TII i PT -TOPLINSKA OBRADA · PROKALJIVOST - 18 20 čelik X: X %C čelik Y: X% C Y% Me F P B M F P B M A A 3 M s M f A 1 , oC t, s, lg a M s M f Ø50 jezgra površina HV čelik X:

TII I PT -TOPLINSKA OBRADA

PROF. DR. SC. BOŽIDAR MATIJEVIĆ

Ak. god. 2015/16.

III. predavanje.

Trajanje dubokog hlađenja, h

Poboljšanje

dimenzijske

stabilnosti i tvrdoće

Poboljšanje

otpornosti trošenju i

produljenje trajnosti

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

-20

-60

-100

-120

-160

-200

Tem

pe

ratu

ra,

°C

PROCES OPIS PARAMETRI SVOJSTVA

SMANJENJE DIMENZIJA

(Shrink fitting)

Cjelokupno smanjenje komada

zbog hlađenja omogućuje lakšu

montažu dijelova

-70 do -120 °C do potpunog

ohlađivanja komada po

presjeku

Privremena promjena

dimenzija

Hladna odrada čelika

(Cold treatment of

steels)

Kompletna martenzitna

transformacija

-70 od -120 °Ckroz 1 h za

svaka 3 cm presjeka

transformacija zaostalog

austenita u martenzit

povećanje tvrdoće

dimenzionalna stabilnost

Duboko hlađenje čelika

(Cryotreatment of

steels)

Duboko hlađenje na ove

tempreature može uzrokovati

izlučivanje sitnih karbida

-135 °C i niže u trajanju od

34 sata i duže

Poboljšanje otpornosti

trošenju zbog izlučivanja

karbida

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA DUBOKO HLAĐENJE

DUBOKO HLAĐENJE (engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic,…njem:. Tiefkühlen)

DUBOKO HLAĐENJE (engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic,…njem:. Tiefkühlen)

- eliminacija Az , dimenzijska stabilnost

- stvaranje ηK

Duboko hlađenje u ciklusu kompletne TO

- smjesa suhog leda i alkohola (do -60 °C)

- ukapljeni dušik ( do -196 °C)


Primjeri: - igle Boshove pumpe (14 NiCr 14)

- dijelovi kotrljajućih ležajeva

- alati od npr. BRČ


(toplinska obradljivost, prikladnost materijala za kaljenje, sposobnost pretvorbe u

martenzit: Euro norma 52-83)

KALJIVOST ČELIKA

ZAKALJIVOST = f (%C), (Me)

Utjecaj %C u čeliku i udjela martenzita

na tvrdoću kaljenja

(Hodge- Orehoski- Archer- ov dijagram)

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA KALJIVOST ČELIKA

Mikrostruktura: M + (Az) + K (K", Ke)

ZAKALJIVOST:

sposobnost čelika da postigne što je

moguće višu tvrdoću na površini

nakom kaljenja

PROKALJIVOST:

sposobnost čelika da postigne što je

moguće ravnomjerniji raspored tvrdoće po

presjeku nakom kaljenja

70

60

50

40

30

20

10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Sadržaj ugljika, %

Tvrd

oća

, H

RC

Martenzit

95 99,9 %

90 80

50 %

600

300

ϑ, °C

104 103 102 10 0

t, s

0,9 %C 0,5 % Mn

600

300

ϑ, °C

104 103 102 10 1

t, s

0,9 %C 1,2 % Mn

1 10

67 HRC


Legirajući elementi ne utječu na zakaljivost čelika tj. postiziva površinska tvrdoća ovisi samo

o %C koji sudjeluje u procesu tj. o onom C koji je otopljen u austenitu i ”zarobljen” u

martenzitu.

Stupanj zakaljenosti:

Ocjena provedenog kaljenja!

Rm popuštanja ? (ocjena kvalitete poboljšavanja): stupanj zakaljenosti


50

60

70

80

90

95

100

%M

0,7 0,8 0,9 1,0

0,72

0,74

0,76

0,78

Ovisnost granice razvlačenja o čvrstoći

za Skalj = 0,7 do 1,0

Ovisnost udjela martenzita o

stupnju zakaljenosti

Skalj=0,8

Skalj=0,7

160 800 1000 1200 1400

Rp0.2=(0,8+0,1.Skalj). Rm+170.Skalj-200

Rm, N/mm2

1200

1000

800

600

400

Skalj=0,9

Rp

0.2

, N

/m

m2

Skalj=1

Skalj=0,7

Skalj=0,7 Skalj=1

Z A

Rm, N/mm2 600 800 1000 1200 1400 1600

10

20

30

40

50

60

70 A

5, Z

, %

Skalj=0,7

160 800 1000 1200 1400

0

50

100

150

200

250

KV, J

Rm, N/mm2 HRCp 10 20 30 40 50 0

50

100

150

200

250

KV, J

Ovisnost istezljivosti o vlačnoj

čvrstoći za Skalj = 0,7 do 1,0

Ovisnost udarne radnje loma o vlačnoj

čvrstoći za Skalj = 0,7 do 1,0 Ovisnost udarne radnje loma o tvrdoći

za Skalj = 0,7 do 1,0


Z=0,96–(0,00062-0,00029 ∙ 𝑆𝑘𝑎𝑙𝑗) ∙Rm

A5=0,46–(0,0004-0,00012 ∙ 𝑆𝑘𝑎𝑙𝑗) ∙Rm

KV=460–(0,59-0,29 ∙ 𝑆𝑘𝑎𝑙𝑗) ∙Rm

PROKALJIVOST -

18

20

čelik X: X %C

čelik Y: X% C

Y% Me

F

P

B

M

F

P

B

M

A

A3

Ms

Mf

A1

, oC

t, s, lg

a

Ms

Mf

Ø50 jezgra površina

HV

čelik X: X %C čelik Y: X% C

Y% Me

Ø10 jezgra

površina

HV

Ø10 jezgra

površina

HV

Ø50 jezgra površina

HV

A3

A1

timin timin

p p j j

prokaljeno

neprokaljeno prokaljeno

prokaljeno


- sastav čelika (C, Me – svi, osim Co i Al)

- dimenzije predmeta

- sredstvo za gašenje

Određivanje (kvantifikacija) prokaljivosti (Računske i eksperimentalne metode)

Di /mm/ - idealni kritični promjer (50 %M uz H = ∞)

Dk /mm/ - kritični promjer 50 %M (H)


Di = Dk uz H = ∞

Di > Dk uz H ≠ ∞


Intezitet rashladnog sredstva H za različita

sredstva i načine hlađenja

0 10 20 30 40 50 60 70 0

10

20

30

40

50

Di, mm

Dk, m

m

H 0,8

0,4

0,2

0,1

0,01

Razne formule, metode (Grossmann, Moser-Legat, Jatzak...) za proračun Di (sastav, vel.

A-zrna) uz multiplikatore (koeficijente)

Grossmannov proračun idealnog kritičnog promjera Di

Di = Dic ∙ M(Si) ∙ M(Mn) ∙ M(Cr) ∙ M(Ni) ∙ M (Mo) ∙ M(Cu) ∙ M(B) ∙ M(P) ∙ M(S)mm

Dic = f( %C, vel. zrna ASTM)

Veličina zrna

ASTM

4

6

8

𝐷𝑖𝑐 = 25,5√𝐶

𝐷𝑖𝑐 = 23,2√𝐶

𝐷𝑖𝑐 = 28,8√𝐶

𝐷𝑖𝑐


Dic

, in

Dic

, m

m

C, %

Multiplikatorski koeficijenti za različite legirajuće element, C≤0,60 %


Multiplikatorski koeficijenti za različite legirajuće element prethodno

normaliziranih nadeutektoidnih čelika (C.F. Jatzak, D.J. Girardi)

Udio legirajućeg elementa, %


Zavisnost Dic o sadržaju C za različite veličine

zrna, (Moser, Legat)

Multiplikatorski koeficijenti za različite

legirajuće element, (Moser, Legat)

Udio legirajućeg elementa, %


Eksperimantalno određivanje prokaljivosti

Jominy- eva metoda


Na jednom te istom čeliku postiže se jednaka

struktura gašenja na lokalitetima gašenim

jednakim Režimima

Jednaka struktura daje uvijek jednaka

mehanička svojstva.


Jominy- eva metoda

Jominy krivulja prikaljivosti 3 čelika


(Utjecaj %C i Me na J-krivulju):

Pojasevi prokaljivosti

Jominy-ev pojas prokaljivosti čelika a) 41 Cr 4 b) 34 CrMo 4


Primjena Jominy krivulje

Indeksi prokaljivosti:

JH1-H2 = d

10 20 30 40 50 mm Udaljenost od čela J- epruvete

donja granica

gornja granica

20

30

40

50

60

Tvrd

oća

, H

RC

H1

H2

d1 d2 d

JH JH = d

JH = d1 –d2


Na jednom te istom čeliku postiže se jednaka

struktura gašenja na lokalitetima gašenim

jednakim režimima

Jednaka struktura daje uvijek jednaka

mehanička svojstva

Određivanje Di i Dk na osnovi Jominy-eve

krivulje prokaljivosti



Gerber Wyss-ovi dijagrami se koriste za određivanje toka tvrdoće po presjeku okruglog

kaljenog izratka.


GERBER –WYSS dijagrami


Za svaki intenzitet hlađenja H vrijedi samo jedan Gerber –Wyss-ov dijagram.

GERBER –WYSS dijagrami

Postupak konstrukcije U-krivulje


1. Za zadani promjer

osovine odaberemo

krivulju u Gerber-Wyss-

ovom dijagramu, npr.

120mm.

2. Presjecišta odabrane

krivulje s krivuljama koje

označavaju udaljenost

od površine osovine δ

spuštamo do Jominy

krivulje.

3. Zatim povlačimo

horizontalne linije

iznosa tvrdoće na

osovinu. Presjecište

ovih linija s

odgovarajućim

udaljenostima od

površine osovine δ daju

točke U-krivulje.


• Praktični pokazatelj prokaljivosti nekog čelika jest postignuta raspodjela tvrdoća po

presjeku određenih dimenzija, gašen u sredstvu poznatog rashladnog učinka H

• Svaki dijagram vrijedi za gašenje urazličitim rashladnim sredstvima, ali samo za jednu

udaljenost od površine osovine, što je iskazano vrijednošću omjera promjera na kojem

želimo mjeriti tvrdoću i vanjskog promjera osovine (d/D)

• Tako vrijednost d/D=0 vrijedi za određivanje tvrdoće u središtu presjeka šipke, a d/D=1

za tvrdoću na površini

CRAFTS –LAMONT dijagrami


Postupak konstrukcije U-krivulje pomoću Crafts- Lamont-ovih dijagrama

Očitamo tvrdoće za

površinu (d/D=1),

Zatim za mjesto udaljeno

8 mm od površine

(d/D=0,8)

te jezgru (d/D=0),

Prilikomo dređivanja U-

krivulje isti postupak se

ponavlja za sve

raspoložive dijagrame

(odnose d/D).

1. Za zadani promjer

osovine odaberemo

promjer osovine u Craft-

Lamont-ovom dijagramu,

npr. 120mm. 3. Zatim povlačimo

horizontalne linije iznosa

tvrdoće na osovinu. Presjecišta

ovih linija s odgovarajućim

promjerima d daju točke U-

krivulje.

POPUŠTANJE ČELIKA

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA POPUŠTANJE ČELIKA

Gašeno stanje: - Mikrostruktura: (Mx%C + Az + (K" + Ke)),

- Tvrdoća: visoka HV

aM

c

aM

- Stanje zaostalih naprezanja (mikro i makro ZN)

- postupak ugrijavanja kaljenog čelika na neku temperaturu ispod A1 u svrhu:

povišenja žilavosti martenzita postignutog kaljenjem

sniženja (redukcije) zaostalih naprezanja martenzita

postizanje dimenzijske postojanosti


Utjecaj temperature popuštanja na udarni rad loma čelika



Promjena svojstava popuštanjem

Dijagram popuštanja čelika 90 MnCrV 8


Utjecaj trajanja popuštanja

Hollomon-Jaffeova formula:

(izvedeno iz Arrhenius-ove jednadžbe difuzije


P = T (C + log t) parametar popuštanja, HRCp = f (P)

Dijagrami popuštanja raznih čelika (tp = 1h)

𝐷 = 𝐷0 ∙ 𝑒−𝑄

𝑅∙𝑇

Primjena popuštanja


Krhkost popuštanja

Legirani čelici: Cr, Cr-Mn, Ni-Cr; -osjetljivi

Ugljični i legirani Mo (do 0,6 %) i W (do oko 1,5 %) – nisu skloni

Utjecaj temperature popuštanja na udarni rad loma čelika


POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO)

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA POBOLJŠAVANJE ČELIKA

- postupak koji se sastoji od:

kaljenja

visoko(temperaturnog) popuštanja (400 oC < p < A1)

u cilju postizanja: visoke granice tečenja i visoke žilavosti.

(Konstrukcijski čelici – visoka Re, visoka K)

Primjena:

- osovine, vratila, koljenaste osovine, poluosovine, zglobovi, alat-ključevi, zatici,

zupčanici, vijci, matice...

A1

A3

Vrijeme, h

a, ta

400 oC < p < A1

KALJENJE VISOKO

(TEMPERATURNO)

POPUŠTANJE

F + P M Mp + Kp

Tem

pe

ratu

ra,

oC

gašenje

površina jezgra


POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO)

Efekti poboljšavanja u σ-ɛ dijagramu.

ε, %

σ, N/mm2

Na

pre

za

nje

poboljšano stanje

polazno stanje

kaljeno stanje

F

F

Dijagram σ-ɛ za različita stanja čelika u

postupku poboljšavanja

Dijagrami popuštanja različito prokaljenog čelika 38Cr2 (Č4132) popuštenog na

Rm= 1000 N/mm2

Zaključak:

Mehanička svojstva poboljšanih čeličnih predmeta nakon visokog popuštanja biti će

to povoljnija što je bolje prokaljen, tj. što je sadržavao veći udio M u jezgri.


Dijagram poboljšavanja (popuštanja) čelika 42CrMo4


IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE

Karakteristike (razlozi primjene):

bolja mehanička svojstva (K, A, Z, Rd) kod visoke Re (Rm)

nema strukturnih naprezanja, manja toplinska naprezanja → manje i ujednačene

deformacije i opasnost nastajanja napuklina

kontinuirani postupak – kraće traje, (jednostavnija automatizacija)

Preduvjeti primjene:

- prikladan čelik (izotermički TTT dijagram: A→B, timin., tip)

- dimenzije (δ < 25 mm - ugljični, niskolegirani?)

Usporedba mehaničkih svojstava klasično i

izotermički poboljšanog ugljičnog čelika C80


A3

A1

Tem

pe

ratu

ra,

°C

Vrijeme, min.

ϑa

ϑiz

Tem

pe

ratu

ra, °

C

A1

A3

kaljenje popuštanje

Vrijeme, min.

ϑa

ϑp

KLASIČNO POBOLJŠAVANJE IZOTERMIČKO POBOLJŠAVANJE

Bainit

• Difuzijska pretvorba, ali ne nastaje struktura lamelarnog perlita

• Može imati svojstva slična martenzitu ili svojstva slična perlitu zavisno od

temperature izoterme

Dobio je naziv po Edgar-u Bain

• Nastaje kada se austenit hladi dovoljno brzo da se izbjegne transformacija u

prelit ali dovoljno sporo da se spriječi nastanak martenzita.

gornji bainit donji bainit



- temperatura austenitizacije , ϑa

- trajanje austenitizacije, ta

- način ohlađivanja s temperature austenitizacije do

temperature izotermičke pretvorbe, thl

- temperatura izotermičke pretvorbe, ϑiz

- trajanje izotermičke pretvorbe, tiz

TEHNOLOŠKI PARAMETRI IZOTERMIČKOG POBOLJŠAVANJA


Primjena: opružni prsteni, osiguravajući i Segerovi prsteni, tanjuraste opruge, krunaste

matice, dijelovi lanca za pile ....

Oprema za izotermičko poboljšavanje


Sferodizacijsko žarenje

(meko žarenje)

POSTUPCI ŽARENJA Te

mp

era

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Žarenje za redukciju zaostalih

naprezanja

Rekristalizacijsko žarenje

Normalizacijsko žarenje

Homogenizacijsko žarenje

Žarenje na grubo zrno

650

400

500

Žarenja II. vrste

Žarenja I. vrste

A1

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA POSTUPCI ŽARENJA

27

Te

mp

era

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

650

400

cilj je smanjenje zaostalih naprezanja nastalih pri:

• deformiranju

• obradi odvajanjem čestica (OOČ)

• prebrzom ohlađivanju nakon žarenja, zavarivanja...

1. ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA (NAPETOSTI)


Grijanje pri dovoljno visokoj temperaturi s naknadnim polaganim hlađenjem u cilju

sniženja zaostalih naprezanja, bez znatnih promjena ostalih svojstava.

Za čelike: 400 - 650 °C/2 i više h / hlađenje vrlo sporo

nema bitnih promjena mehaničkih svojstava

nema mikrostrukturnih promjena

R. Ž.

(, t) = f (materijala, φ)

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

650

500

poligonalna

kristalna zrna

hladnom deformacijom

očvrsnuto

hladno oblikovanje


Rekristalizacijsko žarenje

Nakon (tijekom) hladnog deformiranja tijekom kojeg se promijenila tekstura materijala i nastupilo očvršćenje:

valjanja, provlačenja, dubokog izvlačenja (nedostatna deformabilnost)…- važno i kod lakih i obojenih matala )

Temperatura rekristalizacije – kod koje dolazi do

kompletne rekristalizacije u određenom periodu (1h)

= f(ϕ) stupnja deformacije, vrsti materijala

Svrha

postignuće poligonalnog zrna (materijalu se

vraća duktilnost) i deformabilnost


Primjena:

- Čelika

- Cu i Cu-legura (mjedi, bronce)

- Al i Al-legure

- Ti Ti-legura.

Prikaz promjene vlačne čvrstoće i žilavosti te teksture

hladnooblokovanog metala deformiranjem ovisno o visini

temperature žarenja

30

Tem

pe

ratu

ra,

oC

Udio ugljika,

% C

A3

Acm

A1

svrha:

prevođenje lamelarnih (eutektoidnih) i mrežastih

(sekundarnih) karbida u kuglasti oblik


SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja oko A1 duljeg držanja na ϑsž vrlo sporog ohlađivanja

Parametri: (ϑ, t)

- podeutektoidni Č. ispod A1

- nadeutektoidni Č iznad A1

- legirani Č (iznad A1)

- (osciliranjem oko A1)


2..4(8)h

K

F

K

F

SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE

Tem

pe

ratu

ra,

oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Normalizacijsko žarenje

650

400

500

postupak ugrijavanja:

podeutektoidnih čelika n = A3 + (30....70) °C

nadeutektoidnih čelika n = A1 + (50....70) °C

ili za otapanje karbidne mreže n = Acm + (10....20) °C

te potkritičnog ohlađivanja (vhl < vkd - na zraku) u svrhu

postignuća sitnozrnate i jednolične mikrostrukture

A3

Ms

Mf

A1

n

F

P

B

M

A

, oC

t, s, lg

F

P

sitnozrnata

jednolična

mikrostruktura

(↑ žilavost)

lijevanje

valjanje

zavarivanje

kovanje

toplinska

obrada

podkritično

ohlađivanje

vhl < vkd

F

P

grubo kristalno zrno

(↓ žilavost)

F + P F + P


A3

Acm

A1




Parametri žarenja:

ϑgzž = 950 ... 1100 °C (100 do 200 °C iznad A3)

t gzž = dugo

hlađenje – vrlo sporo

svrha: postizanja grubozrnate strukture niskougljičnih

čelika radi lakše obrade rezanjem (OOČ)

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja malo ispod solidus temperature

držanja na hž jako dugo (nekoliko dana)

vrlo sporog ohlađivanja

svrha:

postizanje izjednačenja svojstava (eliminacija kristalnih

segregacija)

Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja zrna

provesti npr. normalizacijsko žarenje!!!

Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja

zrna provesti npr. normalizacijsko žarenje!!!

TII + PP- TOPLINSKA OBRADA POSTUPCI ŽARENJA Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C



1. Objasnite zašto se i kako određuje režim grijanja vratila od nelegiranog

konstrukcijskog čelika s 0,42 %C na temperaturu austenitizacije od 850 °C.

2. Ucrtajte u TTT dijagramu tehnike gašenja uranjanjem i navedite ukratko

karakteristike.

3. Navedite uz skicu osnovne metode plamenog kaljenja.

4. Opišite postupak žarenja na grubo zrno, njegovu svrhu i primjenu.

5. Skicirajte Jominy pojas garantirane prokaljivosti i objasnite čemu služi?

Puno uspjeha na kolokviju!!!

Kolokvij (5 pitanja): 18. 06. 2016. 14- 15 sati

Primjer pitanja za kolokvij:

Documents

TII i PT -TOPLINSKA OBRADA · PROKALJIVOST - 18 20 čelik X: X %C čelik Y: X% C Y% Me F P B M F P B M A A 3 M s M f A 1 , oC t, s, lg a M s M f Ø50 jezgra površina HV čelik X: