Tepelné zpracování ocelí(druhy a způsoby)

Doc. Ing. Stanislav Věchet, CSc. ; Ing. Karel Němec, Ph.D.Doc. Ing. Stanislav Věchet, CSc. ; Ing. Karel Němec, Ph.D.

Schéma průběhu tepelného zpracování

1 – ohřev, 2 – výdrž na teplotě, 3 – ochlazování

Rozdělení způsobů tepelného zpracování

Žíhání

Kalení

Popouštění (zušlechťování)

Chemicko-tepelné zpracování

Tepelně-mechanické zpracování

Diagram Fe-Fe3C

Základní typy žíhání u ocelí

1) s překrystalizací- homogenizační- rozpouštěcí- normalizační       

    2) bez překrystalizace - naměkko

- rekrystalizační- ke snížení pnutí

Žíhání

Základní typy žíhání u ocelí Homogenizační žíhání se provádí za účelem snížení chemické

heterogenity, vznikající při tuhnutí následkem dendritické segregace. Rozpouštěcí žíhání má rozpustit karbidické (popř. nitridické) fáze v

tuhém roztoku. Normalizační žíhání se provádí za účelem zjemnění austenitického

zrna a ke zrovnoměrnění sekundární struktury. Slouží též k odstranění často se vyskytující Widmannstättenovy struktury.

Žíhání naměkko snižuje tvrdost a zlepšuje obrobitelnost oceli díky sferoidizaci perlitického, příp. sekundárního, cementitu.

Rekrystalizační žíhání má za úkol odstranit deformační zpevnění způsobené předcházejícím tvářením za studena.

Žíhání ke snížení pnutí se provádí s cílem snížit vnitřní pnutí vzniklá po svařování, tváření za studena, rozsáhlém obrábění nebo nerovnoměrném ochlazení dílů složitých tvarů a větších rozměrů.

Normalizační žíhání

Pásmo žíhacích teplotSchéma tepelného zpracování

Normalizační žíhání← Výchozí stav, Widmannstättenova struktura

Struktura po normalizačním žíhání →

Žíhání naměkko

Pásmo žíhacích teplotSchéma tepelného zpracování

Žíhání naměkko← Výchozí stav, lamelární perlit

Globulární (zrnitý) perlitpo žíhání naměkko →

Rekrystalizační žíhání

Schéma tepelného zpracování

Rekrystalizace při tváření za tepla

Přehled způsobů kalení oceli

Martenzitické kalení

Pásmo kalících teplotSchéma martenzitického kalenípodeutektoidní oceli

○ - správná kalící teplota - nesprávná kalící teplota

Způsoby martenzitického kalení

- nepřetržité (přímé)- lomené- termální- se zmrazením

Kalení

Vliv obsahu uhlíku rozpuštěného v austenitu na tvrdost uhlíkových ocelí

1 – max. hodnoty tvrdosti po kalení (100% martenzitu)

2 – po kalení z teploty nad Ac1

3 – po kalení z teploty Ac3

4 – 50 % martenzitu ve struktuře

5 – po normalizačním žíhání

6 – po žíhání naměkko (zrnitý perlit)

Prokalitelnost, pás prokalitelnosti

1, 2 – hranice pásu prokalitelnosti3 – křivka prokalitelnosti

Schéma Jominiho zkoušky

prokalitelnosti

Pás prokalitelnosti oceli 14 240

Správná struktura po zakalení

Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel

M

M

karbidy

Nesprávná struktura po zakalení

Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel

F

M AZM

Kalení a nízkoteplotní popouštění

Schema tepelného zpracování

Zušlechťování

Zušlechťovací diagramSchema tepelného zpracování

Stadia popouštění

M ... martenzit tetragonální ... Fe2,4C (přechodový karbid)MK... martenzit kubický ( 0,25 % C) Cem ... Fe3CAZ ... zbytkový austenit S … sorbit

Jemný a hrubý sorbit

Jemný sorbit Hrubý sorbit

Izotermické způsoby tepelného zpracování

Chemicko-tepelné zpracování

Přehled metod chemicko-tepelného zpracování Cementování Nitridování Nitrocementování Karbonitridování Sulfonitridování Tvrdé chromování Alitování (hliníkování) Silitování (křemíkování) Boridování (bórování) a další

Cementování Difúzní sycení povrchu uhlíkem za zvýšené teploty K cementování se používají oceli s nízkým obsahem

uhlíku (< 0,25 hm. %) Obvyklý rozsah cementačních teplot je 850 – 950 °C Požadované vlastnosti cementované součásti se

získají až tepelným zpracováním Tvrdost povrchu po cementaci dosahuje až 800 HV Tloušťka cementované vrstvy se nejčastěji pohybuje

v rozmezí 0,5 – 1,5 mm

Schéma cementace v diagramu Fe-Fe3C

Cementační prostředí Pevné – sypké

dřevěné uhlí + 7 až 20% BaCO3 (NaCO3, CaCO3)

Kapalné roztavené solné lázně NaCN nebo KCN + NaCl nebo KCl

Plynné plyn CO, příp. CH4 pece typu Monocarb

Hloubka cementované vrstvy

při cementování:

1 – v lázni

2 – v plynu

3 – v prášku

Tepelné zpracování po nauhličení

1 – kalení přímo z cementační teploty2 – kalení s přichlazením3 – kalení s podchlazením4 – kalení po ochlazení z cementační teploty5 – dvojité kalení, a – kalení na jádro, b – kalení na vrstvu

Po zakalení musí vždy následovat ještě nízkoteplotní popouštění!

Makrostruktura řezu cementovaným ozubeným kolem

Nitridování Difuzní sycení povrchu dusíkem za zvýšené teploty Nitridují se oceli s obsahem uhlíku 0,3 – 0,4 hm. % Obvyklý rozsah nitridačních teplot je 500 – 550 °C Doba nitridace bývá relativně dlouhá (až 60 hodin) Tvrdost nitridované vrstvy se zpravidla pohybuje v

rozmezí 1000 – 1200 HV. Je závislá na obsahu legujících prvků v oceli tvořících tvrdé nitridy (Cr, Al, Mo, V, W).

Tloušťka nitridované vrstvy bývá 0,2 – 0,6 mm

Způsoby nitridace Iontová (plazmová) nitridace

Moderní postup Součásti jsou uloženy izolovaně ve vakuové nádobě a

zapojeny jako katoda. Nádoba tvoří anodu a udržuje se v ní snížený tlak zředěné směsi plynů (směs N a H). Po připojení vysokého napětí proběhne ionizace dusíku a vzniklé elektrické pole pohybuje anionty dusíku k součástkám.

Nitridace v plynném prostředí Provádí se v plynotěsných zvonových, šachtových nebo

komorových pecích, zdrojem plynu je čpavek NH3

Iontová nitridace

1 – součástky2 – vakuovaná komora3 – zásobník se směsí H a N4 – zdroj vysokého napětí

Porovnání tvrdosti a hloubky povrchové vrstvy po různém chemicko-tepelném zpracování

1 – nitridované

2 – karbonitridované

3 – nitrocementované

4 – cementované

5 – povrchově kalené

Tepelně-mechanické zpracování

Kombinovaný účinek tváření a tepelného zpracování Používá se zejména ke zvyšování mechanických

vlastností legovaných konstrukčních ocelí.

Základní způsoby tepelně-mechanického zpracování 1 - Vysokoteplotní tepelně-mechanické zpracování 2 - Nízkoteplotní tepelně-mechanické zpracování

Doporučená literatura Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické

nakladatelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003)

Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha, 1989 Askeland, D.R.- Phulé, P.P.: The Science and Engineering of

Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005) Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An

Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003