TERMIČKA OBRADA

Termička obrada je postupak obrade metala i legura zagrevanjem do određene temperature i hlađenjem da bi se izvršila promena strukture i dobila odgovarajuća mehanička svojstva.

Termohemijska obrada se vrši zagrevanjem delova u odgovarajučoj hemijski aktivnoj sredini, radi promene hemijskog sastava površinskog sloja da bi se dobila zahtevana svojstva materijala.

U zavisnosti od vrste materijala i potrebnih svojstava određuju se metode i režim termičke obrade.

Svaka metoda termičke obrade predstavlja skup operacija koje se mogu obaviti jednostavnim ili kombinovanim procesom po određenom režimu obrade. Osnovni zahtevi režima termičke obrade odnose se na temperaturu zagrevanja, način zagrevanja, vreme zagrevanja i brzinu hladjenja.

Osnovne metode termičke obrade su žarenje, kaljenje i otpuštanje.

Osnovne metode termohemijske obrade su cementacija, nitriranje, cijanizacija, siliciranje i difuzna metalizacija.

Metali i legure imaju kristalnu strukturu. U kristalnoj strukturi atomi su pravilno raspoređeni prostorno i međusobno povezani u sistemu kristalnih rešetki. Atomi osciluju oko svojih ravnotežnih položaja u hladnom i toplom stanju. U procesu hlađenja i zagrevanja može doći do pomeranja atoma u kristalnoj rešetki.

Železo se u praksi ne koristi kao čist element, već kao legura sa ugljenikom i drugim elementima. Legure železa dele se na gvožđe i čelik.

Gvožđe sadrži od 2,27% do 6,67% ugljenika i izvestan procenat silicijuma, mangana i drugih elemenata.

Čelik sadrži od 0,02% do 2,14% ugljenika. Ugljenik se u legiranom železu nalazi u elementarnom obliku, kao grafit, ili kao hemijsko jedinjenje Fe3C (železo-karbid) koji

se naziva cementit.

kriva zagrevanja kriva hlađenja

dijagram stanja železa

Prilikom zagrevanja železa strukturne promene imaju sledeće karakteristike:

- do T=769°C železo ima prostorno centriranu kubnu rešetku (Feα)

- do T=909°C železo zadržava isti oblik rešetke ali gubi magnetičnost (Feβ)

- do T=1401°C formira se površinski centrirana kubna rešetka (Feγ)

- do T=1528°C železo je u čvrstom stanju a rešetka je prostorno centrirana kubna (Feδ)

- iznad T=1528°C železo prelazi u tečno stanje.

U procesu hlađenja dešavaju se sledeće promene:

- do T=1528°C završava se kristalizacija i formira se struktura delta-železa (Feδ)

- hlađenjem do T=1401°C vrši se rekristalizacija i formira se površinski centrirana kubna rešetka, odnosno struktura gama-železa (Feγ)

- hlađenjem do T=898°C formira se prostorno centrirana kubna rešetka , odnosno struktura beta-želaza (Feβ) koje je nemagnetično

- daljim hlađenjem do T=769°C ne dolazi do promene oblika rešetke, već se samo smanjuje međusobno rastojanje atoma u rešetki i železo postaje magnetično, što je struktura alfa-železa (Feα)

dijagram stanja legure železo-ugljenik

čelik

Č

liv

6,687%C

belo i sivo gvožđetvrdi liv

sivi liv

temperovani livne upotrebljava se

U dijagramu stanja (Fe-Fe3C), na apscisu je naneto procentualno učešće ugljenika u leguri (legure koje imaju do 2,14%C su ČELICI .

Na ordinati su temperature u °C. Vertikalna osa sa leve strane je linija čistog železa 100%Fe, 0%C, tačke A, N i G -obeležavaju temperature alotropskih modifikacija železa, a vertikalna linija sa desne strane dijagrama je linija čistog cementita (6,67%C).

U dijagramu stanja su prikazane karakteristične tačke i linije, sa odgovarajućim strukturama posmatrane legure:- ABCD - LIKVIDUS linija (označava početak KRISTALIZACIJE ), iznad nje je RASTOP ;- AHJECF -SOLIDUS linija (označava kraj KRISTALIZACIJE ), ispod nje je ČVRSTA FAZA ; Između likvidusa i solidusa su legure sastavljene od rastopa i čvrste faze- Po liniji AB izdvaja se δ-ferit, po liniji CD-austenit (γ) a po liniji CD PRIMARNICEMENTIT (Fe3C'). Nastanak čvrste faze iz rastopa je PRIMARNA KRISTALIZACIJA.- Po SE-liniji izdvojeni cementit iz austenita naziva se SEKUNDARNI CEMENTIT (Fe3C") i razlikuje se od primarnog,jer nastaje iz čvrste faze. Na liniji PQ-cementit nastaje iz ferita i označava se kao TERCIJARNI CEMENTIT(Fe3C"'). Linija ECF je linija EUTEKTIČKE REAKCIJE na 1148°C -eutektičkoj temperaturi, na kojoj se izdvajaeutektička smeša LEDEBURIT (austenit sa 2,0 %C i primarnog cementita sa 6,67%C) .- Linija PSK( 727°C) - EUTEKTOIDNA LINIJA , na kojoj dolazi do preobražaja austenita u smešu FERITA i SEKUNDARNOG CEMENTITA -PERLIT .- Linija PSK (727°C) - EUTEKTOIDNA LINIJA, na kojoj dolazi do preobražaja austenita u smešu FERITA I SEKUNDARNOG CEMENTITA - PERLIT ( prikazani su na sledećoj slici)

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.

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.

Metode žarenja su:• homogenizaciono,• normalizaciono,• meko,• potpuno žarenje• rekristalizaciono žarenje i• žarenje radi smanjenja unutrašnjih napona.

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 nejednorodnosti hemijskog sastava kod čeličnih odlivaka,• poboljšanja mikrostrukture koja umesto neujednačene (dendritne) postaje homogena.

Normalizaciono žarenje

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.

Meko 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 odvisokougljeničnih i legiranih čelika. Pri obradi rezanjem lamelarnog perlita, nož sečetvrde lamele Fe3C, a kod globularnog razmiče zrna i seče mekšu feritnu osnovu.

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

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 Tr≈0,4Tt, a za legure tipa čvrstog rastvora Tr≈0,6Tt; niskougljenični čelici imaju Tr≈650°C, 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.

Žarenje radi smanjenja unutrašnjih napona

Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i zatim 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.