Tepelné a chemicko-tepelné zpracování ocelí
Chemicko-tepelné zpracování (CHT) je ošetření kombinací tepelných a chemických účinků za účelem změny složení, struktury a vlastností povrchové vrstvy dílu v požadovaném směru, při kterém dochází k nasycení povrchu kovového materiálu odpovídajícím prvkem (C, T, B, Al, Cr, Si, T atd.) jeho difúzí v atomárním stavu z vnějšího prostředí při vysoké teplotě.
Chemická úprava kovů a slitin jak za účelem zpevnění jejich povrchu, tak za účelem ochrany proti korozi, zvyšuje spolehlivost a životnost strojních součástí.
CTO zahrnuje následující hlavní vzájemně související fáze:
1) tvorba aktivních atomů v saturačním prostředí a jejich difúze na povrch zpracovávaného kovu;
2) adsorpcí vytvořené aktivní atomy nasyceného povrchu;
3) difúze-pohyb adsorbovaných atomů uvnitř kovu. Vývojem difúzního procesu dochází ke vzniku difúzní vrstvy – materiálu dílu na povrchu sycení, který se od původního liší chemickým složením, strukturou a vlastnostmi.
Materiál části pod difuzní vrstvou, neovlivněný působením saturačního aktivního média, se nazývá jádro. Celková tloušťka difuzní vrstvy je nejkratší vzdálenost od saturačního povrchu k jádru. Efektivní tloušťka difúzní vrstvy je nejkratší vzdálenost od saturační plochy k měřicímu úseku, která se liší od stanovené maximální jmenovité hodnoty základního parametru.
Základním parametrem difúzní vrstvy je parametr materiálu, který slouží jako kritérium pro změnu kvality v závislosti na vzdálenosti od saturační plochy. Přechodová zóna difúzní vrstvy je vnitřní část difúzní vrstvy přiléhající k jádru, jejíž délka je určena rozdílem mezi celkovou a efektivní tloušťkou.
Stupeň XTO – difuze. V kovech dochází při tvorbě substitučních pevných roztoků k difúzi hlavně prostřednictvím mechanismu vakancí. Když se tvoří pevné intersticiální roztoky, je realizován mechanismus difúze přes intersticiální místa.
Nauhličování oceli (CTC), které spočívá v difúzním nasycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem při ohřevu v nauhličovači, se provádí při 930–950 °C, kdy je austenit stabilní a uhlík rozpouští ve velkém množství.
K nauhličování se používají nízkouhlíkové, legované oceli. Díly se po mechanickém opracování zasílají k nauhličování s přídavkem na broušení.
Hlavní typy cementace jsou pevné a plynné. Plynová cementace je pokročilejší technologický proces než pevná cementace. V případě plynové cementace lze získat danou koncentraci uhlíku ve vrstvě; doba trvání procesu je snížena; je zajištěna možnost kompletní mechanizace a automatizace procesu; tepelné zpracování dílů je zjednodušeno.
Tepelné zpracování je nezbytné pro: korekci struktury a zjemnění zrna jádra a cementované vrstvy; získat vysokou tvrdost v cementované vrstvě a dobré mechanické vlastnosti jádra. Po nauhličení se tepelné zpracování skládá z dvojitého kalení a popouštění. Nevýhodou takového tepelného zpracování je složitost technologického postupu, možnost oxidace a oduhličení.
Konečnou operací je nízké popouštění při 160–180 °C, které přemění kalený martenzit v povrchové vrstvě na popuštěný martenzit, uvolňuje pnutí a zlepšuje mechanické vlastnosti.
Nitridace oceli – CTO, která spočívá v difúzním nasycení povrchové vrstvy oceli dusíkem při zahřátí ve vhodném prostředí. Tvrdost nitridované vrstvy oceli je vyšší než tvrdost nauhličované vrstvy a je udržována při zahřátí na vysoké teploty (450–500 °C), zatímco tvrdost nauhličované vrstvy, která má martenzitickou strukturu, se udržuje do 200–225 °C. Nitridace se nejčastěji provádí při 500–600 °C.
Difúzní nasycení slitin kovy a nekovy
Borování je nasycení povrchu kovů a slitin borem za účelem zvýšení tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a odolnosti proti korozi. Boridování se používá na perlitické, feritické a austenitické oceli, žáruvzdorné kovy a slitiny niklu.
Silikonizace. V důsledku difúzního nasycení povrchu křemíkem se zvyšuje korozní odolnost, tepelná odolnost, tvrdost a odolnost proti opotřebení kovů a slitin.
Chromování je sycení povrchu výrobků chromem. Difúzní chromování se aplikuje na litinu, ocel různých tříd, slitiny na bázi niklu, molybdenu, wolframu, niobu, kobaltu a kovokeramických materiálů. Chromování se provádí ve vakuových komorách při 1420 °C.
Hliníkování je proces difúzního nasycení povrchu výrobků hliníkem za účelem zvýšení tepelné odolnosti, odolnosti proti korozi a erozi. Při kalorizaci železa a oceli je pozorován plynulý pokles koncentrace hliníku napříč tloušťkou vrstvy.
Účelem povrchového kalení je zvýšit tvrdost, odolnost proti opotřebení a mez trvanlivosti povrchu zpracovávaných výrobků. Jádro přitom zůstává viskózní a výrobek odolává rázovému zatížení.
39. Stárnutí. Účel, změna mikrostruktury a vlastností slitin při stárnutí
Popouštění a stárnutí jsou druhy tepelného zpracování, které mají za následek změny vlastností kalených slitin.
Termín popouštění se obvykle používá pouze pro ty slitiny, které byly podrobeny kalení s polymorfní přeměnou, a termín stárnutí se používá v případě kalení bez polymorfní přeměny (po takovém kalení se fixuje přesycený tuhý roztok).
Účelem temperování oceli je zlepšit její vlastnosti. Kalení oceli změkčuje účinek kalení, snižuje nebo odstraňuje zbytková pnutí, zvyšuje viskozitu a snižuje tvrdost a křehkost oceli. Popouštění se provádí ohřevem dílů kalených na martenzit na teplotu pod kritickou.
Na rozdíl od popouštění se po stárnutí zvyšuje pevnost a tvrdost a snižuje se plasticita.
Hlavním procesem stárnutí je rozklad přesyceného tuhého roztoku, který vzniká tvrdnutím.
Stárnutí slitin je tedy spojeno s proměnlivou rozpustností přebytečné fáze a ke zpevnění během stárnutí dochází v důsledku rozptýlené precipitace během rozkladu přesyceného tuhého roztoku a vnitřních pnutí, která při tomto procesu vznikají.
Ve slitinách stárnoucích se sraženiny z přesycených pevných roztoků vyskytují v následujících hlavních formách: tenké desky (ve tvaru disku), rovnoosé (obvykle kulové nebo krychlové) a jehlicovité. Energie elastických distorzí je u sekretů ve formě tenkých destiček – čoček minimální. Hlavním účelem stárnutí je zvýšení pevnosti a stabilizace vlastností.
Rozlišuje se přirozené stárnutí, umělé stárnutí a stárnutí po plastické deformaci.
Přirozené stárnutí je spontánní nárůst pevnosti (a snížení tažnosti) vytvrzené slitiny, ke kterému dochází při jejím stárnutí za normální teploty. Zahřívání slitiny zvyšuje pohyblivost atomů, což urychluje proces.
Při nízkých teplotách se tuhé roztoky nejčastěji rozkládají před vznikem zón. Tyto zóny jsou rozptýlené oblasti, které jsou obohaceny o přebytečnou složku. Zachovávají si stejnou krystalickou strukturu jako původní roztok. Zóny jsou pojmenovány po Guinierovi a Prestonovi. Pomocí elektronové mikroskopie lze tyto zóny pozorovat u slitin Al – Ag, které mají vzhled kulovitých částic o průměru ~10 A. Slitiny Al – Cu mají zóny-desky, které mají tl.
Umělé stárnutí je zvýšení pevnosti, ke kterému dochází při vystavení zvýšeným teplotám. Pokud je vytvrzená slitina, která má strukturu přesyceného tuhého roztoku, podrobena plastické deformaci, urychluje to procesy, ke kterým dochází při stárnutí. Tento typ stárnutí se nazývá deformační. Tepelné zpracování hliníkových slitin se skládá ze dvou cyklů – kalení a stárnutí. Stárnutí zahrnuje všechny procesy probíhající v přesyceném tuhém roztoku – procesy přípravy na srážení a procesy srážení. Přeměna, při které dochází pouze k precipitačním procesům, se nazývá disperzní vytvrzování.
Pro praxi je velmi důležitá inkubační doba – doba, po kterou probíhají přípravné procesy ve vytvrzené slitině, doba, po kterou si vytvrzená slitina zachovává vysokou plasticitu. To umožňuje provést deformaci za studena ihned po vytvrzení.
Pokud během stárnutí dochází pouze k precipitačním procesům, bez složitých přípravných procesů, pak se tento jev nazývá disperzní vytvrzování.
Praktický význam fenoménu stárnutí slitin je velmi velký. Po stárnutí se tedy pevnost nízkouhlíkové oceli zvyšuje a plasticita klesá v důsledku rozptýlené precipitace terciárního cementitu a nitridů ve feritu.
Stárnutí je hlavní metodou zpevňování hliníkových slitin, některých slitin mědi, jakož i mnoha tepelně odolných a jiných slitin. V dnešní době se stále více používají maragingové slitiny.
Dnes se místo termínu „přirozené stárnutí“ často používá termín „stárnutí při nízkých teplotách“ a místo „umělého stárnutí“ se používá „stárnutí při vysokých teplotách“. Vůbec prvními kovy, které byly zpevněny stárnutím, byly slitiny hliníku. Kalení bylo prováděno při teplotách nad 100 °C.
Rozdíly v procesu rozkladu jsou pozorovány v různých rozmezích teplot. Proto se pro získání optimální sady vlastností u slitin používá komplexní stárnutí, které probíhá v určitém sledu, při nízkých a vyšších teplotách.
Nejdůležitější je stárnutí slitin způsobené procesem rozkladu přesyceného tuhého roztoku. Po ochlazení slitin nastává stav přesycení tuhého roztoku. To je způsobeno tím, že při vysokých teplotách se zvyšuje rozpustnost nečistot a legujících složek.
Tento text je informační list.
Pokračování na litrech
Přečtěte si také
2. VÍTR V OCELI
2. VÍTR V OCELI 2.1. “Snažte se stát se vzdělanými, dobře vychovanými lidmi a starejte se o sebe” Chikubasho. 9. února 1383. Eitokuův třetí rok studia na MEPhI byl těžký. Neuspokojivé známky v prvních ročnících mnoho neprošlo a třetina přijatých ano
Tepelné zpracování hotových výrobků
Tepelné zpracování hotových výrobků Tepelné zpracování se provádí hotovým výkovkem a slouží ke změně struktury kovu. Na správném provedení závisí kvalita výrobku a jeho trvanlivost. KaleníJe určeno dát
Pokovování drahými kovy
Malování drahými kovy Pro dekoraci skla a výrobků z umělého křišťálu se speciálním způsobem používají přípravky z drahých kovů (stříbro, zlato a platina): roztoky a prášky. Takzvané lesklé zlato (10%
2. Oceli: klasifikace, automatové oceli
2. Ocel: klasifikace, automatová ocel Ocel slouží jako materiálový základ pro strojírenství, stavebnictví a další průmyslová odvětví. Oceli jsou hlavní surovinou pro výrobu plechových a profilových válcovaných výrobků. Podle způsobu výroby se oceli dělí na
6. Chemicko-tepelné zpracování: cementování, nitrocementování
6. Chemicko-tepelné zpracování: cementování, nitrocementování Pro změnu chemického složení, struktury a vlastností povrchové vrstvy dílů se tyto tepelně zpracovávají v chemicky aktivním prostředí, tzv. chemicko-tepelné zpracování. S ní
7. Chemicko-tepelné zpracování: nitridace, iontová nitridace
7. Chemicko-tepelné zpracování: nitridace, iontová nitridace Chemicko-tepelné zpracování – nitridace se používá pro zvýšení povrchové tvrdosti různých dílů – ozubená kola, pouzdra, hřídele atd. z ocelí 38KhMYuA, 38KhVFYuA, 18Kh2N4VA,
1. Uhlíkové a legované konstrukční oceli: účel, tepelné zpracování, vlastnosti
1. Uhlíkové a legované konstrukční oceli: účel, tepelné zpracování, vlastnosti Uhlíkové vysoce kvalitní konstrukční oceli se používají k výrobě válcovaných výrobků, výkovků, kalibrované oceli, stříbrné oceli, tříděné oceli, výlisků a ingotů. Tyto se staly
Tepelné zpracování
Tepelné zpracování Tepelné zpracování je proces tepelného zpracování, jehož podstatou je zahřátí skla na určitou teplotu, udržení na této teplotě a následné ochlazení danou rychlostí za účelem změny buď vlastností skla nebo jeho tvaru.
6. Tepelné zpracování klenotnických slitin. Obecná ustanovení
6. Tepelné zpracování klenotnických slitin. Obecná ustanovení Tepelné zpracování zahrnuje tyto hlavní operace: žíhání, kalení, stárnutí a popouštění (u železných kovů). Použití jednoho nebo druhého typu tepelného zpracování je dáno požadavky, které
6.1. Tepelné zpracování slévárenských slitin
6.1. Tepelné zpracování slévárenských slitin Podle klasifikátoru klenotnických slitin (obr. 3.36) jsou hlavní ušlechtilé slitiny na bázi stříbra, zlata a platiny, dále slitiny mědi, hliníku a zinku. Výhodné jsou operace tepelného zpracování
13. Tepelné zpracování šperkařských slitin
13. Tepelné zpracování šperkařských slitin Hlavním typem tepelného zpracování šperkařských slitin je rekrystalizační žíhání. Je určen buď jako mezistupeň mezi operacemi plastické deformace za studena, nebo jako konečný – za účelem
13.1. Tepelné zpracování slitin na bázi stříbra
13.1. Tepelné zpracování slitin na bázi stříbra Slitiny systému Ag-Cu jsou tepelně zpracovány, protože měď má omezenou rozpustnost ve stříbře a její rozpustnost se mění s teplotou. Režim tepelného zpracování spočívá v kalení slitiny při teplotě 700 °C ve vodě s
13.2. Tepelné zpracování slitin na bázi zlata
13.2. Tepelné zpracování slitin na bázi zlata Binární slitiny zlata a stříbra nejsou tepelně kaleny, protože stříbro a zlato jsou v pevném stavu neomezeně rozpustné. Ternární slitiny systému Au-Ag-Cu jsou kaleny tepelným zpracováním. Tužící efekt
41. Konstrukční oceli: stavební, strojírenské, vysokopevnostní. Nástrojové oceli: oceli pro řezné nástroje, ložiskové oceli, lisovací oceli
41. Konstrukční oceli: stavební, strojírenské, vysokopevnostní. Nástrojové oceli: oceli pro řezné nástroje, ložiskové oceli, lisovací oceli Uhlíkové nástrojové oceli U8, U10, U11, U12 díky nízké stabilitě podchlazeného austenitu
Tepelné (tepelné) zpracování oceli slouží ke změně v určitých mezích pevnosti, tvrdosti, viskozity, elasticity, odolnosti proti opotřebení a dalších vlastností ocelového výrobku. Většina tepelných procesů nemění chemické složení oceli. Výjimkou jsou chemicko-tepelné procesy úpravy, které mění chemické složení povrchových vrstev.
Účelem chemicko-tepelného zpracování je získat povrchovou vrstvu ocelových dílů, která má zvýšenou tvrdost, odolnost proti opotřebení, tepelnou odolnost nebo odolnost proti korozi. K tomu jsou vyhřívané díly vystaveny prostředí, ze kterého difúzí (penetrací) přecházejí určité prvky (uhlík, dusík, hliník, chrom, křemík atd.) do povrchové vrstvy dílů. Aktivovaný atom prvku uvolněný při rozkladu proniká mřížkou ocelových krystalů a tvoří pevný roztok nebo chemickou sloučeninu. Nejběžnější druhy chemicko-tepelného zpracování oceli jsou: cementace (nasycení povrchu uhlíkem), kapalinová a plynová kyanidace (nasycení povrchu dusíkem a uhlíkem), hliníkování (nasycení povrchu hliníkem), silikonování (nasycení povrchu křemíkem), boronizace (nasycení povrchu borem) atd.
Způsoby tepelného zpracování beze změny chemického složení kovu jsou normalizace, žíhání, kalení a popouštění.
Normalizace se používá k převedení struktury oceli do homogenního stavu, k odstranění hrubozrnné struktury, kterou má ocel v litém nebo kovaném stavu. Normalizace spočívá v zahřátí na teplotu, při které se uhlík zcela rozpustí v železe a ochlazení na vzduchu. Normalizovaná ocel má vyšší viskozitu a nižší tvrdost než v litém stavu, což vytváří dobré podmínky pro řezání. Normalizace se používá k vyrovnání vnitřních pnutí v odlitcích, výkovcích a svarových spojích.
Žíhání je proces, při kterém se zahřívání provádí nad teplotu úplného rozpuštění uhlíku v železe, při této teplotě se udržuje a poté se pomalu ochlazuje na pokojovou teplotu. Žíhání se používá ke zlepšení obrobitelnosti a ke zvýšení plasticity a houževnatosti.
Kalení je proces tepelného zpracování, který zahrnuje zahřátí nad bod úplného rozpuštění uhlíku v železe, udržování na této teplotě po určitou dobu a poté rychlé ochlazení (ve vodě, v
olej a další prostředí). Rychlost ohřevu, doba výdrže a chladící médium při kalení se používají v závislosti na chemickém složení oceli, velikosti a hmotnosti výrobku, typu pece atd. Pro získání součásti s viskózním jádrem a tvrdým pracovním povrchem se používá povrchové kalení.
Popouštění spočívá v zahřátí tvrzené oceli pod teplotu, při které se uhlík začíná rozpouštět v železe, v jejím udržení a následném rychlém nebo pomalém ochlazení. Volba temperovací teploty závisí na účelu výrobků. Rychlost ochlazování po popouštění není u obyčejné uhlíkové oceli důležitá, ale speciální oceli, jako jsou chromniklové oceli, se musí rychle ochladit, aby se předešlo nízkým mechanickým vlastnostem (zejména rázové houževnatosti).
Léčba chladem. Pokud není kalený řezný nástroj dostatečně temperován, dojde ke snížení jeho tvrdosti, což prudce sníží jeho výkon. Pro zvýšení tvrdosti je nástroj podroben zpracování za studena při teplotách pod nulou (od -40 do -120°C). Takové chladicí teploty se vytvářejí pomocí kapalného kyslíku a vzduchu, směsi suchého ledu (pevného CO02) s acetonem, alkoholem, kapalným dusíkem atd.
Po setrvání v tomto prostředí po určitou dobu se tvrdost nástroje zvyšuje. Nárůst tvrdosti je způsoben změnou strukturálního stavu materiálu nástroje a je doprovázen vznikem vnitřních pnutí. Po úpravě za studena je proto nutné popouštět při teplotách, které nesnižují tvrdost, ale postačí k odlehčení vnitřních pnutí (např. u cementovaných dílů se teplota popouštění pohybuje v rozmezí od +160 do +180° C).
Úprava za studena se také používá ke stabilizaci rozměrů a tvaru měřicích přístrojů.
Cementace. Podstata procesu nauhličování spočívá v tom, že při zahřívání nízkouhlíkové oceli v prostředí schopném uvolňovat uhlík povrchová vrstva oceli absorbuje uhlík a mění své chemické složení. Po vhodném tepelném zpracování získávají cementované výrobky vysokou povrchovou tvrdost při zachování viskózního jádra. Cementování je široce používáno při výrobě dílů, které podléhají otěru a současně jsou vystaveny rázovému zatížení. V závislosti na prostředí, které uvolňuje uhlík, může být cementace pevná, kapalná nebo plynná. Při cementování v pevném nauhličovači je médiem směs dřevěného uhlí, koksu a zuhelnatělé kůže smíchaná s uhličitanem barnatým nebo jinými uhličitanovými solemi.
Při plynové cementaci je aktivním karburujícím prvkem prostředí metan CH4. U plynové cementace se díly plní do hustých muflí, kterými prochází plyn. Teplota v muflích se udržuje v rozmezí 900–950 °C.
Kyanidace je nasycení povrchové vrstvy produktu uhlíkem i dusíkem. Kyanidace se používá ke zvýšení tvrdosti a rovinnosti povrchu.
Kapalná kyanidace se provádí v lázních s roztavenými kyanidovými solemi (NaCN, KCN, Ca(CN)2 atd.) při teplotě dostatečné k jejich rozkladu s uvolněním aktivních uhlíkových a dusíkových atomů.
Kyanidace plynu se od nauhličování plynu liší tím, že se do cementačního plynu přidává amoniak, který produkuje aktivované atomy dusíku,
Hliníkování je povrchové sycení dílů hliníkem za vzniku tuhého roztoku hliníku v železe. Aplikuje se především na díly pracující při vysokých teplotách (roštové tyče, trubky atd.), protože výrazně zvyšuje odolnost oceli při vysokých teplotách (1000°C).
Difúzní chromování se provádí v práškových směsích z ferochromu a šamotu, zvlhčených kyselinou chlorovodíkovou, nebo v plynném prostředí při rozkladu par chloridu chromitého (CrCl12). Chromová vrstva nízkouhlíkové oceli mírně zvyšuje tvrdost, ale má vysokou viskozitu, což umožňuje, aby byly chromované díly vystaveny zploštění, válcování atd.
Silikonizace je sycení povrchové vrstvy ocelových výrobků křemíkem, který zajišťuje zvýšenou odolnost proti korozi a erozi v mořské vodě, kyselině dusičné, sírové a chlorovodíkové.