po broušení. Jedná se o finální operaci za použití diamantové pasty o zrnitosti 1 µm. 4) Leptání Leptání je proces, při kterém dochází ke zviditelnění jednotlivých strukturních fází. Struktura kovového materiálu je po mechanickém broušení a leštění zakryta tvářenou vrstvou. Abychom mohli strukturu pozorovat, je třeba tuto vrstvu chemicky odstranit. Leptání se provádí ponořením vzorku do vybraného leptacího činidla o správné koncentraci a teplotě po určitou dobu. Leptací činidlo na povrchu vzorku napadá přednostně energeticky bohatá místa, např. hranice zrn, fázová rozhraní mezi různými fázemi. Pro leptání vzorků byl použit 2 % roztok alkoholu v kyselině dusičné [5].
34
9.3. Výsledky měření Po vybroušení, vyleštění a naleptání výbrusu provádíme mikroskopické pozorování struktury. Při pozorování se zaměřujeme hlavně na hodnocení jednotlivých charakteristických znaků struktury, které mají vliv na vlastnosti kovu nebo slitiny. Pro číselné vyjádření změny proběhlé uvnitř vzorků jsem využil porovnání tvrdosti materiálu před a po zakalení. Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa. 9.3.1. Ocel 11 373 Měření tvrdosti struktur probíhalo pomocí Rockwelovích zkoušek tvrdosti. Tvrdost se zjišťuje jako rozdíl hloubky vtisku vnikacího tělesa (ocelová kulička, diamantový kužel) mezi dvěma stupni zatížení (předběžného a celkového). Účelem předběžného zatížení je vyloučit z měřené hloubky nepřesnosti povrchových ploch. Diamantový kužel nebo ocelovou kulička, dotýkající se povrchu zkoušeného předmětu, se nejprve předběžně zatíží silou 100 N. Potom se pozvolna zvětšuje zatěžovací síla tak, aby se za 3 až 6 sekund dosáhlo zatížení předepsané normou. Pak se zatěžují síla opět zmenšuje až na 100 N a v tomto stavu se zjistí přírůstek h hloubky vtisku, který nastal proti výchozí poloze při 100 N. Zkouška tvrdosti podle Rockwella je rychlá, snadná a vpichy (důlky) jsou velmi malé (max. hloubka 0,2 mm). Je vhodná pro běžnou kontrolu velkých sérií výrobků [7].
Tab. 7 Tvrdosti oceli 11 373 Měření 1
Tepelně zpracováno Před kalením Zakaleno HRB HRC 85 7
2
83
6
3
86
6
4
88
6
5
83
7
Průměr
85
6,4
35
U oceli 11 373 byla pro měření tvrdosti nezakaleného vzorku použita metoda HRB, při níž se do materiálu vtlačuje kulička o průměru 1/16 anglického palce. Celkové zatížení je 1000 N. Po zakalení byla tvrdost měřena Rockwelovou metodou HRC, kvůli nárůstu tvrdosti vzorku. U metody HRC se používá pro vtlačování diamantový kužel o vrcholovém úhlu 120°. Celkové zatížení je 1500 N.
Obr. 14 Ocel 11 373 před zakalením
U nezakalené oceli je struktura tvořena zrny feritu (nízkoteplotní modifikace železa krystalizující v krychlové prostorově středěný soustavě) na jejichž hranicích je vyloučen perlit (vzniká eutektoidní přeměnou austenitu na směs feritu a cementitu).
Obr. 15 Ocel 11 373 po zakalení
36
Po zakalení oceli 11 373 nám vznikne nízkouhlíková martenzitická struktura. Na feritických zrnech můžeme vidět jehlice vzniklé při martenzitické přeměně. Na hranici zrn je vyloučen austenit. 9.3.2. Ocel 14 260 Pro měření tvrdosti u této oceli byla použita Rockwelova metoda HRV před i po zakalení.
Tab. 8 Tvrdosti oceli 14 260 Měření 1
Tepelně zpracováno Před kalením Zakaleno HRC HRC 11 58
2
12
59
3
10
59
4
10
57
5
12
59
Průměr
11
58,4
Obr. 16 Ocel 14 260 před zakalením
Struktura oceli 14 260 před zakalením je tvořena feriticko-perlitickou strukturou. Ve feritu je vyloučen perlit v globulární formě.
37
Obr. 17 Ocel 14 260 po zakalení
Po zakalení oceli 14 260 vznikla martenzitická struktura. Místy je struktura narušována zbytkovým austenitem.
38
10 ZÁVĚR V teoretické části byly uvedeny nejpoužívanější metody tepelného zpracován ocelí. Ocel se však zpracovává i jinými způsoby např. tepelně-chemicky, které umožňují zlepšování dalších vlastností oceli. Díky velkému množství možností jak ovlivnit mechanické vlastnosti jednoho druhu oceli, je důležité správně zvolit metodu, jak dosáhnout zamýšlených vlastností , protože ze stejného základního materiálu lze tepelným zpracováním dosáhnout několika výsledných struktur se stejným chemickým složením, ale rozdílnými mechanickými vlastnostmi. V dnešní době se tyto metody volí většinou tak, aby byli vhodné, jak z hlediska technickým požadavků i cenově dostupné. Z experimentu jasně vyplývá, že obsah uhlíku má veliký vliv jak na oceli před kalením (Obr. 13,15), tak i na výsledné struktury po kalení (Obr. 14,16). U nízkouhlíkových ocelí po kalení (Obr. 14) vznikla struktura s malým obsahem martenzitu kvůli nízkému obsahu uhlíku v oceli. V této struktuře se stále dají rozeznat hranice feritických zrn, na jejichž okraji je vyloučen zbytkový austenit. Díky nízkému podílu martenzitu ve výsledné struktuře je i tvrdost oceli po zakalení nízká (tab. 7). U středněuhlíkové oceli je martenzitická struktura po zakalení (obr. 16) spojitá pouze místy se v ní nachází zbytkový austenit. Tvrdost výsledné struktury (Tab. 8) je značně vyšší než před zakalením. Vzniklé struktury po zakalení se od sebe liší obsahem martenzitu, který je přeměňován z uhlíku obsaženého v oceli. Z rozdílných obsahů martenzitu v zakalených strukturách vyplývá i velký rozdíl ve výsledných tvrdostech těchto struktur (Tab. 7, 8). Pro dosažení větší tvrdosti u oceli 14 260, by bylo nutné provést kalení se zmrazováním, aby se na martenzit přeměnil i zbytkový austenit.
39
Seznam použité literatury Knihy: [1]
FILÍPEK, Josef. Technické materiály : přednášky. první. Brno : Vysoká škola zemědělská vlastním nákladem, 1988. 196 s.
[2]
JAROSLAV, Pluhař. Nauka o materiálu. 1. vyd. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1989. 549 s.
[3]
ŘASA, Jaroslav; ŠVERCL, Josef. Strojnické tabulky 2. 1. vydání. Praha : SCIENTIA, 2007. 586 s.
Odkazy: [4]
Elitalycea.wz.cz [online]. 2002 [cit. 2010-04-18]. Kalení a popouštění. Dostupné z WWW:
.
[5]
Vscht.cz [cit.
[online].
Verze
2010-04-18].
1.9.
1998,
Metalografie
Data 1.
aktualizována Dostupné
02.12.2008
z
WWW:
. [6]
HAMERLÍK, Jan. Jhamernik.sweb.cz [online]. 2005 [cit. 2010-04-18]. Základy tepelného
zpracování
kovů.
Dostupné
z
WWW:
. [7]
KRYŠTŮFEK, Pavel. Converter [online]. 2002 [cit. 2010-04-26]. Zkouška tvrdosti
dle
Rockwella.
Dostupné
z
WWW:
. [8]
Ferona, a.s. [online]. 2004 [cit. 2010-04-26]. Číselné označování a rozdělení ocelí
ke
tváření
ČSN
42
0002.
.
40
Dostupné
z
WWW:
Seznam Obrázků Obr. 1 Fázový diagram Fe-C………………………………………………………….. 17 Obr. 2 Strukturní diagram Fe-C………………………………………………………. 18 Obr. 3 Rozdíl mezi diagramy IRA a ARA……………………………………………… 19 Obr. 4 Diagram IRA………………………………………...………………………… 19 Obr. 5 Diagram ARA…………………………………………………………...……... 20 Obr. 6 Zobrazení žíhacích teplot v diagramu Fe-C…………………………………… 21 Obr. 7 Zobrazení kalících teplot v diagramu Fe-C…………………………………… 23 Obr. 8 Schéma zkoušky prokalitelnosti dle ČSN 42 0447…………………………….. 24 Obr. 9 Pás prokalitelnosti…………………………………………………………..…. 25 Obr. 10 Lomené kalení v diagramu ARA…………………………………………..….. 27 Obr. 11 Termální kalení v ARA diagramu…………………………………………….. 28 Obr. 12 Izotermické kalení v ARA diagramu……………………………………...…... 29 Obr. 13 Zobrazení mechanických vlastností oceli 12 050 po normalizačním žíhání a zušlechťování…………………….………………………………………………….. 31 Obr. 14 Ocel 11 373 před zakalením………………………………………………….. 36 Obr. 15 Ocel 11 373 po zakalení……………………………………………………… 36 Obr. 16 Ocel 14 260 před zakalením………………………………………………….. 37 Obr. 17 Ocel 14 260 po zakalení……………………………………………………… 38
Seznam tabulek Tab. 1 Rozdělení oceli do tříd ..……………………………………………………….. 11 Tab. 2 Rozdělení oceli podle obsahu uhlíku ………………………………………….. 12 Tab. 3 Význam třetí číslice v základní značce u oceli třídy 17………………………... 13 Tab. 4 Význam třetí číslice v základní značce u oceli třídy 19………………………... 13 Tab. 5 Význam první doplňkové číslice.....……………………………………………. 14 Tab. 6 Význam druhé doplňkové číslice………………………..……………………... 14 Tab. 7 Tvrdosti oceli 11 373……………………………………………..……………. 35 Tab. 8 Tvrdosti oceli 14 260……………………………………………..……………. 37
41
