NOM - zpracování kovů

Created by Michael Jurča

diagramy Fe-Fe3C, Fe-C tepelné zpracování

normalizační

nejpoužívanější typ žíhání

účel: zajišťuje jemnozrnou a rovnoměrnou strukturu po odlévání, tváření, dlouhodobém žíhání - pro podeutektoidní oceli

vzniká jemná austenitická struktura ⇒ po ochlazení na vzduchu - feriticko-perlitická

teplota: 30-50°C nad A₃

výdrž: 1-4 h

homogenizační

účel: snižuje nehomogenitu chem. slož tlustostěnných odlitků

difuzi uhlíku odchází ke snížení nežádoucí heterogenity, hrubne zrno ⇒ nutné normalizační žíhání

teplota: 1100-1200°C

výdrž: řídí se tloušťkou odlitku

základní

• nejjednodušší
• velká zbytková napětí, maximální deformace
• není vhodné pro tvarově složité výrobky

rozpouštěcí

účel: rozpouštění karbidů, nitridů a dalších intermetalických fází ⇒ zvyšuje homogenitu austenitu a nasycení legurami

u vysokolegovaných asutenitických ocelí

teplota: 1050-1150°C

rychlé ochlazení - zabrání opětovnému vyloučení fází - čístý austenit

odstranění křehkosti po moření

účel: odstranění vodíku - vodíková křehkost

teplota: 300-500°C

výdrž: 1-4h

parametry/zkoušky kalení

kalicí teplota

• musí dojít k austenitizaci před schlazením
• podeutektoidní oceli - 30-50°C nad A₃
• nadeutektoidní oceli - 20°C nad A₁

kalitelnost

schopnost oceli prodělat transformaci austenitu na martenzit

dána chemickým složením materiálu

zakalitelnost

hodnotí se tvrdost oceli po zakalení

prokalitelnost

schopnost materiálu dosáhnout tvrdosti, která odpovídá struktuře s 50% martenzitu v určitě hloubce pod povrchem ⇒ hloubka zakalení

• ovlivňuje: složení oceli, tvar ARA, IRA, rychlost chlazení
• zkouší se Jominiho zkouškou prokalitelnosti

kalicí prostředí

• zajistit dostatečnou rychlost ochlazení, aby se dosáhlo požadované M či B struktury
• nesmí ale dojít ke způsobení trhlin, nebo zbytečně vysoké zbytkové napětí
• chlaidicí média: vzduch, voda, olej, solná lázeň

protivločkové

účel: prevence vzniku vloček při nadkritickém obsahu vodíku (tvoří trhliny - vločky)

teplota: 650-750°C - vlivem difuzivity H ve feritu se níží jeho obsah

výdrž: desítky hodin

ukončení: pomalé ochlazení alespoň do 500°C

lomené

• ochlazení nadkritickou rychlostí - potlačení perlitické přeměny (voda)
• (olej) - pomalejší ochlazení
• snižují se tepelná napětí

žíhání

cíl žíhání

• snížení vnitřního pnutí
• odstranění následků předcházejícího mech. zpracování
• zlepšení technologických vlastností
• zmenšení chem. a strukturní heterogenity

bez překrystalizace

• omezené shora teplotou A₁
• na snížení pnutí, rekrystalizační, na měkko, protivločkové

s překrystalizací

• v teplotním pásmu nad teplotou A₃ reps. A_cm
• homogenizační, normalizační, izotermické, kombinované

izotermické

spojení tří druhů: normalizační, na měkko, na snížení vnitřního napětí

účel: jemná homogenní struktura =< lepší obrobitelnost

postup: normalizační ⇒ ochlazení vzduchem 700-650°C ⇒ probíhá rozpad austenitu na perlit (IRA diagram) ⇒ ochlazení vzduchem

vhodné pro středně legované oceli

Jominiho zkouška prokalitelnosti

• ohřev na ustenitizační teplotu, výdrž 30 minut
• chlazení vodou
• zjišťuje se průběh tvrdosti HRC

na měkko

účel: lepší tváření za studena - mění se lamelární perlit na zrnitý

připravit vhodnou strukturu ke kalení

zrnitý krabid ulehčuje asutenitizaci ⇒ lepší zakalení (ložiskové oceli)

teplota: blízká eutektoidní ⇒ cca 727°C
výdrž: 4 h uhlíkové oceli, 16 h vyoskolegované

ukončení: v peci, pozvolným snižováním teploty

kalení

• cíl: zvyýšení tvrdosti, pevnosti, a odolnosti proti opotřebení ocelí
• tohle nabízí nerovnovážné struktury - těch lze docílit pomocí ochlazení austenitu nadkritickou rychlostí
• rozlišuje se martenzitické a bainitické kalení (co pak převládá)
• po kalení musí následovat popouštění
• vytvrzuje se povrch při zachování houževnatosti jádra ⇒ lepší pro dynamické namáhání
• kalení plamenem, indukční, laserem

izotermické

• podobné termálnímu, prodleva trvá v bainitické oblasti
• minimální tepelná i strukturální napětí
• není nebezpečí vzniku trhlin

neželezené kovy

• používají se obdobné metody
• nejčastěji žíhání a vytvrzování, polymorfní slitiny: kalení a popouštění
• pro zlepšení tvrdosti, pevnosti
• u některých kovů je to součást přepracování po výrobě práškovou metalurgií

rekrystalizační

účel: odstraňuje vzniklé zpevnění a regeneruje tvárné vlastnosti

lze měnit i velikost zrna ⇒ zjemnění

teplota: 550-700°C
výdrž: 1-5h

na snížení zbytkových napětí

účel: snížení vnitřního pnutí po tváření za tepla i ua studena, po obráběnímez kluzu je nízká - zbytková napětí se vyrovnají platickou deformací

teplota: 450-650°C
výdrž: 2-10 h

termální

• dovoluje vyrovnat teploty v celém objemu kaleného předmětu
• sníží se tepelná napětí - díky prodlevě na M_s
• ochlazení během martenzitické přeměny probíhá na vzduchu
• vhodné pro tenkostěnné nádoby

Tepelné zpracování ocelí

• řízené využívání fázových a strukturních přeměn
• k čemu to je: zlepšení vlastností výrobku
• jak se to děje: v tepelných cyklech - zahřátí, udržení na teplotě, ochlazení
• parametry cyklu (teplota, rychlost ohřevu/ochlazení, čas) závisí na materiálu, účelu zpracování a rozměrech výrobku

rozdělení

žíhání - výsledný stav má rovnovážnější strukturu než stav výchozí

kalení - změna směřuje k určitému stavu nerovnovážnosti

neželezné kovy

• nejpoužívanější je nitridace - zejména u titanu a jeho slitin
• vytvářejí se vrstvy proti korozi, opotřebení
• metody: křemíkování, beryliování, zinkování a kombinace

Popouštění

• následuje bezprostředně po kalení
• zakalená ocel se ohřeje pod teplotu A₁ ⇒ dojde k rozpadu martenzitu a zbytkového austenitu

při nízkých teplotách

• teplota: 300-350°C 
• snižuje zbytkové napětí, zmenšuje obsah A_z

popouštěcí křehkost

jev při kterém dojde při určité teplotě k nežádoucímu snížení houževnatosti a zvýšení tvrdosti

nepřetržité bainitické

• u ocelí s posunutou bainitickou částí doleva

kombinace

nitrocementace

• kombinace cementace a nitridace
• sycení povrchu uhlíkem a dusíkem
• vhodné pro nízkouhlíkové oceli
• tvrdost: 600 HV

karbonitridace

Cementace

• sycení povrchu uhlíkem s následním zakalením a popouštěním na nízou teplotu
• účel: zvýšení tvrdosti
• vhodné: uhlíkové, nízko i vysoko legované oceli s obsahem uhlíku do 0,25% (ten se dodá cementací)

sycení uhlíke

• nejlepší v oblasti austenitu
• teplota nad A₃ - 850-1050°C

zakalení

• následním zakalením nauhličněné se zvýší tvrdost a odolnost vůči opotřebení
• provádí se buď z cementační teploty, nebo se ochladí nad teplotu A₁
• nejepší je tzv. dvojí kalení

nízkoteplotní popouštění

• polední krok 
• snížení vnitřního napětí
• teplota: 150-200°C

kombinované metody TZ

zušlechťování

• kalení a následné popuštění
• vznikne sorbitická struktura
• dobrá kombinace pevnosti a tvárnosti

vytvrzování

• rozpouštěcí žíhání, intenzivní ochlazení k dosažení přesyceného tuhého roztoku, stárnutí při zvýšené teplotě
• používá se u slitin neželezných kovů - např Al

stárnutí - dosažení rovnovážného stavu, sníží se koncentrace legujících prvků

tepelné zpracování litin

• provádí si, když to odlitek vyžaduje
• podobné způsoby jako u ocelí

cementitická (bílá) litina

temperování

• dlouhodobým ohřevem dohází k rozkladu ledebrutiického a perlitikého cementitu a železo a grafit (grafitizace)
• řídí se rcí: Fe₃C ⇒ 3Fe + C
• dva druhy temperované litiny - s čeným a bílým lomem

chemicko tepelné zpracování

• kombinované zpracování
• pro zlepšení zpevnění povrchu součásti
• mění se nejen struktura ale i chem. složení

Nitridování

• účel: zvýšení tvrdosti, pevnosti, odlonosti proti opotřebení a korozi
• probíhá v plynném prostředí s atomárním N, nebo kyanidových lázních
• sycení povrchu dusíkem
• princip: vznikají vysoce disperzní nitridy legujících prvků
• lez tedy nitridovat jen oceli k tomu určené
• teplota: 500-600°C - nejlepší rozpusnost dusíku ve feritu
• nízká difuzní rychlost ⇒ dlouho to trvá

grafitické litiny

• s lamelárním, kuličkovým, vermikulárním grafitem 
• nejčastější je žíhání - pro snížení vnitřního napětí
• kalení - vyšší otěruvzdornost

škodlivé

síra

• obsah: cca 0,02% 
• zhoršuje mechanické vlastnosti, svařitelnost, koroziodolnost
• zlepšuje obrobitelnost

fosfor

• obsah: <0,03% (litiny: do 0,5%)
• způsobuje lámavost, snižuje houževnatost, zhoršuje svařitelnost a zvyšuje popouštěcí křehkost
• litiny: zhoršuje plasticitu, zvyšuje pevnost, zlepšuje slévatelnost

kyslík

• zvyšuje tvrdost a křehkost
• velké vměstky ⇒ bodová koroze, vznik prasklin
• litiny: do 0,015% nemá vliv

dusík

• obsah: 0,002-0,006%
• do 0,25% ⇒ zjemnění zrna, stabilizace austenitu
• způsobuje stárnutí ocelí - dusík se vyloučí jako nitrid na hranicích zrn ⇒ pokles vrubové houževnatosti

vodík

• rozpouští se v atomárním stavu
• vyvolává silné napětí ⇒ vznik trhlinek
• lze odstranit žíháním

přísadové (legující)

úmyslně se přidávají do ocelí za účelem zlepšení vlastností

zvýšení tvrdosti, prokalitelnosti, pevnosti, odolnost proti korozi, žáruvzdornosti, atd.

prvky na další straně tvoří se železem substituční nebo intersticiální tuhé roztoky

hlavní legující prvky

Mn - 1,65%
Si - 0,5%
Cr - 0,3%
Mo - 0,08%
Ni - 0,3%
V - 0,1%
W - 0,3%

konstrukce diagramu

• Fe_alfa - 0-760-911°C
• Austenit - 760-1392°C
• Fe_delta - 1392-1536°C
• koncentrace C: 0,68; 2,08; 4,23 do 100%
• eutektoidní přem. - 0,68% C; 738°C
• eutektická přem. - 4,23% C; 1153°C
• do 2,08% C je konec austenitu

doprovodné prvky

ty, co tam jsou vždy 

souvisejí s výrobním procesem atd.

Grafit (G)

• uhlík krystalizujícíc v šesterečné soustavě

G_I - primární grafit, krystalizuje z taveniny

G_II - sekundární grafit, vzniká z austenitu

G_III - terciární grafit, vzniká z feirtu_alfa

základní tvary grafitu v grafitických litinách

• lupínkovitý
• červíkovitý
• kuličkový
• temperový

prospěšné

mají za úkol deoxidovat oceli a vázat škodlivé prvky

mangan

• obsah: 0,4-1%
• zvyšuje tvrdost, pevnost, houževnatost
• deoxiduje, váže sýru

křemík

• obsah: do 0,5%
• zvyšuje pevnost, zpomaluje fázové přeměny
• litiny: nedůležitější přísada, podporuje grafitizaci

měď

• obsah: do 0,2%
• do oceli se dostává z rud a spracovaného šrotu
• zvyšuje odolnost vůči korozi

kovové materiály a jejich zpracování

železo

• alotropní materiál - dochází ke změnám mřížky při určité teplotě
• 4 modifikace - alfa, beta, gama, delta

Fe_alfa

• mřížka: BCC=K8

Fe_beta

• mřížka: BCC=K8
• stabilní mezi teplotami 760-911°C
• nejmenší mřížka alfa a beta ⇒ nejmenší rozpusnost uhlíku
• 760°C je tzv. Curieova teplota ⇒ železo ztrácí magnetické vlastnosti

Fe_gama

• mřížka: FCC=K12

• stabilní mezi teplotami 911-1392°C

• největší mřížka ⇒ největší rozpustnost uhlíku

Fe_delta

• mřížka. BCC=K8

  stabilní mezi teplotami 1392-1536°C

• větší mřížka než Fe alfa, beta ⇒ větší rozpustnost uhlíku
• 1536 - teplota tavení železa

rovnovážný stabilní diagram Fe-C

• uvažuje se až do 100% uhlíku

rovnovážné struktury

• austenit, ferit_alfa, ferit_delta, grafit, grafitický eutektoid, grafitické eutektikum
• probíhající změny jsou stále stejné, jen jiné teploty a koncentrace od uhlíku

Zbytkový austenit (Az)

Grafitický eutektoid (GE s pruhem)

eutektoidní bod

• teplota: 738°C
• koncentrace: 0,68% C
• směs feritu a grafitu
• z pákového pravidla plyne, že podíl grafitu v eutektoidu je minimální

metastabilní rovnovážný diagram Fe-Fe₃C

• staví se podle teplot chladnutí železa
• částečně stabilní = metastabilní
• metastabilní je cementit v bílé (cementitické) litině
• končí intermediální fází Fe₃C,  protože nemá technické využití nad hodnotu 6,68%

Grafitické eutektikum (GE*)

eutektický bod

• teplota: 1153°C
• koncentrace: 4,23 % C
• směs asutenitu a primárního grafitu

Martenzit (M)

• tvrdý, křehký
• tvrdost dána: 
  • přesycení uhlíkem
  • tetragonalita mřížky
  • vyšší hustota dislokací
• vysoká křehkost se odstraňuje popouštěním ihned po kalení

nerovnovážné struktury

• vznikají při tepelném zpracování

význačné teploty

A₃ = 911°C

• křivka přeměny austenitu na ferit
• přeměna končí v eutekoidní teplotě A₁ = 727°C

A_cm

• souvisí se změnou rozpustnosti uhlíku v austenitu
• se snižující se teplotou rozpustnost klesá
• nejvyšší hodnota je 2,11% C a snižuje se až do eutektoidního bodu ⇒ 4,3% C
• pod čarou A_cm se vylučuje sekundární cementit (bohatý na uhlík)

A₁ = 727°C

• autektodiní teplota
• pod touto teplotou se veškerý austenit mění na ferit

Fe_alfa - 0-760-911°C
Austenit - 760-1392°C
Fe_delta - 1392-1536°C

Trasformovaný ledeburit (L*)

• pod eutektoidní teplotou
• dochází k rozpadu austenitu na perlit ⇒ L* = P + C

konstrukce diagramu

• Fe_alfa - 0-760-911°C
• Austenit - 760-1392°C
• Fe_delta - 1392-1536°C
• koncentrace C: 0,77; 4,3; 2,11; 6,68
• eutektoidní přem. - 0,77% C; 727°C
• eutektická přem. - 4,3% C; 1147°C
• do 2,11% C je maximální rozpuštění uhlíku v austenitu

Ferit alfa

• Fe_alfa
• intersticiální tuhý roztok uhlíku v Fe_alfa
• dobře tvárný, málo pevný, měkký, feromagnetický

Bainit (B)

• směs jehlicovitého feritu a cementitu
• méně pevný a tvrdý něž martnezit
• houževnatější

Ferit delta

• intersticiální tuhý roztok uhlíku v Fe_delta
• maximální rozpustnost uhlíku je větší než ve feritu alfa (dáno velikostí mřížkového parametru)

Ledeburit (L)

• eutektikum soustavy
• L = A + C

rovnovážné struktury

eutektická přeměna

eutektický bod:

• teplota: 1147°C
• složení:  4,3% C
• eutektikum soustavy: ledeburit - směs 2 fází (austenit a cementit)

Austenit (A)

• intesticiální tuhý roztok v železe gama
• nemagnetický, špatně obrobitelný, houževnatý
• vzniká z taveniny, v peritektickém bodě, z feritu delta

probíhající přeměny

rozpad austenitu

• dělíme podle kinetiky na izotermický a anizotermický
• musí dojít k podchlazení pod teploty A₃, A₁, A_cm
• rovnovážné složky - nad 550°C
• nerovnovážné složky - pod 550°C
• znázorňují teplotní a časovou závislost přeměn přechlazeného austenitu

IRA (izotermní rozpad austenitu)

• dojde k prudkému ochlazení z austenitizační teploty na určitou teplotu pod A₃, A₁, A_cm
• teplota ochlazování je "konstantní"
• tvar křivek je ovlivněn chemickým složením a legujícími prvky

ARA (anizotermní rozpad austenitu)

• spočívá v plynulém ochlazování určitou rychlostí, tzn. teplota ochlazování nění konstantní
• diagram udává, jakou rychlotí je nutno ochlazovat, aby ve výsledné oceli byli požadované struktury
• používá se k procestu kalení

• teplota musí klesnout pod A1 - dochází k rozpadu austenitu
• M_s - martenzit start - začne se tvořit martenzit
• M_f - martenzit finish - přeměna je zastavena
• mezi M_s a M_f se tvoří martenzit

Cementit (C)

• karbid železa (Fe₃C)
• druhá složka diagramu Fe-Fe₃C

Primární cementit C_I

krystalizuje z taveniny

Sekundární cementit C_II

vzniká z austenitu

Perlit (P)

• eutektoid soustavy
• směs fetiru a cementitu
• morfologicky se dělí na lamelární a gloubulární

peritektická přeměna

peritektický bod:

• teplota: 1499°C
• složení:  0,16% C
• reaguje ferit_alfa + tavenina
• vzniká austenit

eutektoidní přeměna

eutektoidní bod

• teplota: 727 °C = teplota A1
• složení: 0,77 % C
• eutektoid soustavy: perlit
• pod eutektodidní teplotou se veškerý austenit změní na perlit

rozpad martenzitu

• dochází k němu při tepelném zpracování - popouštění (probíhá ihned po kalení)
• dochází k rozpadu zbytkového austenitu, který zbyl z procesu kalení
• rozpadá se přesycený tuhý roztok uhlíku ⇒ precipitace
• rozpad má 4 fáze

první fáze

• ohřev do 150°C
• tetragonální martenzit se mění na kubický
• uvolňuje se uhlík ⇒ vznik epsilon-karbidu

druhá fáze

• teplota: 200-300°C
• zbytkový austenit se mění na bainit

třetí fáze

• teplota: vyšší než 250°C
• vzniká cementit Fe₃C z epsilon-karbidu
• vylučuje se uhlík z tuhého roztoku alfa

čtvrtá fáze

• teplota: nad 500°C
• rekrystalizace feritu
• spolu s cementitem vzniká feriticko-karbidická směs sorbit

Martenzitická přeměna

• bezdifuzní přemena
• největší ochlazení austenitu - pod M_s (martenzit start) v čase aniž by byla zahájena perlitická nebo bainitická přeměna
• mřížka: tetragonální tělesně středěná

Bainitická přeměna

• transformace austenitu na ferit
• při větším podchlazení (500-200°C)
• rozlišuje se horní (>350°C) a dolní (<350°C) bainit
• bainit je tvořen jehlicovitým feritem a cementitem

Perlitická přeměna

• austenit uhlíkové eutektoidní ocel se rozpadá na perlit ⇒ eutektoidní směs feritu a cementitu
• heterogenní nukleace = tvorba krystalových zárodků feritu/cementitu
• nastává čelní nebo boční růst
• čelní je řízen difúzí uhlíku v austenitu
• boční růst opakovanou nukleací

Austenitizace

• mění se perlit, ferit a sekundární cementit na austenit, vše vychází z rovnovážného diagramu
• doje při ohřevu nad teploy A₁, A₃, A_cm

• překročení A₁ ⇒  perlitu na austenit

• mezi A₁ a A₃ ⇒ podeutektoidní oceli, ferit na austenit
• mezi A₁ a A₃ ⇒ nadeutektoidní oceli, C_II na austenit

fázové přeměny

Precipitace

• srážení
• heterogenní (více složek) fázová přeměna
• jednou z forem rozpadu přesyceného tuhého roztoku