Prvodn list ablona III2 Inovace a zkvalitnn vuky
Průvodní list Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Vzdělávací materiál: Prezentace Určen pro: 1. ročník oboru Strojírenství a 2. ročník oboru Ekonomika a podnikání Vzdělávací oblast: Strojírenská technologie – Nauka o materiálu Název učebního materiálu: Kalení oceli Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Datum vytvoření: 6. 8. 2013 Reg. č. projektu: CZ. 1. 07/1. 5. 00/34. 0627
Klíčová slova: kalitelnost, prokalitelnost, kalící teploty, kalící prostředí, martenzitické kalení, bainitické kalení, termální kalení, lomené kalení, kalení se zmrazováním, popouštění, zušlechťování. Anotace: Prezentace je určena žákům 1. ročníku oboru Strojírenství pro výuku v předmětu Strojírenská technologie a žákům 2. ročníku oboru Ekonomika a podnikání v předmětu Strojírenská výroba. Inovuje výuku použitím multimediálních pomůcek – prezentace. Metodické pokyny: DUM uplatní učitel při výkladu dané látky, použité obrázky a video zvýší názornost výkladu. Prezentaci mohou žáci použít i v rámci samostatné domácí přípravy na výuku.
Obsah: Úvod Fázové přeměny v oceli Diagramy rozpadu austenitu Přeměny při popuštění Kalení Popouštění Povrchové kalení Zušlechťování
Úvod Vlastnosti oceli závisí nejen na jejím chemickém složení, ale i na struktuře, tvaru, velikosti a rozložení jednotlivých fází Požadovanou strukturu získáme vhodným tepelným zpracováním TZ – probíhá ve 3 fázích: 1. Ohřev 2. Výdrž 3. Ochlazování Je-li do průběhu výše uvedených operací zařazena mechanická deformace tepelně mechanické zpracování
Úvod Při TZ je důležitá rychlost ohřevu i ochlazování : ü Pomalé ochlazování zvýšení stability struktury = žíhání ü Rychlé ochlazování snížení stability struktury = kalení, účelem je zvýšit tvrdost oceli vytvořením částečně nebo zcela nerovnovážné struktury Při TZ probíhají v materiálu fázové přeměny
Fázové přeměny v oceli Austenitizace ü Je to přeměna heterogenní struktury na austenit ü Austenit se začíná tvořit na rozhraní feritu a cementitu ü Má difúzní charakter ü Teplota – vyšší než Ac 1 ü Doba výdrže – slouží k získání homogenní struktury, ale příliš dlouhá vede ke zhrubnutí zrna ü Na rychlost austenitizace má vliv: chemické složení, výchozí struktura oceli - jemnější struktura vyšší rychlost ü Austenit je pro většinu procesů TZ výchozí strukturou
Fázové přeměny v oceli Austenitizace
Fázové přeměny v oceli Perlitická přeměna ü Je eutektoidní rozpad austenitu na směs feritu a cementitu = perlit při teplotě pod Ar 1 a nad 500°C ü Difúzní přeměna ü Vzniká lamelární perlit, tloušťka lamel závisí na difúzní rychlosti uhlíku v austenitu, která je tím vyšší, čím vyšší je teplota ü Perlit, který vzniká při vyšší teplotě, je hrubozrnný ü Je-li teplota těsně kolem nosu křivky v diagramu IRA (500°C) vzniká perlit globulární velmi jemný
Fázové přeměny v oceli Přeměna austenitu na perlit
Fázové přeměny v oceli Bainitická přeměna ü Probíhá při teplotách pod nosem křivky v diagramu IRA nižší teplota ( 500 – 250°C) Fe nedifunduje, difunduje pouze C ü Vzniká jehlicovitá feriticko karbidická směs – bainit ü Struktura bainitu závisí na teplotě, při které vzniká, a na obsahu uhlíku a) Horní bainit b) Dolní bainit
Fázové přeměny v oceli Martenzitická přeměna ü Austenit ochlazujeme zprudka pod teplotou Ms bezdifúzně ü Začíná při teplotě označované jako Ms a končí při teplotě Mf ü Není to přeměna 100%, vždy zůstává zbytkový austenit ü S rostoucím podílem ZA klesá tvrdost ü Vzniká tetragonální krystalová mřížka martenzit = metastabilní přesycený tuhý roztok C v Feα
Fázové přeměny v oceli Martenzitická přeměna ü Může mít jehlicovitou nebo deskovitou strukturu ü Deskový má nižší houževnatost
Diagramy rozpadu austenitu Jsou grafickým vyjádřením podmínek fázových přeměn v tuhém stavu u konkrétního typu oceli v souřadnicích teplota – čas IRA – izotermický rozpad austenitu ARA – anizotermický rozpad austenitu Význam křivek lze popsat na typovém diagramu
Diagramy rozpadu austenitu - IRA ü Rozpad austenitu probíhá za konstantní teploty
Diagramy rozpadu austenitu - ARA Zaznamenává rozpad austenitu při plynulém ochlazování oceli
Diagramy rozpadu austenitu - ARA podeutektoidní chromové oceli
Přeměny při popouštění Martenzit a zbytkový austenit nejsou stabilní fáze, a proto dochází k jejich přeměně na stabilnější struktury probíhá při ohřevu pod Ac 1 = popouštění ü Difúzní děj ü Při teplotě nad 100°C se z martenzitu uvolňuje C vznik karbidu Fe ü Při teplotě 100 až 300°C se rozpadá zbytkový austenit na dolní bainit ü Dalším zvýšením teploty se karbid ε mění na cementit, jeho zrna rostou, vzniká feriticko karbidická směs zvaná sorbit
Přeměny při popouštění Sorbit ü Houževnatější, ale méně tvrdý než martenzit ü Při popuštění slitinových ocelí na vyšší teploty se může objevit sekundární tvrdost ü U ocelí s přísadou Cr, Mn, Cr-Ni při pomalém ochlazení při teplotě 450 – 600 °C se může objevit popouštěcí křehkost ü Popouštěcí křehkost se projevuje snížením hodnot vrubové houževnatosti bez změny pevnosti a tažnosti ü Při rychlém ochlazení se neprojeví ü Sklon k popouštěcí křehkosti snižuje přísada Mo a W
Kalení je proces, který se skládá z ohřevu na kalicí teplotu, krátké výdrže a rychlého ochlazení Cílem bývá zvýšení tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotřebení Rozlišujeme kalení martenzitické a bainitické
Kalení Kalící pec http: //www. nabertherm. cz/produkte/video/cz
Kalení Pec instalovaná ve výrobní lince
Kalení Kalitelnost – schopnost oceli dosáhnout martenzitickou strukturu = zakalit se tzn. získat určitou tvrdost ü Oceli jsou dobře kalitelné při obsahu uhlíku větším než 0, 35% Prokalitelnost – schopnost oceli získat tvrdost do určité hloubky pod povrchem ü Závisí na obsahu legur, velikosti austenitického zrna ü Pro praktické hodnocení prokalitelnosti je směrodatná hloubka, ve které dosáhla ocel tvrdosti odpovídající 50% martenzitu Čelní zkouška prokalitelnosti – Jominiho zkouška dle ČSN 420447, zkušební vzorek – válec se ohřeje na kalící teplotu
Kalení Upne se do přípravku a ochladí se čelo válečku proudem vody, po zakalení se na povrchu vzorku vybrousí podélně ploška v hloubce 0, 4 mm, na níž se měří tvrdost dle HV nebo HRC postupně ve zvětšující se vzdálenosti od čela Křivka prokalitelnosti
Kalení Kalící teploty Pásmo kalicích teplot v diagramu Fe – Fe 3 C
Kalení Druhy kalení 1. Martenzitické: nepřetržité, přetržité - lomené, termální, se zmrazováním 2. Bainitické: nepřetržité, izotermické ( přetržité)
Kalení Ohřev a ochlazení ü základní úkon při TZ, pak následuje výdrž ü Rozdíly teplot povrchu a jádra vedou k vnitřním pnutím a tím i deformacím, popř. i vzniku trhlin ü K ohřevu slouží většinou pece nebo lázně ü Při dlouhém ohřevu povrch může oxidovat nebo se oduhličit a po TZ se nedosáhne požadované tvrdosti a kvality povrchu
Kalení Ochlazování ü Ideální je takové ochlazování, kdy povrch předmětu dosáhne teploty prostředí v okamžiku, kdy je do něj vložen ü Čím nižší intenzita, tím nižší teplotní gradient, tím nižší vnitřní pnutí ü Na teplotním gradientu se podílí i tepelná vodivost oceli ü Ochlazovací účinnost různých prostředí závisí na: tepelné vodivosti, měrném teple, výparném teple a viskozitě kalicího prostředí
Kalení Kalící prostředí – voda ü Nejintenzivnější prostředí – u tvarově složitých dílců možnost deformace až trhlin ü Parní polštář výrazně zpomaluje odvod tepla ü Po dosažení bublinového varu je odvod nejintenzivnější ü Ve třetím období se teplo odvádí jen vedením v kapalině Velmi intenzivně ochlazuje vodní sprcha
Kalení Kalící prostředí – oleje ü Ochlazuje intenzivněji než vzduch ü Nucená cirkulace vrtulí u dna kalící nádoby odstranění páry – příčina měkkých míst a nižší tvrdosti ü Kalení nízkolegovaných ocelí Solné lázně Zajišťují plynulé ochlazování – malé pnutí
Kalení Vzduch ü Nejmírnější prostředí ü Pro součásti velmi tvarově náročné ( řezné nástroje), které mají mít minimální deformace oceli nalegované prvky zvyšující prokalitelnost = samokalitelné oceli
Kalení martenzitické Nepřetržité = základní ü Po ohřevu na správnou kalicí teplotu následuje ihned plynulé ochlazení až na teplotu ochlazovacího prostředí, která se blíží teplotě místnosti ü Čím rychlejší je ochlazení (a čím je větší průměr kaleného kusu), tím větší je rozdíl mezi teplotou na povrchu a uvnitř předmětu ü Základní kalení je nejjednodušší a nejčastěji se také používá
Kalení martenzitické Lomené kalení ü K potlačení perlitické přeměny použijeme nejdříve rychlejší ochlazovací prostředí a pro dokončení mírnější ochlazovací prostředí např. olej – vzduch a voda - olej ü Výhodou tohoto kalení je zmenšení rozdílu teplot na povrchu a ve středu kaleného předmětu ü Použití: součásti složitých tvarů, které vyžadují rychlé ochlazení a při úplném ochlazení ve vodě nebo i oleji praskají - nástroje
Kalení martenzitické Termální ü Snížíme na minimum rozdíl mezi teplotou na povrchu a uvnitř kaleného předmětu ü Po ohřevu na správnou kalicí teplotu je předmět ochlazen v lázni, jejíž teplota je jen o málo vyšší než teplota martenzit start = MS ü Následuje výdrž na této teplotě, která musí být kratší, než je doba počátku izotermické přeměny na bainit, ale musí být dostatečně dlouhá, aby se vyrovnala teplota na povrchu a uvnitř kaleného předmětu ü Pak následuje ochlazení v intervalu martenzitické přeměny ü Použití: nástrojové oceli
Kalení martenzitické Kalení se zmrazováním ü U ocelí nadeutektoidních zůstává ve struktuře značný podíl zbytkového austenitu, který lze odstranit zmrazováním nutné provést hned po zakalení – další ochlazení pod teplotu MF na -60 až -80°C ( tekutý dusík nebo směs lihu a tuhého kysličníku uhličitého) ü Použití: měřidla, součásti pracující při záporných teplotách, oceli na valivá ložiska
Popouštění oceli Ohřev zakalené oceli s martenzitickou strukturou Dle teploty rozlišujeme: 1. Popouštění při nízkých teplotách – pod 350°C snižuje pnutí, zbytkový austenit, zvyšuje houževnatost 2. Popouštění při vysokých teplotách – nad 450°C nejčastěji nad 550°C martenzit se mění na sorbit
Kalení bainitické Izotermické ü Účel: získat požadované mechanické hodnoty přímo po kalení, bez následujícího popouštění, taková ocel má vyšší vrubovou houževnatost a mez únavy ü Po ohřevu na kalicí teplotu následuje ochlazení v lázni ohřáté na teplotu, při níž vzniká bainit požadované pevnosti, v této lázni se kalený předmět ponechá až do ukončení izotermického rozpadu austenitu ü Ochlazení na teplotu rozpadu musí být rychlé, aby nenastala perlitická přeměna možné pouze u tenkostěnných výrobků např. pily, pružiny ü Pro ochlazování a výdrž na teplotě rozpadu austenitu se používá solných lázní nebo lázní roztavených kovů
Kalení bainitické Patentování drátů ü Jedná se o izotermické kalení ü Účel: dosáhnout vhodné struktury a mechanických vlastností před tažením ocelového drátu za studena ü Požadovanou strukturou je bainit, nebo velmi jemný lamelární perlit (troostit) ü Po ohřevu na teplotu nad bodem Ac 3 následuje rychlé ochlazení na teplotu rozpadu, obvykle 400 až 550˚C, a další ochlazení na vzduchu ü Kalící prostředí např. roztavené olovo ü Patentování se používá jako kontinuální proces a je zařazeno přímo do linky drátotahu
Povrchové kalení Účel: zvýšit tvrdost pouze povrchové vrstvy a zachovat měkké a houževnaté jádro Postup: rychlý ohřev povrchu s následujícím rychlým ochlazením ü Ohřívá-li se povrch předmětu větší rychlostí, než jakou se přivedené teplo odvádí směrem dovnitř předmětu, vzniká v jeho povrchové vrstvě tepelný spád, který umožňuje dosáhnout kalicí teploty jen do určité hloubky pod povrchem ü Použití: oceli s obsahem C 0, 35% až 0, 5%C ü Dle zdroje tepla rozlišujeme: 1. Povrchové kalení plamenem 2. Povrchové kalení indukční
Povrchové kalení plamenem Zdrojem tepla je plamen hořáku, kde se spaluje vhodný plyn s kyslíkem ( svítiplyn, C 2 H 2 - O 2 ) Rychlý ohřev, krátká výdrž, zakalení nejčastěji sprchou Struktura: povrch – martenzit a jádro nejčastěji P+F Způsoby: postupné a jednorázové
Povrchové kalení indukční Dílec vložíme do induktoru, kterým prochází el. proud o vysoké frekvenci, v povrchu součásti se indukují vířivé Foucaultovy proudy ohřev ü Induktor = Cu trubka ve tvaru závitu, kterou proudí chladící voda ü http: //www. rajmont. cz/produkty-indukcni-kaleni/
Zušlechťování Kombinované tepelné zpracování – martenzitické kalení + popouštění za vysokých teplot Struktura: sorbit – dává při dobré pevnosti vyšší mez kluzu a vrubovou houževnatost Použití: oceli s přesně stanoveným chemickým složení tzn. od třídy 12
Průběžná kalící linka
Použité zdroje: Zdroje obrázků: AUTOR NEUVEDEN. www. seznam. cz [online]. [cit. 24. 10. 2013]. Dostupný na WWW: http: //www. roboterm. cz/media/images/header/indukcni-ohrevy-roboterm-. jpg AUTOR NEUVEDEN. www. seznam. cz [online]. [cit. 24. 10. 2013]. Dostupný na WWW: http: //www. elektroteplo. cz/data/Fotogallery/c 158 ddc 2 -b 7 a 1 -493 a-b 2814 a 90 fff 35574/SANY 1884. jpg AUTOR NEUVEDEN. www. seznam. cz [online]. [cit. 24. 10. 2013]. Dostupný na WWW: http: //www. bvd. cz/share/download/16. pdf AUTOR NEUVEDEN. seznam. cz [online]. [cit. 28. 10. 2013]. Dostupný na WWW: http: //www. realistic. cz/downloads/g 3_realistic_images/kclankum/148_1. jpg AUTOR NEUVEDEN. seznam. cz [online]. [cit. 28. 10. 2013]. Dostupný na WWW: kat_realistic_cz%2 Ben_10. pdf Použitá literatura: DORAZIL, Eduard a kol. Nauka o materiálu 1 - Přednášky. Vysoké učení technické v Brně: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN 05 -030 -86. MACEK, K. ; ZUNA, P. ; BARTOŠ, J. . Nauka o materiálu II. Praha 1: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN 04 -231 -86. PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu 1. Brno: CERM, 2002. Použité obrázky jsou součástí uvedené literatury
- Slides: 43