1

Pregled postupaka i opreme za toplinsku obradu metala

Vježba I.Kolegiji: Proizvodni postupci

- Toplinska obrada metala

Ak. god. 2011./2012. doc. dr. sc. Darko Landek

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo površina

Pregled postupaka toplinske obrade

TOPLINSKA OBRADBA METALA

TOPLINSKA OBRADBA CITAVOG OBRADKA

MODIFICIRANJA POVRŠINE

POSTUPCI KALJENJA IPOPUŠTANJA

POSTUPCI ŽARENJA

PRECIPITACIJSKOOCVRŠCAVANJE

KALJENJE

Kaljenje s kontinuiranim gašenjem

Kaljenje skontinuiranim gašenjem idubokim pothladivanjem

Kaljenje sdva sredstva za gašenje("slomljeno kaljenje)

Kaljenje s gašenjem u toploj kupci(postupak "martempering")

TOPLINSKA

TOPLINSKO -KEMIJSKA

MEHANICKA

PREVLACENJA POVRŠINE

Površinsko kaljenje: - plameno - indukcijsko - elektronskim snopom - laserskim snopom

Difuzija metalnihelemenata:- alitiranje (Al)- difuzijsko kromiranje (Cr)- siliciranje (Si)- legiranje laserskim snopom- legiranje snopom elektrona

Difuzija nemetalnih elemenata:- cementiranje- nitriranje- nitrokarburiranje- postupak QPQ- oksinitrokarburiranje- karbonitriranje- sulfonitriranje- sulfokarbonitriranje- oksidiranje- boriranje

Difuzija metalnih i nemetalnih elemenata:- vanadiranje (V, C)- niobiranje (Ni, C)- titaniranje (Ti, C)

- Sacmarenje- Valjanje- Strojna obradba

- TOPLINSKA (navarivanje, uranjanje u rastaljeni metal, prevlacenja laserskim ili elektronskim snopom)

- TOPLINSKO- MEHANICKA (naštrcavanje plamenom plazmom, deformacijsko, elektrolucno)

- MEHANICKA (deformacijsko spajanje eksplozijom ili valjanjem)

- U PARNOJ FAZI (PVD, CVD, PA CVD)

- KEMIJSKA (fosfatiranje, bezstrujno niklanje, kromatiranje, sol-gel postupci)

- ELEKTROKEMIJSKA (niklanje, kromiranje, galvanizacija, anodna oksidacija)

POPUŠTANJE

Niskotemperaturno popuštanje (ϑp<220 oC)

Srednjetemperaturno popuštanje (220oC<ϑp<400 oC)

Visokotemperaturno popuštanje (400 oC< ϑp<A1)

POBOLJŠAVANJE

Kaljenje + visokotemperaturnopopuštanje

Izotermicko poboljšavanje("austempering")

Rastvorno žarenjeRekristalizacijsko žarenjeŽarenje na grubo zrnoŽarenje za redukciju napetostiDifuziono žarenjeNormalizacijaMeko žarenje (sferodizacija)Temperiranje (grafitiziranje)

Izotermicko žarenje u perlitnom stupnju

Prirodno starenje

Umjetno starenje

IMPLANTACIJA IONA

2

KALJENJE

Tehnološki dijagram postupka kaljenja

Uređaji za austenitizaciju

A. Peći: plamene peći

električne peći

vakuumske peći

B. Kupke: solne kupke

fluidne kupke

komorne

jamske

konvejerske

C. Uređaji za površinsko kaljenje:

plamenici

induktori

laserski snop

3

A.1 Plamene peći

a) direktno grijane plamenom iz plamenika

b) grijane zračenjem iz cjevnih grijača

A.2 Električne peći

Komorna električna peć sa zaštitnom atmosferom (ϑmax = 1050 ºC)

4

A.3 Vakuumske peći

Jednokomorna vakuumska peć

Vakuum:

do 10-4 mbar-a

Temperature ugrijavanja (austenitizacije, homogenizacije):

do 1200 (1350) ºC

Ohlađivanje u struji plina:

pohl = 1 ... 20 bar

Plinovi za ohlađivanje:- N2, Ar, He, H2, - mješavine plinova

A.3 Vakuumske peći

Postupci toplinske obradbeu vakuumskim pećima:

• Kaljenje

• Žarenje

• Žarenje legura koje otvrdnjavajuprecipitacijom

• Popuštanje

• Otplinjavanje

• Tvrdo i visokotemperaturnolemljenje

• Sinteriranje

• Nitriranje u plazmi

• Pougljičavanje u plazmi

Obrada predmeta bez oksidacije površine i razgradnja postojećih oksida (obradci ostaju metalno svijetli i nakon toplinske obradbe)

Nije potrebno naknadno čišćenje

Nema razugljičenja rubnog sloja

Prednosti toplinske obradbe u vakuumskimpećima:

Značajno manje deformacije i iskrivljenja obradakau odnosu na ostale načine toplinske obrade

Automatsko vođenje procesa

Obrada bez otpadnih tvari i zagađivanja okoline

5

A.3 Vakuumske peći

Tem

pera

tura

, o CTl

ak, m

bar

Površina

Jezgra

0

20

1300

Vrijeme, h

10-4

10005000

Grijanje Gašenje

800

Primjer tehnološkog dijagrama promjene temperature i vakuuma u vakuumskoj peći pri kaljenju brzoreznog čelika

B.1 Solne kupke

Solna kupka grijana električnim grijačima

Solna kupka za nitriranje

Solna kupka za postoksidaciju

6

B.2 Fluidne kupke

Fluidna kupka grijana električnim ili plamenicima grijačima

C.1 Indukcijsko kaljenje površinskog sloja

Primjer indukcijskog kaljenja zupčanika

Osnovne vrste induktora

7

C.2 Kaljenje površinskog sloja laserskim snopom

Primjer površinskog kaljena zupčanika laserskim snopom

Granična tvrdoća (HV1) odgovara vrijednosti 80% minimalne površinske tvrdoće

Uređaji za gašenje

Faze pri gašenju u sredstvu koje podliježe Leidenfrostovom fenomenu

bazeni za gašenjeprskalicesolne kupkefluidizirane kupkehladne komore u vakuumskim pećima

Faza parnog omotača Faza vrenja Faza konvekcijskog ohlađivanja

8

a) bazeni za gašenje

Napredovanje fronta kvašenja pri ohlađivanju valjaka ∅ 25x100 mm od Cr-Ni čelika u vodi temperature 35 ºC s temperature austenitizacije 860 ºC

b) hladne komore

Shematski prikaz hladne komore vakuumskepeći za ohlađivanje šarže u cirkulirajućem plinu

Dvokomorna peć sa zaštitnom plinskom atmosferom i ohlađivanjem šarže u bazenu za gašenje i na zraku

9

c) prskalice

Rotaciono-posmično indukcijsko kaljenje osovine uz gašenje prskanjem

voda,

vodene otopine polimera

MODIFICIRANJE POVRŠINSKIH SLOJEVA TOPLINSKO KEMIJSKIM POSTUPCIMA

Karakteristike uobičajeno korištenih toplinsko-kemijskih postupaka

10

1. Cementiranje

Dijagram postupaka cementiranja čelika

A1 (jezgra)

A3 (jezgra)Te

mpe

ratu

ra, o C

Vrijeme, h

pougljicavanje kaljenje niskotemperaturnopopuštanje

sporohladenje

gašenje

mar

tenz

itni

sloj

prije

lazn

azo

na

jezgra

(0,1 ... 0,22 % C)

Zone na cementiranom obratkuPresjek kroz cementirani zupčanik

1. Cementiranje

Mikrostruktura cementiranog čelika 20MnCr5 s rasporedom tvrdoće (pravilno proveden postupak cementiranja)

Utjecaj trajanja pougljičavanja na sadržaj ugljika u rubnom sloju pri pougljičavanju u plinskoj atmosferi

11

1. Cementiranje

Tijek koncentracije ugljika tijek tvrdoće i efektivna dubina cementiranog sloja

Utjecaj trajanja pougljičavanja na sadržaj ugljika u rubnom sloju pri pougljičavanjuu plinskoj atmosferi

2. Nitriranje

Određivanje dubine nitriranja (Nht) (prema normi DIN 50190:1979)

plinu (npr. NITROC): dugotrajan (do 20 h), kratkotrajan postupak (0,5 ... 4 h)u solnim kupkama (npr. TENIFER) – 2 do 4 hu plazmi (ionitriranje): do 40 h

Udaljenost od površine, mm

0

200

400

600

800

HV

0,5

HV jezgre = 330 HV 0,5330 + 50 = 380 HV 0,5

50

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Nht = 0,24 mm

Granicna tvrdoca

12

2. Nitriranje

Postupak nitriranja u plazmi

Zaključak