1

Mašinski /Tehnički materijali

TERMIČKA OBRADA ČELIKA

2

Tem

pe

ratu

ra

Vreme

Zag

reva

nje

Hladjenje

Progrevanje ProgrevanjeH

ladje

nje

Zamrzavanje

Tem

pe

ratu

ra

Zagre

vanje

Vreme

Zagrevanje

Termička obrada je tehnološki proces koji se sastoji iz zagrevanja metala do odredjene temperature, zadržavanja na toj temperaturi i hladjenja do sobne temperature

Cilj termičke obrade metala i legura jeste da se promene neke njihove mehaničke i fizičko-hemijske osobine, pre svega faznim i strukturnim promenama u čvrstom stanju; te su promene uglavnom funkcija temperature, vremena

Tok termičke obrade Tok termičke obrade sa hladjenjem ispod 0°C

3

Vrste termičke obrade čelika

U postupke obične termičke obrade spadaju:

Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno,

rekristalizaciono, za otklanjanje napona);

Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko);

Otpuštanje (nisko, srednje, visoko).

4

Žarenje čelika

Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi

zagrevaju do odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme

na tim temperaturama i zatim lagano hlade. Time se postiže

uspostavljanje strukturne ravnoteže koja je poremećena nekim

prethodnim postupkom termičke ili mehaničke obrade.

Posle žarenja se dobija perlitno-feritna, perlitna, ili perlitno-cementitna

struktura (zavisno od sastava čelika).

Cilj žarenja je da se popravi obradljivost čelika, da se

homogenizuje neujednačena struktura, uklone unutrašnji

naponi, smanji tvrdoća, poveća plastičnost i žilavost itd.

5

dele se na postupke sa faznim promenama:

difuzno,

normalizaciono,

meko i

potpuno žarenje

i postupke žarenja bez faznih promena

rekristalizaciono žarenje i

žarenje radi popuštanja napona.

Metodi žarenja

6

Difuziono (homogenizaciono) žarenje

Zasniva se na zagrevanju čelika (visoko u austenitnom području), nešto ispod solidus linije, dugotrajnom progrevanju na toj temperaturi i sporom hladjenju. Primenjuje se radi:

smanjenja nejednorodnost hemijskog sastava kod čeličnih odlivaka,

poboljšanja mikrostrukture koja umesto neujednačene (dendritne)

postaje homogena.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pe

ratu

ra, °

C Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

AC3

A Cm

Sadržaj C, maseni %

AC1 AC1,3 723°C 500°C

10 - 40 h

1050 - 1200°C

Vh = 50 - 100 °C

/h

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3

Žarenje sa faznim promenama

7

Normalizaciono žarenje (normalizacija)

Izvodi se zagrevanjem čelika ili čeličnog liva do temperature oko 30 do 50°C

iznad gornje kritične temperature A3 za podeutektoidne, odnosno iznad

ACm za nadeutektoidne čelike, zatim progrevanjem pri toj temperaturi i

najzad hladjenjem na mirnom vazduhu.

Cilj normalizacije je da se dobije ravnomerna i sitnozrnasta struktura.

Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci, otkovci i

zavareni spojevi od debelih čeličnih delova loše zavarljivosti.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

AC3

A Cm

Sadržaj C, maseni %

AC1 AC1,3 727°C

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3 (ACm)Na mirnom vazduhu

30

-50

°C

8

Meko (sferoidalno) žarenje

Izvodi se zagrevanjem oko donje kritične temperature (Ac1), zadržavanjem nekoliko desetina sati na toj temperaturi i zatim se delovi sporo hlade do sobne temperature.

Kao rezultat ove obrade dobija se struktura mekšeg-zrnastog (globularnog) cementita, umesto lamelarnog koji je tvrdji.

Primenjuje se radi poboljšanja obradljivosti rezanjem, naročito otkovaka od visokougljeničnih i legiranih čelika.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

AC1

AC3

AC1,3

A Cm

Sadržaj C, maseni %

727°C

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3 (ACm)

Na vazduhu

18 - 24 h

9

Potpuno žarenje

Zasniva se na zagrevanju čelika do austenitnog područja (30-50°C iznad tačke AC3 - ACm), zatim zadržavanju na odabranoj temperaturi i veoma sporom hladjenju u peći u intervalu faznih promena (A3, ACm,- A1). Dalje hladjenje od A1 do sobne temperature može biti na vazduhu.

Svrha potpunog žarenja jeste usitnjavanje zrna, ujednačavanje strukture, kao i otklanjanje sopstvenih napona, tako da čelik postane mekši i kovniji.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pe

ratu

ra, °

C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

Sadržaj C, maseni %

AC1 AC1,3 723°C

AC3

A Cm

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3 (ACm)

Na va

zduhu

U peći

30

- 5

0 °

C

Kad se kaže samo žarenje bez bližeg odredjenja, misli se na potpuno žarenje.

10

Izotermalno žarenje

Deo se zagreva 30-50°C iznad gornje kritične temperature AC3, zatim brzo hladi do temperature nešto iznad 550ºC, zadržava pri toj temperaturi do završetka perlitne promene i najzad hladi na vazduhu.

Izotermalno žarenje ima prednost u odnosu na potpuno žarenje jer obezbeĎuje skraćeno vreme procesa i dobijanje jednorodnije strukture.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pe

ratu

ra,

°C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

Sadržaj C, maseni %

AC1 AC1,3 723°C

AC3

A Cm

Vreme

Te

mpe

ratu

ra

AC1

AC3 (ACm)

Na vazd

uhu

30

- 5

0 °

C

Iznad 550°C

Brz

o

11

Rekristalizaciono žarenje

Zasniva se na zagrevanju metala, prethodno plastično deformisanog na hladno, do temperature više od temperature rekristalizacije, zadržavanju na toj temperaturi i hladjenju proizvoljnom brzinom.

Temperatura rekristalizacije (Tr) metala i legura zavisi pre svega od njihove temperature topljenja (Tt,). Za tehnički čiste metale, ona približno iznosi , a za legure tipa čvrstog rastvora ; niskougljenični čelici imaju , što predstavlja granicu prerade na toplo i hladno.

0.4r tT T

0.6r tT T 650rT C

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3 (ACm)

650 - 700 °C

Vreme zavisi od preseka dela

Proizvoljno

Žarenje bez faznih promena

12

Žarenje za otpuštanje napona

Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i potonjim još sporijim hladjenjem nego pri zagrevanju.

Čelične odlivke i odlivke od livenog gvoždja treba žariti radi otpuštanja napona pri temperaturi 500-600°C

Vreme

Te

mp

era

tura

AC1

AC3 (ACm)

150-650°C

13

Kaljenje čelika

Kaljenje čelika je termička obrada koja se izvodi zagrevanjem radnog predmeta iznad

temperature Ac3, za podeutektoidne i A1,3 za nadeutektoidne čelike, progrevanjem na toj

temperaturi i hladjenjem brzinom većom od kritične.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

AC1

AC3

AC1,3

A Cm

Sadržaj C, maseni %

723°C

30-5

0°C

Kaljenje može biti zapreminsko i površinsko.

Zapreminsko kaljenje može biti martenzitno (M) (kontinualno, stepenasto) i

bejnitno (B) (izotermičko).

14

Prekidno kaljenje

Prekidno kaljenje omogućuje da

se deformacije delova pri kaljenju

svedu na minimum, izbegnu

prsline i dimenzijske greške.

15

Kaljenje na niskim temperaturama

Ovim postupkom postiže se odgovarajuće

povećanje tvrdoće i bolja stabilizacija

strukture, smanjuju se unutrašnji strukturni

naponi i time umanjuje sklonost ka spontanoj

promeni specifične zapremine u toku vremena

(tzv. starenje), što je u nekim slučajevima veoma

značajno.

Na primer, pri izradi preciznih mernih alata

potrebno je ostvariti dimenzijsku stabilnost, koja

neće biti poremećena u toku vremena, pa se oni

često kale na niskim temperaturama.

Pri termičkoj obradi čelika na sniženim

temperaturama dolazi do:

povećanja tvrdoće,

stabilizacije dimenzija.

16

Otpuštanje

Za čelični delove se uvek posle kaljenja, izvodi naknadno zagrevanje i sporo

hladjenje, jer u njima zaostaju znatni unutrašnji naponi, pa su dosta krti.

Proces termičke obrade, tj. naknadnog zagrevanja do ispod kritične

temperature A1, držanja kraće vreme na toj temperaturi i zatim laganog

hladjenja (na primer, na mirnom vazduhu), naziva se otpuštanje.

17

Zavisno od temperature zagrevanja pri otpuštanju ugljeničnih čelika, razlikuju se:

nisko,

srednje i

visoko otpuštanje.

Pri niskom otpuštanju sopstveni

naponi nastali pri kaljenju opadaju

uz neznatno poboljšanje

plastičnosti i održavanje visoke

tvrdoće, jačine i otpornosti na

habanje.

Uglavnom se koristi za alate, opruge,

kontrolnike.

18

Pri srednjem otpuštanju jačina

i napon tečenja ostaju isti kao i

posle kaljenja, ali raste granica

elastičnosti, otpornost na

relaksaciju i dinamička

izdržljivost.

Zato se na ovaj način otpuštaju

delovi kao što su opruge (lisnate,

zavojne).

Pri visokom otpuštanju postiže se najbolja duktilnost i žilavost.

19

Poboljšanje

Kaljenje i visoko otpuštanje zajedno se

nazivaju poboljšanje. U poredjenju

sa čelikom u normalizovanom ili

žarenom stanju, kaljenje praćeno

visokim otpuštanjem dovodi do

istovremenog povećanja jačine i

napona tečenja, istegljivosti,

suženja i naročito udarne

žilavosti.

20

Površinsko kaljenje

Površinsko kaljenje je termička obrada

kojom se zakaljuju samo površinski

slojevi komada, dok njegovo jezgro

zadržava početnu strukturu.

Tako se dobija velika površinska

tvrdoća uz veliku žilavost i manju

tvrdoću jezgra što je poželjno kod delova

od kojih se traže sledeće osobine:

velika otpornost površine protiv habanja,

povećana otpornost protiv udarnog

dinamičkog opterećenja i

visoka granica zamaranja površine. T

em

pera

tura

Udaljenost od površine

AC3

AC1

I II III

2 4 6 800

20

40

60

Udaljenost od površine, mmT

vrd

oća

H

RC

Raspodela temperature i tvrdoće na različitim

udaljenostima od kaljene površine

21

Površinsko kaljenje se sastoji iz brzog zagrevanja površinskih

slojeva do temperature kaljenja i zatim brzog hladjenja; pri tome

se austenit u površinskim slojevima preobražava u martenzit.

Prema izvoru toplote razlikujemo:

površinsko kaljenje plamenom i

indukciono površinsko kaljenje.

Površinski okaljen sloj zupčanika

22

Površinsko kaljenje plamenom

Površinsko kaljenje plamenom može se izvesti na postupan način ili izjedna.

a) b) Primeri površinskog kaljenja cilindričnih površina: a) postupno kaljenje, b) kaljenje izjedna

23

Površinsko kaljenje plamenom

24

25

26

Indukciono kaljenje