termicka obrada celika

Termička obrada metala - Dr Dragan Adamovic 1

Termička obrada metala- Predavanje –

TERMIČKA OBRADA ČELIKA


Tem

pera

tura

Vreme

Zagr

evan

je

Hladjenje

Progrevanje ProgrevanjeH

ladjenje

Zamrzavanje

Tem

pera

tura

Zagr

evan

je

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


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).


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.


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


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

pera

tura

, °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

Tem

pera

tura

AC1

AC3

Žarenje sa faznim promenama


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 rdjave zavarljivosti.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °C

Austenit


AC3

A Cm


AC1 AC1,3 727°C

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)Na mirnom vazduhu

30-5

0°C


Meko (sferoidalno) žarenje

Izvodi se zagrevanjem oko donje kritične temperature (A1), 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. Pri obradi rezanjem lamelarnog perlita, nož seče tvrde lamele Fe3C, a kod globularnog razmiče zrna i seče mekšu feritnu osnovu.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °C

Austenit


AC1

AC3

AC1,3

A Cm


727°C

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

Na vazduhu18 - 24 h


Potpuno žarenjeZasniva 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, otklanjanje nepovoljne Vidmanšetenove strukture, ujednačavanje strukture, kao i otklanjanje sopstvenih napona, tako da čelik postane mekši i kovniji.

Primenjuje se kod niskougljeničnih čelika kao priprema za duboko izvlačenje i za poboljšanje mašinske obradljivosti kod visokougljeničnih čelika.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °C

Austenit



AC1 AC1,3 723°C

AC3

A Cm

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

Na vazduhu

U peći

30 -

50 °

C

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


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 obezbeđuje skraćeno vreme procesa i dobijanje jednorodnije strukture.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °C

Austenit



AC1 AC1,3 723°C

AC3

A Cm

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

Na vazduhu

30 -

50 °

C

Iznad 550°C

Brzo


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, K). Za tehnički čiste metale, ona približno iznosi , a za legure tipa čvrstog rastvora ; niskougljenični čelici imaju , što predstavlja granicu prerade na toplo i hladno.

Na ovaj se način otklanjaju posledice deformisanja na hladno niskougljeničnih čelika. Ovim vidom žarenja omogućuje se dalja prerada presovanjem, valjanjem i vučenjem. Rekristalizaciono žarenje je kratkotrajno kod tankih preseka, a veoma dugo kod debelih preseka zbog potrebe jednolikog progrevanja i rekristalizacije po celom preseku.

0.4r tT T≈ ⋅0.6r tT T≈ ⋅ 650rT C≈

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

650 - 700 °C

Vreme zavisi od preseka dela

Proizvoljno

Žarenje bez faznih promena


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

Čelični delovi, obradjeni plastičnom deformacijom na hladno žare se radi smanjenja napona na znatno nižim temperaturama (250-300°C ispod temperature rekristalizacije).

Ponekad se žarenjem pri temperaturi od 150°C izvodi tzv. stabilizaciono otpuštanje, uglavnom kod mernih i kontrolnih alata, da bi se postigla neophodna dimenziona stabilnost.

Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

150-650°C


Kaljenje čelikaKaljenje 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


AC1

AC3

AC1,3

A Cm


723°C

30-5

0°C Ms

Mf

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

0

200

400

600

-200


Tem

pera

tura

, °C

Kaljenje može biti zapreminsko i površinsko.

Zapreminsko kaljenje može biti martenzitno (M) (kontinualno, stepenasto) i bejnitno (B) (izotermičko). Redje se koriste i varijante prekidno martenzitno i kontinualno bejnitno kaljenje, kao i taložno kaljenje i "zamrzavanje".


Kontinualno (obično) kaljenje

Izvodi se neprekidnim hladjenjem komada iz austenitnog područja do temperature ispod martenzitne promene Ms. Brzina hladjenja se bira tako da se spreči difuziona promena austenita sve do temperature martenzitnog preobražaja, gde on potpuno ili delimično prelazi u martenzit.

Tem

pera

tura

, °C

AC3

AC1

A

Ms

MfMartenzit

A→FA→P

A→B

A→M

Vreme (log)

Povr

šina

Jezg

ro


Primenjuje se kod ugljeničnih

čelika tankih preseka (10-12 mm)

ili malih prečnika 8-10 mm.

Stepenastim kaljenjem smanjuju

se unutrašnji naponi, deformacije i

mogućnost pojave prslina.

Tem

pera

tura

, °C

AC3

AC1

A

Ms

MfMartenzit

A→FA→P

A→B

A→M

Vreme (log)Je

zgro

Povr

šina

Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering)


Izotermičko bejnitno kaljenje (austempering)

Čelik bejnitne strukture ima manju tvrdoću (40-58 HRC) od martenzitne, ali je znatno duktilniji (plastičniji) i žilaviji od čelika zakaljenog na martenzit i otpuštenog na istu tvrdoću.Izotermički se kale uglavnom delovi malih preseka, izradjeni od ugljeničnih i niskolegiranih čelika.

Tem

pera

tura

, °C

AC3

AC1

A

Ms

Mf Martenzit

A→F A→P

A→B

A→M

Vreme (log)

Ferit + perlit (krupni)

Ferit + perlit (sitni)

Gornji bejnit

Donji bejnitPovr

šina

Jezg

ro


Kontinualno bejnitno kaljenje

Ovaj vid kaljenja moguć je

jedino za neke čelike čiji KH

dijagram ima istureno koleno.

Kao rezultat kaljenja dobija se

bejnitno-martenzitna struktura

Vreme (log)

Ms

Mf

A→B

A→PA→F

A

AC1

AC3

Tem

pera

tura

, °C

T1

Bejnit + martenzit

Povr

šina Je

zgro


Prekidno kaljenje

Prekidno kaljenje omogućuje da se deformacije delova pri kaljenju svedu na minimum, izbegnu prsline i dimenzijske greške.


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 povećava količina martenzita u strukturi, što dovodi, pre svega, do:

povećanja tvrdoće,

stabilizacije dimenzija.


Otpuštanje

Martenzit je suviše krt da bi se čelični delovi sa takvom strukturom mogli

uspešno primeniti u mašinstvu. Osim toga, u njima zaostaju znatni

unutrašnji naponi. Zato se uvek posle kaljenja, izvodi naknadno zagrevanje i

sporo hladjenje - otpuštanje.

Ako se okaljeni (zakaljen) čelik zagreva, aktivira se difuzija atoma, posebno

ugljenika utoliko više, ukoliko je temperatura zagrevanja viša i duže vreme

držanja na toj temperaturi. Ovakav 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.


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. Isto tako, nisko se otpuštaju delovi posle površinskog kaljenja, cementacije, cijanizacije ili karbonitriranja.

Ms

Mf

Martenzit 65HRC

Otpuštenimartenzit

Austenit

Tem

pera

tura

, °C

10210 103 104 105 106

700

600

500

400

300

200

100

0

∼750

∼500

∼250

SorbitVisoko otpuštanje

TrustitSrednje otpuštanje

MartenzitNisko otpuštanje

Vreme, (logt), s


Ms

Mf

Martenzit 65HRC

Otpuštenimartenzit

Austenit

Tem

pera

tura

, °C

10210 103 104 105 106

700

600

500

400

300

200

100

0

∼750

∼500

∼250




Vreme, (logt), s

Pri srednjem otpuštanju jačina i napon tečenja ostaju isti kao i posle kaljenja, ali raste granica elastičnosti, otpornost na relaksaciju i dinamička izdržljivost (zbog pojave spoljašnjih pritiskujućih napona pri hladjenju u vodi). Zato se na ovaj način otpuštaju delovi kao što su opruge (lisnate, zavojne), poluge za balansiranje, matrice i sl.


Ms

Mf

Martenzit 65HRC

Otpuštenimartenzit

Austenit

Tem

pera

tura

, °C

10210 103 104 105 106

700

600

500

400

300

200

100

0

∼750

∼500

∼250




Vreme, (logt), s

Pri visokom otpuštanjupostiže se najbolja duktilnost i žilavost.


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. Pošto se sve osobine popravljaju, to se termička obrada kaljenje + visoko otpuštanjezove poboljšanje.


Reaustenitizacija

Mašinski deo, koji je prethodno okaljen sa

uobičajene temperature kaljenja,

naknadno se zagreva do nešto više

temperature i odmah potom kali. U toku

zagrevanja jedan deo ugljenika difunduje

na granice zrna i obrazuje fini cementit, a

drugi deo (oko 0.3% C) ostaje rastvoren u

austenitu. To znači da se kao konačna

struktura dobija martenzit sa 0.3% C i fini

cementit, što predstavlja najbolju

kombinaciju svojstava otpornosti (Rm, R0.2)

i svojstava deformacije (A5 i Z). Vreme

Tem

pera

tura

AC1

AC3 (ACm)

Prvokaljenje

Drugokaljenje


Termo-mehanička obrada (TMO) i reaustenitizacija

Termo-mehanička obrada

TMO je zasnovana na plastičnom deformisanju austenita i potonjoj martenzitnoj promeni. U poredjenju sa konvencionalnim poboljšanjem dobija se viša granica tečenja, te povećanje jačine na kidanje i duktilnosti.

Na osnovu temperature na kojoj se TMO izvodi razlikujemo:

visokotemperatursku termo-mehaničku obradu (VTMO) i

niskotemperatursku termo-mehaničku obradu (NTMO).


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.Te

mpe

ratu

ra

Udaljenost od površine

AC3

AC1

I II III

2 4 6 800

20

40

60

Udaljenost od površine, mmTv

rdoć

a H

RC

Raspodela temperature i tvrdoće na različitim udaljenostima od kaljene površine


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


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


Površinsko kaljenje plamenom


Indukciono površinsko kaljenje

Pri indukcionom zagrevanju se na površini komada generiše struja (Ik) iste frekvencije ali suprotnog smera od struje koja protiče kroz induktor (Iind). Površinski slojevi se najpre zagrevaju sekundarnim strujama, a zatim se zakaljuju prskanjem vodom ili potapanjem u kadu.Za utvrdjivanje dubine prodiranja struje važi izraz:

gde je: f – frekvencija naizmenične struje,ρ - specifični električni otpor iμ - magnetni permeabilitet.

Za čelik se gornji izraz može svesti na:

, mm.Pošto je dubina sloja obrnuto srazmerna frekvenciji, znači da će dubina progrejanog sloja opadati sa porastom frekvencije.

mmf

,1003.5 4

μρδ⋅

⋅⋅=

60 / fδ =Induktor za površinsko indukciono kaljenje


Indukciono kaljenje

termicka obrada celika

Documents