Metallide termiline töötlemine (0)

Võru Kutsehariduskeskus
Tööstustehnoloogia osakond
Metallide termiline töötlemine
Referaat
Võru khk 2013

Sisukord

Termotöötlemine 3
Termotöötlemise teooria 4
Termotöötlemise liigitus 5
Lõõmutus 7
Karastamine 9
Karastustemperatuur 10
Jahutuskeskkond 11
Karastusviisid 11
Noolutamine 12
Tsementeerimine 13
Nitreerimine 13
Tsüaneerimine 13
Malmi termiline töötlemine 14
Kasutatud kirjandus 15

Termotöötlemine

Termiline töötlemine on metalli sulamite vastavale faasi temperatuurile kuumutamise , sellel temperatuuril hoidmise ja ettenähtud kiirusega jahutamise operatsioonide tehnoloogiline protsess, mille eesmärk on materjali struktuuri muutmine vajalike mehaaniliste omaduste saamiseks (joon. 4.1)
Joonis 4.1. Termotöötlemise reziimide skeem
Faasi- ja struktuurimuutused sulamis toimuvad kindlatel kriitilistel temperatuuridel . Toorikuid töödeldakse termiliselt eesmärgiga ühtlustada nende materjali struktuuri ja vähendada kõvadust, sisepingeid , et oleks paremad töötlemise tingimused st. välditud toote kõmmeldumine – kõveraks tõmbumine ja materjali pragude tekkimine.
Detaile aga töödeldakse selleks, et anda neile vajalik pinnakõvadus, kulumiskindlus, tugevus ja tagades elastsus . Termika on tähtsamaid tehnoloogilisi protsesse metalli sulamite töötlemisel.
 

Termotöötlemise teooria

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 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. 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 jahutus- keskkonnad : vedelgaasid või krioheenseadmed. Paljudel juhtudel töötlemine külmaga stabiliseerib metalli struktuur ja omadused, seda küsimust samuti arutatakse konspekti teises osas.

Termotöötlemise liigitus

1. Faasi (struktuuri) muutuse kohaselt
a) lõõmutus
b) ehtne (I liigi) karastus
c) polimorfse muutusega (II liigi) karastus
d) noolutus
e) vanandamine
2. Detaili töödeldavate kohtade kohaselt
a) maht (ruumiline) töötlemine
b) pinna töötlemine
c) kohalik töötlemine
d) järjestikune töötlemine
3. Detaili valmistamise tehnoloogia kohaselt
a) eeltöötlemine
b) vahetöötlemine
c) lõpptöötlemine
Terase termotöötlus
Terase termotöötlus seisneb materjali kuumutamises üle tema kriitiliste temperatuuride (faasipiiride), sellel temperatuuril hoidmises ning olenevalt järgnevas jahutamise kiirusest, mil faasimuutused kas toimuvad täielikult, osaliselt või üldse ei leia aset. Selle põhjal eristatakse kahte peamist terase termotöötluse protsessi:
•    lõõmutamine (kuumutamine GSK  jooneni  700  ~ 8000 C , hoidmine ja aeglasel jahutamisel – faasimuutused toimuvad täielikult, struktuur ühtlustub ja sisepinged materjalis vähenevad minimaalseteks).     
•    karastamine (kuumutamine FSE jooneni  750 ~9000 C, hoidmine ja  kiire jahutamisega – faasimuutused ei leia aset või toimuvad osaliselt, tekivad peeneteraline struktuur ja sisepinged ).
Lõõmutamine
Karastamine
Plastsus suureneb
 Sisepinged vähenevad Survetöödeldavus paranebStruktuur peenenebLõiketöödeldavus paraneb
Kõvadus tõuseb
 Tugevus suurenebKulumiskindlus suureneb
Sitkus väheneb
Tekivad sisepinged

Lõõmutus

Lõõmutus on niisugune termotöötlemise viis, kus terast kuumutatakse üle faasimuutuse temperatuuri järgneva aeglase jahutamisega, tavaliselt koos ahjuga. Aeglane jahutamine peab kindlustama austeniidi lagunemise perliidiks. Lõõmutamine on tavaliselt esmane termotöötlusviis, mille eesmärgiks on kas kõrvaldada kuumtöötluse eelmiste operatsioonide (valamise, sepistamise jne.) defekte või valmistada struktuuri ette järgnevateks operatsioonideks (näiteks lõiketöötlemiseks või karastamiseks). Üsna sageli on aga lõõmutamine lõplikuks termotöötlemise viisiks ja seda siis, kui lõõmutatud terase mehaanilised omadused rahuldavad, s.t. pole vaja edaspidist parendamist (karastamist ja noolutamist ).
Lõõmutuse peamine eesmärk on vajalike omaduste tagamine terase ümberkristalliseerimise ja sisepingete kaotamise tagajärjel. Selleks kasutatakse difusiooon-, täis-, pool- ja madallõõmutust.
Difusioonlõõmutust e. homogeniseerimist kasutatakse eelkõige legeerterastest valuplokkide ja valandite keemilise koostise ühtlustamiseks.. Teraseid lõõmutatakse temperatuuril kuni 1100 °C, seisutusaeg 10...20 tundi. Kuumutus ja pikaajaline seisutus põhjustavad struktuuri tera tunduvat kasvamist. Seetõttu on nõutav täiendav termotöötluse operatsioon struktuuri parandamiseks (täis- või pool-lõõmutus).
Täislõõmutuse e. täieliku lõõmutuse eesmärgiks on eelkõige terase struktuuri teralisuse peenendamine ja sisepingete kaotamine. Täislõõmutusel kuumutatakse terast üle faasipiiri temperatuurile vahemikus 750…9000C olenevalt süsiniku sisaldusest piirides 0,2…0,8%. Terase ferriitperliitstruktuur muutub kuumutamisel austeniidiks ning jahutamisel tekib ümber-kristalliseerumisel austeniidist uuesti ferriit ja perliit . Sellise termotöötluse abil saadakse valamisel ja sepistamisel tekkinud jämedateralisest struktuurist peeneteraline.
1.23. Pehmelõõmutustemperatuuri valik

Karastamine

Karastamiseks nimetatakse termotöötluse viisi, mille tulemusel saadakse suure kõvadusega (kuni 65HRC) ebastabiilne martensiitstruktuur.Terase tavakarastamine eeldab järgmisi etappe :

• terase kuumutamine üle faasipiiride Ac1 (pool­karastus) või Ac3 (täiskarastus), et tagada lähtestruktuuris vajaliku austeniidi teke
  
• seisutamine sellel temperatuuril, et kogu detaili ulatuses oleks antud temperatuurile vastav homogeenne struktuur
  
• jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida austeniidi lagunemist (ferriidi ja tsementiidi) teket
  

Süsinikteraste karas­tus­temperatuuri valikul on aluseks Fe-Fe3C faasi­ diagrammi teraste osa (vt. joonis 3).
Joonis 12. Teraste karastustemperatuur (allikas: Hendre, E. jt. Materjalitehnika )
Selle järgi valitakse väikese süsiniku sisaldusega (0,3...0,8% C) teraste karas­tus­temperatuur 30...50 °C üle faasipiiri Ac3 ehk tehakse täiskarastus, suurema süsinikusisaldusega (> 0,8%) terastel 30...50 oC üle Ac1 ehk tehakse poolkarastus. Karastades viimaseid üle faasi­piiri Acm (s.o. täiskarastus), võib kõvadus hoopis väheneda ja on jämedateralise struktuuri tekke oht. See teeb karastatud terase hapraks.
Terased süsinikusisaldusega . See võib olla täielik või pindmine . Läbikarastuvus sõltub:

• jahutuskeskkonnast
  
• detaili mõõtmetest
  
• terase keemilisest koostisest (legeeritud terased karastuvad paremini)
  

Levinuim jahutuskeskkond on vesi. Kraanivesi jahutab soolade tõttu paremini kui vihmavesi . Jahutuskeskkonnana kasutatakse veel õli.
Pindkarastamist kasutatakse selleks, et tõsta detaili pinnakihi kõvadust, mis annab suure kulumiskindluse; samal ajal säilib sitke südamik, mis tagab detaili vastupanu dünaamilisele koormusele..

Karastustemperatuur

Süsinikteraste karastustus temperatuuri valikul on aluseks Fe ja Fe3C faasi-diagrammi teraste osa (sele 1.30). Selle järgi võetakse alaeutektoidteraste (0,2...0,8% C) karas-tustemperatuur 30...50 °C üle faasipiiri A^ (s.o. täiskarastus), üleeutektoidterastel (C > 0,8%) 30...50 °C üle Ac1 (s.o. poolkarastus).
Alaeutektoidteraste karastustemperatuuri vali¬kul 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 mar-tensiidi kõrval sekundaarne tsementiit, mis suuren ¬dab terase kõvadust; teisiti karastades - üle faasi¬piiri Acm (s.o. täiskarastus), on oht jämedateralise struktuuri tekke oht; see teeb karastatud terase hapraks.

Jahutuskeskkond

Levinum jahutuskeskkond on vesi. Vee jahutusvõimele avaldavad mõju selles leiduvad lisandid. Nii näiteks destilleeritud vesi või vihmavesi, mis ei sisalda sooli, jahutavad kaks kor¬da aeglasemalt kui kraanivesi. Vees lahustunud gaasid halvendavad vee jahutusvõimet, seetõttu keedetud vesi (või korduvalt kasutatud vesi) võrreldes toorega jahutab intensiivsemalt.
Õli jahutusvõime võrreldes veega on 3...4 korda väiksem. Õli kui karastuskeskkonna eeliseks on tema mittetundlikkus temperatuurile - õli jahutab ühesuguse intensiivsusega nii temperatuuril 20 °C kui ka 150...200 °C. Õli puuduseks on tema tule-ohtlikkus (süttimistemperatuur sõltuvalt õli margist on 150...320 °C piires) ja karastusvõime kadumine aja jooksul (õli pakseneb). Peale selle õli põleb ja detaili pinnale moodustub oksiidikile.

Karastusviisid

Olenevalt terase koostisest, detaili mõõtmetest ja kujust ning termotöödeldud detaililt nõutavaist omadustest tuleb valida opti¬maalne karastusviis, mis on kõige lihtsamini läbi¬viidav kuid kindlustab ühtlasi ka vajalikud oma¬dused.
Tavakarastus e. ühes keskkonnas (vannis) karastus (vees või õlis) on lihtsamaid karastusviise. Vajaliku temperatuurini kuumutatud detail jahuta -takse karastusvedelikus kuni täieliku mahajahtu-miseni. Seda viisi käsutatakse süsinik- ja legeer-terastest lihtsate detailide karastamisel.
Pindkarastamist käsutatakse selleks, et anda detaili pinnakihile suur kõvadus, mis annab suure kulumiskindluse; samal ajal säilib sitke südamik, mis ühtlasi tagab detaili vastupanu dünaamilisele koor¬musele. Sel eesmärgil käsutatakse ka termo-keemilist töötlust (tsementiitimist, nitriitimist jt.), kuid viimasega võrreldes on pindkarastus märksa kiirem.
Pinnakihi kuumutamine võib toimuda
a)    atsetüleenihapnikuleegiga,
b)    induktsioon - e. kõrgsagedusvooluga,
c)    elektrolüüdis,
d)    sulametallis või -soolas,
e)    laser - või elektronkiirega. 

Noolutamine

Terase karastamisel saavutatakse suur kõvadus, mis on ka karastuse põhieesmärk. Jahtumisel tekkivad termopinged ja martensiidi suur kõvadus tingivad karastatud terase vähese vastupanu löökkoormustele ja deformatsioonidele. Neid omadusi aga on võimalik parandada karastatud terase järgneva töötlemisega ehk noolutamisega.
Eesmärk: 1) ühtlase struktuuri saamine,
2) sisepingete kaotamine (vähendamine),
3) sitkuse, plastsuse suurendamine ,
4) kõvaduse ühtlustamine ja
5) hapruse vähendamine
Noolutustemperatuuri mõju karastatud terase mehaanilistele omadustele rakendatakse:
- madal noolutamist 150o - 250oC
- kesk noolutamist 300o - 500oC
- kõrge noolutamist 500o - 600oC

Tsementeerimine

See on metalli pinnakihi rikastamist süsinikuga. Selleks paigutatakse detailid teraskasti tsementeerimispulbrisse. Tsementeerimispulber koosneb söest ja kondijahust millesse on lisatud Na ja Ba karbonaati. Kast suletakse hermeetiliselt . Need pinnad, mis ei vaja tsementeerimist kaetakse savi või aspestiga. Kast asetatakse ahju mille temperatuur on 870…930ŗC.Hoitakse sellisel temperatuuril 6…8 tundi. Selle aja jooksul tungib süsinik 1,8…2 mm sügavusele pinnakihti ning süsiniku sisaldus pinnakihis tõuseb 0,8… 1,2%- ni . Tsementeeritud detailid kuuluvad karastamisele ja noolutusele. Tsementeeritud detailid on hästi kulumiskindlad.

Nitreerimine

Nitreerimist nim pindkihi rikastamist lämmastikuga. Nitreeritavad detailid asetatakse ahju mille temperatuur on 500…600ŗC, ahju juhitakse ammoniaaki mis laguneb seal vesinikuks ja lämmastikuks. Lämmastik difundeerub pinnakihti kiirusega 0,1 mm 10 tunni jooksul. Vesinik tuleb ahjust kõrvaldada. Nitreerimise põhipuuduseks on see, et hoideaeg ahjus on väga pikk. Nitreeritud detailid ei vaja termotöötlust säilitavad oma mõõtmed ja on puhtad. Võrreldes tsementeeritud detailidega on nitreeritud detailid kulumis- ja korrosioonikindlamad. Nitreeritud detailidel suureneb väsimustugevus.

Tsüaneerimine

Tsüaneerimine on materjali pinnakihi rikastamine nii süsiniku kui ka lämmastikuga. Selleks kasutatakse naatriumi ja kaaliumi tsüaanisoolasi. Tsüaanisoolad on väga mürgised sellepärast peab protsess toimuma hästi ventileeritud ruumides. Tsüaneeritakse madalal 500…600ŗC või kõrgel temperatuuril 830… 850ŗC. Madalal temperatuuril tsüaneerimisel rikastub pinnakiht peamiselt lämmastikuga kõrgel aga süsinikuga. Tsüaneeritud detailid vajavad karastamist ja madalat noolutamist. Võrreldes tsementeeritud pinnaga on tsüaneeritud pind on kulumiskindlam ja talub paremini tsüklilist koormust. Tsüaneerimise aeg on 1,5…6 tundi.

Malmi termiline töötlemine

Malmi töötlemise eesmärgiks võib olla sisepingete kaotamine, süsiniku väljapõletamine, omaduste stabiliseerimine ja parendamine . Valatud detailide jahtumisel tekkivad neisse sisepinged. Valupingeid saab kaotada vanandamise või lõõmutamisega. Vanandamine võib kesta 3…24 kuud. Lõõmutatakse 500ŗC 3…4 tundi. Malmi kulumiskindlust saab suurendada karastamisega. Detailid kuumutatakse 800…880ŗC ja jahutataks õlis. Seejärel noolutatakse 300…400ŗC. Detailidel peale sellist töötlust säilib kõvaduse kuid kaovad sisepinged.

Kasutatud kirjandus

http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2164/Metallid.zip/normaliseerimine.html
http://lemill.net/content/webpages/materjaliopetus/view
http://opiobjektid.tptlive.ee/Materjaliopetus/noolutamine.html
http://opiobjektid.tptlive.ee/Materjaliopetus/termottlemine.html
http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2164/Metallid.zip/lmutamine.html