TERMIČKA OBRADA ČELIKA (TO - WordPress.com · 2018. 11. 18. · Termička obrada čelika (TO) 159...

7 TERMIČKA OBRADA ČELIKA (TO)

Termička obrada je tehnološki proces koji se sastoji iz zagrevanja metala do

odredjene temperature, zadržavanja na toj temperaturi i hladjenja do sobne

temperature (sl. 7.1). Ponekad se u cilju transformacije zaostalog austenita,

nastavlja sa hladjenjem ispod 0C, deo se zadržava na niskoj temperaturi

("zamrzava") i ponovo zagreva do sobne temperature (sl. 7.2).

Tem

pera

tura

Vreme

Zag

reva

nje

Hladjenje

Progrevanje Progrevanje

Hla

dje

nje

Zamrzavanje

Tem

pera

tura

Zagre

vanje

Vreme

Zagrevanje

Slika 7.1 Tok termičke obrade Slika 7.2 Tok termičke obrade sa

hladjenjem ispod 0C

Pre nego što se predje na opis pojedinih vrsta termičke obrade čelika korisno

je dati uobičajeno označavanje preobražajnih tačaka u legurama Fe-Fe3C odnosno

Fe-C (tab. 7.1).

Cilj termičke obrade metala i legura jeste da se promene neke njihove

mehaničke i fizičko-hemijske osobine, pre svega faznim i strukturnim promenama

u čvrstom stanju; te su promene uglavnom funkcija temperature, vremena i u

nekim slučajevima sredine u kojoj se obrada izvodi, kao npr. kod hemijsko-

termičke obrade (HTO).

Mašinski materijali

156

Ako se termička obrada čelika obavlja pri temperaturi višoj od donje kritične

temperature AC1 nastaju i fazne promene, a pri nižoj od AC1 samo strukturne.

Tablica 7.1 Definicija kritičnih temperatura

OZNAKA DEFINICIJA

A0 Temperatura (T = 210C) pri kojoj magnetični Fe3C prelazi u

nemagnetični

AC1 Temperatura početka eutektoidne promene ferita i cementita u

austenit pri zagrevanju

AC3 Temperatura završetka promene ferita u austenit pri zagrevanju

podeutektoidnih čelika

ACm Temperatura završetka rastvaranja sekundarnog cementita u

austenitu pri zagrevanju nadeutektoidnih čelika

Ar1 Temperatura završetka eutektoidne promene austenita u ferit i

cementit pri hladjenju

Ar3 Temperatura početka promene austenita u ferit pri hladjenju

podeutektoidnih čelika

ArCm Temperatura početka izdvajanja sekundarnog cementita iz

austenita pri hladjenju nadeutektoidnih čelika

Ms, Mf Temperatura početka, odnosno završetka martenzitne promene

Bs, Bf Temperatura početka, odnosno završetka bejnitne promene

Pored uobičajenih vidova termičke obrade žarenja, kaljenja i otpuštanja još se

koriste i disperziono otvrdnjavanje, hemijsko-termička obrada (HTO) i termo-

mehanička obrada (TMO) (kod čelika povišene jačine).

Disperziono otvrdnjavanje ili taložno kaljenje zasniva se na presićenju čvrstih

rastvora i naknadnom starenju.

Hemijsko termička obrada (HTO) izvodi se promenom hemijskog sastava

površinskih slojeva radnog komada, putem intersticijske difuzije nekih elemenata

(C, N, B) u površinske slojeve zagrejanog dela. Otuda se razlikuju cementacija,

nitriranje, boriranje, prema vrsti elemenata koji se "in statu nascendi" (u stanju

stvaranja) uvode u površinske slojeve radnih predmeta.

Termička obrada čelika (TO)

157

Termo-mehanička obrada (TMO) sastoji se iz plastične prerade čelika na

toplo (valjanja) u austenitnom području i zatim brzog hladjenja radi martenzitne

promene. Ovo je veoma skup postupak izrade čeličnih poluproizvoda namenjenih

za železničke platforme, transportne cisterne, mostove, brodsku opremu i sl. U

stvari, posle toplog valjanja, limovi se iz austenitnog područja hlade vodenim

mlazevima da se spreči difuziona promena austenita. Na ovaj se način kale

specijalni čelici povišene jačine, koje proizvode samo industrijski najrazvijenije

zemlje; zato se o tome ovde govori samo informativno.

3.1 Vrste termičke obrade čelika

Kao što je već spomenuto, u postupke obične termičke obrade spadaju:

Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno, rekristalizaciono, za

otklanjanje napona);

Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko);

Otpuštanje (nisko, srednje, visoko).

3.1.1 Žarenje čelika

Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi zagrevaju do

odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme na tim temperaturama i

zatim lagano hlade (najčešće u peći). Time se manje - više postiže uspostavljanje

strukturne ravnoteže koja je poremećena nekim prethodnim postupkom termičke ili

mehaničke obrade. Posle žarenja se dobija perlitno-feritna, perlitna, ili perlitno-

cementitna struktura (zavisno od sastava čelika). Ujedno se smanjuje tvrdoća, a

povećavaju plastičnost i žilavost. Većina čelika se isporučuje od strane

proizvodjača u žarenom stanju, ali je u toku dalje obrade često potrebno da se

izvede dodatno žarenje.

Cilj žarenja može biti različit. Na primer, da se žarenjem popravi obradljivost

čelika rezanjem ili deformacijom, da se homogenizuje neujednačena struktura,

uklone unutrašnji naponi, smanji tvrdoća itd.

Podela pojedinih postupaka žarenja daje se uglavnom na osnovu temperature

zagrevanja, režima hladjenja i namene. Ponekad se metodi žarenja dele na

postupke sa faznim promenama (difuzno, normalizaciono, meko i potpuno žarenje)

i postupke bez faznih promena (rekristalizaciono žarenje, žarenje radi popuštanja

napona).


158

Difuziono (homogenizaciono) žarenje zasniva se na zagrevanju čelika

(visoko u austenitnom području), nešto ispod solidus linije, dugotrajnom

progrevanju na toj temperaturi i sporom hladjenju; primenjuje se uglavnom za

čelične odlivke ili ingote1 da bi se smanjila nejednorodnost hemijskog sastava

izazvana mikrosegregacijom i delimično likvacijom2. Time se poboljšava

mikrostruktura koja umesto neujednačene (dendritne) postaje homogena, ali zrno

ostaje krupno zbog dugotrajnog držanja (8-15 h, ponekad i 40 h) na visokoj

temperaturi (1050-1150C). Zato se čelični odlivci posle difuzionog žarenja

podvrgavaju normalizaciji čime se dobija povoljnija sitnozrnasta struktura.

Kod železarskih poluproizvoda - ingota - nije potrebna normalizacija jer su

oni namenjeni za dalju plastičnu preradu na toplo, tj. valjanju na temperaturi oko

1200ºC, što dovodi do usitnjavanja metalnih zrna.

Normalizaciono žarenje (normalizacija) (sl. 7.3) se izvodi zagrevanjem

čelika ili čeličnog liva do temperature oko 50C iznad gornje kritične temperature

A3 za podeutektoidne, odnosno iznad ACm za nadeutektoidne čelike, zatim

progrevanjem pri toj temperaturi i najzad hladjenjem na mirnom vazduhu. Cilj

normalizacije je da se dobije ravnomerna i sitnozrnasta struktura. Redje se

normalizuju visokougljenični čelici koji su skloni ka porastu zrna; temperatura

zagrevanja se tada ograničava do tačke ACm ili čak nešto niže. Zadnje ograničenje

proističe zbog sklonosti ka zakaljivanju visokougljeničnih i legiranih čelika i pri

hladjenju na vazduhu. U tom slučaju neophodno je naknadno visoko otpuštanje kao

i posle kaljenja. Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci,

otkovci i zavareni spojevi od debelih čeličnih delova rdjave zavarljivosti. Masivni

čelični odlivci, kao što su železarski valjci, posle normalizacije se visoko otpuštaju

.

1 Ingoti su liveni čelični blokovi (mase od 100 kg do 40 t) preseka kvadratnog, šestougaonog,

pravougaonog, okruglog ili osmougaonog; namenjeni su daljoj preradi valjanjem radi dobijanja

različitih železarskih proizvoda (šipki, cevi, profila, traka, ploča, limova, žica itd.).

2 Likvacija (lat.) – utečnjavanje, topljenje, izdvajanje metala topljenjem.


159

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit

Perlit + Ferit Cementit + Perlit

AC3

A Cm

Sadržaj C, maseni %

AC1 AC1,3 727°C

0 0.4 0.8 1.2 1.6

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit


AC1

AC3

AC1,3

A Cm


727°C

Slika 7.3 Temperatura zagrevanja Slika 7.4 Temperaturska oblast zagrevanja

za normalizaciju čelika za meko žarenje

Meko (sferoidalno) žarenje (sl. 7.4) izvodi se uglavnom kod delova od

visokougljeničnih čelika, tako što se oni zagrevaju oko donje kritične temperature

(A1), zadržavaju nekoliko desetina sati i zatim sporo hlade. Kao rezultat ove obrade

dobija se struktura mekšeg-zrnastog (globularnog) cementita, umesto lamelarnog

koji je tvrdji. Sferoidizacija se izvodi i naizmeničnim zagrevanjem oko AC1 i Ar11

.

Primenjuje se radi poboljšanja obradljivosti rezanjem, naročito otkovaka od

visokougljeničnih i legiranih čelika. Pri obradi rezanjem lamelarnog perlita, nož

seče tvrde lamele Fe3C, a kod globularnog razmiče zrna i seče mekšu feritnu

osnovu. Takodje se ovako žare nadeutektoidni čelici pre kaljenja, da bi se lamelarni

cementit preveo u globularni.

Potpuno žarenje se zasniva na zagrevanju čelika do austenitnog područja (30-

50C iznad tačke AC3 - ACm), zatim zadržavanju na odabranoj temperaturi i veoma

sporom hladjenju u peći u intervalu faznih promena (A3, ACm,- A1). Dalje hladjenje

od A1 do sobne temperature može biti na vazduhu. Svrha potpunog žarenja jeste

usitnjavanje zrna, otklanjanje nepovoljne Vidmanšetenove strukture, ujednačavanje

strukture, kao i otklanjanje sopstvenih napona, tako da čelik postane mekši i

kovniji. Primenjuje se kod niskougljeničnih čelika kao priprema za duboko

izvlačenje i za poboljšanje mašinske obradljivosti kod visokougljeničnih čelika.

Kad se kaže samo žarenje bez bližeg odredjenja, misli se na potpuno žarenje.

1 Tačka AC1 predstavlja kritičnu temperaturu pri zagrevanju, a Ar1 pri hladjenju; one se razlikuju

zbog termičkog histerezisa.


160

Varijanta potpunog žarenja je izotermičko žarenje namenjeno za neke legirane

čelike koji bi primenom prethodno opisane procedure postali suviše tvrdi. U tom

cilju, deo se zagreva 30-50C iznad gornje kritične temperature AC3, zatim brzo

hladi do temperature nešto iznad 550ºC, zadržava pri toj temperaturi do završetka

perlitne promene i najzad hladi na vazduhu.

U izotermičko žarenje mogao bi da se svrsta i postupak nazvan patentiranje

žica1. Sastoji se iz zagrevanja do temperature 900-1100C, zatim brzog hladjenja

do približno 550ºC, te izotermičkog žarenja na sitni perlit i najzad plastične prerade

vučenjem na hladno, tj. pri temperaturi nižoj od 550ºC.

Rekristalizaciono žarenje se zasniva na zagrevanju metala, prethodno

plastično deformisanog na hladno, do temperature više od temperature

rekristalizacije, zadržavanju na toj temperaturi i hladjenju proizvoljnom brzinom.

Temperatura rekristalizacije (Tr) metala i legura zavisi pre svega od njihove

temperature topljenja (Tt, K). Za tehnički čiste metale, ona približno iznosi

0.4r tT T , a za legure tipa čvrstog rastvora 0.6r tT T ; niskougljenični čelici

imaju 650rT C , što predstavlja granicu prerade na toplo i hladno.

Praktično se temperatura rekristalizacije najlakše može odrediti merenjem

tvrdoće na nizu uzoraka prethodno malo deformisanih na hladno i žarenih na

različitim temperaturama. Rezultati merenja prikazuju se u obliku dijagrama datog

na sl. 7.5. Prevojna tačka na krivoj tvrdoća-temperatura žarenja, definiše

temperaturu rekristalizacije (Tr).

Rekristalizaciono žarenje često se koristi

kao medjuoperacija u procesu valjanja ili

vučenja metala na hladno, pa se onda zove

procesno žarenje. U stvari, na ovaj se način

otklanjaju posledice deformisanja na hladno

niskougljeničnih čelika (C = 0.08-0.2%) tj.

porasta tvrdoće i svojstva otpornosti, a pada

duktilnosti; ovim vidom žarenja omogućuje se

dalja prerada presovanjem, valjanjem,

vučenjem na hladno. Rekristalizaciono žarenje

je kratkotrajno kod tankih preseka, a veoma

dugo kod debelih preseka zbog potrebe

jednolikog progrevanja i rekristalizacije po

celom preseku.

1 Patentiranje žica može se izvesti i izotermičkim kaljenjem pothladjenog austenita na gornji bejnit.

Tr

Temperatura žarenja

Tvrd

oća

Slika 7.5 Odredjivanje temperature

rekristalizacije


161

Žarenje za otpuštanje napona se primenjuje radi otklanjanja sopstvenih

napona, tj. napona izazvanih u toku prerade metala, a ne dejstvom spoljnih sila i

momenata. Nivo zaostalih sopstvenih napona u odlivcima može biti toliki da

nastane prelom odlivaka čak i pri nepažljivoj manipulaciji u toku transporta.

Zaostali naponi kod zavarenih spojeva mogu dovesti do pojave naprslina na hladno

ili trajnih deformacija (krivljenje, vitoperenje). Kod nekih delova koji rade u

korozionim sredinama, zaostali naponi mogu prouzrokovati tzv. naponsku

koroziju. U svim navedenim i drugim sličajevima neophodno je primeniti

otpuštanje. Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do

temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i potonjim još

sporijim hladjenjem nego pri zagrevanju (da se spreči indukovanje novih termičkih

napona). Cilj ove termičke obrade jeste otklanjanje ili bar redukcija nivoa zaostalih

napona koja je moguća samo do vrednosti granice elastičnosti čelika na temperaturi

žarenja.

Čelične odlivke i odlivke od livenog gvoždja treba žariti radi otpuštanja

napona pri temperaturi 500-600C, po odgovarajućim termičkim režimima.

Zavarene čelične spojeve većih preseka, ili spojeve od čelika sa većim

sadržajem ugljenika i legirajućih elemenata, treba žariti pri temperaturi oko 650C,

s tim što zagrevanje mora biti veoma sporo, zadržavanje srazmerno debljini (2 min

po mm debljine), a hladjenje dva puta sporije od zagrevanja.

Čelični delovi, obradjeni plastičnom deformacijom na hladno žare se radi

smanjenja napona na znatno nižim temperaturama (250-300C ispod temperature

rekristalizacije). Ovo stoga da se ne ponište pozitivni efekti plastične prerade na

hladno: povećanje tvrdoće, svojstva otpornosti, otpornosti na habanje i slično.

Očigledno je da, čak i veoma dugo zadržavanje tretiranih delova pri tako niskoj

temperaturi žarenja (praktično na 100-150C), ne dovodi do potpunog otklanjanja

napona, već samo do njihovog sniženja na nivo koji ne ugrožava rad dela koji je u

eksploataciji. Ponekad se žarenjem pri temperaturi od 150C izvodi tzv.

stabilizaciono otpuštanje, uglavnom kod mernih i kontrolnih alata, da bi se postigla

neophodna dimenziona stabilnost. Posebno ovde treba istaći spontano ili sezonsko

otpuštanje zaostalih napona koje nastaje dugim stajanjem odlivaka (tokom svih

godišnjih doba) na otvorenom prostoru, katkad i više godina. Na ovaj se način

smiruju unutrašnji naponi, npr. kod blokova motora, kućišta menjača i sl. pre nego

što se oni podvrgnu mašinskoj obradi. Pojave koje se dešavaju pri ovom

dugotrajnom držanju odlivaka na otvorenom prostoru ponekad se nazivaju

dozrevanje ili prirodno starenje.


162

3.1.2 Kaljenje čelika

Kaljenje čelika je termička obrada koja se izvodi zagrevanjem radnog

predmeta iznad temperature Ac3, za podeutektoidne i A1,3 za nadeutektoidne čelike

(sl. 7.6), progrevanjem na toj temperaturi i hladjenjem brzinom većom od kritične.

Kod zakaljivih ugljeničnih čelika (C > 0.25%) je gornja kritična brzina hladjenja

oko 140-250C/s, a donja1 oko 40C/s pri 550C. Sa porastom procenta ugljenika

rastvorenog u austenitu opada kritična brzina hladjenja i snižava se temperatura

početka martenzitne transformacije prema izrazu Ms = 550 - 360% C. Što se tiče

temperature završetka martenzitne promene (Mf) ona iznosi -50C za eutektoidni

čelik, a dalje opada sa sadržajem ugljenika rastvorenog u austenitu. Isto tako i svi

legirajući elementi, izuzev Al i Co, smanjuju kritičnu brzinu hladjenja i snižavaju

temperaturu Ms i Mf.

Kod većine čelika brzina hladjenja potrebna za kaljenje postiže se potapanjem

predmeta u vodu ili ulje. Veće brzine hladjenja nego u vodi ostvaruju se u vodenim

rastvorima soli ili baza, a nešto manja brzina u krečnom mleku. Izuzetno velike

brzine hladjenja postižu se prskanjem delova vodenim mlazevima, a veoma male

brzine postižu se hladjenjem na mirnom vazduhu ili vazdušnoj struji.

Kao što je već napomenuto, podeutektoidni čelici se kale iz čisto austenitnog

područja, a nadeutektoidni iz

cementitno-austenitnog (sl. 7.6),

pošto se sferoidalno odžare.

Suština kaljenja čelika je da se

pothladjivanjem austenita spreči

njegova difuziona promena do Ms-

temperature, ispod koje nastaje

promena mehanizmom klizanja, tzv.

martenzitna transformacija. Kao

rezultat kaljenja dobija se tetragonalni

martenzit-struktura koja se odlikuje

velikom tvrdoćom i visokim

svojstvima otpornosti (R0.2, Rm), ali

niskim vrednostima duktilnosti i

žilavosti. Zbog toga što se kubna

rešetka austenita transformiše

mehanizmom klizanja (a ne difuzijom

1 Donja kritična brzina daje mešovite strukture (npr. M+B), a gornja čist martenzit pod uslovom da se

čelik pothladi ispod temperature Mf.

0 0.4 0.8 1.2 1.6500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Tem

pera

tura

, °

C

Austenit


AC1

AC3

AC1,3

A Cm


727°C

Slika 7.6. Temperatura zagrevanja za

kaljenje čelika (----)


163

kao u ravnotežnim uslovima), dolazi do deformacije kubne u tetragonalnu kristalnu

rešetku. Kristalografske ose ostaju ortogonalne, s tim što su dva parametra (a i b)

iste dužine, dok je treći parametar (c) u pravcu ose z izdužen, jer su u tom pravcu

smešteni atomi ugljenika (sl. 7.7).

a

b

c

a

b

c

a

b

c

Ferit Austenit Martenzit

a = b = 0.2845 nm

c = 0.297 nm

a = b = ca = b = c

Atomi Fe Atomi C

Slika 7.7 Kristalne rešetke čvrstih rastvora: ferita, austenita i martenzita

Tvrdoća martenzita ne daje se uopšteno već se vezuje za sadržaj ugljenika

rastvorenog u austenitu koji posle kaljenja prelazi u martenzit (sl. 7.8).

Maksimalna tvrdoća martenzita od 64 HRC postiže se kod čelika sa 0.7% C.

Dalje povećanje sadržaja ugljenika u austenitu neznatno utiče na porast tvrdoće čak

i posle "zamrzavanja" (kriva 1). U

stvarnosti kad se nadeutektoidni

čelici zakale sa temperature iznad

ACm javiće se relativno veliki udeo

netransformisanog-zaostalog

austenita, što dovodi do opadanja

tvrdoće srazmerno porastu sadržaja

ugljenika (kriva 3). Ako se isti

čelici, kako je to uobičajeno, kale iz

austenitno-cementitnog područja

(A1,3 + 30C), tvrdoća neće zavisiti

od ukupnog sadržaja ugljenika u

čeliku, već samo od količine

ugljenika rastvorene u austenitu,

koja ostaje ista za sve

nadeutektoidne čelike (0.7% C,

12

3

30

40

50

60

70

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Sadržaj ugljenika, %

Tvrd

oća, H

RC

Slika 7.8 Tvrdoća martenzita u funkcji % C i

temperature kaljenja (1- zamrzavanje,

2- kaljenje sa T> A1,3, 3- kaljenje sa

temperature T > ACm,)


164

kriva 2). Austenit zaostao posle kaljenja je nepoželjan strukturni sastojak, posebno

kod alatnih čelika, jer ima malu tvrdoću i raspada se na povišenim temperaturama u

cementit, dovodeći do dimenzijske nestabilnosti.

Na osnovu svega izloženog, može se zaključiti da postoje dva razloga zbog

kojih se nadeutektoidni čelici kale iz područja nepotpuno rastvorenih faza (A +

Fe3C); cementit1 je nešto tvrdji (800-1000 HB) od martenzita, pa se u tvrdoći ništa

ne bi dobilo ako bi se on rastvorio u austenitu pa ovaj zakalio na martenzit. Štaviše,

ako se čelik zagreva do tako visoke temperature nastaje ogrubljivanje austenitnih

zrna iz kojih se posle kaljenja dobija grub martenzit, (veoma krt) i dosta zaostalog

austenita. Treba pri tome imati u vidu da se preobražaj austenita u martenzit kod

nadeutektoidnih čelika završava na temperaturi ispod 0C .

Vreme zadržavanja na temperaturi kaljenja treba da bude toliko da se po

celom preseku dobije struktura koja odgovara ravnotežnim uslovima; to se vreme

često zove progrevanje. S obzirom na činjenicu da se jedino iz austenita može

dobiti martenzit, proizilazi da na temperature Ms i Mf ne utiče ukupan sadržaj

ugljenika u čeliku, već samo % C u austenitu. Dugo zagrevanje je takodje

nepoželjno jer može dovesti do smanjenja sadržaja ugljenika u površinskim

slojevima komada (tzv. razugljenisavanje) kao i nepoželjnog porasta austenitnih

zrna (krajnji efekat: gruba martenzitna struktura, zaostali austenit).

Jasno je da se martenzitna transformacija može ostvariti samo pri hladjenju

brzinom većom od kritične, koja se odredjuje kao tangenta na koleno krive

kontinualnog hladjenja (skraćeno KH ili S-krive). Potrebna brzina hladjenja lako se

može ostvariti na površini komada, ali idući ka njegovom jezgru ona može postati

manja od kritične. To se i dešava kod ugljeničnih čelika koji se mogu samo plitko

zakaliti, što znači samo na tankim presecima (može se prokaliti cilindar

maksimalnog prečnika 16 mm), dok se legirani čelici zakaljuju na znatno većem

preseku. Ta se tehnološka osobina čelika da mogu da se zakale do odredjene

dubine radnog komada naziva prokaljivost. U nekim slučajevima se iz

konstrukcionih razloga traži prokaljivanje po celom preseku komada (zapreminsko

kaljenje), a u drugim slučajevima traži se samo velika tvrdoća površinskih slojeva,

a nezakaljeno jezgro (površinsko kaljenje).

Zapreminsko kaljenje može biti martenzitno (M) (kontinualno, stepenasto) i

bejnitno (B) (izotermičko). Redje se koriste i varijante prekidno martenzitno i

kontinualno bejnitno kaljenje, kao i taložno kaljenje i "zamrzavanje".

1 Početni oblik cementita zadržava se i posle kaljenja; zato je korisno prethodno sferoidalno žarenje

koje cementit prevodi iz lamelarnog u žilaviji globularni oblik.


165

Kontinualno (obično) kaljenje (sl. 7.9a) izvodi se neprekidnim hladjenjem

komada iz austenitnog područja do temperature ispod martenzitne promene Ms.

Brzina hladjenja se bira tako da se spreči difuziona promena austenita sve do

temperature martenzitnog preobražaja, gde on potpuno ili delimično prelazi u

martenzit.

Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering) (sl. 7.9b) se primenjuje kod

ugljeničnih čelika tankih preseka (10-12 mm) ili malih prečnika 8-10 mm. Suština

je u promeni brzine hladjenja na temperaturi nešto iznad Ms. Posredno sredstvo za

hladjenje je kada sa rastopom soli1 konstantne temperature. U stvari deo se ubacuje

u kadu temperature nešto iznad Ms, tu se hladi i zadržava do izravnanja

temperature po celom preseku, ali ne predugo jer mogu početi difuzione

izotermičke promene. Najzad se deo vadi iz kupatila i hladi u drugom rashladnom

sredstvu npr. vazduhu. Pošto u toku faznih promena opadaju svojstva otpornosti, a

raste plastičnost, delovi se tada mogu ispravljati npr. završnim hladjenjem pod

presom, odnosno bakarnim pločama. Na ovaj se način kod dobro prokaljivih čelika

smanjuju zaostali strukturni naponi, a eliminišu termički naponi. Ovaj postupak

nije pogodan za debele preseke i slabo prokaljive čelike, jer može doći do

transformacije austenita u bejnit ili perlit.

Tem

pe

ratu

ra, °

C

AC3

AC1

A

Ms

Mf

Martenzit

AFAP

AB

AM

Vreme (log)

Po

vrš

ina

Jezgro

Tem

pe

ratu

ra,

°C

AC3

AC1

A

Ms

Mf

Martenzit

AFAP

AB

AM

Vreme (log)

Jezgro

Po

vrš

ina

a) b)

Slika 7.9 Martenzitno kaljenje: a) kontinualno, b) stepenasto

1 Rastop šalitre (KNO3), čilske šalitre (NaNO3) ili njihove mešavine (1:1).


166

Izotermičko bejnitno kaljenje (austempering) (sl. 7.10a) se preciznije naziva

kaljenje sa izotermičkim preobražajem pothladjenog austenita. Deo se posle

austenitizacije ubacuje u kupatilo konstantne temperature (250-350C) i u njemu

zadržava sve do potpunog preobražaja pothladjenog austenita u bejnit. Posle toga

nastavlja se hladjenje proizvoljnom brzinom, bilo u vodi, ulju ili na vazduhu. Čelik

bejnitne strukture ima manju tvrdoću (40-58 HRC) od martenzitne, ali je znatno

duktilniji (plastičniji) i žilaviji od čelika zakaljenog na martenzit i otpuštenog na

istu tvrdoću.

Izotermički se kale uglavnom delovi malih preseka, izradjeni od ugljeničnih i

niskolegiranih čelika. Kod delova većih preseka, zbog kratkog vremena inkubacije,

u središnim slojevima pothladjeni austenit se može transformisati u fini perlit (oko

550C) tj. iznad Bs-temperature.

Kontinualno bejnitno kaljenje (sl. 7.10b) sastoji se iz zagrevanja

podeutektoidnog čelika do temperature iznad tačke A3, progrevanja pri toj

temperaturi i zatim kontinualnog hladjenja brzinom nešto manjom od kritične. To

znači da će kriva hladjenja preseći krivu početka razlaganja pothladjenog austenita

na temperaturi T1 > Ms. Pri toj temperaturi iz pothladjenog austenita nastaje bejnit,

a kada temperatura opadne do Ms, samo će se preostali deo austenita transformisati

u martenzit. Ovaj vid kaljenja moguć je jedino za neke čelike čiji KH dijagram ima

istureno koleno slično onom kao na slici (sl. 7.10b).

Tem

pe

ratu

ra, °

C

AC3

AC1

A

Ms

MfMartenzit

AFAP

AB

AM

Vreme (log)

Ferit + perlit (krupni)

Ferit + perlit (sitni)

Gornji bejnit

Donji bejnitPo

vrš

ina

Jezgro

Vreme (log)

Ms

Mf

AB

APAF

A

AC1

AC3

Tem

pe

ratu

ra, °

C

T1

Bejnit + martenzit

Po

vrš

ina

Jezg

ro

a) b)

Slika 7.10 Bejnitno kaljenje: a) izotermičko, b) kontinualno


167

Prekidno kaljenje se izvodi zagrevanjem predmeta do temperature kaljenja,

pa njegovim hladjenjem u dva rashladna sredstva; najpre u vodi dok se ne ohladi

do oko 300ºC, a posle vadjenja iz vode deo se dalje hladi sa 300C do 20C u ulju

ili na vazduhu. Ovo je varijanta stepenastog kaljenja koja se može primeniti i za

veće preseke, pošto je brzina hladjenja u vodi velika pa se za kratko vreme

izjednačava temperatura i kod velikih preseka, a da ne nastupi bejnitna promena.

Ovaj postupak kaljenja zahteva veliko iskustvo kalioca i pažljiv rad, budući da je

teško proceniti trenutak kada je predmet već pothladjen do 300C. Prekidno

kaljenje omogućuje da se deformacije delova pri kaljenju svedu na minimum,

izbegnu prsline i dimenzijske greške.

3.1.3 Otpuštanje

Kao što je već rečeno, martenzit je suviše krt da bi se čelični delovi sa takvom

strukturom mogli uspešno primeniti u mašinstvu. Osim toga, u njima zaostaju

znatni unutrašnji naponi. Zato se uvek posle kaljenja, izvodi naknadno zagrevanje i

sporo hladjenje - otpuštanje. Tako se npr. kod čelika sa 0.3% C posle otpuštanja na

550ºC zaostali naponi smanjuju sa 600 na 80 MPa.

Martenzitna struktura kao presićena, tj. neravnotežna i nestabilna, može se

održati na normalnim temperaturama samo zahvaljujući maloj pokretljivosti atoma.

Inače, pri tome je prisutna opšta težnja da se ovakva veštački stvorena struktura

raspadne u smislu ponovnog približavanja ravnotežnoj strukturi koja odgovara

sadržaju ugljenika (pre svega, postoji težnja da atomi ugljenika putem difuzije

izadju iz presićene tetragonalne rešetke i formiraju posebnu cementitnu fazu).

Ako se okaljeni (zakaljen) čelik zagreva, aktivira se difuzija atoma, posebno

ugljenika utoliko više, ukoliko je temperatura zagrevanja viša i duže vreme držanja

na toj temperaturi. Ovakav proces termičke obrade, tj. naknadnog zagrevanja do

ispod kritične temperature A1, držanja kraće vreme na toj temperaturi i zatim

laganog hladjenja (na primer, na mirnom vazduhu), naziva se otpuštanje. Brzina

hladjenja posle zagrevanja znatno utiče na zaostale napone; što je ta brzina manja,

niži će biti naponi. Brzo hladjenje u vodi sa 600ºC stvara nove termičke napone.

Otpusna krtost

Zapaženo je, da kod nekih čelika koji su legirani sa Mn ili Cr, odnosno sa

Cr-Mn ili Cr-Ni, pri otpuštanju, može doći do nastanka štetne pojave tzv. "otpusne

krtosti" (porast tvrdoće, opadanje žilavosti i istegljivosti). Treba izbegavati

otpuštanje sa temperatura koje dovode do povećanja tvrdoće, pa čak i otpuštanje sa

viših temperatura. U slučajevima da se otpuštanje izvodi na višim temperaturama


168

preporučuje se brzo hladjenje kroz kritičnu oblast temperatura, tj. pothladivanje,

čime se sprečava difuzija kao bitan faktor nastanka otpusne krtosti.

Za neke klase čelika pad žilavosti moguće je uočiti i metalografskim

metodama, prema zadebljanju granica zrna. Metalurška mera kojom se otpusna

krtost može sprečiti je legiranje alatnih čelika molibdenom (do 0.6%), volframom

(do 1.5%), kao i niobijumom. Pri otpuštanju ovi elementi imaju pozitivne efekte,

jer koče segregaciju. Suprotno tome, ugljenik i fosfor doprinose pojavi krtosti

otpuštanja. Pretpostavka je da negativno dejstvo fosfora počinje već i kod sasvim

malih količina (oko 0.005% P). Uticaj fosfora povezan je sa njegovom izraženom

sklonošću ka pojavi segregacije. Takodje, o vrlo bitnom uticaju fosfora na ovu

pojavu govori i činjenica da su karbidi, izdvojeni iz čelika u krtom stanju, bogatiji

fosforom od karbida izdvojenih iz čelika koji poseduje normalnu žilavost.

Pomenuta pojava pada žilavosti je reverzibilna, što znači da će se ponovo ispoljiti

pri naknadnom zagrevanju iznad kritične temperaturske oblasti i pri laganom

hladjenju.

Takodje je utvrdjeno, prema najnovijim istraživanjima, da segregacija fosfora

po granicama zrna predstavlja osnovni razlog povećanja sklonosti ka

interkristalnom krtom lomu. Utvrdjeno je da i Si i Mn ubrzavaju segregaciju

fosfora, što znači da se smanjenjem koncentracije P, Mn i Si umanjuje sklonost ka

otpusnoj krtosti. Medjutim, u praksi je teško smanjiti P ispod odredjenog nivoa

(npr. ispod 0.015%), dok bi suviše veliko smanjenje Mn imalo druge nepovoljne

posledice. Zato se segregacija P sprečava dodatkom Mo. Veliki efekti se, takodje,

postižu dodatkom malih količina B (≈ 0.0003%) i Nb, koji segregiraju po

granicama zrna i povećavaju njihovu kohezionu jačinu i tako kompenzuju

smanjenje kohezione jačine koje izaziva fosfor.

Osetljivost materijala prema otpusnoj krtosti može se utvrditi ispitivanjem

udarne žilavosti čelika u širokom temperaturskom dijapazonu, kao i utvrdjivanjem

prelazne temperature čelika iz žilavog u krti lom. Sklonost različitih vrsta čelika

prema otpusnoj krtosti zavisi u najvećoj meri od njihovog hemijskog sastava,

načina proizvodnje i primarne ili metalurške prerade (vidi glavu 8).

Zavisno od temperature zagrevanja pri otpuštanju ugljeničnih čelika, razlikuju

se: nisko, srednje i visoko otpuštanje (sl. 7.11).


169

Ms

Mf

Martenzit 65HRC

Otpuštenimartenzit

Austenit

Te

mp

era

tura

, °

C

10210 103 104 105 106

700

600

500

400

300

200

100

0

750

250

SorbitVisoko otpuštanje

TrustitSrednje otpuštanje

MartenzitNisko otpuštanje

Vreme, (logt), s

Slika 7.11 Kaljenje i otpuštanje prikazano u KH dijagramu

Nisko otpuštanje izvodi se pri temperaturi 150-250C i vremenu 1-45 h, pri

čemu tetragonalni martezit prelazi u kubni. Sopstveni naponi nastali pri kaljenju

opadaju uz neznatno poboljšanje plastičnosti i održavanje visoke tvrdoće, jačine i

otpornosti na habanje. Uglavnom se koristi za alate, opruge, kontrolnike. Isto tako,

nisko se otpuštaju delovi posle površinskog kaljenja, cementacije, cijanizacije ili

karbonitriranja.

Srednje otpuštanje izvodi se progrevanjem (2 min/mm) pri 350-500C i zatim

hladjenjem u vodi. Time jačina i napon tečenja ostaju isti kao i posle kaljenja, ali

raste granica elastičnosti, otpornost na relaksaciju i dinamička izdržljivost (zbog

pojave spoljašnjih pritiskujućih napona pri hladjenju u vodi). Zato se na ovaj način

otpuštaju delovi kao što su opruge (lisnate, zavojne), poluge za balansiranje,

matrice i sl.

Visoko otpuštanje izvodi se na temperaturi iznad 500C, ali ispod kritične

temperature Ac1. Cilj je da se postigne najbolja duktilnost i žilavost. Kaljenje i

visoko otpuštanje zajedno se nazivaju poboljšanje. U poredjenju sa čelikom u

normalizovanom ili žarenom stanju, kaljenje praćeno visokim otpuštanjem dovodi

do istovremenog povećanja jačine i napona tečenja, istegljivosti, suženja i naročito

udarne žilavosti (tab. 7. 2). Pošto se sve osobine popravljaju, to se termička obrada

kaljenje + visoko otpuštanje zove poboljšanje. U tom smislu postoji i posebna

grupa ugljeničnih (0.25-0.60% C) i niskolegiranih čelika pod nazivom čelici za

poboljšanje. Kod ugljeničnih čelika debljih preseka (preko 16 mm) ne može se

ostvariti potpuno prokaljivanje; niskolegirani čelici su u tom pogledu povoljniji. Za

ocenu prokaljivosti koristi se čeono hladjenje vodom prethodno austenitiziranog

cilindričnog uzorka-Džomini proba. Kriterijum za ocenu dubine prokaljivanja jeste

rastojanje od čela uzorka pa do tačke u kojoj je posle kaljenja, ostvarena polu-


170

martenzitna struktura1 (50%M + 50% B). Piše se npr. I50 = 24 mm, što znači da je

na rastojanju od 24 mm izmerena tvrdoća od 50 HRC, koja za ugljenični čelik sa

0.57% C odgovara strukturi 50% M + 50% B.

Termička obrada - poboljšanje izvodi se u železarama na proizvodima kao što su

limovi, šipke, otkovci, i na delovima koji se mašinski obradjuju da bi se pre te obrade

smanjila tvrdoća.

Kao što je već spomenuto kod nekih vrsta legiranih čelika može pri otpuštanju

doći i do pojave tzv. otpusne krtosti, tj. izvesnog pada žilavosti zbog raspadanja

zaostalog austenita. Ovo se dogadja u jednoj odredjenoj temperaturnoj zoni i može

se izbeći dodavanjem odgovarajućih legirajućih elemenata, kao npr. molibdena kod

kovačkih alata (matrica za kovanje u kalupima).

Tablica 7.2 Uporedne karakteristike čelika u žarenom, kaljenom i otpuštenom stanju

Termička obrada Rm,

MPa

Rp,

MPa

A5,

%

Z,

%

KCV,

J/cm2

Žarenje na 880ºC 550 350 20 52 90

Kaljenje u vodi sa 880ºC i

otpuštanje pri 300º 1100 700 12 35 30

Isto sa otpuštanjem pri 600ºC 620 430 22 55 140

U zaključku ovog razmatranja može se reći da se kaljenje izvodi tako što se

najpre dovoljno brzim hladjenjem čelika, zagrejanog do austenitnog područja,

dobije u njemu martenzitna struktura. Ona se zatim naknadnim otpuštanjem

prevodi u jednu od željenih struktura, koju u osnovi karakteriše feritna i cementitna

faza. Zavisno od namene čeličnog dela, ovo otpuštanje se može uopšte izvoditi na

različitim temperaturama i time postići željena mehanička svojstva (tvrdoća,

čvrstoća, žilavost, ...). Budući da je ovaj proces otpuštanja relativno dugotrajan, on

se može bez teškoća tačno regulisati i time pouzdano doći do željenog rezultata, za

razliku od eventualnog dobijanja sličnih struktura putem hladjenja austenita

brzinom manjom od kritične (kada bi praktično bilo znatno teže voditi proces

hladjenja odredjenom brzinom, s obzirom na njegovo relativno kratko trajanje,

teškoće u vezi sa prilagodjavanjem dimenzijama delova i dr.). Sem toga, oblik

1 Polu-martenzitna zona se uzima kao kriterijum za ocenu prokaljivosti, budući da se ona može lako

ustanoviti pomoću metalografskog mikroskopa ili još lakše merenjem tvrdoće na probnom uzorku.

Tvrdoća polu-martenzitne strukture iznosi 25 HRC za ugljenični čelik sa 0.15-0.22% C, odnosno 50

HRC za ugljenični čelik sa 0.53 do 0.62% C.


171

cementita u strukturama otpuštanja znatno je povoljniji, jer obezbedjuje veću

plastičnost.

Kod srednjeg otpuštanja odvija se dakle difuzija atoma ugljenika i stvaranje

cementita, tako da rezultat čitavog procesa za neki odredjen čelik zavisi od

temperature i vremena otpuštanja. To znači da se načelno isti efekat otpuštanja

može postići pri višoj temperaturi a kraćem vremenu, kao i na nižoj temperaturi i

dovoljno dugom vremenu. Medjutim, praktično prihvatljiva i ekonomski opravdana

vremena se kreću obično od 0.5-2 časa, tako da se tome prilagodjavaju i

temperature otpuštanja. Zajednički efekat temperature i vremena na tvrdoću

ugljeničnih čelika može se proceniti pomoću izraza ( log )P T M t , gde je: T -

apsolutna temperatura otpuštanja (uzima se u granicama od 570 do 920 K),

15.6 5.6 %M C ,

t - vreme otpuštanja od 1 do 24 h i C- sadržaj ugljenika u čeliku.

Najpreciznije se temperatura može kontrolisati pri otpuštanju u tečnom

kupatilu (sonom, olovnom, sa vrelim uljem). Nešto teže je regulisanje temperature

pri otpuštanju u industrijskim pećima.

Taložno kaljenje (precipitaciono, disperziono otvrdnjavanje)

Neki metali kao npr. austenitni čelici ili neželezni metali koji nemaju

alotropske modifikacije već samo promenljivu rastvorljivost u čvrstom stanju,

mogu biti podvrgnuti disperzionom otvrdnjavanju. Ovaj postupak predstavlja

povezivanje tehnoloških operacija presićenja i starenja.

Presićenje se zasniva na zagrevanju legure do temperature 30-50C iznad

granične rastvorljivosti (temperatura Tp za

leguru I na sl. 7.12), zadržavanju na toj

temperaturi i zatim brzom hladjenju. Tom

prilikom rastvaraju se istaloženi sastojci

npr. tercijarni cementit kod

niskougljeničnih čelika, i legura kao

rezultat presićenja dobija jednofaznu

strukturu. Svojstva otpornosti čelika (Rp,

Rm) posle presićenja neznatno se menjaju,

ali se povećavaju svojstva plastičnosti,

zbog prelaska dvofazne (α + β) strukture

u monofaznu strukturu (α).

Starenje (veštačko) se sastoji u

zagrevanju prethodno presićene legure do

temperature niže od granične

Koncentracija B, %A I

Tem

pera

tura

Tp

Rastop (R)

R +

Slika 7.12 Ravnotežni dijagram sa

ograničenom rastvorljivošću

elementa B u elementu A


172

rastvorljivosti, držanju na toj temperaturi i hladjenju. U toku starenja dolazi do

izlučivanja viška sastojka iz presićenog čvrstog rastvora, u obliku faze visoke

disperzije. Starenje dovodi do ojačanja koje se ispoljava porastom svojstava

otpornosti i smanjenjem svojstava plastičnosti. Ako se starenje odvija i na

temperaturi okoline, onda je reč o prirodnom starenju.

Starenje može biti i nepoželjan proces, kao npr. kod limova za duboko

izvlačenje ili kotlovskih limova, jer dovodi do pada svojstava plastičnosti i porasta

krtosti. Isto tako, kod zavarenih spojeva izlučivanje nitrida gvoždja (Fe2N i Fe4N)

po granicama metalnih zrna (prirodno starenje) izaziva pad duktilnosti i žilavosti,

tj. svojstava plastičnosti.

3.2 Termička obrada ispod nule

3.2.1 Kaljenje na niskim temperaturama

Pri razmatranju procesa martenzitnog preobražaja u toku kaljenja ukazano je

da temperatura završetka formiranja martenzita kod nekih čelika leži ispod

normalnih temperatura. Tako je, na primer, za slučaj eutektoidnog čelika ona bila

Mf -50C. To istovremeno znači da pri uobičajenom kaljenju do normalnih

temperatura, u čeliku zaostaje nešto austenita (količina zaostalog austenita zavisi

od sastava čelika i raste sa porastom sadržaja ugljenika). Ukoliko se, dakle, želi

preobražaj i ove količine austenita, potrebno je izvoditi hladjenje sve do

temperature Mf ( obično -30C do -60C). Na tom principu se zasniva mogućnost

termičke obrade čelika na sniženim temperaturama ili kako se još kaže subnultim

tretmanom, odnosno najkraće rečeno zamrzavanjem.

Medjutim, hladjenje do ovih temperatura se ne mora izvoditi direktno iz

austenitnog područja, već se čelik može najpre ohladiti do normalne temperature i

tek naknadno hladiti do nižih temperatura.

Ovim postupkom (koji, inače, nije u naročito širokoj primeni) postiže se

odgovarajuće povećanje tvrdoće i bolja stabilizacija strukture, smanjuju se

unutrašnji strukturni naponi i time umanjuje sklonost ka spontanoj promeni

specifične zapremine u toku vremena (tzv. starenje), što je u nekim slučajevima

veoma značajno. Na primer, pri izradi preciznih mernih alata potrebno je ostvariti

dimenzijsku stabilnost, koja neće biti poremećena u toku vremena, pa se oni često

kale na niskim temperaturama.

Inače, čitav postupak termičke obrade na sniženim temperaturama ograničen

je na čelike sa većim sadržajem ugljenika (> 0.5% C), jer je količina zaostalog


173

austenita u niskougljeničnim čelicima neznatna, pa i eventualno hladjenje do niskih

temperatura ne bi imalo efekta. Stoga se najčešće ovako obradjuju visoko-

ugljenični i legirani alatni čelici, a takodje i neki konstrukcioni (naročito legirani

čelici za cementaciju - radi povećanja tvrdoće cementiranog sloja posle kaljenja).

Za postizanje niskih temperatura do -78C može se upotrebiti CO2 u čvrstom

stanju ("suvi led"), a za postizanje još niže temperature do oko -180C tečni vazduh

ili tečni azot. Medjutim, za većinu čelika temperatura kraja martenzitnog

preobražaja Mf nije ispod -80C, tako da se uglavnom može koristiti prvo sredstvo.

Na osnovu svega rečenog, proizilazi da se pri termičkoj obradi čelika na

sniženim temperaturama povećava količina martenzita u strukturi, što dovodi, pre

svega, do:

povećanja tvrdoće,

povećanja zapremine i

stabilizacije dimenzija.

Na kraju ovog poglavlja o termičkoj obradi date su neke osnovne fizičke i

mehaničke karakteristike gvoždja i ugljenika, kao i cementita i čvrstih rastvora koje

ova dva elementa obrazuju i najzad strukture koje nastaju kako u ravnotežnim tako

i u neravnotežnim uslovima hladjenja (tab. 7.3).

Tablica 7.3 Osobine strukturnih sastojaka sistema Fe-C

Sastojci, oznaka Gustina,

g/cm3

Rm,

MPa

A5,

% Tvrdoća, HB

Gvoždje, Fe 7.874 295 50 50-60

Ferit, α 7.86 295 40 80

Austenit, γ 8.06 740 50 200

Cementit, Cm 7.66 295 0 900

Grafit, Gr 2.22 19.5 0 < 1

Perlit, P 7.85 740 8 200

Ledeburit, L - - - 450

Perlit-sitni, P - 940 - 250


174

Bejnit, B - 1285 20 400

Martenzit, M 7.74 1485 0 700

3.3 Sredstva za zagrevanje i hladjenje pri termičkoj

obradi

3.3.1 Sredstva za zagrevanje

Za zagrevanje čelika pri termičkoj obradi najviše se upotrebljavaju specijalne

peći. One se zagrevaju električnim otporom - efektom R·I2 ili indukcijom, odnosno

sagorevanjem čvrstih, tečnih i gasovitih goriva. Pri tome se toplota predaje

direktno preko gasa koji okružuje delove (konvekcijom) ili zračenjem. Zagrevanje

se u nekim redjim slučajevima obavlja i u vakuumskim pećima i tada se toplota

predaje zračenjem. Peći na čvrsta goriva imaju rešetke (rostove) na kojima

sagoreva čvrsto gorivo (ćumur, ugalj), a peći na tečna i gasovita goriva opremljene

su posebnim uredjajima za raspršivanje goriva-gorionicima.

Peći za zagrevanje pri termičkoj obradi mogu biti veoma različite po

konstrukciji, usled čega imaju različite nazive kao što su: komorne, jamske,

dubinske, rotacione, nagibne, kombinovane, protočne itd. Medjutim, one se prema

konstrukcionom izvodjenju obično razvrstavaju na:

komorne (sl. 7.13a, b),

jamske (sl. 7.13c),

sona i metalna kupatila (sl. 7.14).

1

2

3

4

1 - Grejna komora2 - Grejni element3 - Poklopac4 - Radni predmet

(cilindrični)

1 - Grejna komora2 - Grejni element3 - Vratanca

4 - Radni predmet

4

32

1

4

1 2 5

3

1 - Grejna komora2 - Gorionik3 - Vratanca

4 - Dimnjak5 - Radni predmet


175

a) b) c)

Slika 7.13 Shema jednokomorne (a) i dvokomorne (b) peći, kao i izgled jamske peći (c)

S obzirom na to da li su namenjene zagrevanju različitih ili samo odredjenih

delova, peći mogu biti univerzalne i specijalne.

Kod komornih peći (sl. 7.13a) delovi se mogu zagrevati direktno (kada

produkti sagorevanja dolaze u neposredan dodir sa delovima) ili indirektno (kada

su delovi smešteni u zatvorenoj komori- tzv. "mufl"-peć, koja se spolja greje

toplim gasom). Često su ove peći dvokomorne, pri čemu jedna komora služi za

predgrevanje, a druga za završno zagrevanje (sl. 7.13b).

Da bi se kod električnih peći postiglo ravnomernije i brže zagrevanje, često se

pomoću ventilatora obezbedjuje prisilna cirkulacija vazduha kroz komoru za vreme

rada.

Takodje se u industriji dosta koristi i indukciono zagrevanje (vidi odeljak 7.6

o površinskom kaljenju!).

Najzad, delovi se mogu zagrevati i u

tečnoj sredini (sl. 7.14). U tu svrhu

koriste se naročita "kupatila" (ili

"kupke") u kojima je rastopljena neka so

(sona kupatila) ili metal, kao što je, na

primer, olovo (metalna kupatila). Peći se

najčešće zagrevaju električnom strujoma

(redje plamenom) tako da istopljena so

(ili metal) dobije potrebnu temperaturu,

kada se delovi ubacuju u rastop. Na ovaj

način se zagrevaju, uglavnom, delovi

manjih dimenzija i to najčešće alati

(naročito alati od brzoreznih čelika).

Zagrevanje u ovim tečnim sredstvima je

brzo, a regulisanje temeperature veoma

tačno. Temperaturni opseg zagrevanja u

sonim kadama je obično 150-750C, dok

je u olovnim kupatilima 330-850C.

Jedan od problema pri zagrevanju čelika je delimična oksidacija po površini i

formiranje oksidne kore, ukoliko zagrejan čelik dodje u dodir sa vazduhom ili

drugim oksidišućim gasovima koji se mogu naći u peći. Sagorevanje predstavlja

direktan gubitak materijala (oko 0.5 %), a dovodi i do oštećenja površine. Iz ovih

razloga pogodnije je za zagrevanje koristiti komorne peći sa neutralnom ili

3

1

2

Slika 7.14 Metalno kupatilo; 1- tečan metal,

2- grejači, 3- termometar


176

kontrolisanom atmosferom, u koje se ubacuje neki neutralni gas pod manjim

natpritiskom, ili se na drugi način ostvaruje kontrolisana neoksidišuća atmosfera i

tako onemogućava prodiranje vazduha u komoru. Ovi gasovi koji sprečavaju

oksidaciju površinskih slojeva, proizvode se u posebnim uredjajima.

Atmosfera u peći bi mogla biti nepovoljna i u tom smislu što neki njeni

sastojci dovode do izvesnog gubitka ugljenika iz površinskih zona čelika

(razugljenisavanje), dok drugi mogu dovesti do suprotnog efekta-povećanja

količine ugljenika (naugljenisavanje). Zato je ostvarenje kontrolisane atmosfere u

komorama peći značajno, kako zbog sprečavanja oksidacije, tako i sa ovog

stanovišta.

Druga mogućnost je da se termička obrada obavi u sonoj kadi ili olovnom

kupatilu, čime se sprečava dodir sa vazduhom i izbegava sagorevanje po površini.

Pri tome ne dolazi ni do razugljenisavanja.

Jasno je da i u slučaju eventualne primene vakuumskih peći ne postoji

mogućnost površinske oksidacije. Medjutim, ove peći su skupe, pa se koriste samo

u nekim specijalnim slučajevima.

3.3.2 Sredstva za hladjenje

Najviše primenjivana sredstva za hladjenje jesu voda, vazduh i ulje. S

obzirom na prethodna objašnjenja, ugljenični čelici uopšte zahtevaju znatne brzine

hladjenja pri kaljenju, a naročito oni sa nižim sadržajem ugljenika. Zato se

ugljenični čelici normalno hlade vodom, kao sredstvom koje najintezivnije hladi.

Medjutim, ni tada se ovi čelici ne mogu ohladiti dovoljno velikom brzinom po

čitavom preseku masivnijih delova. Voda se takodje upotrebljava i za kaljenje

nekih niskolegiranih čelika. Legirani čelici imaju manju kritičnu brzinu kaljenja i

zato se hlade uljem (blaže rashladno sredstvo nego voda), dok se neki

visokolegirani čelici mogu hladiti u struji vazduha, pa čak i na mirnom vazduhu

(ovi zadnji se nazivaju martenzitni ili prirodno kaljivi čelici).

Treba primetiti da na izbor sredstva za hladjenje mogu uticati i dimenzije

dela. Tako na primer, u nekim slučajevima se manji delovi mogu hladiti uljem, ali

se veći delovi od istog materijala moraju hladiti vodom, kako bi se i njihova

unutrašnjost dovoljno brzo ohladila, odnosno prokalila.

Uopšte posmatrano, kao sredstva za kaljenje mogu poslužiti: voda, ulje,

vazduh, istopljeni metal ili istopljena so, kao i eventualno hladne metalne ploče

koje deluju neposrednim dodirom (tab. 7.4).


177

Tablica 7.4 Brzina hladjenja čelika u različitim uslovima

Sredstvo za kaljenje

Brzina hladjenja (C/s)

U temperaturskom opsegu

650-550C 350-250C

Voda 18C 600 270

Voda 26C 500 270

Voda 50C 100 270

Rastvor 10 % NaOH u H2O pri 18C 1200 300

Rastvor 10 % NaCl u H2O pri 18C 1100 200

Emulzija ulja u vodi 70 200

Rastvor sapuna u vodi 30 200

Mineralno mašinsko ulje 150 35

Transformatorsko ulje 120 25

Živa 800 70

Bakarne ploče 60 30

Gvozdene ploče 35 15

Iz tablice 7.4 je jasno da je najefikasnije rashladno sredstvo voda i neki vodeni

rastvori (kaustična soda NaOH). Ali njihova je mana što u temperaturskom opsegu

Ms-Mf ( 350-250C) imaju veliku brzinu hladjenja, odnosno veliki gradT, koji

indukuje znatne zaostale termičke napone. Takodje se vidi da uljna kupatila u

poredjenju sa vodom hlade 3 do 4 puta sporije u oblasti temperatura 650-550C i

skoro 10 puta sporije na temperaturama martenzitnog preobražaja. Iako je njihova

primena kao manje intenzivnog sredstva za hladjenje ponekad neophodna, ulja ipak

ne mogu da potisnu vodena kupatila.

Učinak kaljenja različitih sredstava zavisi pre svega od termičke provodnosti,

specifične toplote, toplote isparavanja i viskoziteta sredstva za hladjenje. Znatan


178

uticaj ima i količina rastvorenih gasova, koji zajedno sa isparenjima u kupatilu

obrazuju parni omotač (parni film) okolo kaljenog predmeta. S obzirom na pojavu

para i gasova veoma je važno relativno kretanje predmeta u kupatilu, kojim se taj

omotač intenzivno otklanja. Učinak kaljenja kupatila je važna veličina, koja se

može odrediti odnosom izmedju zakaljenog i nezakaljenog prečnika, a izražava se

pomoću intenziteta kaljenja (H)1. Vrednosti tog koeficijenta date su u tablici 7.5.

Tablica 7.5 Intenzitet sredstva za kaljenje H

Sredstvo za kaljenje Vazduh Ulje Voda Voda + 5-10% NaCl

Bez kretanja 0.02 0.25-0.30 0.9-1.0 2.0

Veoma malo

pomeranje - 0.30-0.35 1.0-1.1 2.0-2.2

Mirno kretanje - 0.35-0.40 1.2-1.3 -

Intenzivno kretanje 0.05 0.40-0.50 1.4-1.5 -

Oštro kretanje - 0.50-0.80 1.6-2.0 -

Veoma oštro kretanje 0.08 0.80-1.10 4.0 5.0

Treba istaći da je najefikasnije kaljenje vodenim mlazom (prskanjem) jer mlaz

odstranjuje sve parne mehurove tako što ih prevodi u kapljice koje su sposobne za

transfer toplote.

Ulja za hladjenje mogu biti različita po sastavu, odnosno intenzitetu

hlladjenja. To su obično mineralna ulja sa eventualnim dodatkom masnih ulja.

Ponekad se za hladjenje upotrebljavaju sona ili metalna kupatila. Ona su naročito

pogodna pri brzom hladjenju do temperatura koje su iznad normalnih-za tzv.

1 Intenzitet kaljenja H = ∞ odgovara prečniku probnog uzorka koji u centru sadrži 50% martenzita; to

je idealan kritičan prečnik, odnosno idealno rashladno sredstvo.


179

"termalno kaljenje" (vidi odeljak o

izotermičkom i stepenastom kaljenju).

Pri tome je brzina hladjenja veća nego

pri hladjenju u ulju.

Hladjenje dela smeštenog izmedju

metalnih ploča dolazi u obzir za delove

listastog oblika. Naime, u ovim

slučajevima postoji opasnost od

vitoperenja delova, pa se oni pritiskaju

bakarnim pločama koje se iznutra hlade

vodom, tako da se delovi istovremeno

kale i sprečava njihovo deformisanje.

U ovom slučaju odgovara kaljenje

postupkom martempering.

3.4 Sopstveni naponi i greške pri kaljenju

U mašinskoj (mehaničkoj) tehnologiji, veoma je značajan problem sopstvenih

napona koji mogu nastati u toku obrade metala, npr. pri kaljenju, zavarivanju,

navarivanju, livenju, plastičnom deformisanju na hladno. Ovi naponi mogu

prouzrokovati deformisanje, dimenzionu nestabilnost ili čak prskanje predmeta

obrade. Zovu se sopstveni naponi da bi se razlikovali od radnih napona koji potiču

od spoljnjih sila i momenata. U toku procesa prerade metala, sopstveni naponi se

menjaju kako po veličini tako i po znaku pa se zovu prelazni naponi; naponi koji

trajno ostaju i posle procesa prerade nazivaju se zaostali sopstveni naponi

(unutrašnji naponi).

Kad je reč o termičkoj obradi čelika, sopstveni naponi javljaju se uglavnom

zbog neravnomernog zagrevanja i hladjenja-termički naponi, kao i zbog strukturnih

preobražaja u elastičnom području-strukturni naponi.

Neravnomerno zagrevanje i naročito hladjenje, opet je posledica velike mase

predmeta, različitih preseka, nepravilnog postavljanja u peći, neujednačene

temperature u peći i sl. Od svih postupaka termičke obrade čelika, najveći

sopstveni naponi javljaju se pri kaljenju, jer se tom prilikom pored termičkih

napona visokog nivoa (veća brzina hladjenja nego kod drugih postupaka termičke

obrade) javljaju i naponi usled strukturnog preobražaja (martenzitne

transformacije).

Termički naponi su srazmerni temperaturskom gradijentu, tj. porastu tempera-

ture (T) u pravcu normale (n) na izotermičku površinu (gradT = T/n). Promena

1 10 100 10000

500

1000

R

P

U

Jezgro Površina

Tem

pera

tura

, °

C

Vreme, s

grad T

T = 0

Slika 7.15 Promena gradT pri hladjenju

valjka 100 mm (u H2O)


180

gradT u toku hladjenja čeličnog valjka u vodi prikazana je na slici 7.15. Stoga se i

indukovani termički naponi menjaju sa vremenom po zakonu:

TE ,

(7.1)

gde je: E- modul elastičnosti,

α- koeficijent linearnog termičkog širenja,

T- razlika temperatura u preseku u funkciji vremena (gradT, na slici 7.15).

Modul elastičnosti (E) opada sa porastom temperature, dok α raste, ali se te

relacije ne mogu analitički izraziti. To znači da se promena termičkih napona sa

vremenom hladjenja može ustanoviti samo ako se raspolaže eksperimentalnim

dijagramima sa kojih se očitavaju vrednosti E i α za odgovarajuće temperature,

odnosno vremena hladjenja; razume se da treba poznavati i krive hladjenja jezgra i

omotača (sl. 7.15) koje definišu ∆T u funkciji vremena hladjenja.

Zato je problematika odredjivanja prelaznih i zaostalih unutrašnjih napona

veoma složena, kako iz aspekta teorijskih objašnjenja tako i praktične provere. Kao

što je već spomenuto nivo termičkih napona je viši pri hladjenju nego pri

zagrevanju zbog veće razlike temperatura po preseku, posebno kad je reč o

kaljenju. Osim toga temperaturski gradijent biće tim veći što je deblji presek

komada i manja termička provodnost metala (legirani čelici su rdjaviji provodnici

toplote nego ugljenični). To znači da kod debelih preseka legiranih čelika treba

više pažnje posvetiti problemu unutrašnjih napona, nego kod tankih preseka i

ugljeničnih čelika.

Maksimalni prelazni naponi (pri oko 600C, sl. 7.15) mogu da stvore

naprsline u spoljašnjim slojevima (σ > Rm), jer oni već nisu u plastičnom području

(za čelik je plastično područje pri T > 600C); zato se, pored ranije navedenih

razloga, za legirane čelike preporučuje blaže sredstvo za kaljenje (npr. ulje). Pored

prelaznih napona štetni su i zaostali naponi koji se zadržavaju i posle hladjenja

predmeta do sobne temperature. Bez obzira na to što na kraju hladjenja, po prirodi

stvari, mora doći do izjednačavanja temperatura u celom preseku komada (sl.

7.15), termički naponi neće iščeznuti i kada bude T = 0. To se tumači ometenim,

neslobodnim širenjem jezgra usled znatno hladnijeg omotača. Zato će konačno

naponsko stanje u ohladjenom valjku biti složeno jer deluju naponi zatezanja i

naponi pritiska

(sl. 7.16). Spoljašnji slojevi biće zategnuti, a jezgro pritisnuto. Unutrašnji naponi su

nepoželjni, jer se superponiraju sa radnim naponima, a mogu izazvati i dimenzionu


181

nestabilnost pri mašinskoj obradi. Zato se oni otklanjaju ili umanjuju termičkom

obradom - otpuštanje napona.

Pojavu strukturnih napona treba dovesti u vezu sa činjenicom da se u nizu

slučajeva ne može ostvariti istovetna struktura po čitavom preseku okaljenog dela.

Sa druge strane, svaka od mogućih struktura ima sopstvenu specifičnu zapreminu.

Ranije je napomenuto da martenzit ima najveću specifičnu zapreminu medju svim

strukturama čelika. Ako se zamisli da je, na primer, martenzitna struktura ostvarena

samo do neke dubine, a da su zone ispod ovog sloja sa nekom od struktura

perlitnog tipa, onda je jasno da će se u spoljnim zonama pojaviti naponi pritiska

(unutrašnji delovi materijala ometaju spoljne u težnji da zauzmu veću zapreminu),

a u unutrašnjim naponi zatezanja (sl. 7.16).

Bez obzira na ovo podvojeno razmatranje uzroka pojave unutrašnjih napona,

oni se superponiraju i u konačnom rezultatu se dobija jedinstven stvarni raspored,

kao i veličina zaostalih napona.

Ovi unutrašnji naponi mogu, zavisno od njihove veličine, rasporeda i

geometrijskih karakteristika dela, dovesti do odgovarajućih deformacija

(vitoperenja, krivljenja, promene zapremine i

sl.). U nepovoljnijim slučajevima oni mogu

izazvati i razaranje-prskanje. Štaviše, prskanje i

ne mora uvek nastupiti u toku samog kaljenja,

već se eventualno može pojaviti i kasnije, na

primer pri brušenju, kada se skidanjem

površinskih slojeva prednapregnutog materijala,

remeti uspostavljena ravnoteža i on se razara.

Do znatnih unutrašnjih napona dolazi

naročito pri kaljenju niskougljeničnih čelika, jer

je neophodno da se oni hlade veoma brzo, radi

dobijanja martenzitne strukture. Medjutim, ova

velika brzina se može ostvariti na površini, ali

ne i u unutrašnjosti masivnijih delova, što

dovodi do formiranja različitih struktura,

odnosno znatnih strukturnih napona. Istina, ovi

čelici podnose unutrašnje napone relativno

dobro zahvaljujući dobrim svojstvima

plastičnosti.

U ovom smislu su od uticaja i drugi

činioci. Na primer, poznato je da čelici sa

krupnozrnom strukturom imaju manju kritičnu

0

00

0

+

--

+

Termički naponi

Strukturni naponi

Slika 7.16 Shema raspodele

termičkihi i strukturnih

napona u kaljenom

čeličnom valjku


182

brzinu kaljenja, pa izgleda na prvi pogled da su oni manje podložni unutrašnjim

naponima (mogu se sporije hladiti pri kaljenju). Ipak, usled povećane koncentracije

napona po granicama velikih zrna, maksimalne vrednosti napona veće su nego kod

sitnozrnih čelika.

U svakom slučaju, unutrašnji naponi su štetni i zato se nastoji da se oni

različitim pogodnim

merama što više smanje.

Na sl. 7.17 su

prikazani shematski neki

primeri deformisanja

delova pri kaljenju,

usled pojave unutrašnjih

napona. Naročito su u

tom smislu nepovoljni vitki i tanki delovi. Medjutim, treba imati u vidu da

deformisanje u stvari predstavlja odgovarajući ustupak unutrašnjim naponima i oni

se usled toga smanjuju. Sa druge strane, u najvećem broju slučajeva primetno

deformisanje delova se ne sme dozvoliti. Vitoperenje (sl. 7.17a) može nastati ako

se predmeti nepravilno potapaju u kadu za termičku obradu. Kao primer, može se u

tom smislu navesti kaljenje čelične ploče. Ako se ona postavi horizontalno i hladi

pljoštimice nastaće znatno vitoperenje, pošto se jedna strana hladi mnogo brže od

druge. Suprotno tome, ako se ista ploča okači vertikalno u kadu sa vodom, obe će

se strane hladiti ravnomerno. No, ipak treba računati s tim da je vitoperenje teže

sprečiti kod dugačkih i vitkih predmeta nego kod kratkih i manje vitkih.

Ponekad se u cilju smanjenja vitoperenja predmeti hlade stegnuti u presama

za kaljenje. Medjutim, pri tome treba računati i sa odgovarajućim većim

unutrašnjim naprezanjima, čime se povećava mogućnost prskanja. Ipak, ovaj način

sprečavanja deformisanja delova ne može se primeniti u svim slučajevima. Takodje

i eventualno naknadno ispravljanje iskrivljenih delova dovodi do dopunskih

unutrašnjih napona.

Navedeni zaključci u vezi sa unutrašnjim naponima pri hladjenju važe u

odgovarajućoj meri i za zagrevanje delova, s tim što pri tome ona dobijaju suprotan

znak. To znači da su pri zagrevanju spoljne zone izložene termičkim naponima

pritiska (kao zagrejanije) i strukturnim naponima zatezanja (pri prelasku

temperature AC1 nastaje najpre u spoljnim zonama austenit, kao struktura sa

najmanjom specifičnom zapreminom).

Iz navedenih razloga treba nastojati da se pogodnim merama spreči nastajanje

velikih unutrašnjih napona, a time i smanji opasnost od deformisanja i prskanja.

Prskanje nastaje kad unutrašnji zatežući naponi nadmaše jačinu na kidanje datog

a) b) c)

Slika 7.17 Primeri deformisanja delova pri kaljenju


183

materijala. Naponi tog nivoa mogu nastati uglavnom pri hladjenju velikom

brzinom na temperaturama ispod Ms. Sklonost ka pukotinama raste kod čelika sa

višim sadržajem ugljenika, kod čelika kaljenih sa viših temperatura i kod čelika

brže hladjenih izmedju temperatura Ms i Mf. Najčešće se naprsline javljaju na

mestima koja su izvor koncentracije napona; to su nagle promene preseka, oštri

žlebovi, nagla promena tvrdoće i sl. Budući da se naprsline ne mogu naknadnim

merama otkloniti, mora se sve preduzeti da se one ne pojave. To znači da treba

eliminisati koncentratore napona: izvesti promenu preseka sa radijusom, zaobliti

ivice žlebova i sl., izvesti kaljenje sa najniže moguće temperature, hladiti predmete

što sporije izmedju Ms i Mf temperature (martempering).

Imajući u vidu da termička provodnost legura opada sa povećanjem stepena

legiranja, može se zaključiti da legirane i naročito alatne čelike treba obazrivo

zagrevati, kako bi se izbegli preveliki naponi. Zato se često zagrevanje delova

izvodi dvostupno, tj. kao: predgrevanje (do temperature oko 400-500C) i zatim

završno zagrevanje. Predgrevanje se obavlja relativno lagano, tako da ima dovoljno

vremena za približno ujednačavanje temperature po preseku, čime se izbegava

pojava velikih termičkih napona. Završno zagrevanje se izvodi brže, jer je u toj

temperaturskoj zoni mogućnost nastajanja napona umanjena usled povećane

plastičnosti materijala.

Termički naponi pri hladjenju mogu se smanjiti ako se upotrebi što blaže

rashladno sredstvo. Na primer, ako se neki čelik može kaliti u ulju onda se neće

uzeti voda, jer bi se time kroz nepotrebno brzo hladjenje povećali unutrašnji naponi

(prebrzo hladjenje ima i drugih negativnih posledica, kao što je npr. smanjenje

prokaljivosti).

Takodje je ranije naglašeno da zagrevanje nadeutektoidnih čelika samo do

temperatura koje su malo iznad tačke AC1 ima, pored ostalog i tu dobru stranu što

se time unutrašnji naponi smanjuju u odnosu na slučaj zagrevanja do iznad ACm

temperature.

Neke greške kaljenja kao što su meke zone (zbog korodiranih, nauljenih ili

ofarbanih površina) mogu se otkloniti ponovnom termičkom obradom; predmet se

najpre normalizuje, a zatim kali. Iskrivljeni i izvitopereni delovi mogu se ispraviti

pod presom i posle toga žariti radi smanjenja napona. U slučaju neuspeha ovih

mera izvitoperen predmet se može podvrći mekom žarenju, a zatim ispraviti na

presi i najzad ponoviti kaljenje.

U greške nastale pri kaljenju spadaju i nedovoljno zagrevanje, pregrevanje i

pregorevanje. Nedovoljnim zagrevanjem, npr. ispod tačke AC3 kod

podeutektoidnih čelika, dobija se posle kaljenja struktura martenzit + ferit.

Pregrevanje nastaje kad se čelik kali znatno iznad predvidjene temperature od 50ºC


184

iznad tačke AC3, odnosno A1,3. Time se dobija početna gruba austenitna struktura,

što posle kaljenja daje krupnoigličasti martenzit rdjavih mehaničkih osobina. Obe

gore objašnjene greške mogu se otkloniti žarenjem i ponovnim kaljenjem.

Pregorevanje nastaje kad se čelik zagreva do blizu solidus temperature. Tom

prilikom izdvajaju se oksidi gvoždja po granicama metalnih zrna i čelik postaje

veoma krt. Ova se greška ne može naknadno otkloniti i deo se odbacuje u staro

gvoždje.

Predmeti koji su u toku kaljenja razugljenisani ili površinski oksidisani, mogu

se prebrusiti ako su predvidjeni dovoljno veliki dodaci za obradu. Na ovaj način se

postiže tražena površinska tvrdoća. U slučajevima kada navedene mere ne daju

željene rezultate, ili kada se pri mašinskoj obradi pojave naprsline (poremećaji

ravnotežnog stanja unutrašnjih napona), predmet se odbacuje kao otpadni materijal.

3.5 Termo-mehanička obrada (TMO) i reaustenitizacija

TMO je noviji način obrade čelika, zasnovan na plastičnom deformisanju

austenita i potonjoj martenzitnoj promeni. U poredjenju sa konvencionalnim

poboljšanjem dobija se viša granica tečenja, te povećanje jačine na kidanje i

duktilnosti. Na osnovu temperature na kojoj se TMO izvodi razlikujemo:

visokotemperatursku termo-mehaničku obradu (VTMO) i

niskotemperatursku termo-mehaničku obradu (NTMO).

U slučaju VTMO čelik se plastično preradjuje deformisanjem po debljini, u

oblasti stabilnog austenita, iznad tačke A3. Posle završenog valjanja na toplo izvodi

se brzo hladjenje vodenim mlazem što sprečava difuzionu promenu austenita, a

omogućava martenzitnu transformaciju. Najzad se valjani proizvodi (ploče, profili)

nisko otpuštaju.

Pri niskotemperaturskoj TMO čelik se najpre austenitizira (iznad tačke A3),

potom naglo hladi do temperaturskog intervala metastabilnog austenita (vidi sl.

6.22b). Na toj temperaturi (oko 500C) čelik se preradjuje valjanjem, pa zatim

direktno kali i najzad nisko otpušta. Na ovaj način mogu se preradjivati samo čelici

koji na dijagramu izotermičkog razlaganja imaju potpuno razdvojene oblasti

perlitne i bejnitne promene kako je prikazano na slici 6.22b.

Reaustenitizacija (kratkovremena austenitizacija, dvostruko kaljenje) je

relativno nova termička obrada visokougljeničnih čelika. Mašinski deo, koji je

prethodno okaljen sa uobičajene temperature kaljenja, naknadno se zagreva do

nešto više temperature i odmah potom kali. U toku zagrevanja jedan deo ugljenika

difunduje na granice zrna i obrazuje fini cementit, a drugi deo (oko 0.3% C) ostaje


185

rastvoren u austenitu. To znači da se kao konačna struktura dobija martenzit sa

0.3% C i fini cementit, što predstavlja najbolju kombinaciju svojstava otpornosti

(Rm, R0.2) i svojstava deformacije (A5 i Z).

3.6 Površinsko kaljenje

Površinsko kaljenje je termička obrada kojom se zakaljuju samo površinski

slojevi komada, dok njegovo jezgro zadržava početnu strukturu. Tako se dobija

velika površinska tvrdoća uz veliku žilavost i manju tvrdoću jezgra što je poželjno

kod delova od kojih se traže sledeće osobine:

velika otpornost površine protiv habanja,

povećana otpornost protiv udarnog dinamičkog opterećenja i

visoka granica zamaranja površine.

Površinsko kaljenje se sastoji iz brzog zagrevanja površinskih slojeva do

temperature kaljenja i zatim brzog hladjenja;

pri tome se austenit u površinskim slojevima

preobražava u martenzit.

Prema izvoru toplote razlikujemo:

površinsko kaljenje plamenom i

indukciono površinsko kaljenje.

3.6.1 Površinsko kaljenje plamenom

Izvor toplote je plamen gorionika u

kome gorivi gas (npr. acetilen i drugi

ugljovodonici) sagoreva u kiseoniku.

Temperatura plamena u smeši kiseonika i

acetilena dostiže 3100C, svetlećeg gasa

2550C, metana 2700C i smeše propan -

butan 2650C. Zadržavanje na temperaturi

kaljenja je kratko. Kao posledica termičkog

histerezisa, prekristalizacione temperature

pomerene su najmanje 150C iznad

ravnotežne temperature AC3. Zbog kratkog

zadržavanja na temperaturi kaljenja ne

dolazi do porasta austenitnog zrna. Po

kaljenju, struktura površinskih slojeva

Tem

pera

tura

Udaljenost od površine

AC3

AC1

I II III

2 4 6 800

20

40

60

Udaljenost od površine, mm

Tvrd

oća H

RC

Slika 7.18 Raspodela temperature i

tvrdoće na različitim

udaljenostima od kaljene

površine


186

sastoji se od veoma sitnog martenzita. Na sl. 7.18 prikazana je promena

temperature i tvrdoće okaljenog čeličnog dela (0.5% C) u zavisnosti od udaljenosti

od površine.

U oblasti I, zagrejanoj iznad AC3, posle kaljenja struktura je martenzitna, u

oblasti II, gde je bila dostignuta temperatura izmedju AC3 i AC1, struktura je

martenzitno-trustitna sa zaostalim feritom, a u oblasti III se zadržala polazna

feritno-perlitna struktura. Površinsko kaljenje plamenom može se izvesti na

postupan način ili izjedna (tab. 7.7).

Postupno kaljenje. Zagrevanje površine delova do temperature kaljenja i

hladjenje odvijaju se postupno jedan deo površine za drugim, tako da se sve svodi

na ponavljanje istih elementarnih operacija. Relativna brzina gorionika je 50-500

mm/min. Kod ravnih ploča gorionik se kreće pravolinijski, a za njim vodena

mlaznica pod uglom od 15-45º u odnosu na kaljenu površinu. Kod velikih

valjčastih površina gorionik i raspršivač su nepomični, a radni deo se obrće (sl.

7.19a). Na graničnoj dubini gde se završava kaljeni sloj stvara se meki venac,

slično kao u podeonoj ravni kod odlivka ili otkovka.

Kaljenje izjedna. Površina celog komada ili njen deo se zagreva do

temperature kaljenja, a zatim se komad hladi u kadi ili prskanjem (sl. 7.19b). Pri

tome gorionik i predmet mogu biti u miru ili u relativnom kretanju.

a) b)

Slika 7.19 Primeri površinskog kaljenja cilindričnih površina: a) postupno kaljenje,

b) kaljenje izjedna

Površinsko kaljenje plamenom naročito je pogodno za delove velikih

dimenzija i jednostavnog oblika kao što su vratila, veliki zupčanici, železnički

točkovi, vodeće površine postolja struga itd. Kod većih serija upotrebljavaju se


187

poluautomatski ili automatski uredjaji za

kaljenje. Površinsko kaljenje je isplativo za

manje serije jer gorionici nisu skupi.

Plamenom se površinski kale uglavnom

čelici sa sadržajem ugljenika 0.3 - 0.5% (npr.

Č1330, Č1430, Č1530), a kod jednostavnih

delova može biti sadržaj ugljenika povećan na

0.6% (Č1730). U slučajevima kada se traže više

mehaničke osobine jezgra koriste se legirani

čelici.

Takodje se mogu površinski kaliti

plamenom sivo, temperovano1 i nodularno

liveno gvoždje, ako je sadržaj ugljenika u

metalnoj osnovi u granicama 0.25 do 0.85%. Pri

većem sadržaju ugljenika u matrici se mogu

pojaviti prsline kaljenja. Posle kaljenja mora se

liveno gvoždje odmah otpustiti na temperaturi 150C, jer se zbog koncentracije

napona na oštrim ivicama grafitnih lamela u martenzitnoj osnovi mogu pojaviti

prsline.

3.6.2 Indukciono površinsko kaljenje

Pri indukcionom zagrevanju se na površini komada generiše struja (Ik) iste

frekvencije ali suprotnog smera od struje koja protiče kroz induktor (Iind) (sl. 7.20).

Površinski slojevi se najpre zagrevaju sekundarnim strujama, a zatim se zakaljuju

prskanjem vodom ili potapanjem u kadu.

Induktor se pravi od bakarne cevčice savijene u obliku navojka, spirale ili

petlje. Bakarnu cevčicu hladi tekuća voda. Gustina indukovane struje u komadu

nije konstantna po njegovom preseku, već raste ka površini. Za utvrdjivanje dubine

prodiranja struje važi izraz:

mmf

,1003.5 4

(7.2)

gde je: f – frekvencija naizmenične struje,

1 Perlitni temper liv može se kaliti i otpuštati, pa se zato zove martenzitni temper liv (CTeL).

Slika 7.20 Induktor za površinsko

indukciono kaljenje


188

- specifični električni otpor i

- magnetni permeabilitet.

Za čelik se gornji izraz može svesti na:

60/ f , mm.

Pošto je dubina sloja obrnuto srazmerna frekvenciji, znači da će dubina

progrejanog sloja opadati sa porastom frekvencije. Izmerene dubine kod

ugljeničnog čelika sa 0.5% C date su u tablici 7.6.

Tablica 7.6 Tipovi frekvencije

Frekvencija f (Hz) Tip Dubina zakaljenog sloja, mm

(zagrevanje 5 s na T 850C)

50 niska 9

1000 srednja 2

104

visoka 0.6

105

visoka 0.2

106

visoka 0.06

Da bi deo bio ispravno zakaljen, neophodno je izabrati temperaturu kaljenja u

zavisnosti od brzine zagrevanja. Kao primer, dat je na slici 7.21 dijagram te

zavisnosti za nadeutektoidni čelik sa 0.9% C; 1.4% Si; 1.15% Cr. Dijagram je

podeljen na tri oblasti koje označavaju: (I)- nedovoljnu temperaturu kaljenja, (II)-

pravilnu temperaturu kaljenja i (III)- pregrevanje materijala. Posle zakaljivanja sa

temperature prve oblasti, u strukturi je pored martenzita perlit i bejnit, posle

zakaljivanja sa temperature druge oblasti nastaje sitni martenzit i po zakaljivanju sa

temperature treće oblasti obrazuje se grubi martenzit. Sa dijagrama se vidi da

svakoj brzini zagrevanja odgovaraju različiti intervali pravilne temperature

kaljenja.


189

Takodje je važna polazna struktura pre površinskog kaljenja. Na sl. 7.22 je

prikazan uticaj prethodne termičke obrade na tok tvrdoće površinski kaljenih

delova. Najbolji rezultati bili su dobijeni pri kaljenju poboljšanih čelika, jer se

sorbit pri brzom zagrevanju najlakše transformiše u austenit.

0.5 1.0 1.5

20

30

40

50

60

70

Udaljenost od površine, mm

Tvrd

oća, H

RC

1

2

3

10

20

30

40

50

60

70

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Sadržaj C, %

Tvrd

oća H

RC

Kaljenje

Indukcionokaljenje

Slika 7.22 Tok tvrdoće površinski kaljenog Slika 7.23 Tvrdoće površinskih slojeva

dela koji je prethodno: posle običnog i indukcionog

1) poboljšan na jačinu 810 MPa, kaljenja

2) normalizovan, 3) žaren

Visokofrekventnim indukcionim kaljenjem se postiže, u poredjenju sa

običnim kaljenjem (pri kome se zagrevanje obavlja u peći), veća tvrdoća površine.

Na slici. 7.23 je data zavisnost tvrdoće površine kaljenog čelika od sadržaja

ugljenika pri različitim načinima kaljenja. Gornja kriva odgovara indukcionom

Zagrevanje, °C/s

100 300 500 700

700

900

1100

1300

Te

mp

era

tura

kalje

nja

, °

C

AC1

III Pregrevanje

II Prava temperatura kaljenja

I Nedogrevanje Inte

rval te

mp

er.

ka

ljen

japri

spo

rom

zag

revan

ju

Slika 7.21 Zavisnost brzine zagrevanja i temperature kaljenja pri površinskom kaljenju


190

kaljenju, donja kriva kaljenju sa uobičajenim zagrevanjem. Veća tvrdoća čelika

austenitizovanih pri brzom zagrevanju i zakaljivanju objašnjava se usitnjavanjem

substrukture martenzita i povećanim brojem dislokacija. Takodje se pri otpuštanju

dobija martenzit viših mehaničkih osobina, naročito udarne žilavosti.

Visokofrekventno indukciono kaljenje povećava jačinu na zamor, zato što u

površinskim slojevima nastaju pritisni naponi, koji sprečavaju pojavu i širenje

zamornih naprslina. Primenjuje se sve češće u mašinstvu, pošto se proces može

potpuno automatizovati i ne zahteva kvalifikovane kalioce. Potrebno vreme se

smanjuje 2.5 puta u odnosu na obično kaljenje, a potrošnja električne energije 5

puta. Uslov je ipak velika serija, jer je početna investicija velika. Najčešće se

indukciono kale kolenasta vratila, bregaste osovine, valjci za hladno valjanje,

zupčanici, zavojna vretena, vodjice strugova, burgije, točkovi kranova, zupčaste

spojnice, mačevi motornih testera za drvo i sl.

Visokofrekventno indukciono kaljenje se može izvesti na dva načina:

postupnim zagrevanjem i kaljenjem cele površine odjednom,

postupnim zagrevanjem i kaljenjem samo odredjenog dela površine.

Pregled različitih varijanti visokofrekventnog indukcionog kaljenja i kaljenja

plamenom različitih mašinskih delova dat je u tab. 7.7.

Tablica 7.7 Metodi površinskog kaljenja delova različitog oblika

Površinsko kaljenje Oblast primene

Postupno

pravolinijsko

sve otvorene površine:

ravne - vodjice struga, trake

ispupčene - bokovi zuba, zupčanici

udubljene - transportne kofice za rastresite materijale

sa vencem

uže rotacione površine:

cilindrične - pogonski točkovi krana

necilindrične - ekscentri

po spirali valjci i zavrtnjevi velikih prečnika, zavrtnjevi

sa rotiranjem dugačke cilindrične površine - valjci, vratila, cevi


191

Izjedna

sa rotiranjem

manje zatvorene površine:

cilindrične - ležišne površine

kružne - čeone površine osovina

višestrane - glave zavrtnja i navrtki, zupčanici

zagrevanje pa

hladjenje

uže ili manje površine:

ravne - radne površine bregastih osovina

profilisane - celi profili zuba, lančanici

u miru male površine - krajevi zavrtnja

3.7 Hemijsko - termička obrada (HTO)

U tehničkoj praksi postoji više slučajeva, kad se traži tvrda površina komada i

istovremeno dovoljna žilavost njegovog jezgra. Kaljeni deo ispunjava zahteve u

pogledu tvrdoće, ali u celini ostaje krt; otpuštanjem se povećava žilavost, opada

tvrdoća. Zahtev za visoku tvrdoću površine i žilavo jezgro istovremeno, može se

ostvariti bilo površinskim kaljenjem ili procesima koji se zajednički nazivaju

hemijsko-termička obrada. Za razliku od površinskog kaljenja, kod ovih procesa

odvija se difuzno zasićenje površine čelika metalom ili nemetalom na povišenoj

temperaturi, tj. menja se hemijski sastav, a time i osobine površine; sastav ispod

površinskog sloja ostaje neizmenjen. Kod nekih od ovih procesa, posle promene

hemijskog sastava površine, izvodi se termička obrada dok kod drugih procesa ona

nije nužna.

Medju glavne načine hemijsko-termičke obrade ubrajaju se:

1) cementacija,

2) nitriranje,

3) cijanizacija i karbonitriranje,

4) drugi načini HTO otvrdnjavanja površine (alitiranje, siliciranje, hromiranje,

boriranje).


192

3.7.1 Cementacija

Spada u najrasprostranjenije metode HTO. Pri cementaciji se zasićuje

površina nelegiranih i legiranih čelika ugljenikom koji u stanju isporuke sadrže

0.15-0.25% C. Posle cementacije ovi se čelici mogu zakaliti na visoku površinsku

tvrdoću. Pošto se % C povećava samo u površinskom sloju komada, ostaje

zadržana velika žilavost jezgra. Cementacija se može izvesti u gasovitoj, čvrstoj i

tečnoj sredini. U svim sredinama, za cementaciju je neophodan atomni ugljenik in

statu nascendi (u stanju stvaranja). On se uglavnom dobija hemijskom reakcijom

ugljenmonoksida (CO) sa usijanim gvoždjem ili razlaganjem metana (CH4). Pri

temperaturi cementacije (oko 900ºC) odvijaju se reakcije:

22CO CO C ;

(7.3)

4 22CH H C ;

(7.4)

Reakcija (7.3) odvija se pri dodiru CO sa usijanim gvoždjem koje deluje kao

katalizator.

Ako su smese CO i CO2 pri odredjenoj temperaturi u kontaktu sa dovoljnom

količinom ugljenika, npr. u obliku grafita, tada ravnoteža izmedju CO i CO2 zavisi,

pri konstantnom pritisku, samo od temperature. Ravnotežne sadržaje CO i CO2

daje tzv. Buduarova (Boudouard) kriva data na sl. 7.24. Sa slike se zapaža da se pri

višim temperaturama ravnotežni odnos CO : CO2 pomera ka višem sadržaju CO;

pri nižim je obrnuto, ka višem CO2. Pri odredjenoj temperaturi, npr. 700ºC (sl.

7.24) uspostavlja se ravnotežni odnos CO i CO2. Ako je sadržaj CO viši od

ravnotežnog stvara se nascentni ugljenik te nastaje naugljenisavanje čelika.

Suprotno tome, pri sadržaju CO2 iznad ravnotežnog nastaje razugljenisavanje, tj.

adsorpcija ugljenika iz površinskih slojeva čelika.

Pretpostavimo sada, da je čisto gvoždje opkoljeno smešom CO i CO2

odredjenog sastava i visoke temperature. Bude li u tom sastavu veći sadržaj CO

nego što odgovara ravnotežnom odnosu, na površini gvoždja izlučivaće se ugljenik,

koji će se sjedinjavati sa gvoždjem kao cementit. Pri dovoljnoj količini gasa,

ugljenik će se izlučivati toliko dugo dok se ne postigne maksimalna rastvorljivost

koju za datu temperaturu daje linija ES u dijagramu Fe - Fe3C (vidi sl. 4.3). Ako bi

bilo izlučivanje ugljenika tako brzo da ne bi stigao da se rastvori, taloži se višak na

površini kao čadj. Suprotno, ako je u smeši veći sadržaj CO2 nego što odgovara

ravnotežnoj krivoj, odvija se reakcija ulevo, tj. nastaje razugljeničavanje čelika.


193

a) Cementacija u gasu

Glavni sastojci gasa za

naugljenisavanje su

ugljenmonoksid (CO), zasićeni i

nezasićeni ugljovodonici (metan,

propan, butan); pri visokoj

temperaturi i usled katalitičkog

delovanja gvoždja, CO i CH4

stupaju u reakcije date

jednačinama (7.3) i (7.4).

Povišenje temperature

potpomaže tok reakcija (7.3 i

7.4) udesno, tj. naugljenisavanje

komada, a snižavanje deluje suprotno tj. komad se razugljenisava.

Cementacija u gasu u odnosu na cementaciju u čvrstom stanju (prašku) ima

neke prednosti:

a) cena je niža,

b) jače prodire ugljenik u dubinske slojeve,

c) vremena su kraća, pošto je zagrevanje brže nego zagrevanje u cementacionom

sanduku i

d) površina je čista bez zapečene cementacione mase.

U industrijskim pogonima cementacija u gasu izvodi se u (jamskim) šaht-

pećima, koje se nazivaju monokarb. Za stvaranje gasne atmosfere, u tim pećima

koje imaju hermetičnu komoru gde se ubacuju delovi za cementaciju,

upotrebljavaju se nisko isparljive tečnosti. Ta tzv. cementaciona tečnost je smesa

terpentina1 i alkohola (ili petroleja) trgovačke oznake "Teral". U peći, zagrejanoj

do oko 950ºC, ova tečnost prelazi u gas koji sadrži približno: 27% CO, 65% H2,

2% CH4, 5% N2 i tragove viših ugljovodonika.

U monokarbu je nužno kontrolisati hermetičnost peći (tj. održavanje

natpritiska) i naugljenišući potencijal atmosfere. Natpritisak u elektro peći se meri

veoma jednostavno; u staklenu posudu sa vodom zagnjuri se cevčica (na dubinu 30

mm), koja je spojena sa atmosferom peći. Ako je u monokarbu dovoljan natpritisak

1 Terpentin je balzam (polutečna smolasta materija) dobijen zasecanjem kore četinara; u stvari to je

smesa terpentinskog ulja i kolofonijuma (C10H16).

400 600 800 1000

100

80

60

40

20

0

0

20

40

60

80

100

Temperatura, °C

% C

O

% C

O2

CO CO2

Slika 7.24 Buduarova kriva


194

probijaju se mehurovi gasa kroz tečnost. Ako se mehurovi ne probijaju, u peći je

manji natpritisak i cementacioni gas se gubi kroz nehermetično zatvorena mesta.

Sadržaj ugljenika u austenitu koji je u ravnoteži sa gasovitom smesom pri

datoj temperaturi, daje tzv. naugljenisavajući potencijal atmosfere ili ugljenični

potencijal atmosfere. Što je viši naugljenišući potencijal atmosfere, tim će veći biti

sadržaj ugljenika i obrnuto. Pošto površinski slojevi posle cementacije treba da

imaju približno eutektoidni sastav, neophodno je kontrolisati atmosferu. Najbrža je

kontrola pomoću tzv. tačke orošavanja koja se definiše kao temperatura pri kojoj se

prvo zamagli sjajna ploča koja je u dodiru sa ispitivanom atmosferom. Pomoću

ustanovljene tačke rose može se zatim iz poznatih dijagrama odrediti koliki će biti

sadržaj ugljenika u komadu pri odredjenoj temperaturi cementacije (sl. 7.25).

815°C

870°C

925°C1040°C

980°C

1095°C

1150°C

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1

-10

-5

0

5

10

15

20

Sadržaj ugljenika, %

Tem

pera

tura

, °

C

C

B

A150

20

50

Slika 7.25 Zavisnost tačke rose od temperature i Slika 7.26 Pribor za odredjivanje

sadržaja ugljenika tačke rose

Odredjivanje tačke rose veoma je jednostavno (sl. 7.26). U zatvoreni stakleni

cilindar A postavljena je hromirana bakarna cev (B), koja ima prečnik oko 20 mm.

U cevi je tečnost čija se temperatura meri termometrom (C). Oko cevčice struji

ispitivani gas. Ako sada postepeno snižavamo temperaturu tečnosti (npr. suvim

CO2), cevčica se pri odredjenoj temperaturi orošava. Izmerena temperatura daje

tačku rose. Na primer, za tačku rose od -5ºC i temperaturu cementacije 980ºC,

može se dobiti 0.7% C u površinskim slojevima (sl. 7.25).

b) Cementacija u čvrstom sredstvu (prašku)

Cementacija u čvrstom sredstvu se izvodi u praškastoj smesi čije glavne

sastojke čine drveni ugalj i viterit (BaCO3). Radni delovi se najpre stavljaju u

čelični (zavaren) sanduk koji se zasipa ovom smesom, zatim se stavlja poklopac i

premazuje glinom, i najzad sanduk unosi u peć temperature oko 950ºC, u kojoj se


195

drži približno 6h. Ugljenik iz drvenog uglja ne prelazi direktno u čelik već

posredstvom CO i CO2.Pri zagrevanju reaguje najpre vazdušni kiseonik iz sanduka

sa ugljenikom iz drvenog uglja prema jednačini:

22 2C O CO .

(7.5)

U prisustvu gvoždja nastaje reakcija:

22 atomniCO CO C (atomni ugljenik in statu nascendi).

(7.6)

Atomni ugljenik prodire u spoljašnje slojeve komada, a preostali

ugljenmonoksid dalje reaguje sa površinom komada po jednačini:

3 22 3CO Fe Fe C CO .

(7.7)

To znači da se naugljenisavanje opet odvija preko gasne faze. Reakciju

ubrzava prisustvo BaCO3, koji sa ugljenikom stvara dodatnu količinu CO:

3 2BaCO C BaO CO ;

3 22 3CO Fe Fe C CO ;

(7.8)

2 3CO BaO BaCO .

Sadržaj BaCO3 u cementacionoj smesi se kreće izmedju 8 i 20% zavisno od

toga koliko jako treba sredstvo da deluje. Pri većem sadržaju BaCO3 je sposobnost

naugljenisavanja veća i obrnuto.

Cementacija u čvrstom sredstvu ne zahteva velike investicije, jer se može

izvesti u bilo kojoj peći, ali su vremena duža i rad otežaniji, tako da je pogodna

samo za cementaciju jednostavnih komada. Oni se slažu u sanduk naizmenično sa

ćumurom, granulacije 3-10 mm, ubacuju u peć zagrejanu do 950ºC, drže u njoj oko

6h; posle toga sanduk se vadi i hladi do 450ºC. Na ovoj temperaturi sanduk se

otvara, delovi izbacuju i hlade do sobne temperature. Posle toga, delovi se kale i

nisko otpuštaju.


196

c) Cementacija u tečnoj sredini

Cementacija u tečnosti se izvodi u cijanidnim kupatilima od vatrostalnog

materijala (obloge od grafitnih ploča) pri temperaturi 840 do 930C. Ovaj postupak

treba razlikovati od cijaniziranja, kada je u kupatilu više cijanida i kada površinski

slojevi imaju viši sadržaj azota, a niži sadržaj ugljenika. Primer sastava kupatila dat

je u tab.7.8.

Kupatilo se može zagrevati spolja gasom ili direktno strujom koja protiče

izmedju uronjenih elektroda.

Tablica 7.8 Sastav kupatila za cementaciju

Sastojak

Sadržaj sastojaka (%) pri temperaturama

840 - 900C 900 - 930C

NaCN 10 - 23 6 - 16

BaCl2 0 - 40 30 - 55

KCl 0 - 25 0 - 20

NaCl 26 - 40 0 - 20

Na2CO3 max 30 max 30

NaNCO max 1 max 0.5

Osnovni parametri cementacije


197

Na kraju, za sve postupke cementacije treba još jednom navesti osnovne

parametre: temperaturu zagrevanja, vreme držanja i debljinu cementiranog sloja.

Temperatura mora biti iznad tačke AC3. U intervalu temperatura 800-850C

proces je spor pa su zato najpogodnije temperature oko 900C. Pri temperaturama

iznad 900C mogu se cementirati sitnozrni čelici sa dodatkom titana kod kojh ne

ogrubljava austenitno zrno ni pri dugom zadržavanju.

Vreme držanja na odabranoj temperaturi odredjuje se prema traženoj debljini

cementiranog sloja. Pri cementaciji u čvrstom sredstvu dobija se maksimalna

debljina sloja od ~ 1.5 mm, a za dublje slojeve već su vremena prilično duga pa je

povoljnija cementacija u gasu, odnosno u tečnosti. Uticaj vremena na dubinu

cementiranog sloja pri cementaciji u različitim sredinama na temperaturi od 900C

dat je na sl. 7.27.

Debljina cementiranog sloja se odredjuje na različite načine:

merenjem udaljenosti od površine komada, pa do dubine koja sadrži 0.40% C,

merenjem udaljenosti površine na kojoj je posle kaljenja tvrdoća 50, odnosno 55

HRC i

usvajanjem da cementirani sloj odgovara dubini koja potamni posle nagrizanja sa

5% ili 10% rastvora HNO3 u alkoholu. U cementirani sloj tada se uračunava i

polovina prelazne zone1.

3.7.2 Termička obrada pre i

posle

cementacije

Pre cementacije, delovi se bilo

normalizuju ili poboljšavaju. Neki

autori navode da poboljšani delovi

imaju posle cementacije manju

deformaciju; novija ispitivanja ipak

nisu potvrdila te stavove, tako da se

pre cementacije većinom delovi

samo normalizuju. Posle

1 Idući od površine razlikuju se (pre kaljenja) perlitno-cementitna struktura, potom perlitna i najzad

prelazna feritno-perlitna struktura.

0 4 8 12 140

0.5

1.0

1.5

2.5

900°C

Gas

Kupatilo

Čvrsta sredina

Vreme, h

Dub

ina s

loja

, m

m

Slika 7.27 Zavisnost dubine cementiranog sloja

od temperature i vremena cementacije


198

cementacije se delovi uvek kale1. Prema traženim osobinama delova mogu se načini

kaljenja posle naugljenisavanja podeliti na tri grupe:

direktno kaljenje,

jednostruko kaljenje i

dvostruko kaljenje.

Shematski su svi načini prikazani na slici 7.28.

Direktno kaljenje. Posle završenog naugljenisavanja delovi se kale direktno

sa temperature cementacije (900ºC) bilo u vodi ili ulju (sl. 7.28, kriva A2). Pošto je

temperatura kaljenja od 900ºC previsoka za eutektoidni sastav, u površinskom sloju

dobija se grub martenzit nepovoljnih osobina. Direktno kaljenje se može poboljšati

tako, što se deo pre kaljenja najpre sporo ohladi do iznad temperature AC1 (sl. 7.28,

kriva A1), a zatim zakali. Ovaj način istina ne usitnjava zrna, ali ipak snižava nivo

termičkih napona.

Jednostruko kaljenje posle zagrevanja. Sa temperature cementacije komad se

sporo hladi do sobne temperature. Zatim se kali bilo sa temperature iznad A3, tzv.

kaljenje na jezgro (sl. 7.28, način B1), ili iznad AC1, tzv. kaljenje na površinu (sl.

7.28, način B3); način B2 je kompromisan. Kaljenje B3 daje sitno igličast martenzit

i najmanje deformacije, dok jezgro ima veću količinu ferita.

Dvostruko kaljenje. Kod ovog načina deo se najpre sporo hladi sa

temperature cementacije do sobne temperature, zatim se kali na jezgro (tj. iznad

AC3) da bi se usitnilo zrno, i najzad se ponovo kali na površinu (tj. iznad AC1), (sl.

7.28, način C).

Posle kaljenja delovi se nisko otpuštaju pri temperaturama 150 do 180C,

izuzetno pri 200C. Tvrdoća površine se kreće od 58 do 62 HRC.

1 Kaljenje je neophodno da se u površinskim slojevima dobije martenzit i da se gruba zrna (površine i

jezgra) nastala dugotrajnim žarenjem delova na 950ºC, transformišu u sitnija zrna.


199

A1 A2 B1 B2 B3 C

AC3

AC1

Temperatura cementacije

Slika 7.28 Shema toka nekih načina kaljenja posle cementacije

3.7.3 Nitriranje

Nitriranje je difuziono zasićenje površine čelika azotom u gasnoj ili tečnoj

sredini, pri čemu se stvara površinski sloj, koji sadrži visoko dispergovane tvrde

nitride legirajućih elemenata. Nitriranje (tvrdo (pri 600 - 850C) ili antikoroziono

(pri 500 - 590C)) se može izvesti:

1) u gasovitoj sredini atomnim azotom, koji se oslobadja iz azotnih jedinjenja

raspadnutih pri višim temperaturama;

2) u kupatilu i

3) jonsko nitriranje.

1) Nitriranje u gasu. Za pripremanje nitracione atmosfere se većinom koristi

tečan amonijak koji disocira prema jednačini:

32 6 2 atNH H N (in statu nascendi)

(7.9)

Nascentni azot koji se oslobadja na površini komada, difunduje u površinske

slojeve čelika i sa nekim legirajućim elementima obrazuje nitride. Temperatura

tvrdog nitriranja se kreće od 500 - 540C. Pošto je pri ovim temperaturama mala

brzina difuzije, vremena nitriranja su duga, debljina slojeva je reda veličine desetih

delova milimetra (0.1-0.5 mm).

Delove namenjene za nitriranje potrebno je prethodno površinski i termički

obraditi (kaljenjem i otpuštanjem). Tako obradjeni delovi stavljaju se u hermetične

komorne električne peći, u koje se dovodi amonijak iz boce. Tvrdo se nitriraju

delovi automobilskih i avionskih motora, uglavnom osovinice klipova, kolenasta

vratila, delovi vodene pumpe i pumpe za gorivo.


200

Sadržaj ugljenika kod čelika za nitriranje se kreće od 0.3 do 0.4%. Da bi se na

površini stvorio pojas sa tvrdim dispergovanim nitridima, legiraju se čelici za

nitriranje elementima koji grade tvrde nitride. Najčešće se koristi kombinacija Al,

V, Cr sa dodatkom Mo (npr. čelik sastava: 0.4% C; 0.5% Mn; 0.25% Si; 1.4% Cr;

1% Al; 0.2% Mo; + P i S). Aluminijum obrazuje nitride AlN, koji su u obliku

veoma sitnih čestica rasejanih u feritu, tako da čelici za nitriranje koji sadrže Al

imaju maksimalnu tvrdoću. Hrom povećava prokaljivost i obrazuje nitride koji su

manje tvrdi nego nitridi aluminijuma. Kod čelika bez aluminijuma se zato

povećava sadržaj hroma do 2.5%. Vanadijum gradi veoma stabilan, tvrdi nitrid

VN. Pošto se nitrira na temperaturi gde se oslobadja izotermička komponenta

otpusne krtosti, većina čelika za nitriranje ima dodatak molibdena. Čelici bez Mo

se koriste samo u onim slučajevima gde se ne traži dobra žilavost.

Nitriranje alatnih čelika u gasnoj atmosferi zahteva posebne mere jer je

potreban tanak sloj ravnomerne debljine. To se postiže primenom pogodne retorte,

koja omogućuje minimalnu disocijaciju amonijaka. Kod alata od brzoreznih čelika

dovoljan je ciklus od 30 do 60 min pri 540-560C. Površine koje treba zaštititi od

nitriranja prethodno se kalajišu, ili se elektrolitički nikluju ili bakarišu. Istina, kalaj

se topi na temperaturi nitriranja, ali kao zaštita ostaje tanak kalajni film.

2) Nitriranje u kupatilu (tenifer postupak). Sprovodi se u smeši rastopljenih

cijanida (NaCN) i kristalne sode (Na2CO3) pri temperaturi oko 560C. Iz ove smeše

izdvajaju se atomni N i C, a u površinske slojeve čelika difunduje uglavnom N, jer

je za difuziju ugljenika potrebna viša temperatura (oko 950C). Otpornost na

habanje nitriranih alata za obradu rezanjem povećava se ne samo zbog porasta

tvrdoće već i zbog smanjenja koeficijenta trenja. Zato se u kupatilu nitriraju

uglavnom alati kao što su nareznice, glodači, proširivači od brzoreznog čelika.

Pošto se zahteva tanak sloj ( 0.05 mm), proces ne traje duže od 30 minuta

3) Jonsko nitriranje. Postupak se ostvaruje u komori koja sadrži gasove NH3

i N2, a deo koji se nitrira vezuje se za negativan pol izvora struje (katodu), a zid

komore za pozitivan pol (anodu). Pozitivni joni gasa bombarduju komad (katodu) i

zagrevaju ga do potrebnih temperatura. Sam proces se odvija u tri faze: u prvoj

nastaje čišćenje površine, u drugoj difuzija atoma azota, i u trećoj hladjenje delova

u vakuumu. Difuzioni sloj obrazuju čvrsti rastvori azota u α- Fe i nitridi azota sa

Al, Cr, V i Mo. Ovim se postupkom nitriraju čelici i livena gvoždja. Nelegirani

čelici imaju tvrdoću difuzionog sloja 350-550 HV0.3, visokolegirani alatni i

nerdjajući čelici dostižu 1000 HV0.3. Na ovaj način se radni vek kovačkih i

preserskih kalupa može povećati 3-10 puta.


201

3.7.4 Cijanizacija i karbonitriranje

Ovi postupci se sastoje u istovremenom obogaćivanju površinske zone čeličnih

delova ugljenikom i azotom, posle čega se izvodi kaljenje. Pri tome je cilj da se

postigne velika površinska tvrdoća kod alatnih čelika i otpornost prema habanju kod

konstrukcionih čelika.

Cijanizacija se obavlja potapanjem delova u tečna sredstva, odnosno istopljene

soli koje sadrže cijansku grupu (CN), kao što su: NaCN, KCN, Ca(CN)2 i dr. Otuda

potiče i naziv postupka.

Rezni alati od brzoreznih čelika i visokohromni čelici za alate pri obradi

deformisanjem podvrgavaju se cijanizaciji niskotemperaturskim postupkom (T = 510-

560ºC,

t = 10-30 min, dubina sloja 0.05 mm, 900-950 HV). Delovi mašina od konstrukcionih

srednje ugljeničnih čelika postaju otporniji na habanje posle visokotemperaturske

cijanizacije (T ≈ 778ºC, 58-62 HRC (680-760 HV)). Pored alatnih čelika cijaniziraju

se i konstrukcioni čelici, uglavnom delovi avionskih motora i automobila više klase

(rukavci kolenastih vratila, bregaste osovine, stabla ventila, cilindarske košuljice,

brizgaljke dizel motora). Isto tako se tretiraju i vretena mašina alatki, zupčanici,

ekstruderi, matrice za presovanje plastike, kontrolnici. U pogledu kvaliteta cijanizacija

je slična cementaciji, ali daje znatno veću tvrdoću - najveću koja se može postići pre

naknadne termičke obrade, koja se sastoji iz kaljenja i niskog otpuštanja.

Karbonitriranje je postupak difuznog unošenja ugljenika i azota iz odgovarajuće

gasne atmosfere u plitke površinske slojeve čeličnih delova. Posle toga obavlja se

kaljenje, najčešće u ulju. Po svojoj suštini ovaj postupak je blizak

visokotemperaturskoj cijanizaciji, a po rezultatima cementaciji. Zato karbonitriranje

često zamenjuje cementaciju jer kraće traje i daje čistije površine (zahvaljujući azotu).

Zadatak azota je da delujući kao legirajući element smanji kritičnu brzinu

hladjenja (kaljenja), jer se i on, pored ugljenika, rastvara u austenitnoj γ-rešetki. Zato

se pri karbonitriranju hladjenje može izvoditi i sa manjom brzinom, tj. u ulju umesto u

vodi što smanjuje opasnost od deformacija.

Dubina karbonitriranog sloja ne prelazi 0.8 mm (najčešće ispod 0.60 mm), a ako

su potrebne veće dubine otvrdnjavanja obično se koristi gasna cementacija. Posle

kaljenja i otpuštanja dobija se površinska tvrdoća oko 63 HRC, a struktura se sastoji,

od finih kristala martenzita, fino dispergovanih karbidno-nitridnih čestica i 25-30%

zaostalog austenita. Ovaj austenit poboljšava radne osobine, naročito kada su u pitanju

bešumni zupčanici.


202

Temperatura karbonitriranja je nešto niža od temperature cementacije, a viša od

temperature nitriranja, tako da predstavlja izvestan kompromis sa gledišta brzine

difuzije ugljenika i azota. Zagrevanje je u granicama 800-900C za konstrukcione

čelike što daje karbidnu strukturu otvrdnutog sloja, i 830-850ºC za alatne čelike kad se

dobija pretežno nitridna struktura tog sloja.

3.7.5 Ostali metodi termo-hemijskog otvrdnjavanja

površine (difuzna metalizacija)

Pored navedenih postupaka, koriste se i postupci difuzne metalizacije, čiji je cilj

da se uvodjenjem odgovarajućih elemenata u površinske slojeve čelika i livenih

gvoždja postignu povoljna svojstva (povećana otpornost prema habanju, koroziji itd.).

Za difuznu metalizaciju upotrebljavaju se uglavnom sprašene ferolegure

(feroaluminijum, ferohrom i ferosilicijum) sa dodatkom nišadora NH4Cl, koji na

visokoj temperaturi ~1000ºC hemijski reaguje sa ferolegurama obrazujući lako

isparljive hloride (AlCl2, CrCl2, SiCl4). Pri dodiru sa usijanim čelikom, ovi hloridi

disociraju, a na površini komada ostaju slobodni atomi (Al, Cr, Si) koji difunduju u

čelik. Ovi elementi obrazuju sa α- Fe supstitucijske čvrste rastvore, koji poboljšavaju

osobine površinskih slojeva.

Alitiranje - obogaćivanje površinskih slojeva aluminijumom, radi povećanja

otpornosti na oksidaciju do oko 900ºC i koroziju u morskoj vodi.

Siliciranje - obogaćivanje površinskih slojeva silicijumom, što doprinosi

korozionoj otpornosti u morskoj vodi i kiselinama HNO3, H2SO4, HCl.

Tvrdo hromiranje - obogaćivanje površinskih slojeva hromom, što daje visoku

površinsku tvrdoću, otpornost na habanje i vatrootpornost i korozionu otpornost u

morskoj vodi i HNO3.

Boriranje - obogaćivanje površinskih slojeva borom putem elektrolize boraksa

(Na2B4O7) pri 930-950ºC. Dubina otvrdnutog sloja je 0.1-0.2 mm, a tvrdoća dostiže

1800-2000 HV. Osim toga boriranjem se postiže visoka otpornost na habanje i

koroziju. Nalazi primenu za opremu u petrohemiji.

Na kraju poglavlja o termičkoj obradi daje se pregled postupaka, oblast njihove

primene, kao i efekti te primene (tab. 7.9).

Tablica 7.9/1 Postupci termičke obrade čelika

TERMIČKA OBRADA ZA HOMOGENIZACIJU I USITNJAVANJE ZRNA


203

Vrsta termičke

obrade Vrsta čelika Efekti termičke obrade

Potpuno žarenje

(Žarenje)

Čelici sa manje od 0.15% C,

delovi preradjeni na hladno,

odlivci

Omekšavanje strukture, dobra

istegljivost i deformabilnost

Normalizacija Ugljenični i legirani čelici,

delovi preradjeni na hladno

Ujednačenost strukture, usitnjavanje

zrna, dobra istegljivost

Sferoidalno

žarenje (Meko)

Visokolegirani i legirani

čelici, delovi preradjeni na

hladno

Najmekša struktura, maksimalna

istegljivost, popravlja se mašinska

obradljivost visokougljeničnih

čeličnih livova

Popuštanje

napona

Svi čelici, posebno zavareni

spojevi, delovi mašinski

obradjeni ili hladno

oblikovani, svaki složeni deo

posle termičke obrade

Smanjuju se unutrašnji naponi i

svode deformacije na minimum,

početna struktura se ne menja

Tablica 7.9/2 (nastavak) Postupci termičke obrade čelika

POSTUPCI POTPUNOG KALJENJA

Kaljenje i

otpuštanje

(vrste)

Svi ugljenični i legirani

čelici sa preko 0.25% C

Povećava se jačina na kidanje i

pritisak, raste tvrdoća i otpornost na

habanje

Austempering

Svi ugljenični i legirani

čelici sa preko 0.35% C,

posebno visoko prokaljive

legure

Slično kaljenju i otpuštanju ali se

dobija bejnitna mikrostruktura.

Minimalno krivljenje posle termičke

obrade. Obično se ne primenjuje

otpuštanje


204

Martempering Isto kao austempering

Isto kao kaljenje i otpuštanje, ali je

struktura martenzitna, visoke jačine i

minimalne plastičnosti

Taložno

ojačanje

Samo za specijalno

precipitaciono kaljive legure

Niske temperature i sporo hladjenje

prouzrokuju najmanje krivljenje od

svih postupaka kaljenja

Zamrzavanje

Visokougljenični čelici

kaljeni sa visokih

temperatura

Potpuno se transformiše veći deo

zaostalog austenita i tako eliminiše

mogućnost krivljenja zbog spontanog

preobražaja austenita

POSTUPCI POVRŠINSKOG OTVRDNJAVANJA

Gasna

cementacija

Ugljenični i legirani

čelici sa manje od

0.25% C

Povećava se zamorna jačina, otpornost na

habanje, torziona jačina i jačina na savijanje

Karbonitriranje Isto kao cementacija Isto kao gore, s tim što je otvrdnut sloj plići i

tvrdji a krivljenje je manje

Gasno nitriranje Legure za nitriranje i

neki alatni čelici

Najveća otpornost na habanje a najmanje

krivljenje od svih postupaka otvrdnjavanja.

Rastu zamorna i torziona jačina.

Meko nitriranje

(Tenifer)

Većina ugljeničnih i

legiranih čelika

Može se primeniti za širu grupu čelika.

Površinska tvrdoća je neznatno manja nego

kod gasnog nitriranja

Jonsko nitriranje

Ugljenični čelici i

livena gvoždja,

visokolegirani čelici,

čelici za nitriranje,

nerdjajući i alatni

čelici

Povećanje otpornosti na habanje; kod kalupa

(matrica) i valjaka radni vek se povećava

3-10 puta

Indukciono

kaljenje

Svi ugljenični i

legirani čelici sa

preko 0.35% C

Najdublji sloj od svih postupaka

površinskog otvrdnjavanja. Raste dozvoljeno

opterećenje, otpornost na habanje, zamorna i

torziona jačina


205

DEFINICIJE I DOPUNE:

Kritične temperature čelika: temperature pri kojima nastaju fazne i druge

promene u čvrstom stanju.

Osnovne vrste termičke obrade čelika: žarenje, kaljenje, otpuštanje.

Specijalne vrste termičke obrade: termo-mehanička obrada, reaustenitizacija,

indukciono kaljenje, hemijsko-termička obrada.

Difuziono žarenje: zagrevanje i progrevanje ingota i čeličnih odlivaka blizu

solidus temperature, pa zatim sporo hladjenje.

Normalizacija: zagrevanje čelika na temperaturama 30-50ºC iznad AC3 i ACm i

sporo hladjenje na mirnom vazduhu.

Meko žarenje: zagrevanje neznatno ispod AC1 i sporo hladjenje. Lamelarni cemen-

tit prelazi u povoljniji globularni (sferoidalni) cementit (sorbit).

Potpuno žarenje: zagrevanje čelika 30-50ºC iznad AC3 i ACm, zatim sporo hlad-

jenje do A1 u peći i najzad na mirnom vazduhu do sobne temperature.

Rekristalizaciono žarenje: zagrevanje i progrevanje delova preradjenih na hladno;

zagrevanje legura je iznad temperature rekristalizacije (iznad 0.6Tt, a ispod AC1), a

hladjenje proizvoljnom brzinom.

Medjufazno žarenje: žarenje metala izmedju pojedinih faza valjanja na hladno;

time se vaspostavlja plastičnost metala opala zbog hladnog ojačanja, što je uslov za

dalje deformisanje, tj. nastavak procesa hladne prerade.

Žarenje za popuštanje napona: termička obrada odlivaka, zavarenih spojeva,

delova preradjenih na hladno i dr., radi smanjenja nivoa zaostalih napona.

Kaljenje čelika: zagrevanje čelika do austenitne odnosno austenitno-cementitne

strukture, progrevanje i hladjenje brzinom većom od kritične.

Zapreminsko (potpuno) kaljenje: zakaljivanje komada po celom preseku.

Površinsko kaljenje: zakaljivanje samo plitkih površinskih slojeva tretiranih

delova.

Martenzitno kontinualno kaljenje: izvodi se neprekidnim hladjenjem sa tempera-

ture kaljenja do temperature rashladnog sredstva, koja mora biti niža od Ms- tem-

perature.

Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering): postupak kaljenja pri kome se

koristi posredno sredstvo za hladjenje - sono kupatilo temperature nešto iznad Ms;


206

vreme držanja mora biti kratko da se spreči početak transformacije austenita u be-

jnit.

Izotermičko bejnitno kaljenje (austempering): postupak kaljenja u sonom ku-

patilu iznad temperature- Ms, sa vremenom držanja dovoljnim da se austenit pot-

puno transformiše u bejnit. Na ovaj se način ugljenični eutektoidni čelik može pot-

puno zakaliti na bejnit.

Otpuštanje čelika: postupak naknadnog zagrevanja zakaljenog čelika ispod tem-

perature AC1 s ciljem da se tvrda i krta martenzitna struktura transformiše u ot-

pušteni martenzit.

Otpusna krtost: štetna pojava manifestovana porastom tvrdoće, opadanjem žila-

vosti i duktilnosti pri otpuštanju čelika legiranih sa Mn, Cr, Ni; krtost raste posle

sporog hladjenja čelika oko 500ºC.

Poboljšanje: kombinovana termička obrada koja obuhvata kaljenje i visoko ot-

puštanje (500-700ºC). Popravljaju se sve korisne osobine čelika: jačina, žilavost,

plastičnost.

Taložno kaljenje: otvrdnjavanje nekih legura povezivanjem tehnoloških operacija

presićenja i starenja.

Presićenje: pri brzom hladjenju nekih legura iz oblasti povišenih temperatura, one

i na sobnoj temperaturi zadržavaju višak rastvorka ostajući jednofazne, mada rav-

notežnim uslovima tih legura odgovara dvofazno stanje i manji sadržaj rastvorka.

Starenje: zagrevanje prethodno presićene legure do temperature niže od granične

rastvorljivosti.

Termička obrada ispod nule: hladjenje okaljenih delova do niskih temperatura

(-30 do -60ºC) radi transformacije zaostalog austenita u martenzit (za čelike sa

C > 0.60%).

Zakaljivost čelika: mogućnost kaljenja uslovljena sadržajem ugljenika (kod

nelegiranih čelika taj je uslov: C > 0.25%).

Prokaljivost: dubina zakaljenog sloja koja zavisi od hemijskog sastava čelika i

veličine austenitnog zrna. Jako prokaljiv legiran čelik može se zakaliti i na debelim

presecima, a ugljenični samo do 16 mm debljine.

Ispitivanje prokaljivosti po Džomini metodi: cilindrična čelična epruveta preč-

nika 25 mm i dužine 100 mm, austenitizira se i potom kali mlazom vode sa jedne

čeone površine. Prokaljivost se procenjuje merenjem tvrdoće od čela epruvete pa

do udaljenja od oko 64 mm.


207

Sredstva za hladjenje: pri kaljenju se koriste tečnosti (voda i vodeni rastvori, sona

kupatila, metalna kupatila, motorno ulje), komprimovani vazduh, metalne ploče

(bakarne, čelične).

Termo-mehanička obrada: plastična prerada (valjanje, presovanje) u austenitnom

području i potom direktno kaljenje vodenim mlazevima.

Reaustenitizacija: dvostruko kaljenje s ciljem da se smanji sadržaj ugljenika u po-

četnom austenitu, odnosno posle drugog kaljenja i u martenzitu.

Površinsko kaljenje plamenom: kratkovremeno zagrevanje čelika acetilenskim

plamenom i potonje hladjenje vodom.

Indukciono površinsko kaljenje: zagrevanje površinskih slojeva čeličnih delova

pomoću induktora uz brzo hladjenje. Dubina zagrevanja reguliše se pomoću frek-

vencije naizmenične struje (f = 1 do 10 kHz).

Hemijsko-termička obrada: zasićenje površinskih slojeva čeličnih delova meta-

lom ili nemetalima; od difundovanog elementa zavisi da li je potrebna naknadna

termička obrada.

Cementacija: hemijsko-termička obrada pri kojoj se površinski slojevi niskougl-

jeničnih čelika (0.1-0.25% C) zasićuju ugljenikom i potom kale i nisko otpuštaju.

Tako se postiže velika površinska tvrdoća (bitna za smanjenje habanja), a zadržava

žilavo jezgro (bitno za ciklična i udarna opterećenja).

Nitriranje: zasićenje površinskih slojeva čeličnih delova azotom koji sa legira-

jućim elementima (Al, Cr, Mo) obrazuje tvrde ravnomerno razložene (disper-

govane) karbide; stoga nije potrebna naknadna termička obrada, ali je pre nitriranja

neophodno poboljšanje mašinski obradjenih (gotovih) delova.

Cijanizacija i karbonitriranje: postupci istovremenog obogaćivanja površinskih

slojeva ugljenikom i azotom, iz tečnog, odnosno gasovitog medijuma; potom se

delovi kale i nisko otpuštaju.

Sopstveni naponi usled kaljenja: sopstveni naponi nastali u procesu kaljenja;

mogu biti prelazni i zaostali. Prema uzroku nastajanja razlikuju se termički i struk-

turni naponi.

Termički naponi: naponi zbog neravnomernog zagrevanja i hladjenja komada u

toku kaljenja, zavarivanja i sl.

Strukturni naponi: naponi stvoreni pri termičkoj obradi zbog veće zapremine

martenzita nego drugih strukturnih sastojaka.


208

Greške kaljenja: prsline, meke zone, nedovoljno pregrevanje, pregorevanje, ra-

zugljenisavanje, oksidacija.

PITANJA:

1. Navesti postupke termičke obrade koji se odvijaju uz fazne promene i bez tih

promena.

2. Zašto je potrebno progrevanje čelika na odabranoj temperaturi termičke obrade?

3. Zašto se sferoidalno žare nadeutektoidni čelici pre kaljenja?

4. Kako se izradjuju patentirane žice?

5. Medjuoperaciono žarenje pri preradi na hladno (valjanju limova, vučenju žice,

dubokom izvlačenju).

6. Izbor temperature kaljenja i sredstva za hladjenje ugljeničnih čelika.

7. Skicirati elementarne rešetke ferita, austenita i martenzita, i objasniti fenomen

zaostalog austenita.

8. Uticaj sadržaja ugljenika u čeliku na tvrdoću posle kaljenja.

9. Pomoću KH dijagrama objasniti postupke martenzitnog i bejnitnog kaljenja.

10. Objasniti zašto se potpuno bejnitno kaljenje ne može izvesti kontinualnim hlad-

jenjem.

11. Taložno kaljenje, presićenje i starenje.

12. Vrste otpuštanja, poboljšanje i otpusna krtost kod čelika.

13. Pojmovi zakaljivosti i prokaljivosti.

14. Sredstva za zagrevanje i hladjenje pri termičkoj obradi.

15. Termo-mehanička obrada čelika i reaustenitizacija.

16. Površinsko plameno i indukciono kaljenje.

17. Cementacija čelika.

18. Nitriranje čelika.

19. Cijanizacija i karbonitriranje.

20. Sopstveni naponi pri kaljenju.


209

21. Greške pri kaljenju (meke zone, nedovoljno zagrevanje, pregrevanje, pregore-

vanje, razugljenisavanje, oksidacija).

signer.

Drawing.6

A

B

TERMIČKA OBRADA ČELIKA (TO - WordPress.com · 2018. 11. 18. · Termička obrada čelika (TO) 159...

Documents

Transcript of TERMIČKA OBRADA ČELIKA (TO - WordPress.com · 2018. 11. 18. · Termička obrada čelika (TO) 159...