Seminarska naloga iz predmeta GRADIVA

1. Seminarska naloga iz predmeta GRADIVA Toplotna obdelava jekel POVRŠINSKO UTRJEVANJE Jernej Plaskan

2. POVRŠINSKO UTRJEVANJE   Pri izdelkih se velikokrat zahteva dobra obrabna odpornost, trdnost in žilavost. Materiali, ki so trdi in trdni so manj žilavi in nasprotno. Izdelek je lahko zelo trd in žilav, če je zgrajen iz dveh ali več materialov. Eden od njih mora biti trd in trden, drugi, pa mehak in žilav. V takem primeru, je izdelek narejen s sintranjem ali iz med seboj trdno povezanih plasti. Tako narejenih izdelkov je čedaljeveč in se imenujejo kompoziti. Postopkov s katerimi utrdimo površinsko jeklene izdelke, pri čem ostane jedro mehko in žilavo je več. Nekateri so znani že dolgo, nekateri pa se pojavljajo v zadnjem času. Najbolj znani so naslednji: 1.Površinsko kaljenje 2.Cementiranje 3.Karbonitriranje, titaniranje, boriranje, trdo kromanje 4.Nitriranje Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

3. TRDOTA  NEKATERIH MATRIALOV Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

4. POVRŠINSKO KALJENJE Pri površinskem kaljenju, izdelek zakalimo le na njegovi površini. Notranjost izdelka pri tem ostane v osnovnem mehkem stanju. Ta postopek se uporablja pri izdelkih, ki niso dinamično obremenjeni in se ob njih ne zahteva večja žilavost. Trdota površine in žilavost jedra sta odvisni predvsem od deleža ogljika. Jekla, ki imajo večji procent ogljika so manj žilava, po kaljenju pa dosežejo višjo trdoto. Jekla z manjšim procentom ogljika so bolj plastična in žilava, po kaljenju pa dosežejo manjšo trdoto. Najbolj primerna so jekla z 0,4 do 0,7%C. Večjo trdoto in žilavost dosežejo jekla, ki vsebujejo legirne elemente (Cr, V, Mo, Mn, Ni). Izdelek bo zakaljen samo na površini, če segrevanje poteka zelo hitro in se potem takoj gasi. Zakaljena globina je odvisna od hitrosti segrevanja in ohlajanja ter od toplotne prevodnosti materiala. Segrevanje je lahko: Potapljanje v kopelih Plamensko(acetilen in kisik) Induktivno – visokofrekvenčni tok Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

5. Plamensko kaljenje Ohlajanje se izvaja z vodno prho ali potapljanjem. Pri dolgih, ravnih izdelkih z enostavnim presekom, kaljenje poteka neprekinjeno. Pri izdelkih kompliciranih oblik, pa se to izvede prekinjeno. Vsak del izdelka se kali posebej. V takem primeru, je oblika gorilnika prilagojena obliki izdelkov. V primeru, da se zobnik segreva v celoti (s krožnim gorilnikom), bo vsak zob prekaljen. V takem primeru je žilavost zoba slabša in se lahko pri sunkoviti obremenitvi odlomi. Pri segmentnem kaljenju, z ustrezno oblikovanem gorilnikom in prho, se vsak zob zakali posebej. Možnost prekalitve zoba je v tem primeru manjša. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

6. Za serijsko delo je najbolj primernoinduktivno kaljenje. Visokofrekvenčni električni tok, ki teče po ˝žarilni˝ zanki, ustvarja spremenljivo magnetno polje. Sprememba magnetnega polja povzroča induciranje el. toka na površini izdelka. Globina do katere tečejo inducirani – vrtinčasti tokovi je odvisna od frekvence. Z izbiranjem ustrezne frekvence se lahko izbira želena globina segrevanja izdelka. Prednosti induktivnega kaljenja pred plamenskim so: Lažja avtomatizacija postopka Lažje reguliranje kalilne globine Večje hitrosti Manjše deformacije izdelkov Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

7. CEMENTIRANJE Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

8. 1.Ogličenje poteka tako, da se izdelek segreva v sredstvih, ki vsebujejo ogljik. Temperatura segrevanja je 850 do 930°C. Pri tej temperaturi je difuzija atomov ogljika dovolj velika. V času 5 do 15 ur, se delež ogljika na površini izdelka, poveča do 1,2% Sredstva za ogličenje so lahko: Trda – lesno oglje in barijev karbonat Tekoča – raztopine soli (KCN, NaCN+KCN, Na2CO3, NaCl, SiC) Plinasta – vsi plini, ki vsebujejo C Najbolj pogosto se uporabljajo razpršena tekoča sredstva. Primer: KARBOFLUID (alkohol, bencin petrolej, terpentin, bencol). Hitrost cementiranja: -trda sred. 0,1 mm/h -tekoča 0,5 mm/h -plinasta > 0,1 mm/h Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

9. 2.Kaljenje izdelka lahko poteka: -takoj, iz temp. cementiranja -takoj, iz kalilne temperature -po vmestnem normaliziranju kaljenje jedra in površine Kaljenje iz temperature cementiranja ima naslednje slabosti: velike notranje napetosti, grobozrnata struktura – izdelek je žaren dolgo pri visokih temperaturah islaba trdnost in žilavost izdelkov Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

10. Pri kaljenju iz kalilne temperature (~ 750°C), so notranje napetosti nekoliko manjše. Struktura je še vedno grobozrnata, zato so lastnosti približno enake. Kaljenje po normalizacijskem žarenju je najboljše. V tem primeru, je struktura bolj drobnozrnata in zato izdelki dosežejo bistveno boljše lastnosti. Slaba stran takega kaljenja je ekonomičnost postopka in možnost razogličenja površine. Malo legirana jekla, dosežejo zelo dobre lastnosti, po dvojnem kaljenju. Prvič, se iz višje temperature, zakali jedro preseka. Drugič, se iz nižje temperature, zakali površina. Pri kaljenju površine se jedro v bistvu popušča. Drobne lamele karbidov legirnih elementov, ki pri tem nastanejo, izboljšajo trdnost in žilavost jedra. V praksi se najbolj pogosto cementirajo: tečaji osi, zobniki, valji motorjev, pogonske verige, odmične gredi, urni mehanizmi in ostali strojni elementi. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

11. KARBONITRIRANJE To je postopek pri katerem se izdelek istočasno nitrira in cementira. Žarenje poteka pri temperaturah 700 do 800°C v sredstvih, ki vsebujejo ogljik in dušik. To so lahko plini (NH3 + CO) ali kopeli cianidnih, kloridnih in karbonatnih soli. Po žarenju izdelke zakalijo enako, kot pri cementiranju. Dosežki karbonitriranja so odvisni od temperature. Pri višjih temperaturah (800 do 830°C) je cementiranje bolj intenzivno. Pri nižjih temperaturah (700 do 800°C) je nitriranje bolj izrazito, zato je dosežena trdota večja, globina utrjevanja pa manjša. V drugem primeru se kaljenje izvrši pri nižjih temperaturah in v milejših hladilnih sredstvih Vzrok za večje hitrosti utrjevanja je bistveno večja aktivnost ogljika ob prisotnosti dušika Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

12. TITANIRANJE Titaniranje poteka na enak način kot nitriranje s plazmo. Razlika je v tem, da je v komori za nitriranje, prisoten tudi titan. Titanovi atomi se z naparevanjem nanašajo na površino izdelkov. Zaradi velike afinitete titana do dušika sproti nastajajo titanovi nitridi, ki se nalagajo na površini izdelka. Titanovi nitridi so zelo trdi in obstojni pri višjih temperaturh. UPORABA - hitrorezna jekla, karbidne trdine - votlice za vlečenje profilov in žice - utopna orodja -orodja za globoki vlek Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

13. Lastnosti titaniranja: -trdota > 70 HRc (2000 HV) to je približno 3 krat več kot pri HS jeklih in 50% več od karbidnih trdin -debelina trde plasti je 2 do 5 µm -bistveno manjši koeficiant trenja -boljša korozijska odpornost 200 do 2000% -večja obrabna odpornost Cena titaniranja je približno za 30% večja Izdelki imajo zlato-rumeno barvo Obdelane površine so bistveno bolj gladke Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

14. BORIRANJE Pri tem postopku, podobno kot pri cementiranju in nitriranju, se izdelki segrevajo v sredstvih, ki oddajajo bor. Temperature segrevanja so nad 850°C. Na površini izdelkov nastajajo tanke plasti spojin železa z borom, ki se imenujejo boridi. Boridi so trši od nitridov, zato je dosežena trdota izdelkov po boriranju 1500 do 2000 HV. Ta postopek je novejši, zato je podatkov o njem zelo malo. TRDO KROMANJE Trdo kromanje je difuzijski način utrjevanja izdelkov. V posebnih komorah v katerih so kromove soli (kromov klorid), izdelke segrevajo 5 do 6 ur pri temperaturah okrog 1000°C. Zaradi večje afinitete, se železo veže s klorom in tvori železov klorid. Železov klorid ostaja na površini, prosti Cr pa difundira proti notranjosti izdelka. Delež kroma na površini naraste do 35%. Debelina utrjene plasti je do 0,02mm. Kromanje se večinoma uporablja kot postopek korozijsko kemične zaščite izdelkov Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

15.   NITRIRANJE Sredstva za nitriranje: NH3 – amonjak (plin) Cianidne soli - kopeli KCN, NaCN, NaCl Hitrost nitriranja: ~ 0,01 mm/h Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

16. Namen žarenja je raztopiti ustrezno količino dušika na površini izdelka. Po žarenju se izdelek ohlaja normalno in ga ni potrebno kaliti. Vzrok utrjevanja so nitridi železa in legirnih elementov, ki imajo večjo trdoto od martenzita in karbidov. Pri tem je pomembno, da so nastali nitridi submikroskopsko majhni in enakomerno porazdeljeni po celotni strukturi . Velikost in porazdelitev nitridov je odvisna od sestave jekel ter načina in temperature nitriranja. Nitriranje v solni kopeli poteka v loncih, ki so prevlečeni s titanom. Za prezračevanje, se v solno raztopino dovaja zrak (N, O), ki je potreben za ustrezno koncentracijo cianatov. Postopek traja le nekaj ur in se imenuje Tenifer. Na površini izdelkov nastane tanka plast oksidov, nitridov in karbidov železa. Pri tem postopku ni pojava luščenja nitrirane plasti, zato se lahko nitrirajo tudi nelegirana jekla in ostale Fe litine. Slaba stran tega postopka je strupenost cianidnih soli. Plazemsko nitriranje je v bistvu elektrokemijski postopek, ki je bistveno hitrejši od prejšnjih. Po tem postopku so nitrirana rezilna orodja do 5 krat obrabno bolj odporna kot navadno nitrirana. -trajanje postopka je 5 do 40 ur -hitrost nitriranja 0,02 do 0,2 mm/h -debelina plasti 500 do 200 µm -tlak plinov v peči je 0,02 do 0,1 mbar -temperatura v peči je 450 do 600°C Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

17. Peč se najprej napolni z izdelki tako, da prosto visijo. Nato se iz peči izčrpa zrak ter se pod nizkim tlakom dovaja dušik. Ohišje peči se priključi na anodo, izdelki pa na katodo enosmerne napetosti. V močnem električnem polju in pri povišani temperaturi dušik disocira in ionizira. N2 => 2 N =>2 N+ Ioni dušika z veliko hitrostjo zadevajo površino obdelovanca in pri tem nastajajo ˝posebni˝ nitridi železa ali legirnih elementov. Nitridi pri tem nastajajo tudi izven površine izdelkov. Pri trčenju pospešenih ionov, velik del Fe atomov zapušča površino izdelka. Stanje pri katerem se naelektreni, pospešeni in prosti delčki premikajo z velikimi hitrostmi ter med seboj intenzivno reagirajo imenujemo plazma. Pri tem železo lahko tvori več tipov nitridov in sicer FeN, Fe2N, Fe3N. Podobne nitride tvorijo tudi legirni elementi. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

18. Značilnost plazemskega nitriranja: Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

19. Prednosti nitriranja pred cementiranjem -večja dosežena trdota > 70HRc (>1000 HV) -trdota se ohrani do višjih temperatur (do 700°C) -izdelke ni potrebno kaliti -ni notranjih napetosti -postopek poteka pri nižjih temperaturah (do 550°C) -ni bistvenih vplivov na strukturo materiala -površina postane korozijsko odpornejša Uporaba nitriranja : -ventili motorjev -hitrorezna orodja -zelo obremenjeni zobniki -drobni obrabno odporni elementi Slaba stran nitriranja: -draga in strupena sredstva -tanjša utrjena plast -površina se ne sme brusiti Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

20. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

21. AVSTENIZACIJA Avstenizacija je proces segrevanja in zadrževanja izdelka na temperaturi pri kateri jeklo ima avstenitno strukturo. Pri tem se perlitna struktura, ki je obstojna pri sobni temperaturi, spremeni v avstenitno. Avstenizacija je izvedena pravilno, če so upoštevani naslednji parametri: 1.Temperatura 2.Hitrost segrevanja in 3.Vpliv legirnih elementov Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

22. 1.Pravilna temperatura avstenizacije je 30 do 50°C nad črto Ac3 ali GSE. a) Previsoko izbrana temperatura: - povzroča grobozrnatost - povzroča razogličenje površine - povečano oksidacijo b)Prenizko temperatura avstenizacije: - avstenizacija ni popolna - avstenizacija traja zelo dolgo • Proces avstenizacije se sestoji iz naslednjih faz: • Razpad Fe3C na Fe in C • Sprememba aFe v gFe • Raztapljanje prostega C v avstenitu • Homogenizacija – ogljik se mora porazdeliti • enakomerno po celem kristalnem zrnu Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

23. 2.Hitrost segrevanja Pri segrevanju in ohlajanju izdelkov so temperature na površini in v notranjosti izdelkov zelo različne. Te razlike naraščajo z večanjem hitrosti segrevanja in ohlajanja. A med segrevanjem - tangencialne razpoke B med ohlajanjem - radialne razpoke Notranje napetosti nastajajo do temperature plastičnosti materiala (Tpl). Nad to temperaturo so deformacije samo plastične in so lahko hitrosti segrevanja nekoliko večje. t2 = čas segrevanja z večjo hitrostjo t3 = čas zadrževanja na temperaturi avstenizacije. S tem se doseže izenačitev temperature po celem presek Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

24. 3.Vpliv legirnih elementov • Vpliv legirnih elementov je zelo zapleten. Upoštevati moramo naslednje njihove učinke: • vplivajo na obliko diagrama Fe – Fe3C in s tem tudi na temperaturo avstenizacije. • Nekateri se vežejo z ogljikom tako, da tvorijo zelo stabilne karbide, ki razpadajo pri • višjih temperaturah. V takih primerih ves ogljik ne bo raztopljen v avstenitu. • Znižujejo difuzijsko hitrost ogljika, zato so potrebne višje temperature avstenizacije. • Vplivajo na toplotno prevodnost jekel, zato so hitrosti segrevanja lahko večje ali manjše. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

25. TRANSFORMACIJA AVSTENITA • Ravnotežna transformacija. Transformacija je ravnotežna, če poteka v skladu • z diagramom Fe – Fe3C. To se dogaja, če so hitrosti ohlajanja manjše od 10°C/s. • Strukture, ki pri tem nastanejo so lamelasti perlit, ferit in cementit. b) Neravnotežna transformacija. Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan

26. TTT diagram TTT diagrami podajajo strukture, ki nastajajo pri ohlajanju jekel z različnimi hitrostmi. Narišejo se na osnovi informacij, ki jih dobijo z merjenjem termičnega raztezanja (DTA), s preizkušanjem mehanskih in fizikalnih lastnosti, z analizo strukture in kristalne zgradbe ter ostalih preiskav. TTT ali Bainovi diagrami so nujno potrebni za optimalno toplotno obdelavo vsakega jekla. Pomen označb: T – temperatura T – transformacija T – čas a100 – začetek transformacije avstenita a0 – konec transformacije avstenita A – avstenitno področje Ms – začetek nastajanja martenzita Mf – konec nastajanja martenzita Črtkane črte 1-grobi perlit do 20 HRc, 2-zgornji bajnit 40-45 HRc, 3`-spodnji bajnit 50-60 HRc, 3``-martenzit 65-67 HRc predstavljajo poljubne hitrosti in načini ohlajanja Površinsko utrjevanje - Jernej Plaskan