Tepeln zpracovn kov II Email mhorakovapf jcu cz

Tepelné zpracování kovů II Email: mhorakova@pf. jcu. cz Tel: 387 77 3057 MTDII 1

Popouštění ocelí § Cílem popouštění ocelí je snížit jejich křehkost vzniklou při martenzitickém kalení. Popouštění je založeno na částečné přeměně struktury materiálu při teplotách mezi 150 a 400 °C. Nežádoucím jevem spojeným s popouštěním je pokles tvrdosti zakaleného materiálu. § Při popouštěcích teplotách do 180 °C se tetragonální martenzit mění na martenzit kubický. Snížení křehkosti je výrazné, tvrdost se zmenšuje jen nepatrně. Podstatně se sníží vnitřní pnutí uvnitř materiálu. Postup se uskutečňuje vyvařením zakalených výrobků v oleji. MTDII 2

Popouštění ocelí § Při popouštění za teplot mezi 180 a 300 °C dochází k rozpadu zbytkového austenitu na bainit. Snížení křehkosti je vyšší než v předchozím případě, vyšší je však i pokles tvrdosti. § Při popouštění za teplot mezi 300 a 400 °C dochází k úplnému rozpadu martenzitu na velmi jemnou feritickou strukturu s globulárním cementitem. Jehlicovitý tvar feritických zrn se zachovává. Křehkost i tvrdost se snižují podstatně. § Při popouštění za teplot nad 400 °C narůstají cementitové globule, jehlicovitá struktura mizí. Vzniklá struktura, zvláštní forma perlitu nazývaná MTDII 3 sorbit, je velmi pevná a houževnatá.

Zušlechťování ocelí § Cílem zušlechťování je dosažení sorbitické struktury vyznačující se vysokou pevností, houževnatostí a zvýšenou mezí kluzu. Princip zušlechťování spočívá ve spojení martensitického zakalení oceli a jejího následného popuštění na teploty vyšší než 400 °C. § Zušlechťování se používá jednak u hotových výrobků, jednak u hutních polotovarů. Sorbitická struktura = směs jemného feritu a cementitu MTDII 4 http: //www. fpt. tnuni. sk/kfim/predmety/rocnik 1/nauka_ o_materiali/nauka_o_materiali 1. htm

Patentování ocelí § Patentování ocelí je postup užívaný při výrobě ocelových drátů tažením. Ocel se při tažení průvlakem zpevňuje, tvrdne. U oceli s malým obsahem uhlíku se pro odstranění zpevnění mezi jednotlivé tahy zařazuje normalizační nebo rekrystalizační žíhání. U pevnějších ocelí s vyšším obsahem uhlíku vyžíhání nepostačuje. Proto se volí postup obdobný izotermickému kalení na bainit, prováděný kontinuálně při teplotách lázně asi 500 °C, spojený s opakovaným tažením. Takto zpracované oceli se nazývají patentované. Patentované dráty mají vysokou pevnost ( Pt = 1500 až 3000 Mpa) při dobré houževnatosti. Používají se na struny, pružiny a lana. MTDII 5

Povrchové tvrzení ocelí § V technické praxi se vyskytují případy, kdy na mechanické vlastnosti součásti jsou kladeny rozporné požadavky. Jedním z těchto případů je spojení požadavku na tvrdý povrch součásti, odolný opotřebení, a současně požadavku na odolnost součásti proti dynamickému, to jest rázovému nebo proměnlivému zatížení, tedy na její houževnatost. Příkladem takové součásti je pístní čep spalovacího motoru, otáčející se v kluzném ložisku a zachycující velmi proměnlivá zatížení od pístu. § Existuje více metod vedoucích ke splnění tohoto cíle. Některé z nich patří do oblasti tepelného zpracování, jiné do oblasti tváření nebo oblasti povrchových úprav kovů. 1. z metod ryze tepelného zpracování § povrchové kalení 2. z metod chemicko tepelného zpracování § nitridace § cementace § nitrocementace. MTDII 6

Povrchové kalení § Metoda je založena na tak rychlém zahřátí povrchu materiálu, že pouze povrchová vrstva žádané tloušťky dosáhne teploty vhodné pro kalení a po ochlazení se zakalí. Ve větších hloubkách materiálu je feritická a perlitická struktura, která se při ochlazení nezmění. § Oceli určené k povrchovému kalení musí být samy o sobě dobře kalitelné. Vhodné http: //www. americanmetaltreating. com/images/hardne jsou oceli s 0, 45 až 0, 6 % uhlíku. ss%20 test 2. jpg Zpravidla se u nich před kalením provádí normalizační žíhání nebo zušlechťování. Jak již bylo uvedeno, tyto podeutektoidní Průřez povrchově zakaleného zubu s oceli je třeba pro kalení uvést do oblasti použitím indukčního ohřevu - je austenitu. Povrchové kalení se provádí dobře patrná tepelně ovlivněná zóna také u litiny. § Požadované rychlosti ohřevu je možno dosáhnout dvěma způsoby: plamenem o MTDII 7 vysoké teplotě nebo elektroindukčně.

Povrchové kalení § V prvém případě se nejčastěji užívá plamene kyslíkoacetylenového. Ohřev a ochlazení mohou probíhat dvěma způsoby. Buď se povrch předmětu pod hořákem zvolna pohybuje (či opačně se hořák pohybuje nad povrchem předmětu) a blízko za hořákem je povrch ochlazován vodní sprchou. Nebo, u rotačních předmětů, se předmět pod hořákem rychle otáčí až celý povrch dosáhne požadované teploty a následně se celý ochladí. Tloušťka prohřáté a tedy i zakalené vrstvy se reguluje dobou ohřevu a je minimálně 2 mm. MTDII http: //strojirenstvi-stredniskola. blogspot. fr/2011/03/3614 1 -povrchove-kaleni. html 8

Povrchové kalení § Při indukčním ohřevu je předmět vložen do vhodně tvarované indukční cívky s jediným závitem. Průchodem proudu s frekvencí od 15 do 500 k. Hz se v povrchu kalené součásti indukují proudy jako v sekundárním vinutí transformátoru. Energie indukovaných proudů se mění v teplo zahřívající povrch součásti. Pak se součást ochladí. Tloušťka prohřáté a tedy i zakalené vrstvy se reguluje frekvencí proudu. Zvýšením frekvence se dosáhne tenčí prohřáté vrstvy. Nejmenší tloušťka zakalené vrstvy je 1 mm. Indukční ohřev při povrchovém kalení vnitřního ozubení MTDII http: //www. americanmetaltreating. com/images/inte 9 rnal. jpg

Cementace § Při cementaci se používají oceli, které mají málo uhlíku, do 0, 2 %. Takové oceli jsou houževnaté, ale pro malý obsah uhlíku nekalitelné. Tvrdosti povrchové vrstvy se dosáhne vytvořením kalitelné povrchové vrstvy, to je zvýšením obsahu uhlíku v povrchu asi na 0, 7 až 0, 9 % C, difusí uhlíku zvenku a následným zakalením předmětu. Cementací se zpravidla rozumí celý proces složený z nauhličení materiálu a jeho zakalení, i když toto označení ve skutečnosti patří samotné nauhličovací fázi. § Difúze uhlíku se provádí při ohřátí cementovaných součástí na teplotu, při které je materiál schopen uhlík v sobě dobře rozpouštět. To znamená, že ocel musí být zahřáta do oblasti austenitu na teploty 850 až 900 °C. Austenit je, jak bylo uvedeno, tuhým roztokem uhlíku v železe , které je v MTDII 10 sobě schopno rozpustit až 2, 14 % C.

Cementace Základními způsoby cementace jsou § v prášku dřevěného uhlí s přísadou 7 až 20 % uhličitanu barnatého, urychlujícího proces nauhličení § v solné lázni, nejčastěji kyanidu sodném § v plynu, nejčastěji CO, CH 4. MTDII 11

Cementace § Cementace v prášku je nejjednodušší, nevyžaduje nákladné zařízení. Předměty se vkládají do plechových krabic a zasypávají práškem. Krabice se pak vkládají do pece. Nevýhodou tohoto způsobu je jeho pomalost. Za hodinu se ocel nauhličí do hloubky asi 0, 1 mm. § Při cementaci v lázni a v plynu dochází ohřevem k rozkladu uhlíkatých sloučenin a takto uvolněné atomy uhlíku rychleji pronikají do povrchu materiálu. Nejrychleji probíhá cementace v plynu. Oba způsoby vyžadují speciální zařízení. MTDII 12

Cementace § Požadované tvrdosti povrchu součástí se při cementaci dosáhne až zakalením nauhličené vrstvy. Materiál ve větších hloubkách, který nebyl nauhličen, zůstal nekalitelný a zachoval si původní vlastnosti včetně požadované houževnatosti. Z hlediska nebezpečí vzniku vnitřních pnutí leží optimální kalicí teplota při výše uvedeném složení nauhličené povrchové vrstvy (přibližně eutektoidní složení oceli) těsně nad A 1, ale cementace sama probíhala při teplotách vyšších. Proto se náročnější součásti nechávají pomalu vychladnout a na optimální teplotu Struktura oceli 12010 po nauhličování: se znovu ohřejí. Pak teprve se kalí. Méně náročné výrobky se Výchozí struktura oceli 12010 (zvětšení 400 x) 900°C/2 hod/CH 4 (zvětšení 100 x) kalí přímo z cementační teploty bezprostředně po vyjmutí z cementačního prostředí, tzv. z jednoho žáru. MTDII 13

Nitridace § Nitridace je založena na zcela jiném principu než předchozí metody. Povrchová vrstva získává svoji tvrdost přítomností tvrdých a stabilních nitridů některých legujících prvků, především hliníku (~ 1 %), chromu (~ 2 %), vanadu (~ 0, 5 %) a molybdenu (~ 0, 25 %). Také železo samo tvoří dostatečně tvrdé nitridy, které ale nejsou stabilní a po čase se rozpadají. § Nitridy se v povrchové vrstvě vytvářejí difusí dusíku při teplotách 500 až 600 °C, nitridací. Nitridaci nelze provádět v prostředí molekulárního dusíku, který se s kovy slučuje jen velmi málo. Dobře s kovy reaguje atomární dusík, vznikající štěpením různých dusíkatých sloučenin za zvýšené teploty. Tato forma dusíku se nazývá „dusík ve stavu zrodu“. MTDII www. kmt. tul. cz 14

Nitridace se provádí v prostředí § plynném, nejčastěji rozkladem čpavku § kapalném, nejčastěji ve směsi kyanidu sodného a kyanatanu draselného. § Rychlost nitridace je pouze asi 0, 01 mm za hodinu. + Výhodami nitridace oproti povrchovému kalení a cementaci je § § § vyšší tvrdost povrchové vrstvy nižší provozní teploty a s tím spojené nižší pnutí materiálu skutečnost, že se neprovádí kalení vedlejší efekt zvýšené odolnosti proti korozi vedlejší efekt zvýšené meze únavy materiálu. - Nevýhodou nitridace je malá rychlost procesu. MTDII 15

Nitrocementace § Nitrocementace je kombinací cementace a nitridace v jednom procesu. Podle užité teploty jeden z postupů převažuje: při teplotách 750 až 800 °C v kyanidových solných lázních (kyanid sodný Na. CN, kyanid draselný KCN) nitridace, při teplotách 800 až 900 °C v plynné cementační atmosféře s přísadou čpavku cementace. § Po nitrocementaci je nutno materiál zakalit. MTDII 16

Tepelné zpracování litiny ŠEDÁ LITINA (typ grafitické litiny) - uhlík vyloučen jako grafit Dělení např. podle tvaru grafitu § S lupínkovým grafitem = šedá litina § S kuličkovým grafitem – tvárná litina § S červíkovým grafitem - vermikulární § S vločkovým grafitem – temperovaná BÍLÁ LITINA - uhlík chemicky vázán jako Fe 3 C, struktura tvořena směsí cementitu a perlitu § Jsou velmi tvrdé, odolné proti opotřebení, ale křehké, velmi špatně obrobitelné (pouze broušení) MTDII 17

Tepelné zpracování litiny § ŠEDÁ LITINA § žíhání k odstranění vnitřního pnutí; provádí se s cílem odstranění pnutí, které vzniklo v odlitcích vlivem jejich nerovnoměrného chladnutí; spočívá v pomalém ohřevu na 450 až 550 °C po dobu 1 až 6 hodin podle tloušťky stěn odlitku a následujícím pomalém chladnutí; za stejným účelem se může zejména u velkých a těžkých odlitků provádět tak zvané stárnutí, při kterém se tyto nechávají po delší dobu (až několik měsíců) volně ležet § žíhání pro zlepšení obrobitelnosti při 800 až 900 °C, při kterém dochází k rozpadu cementitu na grafit MTDII 18

Tepelné zpracování litiny § zušlechťování pro zvýšení pevnosti, odolnosti proti opotřebení a k dosažení homogenní struktury; provádí se u litin legovaných niklem a chromem; kalicí teplota je 800 až 900 °C, popouštěcí teplota 250 až 650 °C § povrchové kalení plamenem a vysokofrekvenčně § nitridace. BÍLÁ LITINA § temperováním. Žíháním při teplotě 900 až 1000 °C po dobu 15 až 24 hodin dochází k rozpadu cementitu na grafit a k částečnému oduhličení povrchu. Po žíhání MTDII 19 následuje velmi pomalé chladnutí.

Tepelné zpracování neželezných kovů Nejvýznamnějšími způsoby tepelného zpracování neželezných kovů jsou § rekrystalizační žíhání § žíhání k odstranění pnutí § homogenizační žíhání § vytvrzování pro zvýšení pevnosti a tvrdosti. MTDII 20

Rekrystalizační žíhání NEželezných kovů § Rekrystalizační žíhání se provádí u materiálů po jejich tváření za studena. Je obdobou rekrystalizačního žíhání oceli nebo litiny. Žíhací teploty závisejí na druhu materiálu, předchozím způsobu tváření a požadovanými vlastnostmi výrobku. U hliníkových slitin jsou od 250 do 350 °C, u slitin mědi od 250 do 800 °C. MTDII 21

Žíhání k odstranění pnutí NEželezných kovů Tento způsob žíhání se provádí k odstranění pnutí vzniklého v materiálu § nerovnoměrným chladnutím odlitků § deformacemi vzniklými při tváření za studena § jiným tepelným zpracováním § obráběním za vysokých řezných tlaků. Žíhací teploty jsou nižší než teploty rekrystalizační, podle druhu materiálu od 180 do 350 °C. MTDII 22

Homogenizační žíhání NEželezných kovů Účelem homogenizačního žíhání je odstranění heterogenity (různorodosti) struktury a složení v litých slitinách, která může být dvojího druhu: § odmíšeniny příměsí § vrstevnatost krystalů tuhého roztoku. § Odmíšeniny příměsí se hromadí v částech odlitku, které tuhnou až poslední. Jejich odstranění je obtížné pro velké vzdálenosti, které by jednotlivé částečky musely při difusi překonat. § Vrstevnatost krystalů tuhého roztoku je možno odstranit poměrně snadno difusí za dostatečně vysokých teplot působících po dostatečně dlouhou MTDII 23 dobu.

Vytvrzování § Vytvrzování se provádí zejména u hliníkových a měděných slitin. Jeho cílem je zvýšení pevnosti, tvrdosti a meze kluzu materiálu. Vytvrzovat je možno pouze slitiny složené ze základních krystalů a segregované fáze, jejíž rozpustnost je závislá na teplotě, s klesající teplotou se snižuje a jejíž segregaci je možno rychlým ochlazením potlačit MTDII 24

Vytvrzování MTDII § Postup se skládá ze čtyř kroků. Prvním krokem je ohřev slitiny na teplotu do oblasti tuhého roztoku α. Tato teplota má být blízká teplotě solidu (čára ab). U slitiny X v obrázku je to teplota T. Bod d udává maximální rozpustnost složky B (ve formě tuhého roztoku β) ve složce A při teplotě Td. Ve druhém obrázku, znázorňujícím vytvrzování hliníkových slitin, je ohřev vyznačen čarou ef 25

Vytvrzování § Druhým krokem je rozpouštěcí žíhání, při kterém se segregát zcela rozpustí a vznikne homogenní tuhý roztok. Doba žíhání (čára fg) závisí na druhu slitiny a velikosti polotovaru. MTDII 26

Vytvrzování § Třetím krokem je rychlé ochlazení (zakalení) do vody nebo oleje (čára gh), kterým je potlačena segregace složky B (ve formě tuhého roztoku β) z tuhého roztoku α a po kterém slitina zůstane v nerovnovážné stavu přesyceného tuhého roztoku. MTDII 27

Vytvrzování § Čtvrtým krokem je přechod slitiny z nerovnovážné do částečně rovnovážného stavu, při kterém dochází k vylučování vytvrzující fáze, segregátu β, na hranicích zrn i uvnitř krystalů α. Tento děj se nazývá stárnutí nebo také precipitace. Stárnutí může probíhat za MTDII normální teploty jako tzv. přirozené (plná čára vedená od bodu h doprava), nebo za zvýšené teploty jako tzv. umělé (čárkovaný průběh). Doba umělého stárnutí musí být přesně dodržena, protože při překročení optimální doby se materiál vrací ke svým původním mechanickým vlastnostem a jeho pevnost se zmenší (tzv. přestárnutí). 28

Použitá literatura § § http: //ljinfo. blogspot. cz/ http: //www. sci. muni. cz/chemsekce/c 8870/pdf/Uloh a 6_Chemtepzprac. pdf § Podklady – Ing. J. Hladký § www. kmt. tul. cz MTDII 29

Děkuji za pozornost MTDII 30