Materijali_2_4_150_2009-1

4. UREAJI I SREDSTVA ZA TOPLINSKU OBRADU

I. Duplani: MATERIJALI 2 15


Budui da se postupci toplinske obrade sastoje od zagrijavanja, zadravanja na odgovarajuoj temperaturi i kontroliranog hlaenja, u nastavku dat e se kratki prikaz ureaja i sredstava za njihovo izvoenje.

4.1 UREAJI ZA TOPLINSKU OBRADU Izbor odgovarajueg ureaja vrlo je znaajan za rezultate toplinske obrade, ne

samo u smislu postizanja odgovarajue kvalitete materijala, ve i u smislu utede energije i smanjenja zagaenja okolia. U proizvodnoj praksi koriste se brojni ureaji koji se mogu podijeliti prema razliitim kriterijima kao npr. prema: energetskim izvorima, nainu zagrijavanja, namjeni, temperaturnom podruju rada i drugi. S obzirom na vanost, ovdje e se dati samo osvrt na kriterij raspodjele prema nainu zagrijavanja, odnosno mediju u kojemu se predmeti zagrijavaju. Prema ovom kriteriju na raspolaganju su sljedee mogunosti zagrijavanja:

izravno u plamenu, u komornoj pei, u ugrijanim kupkama, u fluidiziranom prahu, indukcijski i prijelazom topline sa toplijih dijelova.

Grijanje izravno u plamenu je najstariji nain zagrijavanja i danas se vrlo

rijetko koristi. Tu se ubraja: kovaka vatra, acetilenski plamenici i dr. Koristi se samo u pomanjkanju suvremenih mogunosti za zagrijavanje, te za toplinsku obradu dijelova predmeta (otrice dijetla, iljak, vrh nekog vijka...). Glavni nedostatak ovakog naina zagrijavanja je nekontrolirana temperatura koja moe imati tetan utjecaj na kemijski sastav povrine predmeta.

Komorne pei su zatvoreni prostori u

kojima se predmeti griju izravno izgaranjem krutog, tekueg ili plinovitog goriva, te elektrinom energijom, slika 4.1. Kod ovakog naina zagrijavanja takoer su neizbjene reakcije povrine obratka i atmosfere u pei. One su tim vie to su temperature vie i trajanje zagrijavanja due. Zatita obratka u ovakvim peima moe se provesti njihovim umatanjem u posebne obloge ili ulaganjem u metalne sanduke ispunjene nekim neutralnim sredstvom (usitnjeni koks, estice SL...).

Slika 4.1 Elektrina komorna pe |1|

1 - komora; 2 - utori za elektrootpornike; 3 - podloga od vatrootpornog elika;

4 - visokotemperaturno postojani amot; 5 - lagani amot



Bolje rjeenje je uporeba tzv. mufolki, tj. komora koje se griju s vanjske strane, a predmeti u njima mogu biti i hermetiki zatvoreni u tzv. retorti, slika 4.2. Na taj se nain u pe moe dovoditi i zatitni plin, npr. argon, koji stvara neutralnu atmosferu.

Slika 4.2 Elektrina jamska pe |1| 1 - retorta; 2 - poklopac; 3 - vodom hlaena brtva;

4 - elektrini elektrootporni grija

Prijenos topline u komornim peima izvodi se konvekcijom toplih plinova prirodnom ili prisilnom cirkulacijom, zraenjem s toplih stijenki pei i provoenjem, zbog djelominog naslanjanja predmeta na ugrijane stijenke pei.

Suvremena varijanta komorne pei kojom se uklanjaju prethodni nedostaci jest

vakuumska pe. To je hermetiki zatvorena komora u kojoj su postavljeni elektrini grijai, a prije stavljanja u pogon isie se zrak, slika 4.3.

Slika 4.3 Pe za grijanje i kaljenje u vakumu |1|

1 - komora; 2 - ventilator za hlaenje; 3 - poklopac; 4 - grijai; 5 - koara sa predmetima; 6 - pomini dio dna; 7 - elini plat hlaen vodom;

8 - izmjenjiva topline za rashladne plinove; 9 - otvori za odsisavanje atmosfere iz pei



Nakon zavretka austenitizacije predmeti se kale bilo putanjem hladnog

neaktivnog plina u komoru ili sputanjem predmeta u ugraenu uljnu kupku. Prijenos topline kod ovakvih pei se prvenstveno ostvaruje zraenjem. Grijanje predmeta i pei zapoima istovremeno kod sobne temperature.

Kupke mogu biti napunjene ugrijanom vodom, uljem, rastaljenim metalom i

najee rastaljenim solima. Grijanje u vodi (do 100 oC) i ulju (do 300 oC) obino se koristi za naknadno zagrijavanje predmeta koji su proli odreeni tretman toplinske obrade (npr. kaljenje). Slina je svrha i metalnih kupki koje se griju obino od 700 -900 oC, dok se solne kupke koriste za sva temperaturna podruja do 1350 oC. Postoje dvije vrste solnih kupki koje se razlikuju u konstrukciji. Prva skupina grije se vanjskim, a druga unutranjim zagrijavanjem. Na slici 4.4 prikazana je solna kupka sa vanjskim zagrijavanjem najvie do 900 oC.

Slika 4.4 Elektrina solna pe sa vanjskim zagrijavanjem |1| 1 - elini lonac; 2 - elektrootporni grijai; 3 - solna kupka; 4 - uronjivi termoelement

Kod unutranjeg tipa zagrijavanja

toplina za taljenje soli i odravanje temperature razvija se zbog elektrinog otpora to ga sol prua prolazu struje izmeu uronjenih elektroda, slika 4.5. Osnovna prednost koritenja solnih kupki je zatita povrine obratka, brzo zagrijavanje, te praktino i brzo rukovanje. Meutim, glavni nedostatak je to to obratci izvueni iz solne kupke i potom zakaljeni na sebi zadre manju koliinu soli, to je pranjem treba skinuti. Otpadne vode zahtijevaju neutralizaciju pa to, uz prethodno pranje obradaka, poskupljuje proizvodnju.

Slika 4.5 Elektrodna solna pe |1|

1 - solna kupka; 2 - elektrode; 3 - amot; 4 -transformator



Princip grijanja u fluidiziranom prahu sastoji se u tome da se u struji uzdiueg fluida suspendiraju sitne vrste estice. Odmjerenim pritiskom plina koji izbija kroz upljikavo dno posude podiu se estice u vrtlogu plina i itav prostor lonca dobije vidljive karakteristike tekuine. Kao plin za podizanje estica mogu se koristiti i plinovi izgaranja. Ovakve kupke koriste se za temperaturna podruja od 50 do 1500 oC.

Shematski prikaz takvog ureaja dan je na slici 4.6. Prednost ovog naina

izmjene topline u odnosu na solne kupke sastoji se u sljedeem: nema zagaivanja, medij ostaje nepromjenjen, nema potreba pranja i ienja obradaka, a poboljava se sigurnost i uvjeti rada.

Slika 4.6 Kupka sa fluidiziranim prahom |1|

Indukcijsko zagrijavanje koristi se za zagrijavanje itavog ili dijela obratka.

Radi se o postavljanju obratka ili njegovog dijela u svitak napajan izmjeninom strujom ime se stvara izmjenino magnetsko polje. Na taj se nain u obratku inducira struja iste frekvencije, protie kroz njega, te zbog otpora nastaje povienje njegove temperature.

4.2 SREDSTVA ZA HLAENJE Da bi se proveo postupak kaljenja, o emu e u nastavku biti vie rijei,

hlaenje obratka sa odgovarajue temperature mora se izvesti brzinom veom od kritine. U tom se sluaju osigurava da se austenit u cijelosti sauva do Ms temperature. Ako se pri takvom procesu hlaenja dosegne Mf temperatura mogue je nastaviti hlaenje i do niih temperatura. Taj postupak poznat je pod nazivom niskotemperaturno kaljenje. Pri ovakvom procesu znaajnu ulogu u pretvorbi ovih faza ima rashladno sredstvo koje mora posjedovati sposobnost dobrog odvoenja topline.

Uvodi se pojam idealnog rashladnog sredstva za koje se smatra da treba posjedovati sposobnost naglog hlaenja pri viim temperaturama, a sporijeg hlaenja pri niim temperaturama. Veina rashladnih sredstava koja se danas koriste u prizvodnoj praksi ima ta svojstva, a prema agregatnom stanju mogu se podijeliti na: kruta, tekua, fluidizirani prah, magla i plinovi.



Kruta rashladna sredstva se rijetko upotrebljavaju. Njih obino predstavljaju hladne, glatke metalne ploe ili vodom hlaeni metalni kalupi. Uloga ovakovih rashladnih sredstava je hlaenje, ali i spreavanje deformacija. Kao glavni nedostatak smatra se to da se toplina odvodi samo sa strane nalijeganja predmeta na plou.

Kao tekua rashladna sredstva koriste se: ista voda, voda sa dodacima za regulirano ubrzano hlaenje, voda sa dodacima za regulirano usporeno hlaenje, ulje za kaljenje, metalne kupke, solne kupke i tekui plinovi. Voda ista i ona sa dodacima te ulje koriste se za hlaenje do temperature okolia. Ove tekuine se meusobno razlikuju po temperaturi isparavanja. Kada je temperatura isparavanja visoka vie se topline odvodi provoenjem i konvekcijom. Kad je temperatura na povrini obratka iznad temperature isparavanja rashladne tekuine na povrini nastaje parni, odnosno plinski omota. Ovaj omota moe sprijeiti provoenje topline i stoga je nuno da se obratci pri ovakvom nainu hlaenja gibaju. Slika 4.7 naelno pokazuje promjenu brzine hlaenja u tekuini.

U poetku do temperature p hlaenje je

usporeno. Poslije toga nastaje dobro vlaenje. Kad se dostigne temperatura vrenja v isparavanje se zaustavlja, a toplina se dalje odvodi konvekcijom. Prema tome temperature p i v predstavljaju kritine temperature na osnovi kojih se ocjenjuje rashladna sposobnost tekuine. Pri izboru tekuine za kaljenje treba se postupati na sljedei nain: Za poveanje dubine promjena

(prokaljivosti) poveati p i smanjiti v, Za smanjenje opasnosti pojave greaka pri

kaljenju poveati p i v. ista voda se najvie koristi za ugljine elike, obratke jednostavnih oblika

kod kojih su tolerancije tvrdoe dosta iroke. Ona nije idealno rashladno sredstvo jer prebrzo hladi na niim temperaturama, to uzrokuje deformacije i pucanje obratka. Uz to, korozijski je agresivna pa se poslije kaljenja obratci moraju zatiti. Glavna joj je prednost niska cijena. Voda sa dodatcima (aditivima) koristi se radi eliminiranja nedostataka to ih ima ista voda. Dodaci za ubrzavanje hlaenja su na mineralnoj osnovi. Meutim, opasni su za zdravlje, korodirajue su agresivni i izazivaju tekoe oko neutralizacije pri isputanju u kanalizaciju. Za usporavanje hlaenja koristi se alkohol polivinilskog tipa. Prednost je niska cijena, a nedostatak je zaostali tanki sloj na zakaljenoj povrini koji spreava otkrivanje prskotina.

Brzine hlaenja nekih rashladnih sredstava prikazane su na slici 4.8. Najveu

brzinu hlaenja ima voda sa dodatkom ubrzivaa, a najmanu solna kupka na 250 oC. Ulje za kaljenje je ranije bilo jedino rashladno sredstvo sa ublaenim

djelovanjem sve dok nisu razvijeni aditivi to usporavaju brzinu hlaenja u vodi. Prednost ulja je u tome to im se temperatura p nalazi u podruju od 300 - 600 oC (kod vode je 100oC). Sama faza vrenja traje u jednom temperaturnom intervalu od

Slika 4.7 Razliite brzine hlaenja

u tekuini |1|



oko 200 oC. Ulja koja se koriste za kaljenje su mineralne prirode, a mogue im je dodavati aditive sa toplinskim ili tehnolokim efektom (spreavanje oksidiranja starenja ulja, stvaranja pjene i emulzije).

Slika 4.8 Usporedba brzina hlaenja razliitih tekuih rashladnih sredstava |1| 1 - voda sa 10% ubrzivaa hlaenja; 2 - voda bez dodataka; 3 - voda sa 3% ublaivaa hlaenja; 4 - voda sa 6% ublaivaa hlaenja; 5 - voda sa 18% ublaivaa hlaenja;6 - ulje sa ubrzivaem;

7 - solna kupka na 180 oC; 8 - solna kupka na 250oC

Metalne i solne kupke koriste se za hlaenje na odreenu temperaturu koja je znatno via od sobne, a primjenjuju se u posebnim toplinskim obradama. Za njihovo punjenje koriste se tekua sredstva koja ne isparavaju pri uranjanju ugrijanih obradaka, pa se toplina odvodi provoenje i konvekcijom. Nedostatak metalnih kupki od kojih je olovna najea, je to to elini predmeti plivaju u njoj. Prednost je veliki raspon temperatura koritenja od 350-900 oC, to nije zdravo zbog intenzivnog isparavanja olova.

Solne kupke ine mjeavine rastaljenih alkalnih nitrata i nitrita. Koriste se za

temperaturni interval od 150-550 oC. Tekui plinovi se koriste vrlo rijetko i to onda kada je Ms temperatura na nekom eliku znatno ispod temperature okolia. Hlaenje je najee u tekuem duiku (- 196 oC), a otklanja se zaostali austenit i pretvara u martenzit. Upotreba je rijetka jer pri ovako niskim temperaturama znatno opada ilavost elika, pa nastaje prskanje obratka zbog nastalih zaostalih naprezanja.

Kupka sa fluidiziranim prahom se u posljednje vrijeme hvali kao vrlo

prikladno sredstvo za toplinsku obradu. Razlikuje se od iste kupke za zagrijavanje samo po tome to u ovom sluaju hladi. Na slici 4.9 dan je prikaz brzine hlaenja u fluidiziranoj kupci u usporedbi sa ostalim rashladnim sredstvima.



Slika 4.9 Usporedba razliih rashladnih sredstava |1| Magla, kao i fluidizirana kupka, je medij to ga ine dvije komponente. Kapljice

vode suspendirane u zraku ili nekom inertnom plinu dolaze na ugrijanu povrinu obratka. Isparavanjem na povrini obratka nastaje veliki uinak izmjene topline ime se ostvaruje brzo hlaenje.

Plinovita rashladna sredstva imaju mali intenzitet hlaenja pa se koriste za kaljenje visokolegiranih elika. Najee se u normalnoj praksi koristi uzduh, dok se radi spreavanja kemijskih reakcija na povrini koriste inertni plinovi. Intenzitet hlaenja podeava se brzinom strujanja. 4.2.1 Utjecaj geometrije obratka i tehnologije na brzinu hlaenja

Rashladna sposobnost pojedinog sredstva odreuje se na uzorcima standardiziranog oblika i dimenzija, te stanja povrina. Kod kaljenja realnih komada u uvjetima prakse treba voditi rauna o: toplinskoj karakteristici materijala, toplinskim utjecajima zbog modifikacije reetke, geometriji obratka, stanju povrine, relativnom gibanju u rashladnom mediju te meusobnom rasporedu i meusobnom utjecaju obradaka u kupki.

Neke od ovih faktora mogue je i raunski uzeti u obzir (prva tri). Najutjecajni od ovih faktora je stanje povrine. Ono se moe izraziti na dva naina: mikrogeometrijom (stvarne hrapavosti, zaobljenja) i toplinskim karakteristikama povrinskih slojeva.

Uloga oksidnih slojeva na povrini predmeta je takoer vrlo znaajna, jer oksidni sloj predstavlja otpor prijelazu topline kod predmeta u rashladnim medijima, slika 4.10.



Slika 4.10 Utjecaj oksidnog sloja na povrini elinog uzorka

promjera 16 mm na brzinu hlaenja |1| 1 - uzorak zagrijan na zraku; 2 - uzorak zagrijan u vakuumu

4.2.2 Izbor rashladnog sredstva

Polazei od analize TTT dijagrama, problem izbora rashladnog medija je naoko jednostavan: to je vea brzina hlaenja to je sigurnije da se linije dijagrama nee presjei prije nego se dosegne Ms temperatura. S druge pak strane velika brzina hlaenja izaziva stvaranje toplinskih napetosti. Radi toga se rashladno sredstvo mora odabrati tako da se onaj sloj u predmetu u kojem se eli postii isti martenzit hladi kritinom brzinom ili neto veom od nje. Zbog toga stoje na raspolaganju sva ranije spomenuta sredstva kako bi se svakom obratku neovisno o eliku i njegovim dimenzijama postiglo optimalno rjeenje.

Literatura |1| R. Deeli Metali 2, Sveuilite u Splitu, FESB, Split,1987. Pitanja 1. Na koje se sve naine mogu zagrijavati uzorci koji se podvrgavaju toplinskoj obradi? 2. Navedite uobiajena sredstva za hlaenja! 3. O emu ovisi intenzitet hlaenja kod kaljenja i u kojem se sredstvu hlaenje izvodi najbre i

najsporije?

Documents

Materijali_2_4_150_2009-1