Visoka kola za primijenjene i pravne nauke Prometej Banja Luka, Knjaza Miloa 10a,
SEMINARSKI RADMASINSKI MATERIJALITERMIKA OBRADA ELIKA
Vujadin Brdan Mr Simo Vidovic TI-27/12
Banja Luka,novembar 2013
SADRZAJ
UVOD..........2I. FAZNE TRANSFORMACIJE U SISTEMU ELEZOUGLJENIK....3 1. Razlaganje pothlaenog austenita..52. Perlitna transformacija....73. Martenzitna transformacija...11II.PROCESI TERMIKE OBRADE ELIKA.....131. Zarenje ....142. Kaljenje.183. Prokaljivost celika234. Nacini kaljenja..265. Otpustanje ................................................................................................29III.TERMOMEHANICKE OBRADE CELIKA..29VI.POVRSINSKO KALJENJE..31V.GRESKE NASTALE U PROCESU TERMICKE OBRADE..33ZAKLJUCAK.36LITERATURA...37
UVOD
Svojstva i ponaanje metala i legura u proizvodnim procesima i u toku eksploatacije zavise od sastava, strukture, naina prerade i termike obrade kojoj mogu biti podvrgnuti. Vana mehanika svojstva kao to su zatezna vrstoa, napon teenja, tvrdoa, ilavost i plastinost mogu se poboljati, kao to smo videli, promenom hemijskog sastava legiranjem, promenom veliine metalnog zrna, ali na njih se moe uticati i promenom strukture i stvaranjem novih faza u procesima termike obrade. Termikom obradom nazivaju se procesi koji se sastoje od zagrevanja do kritinih temperatura, dranjem na tim temperaturama odreeno vreme, a zatim hlaenje odreenim nainom i brzinom. Jedan od najrasprostranjenih primera poboljanja svojstava je termika obrada elika. Promena strukture i stvaranje novih faza u procesu termike obrade elika dogaa se u vrstom stanju, a bazira se na: svojstvu polimorfije eleza, na promeni rastvorljivosti ugljenika i legirajuih elemenata u reetki eleza i na sposobnosti atoma da se difuzno sele na povienim temperaturama. U ovom poglavlju bie razmotrene promene mikrostrukture u sistemu elezo-ugljenik, kao i tehnologije procesa termike, termomehanike i termohemijske obrade elika.
I. FAZNE TRANSFORMACIJE U SISTEMU ELEZOUGLJENIK
Transformacija perlita u austenit pojavljuje se u procesu zagrevanja elika kod mnogih termikih obrada. Prema dijagramu stanja FeFe3C, (sl.1) eutektoidni elik 0,8%C, ima perlitnu strukturu (lamele ferit + cementit). U procesu zagrevanja do temperature AC1[footnoteRef:1] (linija PSK, 727C) rastvara se manja koliina cementita u feritu po liniji PQ. Daljim zagrevanjem preko temperature AC1 na granicama feritne i cementitne faze obrazuju se mala zrna austenita, (sl.1a) u kojima je rastvoren ugljenik. Dalje, ova obrazovana zrna rastu uz stvaranje novih zrna austenita, a proces razlaganja cementita se nastavlja, (sl 1b i c). Proces transformacije perlita u austenit se zavrava kada se bive perlitno zrno ispuni austenitnim zrnima, (sl.1d). Obrazovana zrna austenita nisu homogena u pogledu sadraja rastvorenog ugljenika, pa je potrebno neko dodatno vreme da bi se izvrila homogenizacija austenitnih zrna. Prema tome, transformacija perlita u austenit nastaje usled alotropskih promena reetke eleza , razlaganja Fe3C i difuzije atoma ugljenika. [1: Oznake kritinih taaka pri zagrevanju AC1, AC3 i ACm. Aod francuske rei arratzastoj i Cod francuske rei choffagezagrevanje. ]
Slika1. Deo dijagrama stanja FeFe3C i ematski prikaz obrazovanja austenitnih zrna u procesu zagrevanja.
Zagrevanjem podeutektoidnih elika, strukture ferit + perlit, proces austenitizacije poinje pri dostiza-nju temperature u kritinoj taki AC1 (linija PS, temperatura 727C) perlit transformie u austenit i obrazuje se struktura ferit + austenit. Daljim zagrevanjem ferit se postepeno transformie u austenit i dostizanjem temperatu-re koja odgovara kritinoj taki AC3 (linila GS), struktura elika postaje austenitna.
Pri zagrevanju nadeutektoidnih elika, struktura perlit + cementit, dolazi do analogne transformacije, s tom razlikom to se ovde cementit potpuno transformie u austenit pri dostizanju temperature u kritinoj taki ACm (linija SE). Brzina transformacije feritno-cementitne strukture u austenit, pored temperature zagrevanja, zavisi i od veliine njihovih lamela. to su lamele ferita i cementita tanje, to se bre obrazuju jezgra austenita i proces austenitizacije je bri.
Sadraj ugljenika u eliku takoe ima uticaja na brzinu procesa austenitizacije. to je vei sadraj ugljenika, to se proces bre odvija. Legirajui elementi u eliku: hrom, molibden, volfram, vanadijum i drugi karbidoobrazujui elementi usporavaju proces austenitizacije, zbog tee rastvorljivosti karbida legirajuih elemenata u austenitu. Sadraj rastvorenih legirajuih elemenata u austenitu nije ujednaen. Proces homogeniza-cije austenita, koji sadri legirajue elemente, neto due traje jer je difuzija atoma legirajuih elemenata u reetki Fe znatno sporija u odnosu na ugljenik.
1. Razlaganje pothlaenog austenita(Dijagram izotermalne transformacije austenita)
Razlaganje austenita dogaa se samo na temperaturama niim od 727C (kritina taka Ar12), Za opisivanje kinetike transformacije pothlaenog austenita koriste se eksperimentalno dobijeni dijagrami vremetemperaturastepen razlaganja, ili dijagrami izotermalne transformacije pothlaenog austenita, tj. razlaganja austenita pri konstantnoj temperaturi. U literaturi ovi dijagrami su poznati pod nazivom TTT (timetemperaturetransformation). Za izuavanje procesa izotermalne transformacije austenita potrebno je uzorke elika zagrevati do temperatura koje odgovaraju stabilnom austenitu (iznad kritine take), a zatim brzo hladiti do temperatura koje su nie od kritine take Ar1, tj. do temperatura na kojima se obavlja transformacija austenita na pr. 600C, 500C, 400C itd., i drati uzorke elika na tim temperaturama razliito vreme, tj. do potpune transformacije austenita. Proces transformacije austenita na konstantnoj temperaturi moe se prikazati eksperimentalno dobije-nom krivom, (sl.2), na osnovu koje se moe oceniti koliina transformisanog austenita u zavisnosti od vremena koje je proteklo od poetka hlaenja pothlaenog austenita. U toku nekog vremenskog intervala, od poetka procesa pa do take P, kako se to vidi na slici 2, ne dolazi do transformacije austenita. Ovo vreme naziva se inkubacioni period. Po isteku ovog perioda poinje transformacija austenita u feritnocementitnu strukturu. Tokom vremena koliina transformisanog austenita raste. Potpuna transformacija austenita zavrava se po isteku nekog vremena (taka K). Prema tome, moemo zakljuiti da je za transformaciju austenita u feritnocementitnu strukturu na nekoj konstantnoj temperaturi potrebno da protekne neko odreeno vreme. Na osnovu eksperimentalnih krivih dobijenih ispitivanjem za vie temperatura pothlaivanja t1, t2, t3 ... tn, moe se konstruisati dijagram izotermalne transformacije austenita ili TTT dijagram.
Slika.2. Eksperimentalno dobijene krive izotermalne transformacije austenita u perlit (ferit + cementit), za ugljenini elik sa 0,8%C u funkciji vremena i temperature.Vreme poetka transformacije (take P1, P2, P3 ... Pn) i vreme zavretka transformacije (take K1, K2, K3 ... Kn), za svaku temperaturu prenesemo na dijagram, tako to na apscisnu osu nanosimo vreme u logaritamskim koordinatama (ln), a na ordinatu temperaturu na kojoj se odvija transformacija u C. Take P (vreme poetka transformacije) i take K (vreme zavretka transformacije) za svaku ispitivanu temperaturu transformacije austenita prenesu se na odgovarajuu temperaturu u dijagramu, a zatim take P1, P2, P3 ... Pn spojimo, dobijamo krivu u dijagramu koja odreuje poetak transformacije austenita. Isto to uradimo i sa takama zavretka transformacije take K1, K2, K3, ... Kn, i tako dobijamo krivu na dijagramu koja odgovara zavretku transforma-cije austenita, (sl 3a).a) b)Slika 3. (a) ema konstruisanja dijagrama izotermalne transformacije austenita eutektoidnog elika; (b) Dijagram izotermalne transformacije austenita eutektoidnog elika (0,8%C), TTTdijagram.Meuoblast poinje od kolena krive (~550C) i protee se sve do temperatura poetka martenzitne transformacije Mp. Ova oblast transformacije pothlaenog austenita svojstvena je perlitnoj (difuziono seljenje atoma ugljenika), kao i martenzitnoj (bezdifuzioni proces) transformaciji. Kao rezultat transformacije pothlae-nog austenita dobija se struktura koja se naziva beinit. Martenzitna oblast poinje od temperature poetka martenzitnog preobraaja, a pothlaeni austenit bezdifuziono se transformie u martenzitnu strukturu (sl.3b).
2. Perlitna transformacijaPerlitna transformacija pothlaenog austenita obavlja se u temperaturnom intervalu od kritine take A1 do kolena krive (~550C) i ima kristalizirajui karakter, a zapoinje po difuzionom mehanizmu. Pre transforma-cije atomi ugljenika bivaju istisnuti iz reetke Fe. Istisnuti atomi ugljenika jedine se sa elezom i obrazuju jedinjenje Fe3Ccementit. Prvo formirana jezgra cementita izdvajaju se na granicama austenitnih zrna i slue kao centri kristaliza-cije. Rast jezgara cementita proizlazi na raun difuzije atoma ugljenika iz okolnog austenita. Delovi austenitnog zrna, koje okruuju obrazovane lamele cementita, kad dovoljno osiromae ugljenikom transformiu se u ferit, tako se naporedo sa stvaranjem lamela cementita stvaraju i lamele ferita, (sl.4a). Na ovaj nain se u austenit-nom zrnu formiraju kolonije lamela ferita i cementita, koje se vremenom poveavaju u duini (lokalni rast), a njima se prikljuuju nove lamele paralelno ve stvorenim (boni rast), (sl.4b).
Slika 4. ematski prikaz formiranja perlita iz austenita; pravac difuzije atoma ugljenika pokazan je strelicama,Ovakav rast kolonija lamela ferita i cementitaperlitno zrno, traje sve do naslanjanja na susedna perlitna zrna, i odvija se sve do potpune transformacije austenitnog zrna u perlitna zrna (sl.4). Veliina perlitnih zrna je manja ukoliko je manje zrno pothlaenog austenita, i ukoliko je vei stepen pothlaivanja. to je temperatura na kojoj se obavlja transformacija austenita nia, dobija se finija feritnocementitna struktura, tj. manje je meulamelarno rastojanje lo, koje podrazumeva srednju vrednost debljine dve susedne lamele ferita i cementita, (sl.4). Ukoliko su lamele ferita i cementita tanje, utoliko je vea tvrdoa, a manja ilavost i plastinost perlita. U zavisnosti od veliine i gustine pakovanja lamela ferita i cementita, u strukturi elika eutektoidnog sastava, razlikuju se mikrostrukture: perlit, sorbit i trustit ili grubi, fini i vrlo fini perlit. Sve tri strukture obrazuju se pri razlaganju pothlaenog austenita difuzionim seljenjem atoma ugljenika pre transformacije austenita. Perlitna struktura dobija se pri razlaganju austenita pri manjem stepenu pothlaivanja pri temperaturi ~700C sa meulamelarnim rastojanjem lo = 0,61,0 m, a ima tvrdou HBS = 180250. Ako se austenit pothladi do ~650C i na toj temperaturi poinje razlaganje austenita, tada se obrazuju lamele ferita i cementita koje su tanje i gue pakovane od lamela u perlitu, lo ~ 0,250,3 m. Ovako graena struktura naziva se sorbit. Tvrdoa sorbita je HBS = 250350. Pri pothlaivanju austenita do ~550C, obrazuju se veoma tanke i gusto pakovane lamele ferita i cemen-tita, lo = 0,l0,15 m. Ovako dobijena struktura naziva se trustit. Tvrdoa trustita je HBS = 350450. Pri izotermalnoj transformaciji austenita, podeutektoidnog elika, u temperaturnom intervalu iznad kolena krive proces poinje izdvajanjem ferita na temperaturi ispod A3, to je na TTT dijagramu pokazano dodatnom linijom Fp (sl.5a), Pri temperaturi nioj od A1, posle izdvajanja odreene koliine ferita, austenit se dalje transformie u feritnocementitnu strukturu. Poveavanjem stepena pothlaivanja (smanjenje temperature) smanjuje se koliina izdvojenog ferita. Izdvajanje ferita se potpuno zavrava na kolenu krive, a razlaganje austenita se dalje odvija bez izdvajanja ferita. Izotermalna transformacija nadeutektoidnog elika odvija se analogno, s tom razlikom to se umesto ferita izdvaja cementit, (sl.5b).
Slika 5. (a) Dijagram izotermalnog razlaganja austenita ili TTTdijagram za podeutektoidni elik; (b) Dijagram izotermalnog razlaganja austenita ili TTTdijagram za nadeutektoidni elik
3. Martenzitna transformacijaMartenzitna transformacija nastaje kada brzina hlaenja stabilnog austenita dostigne vrednost kritine brzine, tako da se austenit bez prethodnog oslobaanja ugljenika transformie u prezasien vrsti rastvor. Struktura elika koja se dobija pri uslovima kritine brzine hlaenja naziva se martenzit. Martenzit je jednofazna struktura i predstavlja prezasien vrsti rastvor ugljenika i drugih legirajuih elemenata u Fe. Nastaje kao rezultat bezdifuzione transformacije austenita i zavisi samo od temperature, a ne i od vremena trajanja procesa.Atomi ugljenika rastvoreni u KPC reetki austenita, posle vrlo brzog hlaenja, ostaju prisilno rastvoreni u reetki Fe, nesimetrino je proiruju i prevode u novu tetragonalnu zapreminski centriranu reetku TZC. Prema tome, martenzit nastao transformacijom austenita, sa sadrajem ugljenika preko 0,15%, ima TZC reetku kod koje je jedan parametar c vei od drugog a, i zadranim ugljenikom u vrstom rastvoru (intersticijski vrsti rastvor), (sl.6a). Stepen tetragonalnosti reetke c/a, zavisi od sadraja ugljenika u eliku; to je vei sadraj ugljenika u martenzitu, to je vei odnos c/a tj. vea je tetragonalnost reetke, (sl.6b).Kristali martenzita u zavisnosti od sastava (sadraj ugljenika), pa prema tome i od temperature na kojoj se stvaraju, mogu imati razliitu grau i oblik. Razlikuju se dva osnovna tipa kristala martenzita: paketasti i ploasti.Paketasti kristali martenzita obrazuju se kod niskougljeninih i srednjeugljeninih i legiranih konstruk-cionih elika (< 0,5% C) i imaju oblik tankih letvica (0,10,2 m) usmerenih u jednom pravcu. Grupa ovih paralelnih kristala obrazuje paket.
Slika 6. (a) Kristalna reetka martenzita; (b) zavisnost parametara reetke c i a od % ugljenika.
U svakom austenitnom zrnu moe se obrazovati nekoliko (24) paketa martenzita, (sl.7a). Letvice martenzita razdvojene su tankim slojem zaostalog austenita, zbog ega ovaj tip martenzita ima neto manju tvrdou. Ploasti kristali martenzita obrazuju se kod visokougljeninih elika (> 0,8% C). Kristali ploastog martenzita imaju soivasti oblik. Susedni kristali nisu meusobno paralelni i oni obrazuju u prostoru sloene skupine, (sl.8a). U zavisnosti od ravni seenja ploasti kristali martenzita se pod metalografskim mikrosko-pom vide kao iglice razliite debljine, (sl.8b).
Slika 7. (a) ematski prikaz obrazovanja paketastog kristala martenzita; (b) Mikrostruktura paketastog martenzita kod niskougljeninog elika, uveano 800.
Slika 8. (a) ematski prikaz obrazovanja ploastog kristala martenzita. (b) Mikrostruktura ploastog igliastog kristala martenzita (uveano 1200).
Veliina kristala martenzita, bilo kog oblika i grae, u mnogome zavisi od poetne veliine zrna austenita. to su zrna austenita manja, to su i kristali martenzita manji.Martenzitna transformacija zapoinje, pri procesu hlaenja kritinom brzinom, odmah po dostizanju temperature Mp (temperatura poetka transformacije austenita u martenzit) i na toj temperaturi poinje stvaranje prvih kristala martenzita. Dalja transformacija austenita u martenzit obavlja se sniavanjem temperature i dostizanjem odreene temperature Mk (temperatura zavretka transformacije austenita u martenzit) i transforma-cija austenita u martenzit se zavrava. Prema tome, celokupan proces obrazovanja martenzita iz austenita obavlja se u jednom temperaturnom intervalu od MpMk i on je kod svakog elika odreen.Martenzitna transformacija se ne obavlja u potpunosti,. Kada se dostigne temperatura Mk, kod elika sa veim sadrajem ugljenika i kod legiranih elika, tj. kod elika ija je temperatura Mk nia od +20C, izvesna koliina austenita ostaje netransformisana. Ovaj austenit naziva se zaostali austenit ili masivni zaostali austenit, za razliku od tankog sloja zaostalog austenita uvek prisutnog kod paketastih kristala martenzita. Kod elika sa 0,61% C koliina zaostalog austenita je ~10%, a kod elika sa 1,31,5% C zaostalog austenita moe biti 3050%. Zaostali austenit se u mikrostrukturi kaljenih elika vidi kao svetla polja izmeu iglica martenzita (sl.8b). Koliina zaostalog austenita se moe smanjiti hlaenjem do temperatura 100C. Zaostali austenit smanjuje tvrdou, vrstou i oteava obradivost bruenjem.Ako se proces hlaenja austenita zadri neko vreme na temperaturi koja je nia od temperature Mp, austenit koji je ostao netransformisan do te temperature postaje stabilniji. Ovako stabilizovan austenit pri daljem hlaenju transformie se u martenzit, ali na niim temperaturama i ne odmah, a koliina obrazovanog martenzita je manja Zbog toga elici koji se podvrgavaju izotermalnom hlaenju na temperaturama koje su nie od Mp imaju veu koliinu zaostalog austenita. Martenzit ima visoku tvrdou i vrstou, ali je veoma krt. Tvrdoa martenzita direktno zavisi od sadraja ugljenika i sa porastom ugljenika preko 0,6% dostie tvrdou HRC = 65 (sl.11). Meutim, plasti-nost i ilavost opadaju sa porastom sadraja ugljenika. Slika 11. Tvrdoa martenzita i arene strukture ugljeninih elika u zavisnosti od sadraja ugljenika. II. PROCESI TERMIKE OBRADE ELIKA
Razliite mikrostrukture legure elezougljenik koje su opisane, mogu se izmeniti procesima termike obrade, tj. zagrevanjem i hlaenjem razliitim brzinama. Ovi procesi proizvode fazne transformacije koje imaju veliki uticaj na mehanika svojstva kao to su: vrstoa, tvrdoa, ilavost i plastinost. Efekat termike obrade zavisi prvenstveno od legure, njenog hemijskog sastava, mikrostrukture, stepena hladne deformacije, brzine zagrevanja i hlaenja za vreme termike obrade. Najvanije termike obrade kojima se podvrgavaju elici su: arenje, kaljenje, otputanje i poboljanje.1. arenje
arenjem se nazivaju termike obrade u kojima se elik izlae povienim temperaturama u duem vremenskom periodu, a posle toga sporo hladi. Nekoliko razliitih postupaka arenja se koristi za popravljanje svojstava elika i oni se mogu podeliti na dve vrste: postupci arenja kod kojih ne dolazi do faznih transformacija, a ako i doe one nemaju presudan uticaj na konanu strukturu (difuzno arenje, rekristalizacija, uklanjanje zaostalih napona) i postupci arenja kod kojih se ostvaruju fazne transformacije u zavisnosti od cilja koji se eli postii arenjem (potpuno arenje, izotermalno arenje, sferoidizacija i normalizacija). Bilo koji proces arenja sastoji se iz tri faze: (1) zagrevanje do odreenih temperatura, (2) dranje na tim temperaturama odreeno vreme i (3) sporo hlaenje do sobne temperature. Na slici 1.prikazan je deo dijagrama FeFe3C sa ucrtanim temperaturnim intervalima zagrevanja ugljeninih elika u cilju termikih obrada arenjem.
Slika 1. Temperaturni intervali zagrevanja ugljeninih elika u cilju termike obrada arenjem.Difuzno arenje (homogenizacija). Ovo arenje se primenjuje za izjednaavanje hemijske neujednae-nosti metalnih zrna vrstog rastvora, tj. za umanjenje mikrosegregacije4 kod elinih odlivaka i ipki, i to uglavnom kod legiranih elika. U procesu difuzionog arenja zagrevanje se izvodi do visokih temperatura 11001200C jer samo u tom sluaju imamo potpunije proticanje difuzionih procesa neophodnih za izjednaavanje hemijskog sastava u pojedinim delovima metalne mase. Vreme trajanja procesa (zagrevanje, dranje na temperaturama i sporo hlaenje) jeste od 80100 asova. Posle difuzionog arenja, zbog visokih temperatura i dugotrajnog zagrevanja, dobija se krupnozrna struktura. U cilju usitnjavanja metalnih zrna i popravljanja svojstava kod elinih ipki se postie naknadnom obradom deformisanjem, a odlivci se podvrgavaju potpunom arenju ili normalizaciji. Rekristalizaciono arenje. Rekristalizacionom arenju se podvrgavaju elici koji su obraivani deformisanjem u hladnom stanju i kod kojih je dolo do deformacionog ojaavanja, tj. do poveavanja svojstava vrstoe, a smanjenja plastinosti. Ovim arenjem uklanjaju se negativni efekti obrade deformisanjem u hladnom stanju, tj. smanjenje svojstava vrstoe i poveanja plastinosti. Deformisanaorijentisana metalna zrna ponovo dobijaju poligonalni oblik. Ovaj vid arenja se primenjuje pre obrade deformisanja u hladnom stanju i kao meufazna operacija za smanjenje efekata ojaavanja izmeu dve obrade deformisanjem. U nekim sluajevima rekristalizaciono arenje se izvodi i kao zavrna termika obrada. Rekristalizaciono arenje se sastoji od zagrevanja elika do temperatura od 650730C, a koje zavise od sastava. Za niskougljenine elike (0,080,2%C), hladno valjane limove, temperatura rekristalizacije je 680700C, a vreme arenja 812 asova. Hladno valjani profili od visokougljeninih i legiranih elika are se na temperaturi od 730C u trajanju od 0,51,5 asova. arenje za uklanjanje zaostalih napona. Ovo arenje se primenjuje u cilju uklanjanja zaostalih napona koji mogu nastati: (1) u toku obrade deformisanjem, kao i u toku obrade rezanjem; (2) neujednaenim hlaenjem delova koji se izrauju na povienim temperaturama, kao i u procesima zavarivanja i livenja; (3) faznim transformacijama kod kojih se hlaenjem stvaraju faze koje imaju razliite gustine. Uklanjanje zaostalih napona dovodi do dimenzionalne stabilnosti, kasnije uklanjanje zaostalih napona u toku rada posle nekog vremena moe biti razlog krivljenja delova. Takoe, smanjuje se sklonost ka stvaranju prslina usled naponske korozije. arenje u cilju uklanjanja zaostalih napona ostvaruje se zagrevanjem do temperatura ispod take AC1 da bi se izbegle fazne transformacije, dranjem na temperaturama dovoljno dugo vreme i konano sporo hlaenje do sobne temperature (sl.10.20). Posle grube obrade rezanjem delovi se are na temperaturi 570600C u trajanju od 23 asa, a posle zavrne fine obrade bruenjem na temperaturi od 160180C u trajanju od 22,5 asa. arenje za uklanjanje zaostalih napona u izvedenim zavarenim konstrukcijama i kod odlivaka ostvaruje se zagrevanjem na temperaturama od 650700C u trajanju od nekoliko asova. Potpuno arenje. Ovom vidu arenja podvrgavaju se niskougljenini i srednjeugljenini elici (pod-eutektoidni) sa ciljem dobijanja ujednaene sitnozrne strukture, smanjene tvrdoe, poveane ilavosti i plasti-nosti. Potpuno arenje ostvaruje se zagrevanjem elika na temperature 3050C iznad take AC3; zagrevanjem, poetna feritnoperlitna struktura prevodi se u sitnozrnu strukturu austenita, i kasnijim sporim hlaenjem brzinom ~ 10C/h (hlaenjem u pei) sve do sobne temperature (sl.2)
Slika 2. ematski prikaz postupaka arenja podeutektoidnih i nadeutektoidnih ugljeninih elika.
Iz sitnozrnog austenita obrazuje se sitnozrna ujednaena feritnoperlitna struktura relativno male tvrdoe i dovoljne plastinosti. Potpuno arenje se ne koristi za nadeutektoidne elike jer se pri veoma sporom hlaenju cementit izdvaja po granicama metalnih zrna, tj. formira se cementitna mrea na granicama perlitnih zrna. Ovako dobijena struktura ima loa mehanika svojstva. Izotermalno arenje. Izotermalnirn arenjem dobija se feritnoperlitna struktura iz austenita pri konstantnoj temperaturi, a ne hlaenjem kao kod potpunog arenja. Izotermalno arenje se ostvaruje zagreva-njem do temperature 5070C iznad take AC3, dranjem odreeno vreme, a zatim se primenjuje brzo hlaenje do temperature neto nie od take AC1 za oko 100150C, a u zavisnosti od karakteristika TTT krive.Na toj temperaturi se elik dri sve do potpunog razlaganja austenita i obrazovanja feritnoperlitne strukture, a zatim se hladi na mirnom vazduhu. Izotermalno arenje ima prednost u poreenju sa potpunim arenjem: skraeno vreme procesa, posebno kod legiranih elika; druga prednost je dobijanje jednorodnije strukture jer se transformacija obavlja po celoj zapremini elika pri jednakom stepenu pothlaivanja. Sferoidizacija (meko arenje). Srednjeugljenini i visoko-ugljenini elici u mikrostrukturi i ako sadre lamelarni perlit mogu i pored toga biti tvrdi i nepodesni za obradu rezanjem i deformisanjem. Ako se ovi elici zagrevaju neto ispod take AC1, temperature ~ 700C i dre dovoljno dugo vremena (1824 asa) i sporo hlade, formirae se jedna sferoidna struktura, a ovaj proces arenja naziva se sferoidizacija (meko arenje). Umesto naizmeninih lamela ferita i cementita (perlit) u procesu arenja Fe3C fazacementit pojavljuje se u obliku sfernih estica ravnomerno rasporeenih u feritnoj osnovi (sl.3).
Slika 3 . Mikrostruktura sferoidnog perlita. Sferne estice cemen-tita na feritnoj osnovi. Uveano 1000.
Ova transformacija se deava dodatnom difuzijom atoma ugljenika bez promene sastava, odnosno koliinskog odnosa ferita i cementita. Sferoidna struktura elika ima malu tvrdou, dobru plastinost i lako se obrauje rezanjem i deformisanjem. Normalizaciono arenje (normalizacija). Normalizacija je proces arenja elika na temperaturi vioj za 3050C od take AC3 ili ACm, to zavisi od sastava elika. Posle potpune transformacije polazne strukture u austenit sledi sporo hlaenje na mirnom vazduhu do sobne temperature .Normalizacija se primenjuje da se ukloni krupnozrna struktura dobijena u postupcima obrade u toplom stanju (livenje, kovanje, valjanje, zavarivanje i dr.). Kod niskougljeninih elika u proce-su normalizacije deavaju se isti procesi kao i kod potpunog arenja tj. usitnjavanje metal-nog zrna. Meutim, zbog neto vee brzine hlaenja (hlaenje na vazduhu) dobija se finija struktura perlita (tanje lamele ferita i cementita). Ovako dobijena struktura, posle normalizacije, obezbeuje bolja mehanika svojstva (veu vrstou i tvrdou), u odnosu na svojstva dobijena potpunim arenjem. Zbog toga se kod niskougljeninih i srednje-ugljeninih elika umesto potpunog arenje uglavnom primenjuje normalizacija. Normalizacijom visokougljeninih elika uklanja se cementitna mrea tako to se neto brim hlaenjem (hlaenjem na vazdu-hu) austenita spreava izdvajanje cementita na granicama metalnih zrna tj. spreava se ponovno stvaranje cementitne mree. Dobije-na struktura sastoji se od sitnih lamela ferita i cementita (sorbit).
2. Kaljenje
Kaljenje je proces kojim se elik zagreva do temperatura neto iznad kritine, a zatim hladi brzinom veom od kritine u cilju dobijanja martenzitne strukture, a time visoke tvrdoe i otpornosti na habanje. Uspeno izvoenje kaljenja elika i dobijanje preteno martenzitne strukture po celom poprenom preseku dela zavisi od vie faktora: temperature zagrevanja, vremena zagrevanja, sredine u kojoj se izvodi zagrevanje, brzine hlaenja i prokaljivosti. Izbor temperature zagrevanja. Temperatura zagrevanja zavisi od sadraja ugljenika u eliku, kako je to pokazano na delu dijagrama stanja FeFe3C (sl.4b). Podeutektoidni elik zagreva se na temperaturu 3050C iznad take AC3.
Slika.4 (a) ematski prikaz procesa kaljenja elika; (b) temperaturna podruja zagrevanja elika.
Zagrevanjem, poetna feritnoperlitna struktura prevodi se u austenit, koji se kasnije hladi brzinom veom od kritine i koji se transformie u martenzit. U sluaju izbora nedovoljne temperature, nie od take AC3, a vie od AC1 tj. u intervalu od AC1AC3, ostaje jedan deo ferita nepreveden u austenit. Posle hlaenja, u strukturi kaljenog elika, pored martenzita, pojavljuje se i ferit. Prisustvo ferita u strukturi smanjuje tvrdou elika posle kaljenja. Zagrevanje elika znatno iznad take AC3 dovodi do porasta metalnog zrna austenita, a posle hlaenja dobija se struktura koja se sastoji od veoma krtog krupno-igliastog martenzita i zaostalog austenita. Nadeutek-toidni elik zagreva se do temperature 3050C iznad take AC1. Ovim zagrevanjem celokupan perlit i vrlo mala koliina sekundarnog cementita se prevodi u austenit. Na temperaturi kaljenja struktura elika se sastoji od austenita i cementita. Hlaenjem brzinom veom od kritine austenit se transformie u martenzit. Struktura kaljenog nadeutektoidnog elika sastoji se iz martenzita po kome su rasuta sitna zrna cementi-ta. Ova struktura obezbeuje visoku tvrdou i otpornost na habanje. Ukoliko su zrna cementita sitnija i pravilnije rasporeena, postie se vea tvrdoa. Ovo je razlog to se pre kaljenja nadeutektoidnih elika, kovanjem i normalizacijom uklanja cementitna mrea. Zagrevanjem do temperatura iznad take ACm nema uticaja na poveanje tvrdoe. Posle hlaenja dobija se krupno-igliasta struktura martenzita bez cementita i sa poveanom koliinom zaostalog austenita, to utie na smanjenje tvrdoe. Za neke legirane elike temperatura zagrevanja odreena je poloajem taaka AC1 i AC3, ali je znatno via, to je uslovljeno malom brzinom i stepenom rastvaranja karbida legirajuih elemenata u austenitu. Na primer: kod elika visokolegiranih hromom (1114% Cr) za rastvaranje karbida tipa M23C6, potrebna temperatu-ra zagrevanja je 150250C iznad take AC3. Ovo poveanje temperature zagrevanja u mnogim sluajevima ne prouzrokuje primetno poveanje veliine metalnog zrna austenita jer nerastvorene estice karbida spreavaju rast zrna. Nie temperature zagrevanja elika legiranih karbidoobrazujuim elementima (hrom, volfram, molib-den, titan i silicijum) obrazuju niskolegirani i manje stabilni austenit pri hlaenju. Ubrzano razlaganje austenita poveava kritinu brzinu hlaenja, smanjuje prokaljivost, poveava temperature martenzitne transformacije Mp i Mk i smanjuje tvrdou martenzita. Korienje viih temperatura zagrevanja dovodi do potpunog rastvaranja karbida, rasta veliine metal-nog zrna i homogenizacije austenita. Ovo doprinosi stabilnosti pothlaenog austenita posebno u oblasti perlitne transformacije, smanjivanju kritine brzine hlaenja i poveanju prokaljivosti. Meutim, prekomerno poveava-nje temperature zagrevanja u strukturi kaljenog legiranog elika poveava koliinu zaostalog austenita, to ima za posledicu smanjenje tvrdoe, vrstoe, toplotne provodljivosti i obradivosti elika bruenjem. Potrebno vreme zagrevanja. Vreme zagrevanja mora biti dovoljno dugo da bi se obezbedilo postizanje potrebne temperature po celom poprenom preseku dela, kao i zavretak svih faznih transformacija, a ne sme biti ni suvie dugo jer moe izazvati porast austenitnog zrna i razugljenisavanje povrinskog sloja. Ukupno vreme zagrevanja u, tj. vreme dranja delova u pei, sastoji se iz zbira dva vremena, odnosno, u = z + p, gde je: z vreme zagrevanja do potrebne temperature, a p vreme dranja na toj temperaturi. Vreme zagrevanja do zadane temperature zavisi od: temperature zagrevanja, sadraja ugljenika i legira-juih elemenata, veliine i oblika delova, naina smetanja delova u pei, vrste pei i drugih faktora. Vee brzine zagrevanja treba izbegavati zbog pojave znaajnih unutranjih napona koji mogu prouzrokovati deformacije i pojave prslina. Pri postizanju temperature zagrevanja potrebno je delove drati na toj temperaturi odreeno vreme, koje mora biti minimalno, ali dovoljno da obezbedi zavretak faznih transformacija i postigne dovoljnu koncentraciju ugljenika i legirajuih elemenata u austenitu. Vreme dranja na konstantnoj temperaturi zavisi, kao i vreme zagrevanja, od mnogih faktora koji utiu na proces rastvaranja i faznih transformacija u eliku. Potrebno vreme zagrevanja, ukljuujui i vreme dranja na konstantnoj temperaturi za delove okruglog poprenog preseka od ugljeninih elika moe se izraunati po sledeim preporukama: u plamenim peima l minut po 1 mm poprenog preseka, u sonim kadama 0,5 minuta po l mm poprenog preseka. Ukupno vreme zagrevanja delova izraenih od legiranih elika uveati za 2550%. Sredstva za hlaenje. Brzina hlaenja elika sa temperature kaljenja ima veliki uticaj za postizanje eljenih struktura kao i na konaan rezultat kaljenja. Pravilan izbor sredstva za hlaenje mora da obezbedi eljenu strukturu po celom poprenom preseku, bez pojava veih unutranjih napona, prslina i deformacija. Najvea brzina hlaenja (vea od kritine) najpoeljnija je u temperaturnom intervalu od take A1 do Mp da bi se spreilo razlaganje pothlaenog austenita u oblasti perlitne i meufazne transformacije, dok u oblasti martenzitne transformacije, tj. u temperaturnom intervalu izmeu Mp i Mk, brzina hlaenja mora biti smanjena. Velika brzina hlaenja u temperaturnom intervalu martenzitne transformacije je nepoeljna jer moe dovesti do veih unutranjih napona i do pojava prslina. Meutim, smanjena brzina hlaenja u intervalu MpMk moe prouzrokovati delimino otputanje martenzita i poveati koliinu zaostalog austenita, to utie na smanjenje tvrdoe. Izbor sredstva za hlaenje bira se u zavisnosti od hemijskog sastava, eljene strukture dimenzija i oblika dela. Kao sredstva za hlaenje najee se koriste: mirna ili tekua voda, slana voda, vodeni rastvori soli i baza, mineralna ulja, rastopljene soli i vazduh. Zbog razliite toplotne provodljivosti, specifine toplote i toplote isparavanja ovih sredstava za hlaenje razlikuju se i njihove brzine hlaenja (sposobnost hlaenja). Relativni odnos sposobnosti hlaenja nekih sredstava za hlaenje je: uzburkana slana voda (5), uzburkana voda (4), mirna voda (1), mirna ulja (0,3), miran vazduh (0,02). Uzburkanost sredstva za hlaenje ima znaajan uticaj na brzinu hlaenja. to je uzburkanost sredstva za hlaenje jaa, utoliko je brzina hlaenja vea. Za hlaenje ugljeninih i niskolegiranih elika uobiajeno sredstvo je voda i slana voda. Korienjem vode i vodenih rastvora u toku procesa hlaenja menja se sposobnost hlaenja. Ako zagrejani metal uronimo u sredstvo za hlaenje vodu, na povrini metala se stvara plat od vodenih parnih mehura, zbog kljuanja vode na povrini metala. Ovako formiran plat predstavlja barijeru koja slabo provodi toplotu i ometa hlaenje, Uzburkavanjem sredstva za hlaenje ili intenzivnim kretanjem dela u sredstvu, smanjuje se ili se potpuno odstra-njuje uticaj plata pare. U cilju efikasnijeg hlaenja delovi koji se hlade mogu se tuirati vodom pod pritiskom. Slana voda, kao sredstvo za hlaenje, ima veu sposobnost hlaenja jer so pomae stvaranje mehura na povrini dela ime se pojaava uzburkanost. Za hlaenje legiranih elika upotrebljavaju se mineralna ulja koja imaju znatno manju brzinu hlaenja u odnosu na vodu. Prednost ulja kao sredstva za hlaenje je u tome to: imaju viu temperatura isparavanja (250300C); manju brzinu hlaenja u temperaturnom intervalu martenzitne transformacije, pa je smanjena mogunost stvaranja prslina; ne menjaju sposobnost hlaenja sa promenom temperature ulja u irokom intervalu od 20150C. Unutranji naponi u kaljenom eliku. Kaljeni delovi esto se deformiu ili se na njima pojavljuju prsline. Ove greke su posledica pojave unutranjih napona. Unutranji naponi pri kaljenju mogu se pojaviti usled neravnomernog hlaenja povrinskih i unutranjih slojeva termiki naponi, i usled poveanja zapremine i nejednolike strukture u povrinskim i unutranjim slojevima strukturni naponi. Ovi unutranji naponi ne samo to izazivaju elastine deformacije, ve u manjem ili veem stepenu izazivaju i nejednovremenu i nejednaku plastinu deformaciju slojeva po poprenom preseku, to ima za posledicu pojavu zaostalih napona. Nejednake brzine hlaenja spoljnih i unutranjih slojeva elika praene su i promenom zapremine. Povrinski slojevi se bre skupljaju od unutranjih, to ima za posledicu pojavu unutranjih napona. Posle potpunog hlaenja na povrini se javljaju zaostali naponi na pritisak, a u unutranjosti dela zaostali naponi na istezanje (sl.5a).
Obrazovanje strukturnih napona je posledica nejednake strukture u povrinskim i unutranjim slojevi-ma. Martenzitna struktura se prvo formira u povrinskim slojevima, pa tek kasnije u unutranjim (potpuna prokaljivost). Kako je martenzitna transformacija (austenit martenzit) praena poveanjem zapremine, to e dovesti do obrazovanja u povrinskim slojevima napona na pritisak, a u unutranjim slojevima napona na istezanje. Kao rezultat zavrene transformacije u povrinskim slojevima imamo zaostale napone na istezanje, a u unutranjim slojevima zaostale napone na pritisak (sl.5b). Kako se pri kaljenju istovremeno pojavljuju termiki i strukturni naponi, to se konano stanje napona dobija sabiranjem (sl.5c).
Slika 5. Zaostali naponi u procesu kaljenja: (a) termiki; (b) strukturni; (c) ukupni.
U zavisnosti od odnosa termikih i strukturnih napona u povrinskom sloju zaostali naponi mogu se razlikovati u znaku i veliini. Kod delova sloenog oblika obino su strukturni naponi vei od termikih. Ako unutranji naponi u procesu kaljenja dostignu vee vrednosti od zatezne vrstoe materijala, tada moe doi do pojave prslina. Pojavu prslina posebno pospeuju naponi na istezanje u povrinskim slojevima. Zbog toga je potrebno napone istezanja, koji se uglavnom javljaju kao posledica strukturnih napona, umanjiti. Smanjenje strukturnih napona moe se postii smanjivanjem brzine hlaenja neposredno ispod temperature poetka martenzitne transformacije, kao i izbegavanjem visokih temperatura zagrevanja, odnosno pregrevanja materijala. Pojava prslina i deformacija je esta pojava kod elika kod kojih je potrebna velika kritina brzina hlaenja, kao to su niskougljenini elici.
3. Prokaljivost elika
Sposobnost elika da se kaljenjem dobijeni sloj martenzitne ili martenzitnotrustitne strukture prostire do odreene dubine naziva se prokaljivost. Pri kaljenju elika, u zavisnosti od kritine brzine hlaenja i popre-nog preseka dela, dobija se razliita struktura od povrine ka jezgru. Poto se unutranji slojevi delova sporije hlade od spoljnih slojeva, onda u tom opsegu, gde je brzina hlaenja manja od kritine, prokaljivanje je samo do odreene dubine, dok se u jezgru razlaganjem austenita obrazuje lamelarna struktura ferita i cementita (trustit, sorbit ili perlit). Ako se jezgro hladi brzinom veom od kritine onda se po celom preseku obrazuje martenzitna struktu-ra, u tom sluaju prokaljivost je potpuna. Ovo znai da se sa promenom brzine hlaenja i strukture, od povrine ka jezgru, menja i tvrdoa. Prema tome, to je manja kritina brzina hlaenja, vea je prokaljivost i obrnuto, to je vea kritina brzina hlaenja, manja je prokaljivost. Za dubinu zakaljenog sloja uzima se rastojanje od povrine do sloja koji ima strukturu polumartenzita (50% martenzit + 50% trustit). Tvrdoa polumartenzitne strukture zavisi od sadraja ugljenika i sa porastom ugljenika tvrdoa raste. Svi faktori koji umanjuju kritinu brzinu hlaenja, odnosno poveavaju stabilnost pothlaenog austeni-ta, poveavaju prokaljivost. elici legirani manganom, hromom, molibdenom i manjim koliinama bora, imaju veu stabilnost pothlaenog austenita, pa je za hlaenje potrebna manja kritina brzina, to poveava prokalji-vost elika. Elementi koji na visokim temperaturama grade postojane karbide (W, Ti, V, Nb i dr.) poveavaju prokaljivost ako se zagrevanjem rastvaraju. Nedovoljno visoke temperature zagrevanja i nerastvoreni karbidi smanjuju prokaljivost. Ugljenini, a naroito niskougljenini elici zahtevaju velike kritine brzine hlaenja i imaju malu prokaljivost. Ove elike praktino je nemogue prokaliti po celom preseku ako su vee debljine od 815 mm. Veliina metalnog zrna austenita ima velikog uticaja na prokaljivost. Ako se poveavanjem tempera-ture i vremena zagrevanja veliina austenitnog zrna povea od #8 na #2, dubina zakaljenog sloja raste 23 puta. Iz dosadanjih razmatranja moe se zakljuiti da prokaljivost elika zavisi od sadraja ugljenika, veliine metalnog zrna austenita i od legirajuih elemenata prisutnih u eliku. Prokaljivost elika odreuje se eonim kaljenjem metodom po [footnoteRef:2]Dominiju. [2: Ispitivanje prokaljivosti elika eonim hlaenjem, prema JUS C.A2.051/85. ]
Ispitivanje prokaljivosti eonim hlaenjem (metoda po Dominiju). Za jedan elik potrebno je imati direktnu i doslednu povezanost izmeu tvrdoe i brzine hlaenja. Meutim, ta povezanost je visoko nelinearna. Osim toga teorijske osnove za kvantitativnu analizu su vrlo komplikovane. Za reavanje ovog pitanja u praksi se koristi standardna metoda za odreivanje prokaljivosti eonim hlaenjem elika (metoda po Dominiju). U ovom postupku ispitivanja prokaljivosti, izuzev hemijskog sastava, svi faktori koji mogu uticati na tvrdou po dubini komada (oblik i mera uzorka, uslovi hlaenja) odravaju se konstantnim. Cilindrini uzorak standardne veliine ravnomerno se zagreva do temperature u austenitnom podruju, dri na toj temperaturi odreeno vreme i odmah zatim eona povrina uzorka hladi mlazom vode odreene brzine isticanja, kako je to pokazano na slici 6a. Posle hlaenja uzorka do sobne temperature, bruse se dve naspramne povrine paralelne sa osom uzorka u cilju merenja tvrdoe. Tvrdoa se odreuje metodom HRC du ose svake bruene povrine.
Slika6. ematski prikaz ispitivanja prokaljivosti eonim hlaenjem po metodi Domini.
Odstojanje d za prvih osam taaka od kaljene eone povrine izraeno u milimetrima iznosi: 1,5357111315 mm. Ostale take merenja su udaljene za 5 mm jedna od druge (sl.10.25b). Kriva prokaljivosti se dobija tako to se na apscisnu osu nanosi rastojanje od eone povrine d, a odgovarajua tvrdoa HRC (srednja vrednost) na ordinatnu osu (sl.7).
Slika 7. Kriva prokaljivosti. Tvrdoa u zavisnosti od rastojanja od eone povrine hlaenja.
Na slici.7prikazane su krive prokaljivosti za dva niskolegirana i tri ugljenina konstrukciona elika za poboljanje. Ako analiziramo krive prokaljivosti navedenih elika, uoavamo nekoliko pojedinosti. Niskelici (d i e) sa visokom prokaljivou odravaju prilino jednoliko krivu prokaljivosti, dok kod ugljeninih elika (a, b i c) krive prokaljivosti veoma brzo opadaju sa porastom rastojanja od eone povrine. Za datu brzinu hlaenja, na eonoj povrini, navedeni elici postiu tvrdoe veoma blizu maksimalno moguih vrednosti, i tvrdoa zavisi samo od sadraja ugljenika. Na primer, elici (b, d i e) sa sadrajem ~0,4% C na eonoj povrini (d = 0 mm) dostiu maksimalnu moguu vrednost tvrdoe, HRC = 57 (vidi Sl.8). Na rastojanju d = 10 mm tvrdoa za niskolegirane elike, oznaene sa d i e, je HRC = 55, odnosno, HRC = 53, dok je za ugljenini elik b samo HRC = 26. elici sa veim sadrajem ugljenika imaju veu tvrdou na eonoj povrini, gde je najvea brzina hlaenja(d) moe se zakljuiti da elik oznaen sa c, koji ima vee metalno zrno austenita #2, ima veu prokaljivost, jer ima manju brzinu razlaganja aOvo se tumai time to za datu brzinu hlaenja krupnozrni austenit daje veu koliinu martenzita u odnosu na sitnozrni austenit #8. Krive prokaljivosti imaju veliki praktian znaaj zato to: (1) ako su poznate brzine hlaenja za bilo koje rashladne sredstvo, tvrdoa se moe dobiti direktno sa krive prokaljivosti datog elika i (2) za izmerenu tvrdou u bilo kojoj taki, moe se odreture za = 0 mm), kao i pri manjim brzinama hlaenja (d = 30 mm) (c, b i a). Takoe, ustenita. diti brzina hlaenja za taj elik korienjem krive prokaljivosti. (3) Korienjem vrednosti tvrdoe polumartenzitne struk poznati sastav elika i njegove krive prokaljivos-ti, mogue je odrediti dubinu prokaljivanja.Slika 8 Krive pro kaljivosti za pet elika razliitog hemijskog sastava i veliine metalnog zrna.
4. Naini kaljenja
Proces kaljenja se sastoji u zagrevanju do temperature kaljenja (austenitno podruje), dranturi i kasnije hlaenjem brzinom veom od kritine u cilju dobijanja martenzitne strukture. Za dobijanje kaljenih struktura, zavisno od vrste elika, oblika i dimenzije dela, bira se najpodesniji nain kaljenja. Kaljenje hlaenje mainskih delova moe se izvesti: kontinuiranim kaljenjem, kaljenjem u dva rashladna sredstva, stepenastim kaljenjem, izotermalnim kaljenjem i obradom elika na niskim temperaturama. Kontinuirano kaljenje. To je postupak kaljenja sa hlaenjem u jednom rashladnom sredstvu (voda, ulje) do potpunog hlaenja (sl.9a). Za ravnomerno hlaenje delova potrebno je njihovo pokretanje u vertikalnom pravcu (goredole) ili kruno kretanje u sredstvu za hlaenje. Za ravnomerno
i cirkulacija sredstva za hlaenje pomou posebnih ureaja. Nedostatak kaljenja u jednom sredstvu (ako se hladi vodom) pojava je znaajnih unutranjih napona koji mogu dovesti i do pojave prslina. Kaljenje u dva sredstva. Delovi se brzo hlade u vodi do neto iznad temperature poetka martenzitne transformacije Mp, a zatim se prenose u sredstvo sa manjim intenzitetom za hlaenje (ulje, vazduh) i hlade do sobne temperature (sl.9). Na taj nain u temperaturnom intervalu martenzitne transformacije smanjuju se unutranji naponi, a time i mogunost obrazovanja prslina.
Slika 9. ematski prikaz naina kaljenja. (a) Jedno rashladno sredstvo; (b) dva rashladna sredstva.
Stepenasto kaljenje. Sutina ovog naina kaljenja je u tome da se delovi zagrejani do potrebne tempera-ture hlade u rastopljenim solima (na pr. 55% KNO3 + 45% NaNO2 temperature topljenja 137C ili 75% KOH + 25% NaOH temperature topljenja 150C). Ove rastopljene soli imaju temperaturu neto iznad temperature poetka martenzitne transformacije Mp za dati elik. Posle dranja na toj temperaturi odreeno vreme, koje je potrebno da se izjednae temperature po celom preseku, delovi se vade iz rastopljene soli i hlade na vazduhu (sl.10). Za vreme dranja u rastopljenim solima nema strukturnih promena, a martenzit se obrazuje hlae-njem na vazduhu.
Slika 10. ematski prikaz naina kaljenja: (a) stepenasto kaljenje; (b) izotermalno kaljenje.
Stepenastim kaljenjem smanjuju se: unutranji naponi, deformacije i mogunost pojave prslina. Stepe-nasto kaljenje ugljeninih elika moe se primeniti samo kod delova iji prenik nije vei od 10 mm, jer brzina hlaenja delova veih dimenzija u rastopljenim solima je manja od kritine, pa dolazi do deliminoi obrazovanja feritnocementitne strukture, to umanjuje tvrdou. Delovi od ugljeninih elika, a veih su dimenzija, hlade se u rastopljenim solima koje imaju temperaturu neto niu od temperature Mp (160110C), ime se postiu vee brzine hlaenja. I u ovom sluaju smanjeni su unutranji naponi i deformacije. Izotermalno kaljenje. Ovaj nain kaljenja slian je stepenastom kaljenju, delovi zagrejani do potrebnih temperatura kaljenja hlade se u rastopljenim solima ija je temperatura neto iznad temperature poetka marten-zitne transformacije Mp. Vreme dranja delova u rastopljenim solima treba da bude dovoljno dugo da bi se g razlaganja austenita i obrazovala struktura nieg beinita, a zatim se dalje hlade na vazduhu (sl.10.29b). Izotermalno kaljenje ugljeninih elika ne daje neka bitna poveanja mehanikih svojstava u odnosu na termirazlaganje austenita nije potpuno. Austenit koji se nije transformisao ostaje u strukturi, tako da elik dobija strukturu beinita sa 1020% zaostalog austenita. Ovakva struktura elika ima visoku vrstou i dobru ilavost. Obrada elika na niskim temperaturama. Posle kaljenja elika koji sadri vie od 0,40,5% C u strukturi, pored martenzita prisutan je i zaostali austenit. Zaostali austenit smanjuje tvrdou, otpornost na habanje i utie na promenu dimenzija zbog zakasnele transformacije austenita u martenzit. Sutina ove obrade je u produenom hlaenju kaljenih elika do temperatura koje su nie od 0C sa ciljem da se zaostali austenit transformie u martenzit. Ovoj obradi podvrgavaju se uglavnom elici ija je temperatura zavretka martenzitne transformacije Mk na temperaturi nioj od 0C. Sniavanjem temperature zavretka martenzitne transformacije Mk do u martenzit. Rezultat ove transformacije je porast tvrdoe za 13 HRC, poveanje zapremine i stabilizacija dimenzija delova. Kako u procesu obrade dolazi do porasta unutranjih napona, hlaku obradu poboljanja (kaljenje + otputanje). Kod veine legiranih elika u procesu izotermalnog kaljenja, 30C, pa ak i do 70C prouzrokuje se transformacija zaostalog austenita enje se izvodi oro, a odmah zatim obrada otputanjem. iskim temperaturama mora se uraditi neposredno posle kaljenja, jer dranje kaljenih elika ekoliko asova na sobnoj temperaturi moe stabilizovati austenit i tako umanjiti efekat obrade. alo poveanje zapremine. Kaljeni elik (0,61,3% C) posle niskog otputanja ima tvrdou HRC = 5 no vreme, veliki de a se granica elastinosti i ilavost. Visoko otputanje. Zagrevanjem do temperatura 500680C i dranjem 16 asova, u zavisnosti od lazi do ukrupnjavanja cementitnih lamela, a dobijena struktura je otputeni sorbit. Visokim tputanjem postie se najbolji odnos izmeu vrstoe i ilavosti. . Ovaj postupak trukturne nehomogenosti karakteristine za kaljene delove, i martenzit se prevodi Posle poboljanja elik ima veu vrednost napona teenja i vee izduenje nego pre kaljenja (sl.10.30a). Ovim se znatno poveava povrina ispod krive naponizduenje, to jasno ukazuje na poveanje vrednosti ilavosti u odnosu na stanje pre poboljanja, a pogotovu u odnosu na stanje posle kaljenja.
5. Otputanje
Termika obrada kojom se kaljeni elik zagreva do temperatura niih od take AC1, dri na toj tempera-turi odreeno vreme, a zatim sporo hladi, i pri tom prouzrokuje transformaciju nestabilne strukture kaljenog elika u stabilniju strukturu naziva se otputanje. Otputanje ima za cilj smanjenje ili potpuno uklanjanje unutranjih napona, smanjivanje krtosti kalje-nog elika i dobijanje eljenih struktura i mehanikih svojstava. U zavisnosti od temperature zagrevanja razliku-ju se tri vida otputanja: nisko, srednje i visoko.
Slika11. (a) Dijagram naponizduenje, pre kaljenja, posle kaljenja i poboljanja; (b) promena mehanikih svojstava u zavisnosti od temperature otputanja.
Termikom obradom poboljanja poveava se vrstoa, postie se najbolji odnos izmeu vrstoe i ilavosti, umanjuje osetljivost na koncentraciju napona, sniava se prelazna temperatura i potrebna je vea energija za razvoj prsline. Meutim, otpornost na habanje, zbog smanjenja tvrdoe, nije velika. III. TERMOMEHANIKE OBRADE ELIKA
Proces termike obrade kojim se elik zagreva do temperatura iznad take AC3, dri na toj temperaturi odreeno vreme, a zatim dobijeni austenit plastino deformie za odreen stepen deformacije i kasnije hladi kritinom brzinom u cilju dobijanja martenzitne strukture, naziva se termomehanika obrada. Razlikuju se dva naina termomehanike obrade: visokotemperaturna termomehanika obrada (VTMO) i niskotemperaturna termomehanika obrada (NTMO). U procesu VTMO elik (delovi) zagreva se do temperature iznad take AC3 i kasnije se plastino deformie na toj temperaturi (stepen deformacije 2030%), a zatim se kali i nisko otputa (sl 12a). U procesu NTMO elik (delovi) zagreva se do temperatura iznad take AC3, hladi do temperature na kojoj je austenit jo relativno stabilan, ali nie od temperature rekristalizacije, plastino deformie na toj temperaturi (stepen deformacije 7595%), zatim kali i nisko otputa (sl.12b).
Slika 11. ematski prikaz procesa termomehanikih obrada: (a) VTMO; (b) NTMO.
Sa VTMO moe se obraivati bilo koji elik (ugljenini, legirani), dok se sa NTMO obrauju samo elici sa visokom stabilnou pothlaenog austenita (legirani elici). Posle termomehanikih obrada dobijena mehanika svojstva elika su izrazito dobra u poreenju sa svojstvima dobijenim posle termike obrade kaljenja i otputanja (Rm = 20002200 N/mm2, a izduenje A5,65 = 34%). Najvea vrstoa se postie posle NTMO: zatezna vrstoa Rm = 28003300 N/mm2, a izduenje A5,65 = 57%. Posle VTMO: zatezna vrstoa Rm = 22002600 N/mm2, a izduenje A5,65 = 78%. Ovde je vrlo vano primetiti da, posle termomehanikih obrada pored visokih vrednosti zatezne vrstoe, elik zadrava i dobru plastinost. Visoka mehanika svojstva elika posle termomehanikih obrada objanjavaju se poveanjem gustine dislokacija u martenzitu, drobljenjem njegovih kristala na subzrna veliine delova mikrona, sa velikom uzajam-nom razorijentisanou od 1015. Dislokaciona struktura koja je formirana u austenitu pri deformaciji ostaje posle kaljenja i otputanja u martenzitu.
IV. POVRINSKO KALJENJE
Proces termike obrade u kojem se zagreva samo povrinski sloj do temperature iznad take AC3 za podeutektoidne, i iznad take AC1 za nadeutektoidne elike, a zatim hladi brzinom veom od kritine brzine, sa ciljem da se u povrinskom sloju dobije martenzitna struktura naziva se povrinsko kaljenje. Ovim nainom kali se samo povrinski sloj, dok jezgro mainskog dela zadrava svoju polaznu strukturu. Osnovna namena povrin-skog kaljenja je poveanje: povrinske tvrdoe, otpornosti na habanje, otpornosti na koroziju i dinamike vrstoe. U industrijskoj praksi najvie se koristi postupak povrinskog kaljenja indukcionim zagrevanjem, a ree povrinsko kaljenje zagrevanjem gasnim plamenom. Za oba postupka povrinskog kaljenja zajedniko je da se elik zagreva snanim toplotnim izvorom, a zatim odmah hladi da bi se spreilo dublje prodiranje toplote, a time i vee prokaljivanje. Povrinsko kaljenje indukcionim zagrevanjem. Za zagrevanje delova koristi se struja visoke uesta-nosti (0,5100 kHz). Struja visoke uestanosti koja se proputa kroz induktor stvara promenljivo magnetno polje. Postavljanjem dela u promenljivo magnetno polje induktora, u delu se stvaraju vihorne struje koje zagrevaju njegov povrinski sloj do potrebne temperature za kaljenje. Dubina prodiranja struje jednaka je dubini zakalje-nog sloja i zavisi od uestanosti struje. to je via uestanost struje, to je manje prodiranje u dubinu materijala dela, a samim tim je manja dubina zakaljenog sloja. Dubina zakaljenog sloja se moe vrlo tano regulisati, a kree se u granicama od 0,76 mm. Na primer: za dubinu sloja od 1 mm optimalna uestanost struje je 5060 kHz; za sloj 2 mm ~15 kHz, a za sloj 4 mm ~ 4 kHz. Brzina zagrevanja u oblasti faznih transformacija od take AC1 do AC3 ~30300C/s. Brzina i temperatura zagrevanja zavise od uestanosti struje i zazora izmeu induktora i dela koji se kali. Dubina zakaljenog sloja postie se od 0,76 mm. Hlaenje posle zagrevanja zavisi od oblika i dimenzija delova. Kaljenje delova manjih dimenzija je jednovremeno zagrevanje i hlaenje po celoj povrini dela (sl 12a). Delovi se prvo zagreju, a zatim hlade mlazom vode kroz otvore na unutranjoj strani induktora. Delovi vee duine se neprekidno provlae kroz induktor odreenom brzinom. Neprekidnim provlaenjem deo se postepeno zagreva po celoj duini. Odmah iza induktora postavljen je ureaj za hlaenje iz koga se mlazom vode hlade zagrejane povrine dela (sl.10.32b). Ako se povrinsko kaljenje primenjuje na pojedine povrine delova, koristie se postepeno zagrevanje i hlaenje svake pojedinane povrine, kako je to pokazano na primeru kaljenja rukavaca kolenastog vratila (sl.12c).
Slika 12. ematski prikaz naina povrinskog kaljenja indukcionim zagrevanjem: (a) jednovremeno; (b) neprekidno; (c) pojedinano.
Posle kaljenja, u cilju smanjenja unutranji napona, delovi se nisko otputaju (160200C). Delovi povrinski kaljeni indukcionim zagrevanjem imaju dobra mehanika svojstva: visoku tvrdou u povrinskom sloju HRC = 5060, visoku otpornost na habanje, visoku vrstou uz relativno malo smanjenje ilavosti i visoku dinamiku vrstou. Indukciono zagrevanje ima vie prednosti: kratko vreme zagrevanja, posle obrade kaljenjem na povri-nama delova nema oksida, smanjena je pojava unutranjih napona i deformacija kao posledica obrade, mogua je potpuna automatizacija procesa obrade, indukciono zagrevanje nema ekonomske opravdanosti za pojedinanu obradu jer se za svaki pojedinani oblik dela mora izraditi odgovarajui induktor, to proizvodi visoke trokove obrade. Povrinsko kaljenje zagrevanjem gasnim plamenom. Ovaj nain povrinskog kaljenja kao toplotni izvor za zagrevanje povrina delova koristi toplotu nastalu sagorevanjem meavine acetilena i kiseonika (C2H2 + O2). Plamen meavine acetilena i kiseonika ima vrlo visoku temperaturu ~3150C usled ega se povrinski sloj brzo zagreva do potrebne temperature kaljenja za kratko vreme, dok unutranji slojevi jezgro, ostaju nezagrejani. Posle zagrevanja odmah sledi hlaenje mlazom vode (sl.13). Posle povrinskog kaljenja delovi se nisko otputaju na temperaturi 160180C, u cilju smanjenja unutranjih napona. Struktura u tankom povrin-skom sloju je martenzitna, a u niim slojevima trustitnomartenzitna.
Slika 13. ematski prikaz povrinskog kaljenja zagrevanjem gasnim plamenom.
Dubina zakaljenog sloja moe biti od 26 mm, to zavisi od snage gorionika i brzine njegovog kretanja i rastojanja izmeu gorionika i mlaznica za hlaenje. Sa poveanjem brzine kretanja gorionika smanjuje se vreme dejstva plamena, to smanjuje dubinu prokaljivanja. Smanjivanjem brzine kretanja gorionika dobija se vea dubina prokaljivanja, ali moe doi do pregreva-nja materijala sa svim negativnim posledicama. Tvrdoa zakaljenog sloja kod elika sa 0,40,5% C moe dostii vrednost HRC = 5056. Nedostatak ovog naina povrinskog kaljenja je mogunost pregrevanja povrinskog sloja i teko ostvarivanje zadate dubine prokaljivanja. Ovaj nain povrinskog kaljenja koristi se za delove velikih dimenzija kao to su: valjaoniki valjci za hladno valjanje metala, velika vratila, zubi velikih zupanika i dr.
V. GREKE NASTALE U PROCESU TERMIKE OBRADE
Usled nepravilno primenjene tehnologije termike obrade elika na delovima mogu nastati razliite greke kao to su: nedovoljno zagrevanje, pregrevanje, pregorevanje, razugljenisavanje, prsline i deformacije. Nedovoljno zagrevanje. Nedovoljno zagrevanje nastaje u sluaju ako se elik zagreje do temperatura koje su nie od potrebnih. Na primer, ako se podeuktektoidni elik zagreje do temperatura koje su nie od take AC3, to znai da e deo ferita ostati netransformisan u austenit. Posle hlaenja austenit se transformie u martenzit, a ferit koji nije transformisan ostaje u strukturi kaljenog elika. Kao rezultat dobija se struktura martenzit + ferit. Kako je ferit relativno mek (HBS = 80), on smanjuje tvrdou delova posle kaljenja. Ova greka moe se ispraviti tako to se nedovoljno zagrejan kaljeni elik ari, a zatim ponovo zagreva do potrebnih temperatura. Pregrevanje. Do pregrevanja dolazi u sluaju ako se elik zagreva do temperatura koje su mnogo vie od potrebnih temperatura (znatno iznad AC3 i ACm), ili ako se pri normalnim temperaturama dri due vreme. Posledica pregrevanja je pojava krupnozrnog austenita. U procesu sporog hlaenja pregrejanog elika u temperaturnom intervalu kritinih taaka Ar3Ar1, dolazi do pojave jako krte [footnoteRef:3]Vidmantetenove strukture. Kao rezultat pregrevanja u procesu kaljenja obrazuje se krupnoigliasti martenzit. Mehanika svojstva pregrejanog elika su znatno nia. Otklanjanje greaka pregrevanja nastalih u procesu arenja zahteva ponovno arenje, ili delove podvrgnuti procesu normalizacije. elike pregrejane u procesu kaljenja ariti i ponoviti kaljenje. [3: Izdvajanje ferita (cementita) u obliku ploicaiglica po granicama metalnih zrna i njihov rast unutar zrna du odreenih ravni. ]
Pregorevanje. Pregorevanje nastaje u sluaju kada se elik zagreva do temperatura koje su bliske temperaturi topljenja. Pregorevanje je praeno izdvajanjem oksida eleza po granicama metalnog zrna zbog ega su elici veoma krti. Pregorevanje je nepopravljiva greka. Oksidacija i razugljenisavanje. Oksidacija i razugljenisavanje elika u procesu zagrevanja dolazi kao posledica uzajamnog dejstva njegove povrine sa gasovima koji se nalaze u atmosferi pei (kiseonik, vodonik). Oksidaciju karakterizuje stvaranje oksida eleza FeO na povrini delova. Oksid predstavlja nepovratni gubitak materijala, dovodi do neujednaene tvrdoe i zahteva neophodnu dopunsku obradu delova, to poveava trokove izrade. Razugljenisavanje je proces smanjivanja sadraja ugljenika u povrinskim slojeva delova (C + O2 CO2) i dovodi do stvaranja feritne strukture u povrinskom sloju, to jako smanjuje tvrdou na povrini delova, a time i otpornost na habanje. Najbolji nain da se delovi u procesu zagrevanja zatite od oksidacije i razugljenisavanja jeste zagrevanje u peima sa zatitnom (kontrolisanom) atmosferom koja je inertna u odnosu na elik. Prsline. U procesu termike obrade prsline se obrazuju pri suvie velikim brzinama hlaenja ili zagrevanja. Prsline se pojavljuju kada unutranji naponi dostignu vrednost zatezne vrstoe elika. One se, uglavnom, obrazuju u procesu kaljenja kada se hlaenje odvija velikom brzinom u temperaturnom intervalu MpMk. Sklonost obrazovanja prslina raste sa porastom ugljenika u eliku i sa poveanjem temperature zagrevanja. Pored toga prsline mogu nastati i zbog pojave koncentracije napona (otre promene poprenog preseka, zarezi, udubljenja i sl.). Prsline su greke koje se ne mogu ispraviti i delovi sa prslinama se odbacuju. Da bi se spreilo obrazovanje prslina preporuuje se: pri konstruisanju delova izbegavanje izvora koncentracije napona; kaljenje sa to je mogue niim temperaturama; postizanje potpune prokaljivosti, sporo hlaenje u temperaturnom intervalu od MpMk (hlaenje u dva rashladna sredstva, stepenasto ili izotermalno kaljenje, izvoenje otputanja odmah posle kaljenja). Deformacije. Deformacije (izmena dimenzija i oblika), koje nastaju na delovima pri termikoj obradi, jesu rezultat termikih i strukturnih napona koji se javljaju u eliku usled neravnomernog hlaenja i faznih transformacija. Neravnomerno zagrevanje, visoke temperature, nepravilan poloaj delova u sredstvu za hlaenje i velike brzine hlaenja u temperaturnom intervalu martenzitne transformacije mogu dovesti do krivljenja delova. Spreavanje krivljenja delova postie se pravilnim izborom reima termike obrade (temperatura zagrevanja, brzina i nain hlaenja), a kod dugih i tankih delova koristiti se kaljenje u alatima.
ZAKLJUAK
Iz prezentovanog materijala mozemo izvesti zakljucak da je razvitak masinske industrije u 21. vijeku napravio ogroman pomak tj. da se uz upotrebu razlicitih naucnih oblasti doslo do usavrsavanja proizvodnje , prerade I upotrebe celika .Kako znamo da je celik jedan od najpotrebnijih materijala danasnjice za sve vidove privrede I industije , dolazimo do spoznaje da ce se jos vise raditi na obogacivanju I iznalazenju novih I modernijih nacina obrade I proizvodnje celika I njegovih legura ,a sve u cilju zadovoljenja ljudskih potreba I smanjenja utrosene energije.
LITERATURA
[1] Jovanovic,M.,Masinski materijali,Masinski fakultet Kragujevac,2003.[2] Ratkovic,N.,Masinski materijali,Masinski fakultet Kragujevac,2003.[3] Adamovic,D..Masinski fakultet Beograd,2009.[4] Lazic,V.,Masinski fakultet Beograd,2002.
1
