Skripta Moja toplinska obrada ispit
description
Transcript of Skripta Moja toplinska obrada ispit
-
TOPLINSKA OBRADA
TOPLINSKA OBRADA -> je postupak u kojem se predmet
namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim
ciklusima kako bi se postigla eljena mikrostruktura a
time i eljena svojstva (mehanika, fizika, kemijska)
TEMELJNI PARAMETRI POSTUPKA:
- temperatura
- vrijeme (trajanje)
Iz ovih se osnovnih parametra postupka T.O. izvodi parametar:
=
-> brzina ohlaivanja/ugrijavanja
Tehnologije poput lijevanja,
kovanja, valjanja i
zavarivanja nisu toplinske
obrade jer im temeljna
svrha nije promjena
mikrostrukture (svojstva),
nego promjena oblika.
T.O.- temperatura toplinske obrade
UGRIJAVANJE trajanje do trenutka
kada povrinski slojevi postignu T.O.
PROGRIJAVANJE trajanje od trenutka
kada povrina postigne T.O. do
trenutka kada slojevi i jezgra postignu
tu istu temperaturu
GRIJANJE ugrijavanje + progrijavanje
DRANJE trajanje boravka predmeta
na T.O.
HLAENJE trajanje sniavanja
temperature sve dok se ne postigne:
jezgre= povrine= okolia
-
KALJENJE KALJENJE je postupak toplinske obrade koji se sastoji od naglog ohlaivanja (gaenja)
austenitiziranog elika
POSTUPAK KALJENJA:
1) ugrijavanje na temp. austenitizacije (a) i
progrijavanja
2) dranja na temp. austenitizacije
3) gaenja
UVJETI ZAKALJIVANJA ELIKA:
1. postojanje transformacije F->A
2. dovoljno veliki sadraj ugljika
3. ugrijavanje u A-podruje
4. vrlo brzo hlaenje -> kako bi se sprijeila difuzija ugljikovih atoma iz austenitne reetke i
omoguilo prisilno zadravanje u novonastaloj tetragonalnoj (martenzitnoj) reetci
AUSTENITIZACIJA
A.1. PARAMETRI AUSTENITIZACIJE
I. Temperatura austenitizacije a
a) podeutektoidni elici: a = A3+(3070 oC)
b) nadeutektoidni elici: a = A1 + (5070 oC)
Podaci iz TTT dijagrama, dijagrama stanja, prirunika,
preporuka proizvoaa elika.
Dranje na temperaturi austenitizacije (ta) = f (sastava,
polazne mikrostrukture)
II. Reim ugrijavanja na temperaturu austenitizacije
a) Konstrukcijski elici predgrijavaju se ovisno o Cekv (broj i temperatura predgrijavanja):
= +
5+
4+
3+
10+
5+ 0.5
5+
5+
10+
10
Najvei sadraj elementa do kojeg vrijedi prethodna jednadba:
%C %Mn %Cr %Mo %Ni %V %Si %Ti %W %Al
0,9 1,1 1,8 0,5 5 0,25 0,5 0,5 2 2
Potrebno predgrijavanje u ovisnosti o Cekv:
< 0,55 > 0,55
predgrijavanje nije potrebno predgrijavanje na 400500 oC
sporo grijanje
uz predgrijavenje
-
Reim ugrijavanja na temperaturu austenitizacije se odreuje kako bi se toplinska obrada izvela
najkvalitetnije mogue. Prilikom odreivanja reima ugrijavanja razlikujemo:
A. tehniki moguu brzinu grijanja -> to je brzina koja zavisi o instaliranoj snazi, opremi, mediju, masi
are i rasporedu obratka u ari
B. tehnoloki dozvoljenu brzinu grijanja -> to je najvea brzina grijanja koja jo uvijek osigurava
toplinsku obradu obratka bez pojava pukotina
b) Alatni elici se predgrijavaju prema sljedeim preporukama:
1. predgrijavanje na 400500 oC (sve vrste alatnih elika)
2. predgrijavanje na 860880 oC (visokolegirani alatni elici sa a = 9601150 oC imaju 1. + 2.
predgrijavanje)
3. predgrijavanje na 1050 oC (brzorezni elici imaju 1. + 2. + 3. predgrijavanje)
III. Vrijeme austenitizacije (vrijeme grijanja)
Za odreivanje vremena grijanja koriste se razliite analitike i numerike metode:
POJAVE PRILIKOM ZAGRIJAVANJA Toplinska naprezanja
=
Ovise o:
- vrsti materijala (, E)
- debljini obratka
- brzini grijanja
- koef. prijelaza topline ()
- koef. topl. dilatacije (rastezanja) ()
Ako:
topl > Rp0,2 -> dolazi do trajne deformacije
topl > Rm -> dolazi do loma
2) Analitike
Smoljnikov, Ordinanz metoda
=
,
odreivanje vremena grijanja na temelju
kemijskog sastava, dimenzija obratka te
sredstva (medija) kod zagrijavanja
- samo za kratke obratke (za duge postoje
druge formule)
Newton metoda
=
ln
1) Numerike
- MKE (Metoda konanih
elemenata)
- MKV (Metoda kontrolnih
volumena)
- MKD (Metoda konanih
diferencija)
Strukturna naprezanja
- prilikom prelaska: F, P, (K) A
V specifina
zapremnina
(pm3)
K udarna
radnja loma (J)
-
A.2. IZBOR I PARAMETRI ZATITNE ATMOSFERE
Vrste zatitnih medija u toplinskoj obradi:
a) plinske zatitne atmosfere (aktivne ili inertne)
b) rastaljena sol
c) fluidizirane kupke
d) vakuum kao zatita
AKTIVNE PLINSKE ZATITNE ATMOSFERE
- sadre plinske komponente koje mogu reagirati s povrinom elika i izazvati nepoeljne
reakcije oksidacije i razugljienja povrine obratka (snienje tvrdoe, Rd i intenzivnosti
grijanja) pa se zato sastav ove atmosfere prilagoava sastavu elika i temperaturi obrade
VRSTE AKTIVNIH PL. Z. ATMOSFERA:
a) EGOZERMNA ATMOSFERA
- kod nje se toplina oslobaa
- jeftina, sprjeava oksidaciju, razugljiuje neke . (nizak C-pot.)
- koristi se za toplinsku obradu elika s niskim %C i kod Cu
b) ATM. NASTALA DISOCIJACIJOM METANOLA (CH3OH)
- CH3OH + Q CO + H2
- pougljiuje (visok C-pot.)
c) ATM. NASTALA DISOCIJACIJOM AMONIJAKA (NH3)
- nastaje disocijacijom amonijaka (na temp. 850-950 oC)
2NH3 + Q N2+3H2 - daje visoku istou i konstantan sastav
- koristi se za svjetlo kaljenje i arenje visokoleg. i nehr. .
d) ENDOTERMNA ATMOSFERA
- kod nje se dovodi toplina
- redukcija i pougljienje (visok C-pot.)
- koristi se za svjetlo kaljenje i arenje elika, svjetlo lemljenje Cu ili Ag
e) SINTETIKA ATMOSFERA
- dobiva se ubacivanjem pojedinanih komponenti direktno u pe: N2 (tekui preko isparivaa)
+ neki ugljikovodik (metanol, propan)
C-potencijal -> onaj %C
koji isto eljezo primi
u termodinamikoj
ravnotei s ispitivanom
plinskom atmosferom
(ako je C-potencijal >
sadraja C nastupa
pougljienje, a ako je
obrnuto onda
razugljienje povrine
elika)
Plinske atmosfere
koje saadre > 5%
CO+H2 su zapaljive,
a mogu biti i
eksplozivne pri
temp. < 750 oC zbog
ega je potreban
ureaj za prekid
dotoka smjese !!
-
Metode ispitivanja C-potencijala atmosfere:
a) direktne
- ispitivanje Fe-folijom, ispitivanje mjerenjem elektrinog otpora (to je onaj %C tanke folije od
nelegiranog niskougljinog elika kojeg e u uvjetima ravnotee i kod odreene temperature
taj elik primiti od atmosfere-medija)
b) indirektne
- odreivanje %CO2 plinskim analizatorom, odreivanje temperature roenja plinske
atmosfere (odnosno sadraja vlage u atmosferi), ispitivanje sadraja kisika ''kisikovom
sondom''
INERTNE ZATITNE ATMOSFERE
- ne mogu reagirati s povrinom elika
- Ar, He, Kr, Xe, Ne, N2
- primjenjuju se za kaljenje elika
VAKUUM KAO ZATITA
- pod vakuumom podrazumijevamo pritisak plina ispod atmosferskog (jako razrijeena zrana
atmosfera -> malo kisika i vodene pare -> nema oksidacije i razugljienja)
A.3. UREAJI ZA GRIJANJE
PLAMENE PEI
a) Sa zatitnom atmosferom (ili bez nje) grijane plamenom iz plemenika (prirodni plin, loivo
ulje)
b) Sa zatitnom atmosferom, grijane zraenjem iz cijevnih grijaa (prirodni plin, smjesa propana
i zraka)
ELEKTRINE PEI
a) Elektrine pei bez zatitne atmosfere za poputanje i arenje ispod A1
b) Elektrine pei s plinskom zatitnom atmosferom za austenitizaciju i toplinsko-kemijske
obrade (inertni plinovi i aktivne plinske atmosfere)
Postizanje i odravanje
zahtijevanog C-potencijala
atmosfere postie se poveanjem
ili smanjivanjem protoka pojedinih
plinskih komponenti u ovisnosti o
temperaturi.
razugljienje
pougljienje
-
VAKUUMSKE PEI
VAKUUM podrazumijevamo kao pritisak plina ispod atmosferskog (jako razrijeena zrana
atmosfera malo kisika i vodene pare -> nema oksidacije niti razugljienja)
- u njima se mogu austenitizirati: alatni elici (12% Cr za hladni rad, topli rad, brzorezni elici),
nehrajui elici, legirani elici za poboljavanje, vatrootporni elici
KARAKTERISTIKE:
- toplinska obrada se vri na tlaku do 10-4 mbar
- max < 1200 (1350) oC
- koriste se inertni plinovi (H2, He, N2, Ar)
- ohlaivanje se vri na tlaku pohl=120 bar
KUPKE
a) Fluidizirajue kupke
UREAJI ZA UGRIJAVANJE S VISOKOM GUSTOOM ENERGIJE
- kratkotrajno ugrijavanje
- plameno, indukcijsko, LASER-skim i elektronskim snopom
MEHANIZMI IRENJA (IZMJENE) TOPLINE:
1) Kondukcijom (provoenjem) kroz krutine, kapljevine i plinove
koeficijent vodljivosti topline (W/mK)
c specifini toplinski kapacitet (J/kgK)
2) Konvekcijom (komeanjem) kapljevitih i plinovitih estica (prirodna i prinudna)
- prisutna samo ako nije vakuum u pei
koeficijent prijelaza topline (W/m2K)
3) Zraenjem (radijacijom)
emisijski faktor
Dijagram postupka kaljenja brzoreznog elika u vakuumskoj pei
a) Solne kupke
-
B.1. SREDSTVA GAENJA 1) Sredstva s vrelitem ispod temperature austenitizacije elika - vodena otopina 10% NaCl i 3% NaOH - otopine polimera u vodi - otopine ulja s vodom - ulja za kaljenje
2) Sredstva s vrelitem iznad temperature austenitizacije elika (ne podlijeu Leidenfrost-ovom
fenomenu) - rastopljene soli (nitridi, nitrati) - fluidizirane kupke (korund, Al2o3 fluidiziran duikom)
3) Tehniki plinovi i vakuum - inertni plinovi (N2, He, H2) - zrak
Leidenfrostov fenomen: temperatura vrelita < a
B.2. FAZE PRI GAENJU U SREDSTVU KOJE PODLIJEE LEIDENFROSTOVOM
FENOMENU
I. FAZA PARNOG OMOTAA
- nastaje na poetku gaenja kad se oko obratka stvara parni omota koji
sprjeava odvoenje topline
II. FAZA VRENJA
- nastaje kad dolazi do raskidanja parnog omotaa i postizanja najveeg
odvoenja topline iz obratka
III. FAZA HLA ENJA KONVEKCIJOM
- nastaje na zavretku gaenja kad se vrijednost temperature obratka spusti do
temperature vrelita sredstva za gaenje
B.3. UREAJI ZA GAENJE - bazeni za gaenje, solne kupke,
fluidizirane kupke - hladne komore (u dvokomornim
peima) - stolovi i palete za hlaenje na zraku
B.4. TEHNIKE GAENJA 1. Uranjanjem
a. direktno gaenje b. slomljeno gaenje (ugljini,
niskolegirani elici) c. gaenje u toploj kupki (legirani
elici) 2. Prskanjem
a. prskalica (kod povrinskog kaljenja)
-
B.5. PARAMETAR GAENJA
koeficijent vodljivosti topline (W/mK)
H intenzitet hlaenja (na temelju njega se moe odrediti vsr, vmax)
DUBOKO HLAENJE
- eliminizacija AZ
- postie se dimenzijska stabilnost
- eliminacija zaostalih naprezanja
- moe se koristiti smjesa suhog leda i
alkohola ili ukapljeni duik
KALJIVOST ELIKA KALJIVOST je svojstvo elika da ga se gaenjem s a:
zakali postigne to viu tvrdou na povrini
prokali postigne to jednoliniju tvrdou na poprenom presjeku
MIKROSTRUKTURA ZAKALJENOG ELIKA: M + (Az) + K (K'')
Zakaljivost elika ovisi o udjelu ugljika u eliku!
krivulja poprima horizontalni tijek jer s porastom
sadraja ugljika u eliku, raste i udio zaostalog austenita u
kaljenoj strukturi, a on ima niu tvrdou od martenzita pa
utjee na prosjenu tvrdou elika
Tvrdoa potpuno zakaljenog elika ovisi o:
- sadraju ugljika koji je na temperaturi austentizacije otopljen u primarnom austenitu
- intenzivnosti gaenja (treba gasiti nadkritino da bi se postigla maksimalno postiziva tvrdoa)
STUPANJ ZAKALJENOSTI
(PROKALJIVOSTI): je omjer dobivene
tvrdoe nakon kaljenja i maksimalno
postizive tvrdoe
-
PROKALJIVOST ELIKA Na prokaljivost elika utjee:
- dimenzije predmeta (manje dim. bolja prok.)
- intenzitet gaenja odnosno sredstvo za geenje
(int. gaenje bolja prok.)
- duljina trajanja inkubacije austenita
JOMINY METODA - eksperimentalno utvrivanje prokaljivosti uzoraka kaljenjem valjkastih uzoraka propisanih
dimenzija te zatim gaenja (vodom, uljem) sredstvom koje ima odreenu intenzivnost
ohlaivanja
- rezanjem tako zakaljenih uzoraka primjenom reznih ploa uz intenzivno hlaenje dobivaju se
popreni presjeci uzoraka na kojima se ispituje tvrdoa
POPUTANJE ELIKA POPUTANJE je postupak ugrijavanja kaljenog elika na neku temperaturu ispod A1 u svrhu:
- povienja ilavosti
- snienja zaostalih naprezanja M
- postizanja dimenzijske postojanosti
Poputanjem se sniava tvrdoa!
A loe prokaljiv elik
B srednje dobro prokaljiv elik
C jako dobro prokalljiv elik
-
Procesi poputanja elika se odvijaju u tzv. stadijima:
I. Prvi stadij poputanja (100200 oC)
zbog difuzije ugljikovih atoma iz martenzitne reetke, oni atomi ugljika koji su potpuno izali
iz martenzitne reetke spajaju se sa eljezom u tzv. prelazni -karbid (Fe2 , 4C)
RASTE -> udarni rad loma (K)
PADA -> tvrdoa (HRC); volumen (c/a stupanj tetragonalnosti pada)
II. Drugi stadij poputanja (200320 oC)
dolazi do pretvorbe nelegiranog i niskolegiranog zaostalog austenita u bainit
Az B''
- dolazi do nepovratne krhkosti
RASTE -> volumen (c/a stupanj tetragonalnosti pada)
PADA -> udarni rad loma bitno (K), tvrdoa (HRC)
III. Trei stadij poputanja (320400 oC)
dolazi do prelazni karbid -karbid (Fe2 , 4C) prelazi u Fe3C
-karbid (Fe2 , 4C) Fe3C
RASTE -> /
PADA -> tvrdoa (HRC), udarni rad loma (K), volumen (c/a stupanj tetragonalnosti pada)
IV. etvrti stadij poputanja (> 400 oC)
a) Kod legiranih elika
- izluuju se posebni karbidi poputanja (ija vrsta i
sastav ovise o leg. el. u eliku)
LEGIRAJUI ELEMENTI (W, Mo, V) poveavaju otpornost
poputanju tako da tvrdoa elika ne opada tako intenzivno s
porastom temperature poputanja kao to je to sluaj kod
ugljinih (nelegiranih) elika
b) Kod visokolegiranih elika
- osim legirajuih elemenata (W, Mo, V) imaju i povieni sadraj ugljika (alatni elici) pa pri
visokotemperaturnom poputanju (~550 oC) dolazi do pretvorbe zaostalog austenita u
karbide poputanja i sekundarni martenzit
SEKUNDARNO OTVRDNUE -> pri temperaturi poputanja od oko 550 oC iz legiranog Az izluuju se
Kp, a pri tome se u preostalom A sniava udio ugljika i
legirnih elemenata to za posljedicu ima povienje Ms
(martenzit start) i Mf (martenhzit finish) linije. Tvrdoa
elika je u ovom sluaju neto via nego tvrdoa kaljenog
(jo nepoputenog) elika.
Az Kp + M''
POLAZNI OBLIK (MIKROSTRUKTURA)
KALJENJA: Mx %C + Az + (K'' + Ke)
a) i b) LEGIRANI ELICI
- usporavanje pada tvrdoe
(HRC) i porast otpornosti na
poputanje (OP)
Az M'' + Kp
c) NELEGIRANI ELICI
- nema bitnih
mikrostrukturnih
promjena
-
UTJECAJ TRAJANJA POPUTANJA PARAMETAR POPUTANJA
izveden iz Arhenius-ove jednadbe difuzije:
PRIMJENA POPUTANJA
IZOTERMIKO POBOLJAVANJE
- bolja meh.sv. (K, A, Z, Rd) kod visoke Re (Rm)
POSTUPCI ARENJA
-
POSTUPCI ARENJA -> se primjenjuju u preradbi raznih metala i njihovih legura s ciljem postizanja
specifinih tehnolokih svojstva
Postupke dijelimo u 2 vrste:
1) Postupci arenja I. vrste
provode se pri temperaturama < A1 ne dolazi do PREKRISTALIZACIJE
- arenje za redukciju zaostalih naprezanja
- rekristalizacijsko arenje
2) Postupci arenje II. vrste
provode se na temperaturama oko ili iznad A1 dolazi do PREKRISTALIZACIJE
MIKROSTRUKTURE
- sferodizacijsko arenje (meko arenje)
- normalizacijsko arenje
- arenje na grubo zrno
- homogenizacijsko arenje
ARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA
- zadravanje elika 2 ili vie sata na temperaturama od oko 400 oC do 650 oC u svrhu
razgradnje zaostalih naprezanja nastalih bilo tijekom deformiranja, obrade odvajanjem
estica ili prebrzog hlaenja nakon arenja (mora se hladiti vrlo sporo)
= f(vrsta materijala)
REKRISTALIZACIJSKO ARENJE
- provodi se nakon hladnog oblikovanja (npr.
valjanja) tijekom kojeg se promijenila tekstura materijala (kristalna su zrna spljotena i
izduljena u jednom smjeru) i nastupilo hladno deformacijsko ovrsnue
- primjenjuje se u svrhu ponovnog postizanja deformabilnosti koja se smanjila zbog
ovrivanja pri hladnom deformiranju
PRIMJENA -> elici, Cu i Cu-legura (mjedi, bronce), Al i Al-legure,
Ti i Ti-legure
FAZE REKRISTALIZACIJSKOG ARENJA:
i. oporavak zrna s ispljotenjem
ii. rekristalizacija
iii. rast zrna
-
SFERODIZACIJSKO ARENJE
- to je postupak ugrijavanja elika na neku temp. oko A1 ,
duljeg dranja pri toj temp. te vrlo sporog ohlaivanja (u
pravilu u pei) u svrhu prevoenja lamelarnih (eutektoidnih)
i mreastih (sekundarnih) karbida u kuglasti oblik
Prilikom toga:
RASTE: obradljivost, istezljivost
PADA: tvrdoa elika
Osnovne karakteristike:
- najmanja tvrdoa uz maksimalnu ilavost
- najbolja plastinost (dobra obradljivost)
- najbolja rezljivost
NORMALIZACIJSKO ARENJE
- to je postupak TO ugrijavanja podeutektoidnih . na temp iznad A3, nadeutektoidnih . na
temp iznad A1 ili za otapanje karbidne mree iznad Acm te podkritinog ohlaivanja u svrhu
postignua sitnozrnate i jednoline strukture
ARENJE NA GRUBO ZRNO
- provodi se na temperaturama znatno iznad A3 u svrhu
postizanja grubog zrna niskougljinih elika, koji su u
tom stanju lake obradivi odvajanjem estica
(rezanjem)
CILJ -> krupnozrnata F/P mikrostruktura
-
HOMOGENIZACIJSKO ARENJE (DIFUZIJSKO ARENJE)
- provodi se na temperaturama malo ispod odgovarajue temperature solidusa sa svrho
izjednaenja svojstva u masi elika
zrno je ovdje grubo pa je potrebna jo normalizacija