Predavanje 6-deo 1

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Mašinski materijali - Predavanje -

TERMIČKA OBRADA ČELIKA

1

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

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

Progrevanje je Za gr e van

Temperatura

Za gr ev an je

je

n je Hla dje

jen ad Hl

Temperatura

Progrevanje

Zagrevanje Vreme

Vreme

Zamrzavanje

Tok termičke obrade

Tok termičke obrade sa hladjenjem ispod 0°C

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 Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

2

1

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Vrste termičke obrade čelika

U postupke obične termičke obrade spadaju:

¾ Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno, rekristalizaciono, za otklanjanje napona);

¾ Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko); ¾ Otpuštanje (nisko, srednje, visoko).

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

3

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. Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

4

2

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Metodi žarenja

dele se na postupke sa faznim promenama: 9 9 9 9

difuzno, normalizaciono, meko i potpuno žarenje

i postupke žarenja bez faznih promena 9 rekristalizaciono žarenje i 9 žarenje radi popuštanja napona.

5

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

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: 9 smanjenja nejednorodnost hemijskog sastava kod čeličnih odlivaka, 9 poboljšanja mikrostrukture koja umesto neujednačene (dendritne) postaje homogena. 1100

Cm

A

900

°C

A

AC1

/h

Temperatura, °C

A C3

00 -1

Austenit

10 - 40 h

50

1000

1050 - 1200°C = Vh

Temperatura

1200

C3

800 AC1

AC1,3

723°C

500°C

700 Perlit + Ferit

600 500

0

0.4

Cementit + Perlit

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

Vreme

6

3

Mašinski fakultet u Kragujevcu

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.

Temperatura

1200 1100 Austenit

Na mi rno m

A

Cm

Temperatura, °C

1000

30-50°C

Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci, otkovci i zavareni spojevi od debelih čeličnih delova rdjave zavarljivosti.

900 AC

3

800 AC1

AC1,3

AC3 (ACm) va zd uh u

AC1

727°C

700

500

Cementit + Perlit

Perlit + Ferit

600

0

0.4

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

Vreme

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

7

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. Temperatura

1200 1100 Austenit Cm

AC3 (A Cm)

A

Temperatura, °C

1000

AC1

900 AC

3

18 - 24 h

800 A C1

A C1,3

727°C

Na

va zd uh u

700 Perlit + Ferit

600 500

0

0.4

Cementit + Perlit

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

Vreme

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

8

4

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Potpuno žarenje Zasniva 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.

Temperatura

1200 1100 Austenit Cm

Up

A

900

eći

AC3 (A Cm) AC1

AC

3

800

AC1

AC1,3

Na

Temperatura, °C

1000

30 - 50 °C

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

723°C

u uh zd va

700

500

Cementit + Perlit

Perlit + Ferit

600

0

0.4

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

Vreme

9

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

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.

Temperatura

1200 1100 Austenit Cm

AC3 (ACm)

A

Brzo

900 AC

AC1

AC1,3

723°C

Perlit + Ferit

600

0

0.4

Cementit + Perlit

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

Iznad 550°C

u uh zd va

700

500

AC1

3

800

Na

Temperatura, °C

1000

30 - 50 °C

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

Vreme

10

5

Mašinski fakultet u Kragujevcu

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 ≈ 0.4 ⋅ Tt , a za legure tipa čvrstog rastvora Tr ≈ 0.6 ⋅ Tt ; niskougljenični čelici imaju Tr ≈ 650D 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. Temperatura

AC3 (ACm) AC1 650 - 700 °C Vreme zavisi od preseka dela

Pr oi zv ol jn o

Vreme

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

11

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).

Temperatura

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. AC3 (ACm) AC1 150-650°C

Vreme

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

12

6

Mašinski fakultet u Kragujevcu

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. 1200

600 1100

Cm

A

30-50°C

Temperatura, °C

900 A

C3

800 AC1

AC1,3

723°C

Temperatura, °C

Austenit

1000

700

Ms 200

0 Perlit + Ferit

600 500

400

Mf

Cementit + Perlit

-200 0

0.4

0.8 1.2 1.6 Sadržaj C, maseni %

0.2

0.6

1.0

1.4

1.8

Sadržaj C, maseni %

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". 13

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Kontinualno (obično) kaljenje

AC3 AC1

A→F

Ms

A→P

A→B

Jezgro

Temperatura, °C

A

Površina

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.

A→M Mf

Martenzit

Vreme (log)

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

14

7

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering)

AC3 AC1

Primenjuje se kod ugljeničnih

A

Temperatura, °C

čelika tankih preseka (10-12 mm)

se unutrašnji naponi, deformacije i mogućnost pojave prslina.

A→P

Jezgro

Stepenastim kaljenjem smanjuju

A→F

Površina

ili malih prečnika 8-10 mm.

A→B

Ms A→M Martenzit

Mf

Vreme (log)

15

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Izotermičko bejnitno kaljenje (austempering)

AC3 AC1 A

A→F

A→P

Ferit + perlit (sitni) Gornji bejnit

ro Jezg

Temperatura, °C

Ferit + perlit (krupni)

Površina

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.

A→B Donji bejnit

Ms A→M Mf

Martenzit

Vreme (log)

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

16

8

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Kontinualno bejnitno kaljenje

AC3 AC1

je jedino za neke čelike čiji KH dijagram ima istureno koleno.

šina Po vr gro Jez

Ovaj vid kaljenja moguć

Temperatura, °C

A

A→F

A→P

T1 A→B Ms Bejnit + martenzit Mf

Vreme (log) Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

17

Prekidno kaljenje

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

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

18

9

Mašinski fakultet u Kragujevcu

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: 9 povećanja tvrdoće, 9 povećanja zapremine i 9 stabilizacije dimenzija. Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

19

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. Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

20

10

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Zavisno od temperature zagrevanja pri otpuštanju ugljeničnih čelika, razlikuju se: 9 nisko, 9 srednje i 9 visoko otpuštanje. Austenit 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.

Temperatura, °C

700

∼750

600 Otpušteni martenzit

500

Trustit Srednje otpuštanje

400 300

Ms

200

Mf

∼250 Martenzit 65HRC

100 0

Sorbit Visoko otpuštanje

∼500

10

102

103

104

105

Martenzit Nisko otpuštanje

106

Vreme, (logt), s

21

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Austenit

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.

Temperatura, °C

700

∼750

600 Otpušteni martenzit

500

Trustit Srednje otpuštanje

400 300

Ms

200

Mf

∼250 Martenzit 65HRC

100 0

10

102

103

104

105

Martenzit Nisko otpuštanje

106

Vreme, (logt), s

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

Sorbit Visoko otpuštanje

∼500

22

11

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Austenit

Pri visokom otpuštanju postiže se najbolja duktilnost i žilavost.

Temperatura, °C

700

∼750

600 Otpušteni martenzit

500

Trustit Srednje otpuštanje

400 300

Ms

200

Mf

∼250 Martenzit 65HRC

100 0

Sorbit Visoko otpuštanje

∼500

10

102

103

104

105

Martenzit Nisko otpuštanje

106

Vreme, (logt), s

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

23

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 otpuštanje zove poboljšanje.

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

24

12

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Mašinski deo, koji je prethodno okaljen sa uobičajene temperature kaljenja, naknadno se zagreva do nešto više temperature i odmah

Temperatura

Reaustenitizacija

AC3 (ACm)

potom kali. U toku zagrevanja jedan

AC1

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

Prvo kaljenje

Drugo kaljenje

sa 0.3% C i fini cementit, što predstavlja najbolju kombinaciju

Vreme

svojstava otpornosti (Rm, R0.2) i svojstava deformacije (A5 i Z). Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

25

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: 9 visokotemperatursku termo-mehaničku obradu (VTMO) i 9 niskotemperatursku termo-mehaničku obradu (NTMO).

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

26

13

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Temperatura

Površinsko kaljenje AC3 AC1 I

Površinsko kaljenje je termička obrada

III

II

kojom se zakaljuju samo površinski slojevi komada, dok njegovo jezgro zadržava

Udaljenost od površine

početnu strukturu. Tako se dobija velika manju tvrdoću jezgra što je poželjno kod delova od kojih se traže sledeće osobine: 9 velika otpornost površine protiv habanja, 9 povećana otpornost protiv udarnog

60 Tvrdoća HRC

površinska tvrdoća uz veliku žilavost i

40

20 0 0

dinamičkog opterećenja i

2

4

6

8

Udaljenost od površine, mm

9 visoka granica zamaranja površine.

Raspodela temperature i tvrdoće na različitim udaljenostima od kaljene površine

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

27

Površinski okaljen sloj zupčanika

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: 9 površinsko kaljenje plamenom i 9 indukciono površinsko kaljenje.

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

28

14

Mašinski fakultet u Kragujevcu

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

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

29

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: ρ δ = 5.03 ⋅ 10 4 ⋅ , mm f ⋅μ gde je: f – frekvencija naizmenične struje, ρ - specifični električni otpor i μ - magnetni permeabilitet. Za čelik se gornji izraz može svesti na:

δ = 60 /

Induktor za površinsko indukciono kaljenje

f

, mm. Pošto je dubina sloja obrnuto srazmerna frekvenciji, znači da će dubina progrejanog sloja opadati sa porastom frekvencije. Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

30

15

Mašinski fakultet u Kragujevcu

Maš Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

Dr Dragan Adamović, docent

31

16