Karastamise laboratoorse töö kokkuvõte (1)

EESTI MAAÜLIKOOL
Tehnikainstituut
Sander Kukk
Karastamise laboratoorse töö kokkuvõte
õppeaines „ Materjaliõpetus “
TE.0244
Tootmistehnika eriala
TA BAK 1
Üliõpilane: “…..“ ................. 2015. a .............................. Sander Kukk
Juhendaja : “…..” ................. 2015. a .............................. Kaarel Soots
Tartu 2015
ÜLDMÕISTED
Karastamine - terase  kuumutamine üle faasimuutuste piiri, hoidmine nimetatud temperatuuril ning sellele järgnev kiire jahutamine . Jahutatakse tavaliselt vees, õlis või õhus. Karastamisprotsessi kasutatakse terase tugevuse ja kõvaduse (konstruktsiooniterased) või kulumiskindluse ja kõvaduse (tööriistaterased) tõstmiseks. Karastamisel kõvadus , tugevus ja kulumiskindlus suurenevad ning sitkus väheneb. Lisaks tekivad materjalis sisepinged.
Karastamise protsessi juures on kolm põhilist faasi:

• Austenisatsioon - terase kuumutamine üle faasimuutuse temperatuuri;
  
• Terase seisutamine – ehk kaua on keha ahjus; teostatakse samal temperatuuril kui austenisatsioon, et kogu detail omistaks antud temperatuurile vastava struktuuri;
  
• Jahutamine - seda tehakse kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida austeniidi lagunemisproduktide tekkimist.
  

TÖÖ EESMÄRK
Töö eesmärk oli tutvuta terase termotöötlusega ja erinevate karastamiskeskkondadega ning saada aru karastamise vajalikkusest, selle käigus tekkivatest protsessidest ning nende mõjust materjali omadustele.
Karastustemperatuuri teooria
Süsinikteraste karastustemperatuuri valikul on aluseks Fe ja Fe3C faasi- diagrammi teraste osa. Selle järgi võetakse alaeutektoidteraste (0,2...0,8% C) karastustemperatuur 30°...50° C üle faasipiiri A^ (s.o. täiskarastus), üleeutektoidterastel (C > 0,8%) 30°...50° C üle Ac1 (s.o. poolkarastus).
Alaeutektoidteraste karastustemperatuuri valikul on lähtutud asjaolust, et karastamisel teisiti, üle faasipiiri Ac1 (s.o. poolkarastus), säilib struktuuris kõrvuti martensiidiga ka ferriit , mis vähendab terase kõvadust pärast karastust.
Üleeutektoidterastel on seevastu optimaalne karastustemperatuur faasipiiride Ad ja Acm vahel (s.o. poolkarastus), mistõttu säilib struktuuris martensiidi kõrval sekundaarne tsementiit , mis suurendab terase kõvadust; teisiti karastades, üle faasipiiri Acm (s.o. täiskarastus), on oht jämedateralise struktuuri tekke oht, mis teeb karastatud terase hapraks.
Karastuskeskkonna teooria
Levinuim karastuskeskkond on vesi. Vesi jahutab intensiivselt nii temperatuuripiirkonnas 650°…550° C (austeniidi lagunemine ) kui ka temperatuurivahemikus 300°…200° C (martensiidi teke). Viimases peitubki vee kui karastuskeskkonna olulisim puudus. Siinjuures avaldab vee temperatuur mõju selle jahutusvõimele, eriti temperatuuripiirkonnas 650…550 C, martensiidi tekke piirkonnas (300°…200° C) see tegelikku mõju ei avalda. Vees leiduvad lisandid avaldavad samuti tugevat toimet tema jahutusvõimele. Nii näiteks destilleeritud vesi või vihmavesi , mis ei sisalda sooli, jahutavad vahemikus 650°…550° C kaks korda aeglasemalt kui kraanivesi . Vees lahustunud gaasid halvendavad vee jahutusvõimet, seetõttu jahutab keedetud vesi (või korduvalt kasutatud vesi) võrreldes toorega intensiivsemalt. Vees lahustunud soolad ja leelised suurendavad tunduvalt vee jahutusvõimet (temperatuuripiirkonnas 650°…550° C ligi 2 korda), mistõttu soolade ja leeliste vesilahuseid kasutatakse sageli jahutuskeskkondadena.
Õli jahutusvõime võrreldes veega on 3-4 korda väiksem temperatuuripiirkonnas 650°…550° C, kuid ca 10 korda väiksem martensiidi tekke piirkonnas. Õli kui karastuskeskkonna eeliseks on tema mittetundlikkus temperatuurile – õli jahutab ühesuguse intensiivsusega temperatuuril nii 20° C kui ka 150°…200° C. Õli puuduseks on tema tuleohtlikkus (süttimistemperatuur on sõltuvalt õli margist 150°…320° C) ja karatusvõime kadumine aja jooksul (õli pakseneb). Peale selle õli põleb ja detaili pinnale moodustub oksiidikile.
Õhus karastamine tagab detaili aeglase jahtumise martensiidi tekke piirkonnas. Praktikas ei ole õhus jahutamine väga levinud meetod.
KOKKUVÕTE KATSETULEMUSTEST
C35
Katsekeha 1.1: Katsekeha ei karastunud, sest kuumutustemperatuur ei ületanud faasimuutuste piiri. Selle tulemusena jäi katsekeha lõpptugevuseks 27,3 HRC, mis on võrreldes kõige kõvema katsekehaga (1.2) väga halb tulemus.
Katsekeha 1.2: Katsekeha karastus täielikult ning andis katsetest kõige kõvema struktuuri. Temperatuur (860°C) on piisav, et ületada faasimuutuste piir ning tekitada struktuuri martensiit. Karastuskeskkonnaks oli vesi, mis on võrreldes õli ja õhuga parim karastuskeskkond.
Katsekeha 1.3: Katsekeha ei karastunud täielikult. Tõenäoliselt ei olnud õli jahutusvõime piisavalt hea või oli õli aja jooksul paksenenud ning seetõttu jäi lõplikuks kõvadusnäitajaks 58,3 HRC, mis on parimast tulemusest ca 20 ühikut väiksem.
Katsekeha 1.4: Katsekeha ei karastunud. Lõppkõvaduseks jäi 20,3 HRC, mis on parimast tulemusest ca 55 ühikut väikem. Tõenäoliselt ei olnud õhu karastusvõime piisavalt hea. Saab järeldada, et struktuuris on martensiiti alla 50%.
C45
Katsekeha 2.1: Katsekeha karastus täielikult ning andis suhteliselt kõva struktuuri (66,7 HRC). Temperatuur (860°C) on piisav, et ületada faasimuutuste piir ning tekitada struktuuri martensiit. Karastuskeskkonnaks oli vesi, mis on võrreldes õli ja õhuga parim karastuskeskkond.
Katsekeha 2.2: Katsekeha ei karastunud täielikult. Tõenäoliselt ei olnud õli jahutusvõime piisavalt hea või oli õli aja jooksul paksenenud ning seetõttu jäi lõplikuks kõvadusnäitajaks 58 HRC, mis on parimast tulemusest ca 20 ühikut väiksem. Katsest saab järeldada, et martensiiti tekkis struktuuri 50% või alla selle.
Katsekeha 2.3: Katsekeha ei karastunud. Lõppkõvaduseks jäi 18 HRC, mis on parimast tulemusest ca 60 ühikut väikem. Tõenäoliselt ei olnud õhu karastusvõime piisavalt hea. Saab järeldada, et struktuuris on martensiiti alla 50%.
Katsekeha 2.4: Katsekeha karastus täielikult ning andis suhteliselt kõva struktuuri (67,3 HRC). Temperatuur (860°C) on piisav, et ületada faasimuutuste piir ning tekitada struktuuri martensiit. Karastuskeskkonnaks oli vesi, mis on võrreldes õli ja õhuga parim karastuskeskkond ning see andis ka soovitud tulemuse.
C60
Katsekeha 3.1: Katsekeha karastus täielikult ning andis suhteliselt kõva struktuuri (67,7 HRC). Temperatuur (820°C), mis oli võrreldes teiste täielikult karastunud katsekehade temperatuurist madalam, oli piisav, et ületada faasimuutuste piir ning tekitada struktuuri martensiit. Karastuskeskkonnaks oli vesi, mis on võrreldes õli ja õhuga parim karastuskeskkond ning see andis ka soovitud tulemuse.
Katsekeha 3.2: Katsekeha ei karastunud täielikult. Tõenäoliselt ei olnud õli jahutusvõime piisavalt hea või oli õli aja jooksul paksenenud ning seetõttu jäi lõplikuks kõvadusnäitajaks 26,3 HRC, mis on parimast tulemusest ca 50 ühikut väiksem. Lisaks mängis oma rolli madalam temperatuur (820°C), mille tõttu võis tekkinud martensiidi osakaal struktuuris jääda alla 50%.
Katsekeha 3.3: Katsekeha ei karastunud. Lõppkõvaduseks jäi 17,7 HRC, mis on parimast tulemusest ca 60 ühikut väikem. Tõenäoliselt ei olnud õhu karastusvõime piisavalt hea. Saab järeldada, et struktuuris on martensiiti alla 50%.
Katsekeha 3.4: Katsekeha ei karastunud tõielikult, sest kuumutustemperatuur ei ületanud piisavalt faasimuutuste piiri. Selle tulemusena jäi katsekeha lõpptugevuseks 44,7 HRC, mis on võrreldes kõige kõvema katsekehaga (1.2) suhteliselt halb tulemus. Saab järeldada, et struktuuris on martensiiti alla 50%.