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