Dátum Č. referátu
Št. skupina Meno a priezvisko
Hodnotenie
Kontroloval
Ocele na zušľachťovanie
Zadanie: 1. Vysvetlite podstatu a význam zušľachťovania a charakterizujte ocele na zušľachťovanie. 2. Vychádzajúc z chemického zloženia a zušľachťovacích diagramov zoraďte ocele 12 050, 13 141, 14 341, 16 240 podľa prekaliteľnosti a mechanických vlastností po zušľachtení a poradie zdôvodnite. 3. V diagrame ARA podeutektoidnej ocele vyznačte kritickú rýchlosť ochladzovania a podľa vyznačených rýchlostí ochladzovania schematicky nakreslite a charakterizujte výsledné mikroštruktúry. 4. Na základe merania tvrdostí ocelí popustených pri rôznych teplotách zostrojte pre príslušné ocele popúšťacie krivky. Vypracovanie 1. Charakteristika zušľachťovania a ocelí na zušľachťovanie:
2. Charakteristika vybraných ocelí na zušľachťovanie:
3. Mikroštruktúra podeutektoidnej ocele po ochladzovaní v rôznych médiách
V oleji:
Na kľudnom vzduchu:
V prúde vzduchu:
Vo vode:
4. Výsledky merania tvrdosti po popúšťaní a popúšťacie krivky Popúšťacia teplota [°C]
..........
oceľ ...............
tvrdosť
oceľ ...............
tvrdosť
Tvrdosť
0
200
400
600 0 200 teplota popušťania
400
600
Popúšťacia krivka ocele ............... Popúšťacia krivka ocele ...............
OCELE NA ZUŠĽACHŤOVANIE Ušľachtilé ocele sú kvalitnejšie ako ocele zvyčajnej akosti; výrobca pri nich zaručuje chemické zloženie, vyššiu čistotu, lepšie a rovnomernejšie vlastnosti. Sú určené na tepelné alebo chemickotepelné spracovanie. Dôležitou skupinou ušľachtilých ocelí sú ocele na zušľachťovanie, pri ktorých sa dosahuje výhodná kombinácia mechanických vlastností po cykle tepelného spracovania, pozostávajúcom z kalenia a popustenia pri vysokých popúšťacích teplotách. Tento postup tepelného spracovania sa nazýva zušľachťovanie. Od ocelí na zušľachťovanie požadujeme dobrú kaliteľnosť, t. j. schopnosť ocele vytvoriť po ochladzovaní kritickou alebo nadkritickou rýchlosťou ochladzovania martenzitickú štruktúru zodpovedajúcej vysokej tvrdosti. Kaliteľnosť ocele je funkciou chemického zloženia – predovšetkým obsahu uhlíka – a štruktúrneho stavu austenitu pred martenzitickou premenou. Uhlíkové ocele sú kaliteľné pri obsahu uhlíka nad 0,35 %, nizkolegované ocele s obsahom uhlíka nad 0,25 %. Druhou základnou požiadavkou je zabezpečenie (popri vysokých pevnostných vlastnostiach) dostatočnej húževnatosti (klesá pri vysokých obsahoch uhlíka). Ocele na zušľachťovanie preto charakterizuje stredný obsah uhlíka: pri oceliach uhlíkových v rozmedzí 0,4 ÷ 0,6 %, pri oceliach zliatinových 0,3 ÷ 0,5 %. Príklady chemického zloženia typických ocelí na zušľachťovanie prezentuje tab. 3.1. Tab. 3.1 Chemické zloženie vybraných ocelí na zušľachťovanie Chemické zloženie [%]
Oceľ (podľa STN)
Typ ocele
12 050
uhlíková
C 0,42 - 0,50 0,26 - 0,36
1,20 - 1,60
0,17 - 0,37
-
-
zliatinová
0,32 - 0,42
0,30 - 0,60
1,00 - 1,30
1,30 - 1,60
-
0,32 - 0,42
0,35 - 0,70
0,15 - 0,35
0,50 - 0,90
1,20 - 1,70
13 141 14 341 16 240
Mn 0,50 - 0,80
Si 0,17 - 0,37
Cr max. 0,25
Ni max. 0,30
V praxi kaliteľnosť ocele ako kritérium výsledku kalenia nepostačuje, pretože sa najčastejšie kalia rozmerovo veľmi odlišné výrobky. Preto sa zaviedol určitý veľkostný faktor, vyjadrený v zložitejšom, ale významnejšom pojme prekaliteľnosti. Prekaliteľnosť je schopnosť ocele nadobudnúť po kalení tvrdosť zodpovedajúcu kaliteľnosti, alebo určitú dohovorenú hodnotu z nej odvodenú, v určitej hĺbke pod ochladzovaným povrchom kaleného výrobku. Závisí od vzťahu medzi kritickou rýchlosťou ochladzovania a skutočnou rýchlosťou ochladzovania v uvažovanej povrchovej vrstve. Kritická rýchlosť ochladzovania ocele závisí od chemického zloženia austenitu, od homogenity austenitu, prítomnosti nerozpustných fáz (karbidy, inklúzie) a od veľkosti austenitického zrna. Faktory, ktoré znižujú kritickú rýchlosť ochladzovania, zvyšujú prekaliteľnosť. Kritická rýchlosť ochladzovania vyplýva z polôh kriviek začiatku premien v diagrame ARA. Inkubačná doba rozpadu austenitu sa zväčšuje (=> znižuje sa kritická rýchlosť ochladzovania => zvyšuje sa prekaliteľnosť) so zväčšujúcim sa zrnom austenitu, s rastom jeho homogenity a s rastúcim obsahom uhlíka a legujúcich prvkov (okrem Co a Al). Na zvýšenie prekaliteľnosti konštrukčných ocelí sa používajú komplexne legované ocele, v ktorých vplyv prísadových prvkov na polohu a tvar kriviek je zvýraznený aj pri malom obsahu jednotlivých prísadových prvkov. Ocele sa kalia z optimálnych teplôt do vody alebo do oleja. U uhlíkových ocelí ležia tieto teploty asi 20 až 50 ºC nad teplotou Ac3. Zliatinové prvky posúvajú body premeny, a tým menia aj optimálne kaliace teploty. Výhodná kombinácia mechanických vlastností po zušľachtení sa dosiahne len u súčastí, ktoré boli v celom priereze prekalené. Uhlíkové ocele na zušľachťovanie sa prekaľujú s čisto martenzitickou štruktúrou v celom priereze len asi do priemeru 5 mm. Všetky legujúce prvky v zliatinových oceliach na zušľachťovanie zvyšujú prekaliteľnosť, a tým ovplyvňujú aj voľbu vhodného ochladzovacieho prostredia pre daný rozmer a tvar súčiastky. U ušľachtilých konštrukčných ocelí
sa za prekaliteľný priemer považuje najväčší priemer nekonečne dlhej valcovej tyče, ktorá po zakalení do daného prostredia má v osi minimálne tvrdosť zodpovedajúcu tvrdosti štruktúry s 50 % martenzitu.
Obr. 3.1. Mikroštruktúra ocele 12 050, lept. 3 % Nital, zv. 400 x a – východiskový stav, b – po kalení, c – po kalení a vysokoteplotnom popúšťaní
Popúšťanie je ohrev zakalenej ocele s martenzitickou štruktúrou na teplotu pod Ac1 a zotrvanie na teplote popúšťania po dobu potrebnú na vznik požadovaného štruktúrneho stavu ocele (obr. 3.1) s požadovanými vlastnosťami. Vysokoteplotné popúšťanie, charakteristické pre zušľachťovanie, je popúšťanie pri teplotách od 350 °C do Ac1. Popúšťaním sa významne menia vlastnosti ocelí zakalených na martenzit v dôsledku fázových a štruktúrnych zmien, relaxácie napätia, uzdravenia a rekryštalizácie. Ako charakteristické kritérium pre hodnotenie výsledkov popúšťania ocelí sa používa tvrdosť, medza klzu Re a pevnosť v ťahu Rm, ktoré sa pri popúšťaní znižujú (tvárne vlastnosti sa menia opačne). Pre konečné vlastnosti výrobku je rozhodujúca výška teploty popúšťania, ktorou je možné v širokom rozsahu meniť vzájomný vzťah medzi tvrdosťou a pevnostnými charakteristikami a plastickými vlastnosťami výrobkov. Na voľbu teploty a doby popúšťania ocele pre získanie požadovaných vlastností výrobkov sa najčastejšie používajú popúšťacie krivky. Sú závislosťou Re alebo Rm od teploty popúšťania alebo tvrdosti od teploty popúšťania. Zušľachtené zliatinové ocele sa pri rovnakom obsahu uhlíka a celkovo rovnakej úrovni legovania navzájom príliš nelíšia pevnosťou v ťahu a húževnatosťou. Väčšie rozdiely je možné pozorovať v hodnote dohovorenej medze klzu Rp0,2, resp. v pomere Rp0,2/Rm a v prekaliteľnom priemere. Práve tieto charakteristiky sú hlavným vodítkom pre voľbu ocelí na zušľachťovanie. Dôležitým dokladom pre voľbu vhodnej ocele pre daný účel a pre jej správne tepelné spracovanie sú zušľachťovacie diagramy. Ukazujú zmeny mechanických vlastností zakalenej ocele pri popúšťaní na rôzne teploty.
1200
1200
STN 41 2050
1000 Rm
800 600
Rm; RP0,2, MPa
RP0,2
400
Rm 800 RP0,2
600
20
A
200
10 0
400
Obr. 3.2. Zušľachťovací diagram ocele 12 050
STN 41 6240
1000
RP0,2
600 400
Rm
800 600
RP0,2
30 A
20
A, %
400
200
A
200
10 0
500 600 700 teplota, °C
Obr. 3.3. Zušľachťovací diagram ocele 13 141
Rm; RP0,2, MPa
Rm; RP0,2, MPa
800
400
1200
STN 41 4341 Rm
1000
20 10
0
500 600 700 teplota, °C
1200
30
A, %
A 200
A, %
400 30
400
500 600 700 teplota, °C
Obr. 3.4. Zušľachťovací diagram ocele 14 341
30 20
A, %
Rm; RP0,2, MPa
1000
STN 41 3141
10 0
400
500 600 700 teplota, °C
Obr. 3.5. Zušľachťovací diagram ocele 16 240
Zušľachťovacie diagramy vybraných typov konštrukčných ocelí sú na obr. 3.2 až 3.5. Hodnoty mechanických vlastností vynesené v diagramoch sú stanovené na vzorkách menšieho prierezu celkom prekalených, teda s východiskovou čiste martenzitickou štruktúrou. Zušľachťovacie diagramy poskytujú dobrú informáciu i pre popúšťanie strojných súčiastok väčších prierezov nie celkom prekalených. Skutočne dosiahnutá pevnosť a medza klzu sú však nižšie, než udávajú diagramy, a so stúpajúcou popúšťacou teplotou sa pomaly znižujú.
Kontrolné otázky 1. Definujte: kalenie, popúšťanie, vysokoteplotné popúšťanie. 2. Charakterizujte mikroštruktúry po: kalení + vysokoteplotnom popúšťaní. 3. Aký vplyv má zvýšenie obsahu uhlíka v oceli na: kaliteľnosť, prekaliteľnosť, pevnosť v ťahu po kalení a popustení pri 500 °C?
