Průvodní list Šablona: III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Vzdělávací materiál: Prezentace Určen pro: 1. ročník oboru Strojírenství a 2. ročník oboru Ekonomika a podnikání Vzdělávací oblast: Strojírenská technologie – Nauka o materiálu Název učebního materiálu: Kalení oceli Jméno autora: Ing. Miroslava Jeřichová Datum vytvoření: Reg.č. projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Klíčová slova: kalitelnost, prokalitelnost, kalící teploty, kalící prostředí, martenzitické kalení, bainitické kalení, termální kalení, lomené kalení, kalení se zmrazováním, popouštění, zušlechťování. Anotace: Prezentace je určena žákům 1. ročníku oboru Strojírenství pro výuku v předmětu Strojírenská technologie a žákům 2. ročníku oboru Ekonomika a podnikání v předmětu Strojírenská výroba. Inovuje výuku použitím multimediálních pomůcek – prezentace. Metodické pokyny: DUM uplatní učitel při výkladu dané látky, použité obrázky a video zvýší názornost výkladu. Prezentaci mohou žáci použít i v rámci samostatné domácí přípravy na výuku.

Obsah:  Úvod  Fázové přeměny v oceli  Diagramy rozpadu austenitu  Přeměny při popuštění  Kalení  Popouštění  Povrchové kalení  Zušlechťování

Úvod  Vlastnosti oceli závisí nejen na jejím chemickém složení, ale i na struktuře, tvaru, velikosti a rozložení jednotlivých fází  Požadovanou strukturu získáme vhodným tepelným zpracováním  TZ – probíhá ve 3 fázích: 1.Ohřev 2.Výdrž 3.Ochlazování  Je-li do průběhu výše uvedených operací zařazena mechanická deformace tepelně mechanické zpracování

Úvod  Při TZ je důležitá rychlost ohřevu i ochlazování : Pomalé ochlazování zvýšení stability struktury = žíhání Rychlé ochlazování snížení stability struktury = kalení, účelem je zvýšit tvrdost oceli vytvořením částečně nebo zcela nerovnovážné struktury  Při TZ probíhají v materiálu fázové přeměny

Fázové přeměny v oceli  Austenitizace Je to přeměna heterogenní struktury na austenit Austenit se začíná tvořit na rozhraní feritu a cementitu Má difúzní charakter Teplota – vyšší než A c1 Doba výdrže – slouží k získání homogenní struktury, ale příliš dlouhá vede ke zhrubnutí zrna Na rychlost austenitizace má vliv: chemické složení, výchozí struktura oceli - jemnější struktura vyšší rychlost Austenit je pro většinu procesů TZ výchozí strukturou

Fázové přeměny v oceli Austenitizace

Fázové přeměny v oceli  Perlitická přeměna Je eutektoidní rozpad austenitu na směs feritu a cementitu = perlit při teplotě pod A r1 a nad 500°C Difúzní přeměna Vzniká lamelární perlit, tloušťka lamel závisí na difúzní rychlosti uhlíku v austenitu, která je tím vyšší, čím vyšší je teplota Perlit, který vzniká při vyšší teplotě, je hrubozrnný Je-li teplota těsně kolem nosu křivky v diagramu IRA (500°C) vzniká perlit globulární velmi jemný

Fázové přeměny v oceli  Přeměna austenitu na perlit

Fázové přeměny v oceli  Bainitická přeměna Probíhá při teplotách pod nosem křivky v diagramu IRA nižší teplota ( 500 – 250°C) Fe nedifunduje, difunduje pouze C Vzniká jehlicovitá feriticko karbidická směs – bainit Struktura bainitu závisí na teplotě, při které vzniká, a na obsahu uhlíku a)Horní bainit b)Dolní bainit

Fázové přeměny v oceli  Martenzitická přeměna Austenit ochlazujeme zprudka pod teplotou M s bezdifúzně Začíná při teplotě označované jako M s a končí při teplotě M f Není to přeměna 100%, vždy zůstává zbytkový austenit S rostoucím podílem ZA klesá tvrdost Vzniká tetragonální krystalová mřížka martenzit = metastabilní přesycený tuhý roztok C v Fe α

Fázové přeměny v oceli  Martenzitická přeměna Může mít jehlicovitou nebo deskovitou strukturu Deskový má nižší houževnatost

Diagramy rozpadu austenitu  Jsou grafickým vyjádřením podmínek fázových přeměn v tuhém stavu u konkrétního typu oceli v souřadnicích teplota – čas  IRA – izotermický rozpad austenitu  ARA – anizotermický rozpad austenitu  Význam křivek lze popsat na typovém diagramu

Diagramy rozpadu austenitu - IRA Rozpad austenitu probíhá za konstantní teploty

Diagramy rozpadu austenitu - ARA  Zaznamenává rozpad austenitu při plynulém ochlazování oceli

Diagramy rozpadu austenitu - ARA ARA podeutektoidní chromové oceli

Přeměny při popouštění  Martenzit a zbytkový austenit nejsou stabilní fáze, a proto dochází k jejich přeměně na stabilnější struktury probíhá při ohřevu pod A c1 = popouštění Difúzní děj Při teplotě nad 100°C se z martenzitu uvolňuje C vznik karbidu Fe Při teplotě 100 až 300°C se rozpadá zbytkový austenit na dolní bainit Dalším zvýšením teploty se karbid ε mění na cementit, jeho zrna rostou, vzniká feriticko karbidická směs zvaná sorbit

Přeměny při popouštění  Sorbit Houževnatější, ale méně tvrdý než martenzit Při popuštění slitinových ocelí na vyšší teploty se může objevit sekundární tvrdost U ocelí s přísadou Cr, Mn, Cr-Ni při pomalém ochlazení při teplotě 450 – 600 °C se může objevit popouštěcí křehkost Popouštěcí křehkost se projevuje snížením hodnot vrubové houževnatosti bez změny pevnosti a tažnosti Při rychlém ochlazení se neprojeví Sklon k popouštěcí křehkosti snižuje přísada Mo a W

Kalení  Kalení je proces, který se skládá z ohřevu na kalicí teplotu, krátké výdrže a rychlého ochlazení  Cílem bývá zvýšení tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotřebení  Rozlišujeme kalení martenzitické a bainitické

Kalení Kalící pec

Kalení Pec instalovaná ve výrobní lince

Kalení  Kalitelnost – schopnost oceli dosáhnout martenzitickou strukturu = zakalit se tzn. získat určitou tvrdost Oceli jsou dobře kalitelné při obsahu uhlíku větším než 0,35%  Prokalitelnost – schopnost oceli získat tvrdost do určité hloubky pod povrchem Závisí na obsahu legur, velikosti austenitického zrna Pro praktické hodnocení prokalitelnosti je směrodatná hloubka, ve které dosáhla ocel tvrdosti odpovídající 50% martenzitu  Čelní zkouška prokalitelnosti – Jominiho zkouška dle ČSN , zkušební vzorek – válec se ohřeje na kalící teplotu

Kalení  Upne se do přípravku a ochladí se čelo válečku proudem vody, po zakalení se na povrchu vzorku vybrousí podélně ploška v hloubce 0,4 mm, na níž se měří tvrdost dle HV nebo HRC postupně ve zvětšující se vzdálenosti od čela Křivka prokalitelnosti

Kalení  Kalící teploty  Pásmo kalicích teplot v diagramu Fe – Fe 3 C

Kalení  Druhy kalení 1.Martenzitické: nepřetržité, přetržité - lomené, termální, se zmrazováním 2.Bainitické: nepřetržité, izotermické ( přetržité)

Kalení  Ohřev a ochlazení základní úkon při TZ, pak následuje výdrž Rozdíly teplot povrchu a jádra vedou k vnitřním pnutím a tím i deformacím, popř. i vzniku trhlin K ohřevu slouží většinou pece nebo lázně Při dlouhém ohřevu povrch může oxidovat nebo se oduhličit a po TZ se nedosáhne požadované tvrdosti a kvality povrchu

Kalení  Ochlazování Ideální je takové ochlazování, kdy povrch předmětu dosáhne teploty prostředí v okamžiku, kdy je do něj vložen Čím nižší intenzita, tím nižší teplotní gradient, tím nižší vnitřní pnutí Na teplotním gradientu se podílí i tepelná vodivost oceli Ochlazovací účinnost různých prostředí závisí na: tepelné vodivosti, měrném teple, výparném teple a viskozitě kalicího prostředí

Kalení  Kalící prostředí – voda Nejintenzivnější prostředí – u tvarově složitých dílců možnost deformace až trhlin Parní polštář výrazně zpomaluje odvod tepla Po dosažení bublinového varu je odvod nejintenzivnější Ve třetím období se teplo odvádí jen vedením v kapalině Velmi intenzivně ochlazuje vodní sprcha

Kalení  Kalící prostředí – oleje Ochlazuje intenzivněji než vzduch Nucená cirkulace vrtulí u dna kalící nádoby odstranění páry – příčina měkkých míst a nižší tvrdosti Kalení nízkolegovaných ocelí  Solné lázně Zajišťují plynulé ochlazování – malé pnutí

Kalení  Vzduch Nejmírnější prostředí Pro součásti velmi tvarově náročné ( řezné nástroje), které mají mít minimální deformace oceli nalegované prvky zvyšující prokalitelnost = samokalitelné oceli

Kalení martenzitické  Nepřetržité = základní Po ohřevu na správnou kalicí teplotu následuje ihned plynulé ochlazení až na teplotu ochlazovacího prostředí, která se blíží teplotě místnosti Čím rychlejší je ochlazení (a čím je větší průměr kaleného kusu), tím větší je rozdíl mezi teplotou na povrchu a uvnitř předmětu Základní kalení je nejjednodušší a nejčastěji se také používá

Kalení martenzitické  Lomené kalení K potlačení perlitické přeměny použijeme nejdříve rychlejší ochlazovací prostředí a pro dokončení mírnější ochlazovací prostředí např.olej – vzduch a voda - olej Výhodou tohoto kalení je zmenšení rozdílu teplot na povrchu a ve středu kaleného předmětu Použití: součásti složitých tvarů, které vyžadují rychlé ochlazení a při úplném ochlazení ve vodě nebo i oleji praskají - nástroje

Kalení martenzitické  Termální Snížíme na minimum rozdíl mezi teplotou na povrchu a uvnitř kaleného předmětu Po ohřevu na správnou kalicí teplotu je předmět ochlazen v lázni, jejíž teplota je jen o málo vyšší než teplota martenzit start = M S Následuje výdrž na této teplotě, která musí být kratší, než je doba počátku izotermické přeměny na bainit, ale musí být dostatečně dlouhá, aby se vyrovnala teplota na povrchu a uvnitř kaleného předmětu Pak následuje ochlazení v intervalu martenzitické přeměny Použití: nástrojové oceli

Kalení martenzitické  Kalení se zmrazováním U ocelí nadeutektoidních zůstává ve struktuře značný podíl zbytkového austenitu, který lze odstranit zmrazováním nutné provést hned po zakalení – další ochlazení pod teplotu M F na -60 až -80°C ( tekutý dusík nebo směs lihu a tuhého kysličníku uhličitého) Použití: měřidla, součásti pracující při záporných teplotách, oceli na valivá ložiska

Popouštění oceli  Ohřev zakalené oceli s martenzitickou strukturou  Dle teploty rozlišujeme: 1.Popouštění při nízkých teplotách – pod 350°C snižuje pnutí, zbytkový austenit, zvyšuje houževnatost 2.Popouštění při vysokých teplotách – nad 450°C nejčastěji nad 550°C martenzit se mění na sorbit

Kalení bainitické  Izotermické Účel: získat požadované mechanické hodnoty přímo po kalení, bez následujícího popouštění, taková ocel má vyšší vrubovou houževnatost a mez únavy Po ohřevu na kalicí teplotu následuje ochlazení v lázni ohřáté na teplotu, při níž vzniká bainit požadované pevnosti, v této lázni se kalený předmět ponechá až do ukončení izotermického rozpadu austenitu Ochlazení na teplotu rozpadu musí být rychlé, aby nenastala perlitická přeměna možné pouze u tenkostěnných výrobků např. pily, pružiny Pro ochlazování a výdrž na teplotě rozpadu austenitu se používá solných lázní nebo lázní roztavených kovů

Kalení bainitické  Patentování drátů Jedná se o izotermické kalení Účel: dosáhnout vhodné struktury a mechanických vlastností před tažením ocelového drátu za studena Požadovanou strukturou je bainit, nebo velmi jemný lamelární perlit (troostit) Po ohřevu na teplotu nad bodem A c3 následuje rychlé ochlazení na teplotu rozpadu, obvykle 400 až 550˚C, a další ochlazení na vzduchu Kalící prostředí např. roztavené olovo Patentování se používá jako kontinuální proces a je zařazeno přímo do linky drátotahu

Povrchové kalení  Účel: zvýšit tvrdost pouze povrchové vrstvy a zachovat měkké a houževnaté jádro  Postup: rychlý ohřev povrchu s následujícím rychlým ochlazením Ohřívá-li se povrch předmětu větší rychlostí, než jakou se přivedené teplo odvádí směrem dovnitř předmětu, vzniká v jeho povrchové vrstvě tepelný spád, který umožňuje dosáhnout kalicí teploty jen do určité hloubky pod povrchem Použití: oceli s obsahem C 0,35% až 0,5%C Dle zdroje tepla rozlišujeme: 1.Povrchové kalení plamenem 2.Povrchové kalení indukční

Povrchové kalení plamenem  Zdrojem tepla je plamen hořáku, kde se spaluje vhodný plyn s kyslíkem ( svítiplyn, C 2 H 2 - O 2 )  Rychlý ohřev, krátká výdrž, zakalení nejčastěji sprchou  Struktura: povrch – martenzit a jádro nejčastěji P+F  Způsoby: postupné a jednorázové

Povrchové kalení indukční  Dílec vložíme do induktoru, kterým prochází el. proud o vysoké frekvenci, v povrchu součásti se indukují vířivé Foucaultovy proudy ohřev Induktor = Cu trubka ve tvaru závitu, kterou proudí chladící voda

Zušlechťování  Kombinované tepelné zpracování – martenzitické kalení + popouštění za vysokých teplot  Struktura: sorbit – dává při dobré pevnosti vyšší mez kluzu a vrubovou houževnatost  Použití: oceli s přesně stanoveným chemickým složení tzn. od třídy 12

Průběžná kalící linka

Použité zdroje:  Zdroje obrázků: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: 4a90fff35574/SANY1884.jpg 4a90fff35574/SANY1884.jpg AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. seznam.cz [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: AUTOR NEUVEDEN. seznam.cz [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: kat_realistic_cz%2Ben_10.pdf Použitá literatura: DORAZIL, Eduard a kol. Nauka o materiálu 1 - Přednášky. Vysoké učení technické v Brně: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN MACEK, K.; ZUNA, P.; BARTOŠ, J.. Nauka o materiálu II. Praha 1: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1986, ISBN PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu 1. Brno: CERM, Použité obrázky jsou součástí uvedené literatury