Termicka obrada

Habibović Šemsudin, dipl.ing.maš. TEHNOLOGIJA OBRADE II, skripta

185

22. TERMIČKA OBRADA

Termička obrada je skup operacija koje se sastoje od zagrijavanja, zadržavanja na dostignutoj temperaturi radi potrebnih preobražaja, a zatim hlađenja sa određenom brzinom, koja zavisi od toga kakve osobine želimo dati predmetu obrade.

Cilj termičke obrade je da se poboljšaju mehaničke osobine: čvrstoća, tvrdoća, žilavost, otpornost protiv habanja, ali i da se smanje unutrašnji naponi nastali prethodnom obradom.

Proces termičke obrade možemo predstaviti grafički u koordinatnom sistemu: vrijeme (τ) i temperatura (t) (slika 22.1). Ovaj dijagram je, u principu, karakterističan za bilo koju vrstu termičke obrade. Iz dijagrama se vidi da proces termičke obrade karakterišu sljedeći parametri:

– temperatura zagrijavanja (tt), – vrijeme zagrijavanja (τ1), – vrijeme zadržavanja na dostignutoj

temperaturi tt (τ2) i – vrijeme hlađenja (τ1).

Slika 22.1: Grafički prikaz termičke obrade

22.1 Struktura čelika i gvožđa u ravnotežnom dijagramu stanja željezo – ugljik

Metali i legure imaju kristalnu strukturu. U kristalnoj strukturi atomi su pravilno raspoređeni prostorni i međusobno povezani u sistemu kristalnih rešetki. Atomi osciluju oko svojih ravnotežnih položaja u hladnom ili toplom stanju. U procesu hlađenje ili zagrijavanja može doći do pomjeranja atoma u kristalnoj rešetki. Zagrijavanjem se povećava amplituda oscilovanja do temperature topljenja, a kada postane toliko visoka da se atomi udalje od svojih ravnotežnih položaja, gubi se metalna rešetka i metal se topi.

Željezo (Fe) se u praksi ne koristi kao čist element, već kao legura sa ugljikom i drugim elementima. Legure željeza dijele se na čelik i gvožđe. Čelik je legura željeza i ugljika sa sadržajem ugljika od 0,02% do 2,14%. Gvožđe sadrži od 2,27% do 6,67% ugljika i izvjestan procenat silicija, mangana i drugih elemenata.

Ugljik se u željezu može pojaviti u dva oblika: – u obliku elementarnog ugljika C (grafita) i – u obliku hemijskog jedinjenja Fe3C, željeznog karbida, koji se naziva cementit. Strukturne promjene, nastale u procesu zagrijavanja i hlađenja metala i legura, mogu se

predstaviti u dijagramu stanja. Na slici 22.2 prikazana je kriva hlađenja čistog željeza. Vidimo da hemijski čisto željezo ima više različitih kristalnih rešetki. Sposobnost metala da mijenja oblik kristalne rešetke sa promjenom temperature naziva se alotropija. Kristalne strukture dobijene na ovaj način nazivaju se alotropske modifikacije. Željezo (Fe) ima tri alotropske modifikacije: α Fe, γ Fe i δ Fe.

Do temperature 1539 °C imamo lagano hlađenje i opadanje temperature. Na toj temperaturi dolazi do kristalizacije željeza. Prvi izdvojeni kristali su kristali δ Fe – sa


186

prostorno centriranom kubnom rešetkom. Po završetku kristalizacijetemperatura ravnomjerno opada do 1401 °C, kada se ponovo pojavljuje zastoj, iako odvodimo toplotu. Na toj

temperaturi dolazi do prekristalizacije. Prekristalizacija se obavlja uz oslobađanje toplote i nastaje tzv. γ Fekoje ima površinski centriranu kubnu rešetku. Po završetku prekristalizacije temperatura ponovo opada sve do 900 °C, kada se ponovo pojavljuje zastoj. Odvodimo toplotu, a temperatura ostaje ista. Ponovo dolazi do prekristalizacije γ Fe u α Fe koje ima prostorno centriranu kubnu rešetku. Daljim hlađenjem dolazi do još jednog zastoja na temperaturi 768 °C. Na toj temperaturi nema promjene kristalne rešetke i metalnih zrna. Na temperaturi 768 °C željezo dobija magnetne osobine i ispod te temperature je magnetično, a iznad te temperature je nemagnetično. Ponegdje se namagnetično α Fe naziva i β Fe.

Slika 22.2: Kriva hlađenja čistog željeza

Pri termičkoj obradi čelika neophodno je da se u procesu zagrijavanja formira struktura oblika γ Fe, u kojoj se može rastvoriti do 2,14% ugljika (C).

Kao što je već rečeno, u legurama željeza ugljik se nalazi u elementarnom obliku kao grafit ili kao hemijsko jedinjenje Fe3C, željezni karbid, koje se naziva cementit. Cementit se sastoji od 93,33% željeza i 6,67% ugljika. On je veoma tvrd, ali takođe i krt, a na sobnoj temperaturi je magnetičan. Magnetne osobine potpuno gubi na temperaturi 210 °C. Temperatura topljenja mu se kreće od 1550 °C do 1840 °C. Na dijagramu stanja željezo – ugljik (slika 22.3) usvojena je temperatura topljenja cementita 1600 °C.

Ako se u leguri željezo – ugljik, pri sporom hlađenju, ugljik izdvoji kao grafit, takva se struktura naziva stabilna sistem legure željezo – ugljik. U leguri željezo – željezni karbid (Fe–Fe3C) nema slobodnog ugljika, već je on hemijski vezan sa željezom. Ova struktura nastaje brzim hlađenjem i naziva se metastabilni (nestabilni) sistem legure željezo – ugljik. Pune izvučene linije na dijagramu odnose se na metastabilni dijagram Fe–Fe3C, a isprekidane linije na stabilni dijagram Fe–C. Ovaj dijagram ne obuhvata sve legure od 0 do 100% C, nego samo dio od 0 do 6,67% C, zbog toga što legure sa većim sadržajem ugljika nemaju praktičnu primjenu. U dijagramu ravnotežnih stanja legura željeza i ugljika na apscisu je nanašen postotak ugljika u željezu i sadržaj cementita u postocima, dok je na ordinatu nanešena temperatura u °C. Zbog toga se ovaj dijagram često naziva C-T dijagram (C = ugljik, T = temperatura).

Iznad linije ABCD sve legure se nalaze u tečnom stanju. Ova linija se naziva likvidus–linija (likvidus – tečan) i ona razgraničava rastop od početka izdvajanja prvih kristala.

Linija AHJECF se naziva solidus–linija (solidus – čvrst) i ona predstavlja završetak kristalizacije, pa su ispod nje sve legure u čvrstom stanju.

U području između likvidus i solidus linije legure se nalaze u tjestastom stanju. Dijagram stanja željezo – ugljik je jako složen i ima dosta linija koje razgraničavaju

različita područja. Složenost dijagrama potiče od alotropskih modifikacija željeza.

900 °C


187

Slika 22.3: Ravnotežni dijagram željezo – ugljik

Lijeva granica dijagrama Fe–Fe3C predstavlja čisto željezo, a desna granica čisto hemijsko jedinjenje željeza i ugljika Fe3C (cementit).

Željezo i ugljik, kao što je rečeno, grade tri različita čvrsta rastvora, koje označavamo sa δ, γ i α.

δ – čvrsti rastvor nastaje na 1493 °C i ima maksimalni sadržaj 0,10% C, a metalografska oznaka mu je ferit. Istu ovu oiznaku ima i α – čvrsti rastvor, koji nastaje na 723 °C pri 0,02% C. δ i α – čvrsti rastvor imaju prostorno centriranu kubnu rešetku, koja ima veoma malu mogućnost rastvaranja ugljika. Ugljik se nalazi u prazninama rešetke između atoma željeza. Dakle, ferit je skoro čisto željezo, s neznatnim sadržajem ugljika. Njegovi kristali su svijetli, krupni, mehki i rastegljivi, pa se lahko plastično oblikuje. Iz tog razloga se feritni čelici najviše upotrebljavaju za građevinske svrhe, mašinske dijelove, limove, cijevi i profile, jer se od njega ti proizvodi lagano izrađuju u valjaonicama.

γ – čvrsti rastvor nastaje na 1147 °C i ima maksimalni sadržaj od 2,14% C, a metalografska oznaka mu je austenit. γ – čvrsti rastvor ima površinski centriranu kubnu rešetku koja ima slobodan prostor na presjeku prostornih dijagonala, gdje se smještaju atomi ugljika, zbog čega je maksimalna rastvorljivost u ovoj rešetki jako velika (2,14% C). Snižavanjam temperature rastvorljivost ugljika opada.

Osim čvrstih rastvora u leguri željezo – ugljik pojavljuju se dvije vrste kristala (faza) koje imaju složenu heterogenu strukturu. To su perlit i ledeburit.

Perlit je eutektoidna smjesa ferita i cementita i nastaje razlaganjem austenita sa sadržajem 0,8% C na temperaturi od 723 °C. Na toj temperaturi ima 86,5% ferita i 13,5% cementita. Oblast postojanosti perlita je od 0,02 do 6,67% C. Perlitna struktura je potpuna kada čelik ima 0,8% C: Kristali perlita su tvrđi od feritnih, oni su sitni, žilavi i sjajni. Čelici s


188

čisto perlitnom strukturom se upotrebljavaju za izradu kvalitetnih mašinskih dijelova, kao što su osovine i zupčanici, a može se izrađivati i ručni alat.

Ledeburit je eutektička smjesa austenita i cementita i nastaje očvršćavanjem legure željeza i ugljika sa sadržajem 4,3% C na temperaturi od 1147 °C. Na toj temperaturi ledeburit se sastoji od 48% austenita i 52% cementita, a oblast postojanosti mu je od 2,14 do 6,67% C. Ime ledeburit ova struktura je dobila po njemačkom metalurgu Ledeburu.

Hemijsko jedinjenje željezni karbid – cementit (Fe3C) pojavljuje se u tri različita oblika istog sastava.

Primarni cementit se pojavljuje kod legura sa sadržajem od 4,3 do 6,67% C i izlučuje se direktno iz rastopa duž linije CD do temperature 1147 °C. On se izlučuje iz rastopa u obliku dugih iglica.

Sekundarni cementit se izlučuje iz čvrstih kristala austenita duž linije ES. Rastvorljivost ugljika u γ – čvrstom rastvoru opada sa temperaturom sve do 723 °C, kada se preostali austenit sa sadržajem 0,8% C preobražava u perlit.

Tercijalni cementit se izlučuje iz čvrstih kristala ferita duž linije PQ. Rastvorljivost ugljika u feritu sa 0,02% C pri temperaturi od 723 °C uz izdvajanje tercijalnog cementita, pada na oko 10-5% C, pri sobnoj temperaturi (tačka Q).

Prema tome, ako se cementit izdvaja direktno iz rastopa, onda se zove primarni cementit. Ako se izdvaja iz γ – miješanih kristala, onda se zove sekundarni cementit, a ako se izdvaja iz α – miješanih kristala, onda se zove tercijalni cementit.

Pojedine faze u dijagramu stanja Fe–Fe3C jasno su predstavljene na slici 22.4.

Slika 22.4: Fe–Fe3C dijagram – strukture u odnosu na temperaturu tehničkog željeza

1539°

910

2,14 0,8

Rastop


189

Pomenute strukture uglavnom nastaju pri normalnim uslovima hlađenja do sobne temperature. Međutim, ako se čelik zagrije do temperature koja omogućava nastajanje austenita, a zatim naglo ohladi, nastaće strukture čelika čije se osobine znatno razlikuju od prethodnih. Te osobine se ogledaju u znatno povećanoj tvrdoći i čvrstoći čelika.

Najpoznatiji predstavnici novonastalih struktura su: sorbit, trustit, bainit i martenzit.

Sorbit je vrlo fini perlit, a stvara se u svim vrstama čelika. Transformacija sorbitne strukture se vrši u intervalu temperatura 600÷700 °C. Sorbit se dobija hlađenjem zagrijanog čelika u struji vazduha. On ima dobru kombinaciju mehaničkih osobina, dobru žilavost, veliko izduženje, dobre dinamičke osobine i sposobnost plastičnih deformacija.

Trustit je fini perlit bez zrna. Sivomrke je boje, a dobija se sa povećanjem brzine hlađenja (hlađenjem u ulju). Takođe se stvara u svim čelicima, a transformiše se u intervalu 500÷600 °C. Žilavost i plastičnost trustita u odnosu na sorbit je manja, ali je tvrdoća i čvrstoća veće.

Povećanim brzinama hlađenja često se, pored perlita, pojavljuje sasvim nova struktura koja se naziva bainit. Struktura bainit se sastoji od disperznog cementita u masi ferita. Ova struktura pod mikroskopom ima igličastu strukturu i sastoji se od ferita i željeznog karbida.Ovdje se transformacija vrši u dva razdoblja i to u intervalu 400÷500 °C i u intervalu 300÷400 °C.

Pri hlađenju čelika austenitne strukture, brzinom preko 300 °C/s, austenit se transformiše u martenzit, u temperaturnom intervalu ispod 200 °C. Transformacija austenita u martenzit odvija se trenutno, njegovim naglim hlađenjem. Transformacija nastaje samo pri niskoj temperaturi, kad je toplotna pokretljivost atoma umanjena, a difuziono pomjeranje isključeno. Dakle, možemo reći da martenzitna struktura nastaje zarobljavanjem ugljika u α kristalnoj rešetki, da je nestabilni željezni karbid i da se kod martenzita izlučuju sitni kristali željeznog karbida u granicama kristala, što povećava tvrdoću.

Strukture svrstane prema tvrdoći, idući od veće ka manjoj, izgledaju ovako: martenzit, bainit, trustit, sorbit i perlit.

Na slici 22.5 prikazana je „S“ krivulja, tj. dijagram izotermičkog preobražaja eutektoidnog čelika. U dijagramu je na apscisnoj osi naneseno vrijeme u sekundama, u logaritamskom mjerilu, a na ordinati temperatura u °C. Temperature transformacije prikazane su na slici 22.6 i one su ovisne od brzine hlađenja.

Slika 22.5: Dijagram izotermičkog preobražaja Slika 22.6: Dijagram brzine hlađenja i

eutektoidnog čelika transformacije


190

22.2 Vrste termičke obrade, sredstva za zagrijavanje i hlađenje

Svi postupci termičke obrade čelika mogu se podijeliti u dvije osnovne grupe:

– postupci koji strukturu čelika približavaju ravnotežnom stanju (žarenje i poboljšanje) i – postupci koji strukturu čelika udaljavaju od ravnotežnog stanja (kaljenje).

Prva faza termičke obrade čelika je zagrijavanje čelika na propisanu temperaturu. Za zagrijavanje metala upotrebljavaju se peći različitih sistema i konstrukcija. Na njihov oblik i veličinu utiču veličina komada, vrsta metala, temperatura zagrijavanja, traženi kapacitet peći itd. Ove peći, prema načinu punjenja, mogu biti sa periodičnim i kontinuiranim punjenjem.

U zavisnosti od načina kretanja obratka kroz peć sa kontinuiranim punjenjem razlikujemo: potisne peći, peći sa pokretnim gredama (koračne peći), peći sa valjkastim transporterima i peći sa obrtnim ognjištem. Kod svih ovih peći plamen se kreće u suprotnom smjeru u odnosu na materijal, što obrzbjrđuje dobar prenos toplote, ravnomjerno zagrijavanje i meprekidan rad.

Po načinu zagrijavanja peći za zagrijavanje čelika mogu biti ložene čvrstim, tečnim ili gasovitim gorivom. Pri tome, treba paziti da se metal zagrijava pravilnom brzinom i ravnomjerno. Uređaji za zagrijavanje čelika pri termičkoj obradi moraju biti snabdjeveni sa kontrolnim i regulacionim uređajima koji omogućavaju držanje određene temperature u uskim granicama (± 5 °C do 10 °C). Danas postoje potpuno automatizovana postrojenja za termičku obradu čelika, tzv. višenamjenski automati. Ovi uređaji se upotrebljavaju samo u serijskoj proizvodnji.

Pored uređaja za zagrijavanje kod termičke obrade čelika veliku ulogu igraju i sredstva za hlađenje pri kaljenju, jer od tih sredstava zavisi i brziba hlađenja pri kaljenju. Odgovarajuće sredstvo za hlađenje određuje se na osnovu kritične brzine hlađenja tog čelika.

Kritična brzina hlađenja je ona brzina koja je potrebna da se austenitna struktura pretvori u martenzitnu. Kritična brzina zavisi od sastava legure, veličine predmeta, temperature kaljenja, sadržaja ugljika u čeliku i drugih faktora.

Idealno sredstvo za hlađenje moralo bi omogućiti polahko hlađenje u području A1 (723 °C) do 650 °C, zatim veliku brzinu hlađenja radi maksimalne brzine transformacije austenita i na kraju minimalnu brzinu hlađenja u martenzitnom području. Ovakvo hlađenje se ne može postići postojećim rashladnim sredstvima. Najvažnija realna sredstva za hlađenje su: voda, vodeni rastvori soli i baza, ulja, rastopi metala i soli, vazduh i druge gasne sredine.

22.3 Žarenje

U ovu grupu postupaka svrstavaju se oni postupci termičke obrade za koje je karakteristično to da se hlađenje zagrijanih dijelova obavlja polahko, kako bi se struktura približila ravnotežnom stanju. U zavisnosti od cilja koji se želi postići, sve postupke žarenja možemo podijeliti u nekoliko grupa:

– žarenje za uklanjanje ili smanjenje neravnomjernosti strukture (difuziono žarenje i normalizacija),

– žarenje u cilju poboljšanja obradivosti (mehko, visoko i rekristalizaciono žarenje) i – žarenje za smanjenje ili uklanjanje naprezanja.


191

Žarenjem se nakon hladne i tople obrade poboljšava čeliku čvrstoća i olakšava dalja mehanička obrada. Žarenjem čelik dobija finozrnastu i ravnomjernu strukturu, pa mu se na taj način povećava žilavost, a smanjuje mu se čvrstoća i omogućava dalja obrada.

Kod žarenja čelika potrebno se je držati nekih pravila:

– prebrzo zagrijavanje može dovesti do stvaranja pukotina. One nastaju na taj način, što je područje jače zagrijano, pa se više širi nego jezgro (djelovanje pritisak – zatezanje);

– predugo zagrijavanje i previsoka temperatura žarenja može prouzrokovati grubozrnastu strukturu. Ponovnim žarenjem ona se može pretvoriti u sitnozrnastu strukturu.

U atmosferi žarenja, tj. u žarnim pećima ne smije biti suvišnog kisika, jer bi se on povezao s ugljikom, koji se nalazi u površinskom sloju čelika, što bi dovelo do slabljenja površinskog sloja. Na slici 22.7 dijagramski je prikazano područje žarenja čelika.

Slika 22.7: Područja žarenja čelika

Žarenjem dobijamo sitnozrnastu strukturu, obradivost materijala se poboljšava, dolazi do izjednačavanja hemijske strukture, povećava se žilavost i plastičnost, a smanjuju se i unutrašnja naprezanja u materijalu nastala usljed raznih obrada.


192

22.3.1 Difuziono žarenje (homogenizacija)

Difuzionim žarenjem uklanjaju se hemijske neravnomjernosti u strukturi, odnosno postiže se ujednačen hemijski sastav materijala po cijeloj zapremini. Difuziono žarenje se vrši zagrijavanjem čeličnih odlivaka i blokova u temperaturnom intervalu 1100÷1300 °C. Zagrijavanjem na vrlo visokim temperaturama dolazi do veće pokretljivosti atoma u kristalnim rešetkama i do njihove difuzije od mjesta veće koncentracije ka mjestima manje koncentracije, tako da se sastav ujednačava i homogenizuje. Zbog toga se difuziono žarenje još naziva i homogenizacija. Izvodi se tako da se materijal zagrijava u peći do temperature ispod solidus linije, zadržava na toj temperaturi izvjesno (duže ) vrijeme, a nakon toga slijedi lagano hlađenje skupa sa peći do sobne temperature (slika 22.8).

Slika 22.8: Režim difuzionog žarenja – homogenizacije

Inače, zbod zagrijavanja do tako visokih temperatura dolazi do povećanja kristalnog zrna, a time i do smanjenja mehaničkih osobina, te je nakon difuzionog žarenja najčešće potrebno izvesti onaj postupak termičke obrade koji dovodi do usitnjavanja kristalnog zrna. To je normalizaciono žarenje ili normalizacija.

22.3.2 Normalizacija

Normalizacija je postupak termičke obrade koji ima za cilj da nepovoljnu strukturu, grubu, krupnozrnastu, igličastu i drugu, nastalu pri livenju, valjanju, presovanju ili kaljenju prevede u normalnu, sitnozrnastu strukturu po cijeloj zapremini. Dakle, iz nekog nenormalnog stanja čelik se dovodi u normalno stanje. Da bi došlo do usitnjavanja strukture, zagrijavanje vršimo do promjene rešetke, kod podeutektoidnih čelika (do 0,8% C) 30÷50 °C iznad A3 (GS) linije, a kod nadeutektoidnih čelika (preko 0,8% C) iznad A1 (723 °C) linije, zadržavanja na toj temperaturi izvjesno vrijeme (zavisno od debljine) i lagano hlađenje na mirnom vazduhu (slika 22.9). Vrijeme hlađenja na dostignutoj temperaturi obično iznosi 30÷60 minuta.

Ovaj postupak se još naziva i prekristalizaciono žarenje. Postupak se primjenjuje uglavnom na ugljenične čelike sa nižim sadržajem ugljika (do

0,3%).


193

Slika 22.9: Režim prekristalizacionog žarenja (normalizacije)

Usitnjavanje kristalnog zrna bazira se na alotropskim modifikacijama, pošto dvostrukim prelaskom iz područja jedne rešetke u drugu (α – γ područje) dolazi do znatnog usitnjavanja zrna, što prouzrokuje povećanje mehaničkih osobina čelika. Ovaj efekat usitnjavanja je veći ukoliko je brzina zagrijavanja veća, temperatura zagrijavanja niža i vrijeme zadržavanja na dostignutoj temperaturi žarenja kraće.

22.3.3 Mehko žarenje

Mehko žarenja ili sferoidizacija je postupak termičke obrade koji se još naziva i žarenje na zrnasti perlit, a izvodi se u cilju postizanja zrnastog, a ne lamelarnog perlita. Zrnasti perlit ima manju tvrdoću, ali povećanu žilavost i plastičnost. Ovakva struktura je pogodna za obradu rezanjem, jer se rezni alat znatno brže tupi od lamele cementita u perlitu, ukoliko se on izlučuje u lamelarnom obliku.

Mehkim žarenjem obrađuju se čelici sa sadržajem 0,5÷0,9% C. Kod podeutektoidnih čelika ovaj postupak se izvodi zagrijavanjem neposredno do A1

linije (723 °C) i dugotrajnim zadržavanjem na toj temperaturi, što zavisi od dimenzija predmeta, kako bi se izvršila sferoidizacija perlita. Kod nadeutektoidnih čelika ovo žarenje se izvodi kolebanjem temperature žarenja neznatno iznad i ispod granice A1, što ima za posljedicu pretvaranje lamelarnog cementita u zrnasti (slika 22.10).

Slika 22.10: Režim mehkog žarenja


194

Nakon dovoljno dugog zadržavanja na dostignutoj temperaturi, dijelovi koji se žare podvrgavaju se sporom hlađenju u peći do 600 °C (oko 20 °C/h), a onda se sporo hlade na vazduhu.

Mehko žarenje se vrši nakon kovanja ili valjanja, da bi predmeti postali mahki, jer su prilikom obrade nastala tvrda mjesta i napetosti. Nakon mehkog žarenja predmeti se lahko obrađuju. Ovo žarenje se izvodi u tzv. žarnim pećima.

22.3.4 Visoko žarenje (žarenje na krupno zrno)

Ovaj postupak termičke obrade izvodi se u svrhu namjernog pogrubljavanja kristalnog zrna, a primjenjuje se kod podeutektoidnih čelika sa niskim sadržajem ugljika. Takvi čelici su mehki, ali žilavi, pa im je i strugotina žilava, te stvara izvjesne probleme pri obradi rezanjem. Strugotina je dugačka i znatno otežava rad. Da bi se to izbjeglo, vrši se ugrubljavanje zrna zagrijavanjem nešto iznad temperature normalizacije, zadržavanja na toj temperaturi 1÷2 sata, zavisno od debljine, nakon čega slijedi vrlo lagano hlađenje (slika 22.11). Dobijanjem krupnijih kristala, dobijamo i lošiju žilavost, pa se i strugotina lakše lomi i ne zamotava se oko noža za rezanje.

Slika 22.11: Režim žarenja na grubo zrno

Da bi se dobila krupnija struktura, treba postići visoku temperaturu. Dijelovi se u pećima zagrijavaju do visokih temperatura, iznad A3 linije u γ – području. Temperature zagrijavanja se kreću u intervalu 950÷1 000 °C. Hlađenje mora biti sporo sve do A1 temperature, te se obično izvodi skupa sa peći, a daljnje hlađenje izvodi se na mirnom vazduhu.

Visoko žarenje se ne praktikuje kod čelika sa visokim sadržajem ugljika, jer su oni sami po sebi dovoljno tvrdi i krti. Sadržaj ugljika je orijentaciono ispod 0,2% C.


195

22.3.5 Rekristalizaciono žarenje

Rekristalizaciono žarenje predstavlja zagrijavanje dijelova radi dobijanja odgovarajuće strukture. Vrši se da bismo hladno deformisane kristale, koji imaju izdužen oblik, vratili na stanje prije deformisanja, tj. da bismo poboljšali dalju obradivost čelika. Naime, pri obradi čelika hladnom deformacijom povećavaju se tvrdoća i čvrstoća, a smanjuju sposobnost deformisanja i žilavost. Da bi se promijenila struktura i vratile mehaničke osobine, primjenjuje se rekristalizaciono žarenje. Dijelovi se nakon hladne plastične deformacije zagrijavaju do određene temperature, zadržavaju duže vrijeme na toj temperaturi, nakon čega slijedi lagano hlađenje. Zagrijavanje se može vršiti na temperaturu 300÷900 °C, a najčešće 600÷700 °C, pri čemu se javljaju novi centri kristalizacije i dobija nova, sitnija struktura (slika 22.12). Tvrdoća i čvrstoća se smanjuju, a povećava plastičnost. Vrijeme zagrijavanja zavisi od temperature. Ako je temperatura niža, vrijeme je duže i obrnuto.

Slika 22.12: Shematski prikaz rekristalizacije (Geleji)

Rekristalizaciono žerenje se pri,mjenjuje poslije obrade lima hladnim valjanjem i poslije izvlačenja žice.

22.3.6 Žarenje u cilju smanjenja ili uklanjanja unutrašnjih naprezanja Žarenje u cilju smanjenja ili uklanjanja unutrašnjih naprezanja izvodi se kod onih

proizvoda kod kojih nakon livenja, zavarivanja, kovanja, valjanja i sl. dolazi do neravnomjernog hlađenja, a time i do pojave unutrašnjih napona. Takvi proizvodi se moraju termički obraditi tako da se zagriju do temperature 450÷650 °C, zagrijavaju na dostignutoj temperaturi zavisno od debljine predmeta (iskustveno pravilo je da je to vrijeme zadržavanja 2÷4 min/mm), nakon čega slijedi lagano hlađenje skupa sa peći (slika 22.13). Kod ovog žarenja ne mijenja se struktura, niti se dobijaju nove osobine, nego se otklanjaju unutrašnja naprezanja, koja mogu izazvati štetno dejstvo u materijalu.

Slika 22.13: Režim žarenja radi uklanjanja unutrašnjih naprezanja


196

22.4 Kaljenje

Kaljenje je postupak termičke obrade dijelova od čelika, koji se izvodi tako da se dijelovi zagriju na temperaturu 30÷50 °C iznad linije GSK, zadržavaju na toj temperaturi izvjesno vrijeme, a zatim naglo ohlade do sobne temperature (slika 22.14). Zagrijavanje se vrši da bi se dobila austenitna struktura, koja se brzim hlađenjem prevodi u martenzitnu, pri čemu se povećava tvrdoća čelika i mijenjaju druge mehaničke osobine. Podeutektoidni čelici se zagrijavaju 30÷50 °C iznad linije A3, a nadeutektoidni čelici 30÷50 °C iznad A1 linije.

Kaljenjem se struktura čelika udaljava od ravnotežnog stanja, a pošto pri kaljenju dolazi do povećanja tvrdoće, onda se ovaj postupak termičke obrade naziva još i otvrdnjavanje. Zagrijavanjem čelika iznad A3, odnosno A1 temperature dolazi do preobražaja perlita u austenit. Naglim hlađenjem austenita obezbjeđuje se ponovni preobražaj austenita, ali ovoga puta ne u perlit, nego u neku od struktura veće tvrdoće, kao što su sorbit, trustit, bainit ili martenzit.

Kaljenje ima efekta kod čelika kod kojih je sadržaj ugljika C ≥ 0,4%.

Slika 22.14: Režim običnog kaljenja

Zagrijavanje u svrhu kaljenja vrši se po posebnom režimu i u različitim sredinama: u gasovitoj, u rastopljenim solima ili metalima, dakle, u zračnim pećima ili solnim, odnosno metalnim kupkama. Zagrijavanje zavisi od vrste čelika, oblika dijela, vrste peći i rashladnog sredstva. Pri tome se najprije zagrije peć ili kupatilo, a zatim se u peć unesu čisti dijelovi i pravilno rasporede kako bi se ravnomjerno zagrijali po cijelom presjeku. Vrijeme zadržavanja na temperaturi zagrijavanja treba da je dovoljno da se izvrši preobražaj perlita u austenit. Različito je za različite kvalitete čelika, a određuje se prema preporukama proizvođača.

Ako se čelik zagrijava veoma brzo, može doći, zbog slabe provodljivosti toplote, do pojave unutrašnjih napona i deformacija. Poslije sporog zagrijavanja do jedne polovine visine temperature zagrijavanja, dijelovi se zagrijavaju mnogo brže do temperature austenizacije. Pri kaljenju čelika hlađenjem u vodi dijelovi se zagrijavaju na temperaturi nižoj za oko 30 °C nego kada se hlade u ulju. Temperatura zagrijavanja ne smije biti visoka, jer bi došlo do formiranja krupnozrnaste strukture i do pojave deformacija pri hlađenju.

Zagrijavanje podeutektoidnih čelika vrši se na temperaturi 30÷50 °C iznad linije GS (A3) u austenitnom području. Ako bi se i nadeutektoidni čelici zagrijavali do stvaranja čiste austenitne strukture iznad linije SE (Acm), formirala bi se krupnozrnasta struktura i čelik bi

2 14


197

poslije hlađenja bio veoma krt. Zbog toga se zagrijavanje nadeutektoidnih čelika vrši na oko 50 °C iznad linije SK (723 °C). Austenitna struktura prevodi se u martenzitnu hlađenjem brzinim većom od kritične brzine (slika 22.15). Poslije hlađenja čelik ima osnovu martenzitne strukture sa zaostalim austenitom, velike je tvrdoće i čvrstoće i sa smanjenom žilavošću.

Slika 22.15: Dijagram kontinuiranog hlađenja (KH) čelika

Prema načinu praktične izvedbe kaljenje se može podijeliti u nekoliko vrsta: – kaljenje u jednom rashladnom sredstvu (obično direktno kaljenje), slika 22.16, kriva 1 – kaljenje u dva rashladna sredstva (obično slomljeno kaljenje, stepenasto kaljenje,

izotermalno kaljenje), slika 22.16. krive 2, 3 i 4.

Zavisno od dubine prokaljivanja do koje se odvijaju promjene razlikujemo: – kaljenje kroz cijeli presjek i – površinskop kaljenje.

Slika 22.16: Krive hlađenja za različite vrste kaljenja

Perlit + ferit

Perlit

Bainit


198

22.4.1 Obično direktno kaljenje

Obično direktno kaljenje (slika 22.16, kriva 1) se primjenjuje na čelike veće kritične brzine hlađenja.Kritična brzina hlađenja je najmanja brzina hlađenja pri kojoj dolazi do transformacije austenita u martenzit. Predmet se najčešće uranja u vodu, čija je temperatura 20÷80 °C, gdje se drži do potpunog ohlađenja. Radi efikasnijeg zakaljivanja potrebno je obezbijediti dovoljnu cirkulaciju vode. Zbog toga se, veoma često primjenjuje i hlađenje tuširanjem, koje ima za cilj intenzivnije odvođenje toplote mlazom vode. Hlađenje se može vršiti i u mineralnom ulju čija je temperatura 20÷200 °C.

Pri direktnom kaljenju javlja se temperaturna razlika između jezgra i površine komada, a time dolazi i do unutrašnjih naprezanja, koja mogu dostići toliki intenzitet da budu veća od zatezne čvrstoće čelika i dolazi do loma. Zbog toga treba voditi računa o tim temperaturnim naprezanjima, koja se uvijek javljaju poslije ovakve obrade. Došlo je i do promjene strukture, pa dolazi i do strukturnih naprezanja. Ovo je loša strana ovog načina obrade. Ako bismo smanjivali unutrašnja naprezanja, poništili bismo ono što smo dobili kaljenjem. Zbog toga se, nakon kaljenja izvodi popuštanje do vrlo niskih temperatura (ispod 200 °C), tek da smanjimo naponske vrhove.

22.4.2 Slomljeno kaljenje

Unutrašnja naprezanja možemo smanjiti i na taj način da hlađenje vršimo u dva rashladna sredstva. Slomljeno kaljenje (slika 22.16, kriva 2) se vrši da bi se postiglo intenzivno hlađenje u područu viših, a sporo hlađenje u području nižih temperatura. Čelik se ohladi u vodi do 400 °C, a zatim se odmah nastavi hlađenje u ulju. Intenzivnim hlađenjem u vodi sprječava se mogućnost transformacije austenita u perlitnu strukturu, a zatim se dio prenese u ulje gdje se hlađenje završava u području Ms do Mf i formira se struktura martenzita sa zaostalim austenitom. Ovim se smanjuju temperaturne razlike na površini i u jezgru, pa je došlo do smanjenja unutrašnjih temperaturnih naprezanja. Strukturna naprezanja uglavnom ostaju. Ovaj način kaljenja se primjenjuje na čelike kod kojih je kriva transformacije na KH – dijagramu pomaknuta više udesno.

22.4.3 Stepenasto kaljenje

Stepenasto kaljenje se vrši u cilju daljeg smanjenja unutrašnjih naprezanja, a primjenjuje se za kaljenje dijelova debljine do 40 mm. Ovo kaljenje se izvodi najprije brzim hlađenjem u jednom rashladnom sredstvu (rastopljena so) sve do temperature nešto više od temperature početka martenzitne transformacije Ms, zatim zadržavanjem na toj temperaturi kraće vrijeme radi izjednačavanja temperature površine i jezgra, a onda hlađenjem na vazduhu ili u vodi (slika 22.16, kriva 3). Ovakav način kaljenja je moguće primjeniti na čelike kod kojih su krive transformacije u KH – dijagramu pomjerene više udesno, tako da im je kritična brzina hlađenja još uvijek manja od brzine hlađenja u blažem (drugom) rashladnom sredstvu. Konačna struktura je opet martenzitna, tako da strukturna naprezanja još uvijek ostaju, ali se smanjuju temperaturna naprezanja.


199

22.4.4 Izotermalno kaljenje

Izotermalnim kaljenjem (slika 22.16, kriva 4) se utiče na smanjenje i temperaturnih i strukturnih naprezanja, čime se smanjuje mogućnost pojave naprslina. Za razliku od stepenastog kaljenja, kod izotermalnog kaljenja se predmet, nakon hlađenja u jednom rashladnom sredstvu, drži na temperaturi dostignutoj tim hlađenjem sve dok se ne završi izotermalna reakcija. U ovom rashladnom sredstvu predmet se drži toliko da ne počne transformacija u bainit i onda hladimo u drugom rashladnom sredstvu. Ovo se može primjeniti kod čelika kod kojih su krive početka i završetka transformacije na KH – dijagramu pomaknute više udesno. Na ovaj način smanjujemo i strukturna i temperaturna naprezanja, a konačna struktura je i dalje martenzit.

Ovdje razlikujemo dvije varijante: bainitnu i martenzitnu, u zavisnosti od toga da li se hlađenjem u prvom rashladnom sredstvu dostiže temperatura iz područja donjeg bainita (austempering), ili nešto ispod Ms temperature (martempering).

U prvom slučaju (austempering), dijelove zagrijemo iznad A3 linije, ohladimo ih u jednom rashladnom sredstvu do iznad Ms linije i zadržavamo ih na toj temperaturi izvjesno vrijeme, dok ne dođe do izjednačavanja temperatura. Nakon dostizanja krive transformacije, dobili smo tzv. donji bainit (ZW), koji je po tvrdoći vrlo blizu martenzitu, pa se na taj način, transformacijom austenita u bainit, dobije struktura koja je i dalje visoke tvrdoće, mada ne baš kao martenzit. Međutim, strukturna i temperaturna naprezanja znatno su niža, pa prema tome, i ukupna unutrašnja naprezanja.

Ako bismo, ipak, htjeli martenzitnu strukturu, a da naprezanja budu manja, onda bismo izveli hlađenje tako što u jednom rashladnom sredstvu hladimo do temperature početka transformacije u martenzit, držimo izvjesno vrijeme na toj temperaturi i kasnije lagano hladimo na vazduhu. Dobili smo tvrdu martenzitnu strukturu, ali sa najpovoljnijim naponskim stanjem. Ova vrsta stepenastog kaljenja se naziva martempering.

22.4.5 Površinsko kaljenje Površinsko kaljenje se primjenjuje na dijelovima mašina i konstrukcija od kojih se u

toku rada zahtijeva da imaju tvrdu površinu, a da jezgro ostane žilavo i čvrsto. Površinsko kaljenje se sastoji od zagrijavanja površinskog sloja predmeta iznad kritične temperature A3 (radi dobijanja austenita), a zatim brzog hlađenja. Da bismo dobili dobre osobine površine i jezgra, potrebno je prije površinskog kaljenja jezgru dati željenu strukturu. Ovim postupkom termičke obrade postiže se otpornost protiv habanja, povećava dinamička čvrstoća i vijek trajanja. Najčešće se kale klizne površine, rukavci vratila i osovina, osovinice, zupčanici, razni alati, koljenasta vratila, prstenovi, cilindri itd. Površinski se mogu kaliti ugljenični čelici sa sadržajem ugljika većim od 0,4%, legirani čelici, sivi liv i čelični liv.

Postupkom površinskog kaljenja dobijamo veoma kvalitetne mašinske dijelove od relativno jeftinog materijala, čime se zamjenjuju skupi legirani čelici. Osim toga, postupak traje veoma kratko vrijeme, što mu daje veliku ekonomičnost. Ovaj postupak prvenstveno zahtijeva specifičnu tehniku zagrijavanja same površine dijela koji se kali. U praksi postoje tri načina površinskog zagrijavanja: plameno, indukciono i kontaktno zagrijavanje (zagrijavanje potapanjem). Koji ćemo izvor toplote odabrati zavisi od: dimenzija i oblika predmeta, uslova pod kojima će predmet da radi, vrste materijala i dubine kaljenja.

Plameno zagrijavanje (slika 22.17) primjenjuje se za krupnije dijelove, kao što su zubi velikih zupčanika, veliki valjci za hladno valjanje itd. Zagrijavanje se vrši gasnim plamenom koji nastaje sagorijevanjem kisika i gorivog gasa (acetilena, prirodnog gasa, svijetlećeg gasa


200

itd.). Najveću primjenu ima acetilen, koji, pomiješan sa kisikom, sagorijevajući u gorioniku (1), razvija temperaturu od oko 3200 °C. Plamen acetilena zagrijava dio površine (5), koja se hladi vodom koja struji kroz mlaznicu (2). Zbog velike brzine hlađenja stvara se zakaljeni sloj

(3), čija dubina zavisi od gorionika, sastava materijala, brzine kretanja gorionika i rastojanja između gorionika (1) i mlaznice (2). Smanjenjem brzine kretanja gorionika povećava se vrijeme zagrijavanja površine, pa je dubina okaljenog sloja veća. Ovim postupkom možemo postići dubinu kaljenja do 6 mm, pri čemu se dobija zakaljeni sloj koji nije homogen.

Zbog toga što zagrijavanjem acetilenskim plamenom nismo u mogućnosti ostvariti zadanu dubinu kaljenja, zbog pregrijavanja površinskog sloja i nehomogenosti zakaljenog sloja, ova vrsta površinskog kaljenja ima ograničenu primjenu.

Slika 22.17: Shema površinskog kaljenja pri zagrijavanju plamenom

Indukciono kaljenje je u suštini postupak površinskog kaljenja, pri čemu se predmet zagrijava u polju induktora, strujom malog napona i visoke frekvencije (10÷3000 kHz). Induktor se izrađuje od bakarne cijevi kružnog ili kvadratnog presjeka. Kroz cijev struji voda koja hladi induktor, jer se i on u toku rada jako zagrijava. Induktor se sastoji od jednog ili više navoja. Shema uređaja za indukciono površinsko kaljenje data je na slici 22.18.

Predmet (5), smješten u specijalnom induktoru (4), zagrijava se pomoću struje visoke frekvencije. Struju visoke frekvencije induktor dobija od generatora (1) preko kondenzatora (2) i transformatora (3). Proticanjem struje kroz induktor, u njemu se pojavljuje brzo promjenljivo elektromagnetno polje. Predmet koji se nalazi unutar ovog polja zagrijava se po površini zbog pojave tzv. skin – efekta. Skin – efekat je pojava koja nastaje potiskivanjem indukcionih struja od sredine prema površini predmeta, tako da površina predmeta dobija veliku koncentraciju indukcionih struja. Predmet se brzo zagrijava po površini do temperature iznad A3 linije, dok sredina predmeta ostaje nezagrijana. Kada se postigne potrebna temperatura, hlađenje se obavlja najčešće vodom.

Slika 22.18: Shema uređaja za indukciono kaljenje

Dubina zagrijanog, a time i zakaljenog sloja, zavisi od frekvencije, vremena zagrijavanja i vrste materijala. Sa povećanjem frekvencije opada dubina zagrijavanja, dok sa povećanjem vremena raste dubina zagrijavanja. Regulisanjem frekvencije i vremena možemo dobiti željenu dubinu zakaljenog sloja, koja se kreće u granicama 0,5÷10 mm.

Potapanjem u rastopljene soli, zagrijane za 100÷200 °C iznad temperature kaljenja, zagrijavaju se predmeti jednostavnijeg oblika, malih dimenzija i koji su slabo opterećeni u radu. Zbog intenzivnog prijelaza toplote sa tečne soli na površinu predmeta, dolazi do vrlo brzog zagrijavanja i preobražaja strukture (nastanak austenita samo u površinskom sloju). Poslije toga, hlađenjem u vodi, dobijamo martenzitnu strukturu površinskog sloja, dok jezgro ostaje nepromijenjeno.


201

22.4.6 Greške pri kaljenju

Greške pri kaljenju mogu se javiti u procesu zagrijavanja i u procesu hlađenja. Moguće greške su oksidacija, razugljenjičavanje, unutrašnji naponi, naprsline, krutost, mala tvrdoća, vitoperenje i druge.

Do oksidacije može doći u površinskom sloju, što zavisi od vrste čelika i načina zagrijavanja. Oksidi se moraju ukloniti sa površine dijela da se ne bi smanjila brzina hlađenja. Da bi se spriječila oksidacija, dijelovi se zagrijavaju u neutralnoj atmosferi ili u kupatilu sa rastopljenom soli.

Razugljeničavanje površine čeličnih dijelova može nastati pri zagrijavanju na visokoj temperaturi usljed sagorijevanja ugljika sa kisikom u komornim pećima. Da bi se to izbjeglo, čelik treba zagrijavati na određenoj temperaturi u što kraćem vremenu.

Naponi i naprsline mogu se javiti i pri zagrijavanju i pri hlađenjuzbog nepravilnog konstrukcionog oblika dijela ili zbog nepravilnosti režima termičke obrade. Naponi se javljaju zbog nepravilnih oblika i naglih promjena presjeka dijela. Ako se izvrši prebrzo hlađenje, mogu se javiti naponi i naprsline, tako da pri upotrebi dijela dolazi do ljuštenja površinskog sloja. Pri obradi dijela oštrice alata pucaju. Ove greške se otklanjaju otpuštanjem poslije kaljenja.

Ako je temperatura zagrijavanja čelika niska, a brzina hlađenja mala, formiraće se struktura male tvrdoće, pa se kaljenje mora ponoviti.

Deformacije tankih dijelova mogu nastati pri zagrijavanju, pri iznošenju iz peći i pri hlađenju. Zato ih treba zagrijavati i hladiti u snopu – paketu.

22.4.7 Osnovna pravila o potapanju dijelova u rashladno sredstvo

Da bi rezultati kaljenja bili dobri, pored pravilnog zagrijavanja i izbora sredstva za hlađenje, moramo voditi računa i o načinu potapanja predmeta u rashladno sredstvo i njegovom pokretanju. Nepravilno potapanje predmeta u rashladno sredstvo može dovesti do takvih unutrašnjih naprezanja koja izazivaju vitoperenje, a u izvjesnim slučajevima i do stvaranja pukotine i predmet postaje neupotrebljiv.

Pravilan položaj predmeta prilikom potapanja za neke karakteristične oblike dat je na slici 22.19.

Slika 22.19: Potapanje predmeta u rashladno sredstvo

Osim pravilnog potapanja predmeta, veoma je važno i njegovo pokretanje po rashladnom sredstvu. Ako predmet miruje, ubrzo se oko njega rashladno sredstvo jako ugrije, a formira se i tanki omotač pare, što jako usporava hlađenje. Kao posljedica toga javljaju se veoma loši rezultati kaljenja. Da bismo odstranili parni omotač i doveli površinu predmeta u


202

neposredni dodir sa hladnim rashladnim sredstvom, vršimo pokretanje predmeta ili rashladnog sredstva. Kod predmeta male mase vršimo pokretanje predmeta, a kod predmeta velike mase pokreće se rashladno sredstvo.

22.5 Otpuštanje

Otpuštanje je postupak termičke obrade koji se redovno izvodi nakon kaljenja, po čijem završetku predmeti imaju vrlo veliku tvrdoću i čvrstoću, ali su veoma krti i neotporni na dinamička opterećenja. Da bi se predmetu smanjila krtost, a povećala žilavost i otpornost na dinamička opterećenja i smanjila tvrdoća i jačina na kidanje, vršimo otpuštanje (popuštanje). Izvodi se zagrijavanjem zakaljenog čelika do temperature ispod A1 linije, zatim kratkotrajnim držanjem na toj temperaturi, nakon čega slijedi lagano hlađenje na mirnom vazduhu, ulju, olovnom kupatilu ili u nekom drugom rashladnom sredstvu. Pri tome dolazi do promjene strukture dobijene kaljenjem. Dok se kod normalnog ili ubrzanog hlađenja cementit javlja u obliku dugih lamela, kod otpuštanja on se javlja u obliku zrna. U zavisnosti od stepena otpuštanja, odnosno od temperature zagrijavanja razlikujemo nisko (NO), srednje (SO) i visoko (VO) otpuštanje (slika 22.20).

Nisko otpuštanje se izvodi zagrijavanjem do temperature na kojoj ne dolazi do osjetnog smanjenja tvrdoće. Kod ugljeničnih alatnih čelika to je temperatura 100÷300 °C, najčešće 220 °C. Pri zagrijavanja dolazi do pomjeranja atoma i do smanjenja unutrašnjih napona, male promjene tvrdoće i neznatnog povećanja žilavosti, odnosno smanjenja krtosti.

Srednje otpuštanje vrši se zagrijavanjam čelika na temperaturu 300÷450 °C. Cilj ovog otpuštanja je da se smanji tvrdoća, a povećaju žilavost i elestičnost. Primjenjuje se pri termičkoj obradi opruga i alata za kovanje i presovanje.

Visoko otpuštanje izvodi se zagrijavanjem čelika na temperaturu iznad 450 °C, ali ne više od A1 linije, jer bi se tada prešlo u područje žarenja, čime se ukida svaki efekat kaljenja. Cilj je da se martenzitna struktura sa zaostalim austenitom, koji je dobijen pri kaljenju, prevedeu „mekšu“ sorbitnu strukturu. Pri tome se smanjuje tvrdoća, a povećava žilavost. Visoko otpuštanje primjenjuje se pri termičkoj obradi alata za rad u toplom stanju i za dijelove od konstrukcionog čelika. Otpuštanje treba sprovesti odmah poslije kaljenja.

Slika 22.20: Temperature otpuštanja čelika


203

22.6 Poboljšanje

Poboljšanje (oplemenjivanje) је postupak termičke obrade koji se sastoji od kaljenja i naknadnog visokog otpuštanja (slika 22.21). Čelike koji se podvrgavaju poboljšanju, sa sadržajem ugljika 0,2÷0,6%, poslije kaljenja treba zagrijati do temperature visokog otpuštanja (do 700 °C) da bi se dobila ujednačena, pravilna sitnozrnasta struktura. Poboljšane se primjenjuje na one mašinske dijelove kod kojih žilavost ima naročiti značaj. Pored žilavosti, poboljšanjem se povećavaju i granica razvlačenja, zatezna čvrstoća i plastičnost, a smanjuje tvrdoća. Pri poboljšanju dolazi do transformacije martenzita u strukture manje tvrdoće , sorbit ili trustit. Nova struktura se obrazuje po cijelom presjeku zagrijavanjem do određene temperature i postepenim hlađenjem u peći ili na vazduhu. Poboljšavaju se visoko opterećeni dijelovi kao što su klipnjače, vratila, osovine i drugo.

Poseban vid poboljšanja je tzv. patentiranje. Koristi se pri izvlačenju čeličnih žica za opruge, užad i za instrumente. Žica se prije posljednjeg izvlačenja zagrije na temperaturi 850÷1 000 °C, zatim se naglo ohladi u rastopljenom olovu do 500 °C i onda nastavi hlađenje u struji vazduha do sobne temperature. Pri ovakvom postupku hlađenja formira se sorbitna struktura koja omogućava naknadno izvlačenje i dobijanje žice velike zatezne čvrstoće.

Slika 22.21: Shematski prikaz poboljšanja čelika

22.7 Termohemijska obrada

Termohemijska obrada u osnovi ima isti cilj kao površinsko kaljenje. U suštini predstavlja proces promjene hemijskog sastava površinskog sloja dijelova kojim se postiže poboljšanje mehaničkih osobina materijala. Postupak se sastoji u tome da se površine dijelova obogaćuju ugljikom ili azotom, elementima koji jako povećavaju tvrdoću čelika. Ovo obogaćivanje se vrši putem difuzionih procesa pri višim temperaturama i ograničava se na plitki površinski sloj od nekoliko desetina mikrona do nekoliko milimetara. Dubina prodiranja pomenutih elemenata u površinu čelika zavisi od niza faktora, od kojih su najvažniji:

– temperatura, – vrijeme i – sposobnost difuzije aktivne komponente u određeni metal.

Za razliku od termičke obrade, kod koje postoje samo dvije promjenljive veličine: vrijeme i temperatura, kod termohemijske obrade čelika postoje tri promjenljive veličine: vrijeme, temperatura i atmosfera.


204

U zavisnosti od vrste atmosfere i elementa sa kojim se vrši obogaćivanje površine, razlikuju se sljedeći vidovi termohemijske obrade:

– cementacija – obogaćivanje ugljikom, – nitriranje – obogaćivanje azotom, – karbonitriranje – obogaćivanje ugljikom i azotom, – difuziona metalizacija, koja se prema elementima zasićenja dijeli na:

– hromiranje – zasićenje sa hromom (Cr), – alitriranje – zasićenje sa aluminijumom (Al), – siliciranje – zasićenje sa silicijumoj (Si), – boriranje – zasićenje sa borom (B) itd.

22.7.1 Cementacija Cementacija je postupak termohemijske obrade koji se sastoji u obogaćivanju

površinskog sloja čelika ugljikom putem difuzije, uz naknadnu termičku obradu kaljenjem i otpuštanjem. Cementacijom se obrađuju ugljenični i niskolegirani čelici male čvrstoće i žilavosti, sa sadržajem ugljika do 0,25%. Cilj ovakvog postupka termohemijske obrade je dobijanje tvrde površine, otporne na habanje, pri više ili manje žilavom jezgru.

Obogaćivanje ugljikom površinskih slojeva moguće je ostvariti jedino ako je ugljik u atomarnom stanju, da bi aktivni atomi mogli difundirati u površinski sloj. Pošto je difuzija atoma ugljika efikasnija ako čelik ima površinski centriranu kubnu rešetku, to je potrebno izvesti zagrijavanje čelika do temperature austenizacije (γ – područje) u sredini bogatoj atomarnim ugljikom. Ugljik iz te sredine difundira u površinske slojeve tako da se u njima sadržaj ugljika povećava do iznosa 0,95÷1,1%. To je faza naugljičavanja. Nakon naugljičavanja slijedi kaljenje, čime se u površinskim slojevima postiže tvrda martenzitna struktura, dok jezgro ostaje mehko, feritno–perlitne strukture.

U zavisnosti od toga u kakvom se sredstvu vrši naugljičavanje, razlikujemo: – čvrstu cementaciju (cementaciju u čvrstom sredstvu), – tečnu cementaciju (cementaciju u tečnom sredstvu) i – gasovitu cementaciju (cementaciju u gasovitom sredstvu).

22.7.1.1 Čvrsta cementacija Cementacija u čvrstom sredstvu se izvodi najčešće u ugljenoj prašini kojoj se dodaje

sredstvo za aktivaciju ugljika (barijev karbonat BaCO3 ili natrijev karbonat Na2CO3), jer utiču na prodiranje ugljika u površinu. Čelični dijelovi se najprije dobro odmaste, a zatim zapakuju u kutije sa prahom za cementaciju (drveni ugalj 60% i barijum karbonat 40%). Nakon što se oblijepe glinom, kutije se unose u komornu peć, koja je zagrijana na oko 700 °C i zagrijavaju do određene temperature. Najčešće je to temperatura od oko 1 000 °C. Vrijeme zadržavanja na toj temperaturi zavisi od zahtijevane dubine cementiranog sloja. Nakon toga slijedi postupak kaljenja, gdje se i javljaju najveći problemi. Naime, potrebno je sanduke izvaditi iz peći, raspakovati, očistiti i izvršiti hlađenje. Poslije čišćenja i laganog hlađenja, dijelove ponovo zagrijemo za 30÷50 °C iznad A3 linije, zadržavamo kraće vrijeme (da bi se površinski sloj ponovo zagrijao) i tek sada vršimo gašenje (naglo hlađenje). Na ovaj način dolazi do zakaljivanja samo površinskog sloja, dok je jezgro ostalo nepromijenjeno. Da bi se riješili unutrašnjih naprezanja, vršimo popuštanje na temperaturu 150÷170 °C i onda slijedi lagano hlađenje. Shematski prikaz cementacije u čvrstom sredstvu dat je na slici 22.22. Dijelovi koje ne treba cementirati se premazuju zaštitnim pastama, koje efikasno sprječavaju prodiranje ugljika u površinski sloj (najčešće je to mješavina azbesta, gline, talka i slično).


205

Tnauglj. A3 POPUŠTANJE t [h]

Slika 22.22: Shematski prikaz cementacije u čvrstom sredstvu

22.7.1.2 Tečna cementacija

Cementacija u tečnim sredinama vrši se zagrijavanjem dijelova u rastopljenim solima sa bogatim sadržajem ugljika. Pripremljeni dijelovi unose se u čeličnim korpama (sitniji) ili obješeni o žicu (krupniji) u toplo kupatilo (solna kupka) koje se prethodno pripremi, napuni u određenom odnosu sa kalcinisanom sodom (oko 80%), kuhinjskom soli (oko 10%) i silicijum karbida (oko 10%). Kao sredstvo za naugljeničavanje najčešće se koristi natrijum cijanid (NaCN) sa dodatkom sredstva za aktivizaciju ugljika (BaCO3). Kupatilo se zagrijava na 850÷900 °C. Zbog tako visokih temperatura dijelovi se najčešće prije potapanja predgriju na 300÷400 °C. Kada uronjeni dijelovi dostignu temperaturu rastopljene soli, ugljik iz natrijum cijanida difundira u površinske slojeve radnih predmeta, nakon čega se, poslije izvjesnog vremena, predmeti vade i prenose u rashladno sredstvo, gdje se vrši kaljenje. I ovdje se nakon kaljenja vrši popuštanje na temperaturi 150÷170 °C. Dubina sloja je veoma mala.

22.7.1.3 Gasna cementacija

Cementacija gasovitim sredstvima vrši se zagrijavanjem dijelova u nakom gasovitom sredstvu i u zadnje vrijeme se sve više primjenjuje. Najčešće se kao sredstvo za naugljeničavanje koristi zemni gas koji sadrži visok procenat metana (CH4) i nešto ugljen-monoksida (CO). Dijelovi koji se naugljičavaju stavljaju se u peći, kroz koje struji gas za naugljičavanje. Temperatura peći dostiže vrijednosti 900÷950 °C. Vrijeme zadržavanja na temperaturi naugljičavanja je duže nego kod čvrste i tečne cementacije, a zavisi od dubine naugljičavanja. Iako ima niz prednosti u odnosu na čvrstu i tečnu cementaciju, glavni nedostatak ovog načina cementacije je u otežanoj zaštiti površina koje se ne žele cementirati, a zbog veće aktivnosti atmosfere.

30÷5

0 °C

NA

UG

LJEN

IČEN

JE

LAG

AN

O H

LAĐ

ENJE

KA

LJEN

JE

GA

ŠEN

JE

150÷170 °C

LAG

AN

O

HLA

ĐEN

JE

T [°

C]


206

22.7.2 Nitriranje

Nitriranje je postupak termohemijske obrade kojim se vrši obogaćivanje površine konstrukcionih čeličnih dijelova azotom. Cilj nitriranja je da se poveća tvrdoća (1200 HV) površinskog sloja, otpornost na habanje i koroziju i dinamička čvrstoća. Dijelovi se zagrijavaju u sredinama bogatim azotom (amonijak – NH3), koji difundira u površinski sloj

dijela i obrazuje nitride željeza, kao i nitride legirajućih elemenata. Nitridi željeza su male tvrdoće, pa se nitriraju čelici legirani sa Al, V, Mo, Cr i Ti. Postupak je veoma sličan gasnoj cementaciji, a izvodi se u specijalnim pećima na temperaturi 500÷600 °C. Sadržaj ugljika u čelicima za nitriranje kreće se od 0,27 do 0,35%. Postupak nitriranja traje nekoliko sati, što zavisi od dubine nitriranog sloja (slika 22.23). Dubina nitriranog sloja iznosi 0,2÷0,8 mm.

Slika 22.23: Uticaj temperature i vremena trajanja procesa na dubinu nitriranog sloja

Nitriranje spada u grupu konačne obrade, poslije koje se može izvršiti samo završno fino brušenje. Velika tvrdoća nitriranog sloja isključuje druge vidove mehaničke obrade. Prije nitriranja dijelovi se obrađuju na tačnu mjeru, a pogodnom termičkom obradom (poboljšanjem) dobijamo željenu strukturu koja daje predmetu najpogodnije mehaničke osobine. Površine koje nije potrebno nitrirati zaštićujemo. Najpogodniji način zaštite je prevlačenje površine galvanskim putem, tankim slojem kalaja debljine 0,8÷10 µm.

Upoređivanjem postupaka cementacije i nitritranja dolazimo do sljedećih zaključaka: – u procesu cementacije, s obzirom na visoke temperature procesa (900÷950 °C), a

zatim termičkom obradom (kaljenjem i otpuštanjem) u predmetima se stvaraju jaka naprezanja koja dovode do deformacija, pa čak i do pojave pukotina. Nitriranje se obavlja na znatno nižim temperaturama, a poslije nitriranja nije potrebna nikakva termička obrada, tako da nema termičkih naprezanja i deformacija predmeta;

– nitrirane površine su tvrđe i tvrdoću zadržavaju sve do temperature od 500 °C, dok cementovne površine imaju nižu tvrdoću i već pri temperaturama od oko 200 °C dolazi do pada tvrdoće;

– nitrirani sloj ima veću dinamičku čvrstoću i otpor protiv korozije nego cementovani sloj;

– nitriranje je skuplji postupak, traje duže vrijeme i zahtijeva kvalitetnije materijale u odnosu na cementaciju.

sati


207

22.7.3 Karbonitriranje

Karbonitriranje je postupak termohemijke obrade kod kojeg se u površinski sloj istovremeno uvode ugljik i azot. Naziva se još i cijaniranje (cijanizacija) zbog upotrebe cijanida pri karbonitriranju u tečnoj sredini. Obavlja se u tečnim ili gasovitin sredinama bogatim ugljikom i azotom. Na dostignutoj temperaturi dolazi do razlaganja jedinjenja koja sadrže ugljik i azot i izlučivanje atoma ovih elemenata, a nakon toga difundiranja u površinski sloj dijelova koji se obrađuju.

Osnovni perametri koji određuju dubinu i sastav površinskog sloja dobijenog karbonitriranjem određeni su temperaturom i vremenom trajanja procesa, vrstom materijala predmeta i sastava sredstva za karbonitriranje. Sa povećanjem temperature sve je manje azota, a sve više ugljika u karbonitriranom sloju.

Zavisno od temperaturekarbonitriranja razlikujemo: – niskotemperaturno karbonitriranje, koje se obavlja na temperaturama 550÷570 °C. Pri

ovom postupku u površinski sloj najviše prodire azot, poslije čega nije potrebna nikakva naknadna termička obrada i

– visokotemperaturno karbonitriranje, koje se obavlja na temperaturama 830÷960 °C, pri čemu u površinski sloj najviše prodire ugljik. Ovom postupku se podvrgavaju konstrukcioni čelici sa sadržajem ugljika 0,2÷0,4%. Po završetku karbonitriranja predmeti se odmah kale, a zatim otpuštaju na temperaturama 160÷180 °C.

Karbonitriranje ima prednost nad cementacijom zbog kraćeg trajanja procesa, kao i zbog mogućnosti obavljanja provesa na nižim temperaturama, pa je i deformisanje dijelova koji se obrađuju manje.Karbonitrirani sloj je veoma tvrd. Postupak se uglavnom primjenjuje za obradu sitnih dijelova, zupčanika, osovinica i dr.

22.7.4 Difuziona metalizacija

Postupcima difuzione metalizacije (alitriranje, hromiranje, siliciranje i dr.) obavljaju se uvođenjem atoma metala, kao što su Al, Cr, Mn, Co itd. u površinski sloj radnog komada koji se obrađuje pri povišenoj temperaturi od 900 do 1100 °C, a uglavnom imaju za cilj poboljšanje površinskih osobina kao što su hemijska postojanost, otpornost na habanje, vatrostalnost ili pak kombinacija ovih osobina. Na taj način se skupi visokolegirani čelici zamjenjuju običnim konstrukcionim čelicima.

Osnovni nedostatak pri izvođenju postupaka difuzione metalizacije je vrlo visoka temperatura izvođenje postupaka, kao i dugotrajnost postupaka. Pored loših mehaničkih osobina obrađenih dijelova, dobijaju se vrlo male dubine difuzionog sloja. To je glavni razlog što ovi postupci, za sada, nalaze relativno malu primjenu.

Difuziona metalizacija se vrši u čvrstoj, tečnoj i gasovitoj sredini.

Siliciranje je postupak termohemijske obrade pri kome se površinski sloj obogaćuje sa oko 14% silicijuma (Si) . Dijelovi se zagrijavaju na temperaturi od 1000 °C u atmosferi silicijum–karbida i gasovitog hlora, a zatim se hlade, tako da naknadna termička obrada nije potrebna. Dobivene površine se odlikuju povećanom postojanošću prema sumpornoj, sonoj, azotnoj i drugim kiselinama, kao i morskoj vodi. Osim toga, silicirani dijelovi su otporni na habanje i koroziju, a povećana im je i postojanost na povišenim temperaturama od 700 do 750 °C.


208

Alitriranje je postupak pri kome se u površinski sloj predmeta izrađenih od čelika i sivog liva uvodi aluminijum (Al). Cilj ovog postupka termohemijske obrade je povećanje otpornosti na koroziju i postojanosti na povišenim temperaturama od 800 do 900 °C. Najčešće se alitriraju niskougljenični čelici, vatrootporni čelici i liveno gvožđe. Alitrirane površine se odlikuju 10 puta većom otpornošću na oksidaciju u odnosu na ugljenične čelike i povećanom tvrdoćom 400÷500 kN/cm2 mjereno po Vikersu.

Hromiranje je postupak pri kome se u površina predmeta zasićuje hromom (Cr). Razlikuju se dva postupka hromiranja: galvanski i difuzioni. Kod difuzionog hromoranja u površinski sloj se uvodi hrom, koji površini predmeta daje posebne osobine, koje se odlikuju visokom tvrdoćom i otpornošću na habanje, povećanom otpornošću na koroziju i otpornošću na oksidaciju pri temperaturama do 800 °C. Difuziono hromiranje se može obavljati u čvrstoj, tečnoj i gasovitoj sredini. Najčešće se obavlja u čvrstoj sredini. Kod galvanskog postupka površina se presvlači slojem hroma, pri čemu se zaštićuje od korozije i ima lijep izgled.

Difuziona metalizacija se obavlja u pećima na temperaturi 1050÷1150 °C u trajanju od 12 do 15 sati. Pri tome se kod niskougljeničnih čelika formira sloj debljine 0,2÷0,3 mm, dok je kod srednje i visokougljeničnih čelika debljina tankog sloja karbida hroma na površini predmeta 0,02÷0,04 mm. Površina predmeta je jako tvrda (oko 1350 HV), što je više od cementovane i kaljene površine, pa čak i nitrirane. Hrom ima veoma veliki afinitet prema ugljiku i povlači ga čak iz unutrašnjih slojeva, da bi sa njima u površinskom sloju gradio tvrde karbide.

Boriranje je postupak kojim se ostvaruje povećana tvrdoća, čvrstoća i otpornost na povišenim temperaturama, difuzijom atoma bora (B) u površinski sloj čelika. Zagrijavanjem čelika na temperaturi oko 900 °C iz praškaste mase fero–bora, aluminijum–oksida i amonijum–nitrida, za vrijeme od pet sati, može se postići dubina sloja do 0,2 mm. Poslije toga se dijelovi hlade slobodno na vazduhu.

Termicka obrada

Documents

Transcript of Termicka obrada