Tepelné zpracování jsou procesy spojené s ohřevem a chlazením, které způsobují změny vnitřní struktury slitiny a z toho vyplývající změny fyzikálních, mechanických a jiných vlastností.

Základem procesů tepelného zpracování je polymorfismus železa a jeho pevných roztoků na bázi modifikací železa – a –Fe. V důsledku polymorfismu dochází ke změně krystalové struktury slitin v pevném stavu. Je třeba si uvědomit, že zahřívání nebo chlazení jednosložkového kovu (železa) nemá zásadní vliv na jeho strukturu a vlastnosti. Mezitím tepelné zpracování uhlíkové oceli za určitých podmínek umožňuje měnit strukturu materiálu a jeho fyzikální a mechanické vlastnosti v širokém rozsahu.

Jak polotovary (přířezy), tak hotové výrobky (díly, nástroje) jsou podrobeny tepelnému zpracování, aby bylo dosaženo požadované změny struktury a vlastností (tvrdost, zpracovatelnost atd.). V závislosti na strukturálním stavu oceli získané v důsledku tepelného zpracování se tato dělí na žíhání (prvního a druhého druhu), normalizaci, kalení a popouštění [30].

Technologický proces tepelného zpracování zahrnuje tři po sobě jdoucí operace:

ohřev na určitou teplotu;

expozice při této teplotě;

chlazení při dané rychlosti.

Pro pochopení rysů fázových přeměn, ke kterým dochází při tepelném zpracování oceli, je nutné zvážit proces přechodu austenitu na perlit. Tento proces zahrnuje čtyři kroky.

Při ochlazení austenitu na teplotu 727°C nastává téměř okamžitý přechod –Fe na –Fe se změnou typu krystalové mřížky z fcc na bcc. V tomto případě se uvolňuje přebytečný uhlík, který nestihne difundovat a zůstává v železné mřížce. V důsledku toho vzniká slitina – přesycený tuhý roztok uhlíku v -Fe, který je tzv. martenzit (tvrdost – 62 – 65 HB).

Uhlík začíná difundovat do krystalizačních center a vzniká směs –Fe+C krystalů a Fe cementitu3C. Lineární velikost krystalů cementitu je ~10 -5 mm. Tato slitina se nazývá troostitis (tvrdost – 40 HB).

Fe zrna3C se zvyšuje na ~10 -4 mm a vzniká směs –Fe+C a Fe krystalů3C, který se nazývá sorbitol (tvrdost – 30 HB).

Fe zrna3C dorůstají do velikosti přesahující 10 -3 mm a tvoří se perlitu (tvrdost – 15–20 HB).

Struktury austenitu a perlitu jsou stabilní (rovnovážné), zatímco martenzit, troostit a sorbit jsou nerovnovážné.

Je známo, že pokud se austenit ochladí rychlostí 50 stupňů/s, vytvoří se sorbitol; při 100 stupních/s – troostit; při 150–200 st./s – martenzit. Při tepelném zpracování, které způsobuje přechod austenitu na martenzit, se hustota oceli snižuje (hustota austenitu – (8,0–8,1) g/cm3, martenzit – 7,8 g/cm3) a zvětšují se lineární rozměry a objem. Proto po tepelném zpracování vznikají v materiálu vnitřní mechanická pnutí.

Žíhání je proces tepelného zpracování, který zahrnuje ohřev na určitou teplotu, udržení a následné, obvykle pomalé chlazení (v peci) za účelem získání vyváženější ocelové konstrukce. V důsledku žíhání se odstraní vnitřní pnutí, zjemní se zrno a zvýší se tažnost oceli.

Žíhání prvního druhu – jedná se o tepelné zpracování, při kterém zpravidla nedochází k fázovým přeměnám (rekrystalizaci), a pokud k nim dojde, nemají vliv na konečné výsledky určené pro zamýšlený účel. Žíhání prvního řádu v závislosti na teplotním režimu odstraňuje nehomogenity chemického složení nebo fyzikálních vlastností vzniklé předchozími úpravami. Odrůdy žíhání prvního řádu jsou difúzní a rekrystalizační žíhání.

ČTĚTE VÍCE
Jaký je rozdíl mezi vysokotlakým a nízkotlakým polyethylenem?

Účel difúze Žíhání (homogenizace) je vyrovnání chemického složení a odstranění dendritické struktury krystalů u tvarových odlitků a ingotů z legované oceli. Heterogenita chemického složení obrobků zvyšuje anizotropii jejich vlastností a sklon oceli zpracované tlakem ke křehkému lomu. Difúzní žíhání se provádí při teplotách 1100–1200 °C po dobu 30–50 h. Pouze za takových podmínek probíhají difúzní procesy nutné k vyrovnání složení oceli v celém objemu nejúčinněji. Celková doba trvání procesu včetně ohřevu, udržování a pomalého chlazení rychlostí 30–100 stupňů/hod (obvykle společně s pecí) může přesáhnout 100 hodin.

Rekrystalizace žíhání (typ nízká žíhání) je tepelné zpracování oceli deformované za studena včetně ohřevu nad teplotu rekrystalizace, udržení na této teplotě a následného ochlazení. Účelem rekrystalizačního žíhání je eliminovat mechanické zpevňování a získat určitou zrnitost. K vytvrzení dochází v důsledku velmi vysokých tlaků působících při zpracování tlakem, řezáním apod. Zrna povrchových vrstev získávají protáhlý tvar. Vznikají relativní posuny (posuny) částí krystalové mřížky.

Rekrystalizační žíhání se používá před i po tváření za studena k odstranění vnitřních pnutí vzniklých deformačním zpevněním v materiálu.

Aby se dosáhlo rekrystalizace v celém objemu a zkrátila se doba procesu, musí teplota žíhání překročit teplotu prahu rekrystalizace. U uhlíkových ocelí (obsahujících 0,08–0,2 % uhlíku), které jsou často vystaveny deformaci za studena (válcování, ražení, tažení), je teplota žíhání 680–700 °C, doba trvání je od 0,5 do 1,5 hodiny.

Zrna povrchových vrstev materiálu, po vytvrzení deformovaná a zploštělá, po žíhání obnovují svůj normální tvar. Ocel získává jemnozrnnou strukturu, sníženou tvrdost a zvýšenou tažnost a zpracovatelnost za studena.

Účel žíhání druhého druhu jsou fázové přeměny – rekrystalizace oceli s dosažením téměř rovnovážného strukturního (fázového) stavu. Rozlišují se tyto typy žíhání druhého druhu: úplné, neúplné, izotermické.

Plný Hypoeutektoidní ocel je podrobena žíhání za účelem vytvoření jemného zrna, snížení tvrdosti a zvýšení tažnosti a uvolnění vnitřních pnutí. Ocel se zahřívá na teplotu 30–50 °C nad bodem Jako3. Po zahřátí se původní hrubozrnná feritovo-perlitová struktura přemění na jemnozrnnou austenitovou strukturu, která zajišťuje vysokou houževnatost a tažnost oceli. Doba výdrže musí být dostatečná pro úplné zahřátí celého objemu materiálu a dokončení fázových přeměn. Nadměrný nárůst teploty nad bod Ac3 způsobuje růst austenitového zrna, což zhoršuje vlastnosti oceli.

Následným pomalým ochlazováním se z jemnozrnného austenitu vytvoří jemná ferito-perlitová struktura. Pomalé ochlazování by mělo zajistit rozklad austenitu při nízkých stupních přechlazení, aby se zabránilo tvorbě příliš rozptýlené ferito-karbidové struktury a její vlastní vysoké tvrdosti.

Rychlost ochlazování potřebná pro úplné žíhání závisí na stabilitě podchlazeného austenitu, a tedy na složení oceli. V tomto ohledu se legované oceli, které se vyznačují vysokou odolností vůči podchlazeným austenitu, ochlazují mnohem pomaleji (10–100 °C/h) než uhlíkové oceli (200–250 °C/h).

Hypereutektoidní ocel není plně žíhaná.

Neúplný Hypereutektoidní a eutektoidní ocel se podrobí žíhání za účelem přeměny lamelárního perlitu na zrnitý perlit. Pro získání zrnitého perlitu se hypereutektoidní ocel zahřívá na teplotu mírně nad bodem Jako1 (až 740–780 °C). Při zahřátí se perlit přemění na austenit, ale cementit zůstane a vytvoří se struktura cementit + austenit.

ČTĚTE VÍCE
Co se stane, když vylezete na střechu obytného domu na Ukrajině?

Následným pomalým ochlazováním vzniká z austenitu feriticko-cementitová struktura se zrnitou formou cementitu – zrnitý perlit. Hypereutektoidní (nástrojové) oceli se podrobují pouze částečnému žíhání pro snížení tvrdosti a zlepšení obrobitelnosti a také pro přípravu struktury pro kalení.

Hypoeutektoidní oceli jsou zřídka vystaveny neúplnému žíhání v důsledku neúplné rekrystalizace struktury [30].

Izotermické žíhání se obvykle používá u legovaných ocelí za účelem úplného rozkladu austenitu a vytvoření ferito-perlitové struktury. Zahřívání se provádí na teplotu použitou pro úplné žíhání. Poté se provede poměrně rychlé ochlazení (přeložením do jiné pece) na teplotu pod bodem Jako1 (~650 °C) a zahájí izotermické udržování, nezbytné pro úplný rozklad austenitu, následované ochlazením na vzduchu.

Výhodou izotermického žíhání je zkrácení doby trvání procesu oproti úplnému žíhání. Při volbě udržovací teploty izotermického žíhání blízké teplotě minimální stability přechlazeného austenitu v oblasti perlitu je dosaženo minimální doby procesu. Další výhodou žíhání je, že vytváří jednotnější strukturu materiálu.

Izotermický žíhání zlepšuje obrobitelnost oceli řezáním a čistotou povrchu, snižuje sklon k deformaci při následných tepelných a (nebo) chemicko-tepelných úpravách.

Normalizace – jedná se o tepelné zpracování, které zahrnuje ohřev na teplotu 30–50 stupňů nad kritickými body Jako3 pro hypoeutektoidní ocel a Ast u eutektoidní oceli udržení na této teplotě a chlazení na vzduchu.

Díky rychlejšímu ochlazování než při úplném žíhání je struktura perlitu po normalizaci stejná jako po úplném žíhání, ale více rozptýlená (tenčí než deska ze směsi feritu a cementu).

Účel normalizace podeutektoidních a eutektoidních ocelí je stejný jako u plného žíhání. Po normalizaci je však tvrdost a pevnost oceli vyšší než po úplném žíhání. Normalizace se obvykle používá pro korekci struktury přehřáté a lité oceli, zjemnění zrna, měknutí oceli před zpracováním a řezáním, přípravu ke kalení a odstranění sekundární cementitové sítě u hypereutektoidní oceli [30]. Normalizace ve srovnání s žíháním je ekonomičtější operace, protože nevyžaduje dlouhodobé chlazení pecí.

Kalení ocel se používá k výraznému zvýšení pevnosti a tvrdosti materiálu. Kalení se provádí zahřátím o 30–50 stupňů nad teploty odpovídající linii austenitické transformace (GSK) Fázový diagram Fe–C (obr. 2.12); poté se expozice provádí po požadovanou dobu. Chlazení po kalení se provádí vysokou rychlostí 100–500 deg/s. Hlavním a rozhodujícím faktorem určujícím strukturu a fyzikální a mechanické vlastnosti kalené oceli je rychlost ochlazování.

Pro kalení je zvláště důležitá rychlost ochlazování v rozsahu teplot, kdy je austenit nejméně stabilní (650–550 °C). Obvykle musí být tento teplotní rozsah během vytvrzování rychle překonán. Rychlost ochlazování je důležitá také v teplotním rozsahu 300–200 °C, kdy u mnoha ocelí dochází k tvorbě martenzitu. V tomto rozsahu je vyžadováno pomalejší chlazení, aby se zabránilo vzniku pnutí a prasklin při tvrdnutí.

V praxi se používají tato chladící média: voda, 10% roztoky NaCl, H2SO3Na2CO3 ve vodě, strojním oleji, transformátorovém oleji, emulzi olej ve vodě, mýdlové vodě, petroleji, vzduchu.

ČTĚTE VÍCE
Kolik stojí výměna ložisek v pračce Indesit?

Uhlíkové oceli, které mají vysokou kritickou rychlost kalení, jsou ochlazovány (kaleny) ve vodě a legované oceli, které mají nižší kritickou rychlost kalení, jsou ochlazovány v oleji, kde ochlazování probíhá pomaleji. Nevýhodou oleje jako chladicího média je jeho snadná hořlavost a poměrně vysoká cena. S klesající teplotou chladicího média se kalení oceli zrychluje.

Existují následující způsoby kalení: v jednom chladiči; ve dvou prostředích; s chlazením (před ponořením do chladiče je materiál nějakou dobu udržován na vzduchu); stupňovitý; izotermické kalení atd.

Existuje metoda povrchového kalení – ohřevu vlivem tepelného působení elektrického proudu indukovaného v povrchových vrstvách materiálu při jeho umístění do vysokofrekvenčního elektromagnetického pole.

Kromě vysoké pevnosti a tvrdosti získává kalená ocel také zvýšenou křehkost.

Dovolená tzv. ohřev kalené oceli na teplotu pod kritickým bodem Jako1 s udržením na této teplotě a následným relativně pomalým chlazením na vzduchu. Účelem popouštění je částečně nebo úplně odstranit vnitřní pnutí, snížit tvrdost a zvýšit viskozitu.

Popouštění je operace konečného tepelného zpracování oceli. Hlavními faktory ovlivňujícími vlastnosti oceli po popouštění jsou teplota ohřevu a doba výdrže. Podle teploty se temperování dělí na nízkoteplotní a vysokoteplotní.

terč nízká teplota popouštění, prováděné při 150–250 °C, snižuje vnitřní pnutí v kalené části bez snížení tvrdosti. Dovolená se provádí v olejových nebo solných lázních. Nízkoteplotní (nízké) popouštění se také nazývá martenzitické popouštění.

Střední teplota (střední) temperování – temperování pro troostit – nastává při zahřátí na teploty 350–450°C. Tím se snižuje tvrdost oceli.

vysoká teplota (vysoké) temperování – temperování na sorbitol – se provádí při teplotě 500–650°C. Používají se ve strojírenství pro výrobky z konstrukční oceli pro zajištění dostatečné pevnosti, houževnatosti a tažnosti. Kombinace kalení s vysokým popouštěním na sorbitolu se nazývá zlepšení stát se. Tato operace se používá pro středně uhlíkové oceli (0,35–0,60 % C).

Chemicko-tepelné zpracování oceli je proces, který je kombinací tepelných a chemických vlivů s cílem změnit složení, strukturu a vlastnosti povrchové vrstvy oceli.

Při chemicko-tepelném zpracování dochází k následujícím procesům [30]: rozpad molekul ve vnějším prostředí a vznik atomů difuzního prvku (disociace); absorpce atomů povrchem oceli (adsorpce); pronikání atomů hluboko do oceli (difúze).

Chemicko-tepelné zpracování umožňuje získat ocelový díl s tvrdou povrchovou vrstvou a měkkým jádrem.

Difúzní nasycení povrchu dílů se provádí různými prvky: uhlíkem, dusíkem, chrómem, křemíkem, borem atd.

CHT je tepelné zpracování sestávající z kombinace tepelných a chemických účinků za účelem změny složení, struktury a vlastností povrchové vrstvy oceli.

Když dojde k CTO povrchové nasycení oceli prvků (C, N, Al, Cr, SI aj.) difúzí v atomárním stavu z vnějšího prostředí (pevná látka, plyn, kapalina) za vysoké teploty. Při chemickém ošetření se získá velký rozdíl mezi složením a vlastnostmi povrchové vrstvy a jádra

CTO zahrnuje tři po sobě jdoucí fáze (elementární procesy):

DISSOCIACE – rozpad molekul a vznik aktivních nasycených prvků

VSTŘEBÁVÁNÍ – zachycení volných atomů saturovatelného prvku povrchem kovu. .

DIFÚZE – pronikání saturačního prvku hluboko do kovu.

Cementace je proces nasycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem.

ČTĚTE VÍCE
Je možné přidat lepidlo PVA do lepidla na keramické dlaždice?

Účel cementace – získání tvrdého a otěruvzdorného povrchu při zachování viskózního plastového jádra.

Oceli obsahující 0,12-0,23 % uhlíku jsou podrobeny nauhličování.

Cementování se provádí při teplotách nad kritickou Ac3, tj. 920-950 stupňů, při kterých je ocel v austenitickém stavu a rozpouští uhlík ve velkém množství.

Tloušťka tmelené vrstvy je od 0,5 do 3 mm

Výdrž závisí na požadované tloušťce tmelené vrstvy a pohybuje se od 6 do 24 hodin.

Podle typu karburátor (látky obsahující uhlík) se rozlišují tyto hlavní typy cementace:

Pevné – dřevěné uhlí, soli oxidu uhličitého

plyn – plyny obsahující uhlík

TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ PO CEMENTACI

Finálních vlastností cementovaných výrobků je dosaženo po tepelném zpracování provedeném po cementaci. Harmonogram takového tepelného zpracování je následující: normalizace, kalení a nízké popouštění

Normalizace – ke snížení velikosti zrna, která nevyhnutelně roste v důsledku zahřátí na 950 o C, odstranění karbidové sítě cementované vrstvy

Kalení – pro zvýšení tvrdosti povrchové vrstvy, 58-62НRCе, struktura – jemný martenzit

Nízké popouštění – zmírňuje vnitřní pnutí při kalení a zanechává vysokou martenzitovou tvrdost.

NITRIDOVÁNÍ

Nitridace je proces difúzního nasycení povrchové vrstvy oceli dusíkem při jejím zahřívání v atmosféře amoniaku.

Účelem nitridace je zvýšení tvrdosti povrchové vrstvy

odolnost proti korozi (v prostředí, jako je voda, pára atd.)

Tvrdost nitridované vrstvy je vyšší než u cementované vrstvy a je udržována při zahřátí na 600-650°C, zatímco martenzit si zachovává tvrdost pouze do teploty 200-250°C

Ozubená kola, válce, formy, klikové hřídele a matrice jsou podrobeny nitridaci.

Ve slitinách železa a dusíku se tvoří řada pevných roztoků (dusík v alfa železe, tuhé roztoky na bázi nitridů železa.

Nitridace se provádí v atmosféře amoniaku.

Středněuhlíkové legované oceli jsou podrobeny nitridaci, která po nitridaci získá vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení. Kromě nitridů železa, jejichž tvrdost je nízká, tvrdost nejvíce zvyšují wolfram, chrom, molybden a vanad.

Klasická ocel pro nitridaci – 38Х2МУА

Nitridace uhlíkových ocelí zvyšuje jejich korozní odolnost.

Teplota nitridace – 520-600 o C

Tloušťka nitridované vrstvy – do 0,6 mm

Doba trvání procesu závisí na požadované tloušťce nitridované vrstvy.

Kyanidace je proces difúzního nasycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem i dusíkem při teplotě 820-950°C v roztavených kyanidových solích.

Účely kyanizace zvýšení povrchové tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, meze výdrže.

Jedná se o zahřívání na 820-860 °C v roztavených kyanidových solích (NaCN

Délka procedury – od 30 do 90 minut

poté kalení přímo z kyanidové lázně a nízké popouštění.

používá se na malé díly.

2. KYANIDACE PŘI VYSOKÉ TEPLOTĚ

Jedná se o ohřev na teplotu 930-950 o C v roztavených kyanidových solích

Délka procedury 1-5 hodin

Aby se zabránilo plýtvání kyanidovými solemi, je koupelové zrcadlo pokryto vrstvou grafitu.

Po kyanizaci se také provádí kalení a nízké popouštění.

Výhody kyanidace před nauhličením – zkrácený čas – zvýšená produktivita, větší odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi, menší deformace.

Omezení – jsou vyžadovány vysoké náklady, toxicita kyanidových solí, opatření na ochranu práce.

ČTĚTE VÍCE
Jak správně prát bílé tenisky v pračce?

NITROCEMENTACE

Nitrokarburizace je proces difúzního nasycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem i dusíkem při teplotě 840-860°C v plynném prostředí sestávajícím z nauhličovacího plynu a čpavku.

Doba trvání procesu – 4-10 hodin

Cíle jsou stejné jako u kyanizace

Bylo zjištěno, že při současné difúzi uhlíku a dusíku se proces difúze urychluje.

Teplota při nitrokarburaci je nižší než při nauhličování, což je kladné.

Tloušťka vrstvy – 0,2-0,8 mm

Po nitrokarburizaci následuje kalení a nízké popouštění, tvrdost je 58-64HRCe.

Díly se složitými konfiguracemi, které jsou náchylné k deformaci, jsou podrobeny nitrokarburizaci.

Nejpoužívanější v továrnách na automobily a traktory. Konkrétně ve VAZ je 94,5 % dílů procházejících chemickým testováním podrobeno nitrokarburizaci.

Boriding – jedná se o druh chemické úpravy, která spočívá v difúzním nasycení povrchové vrstvy oceli borem při zahřátí ve vhodném prostředí.

Účel boridování – zvýšení tvrdosti povrchu, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, odolnosti proti okují do 800 o C a tepelné odolnosti.

Boridování se provádí elektrolýzou roztaveného boraxu

Na2B4. Může to být ale i plyn v prostředí diboranu nebo chloridu boritého nebo bez elektrolýzy v lázních s roztavenými solemi.

Procesní teplota 930-950 o C

Doba expozice – 2-6 hodin

Tloušťka vrstvy není příliš velká – 0,1-0.2 mm

Difúzní vrstvu tvoří boridy s vysokou tvrdostí.

Pouzdra čerpadel, kotouče, raznice, části forem atd. se podrobují boridování.

DIFUZNÍ METALIZACE

Difúzní metalizace je sycení povrchové vrstvy oceli hliníkem, chromem, zinkem, křemíkem atd.

Existují následující hlavní způsoby difúzní metalizace:

ponoření do roztaveného kovu

difúze z roztavených solí obsahujících difuzní prvek

odpařením difuzního prvku

z plynného prostředí

Rozlišují se následující typy difúzního pokovování.

Jedná se o difúzní nasycení povrchové vrstvy kovu hliníkem

Účel aluminizace – zvýšení odolnosti proti okují (až 900 o C), v tomto případě se vytvoří hustý film oxidů Al2O3, chránící kov před oxidací a zvyšující odolnost proti korozi.

Hliníkování se provádí ponořením dílů do roztaveného hliníku (660 o C)

tloušťka vrstvy 0,2-1 mm

struktura aluminizované vrstvy je pevný roztok hliníku v alfa železe.

Kryty termočlánků, topeniště strojů na výrobu plynu, části licích pánví a další díly pracující za vysokých teplot jsou podrobeny hliníkování.

CHROMOVÁ DESKA

Jedná se o nasycení povrchové vrstvy chromem.

Cílem je zvýšení odolnosti proti vodnímu kameni až do 800 o C, odolnost proti korozi v mořské vodě a kyselině dusičné, zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení

Difúzní vrstvu tvoří pevný roztok chrómu v alfa železe, karbidy chrómu

tloušťka vrstvy – 0,1-0,15 mm

Díly parních energetických zařízení, armatury pára-voda, ventily, vodovodní baterie a díly podléhající opotřebení v agresivním prostředí jsou podrobeny chromování.

Jedná se o nasycení povrchové vrstvy křemíkem

Cílem je zvýšit odolnost proti korozi v mořské vodě, kyselině dusičné a sírové a odolnost proti opotřebení.

Silikonizovaná vrstva se skládá z pevného roztoku křemíku v alfa železe

Tloušťka vrstvy – 0,3-1mm

Při nízké tvrdosti je odolnost silikonizované vrstvy proti opotřebení vysoká.

Části chemického zařízení, papírenského a ropného průmyslu – válečky čerpadel, potrubí, armatury, matice, šrouby atd. jsou podrobeny silikonizaci.