tepelné zpracování ocelí. kalení a popou tení. chemicko ...© zpracování ocelí. kalení a...
TRANSCRIPT
Tepelné zpracování ocelí. Kalení a popouštení.Chemicko-tepelné zpracování. Tepelné zpracování litin.
Tomáš Doktor
K618 - Materiály 1
26. listopadu 2013
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 1 / 36
1 Kalení ocelíKalící teplotaKalící prostredíKalitelnost. ZakalitelnostProkalitelnostKalení na martenzitKalení na bainit
2 Popouštení martenzitu
3 Flash Bainite
4 Chemicko-tepelné zpracováníCementování
5 Tepelné zpracování litinŽíhání litinKalení litin
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 2 / 36
Pripomenutí - IRA, ARA diagramy
Rozpad austenitu
Vliv prechlazení
Cas výdrže na teplote
Rychlost ochlazováníKonecná doba trvánípremen
zacátek pri protnutíkrivky XS (start)konec pri protnutíkrivky XF (finish)
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 2 / 36
Kalení ocelí
Kalení ocelí
CílVznik kalících struktur
bainitmaternzit
Zvýšení tvrdosti apevnosti
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 3 / 36
Kalení ocelí Kalící teplota
Kalící teplota
Predpoklady pro kalení
Vznik austenituvelká rozpustnost uhlíku
Rozpuštení karbidu
Jemnozrná struktura
Podeutektoidní oceliKalící teplota nad A3
Premena veškerého feritu na austenit
Nadeutektoidní oceliKalící teplota nad A1 (ne nad Acm)Cementit muže ve strukture zustat
tvrdost srovnatelná s martenzitemTomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 4 / 36
Kalení ocelí Kalící prostredí
Kalící prostredí
Rychlost ochlazování
Urcující pro prubeh kaleníV prubehu kalení se muže menit
najdríve rychlé pro zamezení perlitické premeny (vznik mekkého feritu)poté pomalejší pro omezení vnitrních pnutí
Chladicí média
Voda - rychlost 30 až 600 oC · s−1 (podle teploty)
Roztoky hydroxidu, solí, kyselin - rychlost stovky oC · s−1
Olej 100 až 200 oC · s−1
Proudící vzduch 30 oC · s−1
Klidný vzduch 3 oC · s−1
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 5 / 36
Kalení ocelí Kalící prostredí
Kalící prostredí
Zmrazování
Teplota MF muže být i pod bodem mrazu
Pri jejím nedosažení zustává ve strukture zbytkový austenitZmrazovácí lázne
Smes lihu u suchého ledu (tuhý CO2) −80oCTekutý dusík −196oCZmrazovácí lázne
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 6 / 36
Kalení ocelí Kalitelnost. Zakalitelnost
Kalitelnost. Zakalitelnost
KalitelnostSchopnost kalením získat martenzitickou strukturu
Urcena složením oceliNekalitelné oceli
Nízkouhlíkové - nedojde k presycení tuhého roztokuAustenitické - vysoká rozpustnost uhlíku i pri nízkých teplotách
ZakalitelnostSchopnost dosáhnout kalením maximální možnétvrdosti
Závisí na obsahu uhlíku
U nadeutektoidních ocelí se již nezvyšuje
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 7 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost
Prokalitelnost
Rychlost ochlazování se v objemusoucásti mení
Smerem od povrchu do stredurychlost klesá
Rozmernejší soucásti mohou býtzakaleny jen do urcité hloubky
ProkalitelnostSchopnost dosáhnout svézakalitelnosti do urcité hloubky podpovrchem
Závisí na kritické rychlostiochlazování
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 8 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost
Jominyho zkouška prokalitelnosti
Provedení zkoušky
Válcový vzorek vyžíhané oceli
Ohrev v ochranné atmosfére
Ochlazování proudící vodou
Po délce válecku plynulý prechodochlazovací rychlosti
Vyhodnocení
Po zakalení merení tvrdostiVýsledkem je krivka prokalitelnosti
Závislost tvrdosti (HRC) navzdálenosti od chlazeného povrchu
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 9 / 36
Kalení ocelí Prokalitelnost
Prokalitelnost - príklad
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 10 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Kalení na martenzit
Rychlé ochlazeníaustenitu nadkritickourychlostí pod teplotu MS
Ve strukture prítomenmartenzit a zbytkovýaustenit
zbytkový austenitvzniká, neklesne-liteplota pod MF
snižuje pevnost atvrdost
Získaná struktura sedále upravujepopouštením
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 11 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Prímé kalení
ProvedeníOchlazování jedinourychlostí až pod MS
chladicím médium jevoda nebo olej
Vysoká rychlostochlazování zpusobujevelké pnutí
Použití
Malé soucásti
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 12 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Prímé kalení
ProvedeníOchlazování jedinourychlostí až pod MS
chladicím médium jevoda nebo olej
Vysoká rychlostochlazování zpusobujevelké pnutí
Použití
Malé soucásti
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 12 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Lomené kalení
Ochlazování probíhá vevíce fázích ruznýmirychlostmi
První fáze ochlazenímezi teplotu nosu a MS
Následuje ochlazovánínižší rychlostí
jiné ochlazovacíprostredí
Vznikne martenzit smenším vnitrním pnutímLze provést jen u ocelí sdelší inkubacní dobou
legované
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 13 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Lomené kalení
Ochlazování probíhá vevíce fázích ruznýmirychlostmi
První fáze ochlazenímezi teplotu nosu a MS
Následuje ochlazovánínižší rychlostí
jiné ochlazovacíprostredí
Vznikne martenzit smenším vnitrním pnutímLze provést jen u ocelí sdelší inkubacní dobou
legované
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 13 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Termální kalení
Rychlé ochlazení meziteplotu nosu a MS
Výdrž na teplote
Pred dosaženímzacátku bainiticképremeny ochlazení podMS
Minimální vnitrní pnutíLze provést jen u ocelí sdelší inkubacní dobou
legované
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 14 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Termální kalení
Rychlé ochlazení meziteplotu nosu a MS
Výdrž na teplote
Pred dosaženímzacátku bainiticképremeny ochlazení podMS
Minimální vnitrní pnutíLze provést jen u ocelí sdelší inkubacní dobou
legované
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 14 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Povrchové kalení
Cílem je získat rozdílné vlastnosti napovrchu v jádre soucásti
Zakalení jen v povrchové vrstve
Indukcní ohrev, ponorení do chladicíláznePohyblivá kalicí hlava
Plynový horákChlazení proudem vody
Tloušt’ka vrstvy 0.5 až 3mm
1 -ohrev (plamenem), 2 - chlazení
(proudící voda), 3 - zakalenýpovrch, 4 - austenit, 5 -
houževnaté jádro
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 15 / 36
Kalení ocelí Kalení na martenzit
Dílcí kalení
Prubeh
Cílem je smes feritu a martenzituOhrev do oblasti α + γ
lze provést jen u podeutektoidníchocelí
Po zakalení se austenit premení namartenzit
VlastnostiPevnost
díky prítomnosti martenzitu
Houževnatostdíky prítomnosti feritu
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 16 / 36
Kalení ocelí Kalení na bainit
Kalení na bainit
Kalení na bainitIzotermické kalení
Ochlazení pod teplotu nosu
Výdrž pro vytvorení bainitu
Rychlé ochlazení
PoužitíPodeutektoidní oceli
Malé soucásti
Dosažení vysoké pevnosti a zachování tažnosti
Není treba další tepelné zpracování
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 17 / 36
Popouštení martenzitu
Popouštení martenzitu
Po zakalení je martenzit pro vysokou krehkost nepoužitelný
Následuje tepelné zpracování ke snížení pnutí - popouštení
Ohrev na teplotu pod A1
Prubeh popouštení
1 Rozpad tetragonálního martezituvylucování C ve forme ε−karbidusnižování tetragonality martenzitu -mení se na kubickývlivem vzniklých karbidu tvrdosttémer neklesá
2 Rozpad zbytkového austenituvzniká kubický martenzit a cementitpokles tvrdosti
3 Vznik sorbituε−karbid se mení na Fe3Cklesá presycení kubickéhomartenzitu až na α− feritsorbit smes feritu a cementitu6= perlit 6= bainit
4 Hrubnutí sorbitupod teplotou A1 se sorbit menína globulární perlit
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 18 / 36
Popouštení martenzitu
Popouštení martenzitu
Postupy popouštení
Nízkoteplotní popouštení (Napouštení, popouštení nabarvu)
Teploty do 300oCZmena barvy vlivem interference na povrchové vrstveNapouštení zevnitr - vlastním teplem, po ochlazeníjen na povrchu
Vysokoteplotní popouštení
Vznik jemného sorbitu
Zušlecht’ování - kombinace kalenía vysokoteplotního popouštení
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 19 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - tepelné zpracování
Flash BainiteOcel zpracovanápomocí rychloohrevu
Technologie posledníchnekolika let
Zpevnení smesí bainitu,martenzitu a cementitu
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 20 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - tepelné zpracování
Rychlé zvýšení teplotypomocí indukcníhoohrevu nebo plamene
Chlazení proudící vodou
Mezi ohrívací a chladicízónou grafitovátermoizolacní prepážka
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 21 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - struktura
Vývoj mikrosktruktury vprubehu zpracování
Pocátecní struktura -ferit a cementit
Premena feritu naaustenit, rozpouštenícementitu
Ochlazení - prevážnemartenzit, cástecnebainit
Nerozpuštený cementitve strukture zustává
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 22 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - vlastnosti
Smes bainitu amartenzitu prinášívýhodnejší mechanickévlastnosti než seocekávalo podlesmešovacích pravidel
Poucení - neverteslepe smešovacímpravidlum, svet nenílineární
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 23 / 36
Flash Bainite
Flash Bainite - vlastnosti
Mechanické vlastnostiPevnost v tahu až 2000MPa
nárust o 30% oproti nejlepšímsoucasným ocelím
Tažnost 8 až 9%nárust o 7% oproti nejlepšímsoucasným ocelím
dobrá odolost protimechanickému poškození
armádní technikavývoj podporuje armádaSpojených státu
vysoká specifická pevnostdopravní prostredky - nízkáhmotnost pri zachovánípožadovanách mechanickýchvlastností
energetická nenárocnostdíky rychlému ohrevu
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 24 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování
Chemicko-tepelné zpracování: Cementování
Sycení povrchu oceli atomárnímuhlíkem
Zvýšení tvrdosti povrchu (prizachování houževnatosti jádra)Požadovaná koncentrace 0.8 - 0.9hm. % C
Cementování v prášku
drevené uhlí + katalyzátor
C+O→ CO
2 CO→ CO2 +C
uhlík se váže do povrchu oceli, CO suhlíkem z dreveného uhlí tvorí opetCO2
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 25 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování
Cementování
Cementování v kapalném prostredí
Kyanidové lázne (KCN,NaCN)
Cementacní lázne bez kyanidu(Na2CO3,SiC)
Cementování v plynném prostredí
Cementacní atmosféry -CO,CO2,CH4,H2,H2O
Tepelná úprava
Zakalení nacementované vrstvyJádro se nezakalí vzhledem knízkému obsahu uhlíku vcementacní oceli
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 26 / 36
Chemicko-tepelné zpracování Cementování
Chemicko-tepelné zpracování
Nitridovánísycení povrchu oceli atomárním dusíkem
tenká vrstva (0.2 až 0.6mm), tvrdost až 1200HVzachovává si tvrdost i pri vyšších teplotách
nitridace ve cpavkové atmosfére - 2 NH3→ 2 N +3 H2
iontová nitridace - tvrdost až 3500HV
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 27 / 36
Tepelné zpracování litin
Nadeutektické bílé litiny
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 28 / 36
Tepelné zpracování litin
Podeutektické bílé litiny
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 29 / 36
Tepelné zpracování litin
Litiny ve stabilní soustave
uhlík ve forme grafitu
ve stabilní soustave jen litinykrystalizaci ve stabilní nebometastabilní soustave urcují
složeníkarbidotvorné prvky: Mn, Cr,Mo, Mg, Tigrafitotvorné prvky: Si, P, Al,Ni, Cu
rychlost ochlazovánírychlejší⇒ metastabilnípomalejší⇒ stabilní
Odlišné fázegrafitické eutektikum
grafitický eutektoid
Odlišné teploty
eutektická 1153 oC
eutektoidní 738 oC
Odlišné složeníeutektikum 4.25 hm. % C
eutektoid 0.69 hm. % C
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 30 / 36
Tepelné zpracování litin
Litiny - bílé vs. grafitické
(a) Bílá litina (cementit ve feri-tické matrici)
(b) Grafitická litina (lístkovýgrafit ve feritické matrici)
(c) Grafitická litina (kulic-kový grafit ve feritické ma-trici)
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 31 / 36
Tepelné zpracování litin
Soustava Fe-C
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 32 / 36
Tepelné zpracování litin Žíhání litin
Žíhání bílých litin
ÚcelVznik grafitických litin
premena Fe3C na grafit
Grafit se vyloucí ve forme vlocek
Prubeh
teplota 1000 oC
výdrž mnoho hodin
cementit se rozkládá na 3 Fe + C
nutno dodržet maximální teplotu prozískání vlockového nebo kulickovéhografitu
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 33 / 36
Tepelné zpracování litin Žíhání litin
Žíhání grafitických litin
Žíhání ke snížení vnitrního pnutíteplota 600−650 oCvýdrž 1 až 2hpomalé ochlazování v peci
Sferoidizacní žíhánípremena lamelárního cementitu na globulární
Feritizacní žíhánírozpad cementitu na grafit a Fe, které vytvárí ferit
Žíhání ke snížení pevnostiodstranení ledeburitického cementitu
Normalizacní žíhánízvýšení pevnosti a tvrdosti odlitku
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 34 / 36
Tepelné zpracování litin Kalení litin
Kalení litin
Kalení bílých litin
výsledná struktura martenzit a cementitlitina se nedostane do stavu cistého austenitu
Kalení grafitických litin
výsledná struktura martenzit, grafit, zbytkový austenit
po popuštení sorbit a grafit
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 35 / 36
Dekuji za pozornost
ReferenceCallister, Jr., W.D.: Fundamentals of Materials Science and Engineering, Willey & sons, 2001
Machek, V., Sodomka, J.: Nauka o materiálu 1: Struktury kovových materiálu, CVUT, 2006
http://practicalmaintenance.net/?p=1366
LOLLA, T., COLA, G., NARAYANAN, B., ALEXANDROV, B., BABU, S. S.: Development of rapid Heating and Cooling (Flash Processing)Pricess to Produce Advanced High Strength Steel Microstructures, Materials Science and Technology 27(5), pp. 863–865, 2011
COLA, G., HIGGINS, G.: Flash Bainite 4130. Plate & Tubing, 2012, dostupné z: http://bainitesteel.com/FlashBainite.pdf
COLA, G.: 80ms Bainite Transformation. Rapid Heating & Water Quenching, 2007, dostupné z:http://chapters.sme.org/069/technov07.pdf
WU, C. H.: Microstructure of Flash Processed Steel Charactrized by Electron Backscatter Diffraction, Virginia Polytechnic Instituceand State University, master thesis, 2009
LOLLA, T., HANHOLD, B., TUNG, D., COLA,G., BABU, S. S.: Flash Microstructure, 2013, dostupné z:http://www.msm.cam.ac.uk/apms/presentations/day3/apms_22_Babu.pdf
Tomáš Doktor (18MRI1) Kalení a popouštení 26. listopadu 2013 36 / 36