Proizvodni postupci - toplinska obrada

1

TOPLINSKA OBRADA Prof.dr.sc. Franjo Cajner UVOD

Literatura:1. Krumes, D.: Toplinska obradba, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu,

Slavonski Brod, 2000. 2. Löpple, Volker; Wärmebehandlung des Stahles, Europa-Lehrmittel, Nourney,

Vollmer GmbH&Co. KG, Haan-Gruiten, 2006.3. Bruce B. Bardes (ed.): ASM Handbook: Heat Treatment of Metals, Part 4. 9th

edition, Metals Park, Ohio, USA 1994.4. Stupnišek, M.; Cajner, F: Osnove toplinske obradbe metala, Hrvatsko društvo

za toplinsku obradbu, Zagreb 2001.

TOPLINSKA OBRADA UVOD

Definicija: Toplinska obrada je postupak u kojem se predmet namjerno podvrgava temperaturno-vremenskim ciklusima kako bi se postigla željena mikrostruktura, a time i željena svojstva (mehanička, fizička, kemijska).

(Lijevanje, kovanje, zavarivanje nisu TO jer im je cilj promjena oblika)

2


Označavanje zahtjeva za toplinsku obradu na tehničkim crtežima (prema DIN 6773, travanj 2001.)

20+5 5-5

A

Detalj A (prikazan u presjeku)Mjerno mjesto za tvrdoću površine

Mjerno mjesto za Rht

Indukcijski kaljeno550 + 100 HV 30Rht 450 = 0,8 + 0,8 mm


TOPLINSKA

OBRADA

brušenjefina strojna obradapoliranjeelektroerozija

površinska zaštita

OOČ (OSS)lijevanjedeformiranjezavarivanje

Osnovni parametri: ϑTO, t, i izvedeni vgr, vhl Postupci

3


TOPLINSKA OBRADA KALJENJE

Tem

pera

tura

°C

ϑ TO

ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme

grijanje

površina

jezgra

jezgra

površina

ukupno vrijeme ugrijavanja

AUSTENITIZACIJA- , t- zaštitaϑa a

REŽIM GRIJANJA

GAŠENJE

ϑa

KALJENJE

4

AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJA

- pećććć (komorna, jamska, vakumska,…)- kupka (solna, fluidizirajuća)- uređaji za ugrijavanje s visokom gustoćom energije (kratkotrajno

ugrijavanje: plameno, indukcijsko, LASER-skim i elektronskim snopom)Uređaji za austenitizaciju

emisijski faktorεεεε3. ZRAČENJEM (RADIJACIJOM)

koeficijent prijelaza toplineα W/m2K2. KONVEKCIJOM (KOMEŠANJEM) kapljevitih i plinovitih čestica (prirodna i prinudna)

koeficijent vodljivosti toplinespecifični toplinski kapacitet

λλλλ W/mKc J/kgK

Prijenos topline:

1. KONDUKCIJOM (PROVOĐENJEM)kroz krutnine, kapljevine i plinove

(*) Napomena: Konvekcija je prisutna samo ako nije zrakoprazni prostor unutar peći.

AUSTENITIZACIJA – REŽIM GRIJANJAΦ100

1500

rub

jezgra

termoelementČelik: 0,9 %C; 1,6 %Crλ [W/mK], koef. vodljivosti topline = f(kem.sastava, mikrostrukture, temperature)

1) Toplinska naprezanja:σtopl = β ⋅⋅⋅⋅ E ⋅⋅⋅⋅ ∆T

- vrsta materijala (λ, E)- debljina obratka- brzina grijanja- koef. prijelaza topline α- koef. topl. dilatacije (rastezanja) β

σtopl ≥ Rp0,2 → trajna deformacija

σtopl ≥ Rm → lom

2) Strukturna naprezanja: F, P, (K) → A

5


tehniččččki mogućććća brzina grijanja (oprema, instalirana snaga, medij (sredstvo), razlika temperatura obratka i peći, masa šarže i raspored obradaka u šarži)

- tehnološki dozvoljena brzina grijanja (konfiguracija oblika (V/A), kemijski sastav i mikrostrukturamaterijala)

250 … 650 °C a) sporo grijati propisati REŽIM"opasno područje“ b) uz predgrijavanje GRIJANJA


101055

5,0

510345

AlWTiSiVNiMoCrMnCCekv +++

−++++++=

vrijeme

(2 %Al; 0,9 %C;1,1 %Mn; 1,8 %Cr; 0,5 %Mo; 5 %Ni; 0,25 %V;1,8 %Si; 2 %W; 0,5 %Ti)

I. predgrijavanje na 400 … 500 °CII. I.+ II. predgrijavanje na 860 … 880 °CI.+II.+ III. predgrijavanje na 1050 °Calatni ččččelici

- sve vrste- visoko legirani alatni čelici s

ϑa = 960 do 1150 °C,- brzorezni čelici sa ϑa > 1200 °C

konstrukcijski ččččelici

- nelegirani i niskolegirani

Pravilo za predgrijavanjeSkupina čelika

6


kemijski sastav, dimenzije, medij (sredstvo)

kfgr KKA

VKmt ⋅⋅⋅⋅=

za kratke obratke ( za duge i ostalo postoje druge formule)

2. Numeriččččke

Newton

Smoljnikov,Ordinanz

...1.

Analitiččččke

Određivanje trajanja grijanja (tgr)Metode

završpeć

počpeć

gr

cA

V

tϑϑ

ϑϑ

εα

ρ

−

−⋅

⋅

⋅⋅= ln , s

- MKE (metoda konačnih elemenata)- MKV (metoda kontrolnih volumena)- MKD (metoda konačnih diferencija)

,min

AUSTENITIZACIJA SIMULACIJA GRIJANJA 1

7

Zadavanje početnih i rubnih uvjeta i svojstava materijala Mreža konačnih elemenata


Rezultati računalne simulacije

z = 150 mm

z

r


8

AUSTENITIZACIJA

Držanje na temperaturi austenitizacije (ta) = f (sastava, polazne mikrostrukture)

70 C°

70 C°50 C°

30 C°

20

Tem

pera

tura

°C

% Udio ugljika

A cm

A

A

1

3

Legirani ččččeliciPseudobinarniFe-Fe3C dijagramZa visokolegirane (i visokougljične) vrijede druga pravila, npr.: kriterij 0,6%C

-Priručnici

-Razne podloge

visina ϑa → zrno, deformacije i pukotine, oksidacija i razugljičenje, prokaljivost (timin.), Ms, količinu Az. ..

Ugljiččččni ččččeliciFe-Fe3C dijagram

Temperatura austenitizacije

AUSTENITIZACIJA

Dijagrami TTS (Time - Temperature - Solution), odnosno ZTA (Zeit – Temperatur - Austenitisierung)

9

Zaštita pri grijanju

-zaštitne folije, paste- zaštitni granulati- solne kupke- fluidizirane kupke- plinske zaštitne atmosfere- vakuum

NUŽNAZAŠTITA

Posljedice:- ↓ HRC- ↓ Rd- ↓ H- (brušenje ?)

OKSIDACIJA Fe (FeO, … )Fe + CO2 ⇔ FeO + CO

RAZUGLJIČENJE (sniženje [C])CO2 + [C] ⇔ 2CO

H2O + [C] ⇔ H2 + CO2H2 + [C] ⇔ CH4

PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE : AKTIVNE i INERTNE

AKTIVNE

Sadrže takve plinske komponente koje bi mogle reagirati s površinom čelika - zato treba sastav prilagoditi kem. sastavu čeliku i temperaturi obrade. Ugljikovodika (metan, propan, butan, metanol) u plinskim generatorima ili disocijacijom.

INERTNE

Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2

AKTIVNE PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE

Sadrže: H2O, CO2, CO i H2a) OKSIDACIJA - REDUKCIJA b) RAZUGLJIČENJE - POUGLJIČENJE

H2O i CO2, oksidiraju Fe CO2, H2, H2O razugljičuju(Cpot, sastav Č, ϑ, t)

CO i H2 reduciraju FeO CO i CH4 pougljičuju

Fe + CO2 ⇔ FeO + CO CO2 + [C] ⇔ 2CO

Fe + H2O ⇔ FeO + H2 H2O + [C] ⇔ H2 + CO

(Fe2O3, Fe3O4, MeO) 2H2 + [C] ⇔ CH4

Reakcija vodenog plina:CO2 + H2 ↔ CO + H2O → ..... f(ϑ)

22

2

HCO

OHCOK w ⋅

⋅=

Cpot neke plinske atmosfere (ili nekog medija općenito) jest sadržaj C (%) tanke folije od nelegiranogniskougljičnog čelika kojeg će u uvjetima ravnoteže i kod određene temperature taj čelik primiti od atmosfere (medija).

10

AKTIVNE PLINSKE ZAŠTITNE ATMOSFERE

Plinski generatori:ugljikovodik (plinovitih: metan CH4, propan C3H8, butan C4H10 i tekućeg metanola

CH3OH) + zraka djelomičnim izgaranjem u komponente CO, CO2, H2, H2O i prateći N2

Sastav generatorskog plina = f (vrsti ugljikovodika, omjer zrak/plin)

EGZOTERMNA atmosfera (oslobađa se toplina)

- jeftina- sprečavaju oksidaciju- nizak Cpot- razugljičuje neke Č.

- TO čelika s niskim %C, (svjetlo žarenje, popuštanje)i kod Cu

ENDOTERMNA atmosfera (dovodi se toplina

- redukcija i pougljičavaju- visok Cpot (do 0,9 %C)

- svjetlo kaljenje, žarenje čelika (%C)- svjetlo lemljenje Cu ili Ag- plin nosač (metan, propan)

DISOCIJACIOM METANOLA (CH3OH)CH3OH + Q →→→→ CO + H2

- visok Cpot pougljičuje!

DISOCIJACIOM AMONIJAKA (NH3)disocira pri temperaturama (850 – 950 °C):

2NH3 + Q →→→→ N2 + 3H2. (1/4: 3/4)

- visoka čistoća i konstantan sastav (nesadrži CO, CO2, H2O)

-svjetlo kaljenje i žarenje visokoleg. i nehrđajućih čelika

SINTETIČKE plinske atmosfere; sastav: (pojedinačne komponente direktno u peć):- N2 (tekući preko isparivača) + neki ugljikovodik (metanol, propan)- kaljenje i/ili pougljičavanje

Važno: Plinske atmosfere koje sadrže iznad 5 % ukupno CO i H2 zapaljive su, a mogu biti i eksplozivne pri < 750 °C (uređaj za prekid dotoka takve smjese sa zrakom!).Smjesa takvog plina iz peći mora se zapaliti na baklji (H2 i otrovni CO izgore u neopasni H2O i CO2).

INERTNE ATMOSFERE

Ne mogu reagirati s površinom čelika: Ar, He, (Kr, Xe, Ne) N2

Karakteristike:

čistoća (10 ppm O2 i H2O i niže kod Cr-čelike; 1 ppm = 0,0001 % vol.), vod. para (- 70 °C temp. rosišta) + reducent H2, mješavina:(Ar, N2) + 5, 10, 20 ili 50 %H2

Primjena:

- za kaljenje čelika,…

11

VAKUUM kao zaštita

Pod vakuumom podrazumijevamo pritisak plina ispod atmosferskog (jako razrijeđena zračna atmosfera – malo kisika i vodene pare → (nema oksidacije niti razugljičenja)

- TO: do 10-4 mbar, - «stupanj propusnosti peći» (mbar·l/s) ( < 1·10-3 mbarl/s)- «selektivno otparavanje Me»- intenzitet gašenja: inertni plin (mali H?):

- povišenje brzine strujanja plina- povišenje tlaka plina (do 20 bara)- vrsta plina: (λ, W/mK): (H, He, N, Ar)- odvojena komora s turbinom - odvojena komora s bazenom za gašenje u ulju

- zaostala naprezanja

-što manje deformacije:▪ volumena (∆V 4,3 %)▪ oblika

- bez napuklinaMikrostruktura (M) svojstva HRC, (toplinska + strukturna naprezanja)

KALJENJE

GAŠENJE (Quenching, Abschrecken); Svrha gašenja: različita! (M, A, homogen....)

a

c

MaM

C

Fe

Faze: I. parni omotač II. vrenje III.konvekcije

SREDSTVA ZA GAŠENJELeidenfrost-ov fenomen - temp. vrelišta < ϑa

vodena otopina (NaCl ∼ 10 %, NaOH ∼ 3%)- voda - otopine polimera u vodi (PAG,.. 5 -25 %)

- otopine ulja s vodom- ulja za kaljenje

Ne podliježu L. F.

- rastopljene soli (nitriti, nitrati )

- fluidizirane kupke (korund, Al2O

3fluidiziran dušikom)

- inertni plinovi (N2, He, H

2)

- zrak

12

Metode ispitivanja sredstava za gašenje: (laboratorijske, pogonske)

vsr, vmax, ...

300700

300700,18

−

−

∆

∆=

sredstva

Cmirnevode

sredstvat

tH

oIntenzitet gašenja

DUBOKO HLAĐENJE(engl: Sub-zero Treatment, Deep Cooling, deep cryogenic,…njem:. Tiefkühlen)

13

TOPLINSKA OBRADA KALJENJE

Tem

pera

tura

°C

ϑ TO

ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme

grijanje

površina

jezgra

jezgra

površina

ukupno vrijeme ugrijavanja

AUSTENITIZACIJA- , t- zaštitaϑa a

REŽIM GRIJANJA

GAŠENJE

ϑa

POPUŠTANJE ČELIKA

povećava sesmanjuje se snizuje seukupno

povećava semalo se povisuje (OP)

visokolegiraniAz→M"+Kp

(sekundarno otvrdnuće)

480...580IV.

«krhkost popuštanja»(Mo,W, brže hlađenje)

(visokotemp. krhkost.)

(Č. za poboljšavanje!)

(260 –320?)

smanjuje se snizuje se -

M%C<<X + Fe3C + (Fe, Me)3C; koagulacija K

> 300III.

"krhkost 300" (niskotemp. krh. pop.)

povećava seniskoleg. i nel.

Az→ B"200...320II.

povećava sesmanjuje se(c/a snizujese!)

malo se snizuje-

M%C<X + ε- K(Fe 2,4 C -

-prelazni K)70... 200I.

žilavostvolumentvrdoćaAzM x%C

Stadiji popuštanja:

°C/ 1h

Mikrostruktura kaljenja: Mx%C + Az + (K" + Ke)

- sniženje krhkosti (povišenje žilavosti)- sniženje zaostalih naprezanja

14

Hollomon-Jaffeova formula: P = T (C + lg t) parametar popuštanja; HRCp = f (P)

Dijagrami popuštanja raznih čelika (tp = 1h)Dijagram popuštanja čelika 90 MnCrV 8

- alatni čelici za rad u toplom stanju- brzorezni čelici- konstrukcijski čelici za poboljšavanje (i opruge)

Od 450 do A1Visoko

- (čelici za opruge)220 …450 Srednje

- niskolegirani i ugljični alatni čelici za hladni rad

- visokolegirani alatni čelici za hladni rad - pougljičeni i kaljeni čelici (za cementiranje)

do 220Nisko

PrimjenaTemperaturno područje °CVrsta popuštanja

(toplinska obradljivost, prikladnost materijala za kaljenje, sposobnost pretvorbe u martenzit)KALJIVOST ČELIKA

ZAKALJIVOST = f (%C), (Me)

Utjecaj %C u čeliku i udjela martenzita na tvrdoću kaljenja

Ocjena provedenog kaljenja!Rm popuštanja ? (ocjena kvalitete poboljšavanja): stupanj zakaljenosti

(Skalj < 1) (npr. > 0,95); 20%60max +⋅= CH

14%44%50 += CH M

, HRCStupanj zakaljenosti: maxH

HS

kalj

kalj =

, HRC

15

PROKALJIVOST(PROKALJENOST)

- sastav čelika (C, Me – svi, osim Co i Al)- dimenzije predmeta- sredstvo za gašenje

≥ 50 %M ?

Razne formule, metode (Grossmann, Moser-Legat,...) za proračun Di (sastav, vel. A-zrna) uz multiplikatore (koeficijente)

Određivanje (kvantifikacija) prokaljivosti (Računske i eksperimentalne metode)

Di /mm/ - idealni kritični promjer (50 %M uz H = ∞)Dk /mm/ - kritični promjer 50 %M (H) } Di = Dk uz H = ∞

Di > Dk uz H ≠ ∞

16

Eksperimantalno određivanje prokaljivosti

Jominy- eva metoda

Primjena Jominy krivulje

Jominy krivulja prikaljivosti 3 čelika

17

Određivanje Di i Dk na osnovi Jominy-eve krivulje prokaljivosti

Crafts- Lamont

Primjena Jominy krivulje

Gerber Wyss

18

POBOLJŠAVANJE (KLASIČNO)

(Konstrukcijski čelici – visoka Re, visoka K)Primjena:- osovine, vratila, koljenaste osovine, poluosovine, zglobovi, alat-ključevi, zatici,

zupčanici, vijci, matice...

Dijagram poboljšavanja (popuštanja)

Stupanj zakaljenosti:

maxH

HS

kalj

kalj =

- bolja mehanička svojstva (K, A, Z, Rd) kod visoke Re (Rm)- nema strukturnih naprezanja, manja toplinska naprezanja → manje i ujednačene deformacije i opasnost nastajanja napuklina

- kontinuirani postupak – kraće traje, (jednostavnija automatizacija)Preduvjeti primjene:- prikladan čelik (izotermički TTT dijagram: A→B, timin., tip)- dimenzije (δ < 25 mm - ugljični, niskolegirani?)Svojstva = f (ϑa, ta, hlađenje s ϑa na tip, ϑϑϑϑip , tip ,hlađenje s ϑip do sobne temp.)

Primjena: opružni prsteni, osiguravajući i Segerovi prsteni, tanjuraste opruge, krunaste matice, dijelovi lanca za pile ....

Karakteristike:

19

POVRŠINSKO KALJENJE

Cilj: Brzo ugrijati površinski sloj do potrebne dubine (austenitizirati)i zakaliti.+ niskotemperaturno popušanje

fr ⋅≈

µρ

δ 503

samozakaljivanjemsamozakaljivanjemprskanjem, uranjanjem u bazen (voda, ulje, vod. otop. polimera)

Gašenje

0,1 – 1,50,2 – 2,0 (W/cm2, t)0,5 – 5,0 (W/cm2, t)

2,0 – 6,0Dubina zakaljene zone (mm)

0,001 – 0,10,01 – 100,5 – 1010 – 100Trajanje zagrijavanja (s)

10 – 1 0000,5 – 53 - 201Gustoća snage, kW/cm2

Kaljenje snopom elektrona

Kaljenje laserskim snopom

Indukcijsko kaljenjePlameno kaljenje

Primjena: svornjaci, zupčanici, osovine (bregasta i koljenasta), vratila, bregovi ekscentara, košuljice cilindara, oštrice alata za obradu drva (noževi, pile...), noževi kosilica,... (automobilska industrija!)

Plameno kaljenjeKaljenje Laserskim snopom

Indukcijsko kaljenje

Stacionarno, rotaciono

Rotaciono - posmično

20

Polazna mikrostruktura:- poboljšana!- normalizirana- meko žarena

M ↑ HRC

- kratko vrijeme ugrijavanja!- ϑa viša → iz TTS (ZTA) dijagrama

Metalurške specifičnosti:

- skupi uređaji – visoki investicijski troškovi (velikoserijska i masovna proizvodnja)

- široka mogućnost variranja dubine kaljenja- omogućeno djelomično (parcijalno) kaljenje- kratkotrajni postupak- ušteda energije- nema razugljičenja niti oksidacije (ne traba zaštita)- neznatne deformacije- cijena obrade niska- jednostavna automatizacija (mogućnost uklapanja u proizvodnu liniju)

Materijali:

- 0,35 ...0,55 %C- čistoća – uključci (P, S), Cf, Ck, (Ck45, Cf53...- čelični lijev (neleg. i legirani)- sivi lijev (Cvez = 0,5 ... 0,8) + sitne G- lamele- nodularni lijev- niskoleg. alatni čelici i visokolegAČ

- povišenje OT- povišenje otpornosti na kontaktne pritiske- povišenje Rd

Karakteristike

TOPLINSKO KEMIJSKI POSTUPCI(Termokemijski, termodifuzijski)

- mehaničku otpornost ( ↑HV, Rm, Rp0,2, Rd..)- otpornost na trošenje (umor površine!)- korozijsku otpornost- vatrootpornost itd.

Cilj: Difuzijom odgovarajućeg elementa promijeniti sastav, (mikrostrukturu) u razmjerno tankoj rubnoj zoni predmeta i tako postići poboljšanje određenih svojstava:

- Nitriranje (N)- Nitrokarburiranje (N,C)- Oksinitrokarburiranje (N,C,O)...

- Pougljičavanje (cementiranje) (C)- Karbonitriranje (C,N)- Boriranje (B)

U feritnom područjuU austenitnom području

21

POUGLJIČAVANJE (CEMENTIRANJE = pougljičavanje + kaljenje + nisko(temperaturno) popuštanje)

ϑpougljičavanja=900..950 °C

sredstvo za pougljičavanje:(medij):- čvrsta (granulati) – smjesa drvenog

ugljena + aktivator (BaCO3)- tekuća (rastaljene soli) – smjesa

NaCN+KCN+ aktivator- plinovita (plinske atmosfere) sadrže

spojeve CO, CH4,...- plazmatična (ionizirani plinovi)

parametri:- ϑpouglj. = 900 .... 950 °C - tpouglj. ≈ nekoliko h (ovisno o traženoj

dubini)- Cpot. – ispitivanje i regulacija pomoću

npr. kisikove sonde, točke rošenja itd.- dubine od 0,5 do 1,5 mm

Pougljičavanje

Kaljenje: f(svojstva površine (OT)!, svojstva jezgre (K))?Postupak pougljičavanja + kaljenja + popuštanja ? nekoliko načina!

22

Rezultati (svojstva):

Tvrdoća površine HV, HRC CHD (mm) (HG = 550 HV1 ili dogovorno!)

Mikrostruktura:

Primjena:

UMOR POVRŠINE!

23

BORIRANJE

[B] - plin- tekuće sredstvo- prašak (granulat)- pasta

Fe2B (1800 – 2000 HV)

(FeB (1900 – 2100 HV))

boridi

Parametri: ϑb = 800 ... 1100 °Ctb = nekoliko h

dubina = nekoliko 10-taka do 300 µm

Svojstva:

- visoka tvrdoća- OT (abrazija, adhezija, erozija, kavitacija)- postojanost prema T- otpornost prema kiselinama i lužinama

Naknadna obrada: moguće kaljenje (zaštita)

Primjena:

- trnovi i žigovi za duboko vučenje- dijelovi mjenjača- dijelovi za oblikovanje betona- sapnice za lijevanje- dijelovi ventila...

24

NITRIRANJE - NITROKARBURIRANJE

Sredstva (medij):

- čvrsta (prašak)- plinovita (NH3)- tekuća (solne kupke

npr. TENIFER (KCN + KCNO)- plazmatična (ionsko)

N ( C, O)

Parametri:

ϑn ispod A1 (400...600 °C)tn = do nekoliko h

γ′- nitrid Fe4N (FCC) ε- nitrid Fe2-3N (HCP)N – rešetku F

ZS DZ OMZS – zona spojevaDZ- difuzijska zonaOM – osnovni materijal

Površinska tvrdoćaNht (mm) Zona spojeva (?)

SVOJSTVA:

- OT (adhezija, abrazija,)

- viša tvrdoća- viša Rd- viša korozijska otpornost

- male deformacije (prilagoditi T-t) ϑϑϑϑp ≥≥≥≥ ϑϑϑϑN

25

Kalup za injekcijsko prešanje polimera (20MnCr5)

Pogon kompresora (GG 25)

PRIMJENA:

Pogon tahometra

Tijelo sinhrona mjenjačke kutije (34Cr4)

Glava Diesel motora (sivi lijev

Mjenjačka viljuška

Klipnjača Ispušni ventili Diesel motora

26

Pužni vijak i cilindar ekstrudera

Osovinski rukavacUpravljačka poluga (Ck45

Zupčanici uljne pumpe (C15)

Ukovanj

Bregasta osovina

Klipni bubanj (lijev)

Upravljački zupčanici Diesel motora

CVD (Chemical Vapour Deposition) postupci 800...1000 °C

MTCVD (Medium Temperature CVD) 700 ...900 °C PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition ≈ 500 °C

PVD (Physical Vapour Deposition) postupci

200...500 °C

Spojevi: Neoksidna keramika: - karbidi: TiC, B4C, SiC,...

- nitridi: TiN (∼2300 HV), TiAlN (∼3300 HV), CrN (∼ 1800 HV),... - karbonitridi: TiCN (∼ 3000 HV), TiAlCN,...

Oksidna keramika: - oksidi: Al2O3, TiO2,ZrO2, ...

-

Tvr

di m

etal

! - Č

elic

i (T

O

dim

enzi

je?!

)

Dijamantu slični ugljik

- DLC (Diamond like Carbon)

-

Tvr

di m

etal

! - Č

elic

i!: n

akon

K +

P

Svojstva: visoka HV, visoka OT (abraziju, adheziju, tribokoroziju), OK, izgled

Vrste prevlaka: jednoslojne, višeslojne, (nanoslojevi, nanokompoziti)

TOPLINSKI POSTUPCI PREVLAČENJA U PARNOJ FAZI

Višestruko se produljuje trajnost dijelova !

27

TiN AlTiN

CrNTiCN

Kalupi za lijevanje

ZrN

Alati za oblikovanje Alati za prerada polimera

28

W-C:H (OT, niski µ) - zupčanici mjenjača

Dekorativna prevlačenja (OT, održavanje, dekorativno)

funkcionalni sloj: npr: TiN, TiCN, TiAlNi

podporni sloj: npr. nitrirano

osnovni materijal(podloga, substrat)

DUPLEX POSTUPCI: npr.:

- NITRIRANJE + PREVLAČENJE (PVD) TiN,- NITROKARBURIRANJE + OKSIDACIJA- POUGLJIČAVANJE + VANADIRANJE,....

DUPLEX POSTUPCI

29

Inženjerstvo površina (Surface Engineering, Oberflächen–und Schichttechnologien)

POSTUPCI ŽARENJA

30

1. ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA (NAPETOSTI)

Grijanje pri dovoljno visokoj temperaturi s naknadnim polaganim hlađenjem u cilju sniženja zaostalih naprezanja, bez znatnih promjena ostalih svojstava

Zaostala naprezanja:- nakon deformiranja- nakon grube OOČ (OSS)-nakon prebrzog ohlađivanja (zavarivanja, žarenja, (popuštanja))

- deformacije- lom

Tem

pera

tura

°C

A1

Vrijeme

400..650 °C/ 2..4 hsporo (npr. u peći)

Larson Millerov parametar:

S= T (logt+20) (čelici leg. Mo, V)

Vrsta čelika (visina Rp02 pri °C)

ϑž = f(vrsta materijala, ZN...)

tž = 2, 4,...8 h

Sniženje Re ugrijavanjem

Posljedice ŽRZN:

- Nema strukturnih promjena !-Trajne deformacije! (Rp0,2 = f(ϑ)!

Primjena: Kada iz bilo kojih razloga u predmetu zaostaju naprezanja:

- Na alatnim i konstrukcijskim čelicima nakon grube strojne obrade- Poslije poboljšavanja (ϑž < ϑp) (ϑž < 500 °C ?krhkost)- Poslije zavarivanja konstrukcijskih čelika- Nakon normalizacije (zrak!)

31

REKRISTALIZACIJSKO ŽARENJE

Nakon (tijekom) hladnog deformiranja:valjanja, provlačenja, dubokog izvlačenja (nedostatna deformabilnost)…- važno i kod lakih i obojenih matala ) Svrha je postignuće poligonalnog zrna (materijalu se vraća duktilnost)

ϕ, %ve

liči

na z

rna

µm2

5 10 20 30

Temperatura rekristalizacije – kod koje dolazi do kompletne rekristalizacije u određenom periodu (1h)= f(ϕ) stupnja deformacije, vrsti materijala

Faze rekristalizacijskog žarenja:- oporavak zrna s poligonizacijom- rekristalizacija- rast zrna

Primjena: - Čelika- Cu i Cu-legura (mjedi, bronce)- Al i Al-legure- Ti Ti-legura.

SFEROIDIZACIJSKO (MEKO) ŽARENJE

Tem

pera

tura

°C

A 1

Kid Vrijeme

K''

sporo(u peći)

2..4(8)h

- slaba zakaljivost (međustanje!)

Parametri: (ϑ, t)- podeutektoidni Č. ispod A1- nadeutektoidni Č iznad A1- legirani Č (iznad A1) - (osciliranjem oko A1)

- najmanju tvrdoću uz maksimalnu žilavost- najbolja plastičnost, OD- najbolja rezljivost - OOČ ( > 0,5 %C)

Lamelarni, mrežasti K → KUGLASTI KARBID(HB ↓, A ↑, OD ↑)

32

NORMALIZACIJSKO ŽARENJE

n 3=A +(30-70) °Cϑ

- preciznije udjel F/P- skraćeno vrijeme procesa- kontinuirani proces

visokolegirani AČčelici kaljivi u ulju

Vrijeme: samo progrijati!

IZOTERMIČKA NORMALIZACIJA

Hlađenje: podkritičnom krivuljom hlađenja!

ϑn = Acm +(10-20) °Cza otapanje karbidnemreže

Primjena: grubo zrno uslijed pregrijanja:- lijevanje (i Widmanstätten-ova mikrostruktura)- toplinska obrada- topla prerada: valjanje, kovanje (trakasta struktura)- zavarivanje

ϑn = A1 +(50-70) °Cnadeutektoidnih čelici

- sitnozrnata, jednolična mikrostruktura (dobra žilavost!)podeutektoidnih čeliciTe

mpe

ratu

ra

°C

A1

Vrijeme

ϑn

V V (zrak)hl kd≤

Tem

pera

tura

°C

Vrijeme, h

ϑa

A1

ŽARENJE NA GRUBO ZRNO

Žarenje na temperaturu znatno iznad A3 te odgovarajuće hlađenje sa ciljem postizanja grubog zrna.

- čelici s nižim i srednjim % C – Žarenje na grubo zrno i normalizacijsko žarenje- čelici s višim %C – sferoidizacijsko žarenje

-dobra OOČ (niskougljični Cr-Mn, Cr-Mo čelici zacementiranje)

Cilj:- F/P krupnozrnata mikrostruktura (međustanje)

Parametri žarenja:ϑž = 950 ... 1100 °C (100 do 200 °C iznad A3)t ž = dugohlađenje – vrlo sporo

33

HOMOGENIZACIJSKO ŽARENJE (DIFUZIJSKO ŽARENJE)

Provodi se pri temperaturi malo ispod temperature solidusa (dugotrajno)u cilju:lokalne homogenizacije sastava i izjednačavanje svojstava po masi (eliminacija kristalnih segregacija (pratećih i Me elemenata) – nastalih tijekom primarne i sekundarne kristalizacije).

Zrno je grubo – normalizirati!

Documents

Proizvodni postupci - toplinska obrada