KAT31_Termotöötluse materjal ja kuesimused (0)

METALLIDE TERMOTÖÖTLUS

Metallide termiline töötlemine on metalliõpetuse osa, kus uuritatakse metallide omadusi, mis on saadud sõltuvalt kuumutuse või jahutuse kiirusest. Sõna kitsamas mõttes metllide termotöötluseks võib nimetada metalliõpetuse osa, kus vaadeldakse faasimuutused mittetasakaaluolekus (metastabiilses olekus), so. tingimustes, kus aatomite difusioon ei jõua tasakaalustada sulami faasid kiire jahutuse tõttu.
Sellest tulenevalt sulami mehaanilised omadused erinevad nendest , mida saab tasakaaluoleku faasidiagrammist.
Peale termotöötlust kasutatakse metallide termokeemilist ja termomehaanilist töötlemist. Esimene neist näeb ette metalli kuumutamine vastavates keemilistes keskkondades eesmärgiga muuta pinna koostist ja omadust. Teine on metalli deformatsiooni ja termilise töötlemise koosmõju selle omadustele.

1. TERMOTÖÖTLUSE TEOORIA

Temperatuur ja aeg

Termotöötlemise protsesside peategurid on metalli kuumutamise või jahutuse kiirus, mis graafiliselt kujutatakse kõveraga temperatuur- aeg ja nimetatakse termilise kõveraga. Sõltuvalt lahendatavast ülesandest võivad kõverad olla väga erinevad. Kõveral on kolm osa: kuumutamine, seisutus ja jahutus. Kuumutamine võib olla pidev ja sõltub peamiselt kuumutusseadme võimsusest ja metalli massist. Seisutuse kestus pideval temperatuuril sõltub mitmetest teguritest, neist peamised on kuumutava metalli mass, soojusjuhitavus ( legeerterased vajavad reeglina pikemad kuumutamist), metallis tekivate faasimuutuste iseloom ja teised. Olulist mõju avaldab ka kuumutamise temperatuur: kõrgetel temperatuuridel kõik TT protsessid aktiviseeruvad, mis vähendab kuumutamise kestust.
Erinevalt kuumutamisest jahutuse käigus temperatuur algul langeb kiiresti, siis aga jahutus aeglustub (nurk 2). Reeglina seisustamise temperatuur saab määrata suhteliselt täpselt, lähtudes metalli keemilisest koostisest, kasutades faasidiagrammi või käsiraamatuid. Kuumutuse kestuse määramine aga on suurel määral empiiriline ülesanne. Tavaliselt seda tehakse erinevate kvalitatiivsete tegurite abil, mille mõju on teoreetiliselt raske ennustada: metalli mass, kuju, ahju konstruktsioon , kuumutuskeskkond jne. , selle küsimuse arutlemine on toodud konspekti teises osas. Peale kuumutamist kasutatakse ka metalli töötlemine külmaga (mitte segada seda külmsurvetöötlusega), selleks kasutatakse erinevad jahutuskeskkonnad: vedelgaasid või krioheenseadmed. Paljudel juhtudel töötlemine külmaga stabiliseerib metalli struktuur ja omadused, seda küsimust samuti arutatakse konspekti teises osas.

Termotöötluse liigitus

A Faasi (struktuuri) muutuse kohaselt

lõõmutus

ehtne (I liigi) karastus

polimorfse muutusega (II liigi) karastus

noolutus

vanandamine
B Detaili töödeldavate kohtade kohaselt

maht (ruumiline) töötlemine

pinna töötlemine

kohalik töötlemine

järjestikune töötlemine
C Detaili valmistamise tehnoloogia kohaselt

eeltöötlemine

vahetöötlemine

lõpptöötlemine
Nagu näeb eeltoodust liigituse esimene printsiip on puhtalt füüsiline, selle aluseks on faaside või struktuuri muutuste iseloom, mis toimuvad metalli kuumutamisel või jahutamisel, just see moodustab metalli termotöötluse teoreetilise osa, mida üksikasjaliselt arutatakse antud konspekti allpool. Teine ja kolmas printsiip on aga tehnoloogilised , ja neid arutletakse konspekti teises osas, siinkohal ainult selgitame, et mahttöötlemise all mõeldakse tehnoloogia, kus kuumutatakse või jahutatakse detail tervikuna , nii et temperatuuriväli metallis sõltub ainult selle soojusjuhitavusest. Vastavalt pinnatöötlemisel töödeldakse ainult metallipind, protsess on lühiajaline, ja metalli südamik jääb muutmatuks.
Kohaliku töötlemise puhul töödeldakse ainult detaili vajalik koht, näiteks automootori väntvõlli kaelad. Järjestikul töötlemisel töödeldakse küll detail tervenisti, kuid aga nii, et selle erikohtadele termotöötluse teel antakse erinevad mehaanilised omadused. TT operatsioonide järjestik ei vaja erilist selgitamist, lisame siin ainult seda, et peamiseks teguriks , mis mõjutab detaili TT operatsioonide arvule on selle mass; kui väikesed detailid töödeldakse tavaliselt üks või kaks korda ( näiteks alguses lõõmutakse, lõppus karastatakse), siis massiivsete mitmetonniste detailide keeruka tehnoloogilise protsessiga TT operatsioonide arv mõnikord ulatub kümmnetesse, nii, et tekib vajadus metalli keemilise koostise säilimiseks spetsiaalselt piirata lubatud operatsioonide arvu.

Termotöötluse liigid faasimuutuste kohaselt

I liigi lõõmutus seisneb metalli kuumutamises ja järgnevas aeglases jahutamises kiirusega, mis garanteerib tasakaalustruktuuri saamist. Viimane on võimalik kui difusiooni protsessid jahutavas metallis jõuavad realiseerida nii, et metalli struktuur ja keemiline koostis kõiges ristlõiges on ühesugune ja puuduvad sisepinged.
Kõige sagedamini madallõõmutus kasutakse kalestatud metalli struktuuri ja mehaaniliste omaduste tagastamiseks selle tasemele , mis oli temal enne plastset deformatsiooni., seda nimetakse ka rekristalliseerimis lõõmutamiseks. Tihti sulametalli tardumisel difusiooniprotsessid ei jõua ühtlustada sulami keemiline koostis või tekivad ebavõrdse kujuga või suurusega metalliterad, seda nähtust nimetatakse, lõõmutusega võib need defektid parandada.
Nagu näeb I liigi lõõmutuse tulemus ei sõltu faasimuutustest (isegi siis kui nemad metallis tekivad), lihtsalt kuumutuse teel aktiveeritatakse aatomite liikuvus, see vähendab sisepinged, parandab kristallstruktuuri defektid, ühtlustab keemiline koostis, terade kuju ja suurust; peale aeglast jahutamist selline metall saab stabiilse struktuuri ja termodünaamilise seisu.
II liigi lõõmutus on seotud sulameis tekivatest faasimuutustest, need võivad olla polümorfsed muutused, faaside omavaheline lahustuvus jne. Kuumutamine peab olema temperatuurini, mis ületab faasimuutuse temperatuuri, jahutus maksimaalselt aeglane. Tihti selline TT viis nimetatakse faasi ümberkristalliseerimiseks. Nagu I liigi lõõmutuse pärast ka II liigi lõõmutus annab metalli, mis on vaba sisepingetest, kristallstruktuuri defektidest jne.
Karastus, nagu II liigi lõõmutus, tehakse temperatuuridest, mis ületavad faasimuutuste temperatuur. Erinevalt lõõmutusest kiirjahutus karastamisel ei võimalda realiseerida faasimuutustele pöördprotsessil, mille tulemusena toatemperatuuril võib fikseerida metalli seis, mis oli temal kõrgel temperatuuril. Selline karastusviis nimetatakse ehtseks või I-lliigi karastuseks. Tavaliselt aga karastamine fikseerib mitte struktuuri ja omadused, mis olid metallis enne jahutust, vaid mingi vaheldane struktuur, sarnane sellega, mis oli kõrgel temperatuuril. Sellist karastusviisi nimetatakse II –liigi ehk polümorfse muutusega karastuseks.
II- liigi lõõmutuse ja karastuse vahel on ühine see, et mõlemal juhul kuumutus peab kutsuma esile faasimuutus (kas polümorfne või mitte), erinevus aga seisneb jahutuskiiruses. Lõõmutuse eesmärgiks on saada metall maksimaalselt tasakaaluseisus, milleks on vaja difusiooniprotsesside täieliku realiseerimist, selleks on vaja aeglast, väikse kiirusega jahutust. Karastamisel vastupidi on eesmärgiks fikseerida toatemperatuuril metalli struktuur ja omadused, mis tema saab kuumas olekus. Selleks vaja jahutamisel mahasuruda difusiooniprotsessid, et põöördmuutused jahutusel ei toimuksid. Kiirjahutus võimaldab seda teha suurel või väikesel määral, mille tulemusena eristatakse kaks ülalnimetatud karastusviisi.
Noolutus ja vanandamine on erinevalt lõõmutusest või karastusest sekundaarse iseloomuga termiline operatsioon , mida tehakse ainult peale karastamist, ilma selleta nendel ei ole mõtet. Karastatud metall on termodünaamiliselt ebastabiilne, tema siseenergia võrreldes lõõmutatud olekuga on suurem. Isegi toatemperatuuril temas aeglaselt tekivad protsessid, mis lähenevad metalli struktuur ja omadused tasakaluoleku seisundiks. Näiteks karastatud terase kõvadus väheneb kauaaegsel hoidmisel toatemperatuuril, seda enam need protsessid aktiviseeruvad metalli kuumutamisel. Just sellist karastatud metalli kuumutamist alla faasimuutuse temperatuuri nimetatakse noolutamiseks.Ei ole printsipiaalset vahet noolutuse ja vanandamise vahel, kuid siiski noolutuseks tavaliselt nimetatakse karastatud terase kuumutamine, vanandamiseks aga sama protsessi värvmetallsulami või malmvalandi puhul. Viimasel (malmvalandi) juhul vanandamine on sama, mis I-liigi lõõmutus.

Termotöötluse mõju terase omadustele

Termotöötluse tulemusena muutuvad kõik terase omadused, kuid kõige rohkem mehaanilised omadused.
Lõõmutatud või normaliseeritud seisus terase struktuur koosneb ferriidist ja perliidist, viimane on tavaliselt plaatjane struktuur, kuid spetsiaalse töötlemismeetodiga -–sferoidiseerimisega võib saada ka teraline perliit. Ferriit on madala tugevusega , plastne struktuuriosa, seevastu tsementiit - kõva (  800HV) ja habras , terase tugevus lõõmutatud või normaliseeritud seisus sõltub karbiidiosakaste suurusest ja jaotusest pehmes ferriidi maatriksis.
Jämedate, väheste karbiidiosakeste puhul plastne terase deformatsioon areneb hästi tänu nihketasandite suure arvule on materjal pehme ja plastne- lõõmutatud olek.
Kui karbiidiosakased on peened ja suurearvulised, mida saab teha terase karastusel – lõõmutus töötlemisel, nemad katuvad nihketasandid ja lisaks igaüks moonutab enda ümber ferriidi kristallvõre,see takistab dislokatsioonide liikumist, tulemusena materjal tugevneb oma plastsuse arvelt- karastus ja madal- või kesknoolutus .
Karbiidiosakeste suurenemine, kõrgnoolutusel suurendab terase plastsus ja kesksüsinikteraste puhul annab optimaalse tugevuse- plastsuse omaduste kompleksi.
Erinevalt terasesest ferriit—karbiidi struktuuriga – lõõmutatud (normaliseeritud) või kõrgnoolutatud seisus, karastatud terase kõvadus sõltub mitte karbiidiosakeste dispersusest, vaid martensiidi kristallvõre moonutusest. Martensiidi plastne deformatsioon nihkemehanismi teel on peaaegu võimatu, mida suurem on süsiniku terases, seda rohkem deformeeritud martensiidi kristallvõre ja kõrgem selle kõvadus. Kui madalsüsinikterase (0,1 %C) kõvadus karastatuna on 30 HRC, siis 0,7 %C juures juba 64 HRC ja enam ei kasva. Selle põhjuseks on jääkausteniit, mis tekib kõrgsüsinikterases, kui kuumutada seda terast karastamisel üle temperatuuri A3 , siis jääkausteniidi pärast kõvadus langeb veel rohkem. Vastavalt Fe- Fe3C faasidiagrammile, kõigi üleeutektoidsete teraste kuumutamine temperatuuril AC1 + 30 0C lahustab austeniidis võrdne süsinikuprotsent, karastamisel see annab ühesama jääkausteniidi hulga ja tulemusena ka võrdne kõvadus.
Noolutamine on termotöötlemise lõppoperatsioon, mis fikseerib terasdetailis tema tööomadused. Üldtendents seisneb terase kõvaduse ja tugevuse (Rm, Rp) languses temperatuuri kasvuga koos plastsuse (A, Z) kasvuga. Kõrgsüsinikuteraste kõvaduse kasv madaltemperatuursel noolutusel 100 –150 0C on seotud jääkausteniidi osalise üleminekuga noolutusmartensiiti. Noolutus 300 0C suurendab terase tugevus- ja elastsuspiir võrreldes karastatud seisuga tänu kristallvõre sisepingete vähenemisele, kuid veel ei too karbiidiosakeste suuruse kasvu. Maksimaalne plastsus vastab noolutamisele 600- 650 0C juures, kui terases tekib noolutussorbiiti struktuur, kuumutamine üle 650 0C juba ei mõju plastsusele. Termiline töötlus, mis seisneb karastamises ja järgnevas kõrgnoolutuses nimetatakse termiliseks parendamiseks, ja on tüüpiline konstruktsioonitüüpi detailide valmistamisel.
Erinevalt tugevusest ja plastsusest, mis muutuvad noolutusel sujuvalt ühes suunas (monotoonselt), terase sitkuse sõltuvus on keerulisem: sellele mõjub mitte ainult noolutustemperatuur ise vaid veel jahutuse kiirus peale noolutamist . Tüüpiline terase sitkuse sõltuvus noolutustemperatuurist on peale üldist tendentsi sitkuse kasvuks, kõveral on kaks nõtku noolutustemperatuuridel umbes 300 ja 550 0C, kus sitkus väheneb. Vastav nähtus nimetatakse I- ja II liigi noolutusrabeduseks.
I- liigi noolutusrabedus ilmneb nii legeerimata kui legeerterastes, selle põhjuseks on martensiidi ebaühtlane lagunemine noolutusel metallterades. Terapiiril karbiidiosakesed tekivad intensiivsem kui tera sees, tulemusena sisepinged on seal suuremad, mis teeb terapiirid hapramateks, need muutuvad pingekontsentraatoriteks. Kui suurendada noolutustemperatuur või selle kestus, struktuur tera sees ja piiril ühtlustub ja I- liigi rabedus kaob.
II- liigi noolutusrabedus ilmneb ainult legeerterastes aeglasel jahtumisel peale noolutamist, kui teras samast temperatuurist 500- 550 0C jahutada kiiresti, siis see rabeduse liik ei teki. Rabeduse põhjuseks loetakse peened legeerelementide karbiidid , fosfiidid ja nitriidid , mis tekivad terapiiridel aeglasel jahtumisel, eriti terastes suure kroomi või mangaani sisaldusega. Teraste legeerimine rasksulavate metallidega- 0,2- 0,3 %Mo või 0,6- 1,0 %W vähendab selle tundlikus II- liigi noolutusrabeduse vastu, samamoodi mõjub ka kõrglegeerteraste kiirjahutus õlis või isegi vees peale noolutust.

2. TERMOTÖÖTLUSE TEHNOLOOGIA

Termotöötluse tehnoloogiasse kuuluvad järgmised küsimused:

• temperatuuri valik
  
• kuumutamise kestus
  
• kuumutava keskkonna keemiline mõju töödeldava materjali pinnale
  
• karastuskeskkonna valik
  
• materjali karastatavus ja läbikarastuvus
  
• karastusviisid
  
• terase töötlemine külmaga
  
• temperatuuri mõõtmine
  
• sisepinged ja defektid
  
• malmi termotöötlus
  

Temperatuuri valik

Süsinikteraste karastustemperatuur määratakse Fe- Fe3C faasidiagrammi järgi, alaeutektoidsed terased kuumutatakse 30- 50 0C kõrgem temperatuurist Ac3 - täiskarastus, üleeutektoidsed 30 – 50 0C kõrgem temperatuurist A1 - poolkarastus. Alaeutektoidsete teraste karastus temperatuurist üle AC1 annaks struktuuri, kus peale martensiiti säiliks osaliselt ferriit, mis vähendaks terase mehaanilised omadused peale noolutamist. Seevastu üleeutektoidsete teraste optimaalne karastustemperatuur on AC1 ja A3 vahel, kui terase struktuuris on piisavalt sekundaarset tsementiiti, mis jääb struktuuri ka peale karastamist. Tsementiidi osakesed tugevdavad karastatud teras, eriti siis, kui nemad on eriteradena ühtlaselt jaotatud martensiidis, ja ei moodusta pidevat nn. tsementiidi võrku. Kõrgsüsinikteraste täiskarastus temperatuurist üle A3 ainult suurendaks jääkausteniiti nendes ja sellega kõvadust.

Kuumutamise kestus

Kuumutamise üldkestus on materjali kuumutamise k ja seisustamise s summa, ü = k + s . k suurus sõltub mitmetest teguritest, neist tähtsamad on kuunutusseadme võimsus ja tüüp, detailide mass ja kuju, nende laadimise skeem ahjus jt. Teine tegur s on tingitud materjali soojusjuhtivusega, tekivate faasinuutuste kiirusega, terase pärilikusega, vajaliku ülekuumutusega üle kriitilise temperatuuri. Üldjuhul erinevalt temperatuurist on kuumutusaeg palju raskem täpselt arvutada, ja selle määramiseks kasutatakse erinevad kvalitatiivsed tegurid ja eelmine kogemus.
Seisustuse määramisel praktikas kasutatakse aeg 1min süsinik-, ja 2 min legeerteraste puhul. Tavaliselt detailidele paksusega või diameetriga ligi 1mm arvestakse ainult seisustusaeg, seevasu massiivsete detailide puhul, kui kuumutusaeg on suur võib jätta kõrvale just seisustusaeg.
Kuumutuskekkond on tavaliselt gaasiline (õhk, põlemisgaasid),kasutamist leiavad ka sulasool või sulametall , mis erinevad soojusjuhitavusega. Kuumutusaeg nendes võib vastavalt võtta proportsioonis 1: 0,5 : 0,25.
Peale detaili suurusest kuumutusaeg sõltub ka selle kujust . Kui võtta ühe nominaalmõõduga kuul (sfäär), silinder, kandiline latt ja lehtmaterjal, siis nende kuumutusajad suhtuvad nagu 1: 2 : 2,5 : 4, ehk mida ebaühtlasem on kuju, seda suurem on kuumutus.
Suurt rolli omab ka ahju küttekeha asend, sest sellest sõltub soojusvoogu suund. Kolme ühesuguse detaili puhul, millest esimene kuumutatakse neljalt poolt, teine- kolmelt, kolmas- ainult ühelt poolt, kuumutusaeg suhtub nagu 1: 1,5 : 4.
Arvestades need tegurid võib arvutada kuumutusaeg järgmise valemiga:
k = 0,1D1 K1 K2K3 ,
kus D1 – detaili minimaalne mõõt maksimaalse ristlõige kohas; K1- kuumutuskeskkonna tegur, ( gaas -2, sulasool-1, sulametall- 0,5); K2- kujutegur, (sfäär-1, silinder-2, latt- 2,5, plaat- 4); K3- kuumutussuuna tegur, (igapoolne- 1,
ühepoolne- 4).
Selline arvutus sobib kasutamiseks temperatuuridel 800 – 900 0C, mis haarab suurima teraste osale kasutatavad karastus, lõõmutus või normaliseerimisreziimid, kõrgemal temperatuuril, ( legeer , kiirlõiketerased) kasvab soojuse osa mida kantakse kiirituse teel, mistõttu kuumutusaeg väheneb, ja vastupidi madalamatel, alla 800 0C (noolutusel) – suureneb.

Kuumutuskeskkonna keemiline mõju

Metalli kõrgtemperatuursel kuumutamisel see reageerib ümbritseva keskkonnaga, mille tulemusena võivad tekkida järgmised protsessid.

terase süsiniku väljapõlemine pinnast reaktsiooni tulemusena C + O2 =CO2,

terase oksüdeerimine tagi teke tulemusena 2Fe + O2 = 2FeO
Mõlema protsessi intensiivsus sõltub temperatuurist, terase koostisest ja ahju keskkonnast. Kuna kõik nemad realiseeruvad difusiooni teel, siis temperatuuri kasvuga kiirenevad. Ahju atmosfäris võivad olla erinevad gaasid: CO2, CO, O2, H2, H2O, N2, CH4 ,
mis erinevalt mõjuvad terasele: CO2 O2 oksideerivad, CO ja H2 taandavad oksüüdid, H2 ja H2O põletvad süsinik pinnast, CO ja CH4 karbidiseerivad , N2 on neutraalne raua ja selle oksüüdi suhtes. Kõige paremal juhul on gaaside proportsioon neutraalne, mis ei mõju terase keemilise koostisele sellel korral oksüdeerimisprotsessid on tasakaalus taandamisega ja karbidiseerimisega. Neutraalse gaasikeskkonna saamiseks kasutatakse ahjud kontrollitava atmosfäriga, mida valmistatakse spetsiaalsetes gaasigeneraatorites, nemad reguleerivad etteantud suhe CO2/COH2O/H2:CH4/H2 , mis teeb ahju keskkond neutraalseks.
Peale gaasilist keskkonda kasutatakse kuumutamiseks sulavannid sooladega ja harvemini metallidega. Sulavannide eelised seisnevad metalli väga intensiivses kuumutamises võrreldes gaasikeskkonnaga, samuti nemad kaitsevad metallpinda oksüdeerimisest.Sulasool peab olema neutraalne õhu suhtes, väiksema sulamistemperatuuriga, kui kuumutustemperatuur, kergesti lahustuma vees. Kasutatakse metallide soolad ja leelised, mille koostised tuuakse allolevas tabelis.
Tabel 11.1 Soolade koostis metallide kuumutamiseks.
Soola kootis
Sulatus -
temperatuur,
0C
Töö
temperatuur,
0C
Kasutuala
BaCl2
78 %BaCl2+ 22 %NaCl
50 %NaCl + 50 % KCl
20 %KCl + 60 %NaCl +
+20 %Na2CO3
NaNO3
50 %NaNO3 +50 % KNO3
50 % NaNO2 + 50 %KNO2
20 % NaOH + 80 %KOH
900
640
670
700
310
220
50
140
1000 – 1300
750 – 900
750 – 900
750 – 900
400 – 550
300 – 400
160 – 300
160 - 300
Kiirlõike-, kõrglegeerterased
Süsinik- ja madallegeerterased
Noolutskeskkond, astekarastus
Karastuskekkonnad
Austeniidi muutmiseks martensiiti terase karastamisel vaja kiirjahutus, kuid mitte kõigi temperatuuri intervallis kuni toatemperatuurini, vaid ainult piirkonnas 650 – 400 0C, kus austeniit on kõige ebasabiilsem ja kiiresti laguneb. Nagu näeb austeniidi lagunemise C – diagrammist, temperatuuril üle 650 0C austeniidi lagunemise kiirus on väike, mistõttu selles intervallis karastamisel terast võib jahutada suhteliselt aeglaselt. Temperatuurivahe 650 – 400 0C tuleb läbida kiiresti, alla 400 0C jahutuskiirus võib jälle aeglustuda, ja martensiidi tekkimise piirkonnas 200 – 300 0C on eriti kasulik aeglane jahutus selleks, et olulistele struktuuri sisepingetele ei lisaks veel termilised pinged kiire jahutuse tulemusena. Ideaalne jahutuskõver on toodud joonisel.
Kõige sagedamini jahutuskeskkonnaks kasutatakse vesi, selle jahutusmehanism seisneb järgmises. Esimesel vee ja kuuma (800 – 900 0C) metalli kontaktil viimase pinna ümber moodustub veeauru kile, mis isoleerib metallpind otsesest kontaktist veega, metall jahtub veeaurus aeglasem , kui vees (piirkond 1). Metallpinda jahtumisel teatud piirini aurukile (aurusärk) katkestub ja algab otsene kontakt vee ja metallpinda vahel, vesi keeb ja intensiivselt jahutab metalli (piirkond 2). Kui metallpinda temperatuur langeb alla 100 0C jahutuskiirus jälle aeglustub, sest vees tekib konvektiivne soojusvahetus, mis eemaldab soojust palju aeglasem, kui vee keemisel (piirkond 3). Karastuskeskkond jahutab seda intensiivsem, mida laiem on 2 piirkonda intervall so. mida kõrgemal temperatuuril katkestub aurusärk ja mida madalamal temperatuuril algab konvektiivne jahutus.
Allolevas tabelis tuuakse karastusvedelike umbkaudne jahutusintensiivsus.
Tabel 12.1 Karastusvedelike omadused
Karstuskeskkond
Keemisjahutuse temperatuuripiirkond
0C
Jahutuse suhteline intensiivsus temperatuuripiirkonda
keskel
Vesi
20 0C
40 0C
80 0C
Distilleeritud vesi, 20 0C
Veelahus, 20 0C
1 %NaCl
10 %NaCl
5 – 30 % NaOH
50 %NaOH
50 %NaOH, 96 0C
Mineraalõli, 20 – 200 0C
400 – 100
300 – 100
250 – 100
350 – 100
500 – 100
650 – 100
650 – 100
650 – 100
650 – 100
500 - 250
1
0,7
0,2
0,5
1,5
3,0
2,5
2,0
1,0
3,0
Vesi aktiivselt jahutab temperatuuridel 550 – 650 0C, kuid vee puuduseks on tema liiga intensiivne jahutus ka martensiiditeke piirkonnas. Vee jahutusvõime oluliselt sõltub selle temperatuurist ja lahustatud sooladest või gaasidest . Vett kasutatakse peamiselt süsinikteraste karastamiseks. Paremad tulemused annab korduvalt kasutatav nn. “vana vesi”, millest on eraldunud gaasid, seda tuleb pidevalt ümberpumbata ja jahutada.
Mineraalõli jahutusomadused sõltuvad selle temperatuurist palju vähem, tema jahutab 3-4 korda aeglasem austeniidilagunemise temperatuuril 550 –650 0C ja umbes 10 korda aeglasem ka martensiiditeke temperatuuril 200 – 250 0C. Seda kasutatakse legeerteraste karastamisel, millises austeniit on stabiilsem.
Karastamiseks kasutakse ka sulasoolade segud (isotermkarastusel) või sulametallid (kõrglegeerterased).

Läbikarastuvus

Terase läbikarastuvuse all mõistetakse karastatud kihi sügavust. Seda tuleb eristada karastatavusest, mis näitab terase võimet tugevneda (kõveneda) karastamisel, joonis. mitteläbikarastuvuse põhjuseks on asjaolu, et karastamisel detaili pind jahtub kiiremini, kui südamik. Jahtumiskiirus karastamisel jaotub nii nagu seda näitab joonis – maksimaalne pinnases, minimaalne - südamikus: kui karastuse kriitiline kiirus on võrdne joonisel toodud horisontaalse punktiirjoonega, siis detail ei karastu läbi ja karastavuse sügavus on võrdne viirutatud kihi paksusega.
On ilmne, et karastamise kriitilise kiiruse vähenemisega suureneb ka karastatud kihi sügavus ja kui vkr on väiksem, jahtumiskiirusest detaili südamikus, siis sellise ristlõikega detail karastub läbini. Järelikult, mida väiksem on vkr, seda suurem on läbikarastuvus. Läbikarastuvus, nagu ka vkr on tihedalt seotud austeniidi lagukiirusega ja seega austeniidi lagunemise algjoone asetusega C- kõverail.
Joonisel on toodud C – kõverale paigutatud jahtumiskõverad silindrilise detaili korral südamikus – vs, pinnal- vp, ja poole raadiuse kaugusel pinnast – v 0,5r. Sellistel jahtumiskiirustel tekib pinnakihis martensiitstruktuur, südamikus - perliiditaolised laguproduktid või beiniit , poole raadiuse kaugusel pinnast – martensiit koos laguproduktidega. Kui C – kõver nihkub paremale (näiteks legeerterase korral), läbikarastuvus suureneb, sest mida aeglasem laguneb austeniit, seda paremal asub C – joon ja seda suurem austeniidiosa samal jahtumisel muutub martensiidiks.
Austeniidi lagunemist tingivad järgmised tegurid:
1) Austeniidi koostis. Kõik elemendid, mis lahustuvad austeniidis (peale koobalti) aeglustavad austeniidi lagunemine, austeniidi koostise ebaühtlus – vastupidi kiirendab seda.
2) Mittelahustavad osakesed (karbiidid, oksiidid jt.) , olles täiendavaks kristallisatsioonikeskmeiks kiirendavad austeniidi lagunemine.
3) Austeniiditera suurus. Tera kasvuga lagunemine aeglustub, kuna uued kristallid tekivad terapiiridel ja mida suurem on tera, seda lühem on üldine terapiiride pikkus.
Niisiis , kõik tegurid, mis aeglustavad austeniidi muutus perliidiks, suurendavad terase läbikarastavust. Joonisel on näidatud kõvaduse jaotus silindrilise teimiku ristlõiges sõltuvalt teimiku läbimõõdust ja terase koostisest. Selgelt on näha, et peaaegu võrdse pinnakõvaduse juures süsinikuterase südamik jääb praktiselt karastamata (lähtekõvadus 22HRC), seevastu legeerterase korral kõvadus südamikus on ainult mõni ühik väiksem, kui pinnal. Joonis näitab, et legeerterase korral, mis on kaks korda suurem kui süsinikterasest, on detailis kõvadus südamikus on 42 HRC, õhemas süsinikterases aga ainult 27 HRC.
Läbikarastuvuse kvantitatiivseks hindamiseks kasutatakse suurus, mida nimetatakse kriitiliseks diameetriks (critical diameter ) Dkr s.o. läbimõõt, mille korral antud karastuskeskkonnas detail karastub läbini. Joonisel on toodud eriläbimõõduga teimikute karastusügavus nende karastamisel vees või õlis. Karastatud ja karastamata tsoonide jaotus teimikutes näitab, et igal karastuskeskkonnal on oma maksimaalne ristlõige, mis karastub tervikuna, kusjuures Dkr vees on suurem, kui Dkr õlis, sest vesi jahutab intensiivsem.
Läbikarastuvus on tähtis terase näitaja. Täieliku läbikarastavuse korral terase mehaanilised omadused detaili ristlõiges on peaaegu ühesugused, mittetäieliku korral südamik on tunduvalt väiksemate tugevuse, kõvaduse ja sitkuse omadustega. Mida suurem on detaili ristlõige ja nõutavad omadused, seda suurema tähtsuse omab selleks valitud terase läbikarastuvus. Seepärast läbikarastuvus on üks tähtsamatest kriteeriumitest , mida tuleb arvestada terase valikul koos selle mehaaniliste omadustega, tehnoloogilisuse ja hinnaga.
Standartne katseskeem läbikarastuvuse määramiseks – otskarasuse meetod, on toodud joonisel. On ilmne, et sellisel jahutamisel teimiku alumine ots saab maksimaalse kõvaduse, mis väheneb otsast kaugenemisel, suurema läbikarastuvusega terasel kõvadus langeb sujuvalt, väiksema korral – järsult. Dkr leidmiseks tuleb määrata teimiku poolmartensiitstruktuuri (50 %martensiiti + 50 %laguprodukte) kaugust jahutatatud otsast L50.
Kui oletada, et kõverad joonisel kuuluvad terastele, mis sisaldavad 0,7 %C, siis nende poolmartensiitstruktuuri kõvadus on 50 HRC, järelikult joonisel on selle tsooni kaugus otsast on 3 mm terase 1, ja 18 mm terase 2 puhul, samast selgub , et kõvadus 50 HRC tuleb jahutuskiirusel 105 0C/s – teras 1, ja 10 0C/s- teras 2. Vastavalt saame nomogrammist nende kriitilised diameetrid: terasele 1 – 16 ja 9mm jahutusel vees ja mineraalõlis ja terasele 2 – 60 ja 42 mm vastavalt. Need on maksimaalsed ristlõiget, kus karastamisel vees või õlis poolmartensiitstruktuur tekib detaili südamikus. Kriitiline diameeter D50 kasutatakse juhul, kui detail töötab painde või väände koormustel, kus pinged muutuvad maksimaalsetest piinnal nullini tsentris ( pehmed koormuse liigid). Surve- või tõmbekoormustel materjal töötab kogu ristlõigega (jäigad koormuse liigid), sellel korral tuleb kasutada läbikarastuvuse kriteerium D95 , mis garanteerib ristlõige keskel 95 % martensiiti, katsed näitavad, et umbkaudselt D95  0,75D50.
Kriitilise diameetri määramiseks nomogrammi joon. 13.7 abil vaja teada jahutuskiiruse jaotus otskarastusteimiku ristlõikes. See sõltub terase margist (soojusjuhitavusest), ja harva tuuakse käsiraamatutes. Tavaliselt terase läbikarastuvus iseloomustatakse nn. karastusvöötide (hardenability curves), abil, mis näitavad kõvaduse jaotuse karastusteimiku pinnal sõltuvalt kaugusest jahutatavast otsast. Karastusvöödid saadakse mitmete ühe sama terase margi otskarastusteimi tulemusena. Terase keemilise koostise kõikumine, erinev tera suurus, kalduvus terakasvule ja teised tegurid, mis on nimetatud eespool , mõjutavad austeniidi lagukiirusele, mille pärast terase läbikarastuvus ei saa iseloomustada ühe kõveraga, nagu see on toodud joonisel 13.5. Teades konkreetse terase karastusvöödi võib oodata, et selle läbikarastuvus on selle vöödi piirides. Mõned karastusvöödid, terastele 0,4 % C – ga on toodud joonisel 13.8, millest on hästi näha positiivne legeerimise mõju terase läbikarastuvusele. Terase kõvaduse võimalik kõikumine läbikarastusvöödi piirides ütleb ka seda, et üht terase margi võib iseloomustada minimaalse ja maksimaalse kriitilise diameetriga, kõrgema kvaliteediga terased, kus süsinik ja legeerelemendid on üleval piiril, omavad ka suurema läbikarastuvuse.
Termotöödeldud – karastatud ja kõrgnoolutatud terase mehaanilised omadused on tihedalt seotud selle läbikarastuvusega, nagu seda näitab joonis 13.9. Madala läbikarastuvuse korral on katsekeha südamikus tugevus Rp02 ja eriti sitkus KCU madalamad, kui karastatud kihis, joonis 13.9a,b; täieliku läbikarastuvuse korral aga on nemad kogu ristlõiges ühesugused, joonis 13.9c.
Mida väiksem on läbikarastuvus, seda madalamad on detaili südamikus tugevus ja sitkus, sest karastamata osas ka peale noolutamist jäävad nõeljased karastusstruktuurid, erinavalt teralistest struktuuridest, mis tekivad martensiidi noolutamisel.

Karastusviisid

Sõltuvalt terase kostisest, detaili massi ja kuju keerukust valitud karastusviis peab olema võimalikult lihtne ja tagada detaili nõutavad omadused.
Üldreeglina karastusviisi valikul kõigepealt arvestatakse detaili vorm, sest mida keerukam see on, seda suuremad on mõõdu erinevused ristlõikedes ja suuremad sisepinged tekivad jahutusel. Ka süsinikusisaldus avaldab suurt mõju deformatsiooni suurusele karastamisel. Mida rohkem on süsinikku terases, seda madalamal temperatuuril algab ja lõppeb martensiitmuutus, mis samuti suurendab sisepingete, deformatsioonide, pragude ja muude defektide tekkimise ohtu.
Peamised karastusviisid on järgmised:

Karastamine ühes keskkonnas, joon 14.1, kõver 1, on tehnoloogiliselt kõige
lihtsam. Vajaliku temperatuurini kuumutatud detail asetakse jahutusvedeliku kuni täie jahtumiseni. Meetod kasutakse lihtsa kujuga detailide karastamisel, kusjuures jahutuskeskkonnaks süsinikteraste korral kasutatakse vesi, legeerterastele – mineraalõli. Meetod saab kergesti mehaniseerida nii, et detailid ahjust automaatselt tulevad karastusvanni. Keeruka kujuga detailidele see meetod ei sobi.

Karastamine kahes keskkonnas, joon 14.1, kõver 2 erineb eelmisest sellega, et
detail algul jahutatakse keskkonnas suurema jahutuskiirusega (vees), ja temperatuuril, kus auseniit muutub stabiilsemaks (alla C – kõvera tippu), asetakse aeglaselt jahutatava keskkonda (õlisse). Meetodi eeliseks on suhteliselt aeglane jahutus martensiidi piirkonnas, mis vähendab sisepinged võrreldes eelmise variandiga . Meetodit kasutakse peamiselt kõrglegeeritud tööristateraste karastamisel, see on raskelt mehaniseeritav, sest on vaja täpselt määrata ülekandmise moment, mida suudab teha ainult kogenud termist.

Joakarastus seineb selles, et karastatav detail paigutakse veejoa alla, mis pidevalt
voolab vastu metallpinda. Selle variandi kasutusel jahutus on intensiivsem, kui karastusvannis, sest detaili ümber ei teki nn. aurusärk, mis annab tulemusena suurema läbikarastuvuse. Seda varianti kasutakse tavaliselt mõne detailiosa karastamiseks.

Astekarastus, joon. 14.1, kõver 3 kujutab ennast täiustatud kahes keskkonnas
karastamise variant, sest detail jahutatakse kahe erineva kiirusega. Nagu eellpool mainitud viimasel on raske määrata moment, millal detail tuleb ülekanda veevannist õlisse. Lisaks sellele detaili õhemad kohad saavad veejahutusel väiksema temperatuuri võrreldes paksematega, mispärast meetod sobib ainult lihtsa kujuga detailide karastamiseks.
Astekarastuse meetod on nendest puudustest vaba. Detail jahutatakse keskkonnas temperatuuriga üle MA - alas, kus austeniidi lagukiirus on väike, selliseks keskkonnaks võib olla vastava temperatuuriga sulasoola vann (vt. tabel 10.1). Seisustamisel kõik detaili osad saavad sulavanni temperatuur, peale seda detail aeglaselt jahutatakse toatemperatuurini, mille käigus metallis tekkib martensiitmuutus. Selline jahutamine kahe erineva ja kergesti kontrollitava kiirusega (soolavanni temperatuuri kontroll on lihtsam, kui detaili temperatuuri määramine) vähendab sisepinged ja karastusdeformatsioonid. Meetodi peamiseks puuduseks on detaili suuruse piirangud, süsinikuteraste detailide maksimaalne mõõt on 10 mm, legeerterastel 20 – 30 mm. Jahutamisel kuumas soolavannis suuremate detailide keskosas jahutuskiirus jääb alla kriitilisest kiirusest, mille tulemusena osa austeniiti muutub perliidiks ja jääb pehmeks.

Isotermkarastus, joon. 14.1, kõver 4, erineb astekarastusest sellega, et detail
hoitakse sulasoolavannis temperatuuriga 250 – 350 0C kuni austeniidi täieliku lagunemiseni. Isotermkarastuse tulemusena austeniit laguneb temperatuuril, mis on natuke kõrgem, kui martensiitmuutuse temperatuur, tulemusena tekkib beiniitne struktuur. Hoiutuse aeg soolavannis sõltub austeniidi lagunemise ajast antud temperatuuril, parema tulemuse saamiseks kasutatakse spetsiaalsed nn. beiniitterased, näiteks legeeritud booriga.
Isotermkarastuse viisiks loetakse patenteerimine – meetod mille abil terasest 0,6 –
0,8 %C sisaldusega valtsimise või tõmbamise teel valmistakse kõrgtugev traat või lint
(Rm = 1800 – 3000 MPa). Deformatsiooniaste selleks peab olema kuni 98 %, tugeva
metalli kalestumise saamiseks ja algseisus teras peab olema hästi deformeeritav. Seda
võib saada tingimusel, et metalli lähtestruktuur kujutab ennast peeneteraline perliit.
Patenteerimisel teras algul hoitakse temperatuuril 860 – 940 0C austeniidi piirkonnas
ja siis astmeliselt jahutatakse algul pliivannis temperatuuriga 410 - 550 0C, siis õhus
või vees. Kõrgsüsiniku (C = 1,2 %) terase korral austeniseerimisel kasutatakse
temperatuur 1100 – 1180 0C . Jahutamisel pliivannis austeniit laguneb isotermilistes
tingimustes, mis annab ühtlase peeneteralise perliitstruktuuri suure plastsusega.

Terase töötlemine külmaga kasutakse jääkausteniidi vähendamiseks peale
karastamist. Süsinikusisaldusel terases üle 0,5 % martensiitmuutuse lõpptemperatuur langeb alla nullgraadi ja karastamisel jahutuskeskkonnas toatemperatuuriga martensiitmuutus ei lähe lõpuni, tulemusena terases peale martensiiti jääb muutmatuna ka osa austeniiti (vt. joon. 6.9). Jääkausteniit vähendab terase kõvadust ja olles toatemperatuuril metastabiilseks faasiks ajaga muutub martensiidiks. See muutus kutsub esile terase mahulised muutused, kuna martensiit on suurema mahuga võrreldes austeniidiga, paljudel juhtudel see on täiesti lubamatu, näiteks mõõduriistades. Martensiidi hulga suurenemine töötlemisel külmaga kutsub esile; a) mõõdu suurenemine; b) kõvaduse kasv; c) magnetomaduste muutus; d) mõõtude stabiliseerimine .
Muutused on seda suuremad, mida rohkem tekkib martensiidi töötlemisel külmaga.
Tavaliselt selle käigus karastatud metall paigutatakse vanni vedela lämmastikuga ( -
196 0C) või vedela süsihappegaasiga ( - 58 0C), vedela lämmastiku madala
aurustusoojuse tõttu metall jahtub aeglaselt ja sügavalt. Oluliseks momendiks on
ajavahe peale karastamist ja külmtöötlemise operatsiooni vahel. Paljudes terastes
jääkausteniit stabiliseerub toatemperatuuril ja lisajahutus sellele enam ei mõju,
seetõttu töötlemine külmaga annab maksimaalse effekti juhul, kui seda tehakse
otsekohe peale karastamist.

Temperatuuri mõõtmine

Suuremat kasutamist termotöötluse praktikas leiavad kaks temperatuurimõõtmise meetodit: termopaaridega ja püromeetriga
Mõõtmine termopaariga põhineb sellel, et kahe erikoostisega elektrijuhe kontaktis tekib termo - elektromotoorne jõud (EMJ) mille suurus sõltub kontakti temperatuurist. Üks termopaari ots (külm ots) hoitakse püsival temperatuuril, teine paigutatakse keskkonda, mille temperatuur mõõdetakse. Termopaari otsad lülitatakse tundliku galvanomeertiga, mis on gradueeritud soojagraadides, joon. 15.1a. Termopaaridega saab mõõta nii madalad, kui ka väga kõrged temperatuurid, mis on võimatu tavaliste termomeetrite kasutades. Termopaarides võib kasutada mitmed erinevad traatide kombinatsioonid: Pt – Pt10 %Rh sulam , W – Mo, kromel – alumel (FeCr ja FeAl sulam) ja mitmed teised. Plaatina termopaari eeliseks on selle kõrge töötemperatuur – kuni 1300 0C, kuumusdikindlus õhus ja EMJ sirgjooneline temperatuurne sõltuvus, mida ei ole termopaaridel mitteedelmetallidest, joon 15.2. Plaatina termopaarid kauaaegsel kasutusel õhus ei vaja sellepärast individuaalset gradueerimist. Täpsema temperatuuri mõõtmiseks termopaari külmad otsad vaja termostateerida so. hoida 0 0C juures, vastasel juhul selle näidule tuleb lisada külma otsa temperatuur.
Suuremõõtmeliste või liikuvate detailide kuumutamisel leiavab kasutamist kontaktivaba temperatuurimõõtmise meetod – optilise püromeetriga, joon. 15.1b. Nagu see nähtub skeemist, meetodi põhimõte seisneb mõõdetava pinna ja kalibreeritud spiraali tooni (värvi) võrdlemises. Mõõtmise tulemused sõltuvad kuumutatava materjali pinna seisusest; tagikiht või pinnamustused võivad tunduvalt moonutada kuuma pinna tooni, mis mõjutab mõõtmise tulemustele.

Termotöötluse defektid

Kõige sagedamini terase karastamisel ilmnevad järgmised defektid: puudulik kõvadus, pehmed täppid, suur haprus, süsiniku väljapõlemine ja pinna oksüdeerimine ja lõpuks detaili deformeerimine ja pragunemine. Selle põhused võivad olla väga erinevad: vale karastusreziim, ebaõige detaili konstruktsioon, mitte sobilik karastuskeskkond või karastusviis ja mitmed teised.
Deformatsioon ja praod on karastuspingete tulemus, mille põhjused on seotud jahutuskiirusega. Nende vähendamise kõige effektiivsemaks meetodiks on aeglane jahutus karastamisel martensiitmuutuse piirkonnas. Selles mõttes tuleb eelistada “pehmemad” karastuskeskkonnad: mineraalõli või sulavann vee asemele. Ka detaili konstruktsioon avaldab mõju defektide ilmumisele. Kinnised sügavad avad, järsud ristlõige muutused, teravad nurgad soodustavad defektide ilmumist. Üldjuhul keeruka kujuga detailid on soovitav teha legeerterastest, isegi siis, kui nõutavad mehaanilised omadused seda ei vaja, sest nemad karastatakse “pehmetes” keskkondades, süsinikterased aga vees.
Puuduliku kõvaduse põhjuseks on reeglina vale kuumutamise reziim (madal temperatuur, lühike seisustuse aeg ahjus) või aeglane jahutus karastamisel. Esimesel juhul austeniit ei lahusta küllalt süsiniku, teisel – martensiitmuutus ei lähe lõpuni ja karastusstruktuuris tekib palju perliiditaolisi produkte (sorbiiti ja trostiiti). See defekt saab parandada teistkordse kuumutamisega kõrgemal temperatuuril või intensiivsema jahutatamisega karastamisel. Näiteks, võib asendada mage vesi soolaveega, mis jahutab intensiivsem, samuti on soovitav karastatav detail aktiivselt liigutada veepaagis.
Ebaühtlane kõvadus pinnal (täppiline kõvadus) on nagu eelmine defekt seotud madala kuumutustemperatuuriga või lühikese seisustusega. Mõlemal juhul austeniidis on vähe süsiniku ja isegi osaliselt võib säilida ferriit. Paratamatu nendes kohtades, kus on süsiniku vähem, karastamisel kõvadus ei tõuse. Ka vale karastuskeskkond võib olla täppilise kõvaduse põhjuseks, kui aurumullid ei lase jahutusvedeliku detaili pinnale. Defekti parandamisviisiks on termiline eeltöötlemine ( normaliseerimine ), mis ühtlustab metalli struktuuri enne karastmist, ja detaili aktiivne kontakt jahutusvedelikuga.
Kõrgendatud hapruse põhjuseks on reeglina liigne karastustemperatuur, mille tulemusena kasvavad suured austeniidi terad ja tekkib jämeteraline martensiit karastamisel. Mehaanilistel katsetel lõõgiga selline teras näitab madala sitkuse, kuigi staatilistele omadustele (kõvadus, tugevus) see ei mõju. Defekti eemaldamiseks terast teistkordselt karastatakse õigest temperatuurist.
Pinna oksüdeerimine ja süsiniku väljapõlemine tekib kuumutamisel ahjudes oksüdeeriva atmosfäriga (õhk). Eriti negatiivselt mõjutab süsiniku väljapõlemisele niiske õhk (ahju uus vooder ). Pinnatagi tekkimise põhjuseks on tavaliselt liiga suur detaili hoiustus ahjus. Juhul kui karastus on viimane tehnoloogiline operatsioon , see sunnib suurendada припуск? lihvimiseks, mis keerustab ja kallineb tehnoloogiat. Radikaalne defekti vältimise võte on kaitsekeskkonda (CO, H2, N2) kasutus ahjus metalli kuumutamisel, ka kuumutamine sulavannides vähendab oksüdeerimist ja süsiniku väljapõlemist.

Lõõmutus ja normaliseerimine

Nii lõõmutus kui normaliseerimine on tavaliselt esialgne termiline operatsioon, mille eesmärgiks on parandada metalli struktuur või eelmiste operatsioonide (valu, sepistamise) defektid ja ettevalmistada struktuur järgnevateks tehnoloogilisteks operatsioonideks (lõkamiseks, keevitamiseks , karastamiseks, survetöötlemiseks)
Sõltuvalt kasutatavast temperatuurist lõõmutusviisid võib jaotada kahte gruppi; esimestes lõõmutuse tulemus on seotud faasimuutustega kuumutamisel, mis toimuvad terases, teises – ainult difusiooni aktiveerimisega kõrgel temperatuuril. Lõõmutuse peatunnus on metalli maksimaalselt aeglane jahutus, reeglina koos ahjuga.
Normaliseerimine on lõõmutuse liik, kus metalli jahutatakse õhus, so. veidi kiiremini kui ahjus.
Kõige kõrgemal temperatuuril teostatakse difusioonlõõmutus või homogeniseerimine tavaliselt temperatuuril 1000 – 1100 0C ja pikal hoiustusel. Seda kasutatakse terasvalandite struktuuri parandamiseks. Teatavasti sulametalli tardumisel selles ilmnevad kahte liiki defektid; tsonaalne või dendriitne likvatsioon . Esimene neist on tüüpiline legeerterastele ja seisneb metalli keemilise koostise ebaühtluses, teine – ilmneb nii süsinik – kui legeerterastes ja on seotud teralise struktuuri ebaühtlusega . Metalli hoidmine kõrgel temperatuuril aktiviseedib difusiooni selles, mille tulemusena likvatsioon kaob või oluliselt väheneb, struktuur ja omadused ühtlustuvad. Kõrge temperatuuri ja aeglase jahutuse tulemusena metall saab jämeteraline struktuur. Juhul, kui peale lõõmutust on ettenähtud survetöötemise operatsioonid jämeteraline struktuur on isegi soovitav. Vastasel juhul tera peenendamiseks vaja teha veel tavaline lõõmutus või normaliseerimine.
Terasvalandit või sepised on tihti jämeteralise struktuuriga, üheks nendest on nn. vidmannstätteni struktuur, kus ferriidi terad on nõeljase kujuga. Sellise terase ümberkristalliseerimiseks või sisepingete vähendamiseks kasutatakse täislõõmutus,
mida tehakse kuumutamisega üle temperatuuri A3 (austeniidi piirkonnas) järgmise aeglase jahutusega. Jahutusel austeniit muutub peeneteraliseks ferriit-perliidi struktuuriks.
Juhul, kui algne struktuur ei ole jämeteraline , või selles puudub vidmanstätteni ferriit võib teha ainult poollõõmutus temperatuuril üle A1 ja allpool temperatuuri A3 . Siis ümberkristalliseerub ainult struktuuri perliitne osa, ferriit aga jääb endiseks. Tavaliselt poollõõmutust kasutatakse üleeutektoidsete tööriistateraste lõiketõõdeldavuse parandamiseks. Selle tulemusena nendes tekib teraline perliit ja kaob sekundaartsementiidi võrk, lõiketöötlemisel selline struktuur vähem kulutab tööriistad, võrreldes plaatjase struktuuriga karastamisel annab ühtlasema kõvaduse. Sellist töötlusviisi nimetatakse sferoidiseerimiseks. Poollõõmutus on võrreldes täislõõmutusega ekonoomsem operatsioon, sest ta tehakse madalamal temperatuuril.
Sisepinged metallis, mis tekivad detaili kiirel jahtumisel, negatiivselt mõjuvad selle omadustele kutsudes esile deformatsioonid . Eriti ohtlikult se nähtus ilmneb suurte gabariitidega sepistes ja valandites erineva seinade paksusega või peale keevitamist kui lõppoperatsioonina on ettenähtud detaili lõiketöötlemine. Sisepingete mahavõtmiseks kasutatakse madallõõmutus, mis tehakse allpool faasimuutuste temperatuuri tavaliselt 500 – 6500C. Aeglane jahutus viib metalli tasakaaluolekusse moodustades struktuuri, mis vastab antud terase koostisele faasidiagrammil Fe – Fe3C. Madalõõmutuse variandiks on rekristallisatsioonilõõmutus. Seda kasutatakse külmdeformeeritud teraste struktuuri ja plastsuse taastamiseks. Teatavasti metalli plastsel deformeerisel alla rekristalliseerimise temperatuuri (mis on terase korral 600 – 6500C) see kalestub, mille tulemusena kasvavad tugevuse ja kõvaduse näitajad plastsus aga langeb. Metalli terad saavad piklikku kuju, sellist struktuuri nimetatakse tekstuuriks. Juhul, kui metalli kalestumine ei takista selle kasutamist (armatuuriteras betoonis), või on isegi soovitav (traat terastrossides), lõõmutust ei tehta . Kui aga madal plastsus hakkab takistama metalli edasist deformeerimist, siis on vaja teha metalli rekristalliseerimist. Tavaline rekristalliseerimise temperatuur on 650 – 7000C. Selle temperatuuri seisustamisel ja aeglase jahutuse tulemusena deformeeritud terade asemele tekivad uued polüeedrilise kujuga terad, taastub metalli plastsus, vähenevad tugevus ja kõvadus.
Kõige lõõmutusviiside tunnuseks on metalli aeglane jahutamine peale seisustamist valitud temperatuuril. Tavaliselt jahutuskiirus peab olema 50 – 1000C tunnis, mida saadakse jahutamisega ahjus. Kuid siiski jahutuskiiruse kontroll on raskelt realiseeritav protseduur eriti siis kui tegemist on suuregabariitiliste, massiivsete detailidega, mis võivad jahtuda erikiirusega erinavates kohtades. Selles mõttes seisustamise temperatuuri kontroll on teostada palju lihtsam. Lähtudes sellest on tööstuspraktikas kasutusele võetud isotermlõõmutus, mis seisneb terase kuumutamises samamoodi nagu täis- või poollõõmutamisel (üle A3 või A1 vastavalt) ja kiirel jahutusel temperatuurini, mis on 50 – 1000C alla temperatuuri A1. Sellel temperatuuril teras hoitakse kuni täie austeniidi lagunemiseni, tavaliselt isotermlõõmutuse tulemusena terases tekib teralise perliidiga struktuur. Võrreldes tavalise lõõmutusega on selline operatsioon ekonoomsem ja hasti kontrollitav. Eriti head tulemused see annab legeerteraste korral.
Aeglane jahutus ahjus lõõmutamisel teeb seda operatsiooni madaltootlikuks ja energiakulukaks. Võimaluse korral tuleb asendada seda normaliseerimisega, kus ahi kasutatakse ainult metalli kuumutamiseks, jahutus teostatakse aga õhus, ahjust välaspool. Madalsüsiniku legeerimata teraste korral normaliseeritud ja lõõmutatud seisus on mehaaniliste ja tehnoloogiliste omaduste vahe tühine, mistõttu need on soovitav just normaliseerida aga mitte lõõmutada. Kesksüsinikuteraste korral (0,3 – 0,5%C) on see vahe tundlikum ja normaliseerimisega ei saa asendada lõõmutamist. Kuid ka sellel juhul normaliseerimist kasutatakse palju kallima kaheastmelise (karastus + noolutus) terase parenduse operatsiooni asendamiseks. Võrreldes lõõmutatud seisuga on normaliseeritud teras sellel korral suurema tugevusega, kuid võrreldes parendatud seisuga jääb alla sitkuse ja plastsuse poolest. Üldjuhul kasutatakse normaliseerimise kui tegemist on madalkoormatud detailidega, vastutusrikaste detailide korral kasutatakse siiski terase parendamist.

Terase tsementiitimine

Tsementiitimiseks nimetatakse terase pinnakihi rikastumine süsinikkuga difusiooni teel. Eesmärgiks on kõva ja kulumiskindla pinna saamine koos pehme ja sitke südamikuga. Tsementiitimiseks ettevalmistatud detailid on lihvimise töötlemisvaruga 0,05-0,10 mm. Kasutatakse madala süsinikkusisaldusega (0,1-0,2 %C) terased, reeglina legeeritud, sest tsementiitimise protsessi enda maksumus kaugelt ületab materjalimaksumust, omadused aga tsementiiditud legeeterastel on tunduvalt parem.
Tsementiiditud pinnal tekkib 0,5-2,5 mm paksusega kiht. Süsinikkusisaldus muutub 1,0 % pinnal kuni 0,5 %C sügavusel umbes 1 mm. Kõvaduse saamiseks peale tsementiitimist tehakse karastamine ja madal noolutus.
Kasutatakse kaks tsementiitimise varianti: tahkes ja gaasilises keskkonnas (karburisaatorites).
Tahke tsementiitimine teostatakse teraskastides, kuhu pannakse detailid koos karburisaatoriga. Kastid kaetatakse kaantega, mida tihendatakse saviga ja paigutatakse ahju. Karburisaatoriteks kasutakse puusüsi (parem tamme või kasepuust), millele lisatakse 10-30 % süsihappe soolasid BaCO3, Na2CO3 ( sooda ), K2CO3 ( potas ). Soolad aktiviseeruvad karburisaatorit, moodustades temperatuuril 930 – 950 0C süsihapegaas, mis omajärgi muutub söe pinnal süsioksüüdiks: BaCO3  BaO + CO2; CO2 + C  2CO; 2CO CO2 + Cat. Aktiivne atomaarsüsinik difundeerub -raua kristallvüresse. Protsess temperatuuril
930 – 950 0C kestab 10 ja rohkem tundi, mille jooksul tekkib tsementiiditud kiht paksusega ligi 1 mm.
Gaasiline tsementiitimine teostatakse metallsetes konteinerites, mida täitakse tsementiiditava gaasiga . Gaas valmistatakse spetsiaalsetes gaasigeneraatorites. Selleks kasutakse erinevad gaasilused süsivesinikud: metaan , etaan, propaan , butaan. Nende dissotsieerumisel tekivad tsementiiditavad segud, mis sisalduvad CO ja atomaarne süsinik. Ahi töötab pidevas reziimis- ühest konteineri otsast laetakse tsementiiditavad detailid, teisest võetakse nad välja. Kuna gaasilisel tsementiitimisel ei ole vaja kuumutada karburisaator ja kastid, siis protsessi kiirus on suurem; 1 mm paksune tsementiiditud kiht moodustub 6-7 tunni jooksul.
Süsinikku jaotus pinnakihis on ebaühtlane: pinnal moodustub üleeutektoidne terasstruktuur perliidist ja sekundaartsementiidist mis sisaldab 0,8-1,2 %C, sügavamal see muutub puhtperliitseks struktuuriks 0,8 %C, põhimetalli poole perliiti sisaldus väheneb, ilmneb ferriit ja struktuur sujuvalt muutub eeleutektoidseks nagu ta on põhimetallis. Pikka seisutuse tulemusena kõrgel temperatuuril kasvab metallitera nii tsementiiditud kihis kui ka põhimetallis, eriti pärilikult jämeteralistes terastes. See võib negatiivselt mõjutada terase väsimus- ja löögiomadustele.
Protsessi lõppoperatsiooniks on termiline töötlemine. Sõltuvalt kasutatud terasest ja detailile esitatavatest nõudmistest kasutatakse kolm peamist termotöötlemise viisisi, joon. 20.2.
Tavalised , mitte eriti vastutusrikkad detailid karastatakse otsekohe peale tsementiitimist, joon.20.2a. Jämeteralisest austeniidist sel juhul tekkib jäme noolutusmartensiit pinnal ja jämeteraline ferriit-perliitne struktuur südamikus. Osaliselt seda saab parandada kasutades pärilikult peeneteralisi teraseid ja vähenedes seisutus aeg tsementiitimisel. Jääkausteniidi vähendamiseks kasutatakse töötlemist külmaga peale karasttamist.
Detaili omadustele kõrgematel nõudmistel neid peale tsementiitimist jahutakse õhus, ühekordselt karastatakse temperatuurist üle A3 ja tehakse madal noolutus, joon. 20.2b. Jahutamine peale tsementiitimist peenendab metalltera, mis soodustab peeneteralise martensiiti tekkimist karastamisel.
Eriti kõrgetel nõudmistel detaili omadustele tehakse kahekordne karastus, joon. 20.2c. Esimesel- temperatuurist 30-50 0C üle A3, detaili südamikus moodustub peeneteraline ferriit-perliitne struktuur, pinnal aga laguneb sekundaarse tsementiidi võrk. Kuumutamisel teiseks karastamiseks algul laguneb martensiit, mis tekkis esimesel karastamisel, moodustades teralised (globulaarsed) karbiidid. See suurendab tsementiiditud pinna sitkust ja kõvadust. Järgneval teistkordsel karastamisel temperatuurist 30-50 0C üle A1 tekkib peeneteralise südamikuga ja martensiidi pinnakihiga struktuur.
Peale sellist termotöötlust madala läbikarastuvusega süsinikteraste südamikus on ferriit-perliitne struktuur. Suure läbikarastuvusega legeerterased aga moodustuvad südamikus sorbiitse, trostiitse või isegi martensiitse struktuuri suure tugevusega, kuid madala süsinikkusisalduse pärast see südamik jääb sitkeks ja väsimustugevaks. Nii, et sõltuvalt koostisest võib jaotada tsementiiditavad terased kahte rühma: mittetugevneva ja tugevneva südamikuga.

Terase nitriitimine

Nitriitimine on terasepiina rikkastumine lämmastikuga. Protsessi eesmärgiks on suure kõvadusega ja kulumiskindlusega pinnakihi saamine, samuti kasvab sellel pinna väsimustugevus ja korrosioonikindlus .
Nitriitimise protsess seisneb detaili kauaaegsel (kuni 60 tundi) kuumutamisel ammoniaagis kõrgel temperatuuril. Selleks kasutatakse terasmuhvlid, millest läbi lastakse ammoniaak . Temperatuuril 500-600 0C ammoniaak dissotsieerub, moodustades vesinik ja atomaarne lämmastik
NH3  3H+N
Lämmastiku aatomid difundeeruvad -raua kristallvõre, moodustades selle raua nitriidid. Suure kõvaduse terasele annavad legeerelementide nitriidid- kroomi, molübdeeni ja alumiiniumi. Nitriiditud terase kõvadus Vickersi skaala järgi ulatub kuni 1200 HV, samas, kui tsementiiditud terase kõvadus ei ületa 900 HV.
Nitriitimiseks kasutakse kesksüsinikusisaldusega legeerterased kroomiga, alumiiniumigaja molübdeeniga (vene terased 38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю), sobivad ka mõned sarnased stantsiterased (3Х2В8, 5ХНМ)
Tavaliselt nitriitimist tehakse peale detaili lõppliku mehaanilist ja termilist töötlemist-karastamist kõrgnoolutusega. Selle tulemusena detail saab suure tugevusega ja sitkusega sorbiitse struktuuri, mis säilib ka peale nitriitimist. Südamiku suur tugevus tagab seda, et kõva ja habras pealiskiht ei vaju sisse kõrgel koormusel. Kõva nitriiditud pind ei vaja järgnevad karastamist nagu tsementiitimisel. Selles on suur nitriitimise eelis tsementiitimisega võrreldes.
Nitriiditud kihi paksus on tavaliselt 0,3-0,6 mm. Madala nitriitimise temperatuuri tõttu (500-600 0C) on lämmastiku difusiooni temperatuur tunduvalt madalam (alla 0,01 mm/tunnis) kui süsinikku difusioon tsementiitimisel. Tulemisena on ka nitriitimise kestus pikkem - kuni 60 tundi.
Tsementiitimisega võrreldes on nitriitimisel teatud eelised ja puudused. Eelisteks on suur pinnakõvadus ja kulumiskindlus, need omadused säilivad ka kuumutusel kuni 500 0C. Pinnakihis on kõrged survepinged, mis soodustab detaili väsimustugevust. Nagu juba mainitud peale nitriitimist ei vaja teha karastamist, mis vähendab võimalike karastusdefekte ilmumist. Nitriiditud pind on korrosioonikindel.
Peamiseks puuduseks nitriitimisel on protsessi suur kestus ja (erinevalt tsementiitimisest) kasutavate legeerteraste kallidus. Selle pärast kasutatakse nitriitimist ainult vastutusrikaste, raskkoormatud detailide valmistamiseks, millest nõutakse pinna kõrge kvaliteet.

Terase termomehaaniline töötlemine (TMT).

Termomehaanilisel töötlemisel terase omadused saadakse plastse deformatsiooni ja termilise töötlemise koosmõjul. Tehnoloogia põhimõte seisneb deformeeritud austeniidi karastamises, mille tulemusena tekib peeneteraline martensiit kõrgemate mehaaniliste omadustega võrreldes tavalisel karastamisel tekiva martensiidiga.
Kasutatakse kahte TMT tehnoloogiat, joon. 21.1. Kõrgtemperatuurilisel termomehaanilisel töötlemisel (KTMT, high-temperature thermomechanical treatment) austeniiti plastne deformatsioon teostatakse üle temperatuuri A3, mis on tunduvalt kõrgem, kui rekristalliseerimistemperatuur. Madaltemperatuurilisel termomehaanilisel töötlemisel (MTMT, ausforming) deformeeritakse austeniit, mis on alajahutatud temperatuurini 500-600 0C. Mõlema deformeerimisviisi järgi detail karastatakse ja noolutakse. Teras tugevneb nii martensiidi tekkimise tulemusena, kui ka austeniidi kristallvõre moonutuse pärast, mis osaliselt (KTMT) või täiesti (MTMT) jääb tekkinud martensiidisse.
TMT tüüpiliseks viisiks on madaltemperatuurne protsess, sest see teostatakse allpool rekristalliseerimistemperatuuri ja järelikult karastatakse deformeeritud ja kalestunud austeniit. Maksimaalse tugevuse saamiseks kasutatakse suured deformeerimisasted- 80-90 %. Kuid aga metalli temperatuur ja plastsus on maadalad, siis selleks deformeerimiseks vaja kasutada suured jõud, mis tekitab tehnoloogilisi raskusi.
Kõrgtemperatuursel TMT kohe peale deformeerimist terases algavad rekristalliseerimise protsessid: algul taastuvad esialgsed terad, siis hakkab terakasv (vt. 1, lk.63). KTMT maksimaalse effekti saab juhul, kui karastamine tehakse otsekohe peale esimese rekristalliseerimise staadiumi, kui austeniidi terad on veel peened. Siis tekkib peeneteraline martensiit, mis on sama tugevuse näitajatega nagu tavaliselt karastatud teras, kuid peale noolutamist on madalama külmhapruse lävega võrreldes sellega. Eriti suurt vahet saavutakse kõrgtugevate teraste korral, efekti saamiseks aitab deformeerimist 30-40 %. Tavalisega termotöötlusega võrreldes tugevus kasvab 10-20 % , plastsuse ja sitkuse näitajad aga 1,5-2 korda.
Kõrged mehaanilised omadused TMT kasutamisel on terase spetsiifilise struktuuri tulemus. Deformeerimine moodustab austeniidis suur dislokatsioonide tihedus, enne karastamist terades tekib polügoniseerimine, vt.1, lk.62, mille tulemusena ühe märgiga dislokatsioonid koonduvad “seintesse”, moodustades dislokatsioonovabad polügonid. Selline dislokatsiooni struktuur jääb ka peale karastamist martensiiti. Terade sees polügonid takistavad dislokatsioonide liikumist ja tugevus kasvab. Sama aeg polügoni sees dislokatsioonid ei ole fikseeritud ja võivad pinge mõjul ümberjaotuda, mis toob kaasa kohalike pingete plastse relakseerimise ja sellega metalli sitkuse ja plastsuse kasvu.
Ülaltoodust nähtub, et mõlemal TMT viisil algul tehakse terase plastne deformeerimine, selle järel termotöötlus- karastamine ja madal noolutus temperatuuril 100-200 0C. Kuid mehaaniliste omaduste parandamiseks võib teha ka vastupidi- algul moodustada metallis termilise töötlemisega sobilik struktuur ja siis selle deformeerimisega saavutada kõrged omadused. Üheks nendest moodustest on ülevalpool arutatud patenteerimine- kõrgtugeva traadi saamise meetod, kus kõrgsüsinikuterase austeniseerimisega moodustatakse plastne struktuur ja pärast selle deformeerimisega saadakse kõrged tugevuse näitajad.
Teiseks selliseks mooduseks on nn. marforming, mis seisneb karastatud terase plastses deformatsioonis. Tugev ja madalplastne martensiit lubab kasutada ainult väikesed deformeerimise asted. Kuid siiski deformeerimisel ainult 3-5 % terase tugevus kasvab kuni 10-20 %. Selline tehnoloogiline võte leiab kasutamist lihtsa kujuga ekstreemse tugevusega terasdetailide valmistamisel.
Allolevas tabelis tuuakse kõikide arutatud terase tugevdamise meetodite kvalitatiivsed tulemused.
Tabel 21.1Terase termotõõtluse mõju mehaanilistele omadustele
Termotöötlemise viis
Tugevus
Plastsus
Sitkus
Lõõmutus
Normaliseerimine
Parendamine
KTMO (ausforming)
MTMT (ausforming)
Marforming
Väikseim
Keskmine
Keskmine
Suur
Suurim
suurim
Suurim
Suur
Suur
Suur
Väikseim
Väikseim
Keskmine
Suur
Suurim
Suurim
Keskmine
Väikseim

LEGEERTERASTE TERMOTÖÖTLEMINE

Legeerterasteks nimetakse neid teraseid, milles teiste, peale raua, keemiliste elementide sisaldus ületab keskmise süsinikterastes, so. Mn 0,3- 0,7 %, Si 0,2- 0,4 %, P 0.01- 0,05 % S  0,01-0,05 %. Peale nimetatud võib süsinikteras minimaalselt sisaldada lahustunud gaase - nagu hapnik, vesinik ja lämmastiku, või juhuslike lisandeid nagu vask, tsink , tina või teised metallid, mis sattuvad sellesse koos vanarauaga. Vajaduse korral, näiteks terastes, mida kasutatakse tuumatehnikas, piiratakse rangelt värviliste metallide sisaldust, kuna nemad tuumakiirituse mõjul kutsuvad esile terase paisumise.
Kõige rohkem suurendavad läbikarastuvust kroom , nikkel , molübdeen ja mangaan. Seetõttu kasutatakse neid legeerimiseks kõige sagedamini. Eriti positiivselt mõjutab läbikarastuvust legeerimine mitmete komponentidega korraga, näiteks kroomi ja nikliga. On väga efektiivne kroomnikkelteraste legeerimine molübdeeniga.
Omapäraselt mõjutavad läbikarastuvust elemendid, mis moodustavad tugevaid, rauas raskesti lahustuvaid karbiide nagu titaan , vanaadium , nioobium ja teised (karbiidi tugevusest ja inertsusest vt. 5, lk.11). Tavaliselt kasutatavatel karastustemperatuuridel nende karbiidid ei lahustu austeniidis ja mõjudes nagu perliidi tekkimise keskmed vähendavad läbikarastuvust. Kõrgetel (üle 1000 0C) temperatuuridel aga nemad juba lahustuvad austeniidis ja suurendavad terase karastuvust.
Samuti omapärane on boori mõju karastuvusele. Koguses 0,002-0,006 % suurendab boor läbikarastuvust. Arvatakse, et siis boor kontsentreerub austeniiditerade piiridel ja sellega takistab perliidi tekkimist. Suuremal kontsentratsioonil boor enam ei lahustu täiesti austeniidis, moodustab iseseisvad ühendid - boriidid, mis soodustavad perliidi teket, ja sellega vähendab läbikarastuvust.
Legeerelementide mõju martensiitmuutusele. Suurem osa legeerelementidest alandab martensiitmuutuse algtemperatuuri ja sellega suurendab jääkausteniidi kogust, mis fikseeritakse terases peale karastamist. Näiteks 5 % mangaani puhul ei saa karastamisega üldse fikseerida martensiitstruktuuri ja teras jääb austeniitseks ka peale karastamist. Räni ei muuda martensiiditekke temperatuuri, koobalt ja alumiinium aga suurendavad seda.
Oluliseks on legeerimise mõju terasuurusele, kuna sellest sõltuvad terase väsimus- ja dünaamilised omadused. Karbiide mittemoodustavad elemendid (nikkel, koobalt, vask, räni) mõjutavad suhteliselt vähe austeniiditera suurust. Vastupidi kroom, molübdeen, volfram, vanaadium ja titaan peenendavad tugevasti tera (elemendid on nimetatud nende peenendamise mõju järjestikus). See vahe on otseselt seotud legeerelementide karbiidi ja nitriidi tugevusega. Austeniidis mittelahustatud karbiidid takistavad austeniiditera kasvu, mistõttu teras nendega jääb peeneteraliseks ka kõrgetel karastustemperatuuridel.
Martensiidis lahustatud elemendid aeglustavad selle lagunemist noolutusel, kuna see on seotud karbiidide moodustamisega, viimane aga võib toimuda ainult difusiooni teel. Selle tulemusena on legeerteraste noolutus vaja teha kõrgemal temperatuuril ja suurema kestusega süsinikterastega võrreldes. Eriti tugevalt selles mõttes mõjuvad karbiidimoodustavad elemendid- titaan, vanaadium ja volfram.
Nagu juba eespool mainitud legeerteraste noolutusel ilmneb neil defekt, mida nimetatakse noolutusrabeduseks, selle tulemusena langeb oluliselt terase sitkus. I liiki noolutusrabedus ilmneb noolutustemperatuuril ligi 300 0C nii süsinik- kui legeerterastel. See on seotud martensiidi ebaühtlase lagunemisega tera sees ja terapiiril, mille kutsub esile kas madal noolutustemperatuur või väike kuumutuse kestus. II liiki noolutusrabedus on omane ainult legeerterastele, see ilmneb noolutamisel 500-550 0C metalli aeglasel jahtumisel. Kiirel jahutusel sitkus ei vähene vaid kasvab monotoonselt kogu noolutuse temperatuuri intervallis.
I liiki rabeduse vältimiseks võib kasutada kas kõrgema noolutustemperatuuri või kauemat hoidmist sellel. II liiki rabeduse põhjuseks loetakse fosfori kontsentreerumist tera piiridel metalli aeglasel jahtumisel. Terase legeerimine molübdeeniga 0,2-0,3 % või volframiga 0,6-1,0 % vähendab selle tundlikkust II liiki rabeduse suhtes.

Konstruktsiooniterased

Suurema kasutuse masinaehituses leiavad nn. normaal - ja kõrgendatud tugevusega (vastavalt Rm 750 ja  1000 N/mm2) madala- ja kesksüsinikusisaldusega terased, mis reeglina sisaldavad kuni 5 % legeerelemente.
Madalsüsinikterased (0,1-0,3 %C) kasutatakse kõrgtugevdatud seisus peale karastamist ja madalnoolutust. Saadav struktuur (sõltuvalt koostisest) on madalsüsinikmartensiit või beiniit. Suur tugevus nendes on kooskõlas hea plastsuse ja sitkusega, väikese tundlikkusega pingekontsentraatoritele, suure takistusega prao kasvuks.
Madalsüsinikteraste funktsionaalne kutsumus on nende kasutamine tsementiiditud (nitrotsementiiditud) seisus. Peale pinna rikastamist süsinikuga, karastamist ja madalnoolutust on neil koos suure pinnakõvadusega 58-62 HRC, sitke südamik suure vastupanuga löök- ja väsimuskoormustele.
Tsementiiditud teraste töökindlus sõltub pinnakihi ja südamiku omadustest. Võrdse pinnakõvaduse korral määrab töökindluse südamiku tugevus. Sellest lähtudes liigitatakse tsementiiditavad terased kahte grupe: mittetugevdava ja tugevdavaga südamikuga.
Kroom - 15X, 20X, kroomvanaadium - 15XФ või kroomboor - 20XP on odavad, normaaltugevusega terased , mis peale ühekordset karastamist ja noolutamist saavad trostiit või beiniitstruktuuri ja kasutatakse väiksete mõõtmetega detailide (kuni 25 mm) valmistamiseks, mis töötavad koormustel kuni 750 N/mm2.
Kroomnikkel - 12XH3A, 20XH3A, 12X2H4A, 20X2H4A on tugevdava südamikuga tsementiiditavad terased, mis peale kahekordset karastamist ja noolutamist saavad ristlõikes kuni 100 mm martensiit-beiniit struktuuri tugevusega üle 1000 N/mm2. Vastavalt kasutakse neid raskkoormatud detailide valmistamiseks.
Kroommangaanterased titaaniga - 18XГT, 30XГT või molübdeeniga 25XГM on ettenähtud kallimate nikkelteraste asendamiseks, peeneteralised, kuid väiksema läbikarastuvusega (kuni 30-60 mm). Nad ületavad nikkelteraseid tugevusega kuid jäävad alla sitkuse poolest. Neid kasutatakse suursari- ja masstootmisel (autotööstus) hammasrataste valmistamiseks.
Tabel 22.1 Tsementiiditavate teraste termotöötuse reziimid ja mehhaanilised omadused.
Teras
Temperatuur, 0C
Mehhaanilised omadused
Karastus
Nool .
Rm
Rp0,2
A
Z
KCU, J
MJ/m2
I
II
N/mm2 %
15X
15X
30XГT
25XГM
12XH3A
12XH4A
860
880
880
860
860
860
770
760
850
760
760
180
180
200
200
180
180
700
750
1500
1200
950
1150
500
550
1300
1100
700
950
12
13
9
10
11
10
45
50
40
45
55
50
0,7
0,8
0,6
0,8
0,9
0,9
Keskmise süsinikusisaldusega (0,3-0,5 %C) terased saavad optimaalsed omadused peale karastamist ja kõrgnoolutust (500-650 0C). Parendamine tagab suure tugevuse koos plastsuse ja sitkusega, hea vastupanu prao kasvule. Peale selle parendus vähendab oluliselt ka külmhapruse läve, mis legeerterastel on kõrgematel temperatuuridel süsinikterastega võrreldes.
Kuna parendatavaid legeerteraseid kasutatakse ühelt poolt detailide valmistamiseks, mis töötavad väga erinevatel koormustel, teiselt aga on see teraste grupp väga mitmekesine , siis valikukriteeriumid nende kasutamisel peavad arvestama mitmeid, tihti vastuolulisi nõudmisi. Terase töökindluse tagavad kõrge voolavuspiir , sitkus, madal tundlikkus pingekontsentraatoritele, olulised on ka külmhapruse lävi ja väsimuspiir. Seda kõike võib tagada ainult läbikarastuvus, mis vastab detaili suurusele. Selle pärast on läbikarastuvus tähtsaim kriteerium terase valikul. Tuleb arvestada, et erineva koostisega terased saavad peale parendust ligilähedased staatilised ja dünaamilised omadused, kuid nad erinevad oluliselt töökindluse ja läbikarastuvuse poolest, mida on hästi naha andmetest, mis on toodud allolevas tabelis.
Tabel 22.2 Mõnede parendatavate legeerteraste termotöötlusreziimid ja mehhaanilised omadused
Teras
Karast.
temp
0C
Noolutus
Rm
Rp02
A
Z
KCU
MJ/m2
D50
mm
Tü Ta
Temp.
0C
Jahutus
keskkond
N/mm2
0C
Vähemalt
40X
50X
30XГCA
40XH
40XHMA
38XH3MA
860
830
880
820
850
850
500
520
540
500
620
600
Vesi
Min. õli
sama
sama
sama
Õhk
1000
1100
1100
1000
1100
1200
800
900
850
800
950
1100
10
9
10
11
12
12
45
40
45
45
50
50
0,6
0,4
0,5
0,7
0,8
0,8
15-20
15-20
40-50
40-50
100
100

-100

-60

-60
-30 -100
-40 -120
-60 -140
Nagu tabelist on näha, vaatamata nimetatud teraste koostise suurele erinevusele, on nad kõik on sarnaste tugevuse, plastsuse ja sitkuse näitajatega. Erinev on nende külmhapruse lävi (Tü-ülemine, Ta-alumine) ja läbikarastuvus.
Kroomterased 30X, 40X, 45X, 50X on odav konstruktsioonimaterjal. Süsinikusisalduse suurendamisel kasvab neis tugevus, kuid vähenevad plastsus ja sitkus. Kroomteraste kalduvus noolutusrabedusele nõuab kiiret jahutust peale noolutamist. Terased karastuvad sügavusele 15-20 mm ja kasutatakse 30 – 40 mm. suurusega detailide valmistamiseks, mis töötavad väikeste löökkoormuste tingimusis.
Kroommangaanräniterased 30XГCA ja analoogsed sisaldavad 1 % Cr, Mn ja Si, on odavad heade mehaaniliste ja tehnoloogiliste omadustega terased. Keevituvad kõikide keevitusviisidega, hästi stantsitavad ja lõigatavad, karastuvad ristlõikes kuni 30-40 mm. Neid kasutatakse laialt masstootmisel - auto- ja põllumajandusmasinate ehituses: võllid, raamid , roolisüsteemid, keeviskonstruktsioonid.
Kroomnikkelterased 40XH, 45XH, 50XH karastuvad ristlõikes 40-50 mm. Tänu nikli lisamisele on nad erinevalt kroomterastest laiema sitkuse diapasooniga, hea vastupanuga haprale purunemisele. On suure kalduvusega noolutusrabedusele, vajavad kiirjahutust peale noolutust (vesi, min.õli), kuid detaili suure läbimõõdu korral isegi see ei aita.
Mitmekomponentsed 40XHMA, 38XH3MA on suure läbikarastuvusega kõrgkvaliteetsed terased, mida kasutatakse raskemasinaehituses detailideks läbimõõduga üle 100 mm. Selle teraste grupi tunnuseks on rasksulametallidega legeerimine (Mo, W, V), mis vähendab kroomnikkelteraste kalduvust II liiki noolutusrabeduseks. Karastuvad õhus, väikese tundlikkusega hapraks purunemiseks, töötavad hästi löökkoormusel ja madalatel temperatuuridel.
Kõrgtugevad legeerterased tugevuspiiriga Rm1500 N/mm2 koos suure takistusega hapraks purunemiseks leiavad üha suuremat kasutust kaasaegses tehnikas raskelt koormatud mehhanismides. Erinevalt tavalistest konstruktsiooniterastest, tehakse neist valmistatavate detailide tugevusarvutus mitte voolavuspiiri RP0,2 järgi, vaid pinge intensiivsuse teguri K1C järgi, mille abil leitakse detaili maksimaalne lubatav defekt. Konstrueerimisel on samuti vaja täita mõned tehnoloogilised nõudmised: ette näha detailide minimaalne pinnakaredus, vähendada pingekontsentraatorite mõju jt.
Põhimõtteliselt suure tugevuse saamiseks võib kasutada järgmist:
1) mitmekomponentsed kesksüsinikterased peale madalat noolutust või termomehaanilist töötlemist; 2) martensiitvananevad terased; 3) metastabiilsed austeniitterased (tripterased).
Kesksüsinikterased (0,3-0,4 %C) sisaldavad reeglina kroomi ja mangaani - läbikarastuvuseks, 1,5-3 % niklit - sitkuse ja madala külmhapruse saamiseks, molübdeeni, volframi või vanaadiumi - karbiidimoodustajaid ja tera peenendajaid, fosforit ja väävlit alla 0,01 %. Tüüpiline termotöötlus on isotermkarastus 900 0C ja madalnoolutus 200 0C. Kahe kõrgtugeva terase omadused tuuakse allolevas tabelis 22.3. Näit Rmp tähendab tugevuspiiri, mis on saadud tõmbeteimikul praoga, so maksimaalselt terava pingekontsentraatoriga.
Tabel 22.3 Kõrgtugevate teraste mehhaanilised omadused.
Teras
Rm
Rmp
A
Z
KCU
K1C
N/mm2
MJ/m2
MPa/m
30XГCHA
40 XГCH3BA
1850
2000
1670
1200
13
11
50
43
0,55
0,45
60
45
Nimetatud teraseid kasutatakse näiteks lennukikere keeviskonstruktsioonides, šassiides ja teistes raskeltkoormatud vastutusrikastes mehhanismides.
Termomehaaniline töötlemine (TMT) ühistab kaks tugevdamise mehhanismi - austeniidi plastne deformatsioon ja karastamine – ühes tehnoloogilises protsessis. Selle põhimõte on kirjeldatud eespool, vt. p.21. Kesksüsiniklegeerteraste 30XГCA, 40XH, 40XHMA, 38XH3MA korral annab TMT kasutus tugevuspiiri Rm= 2000-2800 N/mm2, mis on 200-300 N/mm2 rohkem sama teraste tavalise termotöötlusega võrreldes, küllaldase plastsuse ja sitkuse (KCU = 1,0 – 1,5 MJ/m2) juures. Oluline TMT kasutamisel on see, et kasvab kogu mehhaaniliste omaduste kompleks ja eriti plastsus ja sitkus, mis on väga tähtis kõrgtugevate teraste korral.
Martensiitvananevad terased on kõrgtugevate materjalide liik, mis kaugelt ületab ülalmainutud kesksüsinikterased, vt. 5, lk. 30-31. Nende aluseks on süsinikuvaba
(C 0,03 %) raud-nikkel sulam (10-25 %Ni), mis on legeeritud Co, Mo, Ti, Al, Cr ja teiste elementidega. Sulami tugevus saavutatakse kahe mehhanismi koosmõjul: martensiit   muutus karastamisel ja saadud martensiidi vanandamisel. Nikkel alandab  muutuse temperatuuri nii, et isegi jahutusel õhus toimub see martensiitmehhanismi teel. Kõik legeerelemendid lahustuvad seejuures rauas ja karastamisel jäävad martensiiti. Karastamine temperatuurilt 800-860 0C õhus fikseerib üleküllastatud legeerelementidega süsinikuvaba martensiidi. Selle vanandamine temperatuuril 480-520 0C tekitab struktuuris ultrapeened (alla nanomeetri ) intermetalsed faasid - Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo ja teised.
Tänu madalale süsinikusisaldusele terases puuduvad haprad karbiidid, peened intermetalliidid aga ei takista dislokatsioonide liikumist. Tulemusena tekib sulam suure tugevuse (Rm 2000 N/mm2) ja sitkusega (KCU0,5 MJ/m2). Voolavuspiiri poolest ületavad martensiitvananevad terased kõik konstruktsiooniterased (R P0,2 1200 N/mm2), on väga tehnoloogilised: suure läbikarastuvusega, hea keevitatavusega, kergesti deformeeritavad. Nende iseärasuseks on suur tugevus koos anomaalselt kõrge sitkusega. Vaatamata kallidusele kasutatakse neid kõige vastutusrikkamates töötingimustes: lennuki- ja raketitehnikas, tõstetranspordis jne.
Metastabiilsed austeniitterased (tripterased) on uus teraste liik, kus kasutatakse spetsiifilist tugevdamise mehhanismi - deformatsioonkarastust. Selleks kesksüsinikusisaldusega (0,25-0,30 %C) terased suure nikli- ja mangaanisisaldusega karastatakse temperatuurilt 1000-1100 0C, mille tulemusena moodustub austeniitne struktuur suure sitkusega. Karastamisel austeniit kaotab osa selles olevast süsinikust ja legeerelementidest, millest tekivad karbiidid. Tulemusena austeniit muutub ebastabiilseks, kalduvusega muutuda martensiidiks jahutusel keskkonnas natuke alla 0 0C või plastsel deformatsioonil. Sellele järgneb plastne deformeerimine suure deformatsiooniastmega (50-80 %) temperatuuril 400-600 0C, mis on alla rekristalliseerimise temperatuuri. Deformatsiooni käigus austeniit muutub martensiidiks, sellele lisandub veel metalli kalestumine. Lõpptulemusena terase voolavuspiir ulatub 1800 N/mm2, plastsus A = 20 %, praokindluse tegur K1C > 100 MPam, mis on väga kõrged näitajad. Tripteraste valmistamine on seotud võimsate presside kasutamisega, kuna teostatakse külmdeformatsiooni kaudu. Selle tõttu, seda liiki materjale kasutatakse reeglina lihtsa kujuga detailide valmistamiseks: soomusplaadid, trossitraat jne.
Kolme ülalmainitud kõrgtugevate teraste omaduste suhe on toodud joonistel 22.3 ja 22.4. Nendest nähtub, et võrdse tugevuse juures austeniitterased ületavad kaugelt parendatavaid legeerteraseid töökindluse poolest (suur purunemistegur K1C joon. 22.3). Samuti on jooniselt 22.4 selgelt näha, et kesksüsinikteraste termomehaaniline töötlemine ei võimalda saada nendes plastsuse näitajat A üle 10 %. Just selle poolest teised kõrgtugevad terased on oluliselt parema plastsuse ja tugevuse suhtega.

Mõningate eriteraste termotöötlemise küsimused

Vedruterased. Vedrud (ressoorid, membraanid , torsioonid) töötavad ainult elastsete deformatsioonide piirkonnas, nende plastne deformatsioon on lubamatu. Seetõttu nõutakse vedrumaterjalilt kõrget elastsus- ja väsimuspiiri, plastsus ja sitkus aga rolli ei mängi. Vedru elastsus saavutatakse peale karastamist ja noolutust 300-400 0C juures, just sellel temperatuuril tekib terases tekib, mida iseloomustab maksimaalne elastsuspiir, joon. 22.7. Vedrude valmistamiseks kasutakse teraseid 0,5-0,7 %C, mida legeeritakse odavate räni ja mangaaniga, või, vastutusrikaste vedrude korral, kroomi või vanaadiumiga. Tüüpiliste vedruteraste termotöötlus ja saadavad omadused tuuakse tabelis 22.6.
Tabel 22.6 Vedruteraste termotöötuse reziimid ja omadused.
Terase mark
K a r a s t u s
Noolutus, T0C
Kõvadus HB
T,0C
Keskkond
50С2
60С2
50ХФА
60С2Х2
870
870
850
870
Min. õli, vesi
Min. õli
Min. õli
Min. õli
460
460
520
420
365-410
390-480
390-480
420-475
Kuullaagriterased. Kuullaagriteraste tööd iseloomustavad suur kontaktpinge ja tsükliline koormus, mis nõuab materjalilt suurt kõvadust ja väga ühtlast mikrostruktuuri, milles on lubamatud pehmed struktuuriosad (jääkausteniit, juhuslikud lisandid). Kõvaduse saamiseks sisaldavad laagriterased kuni 1,0 %C, kroomi, mangaani ja räni. Karastamine temperatuurilt 830-840 0C tehakse õlis, noolutamine 150-160 0C 1-2 tundi annab peeneteralise noolutusmartensiidi ühtlaselt jaotatud karbiididega kõvadusega mitte vähem kui 62HRC. Mida suuremad on laagri kuulid (rullid), seda suurem on terase legeerimine; vastavalt teras ШХ6 - 9-10mm, ШХ9 - 14-15 mm, ШХ15 - 35-40mm, ШХ15СГ - üle 40 mm. Suure kõvaduse pärast kasutatakse tihti kvaliteetseid kuullaagriteraseid külmstantsiterastena (kuid vastupidine asendamine on lubamatu).
Kulumiskindlad mangaani (Hadfieldi) terased. Peamisteks kulumise liikideks on abrasiivne, erosiooni, kulumine hõõrdepaarides ja löökkulumine.
Abrasiivkulumine on tingitud kõvade abrasiiviosakeste (näiteks liiva) mikrolõikamise mõjuga kuluvale pinnale. Kulumise vähendamist võib saavutada suurendades materjali kõvadust, optimaalselt nii, et see oleks suurem kui abrasiivi oma. Kuid reeglina kõik abrasiivid on ülimalt kõvad (HV 1100-1200), mistõttu isegi terase karastamine on väheefektiivne. Lahenduseks võib olla metalli pindamine spetsiaalsete kõvade katetega (pihustamisega, pealesulatamisega, pealekeevitamisega jne), selleks on väljatöötatud spetsiaalsed sulamid , seadmed ja tehnoloogia, vt.1-II, lk. 187-190.
Erosioonkulumine tekib vedeliku- või gaasivoo mõjul metallpinnale. Põhimõtteliselt on see metalli kohalik väsimus ja purunemine korduvate mikrolöökide tulemusel (laevakruvid, hüdro- ja gaasiturbiinilabad, torustik, armatuur jne.).
Kulumine hõõrdepaarides sõltub paari hõõrdetegurist, määrimisest, erisurvest ja teistest teguritest, mille arutlemine on väljaspool metallide termotöötlemise temaatikast.
On liik, kus metall kulub korduvate löökide ja kohaliku plastse deformatsiooni mõju tulemusena. Nendes tingimustes töötavad sellised detailid nagu raudtee rööbaste ristid , roomemasinate roomikute lülid, kivipurustite lõugad, ekskavaatori koppade hambad, buldooserite noad jt. Nende valmistamiseks kasutatakse suure süsiniku ja mangaanisisaldusega terast 110Г13Л (X120CrMn12)- 1,1-1,3 %C, 12-13 %Mn. Teras kasutatatakse valatud olekus. Selles seisus terase struktuur koosneb austeniidist ja raua-mangaani komplekskarbiididest (FeMn)3C. Kuumutamisel karbiidid lahustuvad austeniidis ja peale karastamist temperatuurist 1100 0C vette teras saab puhtalt austeniitse struktuuri madala kõvadusega 200 HB. Terase erinevus on selles, et plastsel deformatsioonil austeniit anomaalselt tugevasti kalestub, saades kõvaduse 50-55 HRC. Selles seisus kasvab järsult terase kulumiskindlus lõõktingimustes. Terast on raske töödelda lõikamisega ja selle pärast valmistatakse detailid just valutehnoloogiat kasutades.
Roostevabaterased.Terase legeerimine kroomiga üle 12 % teeb selle korrosioonikindlaks õhus, vees ja paljudes teistes agressiivsetes keskkondades, kroomisisalduse suurenemisega kasvab ka terase korrosioonikindlus. Roostevabad terased liigitatakse kahte gruppi: kroomterased 13-28 %Cr ja kroomnikkel terased 18 %Cr ja 8-10 %Ni.
Kroomterased sisaldavad reeglina ka süsinikku 0,1-0,4 % mis võimaldab neid karastada, tõstes sellega ka terase tugevust ja kõvadust. Neid kasutatakse detailide valmistamiseks, mis töötavad agressiivses keskkonnas: noad, laagrid , vedrud jm. Süsinik mõjub negatiivselt korrosioonikindlusele, moodustades kroomiga karbiidid ja vähendades sellega kroomi osa, mis lahustub rauas. Kroomteraste termotöötlus ja saadavad omadused tuuakse tabelis 22.7. Terased 08X17T on suure korrosioonikindlusega ja kasutatakse ilma karastamiseta. Terased 15X25T ja 15X28 kasutatakse peamiselt nagu kuumuskindlaid (ahju muhvlid, termopaaride kestad ) tööks temperatuuril 1050-1150 0C.
Tabel 22.7 Roostevaba teraste termotöötluse režiimid ja mehaanilised omadused.
Terase
mark
Temperatuur,
0C
M e h a a n i l i s e d o m a d u s e d
Karast.
Noolut
(lõõm)
HRC
Rm, N/mm2
Rp0,2
N/mm2
A ,
Z,
KCU,
MJ/m2
12X13
20X13
30X13
40X13
12X17
08X17T
14X17H2
15X25T
15X28
1000
1050
1050
1050
1050
1050
700
700
250
200
750
300
750
750
40
50
600
850
1600
450
1100
450
450
400
650
1300
300
900
300
300
20
10
15-20
10
20
20
60
50
40-50
35
45
0,9
0,6
0,2-0,5
0,5
Nikli lisamisel kroomterastesse moodustub nendes ühefaasiline austeniitne struktuur, mis suurendab teraste korrosioonikindlust. Need terased ei ole ettenähtud termotöötlemiseks kõvaduse või tugevuse saamiseks ja kasutatakse ainult nagu roostevabad agressiivses keskkonnas. Selleks on nende süsinikusisaldus viidud miinimumini (reeglina alla 0,1 %). Siiski ka nii madala süsinikusisalduse korral võib terase aeglasel jahutusel (näiteks keevisõmbluses) tekitada nn. kristallidevaheline (interkristalne) korrosioon . Metalli terade piiridel süsinik moodustab kroomiga karbiid Cr23C6, see vähendab kroomisisaldust raua tardlahuses ja vähendab piiride korrosioonikindlust. Süsiniku negatiivse mõju neutraliseerimiseks legeeritakse terast aktiivsete kroomimoodustajatega - Ti, Nb, Zr, mis ise, reageerides süsinikuga, takistavad kroomi vähendamist austeniidis. Lisaks sellele on soovitav detaili karastamine peale keevitamist, vastasel korral keevisõmblus hakkab roostetama .
Klapiterased. Silkroomid kasutatakse sisepõlemismootorite väljalase klapide valmistamiseks. Sulamite kuumuskindlust tagab kõrge kroomi ja räni sisaldus nendes. Intensiivne oksüdeerumine algab järgmistel temperatuuridel:
Teras…….X6C X6CM, X7CM X9C2 X10C2M X13H7C2
T,0C……. 750 800 850 900 1000
Silkroomide termotöötlus seisneb karastamises ja noolutuses. Kuna kroom ja räni tunduvalt suurendavad faasimuutuste kriitilised punktid, siis karastamine ja lõõmutus tehakse kõrgematel temperatuuridel, kui tavalistel konstruktsiooniterastel; karastus 1000-1050 0C, noolutus 750-780 0C.