Kontrolní práce č. 5

1) Tepelné a chemicko - tepelné zpracování 2) Základní strukturní složky oceli a litiny 3) žíhání 4) Kalení a popouštění

Tepelné zpracování Vlastnosti materiálu jsou dány jeho vnitřní stavbou – strukturou a chemickým složením. Chceme-li změnit jeho vlastnosti, musíme změnit strukturu, popř. jeho chemické složení. Toho dosáhneme tepelným nebo chemicko-tepelným zpracováním. Tepelným zpracováním se rozumí ohřátí materiálu na určitou teplotu a následné různě rychlé ochlazení. Je to např. žíhání, kalení, popouštění, zušlechťování pod. Při chemicko-tepelném zpracování měníme chemické složení materiálu tím, že do něho v tuhém stavu při určité teplotě dodáváme určitý prvek – uhlík při cementování, dusík při nitridování, hliník při alitování apod.

Podstatou je změna chemického složení povrchu ocelové součástky, za účelem získání tvrdého, opotřebení odolného povrchu a houževnatého jádra. Toho dosahujeme prolínáním – difuzí – vhodného prvku do povrchu oceli.

Cemetování – nejstarší způsob chemicko-tepelného zpracování oceli Cemetování – nejstarší způsob chemicko-tepelného zpracování oceli. Účelem je zvýšit obsah uhlíku v povrchové vrstvě na 0,8 až 1 % . Toho dosáhneme zahřátím povrchu součástky na 800 až 950 °C, aby se v oceli vytvořil austenit, který jedině je schopen v sobě rozpouštět uhlík při tuhém stavu oceli. Cementační látky bohaté na uhlík mohou být: pevné – směs rozemletého dřevěného uhlí s uhličitanem barnatým (BaCO3), nebo se žlutou krevní solí. Součásti uložené ve směsi zahříváme po několik hodin, v závislosti na požadované tloušťce nauhličené vrstvy (0,1 mm/hod.). Po skončení cementace součásti rovnou zakalíme, nebo necháme vychladnout a znova zahřejeme na kalící teplotu.

kapalné – cementační lázně cca 900 °C – roztavená směs chloridu sodného (NaCl) - kuchyňské soli a žluté krevní soli, nebo solná lázeň s obsahem až 30 % kyanidu sodného (NaCN). Aby se předešlo velkému vnitřnímu pnutí, vkládají se součástky do lázně předehřáté. Nauhličená vrstva je v tomto případě tenká, ale mimořádně tvrdá a neodprýskne. Protože kyanidy jsou vysoce toxické, tento způsob se již v současnosti příliš nepoužívá. - Plynné – metan, propan-butan, svítiplyn (vzniká jako “vedlejší” produkt v koksárnách) apod. Cementování je velmi účinné, a levné - cementační pece Monocarb.

Nitridování - nasycování povrchu dusíkem při teplotě cca 480 až 550 °C. Použití u slitinových ocelí, které obsahují Al, Cr, V, Mo apod. Do vzduchotěsných, pouzdrových pecí se přivádí plynný čpavek NH3, který se rozkládá na vodík a dusík. Dusík tvoří s uvedenými prvky nitridy, které jsou tvrdé, odolné proti opotřebení a korozi. Výhodou nitridování je nízká žíhací teplota, takže nedochází k deformacím ani tvarově složitých součástek. Nevýhodou je vysoká cena, časová náročnost - 0,01 mm/hod. a nevratnost nitridace.

Alitování - nasycování povrchu oceli hliníkem Alitování - nasycování povrchu oceli hliníkem. Součásti se vkládají do směsi práškového hliníku a práškového železa. Při teplotě 1 050 °C se žíhají 4 až 10 hodin. Povrch oceli nasycený hliníkem je pak odolný proti okysličování za vysokých teplot. Inchromování - nasycování povrchu oceli chrómem. Výrobky se žíhají v práškovém ferochrómu při teplotě cca 1 000 °C. Chróm vniká do hloubky asi 0,1 mm. Inchrómované součásti jsou odolné proti slané vodě. Šerardování - nasycování povrchu oceli zinkem. Součástky (šrouby, matice, podložky) jsou vloženy spolu s práškovým zinkem do elektricky vytápěného otáčivého bubnu a zahřívány na teplotu 380 až 450 °C. takto ošetřený povrch je odolný proti škodlivým atmosférickým vlivům .

Strukturní složky oceli a litiny Základní složky oceli jsou: austenit, ferit, cementit a grafit. Ostatní jsou z těchto složeny - perlit je složen z feritu a cementitu, nebo z nich vznikají – martenzit vznikne rychlým zchlazením austenitu při kalení, temperovaný uhlík rozpadem cementitu při temperování odlitků z bílého surového železa. Austenit – dle anglického metalurga Roberta Austena – tuhý roztok uhlíku v železe γ (gama). Uhlíkové a nízkolegované oceli při teplotách nad čárou A1 – eutektoidála (727°C). Austenit je nemagnetický, měkký, houževnatý a tvárný – tváření ocelí za tepla. Ferit - z lat. názvu železa – ferum. Za studena měkký a tvárný – oceli konstrukční, kde je hlavním požadavkem houževnatost. Je magnetický do 768 °C.

Cementit – chemická sloučenina železa a uhlíku- karbid železa (Fe3C) Cementit – chemická sloučenina železa a uhlíku- karbid železa (Fe3C). Nejtvrdší složka technického železa. Nástrojové oceli. Perlit - směs krystalů feritu a cementitu, lesknou se jako perleť, odtud název. Tvrdý a pevný, málo tvárný. Grafit – velmi měkký, málo pevný, vyplňuje dutiny mezi krystaly železa. Proto i litina obsahující uhlík v podobě grafitu je měkká, málo pevná a křehká, protože grafit narušuje celistvost materiálu. Ledeburit – název dle německého metalurga Ledebura. Vyskytuje se pouze v surovém železe a obsahuje 4,3 % uhlíku. Krystaly jsou bílé lesklé a velmi tvrdé. Ze všech slitin železa a uhlíku má nejnižší tavící teplotu – 1 147 °C.

Žíhání - podstatou je pomalý a rovnoměrný ohřev na určitou teplotu, setrvání na dosažené teplotě po určitou dobu a pak velmi pomalé ochlazování. Podle výše teploty a doby ohřevu rozeznáváme: žíhání k odstranění vnitřního pnutí žíhání na měkko žíhání normalizační žíhání izotermické

Žíhání k odstranění vnitřního pnutí: - odstraňuje pnutí po tváření za studena, ve svařovaných součástech, v odlitcích apod. Podle složení se materiál ohřeje na teplotu 500 až 650°C, po dobu 4 až 6 hodin se teplota udržuje a pak se nechá pomalu i se žíhací pecí vychladnout. Žíhání na měkko - odstraňuje příliš velkou tvrdost oceli před obráběním. Ocel se zahřívá 2 až 4 hodiny na teplotu těsně pod 727 °C, pak se velmi pomalu ochlazuje. Tohoto postupu se využívá k opravě kalených nástrojů. Žíhání normalizační - Slouží k odstranění všech nestejnoměrností struktury, vzniklých mechanickým zpracováním, nebo hrubého zrna způsobeného přehřátím oceli při zpracování. Ocel se zahřívá na teplotu o 30 až 50 °C vyšší než jsou teploty dané v rovnovážném diagramu Fe-C čarou GSE a potom se ochlazuje volně na vzduchu.

Žíhání izotermické - stejné výsledky jako současné žíhání k odstranění vnitřního pnutí a žíhání na měkko. Ocel se zahřeje na teplotu danou v rovnovážném diagramu Fe-C čarou GSE, rychle se ochladí na vlastní teplotu žíhání – těsně pod 727 °C s výdrží na této teplotě a pak se chladí volně na vzduchu.

Kalení Cílem je dosáhnout zvýšení tvrdosti oceli. Spočívá ve stejnoměrném ohřátí a rychlém ochlazení. U uhlíkových ocelí jsou teploty kalení o 30 až 50 °C vyšší než teploty dané v rovnovážném diagramu Fe-C čarou GSK, u slitinových ocelí jsou ještě vyšší, až 1 320 °C. Podstatou kalení je ohřevem dosáhnout stejnoměrného austenitického slohu a odstranění veškerého feritu. K tomu je nutno po určitou dobu setrvat na kalící teplotě. Zvýšením teploty by došlo k urychlení procesu, ale také ke zhrubnutí zrna. Následným rychlým ochlazením se zabrání vylučování feritu a přeměně austenitu na perlit. Všechen austenit se přemění na tzv. martenzit, který je po cementitu nejtvrdší, ale také nejkřehčí strukturní složkou.

Izotermické kalení - kalený předmět se ponoří do lázně cca V zakalených předmětech vzniká velké vnitřní pnutí, které může vést až k deformaci nebo poškození kalené součástky. Předměty, které se mají uchránit před poškozením, se kalí termálně, nebo izotermicky, popř. se patentují. Termální kalení – předmět ohřátý na kalicí teplotu se nejdříve ponoří do olejové lázně 200 až 300 °C teplé, ponechá se v ní po určitou dobu a teprve pak se ochladí na vzduchu. Izotermické kalení - kalený předmět se ponoří do lázně cca 500 °C teplé, v ní se ponechá po delší dobu – až se austenit přemění v bainit. Izotermicky zakalené předměty se již nepopouštějí. Patentování - zvláštní způsob izotermického kalení – kalené předměty se ochlazují v olověné lázni 450 až 500 °C teplé. Výroba drátů pro ocelová lana, pružiny, struny apod.

Povrchové kalení – strojní součásti, které mají být na povrchu tvrdé, odolné proti opotřebení nebo otlačení a v jádře mají zůstat měkké a houževnaté, kalíme povrchově.

Popouštění zmírňuje nežádoucí křehkost a vnitřní pnutí zakalených předmětů, zvyšuje houževnatost na úkor tvrdosti. Zakalený předmět se ohřeje na popouštěcí teplotu a ochladí se. Podle její výše 200 až 300 °C, se změní martenzit v méně tvrdou strukturu bainit. Popouštění vnějším teplem – kalený předmět se nechá zcela vychladnout, znova se zahřeje na popouštěcí teplotu a ochladí se ve vodě. Popouštění vnitřním teplem - kalený předmět se vyjme z ochlazovací lázně ještě před jeho úplným vychladnutím, počká se až vnitřní teplo prohřeje povrch předmětu a znova se ponoří do ochlazovací lázně, jakmile jeho od okují očištěný povrch získá příslušnou popouštěcí barvu.