MATERIJALI II

Prof.dr.sc. Franjo CajnerProf.dr.sc. Krešimir GrilecProf.dr.sc. Vera RedeDoc.dr.sc. Gojko MarićDoc.dr.sc. Tatjana Haramina

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

Zavod za materijale

OSNOVNE SKUPINE MATERIJALA

PE, PP, PCPA (Nylon)

Plastomeri, duromeri,elastomeri

PolimerneMetalne

PjeneKeramičkeStaklene

Drvo

Prirodni materijali

Prirodna vlaknaKoža, kamen

KompozitiMetalni

PolimerniKeramički

Al2O3Zro2SiC

Keramika,staklo

ČeliciLijevovi

Al-legure

MetaliCu-legureNi-legureTi-legureMg legure

Proizvodnja sirovog željeza

vapnenica

CO2

KOKSARA

KOKSNI PLIN

Sirovine: RUDAČA, TALJIVO, KOKS

AGLOMERACIJASINTERIRANJE

Posebni ugljeni

VAPNENAC

CaCO3

Tekuće

Lijevani blokovi

Sirovo željezo

Daljnja prerada

150 °C

650 °C

1400 °C

1980 °C1700 °C

SIVO(Ljevaoničko)

10 %Povišen Si

(grafitizator) (2...3%)Snižen Mn (cementator)

Stabilna kristalizacija!(C) → grafit

Lističasti grafit Sivi lijev

Kuglasti grafitNodularni

lijev

Vermikularni (crvičasti)

grafit

Vermikularni

lijev

Postolja i

kučišta

strojeva

G

-prigušuje

vibracije

- podmazuje

- OT

Oksidacijska

atmosfera

Karbid (K):

Fe3C

(Fe,Mn)3C

Cr7C3

Bijeli tvrdi

lijev

Dijelovi građ. strojeva za drobljenje, valjanje

-ručni alat

- cijevne

spojnice

- lanac

Bijeli temper

lijev

Neutralna

atmosfera

Crni temper

lijev

- bubnjevi

kočnica

- vilice

(mali-kompl.

oblika)

Pročišćavanje 2-4 %C → 0,1–1,5 %+( Mn, Si) Nečistoće: P, S, As, Sn Plinovi: O, H, N

Legiranje(ferolegure: Fe-Me)

Mn, Cr, Ni, Mo, W, V, Co,...

Dezoksidacija CaSi: Al → Cao, SiO2, Al2O3 u troskuProizvodnja

čelika i čeličnih

lijevova

Decementacijsko

žarenje:

Fe3C → 3Fe + C

BIJELO(Čeličansko)

90 %

Povišen Mn(cementator)

Snižen Si < 2 % (grafitizator)

Metastabilna kristalizacija!

(C) →→→→ Fe3C

SIROVO ŽELJEZO

>>>> 90 %Fe2 – 4 %C

Prateći

elementi:

Si, Mn, ..

Nečistoće:

P, S …

Lim

Otkovci

Slobodno kovani otkovci, kovane

šipke

Šipkasti čelik, profilirani čelik,

valjana žica

Hladno valjane trake

Šipkasti čelik, poluprozvod

BlokoviČelični lijev

PROIZVODNJA I PRERADA PLEMENITIH ČELIKA

Sirovo željezo, čelični otpad, legure, sirovine

TALJENJE, PROČIŠĆAVANJE, LEGIRANJE

ŽARENJE

VALJANJE

PREŠANJE

KOVANJEŠipkasti čelik i žica (vučeno,

brušeno, ljušteno polirano)

VUČENJE

HLADNOVALJANJE

VALJANJE

OTPLINJAVANJE

PRETALJIVANJE

LIJEVANJE

OOČ

T.O.

Materijali IIOsnove toplinske obrade

Prof. dr. sc. Franjo Cajner

Katedra za toplinsku obradu i inženjerstvo površina

Zavod za materijale

TOPLINSKA OBRADA

• Toplinska obrada (definicija):

8

Tem

pera

tura

, oC

Vrijeme, h

ϑTO

Dijagramski prikaz postupka toplinske obrade

KALJENJE (definicija):

Postupak kaljenja se sastoji od:� ugrijavanja na temperaturu austenitizacije (ϑa) i progrijavanja� držanja pri temperaturi austenitizacije� gašenja

9

A1

A3

ugrijavanje

30÷70 °C

progrijavanje

držanje gašenje

Tem

pera

tura

, oC

Vrijeme, h

površinajezgra

Dijagram postupka kaljenja nekog podeuektoidnog

čelika

uvjeti zakaljivanja čelika:

1.

2.

3.

4.

KALJENJE ČELIKA

ϑa

a

c

a

ca

> 1

10

2,030,8 Udio ugljika, % C20

723

911

Te

mp

era

tura

, oC

F + P

F + A

P + K

A + K

A

Mf

A3AcmA1

MsMf

FeC DIJAGRAM

A3

Acm

A1

MsAp+M Ap+M+K

11

911

ϑ, oC

F + A

P + K

A + K

A

Ms

Mf

202,030,8 % C

F + P

723

Acm

A1

Ms

Mf

A3

A3

Ms

Mf

A1

ϑ, oC

t, s, lg

ϑa

20

čelik X

Ap+M Ap+M+K

Ap

F

P

B

M

A

TTT dijagram – podeutektoidni čelikTTT dijagram za kontinuirano hlađenje (čelik X% ugljika)

Acm

Ms

Mf

A1

ϑ, oC

t, s, lg

ϑa

20

A

Ap + K

K

P

A + K

12

ϑ, oC

F + A

P + K

A + K

A

Ms

Mf

2,030,8 % C

F + P

Acm

A1

A3

čelik Y

M + Ap + K

911

723

20

Ap+M Ap+M+K

Duboko hlađenje

TTT dijagram – nadeutektoidni čelikTTT dijagram za kontinuirano hlađenje (čelik Y% ugljika)

13

911

P + K

A + K

A

Ms

Mf

202,03% C

F + P

Acm

A1

Ms

Mf

A3

0,8

čelik Z

Ms

Mf

A1

ϑ, oC

ϑa

20t, s, lg

723

F + A

P

Ap

A

ϑ, oC

TTT dijagram – eutektoidni čelikTTT dijagram za kontinuirano hlađenje (čelik Z% ugljika)

Ap+M Ap+M+KM + Ap

Duboko hlađenje

14BURNSOV DIJAGRAM

Burnsov dijagram

Udio ugljika, % C

HRC

30

40

50

60

70

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Tvr

doća

67

0,7

% C

ϑ,°C

A1

A3

Acm

15

Svrha legiranja:

�poboljšanje eksploatacijskih svojstava:

�poboljšanje proizvodnih svojstava:

% C

ϑ,°C

A1

A3

Acm

% C

ϑ,°C

A1

A3Acm

+ Me (Si, Mn, Cr, Ni, W, Mo, V,Ti, Cu, Al,…)

Djelovanje legirajućih elemenata na Fe-Fe3C dijagram:

Fe-C

LEGIRANJE ČELIKA

2,030,80,8 2,03 0,8 2,03

911

723

911

723 723

911

Acm

% C

ϑ,°C

A1

A3

723

911

0,8 2,03

16

0,65 1,7

700

čelik: 0,5% C2% Mn = konst.97,5% Fe

PSEUDOBINARNI DIJAGRAM

2% Mn = konst.

Fe-C - Me = konst.

0,5

17

� oblici pojavljivanja legirajućih elemenata:

a) supstituiran u F, A, M rešetkua) supstituiran u F, A, M rešetku

Fe

Me

A

F

B

P

M

t, s, lg

ϑ, oC

A1

A3

TTT - diagram

A

F

B

P

M

ϑa

tmin

tmin

1. (Rm ↑, Re ↑, A ↓, Z ↓, K ↓)

2.

LEGIRAJUĆI ELEMENTI

Ms

Mf

Ms

Mf

18

� oblici pojavljivanja legirajućih elemenata:

b) u karbidu Me + C

Karbidi su kemijski spojevi metala s ugljikom.

- karbidotvorci:- nekarbidotvorci:

Fe3C (cementit) ≈ 1000 HV

(Fe,Me)3C (legirani cementit) FexMeyC (dvostruki karbid) MexCy - specijalni karbidi:

• Cr7C3 ≈ 1600 HV• V4C3 ≈ 2500 HV

• TiC ≈ 3600 HV

svojstva karbida:

-

-

-

LEGIRAJUĆI ELEMENTI

K

F

19

� oblici pojavljivanja legirajućih elemenata:

c) u intermetalnom spoju FexMey

LEGIRAJUĆI ELEMENTI

CuSnNi3Al

• KALJIVOST –

20

�zakali –

�prokali –

ZAKALJIVOST ČELIKA- ovisi o udjelu ugljika u čeliku ( f (% C) )

Burnsov dijagram

KALJIVOST ČELIKA

Udio ugljika, % C

HRC

30

40

50

60

70

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Tvr

doća

61

65

F

P

B

M

• PROKALJIVOST -

21

20

F

P

B

M

A

A3

Ms

Mf

A1

ϑ, oC

t, s, lg

ϑa

Ms

Mf

na prokaljivost čelika utječe:-

-

-

Ø50jezgrapovršina

HV

čelik X: X %C čelik Y: X% CY% Me

čelik X:

čelik Y:

Ø10 jezgrapovršina

HV

Ø10 jezgrapovršina

HV

Ø50jezgrapovršina

HV

A3

A1

timintimin

p p j j

PROKALJIVOST ČELIKA

22PROKALJIVOST ČELIKA

vhl

udal

jeno

st o

d ga

šeno

g če

la, m

m

HRC

udal

jeno

st o

d ga

šeno

g če

la, m

m

Shema uređaja za ohlađivanje ispitnog uzorka po Jominyju

220oC < ϑp < 400oC

400 oC < ϑp < A1

23POPUŠTANJE ČELIKA

- postupak ugrijavanja kaljenog čelika na...

-

-

-

A1

A3

Tem

pera

tura

, oC

Vrijeme, h

ϑa, ta

KALJENJE POPUŠTANJE

F + P M Mp+Kp

20°C < ϑp < 220oC

gašenje

tvrdoća?

24POPUŠTANJE ČELIKA

400 oC < ϑp < A1

A1

A3

Tem

pera

tura

, oC

Vrijeme, h

ϑa, ta

KALJENJE POPUŠTANJE

nisko(temperaturno) popuštanje

srednje(temperaturno) popuštanje

visoko(temperaturno) popuštanje

F + P M Mp + Kp

220oC< ϑp < 400oC

20°C < ϑp < 220oC

Mikrostrukturne promjene:

↓

↓

ca

> 1 – stupanj tetragonalnosti

podeutektoidni (< 0,6 %C): M →

(0,6 - 0,8) %C: M + Az →

nadeutektoidni (>0,8%C): M + Az + K” →

a

c

a

ca ↓

↑

rezultat popuštanja: �

�

�

25POPUŠTANJE ČELIKA

HRC

Tvr

doća

Dijagram popuštanja:

550

Az →

ϑp, °C

HRC2

HRC1

HRC3

ϑp

26POBOLJŠAVANJE ČELIKA

- postupak koji se sastoji od:

�

�

u cilju postizanja:

- čelici sa 0,3 – 0,6 %C, niskolegirani čelici, nelegirani čelici- prokaljenje!!!

A1

A3

Vrijeme, h

ϑa, ta

400 oC < ϑp < A1

KALJENJEVISOKO

(TEMPERATURNO) POPUŠTANJE

F + P M Mp + Kp

Tem

pera

tura

, oC

gašenje

površinajezgra

27POBOLJŠAVANJE ČELIKA

ε, %

σ, N/mm2

Istezanje

Nap

reza

nje

F

F

28POBOLJŠAVANJE ČELIKA

400 A1ϑp,°C

�

�

�

↓

�

�

�

↑

Dijagram popuštanja (poboljšavanja)Dijagram promjene svojstava ovisno o temperaturi popuštanja (poboljšavanja)

↑ temperature popuštanja (poboljšavanja) ϑϑϑϑp

HV= Rm310

29

A3

Ms

Mf

A1

ϑ, oC

t, s, lg

ϑa

20

F

P

B

M

A

IZOTERMIČKI TTT DIJAGRAM

bain

itni

stup

anj

perli

tni

stup

anj

F+P M B F+P

123

1

2

3

Kontinuirani Izotermički - način hlađenja iz A-područja

Ms < ϑϑϑϑ iz < A1

Vrijeme

Tem

eper

atur

a

Ms

20

0

A1

°Cϑa

a)

Vrijeme

Tem

eper

atur

a

Ms

20

0

A1

°C

ϑa

ϑiz

b)

ohlađivanje u toploj kupki

izotermičko držanje

proizvoljnoohlađivanje

tiz

ti min

ϑi min

30PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆAVANJE

ϑ, oC

20 oC

α + T

T

α + β

α

A AxByz% B rmax %B

ϑ, oC

homogenizacija

dozrijevanje

uvjeti precipitacijskog očvršćavanja:�

�

�

0 oC

Vrijeme, hrs

gašenje

�Al legure: AlCu, AlSiMg

�Cu legure: CuBe,

�Ni, Co, legure za ↑ temp.

�Visokoleg. visokočvrsti čelici

(očvršćavanje izlučivanjem)

31POSTUPCI ŽARENJA

t, h

ϑ,°C

sporo

ϑž , tž

površinajezgra

Dijagram postupka žarenja

32POSTUPCI ŽARENJA

Žarenja II. vrste

Žarenja I. vrste

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanjaT

empe

ratu

ra, o

C

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1650

400

R. Ž.

(ϑ, t) = f (materijala, φ)

33POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Rekristalizacijsko žarenje

650

400

500

poligonalna kristalna zrna

hladnom deformacijomočvrsnuto

� čelik (500 – 650 °C)

� Cu i Cu-legure

� Al i Al-legure

�Ti i Ti-legure

hladno oblikovanje

Sferoidizacijsko (meko) žarenje

34POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1650

400

500

t, h

ϑ,°C

vrlo sporo hlađenje

ϑsž površinajezgra

↓ ↑

A1

35POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Normalizacijsko žarenje

650

400

500

A3

Ms

Mf

A1

ϑn

F

P

B

M

A

ϑ, oC

t, s, lg

F

P� lijevanje

� valjanje

� zavarivanje

� kovanje

� toplinska

obrada F

P

F + P F + P

Sferodizacijsko žarenje

36POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja

Rekristalizacijsko žarenje

Normalizacijsko žarenje

Homogenizacijsko žarenje

Žarenje na grubo zrno

650

400

500

37

38POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA

POVRŠINSKO KALJENJE

39POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA

TOPLINSKO KEMIJSKI POSTUPCI

Austenitno područje Feritno područje

DIFUZIJA

40

Austenitno područje

cementiranje

� niskougljični čelici (do 0,25 %C)

Udaljenost od površine, mm

% C

C – potencijalCpovrš ≈ 0,8 900-950 °C/2, 4,...h)

Cj

t1t2

t3

t3 > t2 > t1

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA

� cilj cementiranja:

� tvrdi površinski slojevi otporni na trošenje

� žilava jezgra otporna na udarna opterećenja

Udaljenost od rubaT

vrdoća

mm

HV1

površina

jezgra

pougljičavanje - sredstva:• kruta• tekuća• plinovita• plazmatična

cementirano:

A1

A3 jezgre

Vrijeme, h

ϑp ≈ 200 oC

Kaljenje

Nisko(temperaturno)popuštanje

Tem

pera

tura

, oC

gašenje

površina

jezgra

Pougljičavanje

sporo hlađenje

� zupčanici

� bregaste osovine

41

Feritno područje

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA

nitriranje - obogaćivanje površinskih slojeva dušikom → nitridi (FeN)� solne kupke� plinske atmosfere� ionizirane plinske atmosfere s reguliranim potencijalom dušika (N)

100

200

300

Tvr

doća

HV 0,5

Udaljenost od ruba

mm1,0 1,5

Tvrdoća jezgre

0,5

Parametri:

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

- klipnjača

- pogontahometra

- pužni vijak

- ukovanj

- zupčanici uljne pumpe

42POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJATOPLINSKA PREVLAČENJA U PARNOJ FAZI

Osnova(P30)

TiCN

Al2O3

TiN

CVD (Chemical Vapour Deposition) postupci

~ 1000 °C

PVD (Physical Vapour Deposition) postupci

200...500 °C

Vrste spojeva (slojeva): Podloga:

- Čelici

- Keramika

- TM

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, ...

Dijamant i dijam. slični spoj. - DLC (Diamond like Carbon)

Svojstva: visoka HV, visoka OT (abraziju, adheziju, tribokoroziju), OK, izgled; δ= 1,2 ... µm

Vrste prevlaka: jednoslojne, višeslojne,...

Osnova(čelik)

43

Primjena:

TiN

TiAlN

CrNW-C:H

TiN

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA

TOPLINSKO POSTUPCI PREVLAČENJA U PARNOJ FAZI