Tepelné zpracování ocelí (druhy a způsoby)

1. Tepelné zpracování ocelí(druhy a způsoby) Doc. Ing. Stanislav Věchet, CSc. ; Ing. Karel Němec, Ph.D.

2. Schéma průběhu tepelného zpracování 1 – ohřev, 2 – výdrž na teplotě, 3 – ochlazování

3. Rozdělení způsobů tepelného zpracování Žíhání Kalení Popouštění (zušlechťování) Chemicko-tepelné zpracování Tepelně-mechanické zpracování

4. Diagram Fe-Fe3C

5. Základní typy žíhání u ocelí Žíhání • s překrystalizací • - homogenizační • - rozpouštěcí • - normalizační • bez překrystalizace • - naměkko • - rekrystalizační • - ke snížení pnutí

6. Základní typy žíhání u ocelí • Homogenizační žíhání se provádí za účelem snížení chemické heterogenity, vznikající při tuhnutí následkem dendritické segregace. • Rozpouštěcí žíhání má rozpustit karbidické (popř. nitridické) fáze v tuhém roztoku. • Normalizační žíhání se provádí za účelem zjemnění austenitického zrna a ke zrovnoměrnění sekundární struktury. Slouží též k odstranění často se vyskytující Widmannstättenovy struktury. • Žíhání naměkko snižuje tvrdost a zlepšuje obrobitelnost oceli díky sferoidizaci perlitického, příp. sekundárního, cementitu. • Rekrystalizační žíhání má za úkol odstranit deformační zpevnění způsobené předcházejícím tvářením za studena. • Žíhání ke snížení pnutí se provádí s cílem snížit vnitřní pnutí vzniklá po svařování, tváření za studena, rozsáhlém obrábění nebo nerovnoměrném ochlazení dílů složitých tvarů a větších rozměrů.

7. Normalizační žíhání Schéma tepelného zpracování Pásmo žíhacích teplot

8. Normalizační žíhání ← Výchozí stav, Widmannstättenova struktura Struktura po normalizačním žíhání →

9. Žíhání naměkko Schéma tepelného zpracování Pásmo žíhacích teplot

10. Žíhání naměkko ← Výchozí stav, lamelární perlit Globulární (zrnitý) perlit po žíhání naměkko →

11. Rekrystalizační žíhání Schéma tepelného zpracování

12. Rekrystalizace při tváření za tepla

13. Přehled způsobů kalení oceli

14. Martenzitické kalení Pásmo kalících teplot Schéma martenzitického kalení podeutektoidní oceli ○ - správná kalící teplota - nesprávná kalící teplota

15. Způsoby martenzitického kalení Kalení - nepřetržité (přímé) - lomené - termální - se zmrazením

16. Vliv obsahu uhlíku rozpuštěného v austenitu na tvrdost uhlíkových ocelí 1 – max. hodnoty tvrdosti po kalení (100% martenzitu) 2 – po kalení z teploty nad Ac1 3 – po kalení z teploty Ac3 4 – 50 % martenzitu ve struktuře 5 – po normalizačním žíhání 6 – po žíhání naměkko (zrnitý perlit)

17. Prokalitelnost, pás prokalitelnosti Pás prokalitelnosti oceli 14 240 Schéma Jominiho zkoušky prokalitelnosti 1, 2 – hranice pásu prokalitelnosti 3 – křivka prokalitelnosti

18. M M karbidy Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel Správná struktura po zakalení

19. F M AZ M Podeutektoidní ocel Nadeutektoidní ocel Nesprávná struktura po zakalení

20. Kalení a nízkoteplotní popouštění Schema tepelného zpracování

21. Zušlechťování Schema tepelného zpracování Zušlechťovací diagram

22. Stadia popouštění M ... martenzit tetragonální e ... Fe2,4C (přechodový karbid) MK... martenzit kubický ( 0,25 % C) Cem ... Fe3C AZ ... zbytkový austenit S … sorbit

23. Jemný a hrubý sorbit Hrubý sorbit Jemný sorbit

24. Izotermické způsoby tepelného zpracování

25. Chemicko-tepelné zpracování

26. Přehled metod chemicko-tepelného zpracování • Cementování • Nitridování • Nitrocementování • Karbonitridování • Sulfonitridování • Tvrdé chromování • Alitování (hliníkování) • Silitování (křemíkování) • Boridování (bórování) • a další

27. Cementování • Difúzní sycení povrchu uhlíkem za zvýšené teploty • K cementování se používají oceli s nízkým obsahem uhlíku (<0,25 hm. %) • Obvyklý rozsah cementačních teplot je 850 – 950 °C • Požadované vlastnosti cementované součásti se získají až tepelným zpracováním • Tvrdost povrchu po cementaci dosahuje až 800 HV • Tloušťka cementované vrstvy se nejčastěji pohybuje v rozmezí 0,5 – 1,5 mm

28. Schéma cementace v diagramu Fe-Fe3C

29. Cementační prostředí • Pevné – sypké • dřevěné uhlí + 7 až 20% BaCO3 (NaCO3, CaCO3) • Kapalné • roztavené solné lázně NaCN • nebo KCN + NaCl nebo KCl • Plynné • plyn CO, příp. CH4 • pece typu Monocarb

30. Hloubka cementované vrstvy při cementování: 1 – v lázni 2 – v plynu 3 – v prášku

31. Tepelné zpracování po nauhličení 1 – kalení přímo z cementační teploty 2 – kalení s přichlazením 3 – kalení s podchlazením 4 – kalení po ochlazení z cementační teploty 5 – dvojité kalení, a – kalení na jádro, b – kalení na vrstvu Po zakalení musí vždy následovat ještě nízkoteplotní popouštění!

32. Makrostruktura řezu cementovaným ozubeným kolem

33. Nitridování • Difuzní sycení povrchu dusíkem za zvýšené teploty • Nitridují se oceli s obsahem uhlíku 0,3 – 0,4 hm. % • Obvyklý rozsah nitridačních teplot je 500 – 550 °C • Doba nitridace bývá relativně dlouhá (až 60 hodin) • Tvrdost nitridované vrstvy se zpravidla pohybuje v rozmezí 1000 – 1200 HV. Je závislá na obsahu legujících prvků v oceli tvořících tvrdé nitridy (Cr, Al, Mo, V, W). • Tloušťka nitridované vrstvy bývá 0,2 – 0,6 mm

34. Způsoby nitridace • Iontová (plazmová) nitridace • Moderní postup • Součásti jsou uloženy izolovaně ve vakuové nádobě a zapojeny jako katoda. Nádoba tvoří anodu a udržuje se v ní snížený tlak zředěné směsi plynů (směs N a H). Po připojení vysokého napětí proběhne ionizace dusíku a vzniklé elektrické pole pohybuje anionty dusíku k součástkám. • Nitridace v plynném prostředí • Provádí se v plynotěsných zvonových, šachtových nebo komorových pecích, zdrojem plynu je čpavek NH3

35. Iontová nitridace 1 – součástky 2 – vakuovaná komora 3 – zásobník se směsí H a N 4 – zdroj vysokého napětí

36. Porovnání tvrdosti a hloubky povrchové vrstvy po různém chemicko-tepelném zpracování 1 – nitridované 2 – karbonitridované 3 – nitrocementované 4 – cementované 5 – povrchově kalené

37. Tepelně-mechanické zpracování • Kombinovaný účinek tváření a tepelného zpracování • Používá se zejména ke zvyšování mechanických vlastností legovaných konstrukčních ocelí.

38. Základní způsoby tepelně-mechanického zpracování 1 - Vysokoteplotní tepelně-mechanické zpracování 2 - Nízkoteplotní tepelně-mechanické zpracování

39. Doporučená literatura • Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003) • Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha, 1989 • Askeland, D.R.- Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005) • Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003