seminarski termicka obrada kaljenje

UNIVERZITET U ZENICI Mainski fakultet u Zenici

Seminarski rad iz predmeta Termika obrada i povrinske prevlake

Tema: Kaljenje, kaljivost i prokaljivost

Student : Mentor : Topalovi Adnan doc. dr. Naija Harai Zenica, 15. juli 2005. godine

SADRAJ

1. Kaljenje ..................................................................................................................1 1.1. Tipovi kaljenja ....................................................................................................1

1.1.1. Kaljenje sa kontinualnim hlaenjem (obino kaljenje) ................................1 1.1.2. Kaljenje u dvije sredine................................................................................2 1.1.3. Stepenasto kaljenje.......................................................................................2 1.1.4. Izotermno kaljenje........................................................................................3 1.1.5. Kaljenje strujom fluida.................................................................................4

1.2. Niskotemperaturno otputanje ............................................................................5 1.2.1. Samootputanje ............................................................................................5 1.2.2. Otputanje sa koritenjem spoljne toplote....................................................5 1.2.3. Viestruko otputanje ...................................................................................5 1.2.4. Duboko hlaenje ..........................................................................................5

2. Kaljivost .................................................................................................................9 3. Prokaljivost ..........................................................................................................10 4. Literatura..............................................................................................................29

Kljune rijei: Kaljenje, kaljivost, prokaljivost, termika obrada.

Termika obrada i povrinske prevlake___________________________Seminarski rad

1

1. KALJENJE Pod kaljenjem se najee podrazumijeva proces termike obrade u kome se dio elika zagrijava na temperaturu iznad A3 (ili iznad A1), a zatim dovoljno brzim hlaenjem dovodi do nastajanja neravnotene strukture martenzita kod veine konstrukcionih i alatnih elika. Osnovni cilj kaljenja je poveavanje tvrdoe.

Slina operacija kod visokolegiranih austenitnih elika odstupa od navedene definicije utoliko to se sprovodi zbog stabilizacije austenitne strukture koja je male tvrdoe, ali se zbog istog toka izvoenja naziva kaljenje. To je istovremeno i jedini sluaj kada se kaljenje obavlja kao potpuno samostalna i zavrna operacija termike obrade. U svim drugim sluajevima kaljenje je samo jedna operacija iza koje dolaze uvijek i druge (npr. otputanje).

Operacija kaljenja se preduzima u okviru raznih procesa termike obrade i sa razliitim ciljevima:

1. poveanje tvrdoe alata ili poveanje kontaktne tvrdoe jako optereenih dijelova (kotrljajui leajevi i slino). U ovim se sluajevima, poslije kaljenja, obavlja niskotemperaturno otputanje, pa je nosilac navedenih osobina struktura koja se sastoji od kubnog martenzita i cementita;

2. poboljavanje mehanikih osobina konstrukcionih elika (ponekad i alatnih) koje nosi naziv poboljavanje a sastoji se iz kaljenja i visokotemperaturnog otputanja. U ovom sluaju su nosioci povoljnih osobina prelazni oblici strukture, nastali raspadanjem martenzita (trustit i sorbit);

3. poboljanje mehanikih osobina konstrukcionih elika (ponekad i alatnih) postupkom koji nosi naziv disperziono ojaavanje a sastoji se iz kaljenja na prezasieni rastvor i otputanja (starenja). Cilj ovog postupka je izdvajanje iz prezasienog rastvora fino disperzovanih estica ojaavajuih faza (karbida, metalida, mjeovitih kristala) koje poboljavaju mehanike osobine smanjenjem slobode kretanja dislokacija;

4. kaljenje je jedna od operacija u okviru termike obrade cementiranih dijelova; 5. kaljenje je jedna od operacija u mnogim varijantama termo-mehanikih obrada; 6. kaljenjem se poveava stabilnost strukture austenitnih elika (hemijski postojanih ili

manganskog elika otpornog na habanje).

Prema nainu hlaenja, proces kaljenja se moe izvesti na vie naina, koji e u daljem izlaganju biti prikazani. 1.1. Tipovi kaljenja 1.1.1. Kaljenje sa kontinualnim hlaenjem (obino kaljenje) Ovaj nain kaljenja se obavlja tako to se komad zagrijan na temperaturu kaljenja stavlja u rashladno sredstvo, gdje se definitivno rashlauje do temperature sredstva. Ovo je najprostiji nain kaljenja i iroko se primjenjuje, a naroito je pogodan za mehanizovane i automatizovane procese. Grafikon ovog naina kaljenja dat je na sl.1.1.

Sl. 1.1 Grafikon obinog kaljenja sa niskim otputanjem [1]


2

Obino kaljenje se primjenjuje u sluaju prostijih oblika komada i vrsta elika koji nisu suvie osjetljivi na toplotne napone. 1.1.2. Kaljenje u dvije sredine Kod elika sa velikom kritinom brzinom hlaenja, ako su komadi sloenog oblika pa postoji opasnost nastajanja velikih toplotnih napona, ne moe se primijeniti obino kaljenje u otrom rashladnom sredstvu. Brzo hlaenje elika, dok jo nije poela martenzitna transformacija nema tetnih posljedica zbog velike ilavosti i male vrstoe austenita, tako da se viak toplotnih napona rastereti lokalnim plastinim deformacijama. Ovaj dio hlaenja moe se obaviti bez posljedica u otrom rashladnom sredstvu (npr. vodi). Kad poinje martenzitna transformacija i kada postoji opasnost od dejstva toplotnih napona, dalje hlaenje se moe nastaviti u blaem sredstvu (npr. ulju), ime se mogu umanjiti ove opasnosti. Grafikon postupka kaljenja u dvije sredine prikazan je na sl.1.2.

Sl. 1.2 Grafikon kaljenja u dvije sredine sa niskim otputanjem [1] Ovaj postupak kaljenja vrlo je delikatan zbog vrlo kratkog vremena hlaenja, pri emu se u tano odreenom trenutku mora promijeniti sredstvo hlaenja. Ovo kaljenje, pored velikog iskustva radnika, zahtijeva i savjestan rad. Postupak postaje znatno prostiji ako se oba sredstva za hlaenje nalaze u istom sudu, npr. ulje, koje mora biti tee, nalazi se u donjem dijelu suda a voda je iznad njega. Takav postupak se primjenjuje kod visokougljeninih alatnih elika. 1.1.3. Stepenasto kaljenje Nedostatak kaljenja u dvije sredine je u tome to je na kraju brzog hlaenja nastala temperaturna razlika na samom komadu i u tome stanju otpoinje martenzitna transformacija. Od ovakvog kaljenja povoljnije je stepenasto kaljenje koje se obavlja sa izotermnim nastajanjem martenzita, to je prikazano na sl.1.3.

Sl. 1.3 Grafikon stepenastog kaljenja ematski prikazan na termokinetikom dijagramu [1]


3

Temperatura izotermnog nastajanja martenzita bira se oko (iznad ili ispod) temperature poetka martenzitne transformacije, u oblasti stabilnog austenita, gdje ima uslova za izjednaenje veih temperaturnih razlika u komadu. Ovo izotermno zadravanje treba prekinuti na vrijeme (prije nego pone transformacija) i obaviti dalje hlaenje u blaem rashladnom sredstvu. Postoji mogunost lakog ispravljanja deformisanih dijelova poslije vaenja iz toplog kupatila a prije potpunog rashlaivanja i transformacije. Temperatura izoterme bira se obino neto iznad temperature poetka martenzitne transformacije dok kod brzoreznih elika ak neto ispod.

Dozvoljeno vrijeme zadravanja u toplom kupatilu odreuje se iz termokinetikog dijagrama elika. Nekoliko primjera za konstrukcione i alatne elike dato je u tabeli 1.1. Tabela 1.1 Dozvoljeno vrijeme zadravanja [1]

Oznaka elika

DIN JUS

Temperatura izotermnog Zadravanja

(C)

Najdue doputeno vrijeme zadravanja

(sekunde) 50 CrV 4 .4830 280 300 30 71 Si 7 .2135 200 240 50 100 Cr 6 .4146 280 300 50 145 Cr 6 .4340 250 300 50 C 70W 1 .1740 280 300 20 C 100W 1 .1940 220 250 50 105 CrW 6 .6440 250 300 20 S 3.3.2 .8780 400 540 180 S 18.0.1 .6880 400 550 240 S 12.1.2 .6882 400 550 300 S 6.5.2 .7680 400 580 180 S 18.1.2.5 .6980 400 580 180

Visoka temperatura kupatila smanjuje brzinu hlaenja, pa se na ovaj nain mogu kaliti samo komadi ogranienih dimenzija:

- ugljenini elici do 15 mm debljine, - niskolegirani do 40 mm i - visokolegirani preko 40 mm.

Kod elika za cementaciju, koji su male prokaljivosti, stepenasto kaljenje je mogue samo za cementirani sloj. Rashladna sposobnost toplog kupatila moe se poveati sniavanjem temperature soli ili dodavanjem u kupatilo vode u maloj koliini, jer ako se kupatilo prezasiti sa vlagom, zbog lijepljenja pare na povrinu komada, opet dolazi do smanjenja rashladne sposobnosti. 1.1.4. Izotermno kaljenje Izotermno kaljenje se obavlja na nekoj temperaturi iznad poetka martenzitne transformacije Mp u oblasti donjeg beinita kao i stepenasto kaljenje u sonom kupatilu, s tom razlikom to se vrijeme zadravanja u kupatilu ne ograniava ve se, naprotiv, dri sve do kraja transformacije sl.1.4.


4

Sl. 1.4 Princip izotermnog kaljenja [1]

Poto se u ovom sluaju transformacija austenita obavlja na temperaturi na kojoj je ograniena mogunost difuzije ugljika, to nee ni doi do martenzitne transformacije ve do transformacije u donji igliasti beinit (HRC 45 do 55), poslije ega nije potrebno niskotemperaturno otputanje.

Ovaj je nain kaljenja stoga svrsishodan kada je potrebno postii manju tvrdou i poveanu ilavost. Primjenjiv je kod elika sa veom prokaljivou, na sitnijim komadima i komadima nepogodnog oblika za kaljenje u otrim rashladnim sredstvima. 1.1.5. Kaljenje strujom fluida U savremenoj tehnologiji se tei kaljenju koje se izvodi isticanjem fluida velikom brzinom iz specijalnih hladilica (mlaznica) ili tueva, podeenih povrini komada, esto kombinovanih sa alatima za dranje komada koji spreavaju njegovo deformisanje i usmjeravaju hlaenje po intenzitetu na odreene povrine komada. Kao primjer takvog alata na sl.1.5 prikazan je takav pribor za pridravanje i usmjereno kaljenje strujom fluida upravo radne povrine alata za presovanje zavrtanja.

U ovom sluaju se brzinom isticanja fluida i trajanjem hlaenja moe hlaenje regulisati, sa dobrim uslovima za ponovljivost procesa, to omoguava automatizaciju ove operacije.

Sl. 1.5 Pribor za kaljenje alata za presovanje zavrtnja [1]


5

1.2. Niskotemperaturno otputanje Poslije kaljenja primjenjuje se niskotemperaturno otputanje iji je cilj da eliku koji e se koristiti u tvrdom stanju smanji krutost i nestabilnost strukture (sklonost ka starenju). Ovo otputanje je obavezno poslije svakog kaljenja alata, slinih dijelova i cementiranih i kaljenih dijelova.

Prema neinu izvoenja niskotemperaturnog otputanja, razlikuju se sljedei procesi otputanja:

- samootputanje uz koritenje toplote kaljenja, - otputanje sa koritenjem spoljne toplote i - viestruko otputanje.

1.2.1. Samootputanje Ako se pri kaljenju komad u rashladnom sredstvu ne rashladi potpuno ve se u jezgru zadri izvjesna koliina toplote, moe se prekinuti hlaenje (vaenjem komada iz rashladnog sredstva), toplotom iz jezgra zagrijati povrinski sloj i na taj nain obaviti otputanje. Ovakav proces se moe kontrolisati posmatranjem boja oksida na povrini koje su kod ugljeninih i niskolegiranih elika zavisne od temperature. Povrina izvaenog komada iz rashladnog sredstva se oisti mirglom i po dostizanju eljene boje ne povrini komad se definitivno rashlauje u ulju.

Samootputanje se moe primijeniti samo kod komada ravnomjernih presjeka i prostog oblika, a za njegovo izvoenje je potrebno iskustvo radnika.

Slian se postupak primjenjuje sa uspjehom kod indukcionog kaljenja, ako se hladilica iskljui prije potpunog rashlaivanja kaljenog sloja. 1.2.2. Otputanje sa koritenjem spoljne toplote U najveem broju sluajeva komadi se pri kaljenju potpuno rashlauju, a za otputanje se zagrijavaju na temperaturu otputanja (150 do 250C). Ovo otputanje se moe obaviti i u zagrijanom ulju, sonim kupatilima ili specijalnim peima sa cirkulacijom atmosfere. Dijelovi od konstrukcionih elika (cementirani, karbonitrirani, povrinski kaljeni itd.) otputaju se na ovaj nain na temperaturama 150 do 250C, a alatni na 180 do 250C. 1.2.3. Viestruko otputanje Struktura kaljenog elika nije stabilna zbog prisustva dviju nestabilnih komponenata: martenzita (vee zapremine nego ferit i perlit) i preostalog austenita (manje zapremine nego ferit i perlit). Zbog ovih nestabilnih komponenti, ije je raspadanje povezano sa promjenama zapremine, kaljeni elik je sklon starenju pri kojem e, pored promjena osobina, doi i do promjena dimenzija i oblika dijela. Kod kaljenih dijelova koji treba da zadre trajno svoj oblik i dimenzije (na primjer kod specijalnih i mjernih alata, kotrljajuih leajeva itd.) primjenjuju se posebni oblici otputanja prije definitivne obrade na mjeru. Svrha ovog otputanja je stabilizacija strukture, ime se postie i trajna stabilnost oblika i dimenzija. 1.2.4. Duboko hlaenje Pri kaljenju mnogih elika (na primjer sa viim sadrajem ugljika) rashlaivanjem do sobne temperature nije jo dostignuta temperatura Mk kraja martenzitne transformacije. Zbog toga e se u strukturi elika koji je kaljen na uobiajeni nain i rashlaen samo do sobne temperature nalaziti uvijek preostali austenit. Ovo e naroito biti sluaj kod elika sa viim sadrajem ugljika i legiranih elemenata koji stabilizuju austenit. Duboko hlaenje ispod


6

temperature kraja martenzitne transformacije Mk predstavlja, u stvari, produetak procesa kaljenja (transformacije) i moe se smatrati kao drugi stepen kaljenja.

E. Scheil je 1928. godine ukazao na to da duboko hlaenje omoguuje transformaciju austenita u martenzit. Ideja o ovakvoj mogunosti postojala je jo u prolom stoljeu (Austenit R. i Anosov P. za ovu svrhu primjenjivali su teni vazduh), ali primjena u termikoj obradi elika je otpoela najprije u Sovjetskom Savezu 1937. godine (A. Guljajev), a u ostalim zemljama neto kasnije (1942. u SAD).

I pored potvrenih rezultata, ovaj postupak nije u irokoj primjeni, mada je u izvjesnim sluajevima opravdan. Prije svega, ovakva obrada se moe smatrati svrsishodnom kod elika ija je temperatura Mk ispod 20C. To je sluaj i kod ugljeninih elika sa veim sadrajem ugljika od 0,6%, a kod legiranih i sa niim sadrajima (0,4 pa ak do 0,15% kod niskolegiranih i srednjelegiranih), praktino kod svih alatnih elika. Ovakvo uoptavanje nije svuda prihvaeno, posebno zbog toga to postoje i druge metode za uklanjanje preostalog austenita (na primjer viestruko meuarenje).

Duboko hlaenje smanjuje koliinu preostalog austenita, pa cilj ove obrade moe biti poveanje tvrdoe, stabilnosti dimenzija i poboljavanje magnetnih osobina. Prema A. Guljajevu i V. Vorobjevu, efekat dubokog hlaenja u pogledu poveanja tvrdoe bie utoliko vei ukoliko je kod posmatranog elika nia temperatura poetka martenzitne transformacije Mp. Stoga se u posmatranom sluaju moe, na osnovu visine Mp odluivati o svrsishodnosti dubokog hlaenja. Temperatura dubokog hlaenja tR zavisi od temperature kraja martenzitne transformacije Mk. Dalja uticajna veliina je temperatura stabilizacije preostalog austenita ts. Ako je ova temperatura (tS) nia od sobne temperature, moe izmeu kaljenja i dubokog hlaenja biti proizvoljno duga pauza. U protivnom, duboko hlaenje mora se obaviti neposredno poslije kaljenja kao produetak kaljenja.

Rezultati koji se mogu postii dubokim hlaenjem u pogledu poveanja tvrdoe, prema A. Guljajevu, prikazani su u tabeli 1.2. Tabela 1.2 Tvrdoe poslije dubokog hlaenja [1]

Oznaka elika po GOST-u i JUS-u ili hemijski sastav

Martenzitne temperature

Koliina austenita (%)

prije poslije GOST JUS Mp (C) Mk (C) dubokog hlaenja

Prirataj tvrdoe poslije

dubokog hlaenja

U 7 .1741 300 250 50 3 5 1 0,5 U 8 .1840 250 225 55 4 8 1 6 1 U 9C=0,85 0,94% Cr=0,20% Ni=0,15% i Cu=0,20% 225 210 55 5 12 3 10 1 1,5 U 10 .1940 210 175 60 6 18 4 12 1,5 3 U 12 .1946 175 160 70 10 20 5 14 3 4 9 HS C=0,9%Si=1,4% Mn=0,45% Cr=1,1% 210 185 60 6 17 4 17 1,5 2,5 H 15 .4146 180 145 90 9 28 4 17 3 6 HVG .6440 155 120 110 13 45 2 17 5 10

Iz navedenih podataka se vidi da u najveem broju sluajeva zadovoljava temperatura rashlaivanja tR 70 do 80C, ali moe biti i nia (to se moe postii mjeavinom benzina i suhog leda). Primjena je svrsishodna i sa dobrim uspjehom ako se duboko hlaenje koristi u sluajevima kada je preostalog austenita vie od 10% do 15%. Ispod ove koliine se austenit stabilizuje, pa se duboko hlaenje mora obaviti neposredno poslije kaljenja. Ova pauza ne treba ni u ostalim sluajevima da bude dua od 15 minuta, a ako se prije rashlaivanja obavi nisko otputanje potpuno je onemoguen efekat dubokog hlaenja.


7

Ovaj postupak koristi se kod termike obrade alata i dijelova za koje je potrebna velika i trajna tanost. Problem preostalog austenita i trajne tanosti dijelova moe se rjeavati i drugim postupcima.

Specifina zapremina martenzita je najvea a austenita najmanja u odnosu na ostale oblike strukture elika. Ove razlike u zapremini zavisne su od sadraja ugljika sl.1.6. U idealnom sluaju se moe zamisliti takav odnos uea martenzita i preostalog austenita poslije kaljenja pri kome nee doi do promjene zapremine pa ni do deformisanja.

Ako se poe od specifinih zapremina sa sl. 1.6, do deformacije poslije kaljenja nee doi ukoliko je odnos udjela martenzita i preostalog austenita jednak prikazanom na sl. 1.7.

Sl. 1.6 Zavisnost specifine zapremine raznih oblika strukture od sadraja ugljika u eliku na sobnoj temperaturi: 1 austenit; 2 ferit i perlit; 3 martenzit; [1]

a) b)

Sl. 1.7 Odnos koliine preostalog austenita i martenzita u ugljeninom eliku, pri kome poslije kaljenja ne dolazi do promjene zapremine: a) tetragonalni martenzit i austenit; b) kubni

martenzit i austenit; [1]


8

Takav udio sastavnica strukture ne moe se postii obinim postupkom kaljenja. S druge strane, u eliku sa veim sadrajem ugljika takav odnos austenita i tetragonalnog martenzita, koji nee dovesti do deformacije pri kaljenju, doveo bi do neprihvatljivog pada tvrdoe. Povoljniji uslovi se mogu postii poslije niskog otputanja (120 do 150C), koje ne vodi bitnom smanjenju tvrdoe. To je mogue postii samo ako poslije otputanja u martenzitu ostane rastvoreno jo 0,4% do 0,5% C. U ovom sluaju je potreban znatno manji sadraj preostalog austenita, poto martenzit sadri samo 0,4% do 0,5% ugljika, tako da e udio martenzita biti prema sl.1.7.b, pa ni u ovom sluaju kod visokougljeninih elika nee doi do opadanja tvrdoe. Neophodna koliina preostalog austenita moe se postii odreenim postupkom koji se mora utvrditi za svaku vrstu elika. Tako A. Guljajev navodi za elik U 12 (.1946) sljedee rezultate tabela 1.3. Tabela 1.3 Uticaj preostalog austenita na deformacije i tvrdou

Reimi termike obrade deformacija(%) preostali austenit

(%) HRC

U 12 kaljen sa 770C, hlaen u vodi sa

zavretkom u ulju 0,28 15 65

kaljen sa 830C u alitri na 175C dva do minuta, 38 minuta otputan u pei na 200C pa sporo hlaen u pei

0,08 38 61

HG kaljen u ulju sa 800C 0,11 18 65 kaljen sa 890C u alitri sa 200C 30 minuta,

sporo hlaen na sobnu temperaturu 0,01 32 61

Na eliku HG (sa oko 1,4% C 0,6% Mn 1,45 Cr), koji nosi naziv malo deformacijski, kao to se vidi iz navedenog pregleda, rezultati su bolji.

Drugi problem kaljenih dijelova visoke tvrdoe je nepostojanost oblika i dimenzija komada u dugotrajnoj upotrebi. I u ovom sluaju uzrok promjena dimenzija je raspadanje martenzita i preostalog austenita. Otputanjem elika na 120 do 150C moe se stabilizovati martenzit, ali za transformaciju preostalog austenita potrebne su vie temperature (od oko 250C), koje dovode do veeg pada tvrdoe (59 do 56 HRC), to se ne moe uvijek tolerisati.

Ovaj problem se moe rijeiti primjenom pravilne termike obrade, kao to to pokazuje primjer na sl.1.8.

Sl. 1.8 Promjene dimenzija kaljenih dijelova tokom vremena za razne postupke termike obrade: 1 kaljenje bez otputanja; 2 kaljeno i otputano na 100 do 150C; 3 kaljeno,

duboko hlaeno i otputano na 100 do 150C; 4 otputano na 250 do 300C; [1]


9

Interesantan pokuaj je objavio G. Liebmann (Zeis-Jena) koji je vrio otputanje na 120C u trajanju od 90 asova, poslije ega je martenzit sadravao od 0,4% do 0,5% C, pri emu je teio da se regulie koliina austenita tako da kompenzira opadanje zapremine pri raspadanju martenzita u toku dugotrajnog starenja. Rezultati koje je postigao na eliku 100 Cr 6 (.4146, elik za kotrljajne leajeve) dati su u tabeli 1.4. Tabela 1.4 Rezultati ispitivanja za dugotrajno starenje ovisno o sadraju austenita [1]

Promjene duine od 70 mm u m za koliinu austenita % Trajanje starenja godina 10 13 18

1 0,2 0 + 0,65 2 0,25 +0,03 + 0,93 3 0,30 + 0,04 + 1,10 4 0,32 + 0,05 + 1,18 5 0,34 + 0,07 + 1,30 6 0,36 + 0,08 + 1,37

Potrebna koliina preostalog austenita kod elika iz tabele 1.3 postie se primjenom ve pomenutog postupka otputanja, uz variranje temperature kaljenja:

- za 10% preostalog austenita kaljenje sa A1 + 10C, duboko hlaenje i opisano otputanje;

- za 13% austenita kaljenje sa A1 + 20C i otputanje i - za 18% austenita kaljenje sa A1 + 80C i otputanje.

Iz prikazani rezultata u tabeli 1.4 vidi se da e pri koliini od 13% preostalog austenita biti najmanje promjene dimenzija. 2. KALJIVOST Kaljivost kod elika zavisi, u najveoj mjeri, od sadraja ugljika a sasvim malo od prisustva legirajuih elemenata i od veliine zrnaca austenita. Ova dva posljednja faktora utiu uglavnom, na stepen tekoa postizanja maksimalne tvrdoe kod jednog odreenog sadraja ugljika.

Kaljivost elika se izraava tvrdoom (HRC) koja se moe postii na tankim kaljenim probama. Treba imati u vidu da se kod komada veih dimenzija nego to je laboratorijska proba, nikada ne moe postii maksimalna tvrdoa. Zavisnost maksimalne tvrdoe od sadraja ugljika je prikazana na sl. 2.1 a primjer razlike izmeu ovakvih tvrdoa i onih koje se u stvarnim uslovima mogu ostvariti daje, prema F. Siscou, sl. 2.2.

Sl. 2.2 Odnos maksimalnih tvrdoa pri 100% martenzita (kaljivosti) prema ostvarivim tvrdoama koje se najee postiu [1]


10

3. PROKALJIVOST Ako se pod prokaljivou podrazumijeva dubina prodiranja martenzitne transformacije bez obzira na uslove hlaenja i veliinu i oblik komada, onda bi se ova osobina mogla definisati kao sposobnost austenita nekog elika za pothlaenje ispod temperature martenzitne transformacije. Meutim, prema veini postojeih definicija smatra se da se ova sposobnost odnosi na martenzitnu transformaciju a ne na pothlaenje. Nesporazum u ovom drugom sluaju dolazi zbog mogueg prisustva preostalog austenita pa se moe dobiti pogrean sud o prokaljivosti, jer e se pri veem prisustvu preostalog austenita, zakljuiti o maloj prokaljivosti moda ba za neki elik koji ima veliku prokaljivost. Nedostatak svih razmatranja o prokaljivosti je nedovoljno poznavanje uticaja preostalog austenita na prokaljivost. Ako se izuzmu tehnoloki uticaji na nastajanje preostalog austenita, moe se lako zakljuiti da e njegova koliina zavisiti, u najveoj mjeri, od individualnih osobina elika, na primjer, od hemijskog sastava. Tako je poznata protivrijenost da se legiranjem poveava prokaljivost a isto tako se poveava i koliina preostalog austenita.

Najvaniji faktori koji utiu na prokaljivost elika su: - hemijski sastav elika, - krupnoa zrnaca austenita i - homogenost austenita.

Hemijski sastav elika, u najveoj mjeri, utie na prokaljivost a kao prvo dejstvo svih legirajuih elemenata se moe navesti pomjeranje kritine take iz termokinetikog dijagrama udesno, odnosno smanjenje kritine brzine hlaenja. Kritinu brzinu hlaenja smanjuju ve pratei elementi i neistoe kod ugljeninih elika u odnosu na iste legure Fe-C, to se moe vidjeti na sl. 3.1.

Sl. 3.1 Uticaj ugljika na kritinu brzinu hlaenja kod iste legure Fe-C (1) i ugljeninog elika (2) [1]

Uticaj legirajuih elemenata na prokaljivost je velik, da bi se on mogao ilustrovati, usvojen je, danas uobiajeni, nain prikazivanja preko veliine takozvanog idealnog kritinog prenika (Di). Prema M. Grossmannu, kritini prenik je prenik cilindrinog komada od elika koji poslije kaljenja, u odreenim uslovima hlaenja, ima tvrdou u jezgru komada koja bi odgovarala tvrdoi kaljene strukture datog elika sa 50% martenzita. Ovako definisan kritini prenik (Dk) slui i kao mjerilo prokaljivosti. Veliina kritinog prenika zavisi i od uslova hlaenja, stoga je uz njega neophodno dati ove uslove, to se prema Grossmannu ini preko


11

takozvane rashladne sposobnosti sredine za kaljenje (H). Veliina rashladne sposobnosti u zavisnosti od uobiajenih uslova hlaenja dana je u tabeli 3.1 Tabela 3.1 Veliina rashladne sposobnosti u ovisnosti od uobiajenih uslova hlaenja [1]

Relativno hlaenje faktor rashladne sposobnosti H za Sredstvo za hlaenje komada vazduh ulje vodu rastvor soli

nema nema 0,02 0,3 1,0 2,2 nema srednje 0,4 0,6 1,5 3 nema jako 0,6 0,8 3,0 6 7,5

Jako ili mlazom 1,0 1,7 6,0 12 U cilju da se prokaljivost izrazi samo jednim brojem, Grossmann je uveo pojam idealnog kritinog prenika. Idealni kritini prenik je, takoer, prenik cilindrinog komada koji, poslije kaljenja, ima takvu tvrdou jezgra da odgovara tvrdoi strukture sa 50% martenzita kod istog elika, ali koji je pri kaljenju rashlaivan u idealnim uslovima za koje je H = . Pod idealnim uslovima se smatra da je temperatura povrine komada neposredno po unoenju u rashladnu sredinu u beskonano kratkom vremenu opala od temperature kaljenja do sobne temperature. Prema ovome, idealni kritini prenik Di iskazuje veliinu prokaljivosti jednog elika samo jednim brojem. Odnos izmeu idealnog kritinog prenika i kritinog prenika uz razne uslove hlaenja dati su na sl. 3.2 i 3.3 za cilindrine dijelove a za plou na sl. 3.4 i 3.5

Uticaj legirajuih elemenata je Grossmann izrazio na taj nain to je prvo odredio idealan kritian prenik u zavisnosti samo od sadraja ugljika i krupnoe zrna strukture sl.3.6 pa je ovaj mnoio faktorima koji su uzimali u obzir prisustvo i koliinu legirajuih elemenata.

Faktore za pojedine legirajue elemente u zavisnosti od koliine prikazuje sl. 3.7.

Sl. 3.2 Odnos idealnog kritinog prenika, kritinog prenika i uslova hlaenja za male prenike cilindra [1]


12

Sl. 3.3 Odnos idealnog kritinog prenika, kritinog prenika i uslova hlaenja za velike prenike cilindra [1]

Sl. 3.4 Odnos idealne kritine debljine ploe, kritine debljine i uslova hlaenja kod ploa malih debljina [1]


13

Sl. 3.5 Odnos idealne kritine debljine ploe, kritine debljine i uslova hlaenja kod ploa vee debljine [1]

Primjer: Treba da se odredi idealan kritini prenik i kritian prenik za elik sastava:

Element C Si Mn Cr Mo (%) 0,45 0,3 0,6 1 0,2

Koji ima krupnou zrna po ASTM-u 6

Sa sl. 3.6 za zadati sadraj ugljika i krupnou zrna je Di = 6,2 mm. Faktori legirajuih elemenata uzeti sa sl. 3.7 su:

Si = 0,3% 1,2 Mn = 0,6% 3 Cr =1% 3,2 Mo =0,2% 1,62

Idealan kritini prenik je, prema tome:

mmDi 11662,12,332,12,6 ==

Ako je hlaenje pri kaljenju obavljeno u ulju bez kretanja bie H = 0,3 (tabela 3.1) pa je kritini prenik:

mmDk 56=

prema sl. 3.3.


14

Sl. 3.6 Zavisnost idealnog kritinog prenika od sadraja ugljika i krupnoe zrna [1]

Sl. 3.7 Mnoitelj za razne legirajue elemente [1] Postoji tenja da se idealni kritini prenik izrazi i u sluajevima izabranih tvrdoa u kaljenom jezgru veih nego to se mogu dobiti pri strukturi sa 50% martenzita. Tako, u tehnici povrinskog kaljenja gorionikom koristi se za prokaljivost onaj kritini prenik pri kome e tvrdoa jezgra cilindrinog komada odgovarati tvrdoi strukture istog kaljenog elika sa 99,9% martenzita (prokaljivost po Cubasti). Proirivanje oblasti definisanja idealnog kritinog prenika su izvrili Hodge i Orehoski, a rezultati su dati na sl. 3.8.

Vrlo velik uticaj na prokaljivost ima bor koji je uveden kao dodatak eliku u toku drugog svjetskog rata u oskudici legirajuih elemenata. Koliina bora dodata eliku za koju se biljei najvei porast prokaljivosti je 0,001%. Efekat bora je u toliko vei u koliko je bolje izvedena dezoksidacija elika, a poto se radi o vrlo malom dodatku bora, moe se on uvoditi u rastopljeni metal zajedno sa sredstvom za dezoksidaciju to mu obezbjeuje bolju raspodjelu po masi metala.


15

Sl. 3.8 Zavisnost idealnog kritinog prenika za vee sadraje martenzita u kaljenom jezgru od sluaja za 50% martenzita [1]

Efekat bora je najvei kod konstrukcionih elika sa niim sadrajem ugljika, to se vidi preko porasta idealnog kritinog prenika na sl. 3.9.

Sl. 3.9 Zavisnost porasta idealnog kritinog prenika od sadraja ugljika u eliku koji sadri bor [1]

Poseban uticaj bora je na porast prokaljivosti za strukturu sa 100% martenzita to se moe vidjeti poreenjem linija na sl. 3.10 sa linijama na sl.3.8

Sl. 3.10 Uticaj dodataka bora na odnos idealnih kritinih prenika pri 50% i 100% martenzita [1]


16

Provjeravana je tanost Grossmannove metode i naeno je da postoje odstupanja sraunatih vrijednosti od dobijenih ispitivanjem. Razlog za ovo je, prije svega, posljedica konvencije da se prokaljivost odreuje na osnovu tvrdoe strukture sa 50% martenzita. Dok je kod potpunog kaljenja (sa 100% martenzita), tvrdoa gotovo nezavisna od legirajuih elemenata, dotle e kod strukture sa 50% martenzita legirajui elementi imati znatan uticaj na tvrdou nemartenzitnog dijela strukture. Ovo se vidi na sl. 3.11 na kojoj rafirana oblast pokazuje uticaj legirajuih elemenata na tvrdou strukture sa 50% martenzita.

Sl. 3.11 Uticaj sadraja ugljika na tvrdou strukture sa 50% martenzita. Puna linija za ugljenini elik a rafirana oblast za nisko legirane i srednje legirane elike. Isprekidana

linija za legirane elike [1] Druga grupa ispitivanja je pokazala da nain dezoksidacije elika ima veliki uticaj na tanost Grossmannovih faktora, a posebno je relativno veliko odstupanje u sluaju vrlo malih dodataka legirajuih elemenata. Iz ovoga proizlazi da je potreban jo velik broj ispitivanja da bi se tanije odredili Grossmannovi mnoitelji za pojedine elemente.

Praktino izvoenje Grossmannove probe na prokaljivost se izvodi na cilindrinoj epruveti obraenoj stepenasto za razne veliine prenika koja se kali pod odreenim standardnim uslovima. Mjerenjem tvrdoe u jezgru presjeenih cilindrinih uzoraka raznih prenika, odreuje se kritini prenik pri kome tvrdoa odgovara tvrdoi strukture datog elika za 50% martenzita. Pri ovome je nain hlaenja definisan sa H = const. Kao to se vidi, postupak odreivanja kritinog prenika po Grossmannu je sloen i skup. Stoga je traen bri i jeftiniji postupak a naroito takav kod kojeg se nee mijenjati uslovi hlaenja. Takav postupak je predloio 1939. godine, W. Jominy koji je svoju metodu zasnovao na eonom hlaenju cilindrinog uzorka sa definisanim uslovima hlaenja.

Jominyjeva proba omoguuje da se dobije slika o prokaljivosti elika samo jednom probom kaljenja pa je stoga i uvedena kao tehnoloka proba svagdje u svijetu pa i kod nas je definisana standardom BAS EN ISO 642:2001 ispitivanje prokaljivosti elika eonim kaljenjem (Jominy ispit), odnosno prije JUS C. A2. 051/1959.

Jominyjeva proba se izvodi sa standardnim ili posebnim oblicima epruveta koje su prikazane na sl. 3.12.

Na sl. 3.13 prikazan je ematski postupak kaljenja Jominyjeve probe. Uslovi hlaenja su normirani na taj nain to se elo probe hladi mlazom vode koji istie iz cijevi slobodnog prenika 1/2 cola (12,7 mm) iji je otvor udaljen od ela epruvete takoer 1/2 cola. Brzina isticanja vode je definisana visinom stuba vode koji istie slobodno iz cijevi (bez epruvete) a koja treba da bude 63,5 mm. Potrebna je temperatura vode za hlaenje od 24 2,5C. Uzorak treba da bude zagrijan na temperaturu kaljenja i na njoj aren 30 minuta pri emu se moraju preduzeti mjere protiv oksidacije povrine i njenog razugljienja. Epruveta se iz pei mora, u


17

to kraem vremenu, postaviti na ureaj za kaljenje. Poslije hlaenja do sobne temperature na cilindrinoj povrini epruvete se obrusi na dubini 0,3 mm ravna povrina sa jedne i druge strane na kojima se mjeri tvrdoa du izvodnice cilindra polazei od kaljenog ela.

Sl. 3.12 Oblici epruveta za Jominyjevu probu: a) standardni oblik; b) skraena epruveta; c) epruveta L za povrinski kaljene elike ili cementirane; d) za uzorke kod kojih postoje samo

mali prenici [1] Rezultati mjerenja tvrdoe nanose se na dijagram u zavisnosti od rastojanja od ela probe. Primjer jedne snimljene linije tvrdoa kod Jominyjeve probe dat je na sl. 3.14.

Iz karaktera linije tvrdoa se moe dobiti slika o prokaljivosti ali postojala je tenja da se prokaljivost izrazi samo jednim brojem, kao kod Grossmannove metode. Tako je utvrena prokaljivost po Jominyju kao ono rastojanje u mm od ela probe koje ima tvrdou jednaku tvrdoi istog kaljenog elika sa 50% martenzita u strukturi (J50).


18

Sl. 3.13 ema kaljenja Jominyjeve probe [1]

Sl. 3.14 Primjer karakteristine linije tvrdoe Jominyjeve probe [1]

Sl. 3.15 ema Jominyjeve trake jednog elika po standardu [1]


19

Poto su kod standardnih elika hemijski sastavi propisani sa odreenim tolerancijama sadraja pojedinih elemenata, to e kod iste vrste elika postojati razlika u Jominyjevim linijama tako da e se samo za jedan elik iz odreene are moi nacrtati linija pada tvrdoa, dok e se za sve mogue elike jednog standardnog kvaliteta dobiti, umjesto linije, traka manje ili vee irine u kojoj e leati sve vrijednosti za dati elik. Naroito veliki uticaj na irenje ove trake imaju postupci proizvodnje elika a posebno nain i sredstvo dezoksidacije. ema ovakve trake je dana na sl. 3.15.

U tehniki razvijenim zemljama se esto proizvode elici koji najee pripadaju standardnim elicima ali kod kojih je kontrola sastava mnogo stroija i jako kontrolisan postupak topljenja (na primjer u SAD elik sa hromom, niklom i molibdenom sa oznakom 8640 kao obian elik za poboljavanje a posebno pripremljen uz kontrolu prokaljivosti nosi oznaku 8640 H). Kod ovih kvaliteta elika se znatno suava traka a posebno se donja linija penje. Pri ovome, treba imati u vidu da je elik koji ima Jominyjevu liniju blizu gornje linije povoljniji kod obrade plastinim deformisanjem i da se povoljnije ponaa u pogledu postizanja osobina poslije otputanja. Ako se eli poviena prokaljivost, proces topljenja se tako vodi da se ide ka minimumu sadraja ugljika a ka poveanom sadraju legirajuih elemenata, razumije se u granicama doputenim standardom za datu vrstu elika. Ovdje upravo dolazi do odstupanja kod specijalno pripremanih elika (na primjer sa oznakom H u SAD) kod kojih se ak i prelaze okviri sastava propisanih standardom za obian kvalitet.

Sl. 3.16 Odnos linije prokaljivosti i linije rasporeda tvrdoe u cilindrinom komadu: a) linija prokaljivosti; b) linija rasporeda tvrdoe [1]

Podatak o prokaljivosti za jedan elik, dat sa rastojanjem J50 izraenim u milimetrima pokazuje, kao to je reeno, rastojanje od ela Jominyjeve probe na kome tvrdoa odgovara strukturi sa 50% martenzita. Ako od istog elika imamo cilindrian komad ma kog prenika poslije kaljenja, u optem sluaju e nastati raspored tvrdoa, polazei od povrine komada ka jezgru kao to je to prikazano na sl. 3.16.

Sa ove slike se vidi da je za tvrdou 45 HRC koja odgovara strukturi sa 50% martenzita rastojanje od ela Jominyjeve probe 20 mm a da se ta tvrdoa postie kod stvarnog komada od istog elika (hlaenog na odreeni nain) na rastojanju od jezgra komada 25 mm. Kako je radijus komada R = 50 mm, a dubina na kojoj je pomenuta tvrdoa je na radijusu r = 25 mm, to e za ovu tvrdou dubinski odnos biti r : R = 0,5. J. Lamont je izradio za ovaj sluaj dijagrame zavisnosti prenika stvarnog komada od veliine prokaljivosti po Jominyju i uslova hlaenja i za jedan odreen dubinski odnos r / R. Ovi dijagrami za razne odnose r / R su dati na sl. 3.17 do 3.27. Na sl. 3.22 moe se vidjeti da e u primjeru prikazanom na sl. 3.16, za prokaljivost elika 20 mm i prenik komada 100 mm, biti ostvaren odnos r : R =0,5 ako se hlaenje obavi tako da je H = 2 (hlaenje u vodi uz srednje kretanje komada). Navedeni dijagrami daju mogunost


20

rjeavanja niza vanih zadataka u tehnologiji termike obrade a, takoer, i pri izboru elika za odreenu prokaljivost. Mogunosti koje prua ovaj postupak su sljedee:

1. Za zadati prenik komada i zadati elik poznate prokaljivosti mogu se, za neophodni dubinski odnos, utvrditi uslovi hlaenja.

2. Za zadati prenik komada i doputene uslove hlaenja, s obzirom na oblik i veliinu komada, moe se preko neophodne prokaljivosti izabrati elik.

3. Kod zadanog elika i prenika komada, uz poznate uslove hlaenja, moe se utvrditi dubinski odnos tvrdoa itd.

Sl. 3.17 Odnos prenika komada i prokaljivosti za r : R = 0 [1]

Sl. 3.18 Odnos prenika komada i prokaljivosti za r : R = 0,1 [1]


21




22




23




24




25

Sl. 3.27 Odnos prenika komada i prokaljivosti za r : R = 1 [1]

J. Lamont je dao podatke i za druge karakteristine oblike komada ali sa znatno manje razliitih uslova hlaenja i oni su dati na sl. 3.28, 3.29, 3.30. Ovi odnosi su svedeni na sredinu (jezgro) komada slino kao kod cilindrine probe za r : R = 0.

U sluaju poznavanja tanih uslova hlaenja komada moe se odnos prokaljivosti i stvarnog komada razmatrati i preko poznatih brzina hlaenja koje se uspostavljaju kod eonog hlaenja Jominyjeve probe na pojedinim rastojanjima od ela. Za ovo se moe koristiti dijagram na sl. 3.31 koji daje izmjerene brzine hlaenja na pojedinim rastojanjima od ela Jominyjeve probe hlaene u standardnim uslovima.

Isto tako je utvren eksperimentalno i odnos izmeu prokaljivosti i idealnog kritinog prenika koji je dat na sl. 3.32.

Povoljne osobine Jominyjeve probe su, pored lakog i jeftinog izvoenja, i velika pouzdanost rezultata koji se postiu na istom eliku u raznim laboratorijama. Mogua je primjena iste probe i kao tehnoloke probe pri proizvodnji elika, jer je pokazano da livena struktura daje istu vrijednost prokaljivosti kao i struktura poslije obrade plastinim deformisanjem. Ovo omoguuje izvjesne korekcije elika jo za vrijeme procesa proizvodnje.

Sl. 3.28 Odnos veliine stranice kvadratne ipke i prokaljivosti za razne uslove hlaenja (svedeno na sredinu ipke jezgro) [1]


26

Sl. 3.29 Odnos debljine pravougaonog presjeka (1 : 2) i prokaljivosti za razne uslove hlaenja (svedeno na sredinu ipke jezgro) [1]

Sl. 3.30 Odnos debljine ploe i prokaljivosti za razne uslove hlaenja (svedeno na sredinu ploe jezgro) [1]

Sl. 3.31 Zavisnost brzine hlaenja od rastojanja od ela Jominyjeve probe prema raznim autorima [1]


27

Sl. 3.32 Odnos idealnog kritinog prenika i prokaljivosti po Jominyju [1] Tekoa primjene prokaljivosti, u sluajevima kada su potrebne vrlo tane brzine hlaenja, dolazi do moguih greaka, naroito u sluajevima kada je linija prokaljivosti sa malim padom (poloena ili gotovo horizontalna), to je sluaj kod elika koji imaju male kritine brzine hlaenja (na primjer elici koji se kale na vazduhu). Postoji tenja da se u ovakvim sluajevima koriste druge metode za odreivanje prokaljivosti. Takvu jednu probu je razvio B. Shepard za alatne visoko ugljenine elike. Ova proba prokaljivosti ima naziv PV test (penetration velocity) a odlino je primjenjiva kod elika koji imaju idealni kritini prenik izmeu 12,7 i 19,1 mm. Metoda se zasniva na pojavi da grubo uglaan i nagrizen presjek kaljenog komada, koji u strukturi sadri manje od 50% martenzita, potpuno mijenja svoj izgled. Probni uzorak duine 28,6 mm sa zaotrenim vrhom pod uglom od 90 hladi se pod odreenim uslovima mlazom vodenog rastvora soli tako da mlaz pada na ugao klina. Poslije kaljenja uzorak se presijeca i grubo polira pa nagriza. Pri ovome su mogue slike prokaljivosti prikazane na sl. 3.33.

Sl. 3.33 Izgled standardnih sluajeva PV testa [1]


28

Pod prokaljivou se podrazumijeva kod PV testa rastojanje u mm od vrha klina do mjesta na kome prestaje zona sa 50% martenzita koja se lahko utvruje mjerenjem tvrdoe na tom mjestu koja iznosi 55 HRC (598 HV 10). Definisne veliine prema uzornim sluajevima sa sl. 3.33 su sljedee:

A 67 0,162 cola 4,12 mm Qk 3 0,227 ,, 5,77 mm BC 3 0,256 ,, 6,40 mm BR 1 0,342 ,, 8,68 mm MU 0,446 ,, 11,33 mm

29

4. LITERATURA [1] Panteli I. : Tehnologija termike obrade elika 1., Univerzitet u Novom Sadu, Novi Sad,

1974. [2] Harai N. : Cementacija elika za zupanike mjenjaa, Mainski fakultet u Zenici, Zenica,

2003. [3] Hadipai A. : Termika obrada, Mainski fakultet u Zenici, Zenica, 1993. [4] *** elik Ispitivanje prokaljivosti eonim kaljenjem (Jominy ispitivanje) BAS EN ISO

642 : 2001 (EN ISO 642 : 1999.) [5] *** elik Ispitivanje prokaljivosti eonim kaljenjem (Jominy ispitivanje) JUS C. A2.

051/1959.

seminarski termicka obrada kaljenje

Documents