Základy metalografie a tepelného zpracování

Prezentace na téma: "Základy metalografie a tepelného zpracování"— Transkript prezentace:

1 Základy metalografie a tepelného zpracování

2 Ohřev a chladnutí čistých kovů a jejich slitin
Všechny kovy a jejich slitiny jsou v tuhém stavu krystalické – jsou složeny z krystalů, které vytvářejí jejich strukturu: malé krystaly – kovy pevné, houževnaté velké krystaly – kovy křehké Strukturu lze měnit ohřátím na určitou teplotu a následně různě rychlým ochlazováním. (mimo to lze strukturu měnit také chemickým složením a mechanickým zpracováním). Různým krystalickým stavům kovů se říká modifikace.

3 Čisté železo jako většina kovů krystalizuje v krychlové soustavě
Čisté železo jako většina kovů krystalizuje v krychlové soustavě. Atomová mřížka má buď 9 nebo 14 atomů, uložených v rozích, ale i uvnitř nebo ve stěnách. Ohřevem se uspořádání atomů mění a tím i vlastnosti kovu – modifikace kovu. (1 angström = 1,000 × metru)

4 Diagram ohřevu olova Při dosažení teploty 327°C teplota kovu nestoupá, přestože je teplo dál dodáváno. Teplotní křivka je po určitou dobu vodorovná. Říkáme tomuto jevu tepelná prodleva. Po tuto dobu přivádíme teplo které je zapotřebí k tomu, aby došlo k modifikační změně – v tomto případě ke změně skupenství. V obráceném sledu se teplo uvolňuje.

5 Diagram ohřevu železa U železa se kromě prodlevy při teplotě tání (1 539 °C) objeví na křivce ohřevu ještě prodlevy při teplotách 760 °C, 911°C a °C, kdy je železo ještě tuhou látkou. Podobně se na křivce chladnutí kromě prodlevy při teplotě tuhnutí (1 539 °C) objeví ještě prodlevy při teplotách °C, 900°C a 760 °C. Z toho je patrné, že čisté železo má čtyři modifikace – α, β, γ, δ. Pouze železo α je magnetické.

6 Diagram ohřevu železa Z diagramu je dále vidět, že mezi modifikačními změnami železa β na železo γ při ohřevu a železa γ na železo β při ochlazování, je tepelný rozdíl 11 °C, nazvaný tepelná hystereze.

7 Rovnovážný diagram železo - uhlík
Pro technické slitiny železa s různým obsahem uhlíku je diagram ohřevu podobný, mění se jen teploty modifikačních proměn, při nichž nastává prodleva – překrystalizační teploty. Také tavení a tuhnutí se neděje při stálé teplotě jako u čistých kovů, ale v určitém rozmezí teplot, kromě slitiny železa s obsahem 4,3 % uhlíku. Zobrazí-li se teploty modifikačních proměn do diagramu, v němž se na vodorovnou osu vynese obsah uhlíku v hmotnostních procentech a na svislou osu teploty ve °C, vznikne tzv. rovnovážný diagram slitin železa a uhlíku.

8 Rovnovážný diagram železo - uhlík

9 Z diagramu lze sledovat průběh změn při ochlazování slitin železa s různým obsahem uhlíku.
Např. : ochlazuje-li se ocel s obsahem 0,4 % uhlíku (červená čára) z tekutého stavu, začne tuhnout na průsečíku s čárou likvidus, z taveniny se začnou vylučovat krystaly tuhého roztoku uhlíku v železe γ, kterým říkáme austenit a to až do průsečíku s čarou solidus, kdy je všechna ocel ztuhlá, změnila se v austenit. S klesající teplotou (čára GS) se z austenitu vylučuje čisté železo α, zvané ferit. Při teplotě 727 °C se zbylý austenit změní v perlit, tj. směs jemných krystalků feritu a cementitu.

10 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.

11 Strukturní složky oceli a litiny
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 – °C.

12 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.

13 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

14 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. Žíhací teploty uhlíkových ocelí Diagram časových a teplotních průběhů při žíhání izotermické

15 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. Žíhací teploty uhlíkových ocelí Diagram časových a teplotních průběhů při žíhání izotermické

16 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. Žíhací teploty uhlíkových ocelí Diagram časových a teplotních průběhů při žíhání izotermické

17 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. Žíhací teploty uhlíkových ocelí Diagram časových a teplotních průběhů při žíhání izotermické

18 Žíhací teploty uhlíkových ocelí

19 Diagram časových a teplotních průběhů při žíhání
izotermické

20 Kalení Cílem je dosáhnout zvýšení tvrdosti oceli. Spočívá v pomalém
a 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 °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.

21 Kalení 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.

22 Kalení 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.

23 Princip povrchového kalení plamenem
Při ohřevu plamenem se využívá směs kyslíku a acetylenu, nebo propan-butan.

24 Princip vysokofrekvenčního ohřevu

25 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.

26 Popouštění 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.

27 °C bílá 330°C šedá °C světle žlutá 320°C šedomodrá °C tmavě žlutá 310°C světle modrá °C žlutočervená 300°C chrpově modrá °C světle červená 290°C tmavě modrá °C světle třešňově červená 280°C fialová °C třešňově červená 270°C purpurově červná °C tmavě třešňově červená 260°C hnědočervená °C tmavě červená 250°C hnědožlutá °C 240°C °C černohnědá 230°C žlutá 220°C slámově žlutá 210°C bíložlutá 200°C žádná

28 Chemicko-tepelné zpracování oceli
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.

29 Cementování – 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 (Hexakyanoželeznatan draselný -K4[Fe(CN)6] , (na potravinách je označována jako E536). 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.

30 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.

31 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.

32 Alitování - nasycování povrchu oceli hliníkem. Součásti se vkládají do směsi práškového hliníku a práškového železa. Při teplotě °C se žíhají 4 až 10 hodin. Povrch oceli nasycený hliníkem je pak odolný proti okysličování za vysokých teplot.

33 Inchromování - nasycování povrchu oceli chrómem. Výrobky se žíhají v práškovém ferochrómu při teplotě cca °C. Chróm vniká do hloubky asi 0,1 mm. Inchrómované součásti jsou odolné proti slané vodě.

34 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 .

35 Tepelné zpracování neželezných kovů a jejich slitin
Podobně jako u oceli, provádí se tzv. rekrystalizační žíhání i u neželezných kovů, za účelem obnovení tvárných vlastností po předchozí deformaci za studena. Rekrystalizační teploty některých důležitých neželezných kovů: Hliník 150 °C Hořčík 150 °C Měď 200 °C Nikl 620 °C Wolfram °C

36 Tepelné zpracování hliníkových slitin
Žíhání k odstranění tvrdosti a křehkosti – ohřev nad rekrystalizační teplotu k odstranění vnitřního pnutí - ohřev pod rekrystalizační teplotu Z žíhací teploty se součást ochlazuje obvykle volně na vzduchu Vytvrzování - rychlým ochlazením z vytvrzovací teploty se získá houževnatá a měkká slitina, jejíž pevnost se zvyšuje popouštěním, tzv. stárnutím. Stárnutí je buď přirozené, nebo se může urychlit zahřátím na určitou teplotu. (stárnutí lze zpomalit či zastavit zchlazením pod bod mrazu). Obdobným způsobem lze tepelně zpracovávat i mnohé měděné slitiny a slitiny jiných neželezných kovů – Mg, Ni apod.