Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 9– Poboljšavanje 1

Vježba 9

POBOLJŠAVANJE Poboljšavanje je toplinska obrada koja se sastoji od kaljenja i visokotemperaturnog popuštanja, a čiji je osnovni cilj dobiti što veću žilavost i naprezanje tečenja za zadanu vrijednost čvrstoće. Žilavost je produkt čvrstoće i duktilnosti i od izuzetne je važnosti kod strojnih elemenata koji su u eksploataciji podvrgnuti dinamičkim ili udarnim opterećenjima. Poboljšani strojni elementi obično imaju i veću čvrstoću i veću duktilnost, a s time i žilavost, od strojnih elemenata koji su u normaliziranom ili zakaljenom stanju. Svojstva poboljšanih elementa su u korelaciji sa mikrostrukturom koja se postigne nakon kaljenja, ali i onom koja se dobije nakon visokog popuštanja. Maksimalna žilavost se dobije kada se popušta zakaljena mikrostruktura koja se sastoji od fino-zrnatog martenzita koji se popuštanjem pretvara u ferit sa sitnim karbidnim česticama. Takva mikrostruktura će se postići čak i kod ugljičnih čelika ako je uzorak malih dimenzija (manji od 10 mm). Za uzorke većih dimenzija morati će se odabrati legirani čelici koji imaju veću prokaljivost od ugljičnih. To će posebno biti izraženo za visoko napregnute strojne elemente kada će se zahtijevati da stupanj zakaljenosti jezgre bude veći od 0,95 (više od 97% martenzita). Stoga je kod čelika za poboljšavanje svojstvo prokaljivosti vrlo važno radi postizanja jednolikih svojstava po poprečnom presjeku proizvoda, a posebno kod proizvoda velikih dimenzija. Već se kaljenjem nastoji postići što više martenzita u jezgri proizvoda, a onda se popuštanjem postiže daljnje ujednačavanje svojstava po poprečnom presjeku. Za razliku od ostalih mikrostruktura sa smjesama različitih faza, martenzitna mikrostruktura najviše gubi na tvrdoći popuštanjem. To se vidi na slici 9.1. gdje se tvrdoća na čelu Jominy epruvete snizuje više nego tvrdoća u dijelu gdje je u mikrostrukturi postignuta smjesa različitih faza. Svojstva po poprečnom presjeku proizvoda biti će jednoličnija što je vića prokaljivost čeliku te što je temperatura popuštanja viša.

Slika 9.1. Izgled Jominy krivulja za čelik 42CrMo4 (Č 4732) nakon popuštanja na različitim temperaturama [1]

Materijali 2

Vježba br. 9 – Poboljšavanje 2

Čelici za poboljšavanje su najčešće nelegirani ili niskolegirani te sadrže od 0,3 do 0,6%C, iako se često poboljšavaju i čelici za cementiranje u necementiranom stanju, te sitnozrnati zavarljivi niskolegirani čelici. Zagrijavanje do temperature austenitizacije treba se izvesti dovoljno usporeno te se na 400-650°C preporučuje predgrijavanje, dok se za proizvode velikih dimenzija predgrijavanje i propisuje. Naglo hlañenje kod postupka kaljenja izvodi se u vodi ili ulju ovisno o vrsti čelika. Visoko popuštanje treba izvesti odmah nakon kaljenja jer su napetosti koje prate kaljenje vrlo visoke. Temperatura popuštanja odabire se iz dijagrama poboljšavanja kao kompromis izmeñu naprezanja tečenja i žilavosti. Dijagram poboljšavanja za čelik 42CrMo4 (Č 4732), koji je dobiven za uzorak promjera Ø 30 mm, može se vidjeti na slici 9.2. Na slici se može vidjeti nagliji porast relativnog produljenja i kontrakcije za temperature popuštanja iznad 450°C.

Slika 9.2. Dijagram poboljšavanja za čelik 42CrMo4 dobiven za uzorak Ø 30 mm kaljen u ulju [2]

Vrijeme držanja na temperaturi popuštanja su oko 1 sat za manje proizvode do nekoliko sati za strojne elemente velikih dimenzija. Hlañenje s temperature popuštanja trebalo bi biti dovoljno sporo da se izbjegnu toplinske napetosti i deformacije. Meñutim kod nekih čelika za poboljšavanje takvim hlañenjem nastupa visokotemperaturna krhkost kada se popuštaju s temperatura od 450 do 550°C. Rezultat toga je pojava niske žilavosti kod poboljšanih čelika. Visokotemperaturna krhkost popuštanja ne nastupa kod ugljičnih čelika, niti kod čelika s više od 0,2% Mo (ili više od 1% W), a ne nastupa niti ako se proizvod brzo hladi sa kritičnih temperatura popuštanja. Visokotemperaturna krhkost popuštanja ima povratni karakter te se može eliminirati ponovnim popuštanjem na temperaturama oko 600°C i proizvoljnom brzinom hlañenja ili popuštanjem na oko 500°C i brzim hlañenjem.

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 9– Poboljšavanje 3

Osim gore opisanog klasičnog postupka poboljšavanja postoje i izotermički postupci poboljšavanja: patentiranje i austempering, koji su načelno prikazani na slici 9.3.. Patentiranje spada u poboljšavanje jer se naknadnim hladnim deformiranjem (posebno kod nelegirane žice) može postići čvrstoća i do 3000 MPa. Postupak se izvodi asutenitiziranjem na oko 900°C i zatim izotermičkom obradom na 450-520°C. Posljedica takve obrade je smjesa finog sorbita i troostita u mikrostrukturi, što je izuzetno pogodno za obradu hladnim deformiranjem. Na ovaj način se mogu proizvoditi žice za opruge, žice za čeličnu užad i slično. Austempering je zapravo izotermičko poboljšavanje na bainit, a najviše se primjenjuje kod legiranih čelika koji imaju odvojeno bainitno područje od perlitnog. Ovim se postupkom dobiva jednofazna mikrostruktura sa gornjim ili donjim bainitom, čime se postiže odlična kombinacija duktilnosti i čvrstoće. Proizvodi koji su prošli austempering postupak pokazuju znatno manje napetosti pa će i deformacije proizvoda biti minimalne tijekom hlañenja, ne nastaju pukotine koje se mogu pojaviti prilikom kaljenja kod klasičnog poboljšavanja, te nema opasnosti od krhkosti popuštanja jer kod ovog postupka nije potrebno izvoditi popuštanje. Neke od primjena čelika koji su prošli postupak austempering su: nosači automobilskih sjedala, komponente sigurnosnog pojasa u automobilu, noževi kosilica, zupčanici, itd.

Slika 9.3. Načelni prikaz izotermičkih poboljšavanja [3]

1 - patentiranje; 2 - austempering ZADATAK 1

Potrebno je na epruvetama za ispitivanje žilavosti koje su izrañene od čelika C 45E (Č 1531) izvesti toplinsku obradu kaljenja u ulju i vodi te postupak klasičnog poboljšavanja. Temperatura austenitizacije za čelik C 45E je 850°C. Visoko popuštanje kod poboljšavanja izvesti na temperaturi 600°C. Izmjeriti tvrdoću epruveta prije i nakon pojedine toplinske obrade te odrediti žilavost na Charpyevom batu nakon svake toplinske obrade. Rezultate mjerenja upisati u tablicu 9.1.

Materijali 2

Vježba br. 9 – Poboljšavanje 4

Tablica 9.1. Rezultati mjerenja tvrdoće i žilavosti

Tvrdoća (HV) Udarna radnja loma Toplinska obrada

1 2 3 Prosjek α1 (°) α2 (°) KV (J) Bez T.O. Kaljenje u vodi

Kaljenje u ulju

Klasično poboljšavanje

ZADATAK 2

Potrebno je za osovinu promjera Ø 30 mm koja treba imati granicu razvlačenja 1200 MPa, a izrañena je od čelika 42CrMo4, odrediti temperaturu popuštanja. Kakva će biti ostala mehanička svojstva tj. vlačna čvrstoća, kontrakcija i relativno produljenje za odabranu temperaturu popuštanje. (Koristiti dijagram prikazan na slici 9.2.)

Ogovorite na slijedeća pitanja 1. Što je to poboljšavanje i zašto se izvodi? 2. Što je to visokotemperaturna krhkost popuštanja i kada se javlja? 3. Zašto je bitno kod poboljšavanja dobiti u jezgri proizvoda što veći postotak martenzita? 4. Kako se odabire temperatura popuštanja kod klasičnog poboljšavanja? REFERENCE [1] P. Pavlović, Materijal čelik, Kemija u industriji, Zagreb, 1990. [2] http://www.dew-stahl.com/, pregledano 10.11.2011. [3] Ivo Alfirević, Inženjerski priručnik IP4: Proizvodno strojarstvo, Školska knjiga d.d., Zagreb, 1998.