Terase termotöötlemine (0)

Terase termotöötlemine 
 
    Terase  struktuurimuutused    termotöötlusel 
 Terase termotöötlemine seisneb terase kuumutamises üle faasipiiri (de) ning järgnevas jahutamises kiirusel, mil faasimuutused kas toimuvad täielikult, osaliselt või üldse ei leia aset. Selle põhjal eristatakse kahte peamist terase termotöötluse moodust:

• lõõmutamine ( kuumutamine aeglase jahutamisega – faasimuutused toimuvad täielikult),
  
• karastamine (kuumutamine kiire jahutamisega – faasimuutused ei leia aset või toimuvad osaliselt).
  

 
 
Lõõmutamine
Karastamine
Plastsus suureneb
Sisepinged vähenevad
Survetöödeldavus paraneb
Struktuur peeneneb
Lõiketöödeldavus paraneb
Kõvadus tõuseb
Tugevus suureneb
Sitkus väheneb
Kulumiskindlus
suureneb
Sõltuvalt temperatuurist on raua- süsin. Sulamites järmised struktuurid :
 NB!
Ac1- 727◦C- alumina kriitiline piir kuumutamisel, Ar1-jahutamisel
Ac3-830◦C- ülemine kriitiline piir kuumut . Ar3- jahutamisel
Alatetektoidsed terased CEutektoidsed terased C=0,8 % P struktuur
ÜLEEUTEKTOIDSED TERASED C> 0,8 % P+T struktuur
FERRIIT -pehme, plastne 727”C juures
Perliit - ferriidi ja tsementiidi meh. Segu. Teralisel on head mehaanilised omadused. 727”C juures
Austerniit- Temp. 1147”C väike plastsus ja tugevus.
Tsementiit - C=6,67%, sulab 1600”C juures on väga kõva (800HB)
Grafiit- vaba süsinik, pehme (3HB), väike tugevus.
Terase struktuur toatemperatuuril.
Sulam on tasakaaluolekus siis,kui kõik faasimuutused temas on toimunud täielikult faasidiagrammi kohaselt. Selline olek saavutatakse ainult väga aeglasel jahtumisel .Rauasüsinikusulamite tasakaaluliste struktuuride leidmise lauseks on Fe-Fe3C faasidiagramm .Faasidiagrammi komponetideks on puhas raud(Fe)ja raudkarbiid(Fe3C)ehk tsementiit.
Kooskõlas faasidiagrammiga koosneb terase struktuur normaaltemperatuuril ferriidist ja tsementiidist , kusjuures tsementiidi kogus terase struktuuris kasvab võrdeliselt terase C-sisaldusega.C-sisaldusest ja Fe-Fe3C faasidiagrammist lähtudes liigitatakse terased:
-alaeutektoidseiks, C0,8%,struktuurP+T”
Kõvad ja haprad tsementiidiosakesed üleeutektoidterase struktuuris suurendavad selle vastupanu deformeerimisele ,vähendades samal ajal terrase plastsust ja sitkust.
TERASE STRUKTUUR KÕRGEL TEMPERATUURIL.
Kui puhta raua korral muutub kuumutamisel ainult selle kristallvõre, siis teraste kuumutamisel tekivad temperatuuridel 727”C – 830”C erinevad struktuurid.

• alaeutektoidsed(0,8%C); austerniittsementiit struktuur või austerniitstruktuur
  

 Terase muutused kuumutamisel.
….kuumutatakse, et teras omandaks austerniitstruktuuri, tekib palju peeneid teri(esmased terad), mis edasisel kuumutamisel kasvavad.( tekivad tegelikud terad).
Tegeliku tera suurus sõltub taandamise viisist, mangaan , räni, alum. Titaan - iga taandamisel tera ei kasva. Selline teras on peeneteraline.
Tera suurus ei mõjuta meh. Omadusi (kõvadus, tõmbetugevus, voolavuspiir) MÕJUTAB LÖÖGISITKUST
Allpool Ac1 (727◦C) terasel on alaeutektoidne struktuur- mis koosneb perliidist ja ferridist ja süsin. C= 0,83%
Terase muutused jahutamisel
Austerniit on püsiv üle 727”C. Jahutades kuumutatud terast allapoole Ar1 muutub austerniitmittepüsivaks ja laguneb: Perliidi muutuste ala on Ar1 Olenevalt jahutamise astmest eristatakse 3 ala:

madal allajahtumisastmel (Ar1-650”C) laguneb austerniit jämendaks ferriidi ja tsementiidi seguks (perliidiks)kõvadusega 180-250 HB

Kui jahutada teras 650-600”C tekib sorbiid, mis on perliidist peenem(ferriidi ,tsementiidi) mehhaaniline segu.kõvadusega 250-350 HB mida rohkem sorbiidi on terases seda tugevam ja plastsem ta on.

Jahutades terast kuni 550”C laguneb austerniit trostiidiks(väga peen ferriidi –tsementiidi segu 350-450 HB )tugev , sitke ja plastne.
Järelikult asuterniidi lagunemise temperatuur on põhiline,millest oleneb terase struktuur ja omadused.
Aeglane jahutuskiirus :austerniit laguneb perliidiks
Keskmine jahutus:austerniit laguneb trostiidiks.
Kiire jahutus:austerniit ei jõua täielikult laguneda trostiidiks,järele jäänud austerniit kristalliseerub osaliselt martensiidiks.
Väga suur jahutuskiirus:teras saab täieliku martensiitstruktuuri,seda nimetatakse karastamise kriitiliseks kiiruseks.Martensiidil on nõeljas struktuur.
Vahepealne muutus 500-250”C jahtumisel nimetatakse
( BEINIITNE)ALLA 350”C TEKIVAD BEINIITI nimetatakse alumiseks beiniidiks(550 HB)sellel on nõeljas struktuur ja sarnaneb martensiidiga.
Terase lõõmutamine 
 Lõõmutamine 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 ).
      Lõõmutamise peamine eesmärk on vajalike omaduste tagamine terase ümberkristalliseerimise ja sisepingete kaotamise tagajärjel. Selleks kasuta-takse difusiooon-, täis-, pool- ja madallõõmutust. 
    Pehmelõõmutamine
    Difusioonlõõmutust e. homogeniseerimist kasutatakse eelkõige legeerterastest valuplokkide ja valandite keemilise koostise ühtlustamiseks – likvatsiooni kõrvaldamiseks. Keemilise koostise ühtlustamiseks kuumutatakse valuplokke või valandeid kõrge temperatuurini, kusjuures valuploki või valandi keemiline koostis ühtlustub. Teraseid lõõmutatakse
temperatuuril kuni 1100 °C, seisutusaeg 10...20 tundi. Kuumutus temperatuurini 1000...1100 °C ja pikaajaline seisutus sellel põhjustavad austeniiditera  
  tunduvat kasvamist –  struktuur muutub jämedateraliseks. Seetõttu on nõutav täiendav termotöötluse operatsioon struktuuri parandamiseks (täis- või poollõõmutus).
    Täislõõmutuse e. täieliku lõõmutuse eesmärgiks on eelkõige sepiste ja valandite struktuuri peenendamine ja sisepingete kaotamine. Täislõõmutusel kuumutatakse terast üle faasipiiri Ac3. Terase ferriitperliitstruktuur muutub kuumutamisel austeniidiks ning jahutamisel tekib ümberkristalliseerumisel austeniidist uuesti ferriit ja perliit. Sellise termotöötluse abil saadakse valamisel ja sepistamisel tekkinud jämedateralisest ferriitperliitstruktuurist peeneteraline ferriitperliitstruktuur.
      Poollõõmutust e. mittetäielikku lõõmutust kasutatakse muutmaks suurema süsinikusisaldusega (0,5% ja enam) terase struktuuri, mis on liiga kõva nii külm- kui ka lõiketöötlemiseks. Kuna sellise madalama temperatuuriga lõõmutamise peaeesmärk on terase kõvaduse vähendamine ja plastsuse suurendamine , siis nimetatakse seda ka pehmelõõmutuseks.
    Poollõõmutust tehakse kõrgsüsinikteraste sisepingete kaotamiseks, kõvaduse vähendami-seks, plastsuse suurendamiseks ja lõiketöödelda-vuse parandamiseks. Poollõõmutusel kuumuta -takse terast tavaliselt üle faasipiiri Ac1,30-50◦C millele järgneb aeglane jahutus.
      Rekristallisatsioonilõõmutus e. rekristalliseeriv lõõmutus on madalatemperatuurilise lõõmutuse üheks liigiks, mida kasutatakse eelneva plastse külmdeformatsiooni tagajärjel tekkinud kalestumise kõrvaldamiseks. Rekristallisatsioonilõõmutamisel kuumutatakse terast faasipiirist Ac1 veidi madalamate temperatuurideni (kuni 650...700 °C), seisutatakse ja jahutatakse seejärel aeglaselt. Selle tulemusena toimub metalli sekundaarne kristalliseerumine – rekristalliseerumine, misjuures vanade deformeerunud terade asemele tekivad uued ja deformeerunud struktuur kaob.  
 
 
Terase normaliseerimine  
Aeglase jahtumise tõttu on valandeis austeniiditera ja selle lagunemisel tekkinud perliiditera tavaliselt suur. Jämedateralist austeniitstruktuuri (ka perliitstruktuuri) saab parandada termotöötluse teel, mida nimetatakse normaliseerimiseks.
      Normaliseerimine on selline termotöötluse viis, mille korral terast kuumutatakse 30...50 °C üle faasipiiri Ac3 seisutatakse sellel temperatuuril ja jahutatakse siis õhus. Normaliseerimise tulemusel vähenevad sisepinged ja toimub terase faasiline ümberkristalliseerumine, mis muudab valandite, sepiste ja keevisõmbluste jämedateralise struktuuri peeneteralisemaks.
Normaliseerimine on lõõmutusega võrreldes odavam, sest ahju kasutatakse ainult kuumutamiseks ja seisutamiseks antud temperatuuril, jahutamine toimub juba õhus. Normaliseerimise tulemusena muutub teras peeneteralisemaks, tugevus ja kõvadus on suurem kui lõõmutatud terasel. Normaliseerimist kasutatakse terase lõiketöödeldavuse parandamiseks ning sageli karastamise eeloperatsioonina. 
 
Terase karastamine 
Karastamiseks nimetatakse termotöötluse viisi, mille tulemusel saadakse ebastabiilne (mittetasakaaluline) martensiitstruktuur, mille kõvadus on suur (kuni 65HRC). H-termotöötlus, R-Rocwelli meetod, C-skaala järgi-erinevad jõu skaaladel
      Terase tavakarastamine eeldab järgmisi etappe :

terase kuumutamine üle faasipiiride Ac1 (poolkarastus) või Ac3 (täiskarastus), et tagada lähtestruktuuris vajaliku austeniidi teke;

seisutamine sellel temperatuuril, et tagada kogu detaili ulatuses antud temperatuurile vastava homogeense struktuuri teke;

jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida austeniidi lagunemist (ferriidi ja tsementiidi teket).
       Karastustemperatuur . Süsinikteraste karastustemperatuuri valikul on aluseks Fe-Fe3C faasidiagrammi teraste osa . Selle järgi võetakse alaeutektoidteraste (0,2...0,8% C) karastustemperatuur 30...50 °C üle faasipiiri Ac3 (s.o. täiskarastus), üleeutektoidterastel (C > 0,8%) 30...50 oC üle Ac1 (s.o. poolkarastus).
      Alaeutektoidteraste karastustemperatuuri valikul on lähtutud asjaolust, et karastamisel teisiti –  üle faasipiiri Ac1 (s.o. poolkarastus) säilib struktuuris kõrvuti martensiidiga ka ferriit, mis vähendab terase kõvadust pärast karastust.
      Üleeutektoidterastel on seevastu optimaalne karastustemperatuur faasipiiride Ac1 ja Ac3 vahel (s.o. poolkarastus), mistõttu säilib struktuuris martensiidi kõrval sekundaarne tsementiit, mis suurendab terase kõvadust; teisiti karastades – üle faasipiiri Ac3 (s.o. täiskarastus), on 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 korda 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 tuleohtlikkus (süttimistemperatuur sõltuvalt õli margist on 150...320 °C piires) ja karastusvõime kadumine aja jooksul (õli pakseneb). 
 
  POOLELI
Terase karastamine 
 
 
 
Terase karastustemperatuuri valik 
 
Karastusviisid. Olenevalt terase koostisest, detaili mõõtmetest ja kujust ning termotöödeldud detaililt nõutavaist omadustest tuleb valida optimaalne karastusviis, mis on kõige lihtsamini läbiviidav kuid kindlustab ühtlasi ka vajalikud omadused.
      Mida keerukama kujuga on termotöödeldav detail, seda hoolikamalt tuleb valida jahutamistingimused, sest keerukamal detailil on tavaliselt suurem ristlõigete erinevus ning seda suuremad sisepinged tekivad tema jahutamisel.
      Mida rohkem sisaldab teras süsinikku, seda suuremad on karastamisel mahumuutused, ning mida madalamal temperatuuril muutub austeniit martensiidiks, seda suurem on oht deformatsioonide, pragude, pingete ja teiste karastusdefektide tekkeks ning seda hoolikamalt peab valima terase jahutamisrežiimi.
         Lähtudes jahutuskiirusest ja jahutuskeskkonnast (vesi, õli või kombineeritud moodus – läbi vee õlisse) eristatakse mitmeid karastusviise: tavakarastus, katkendkarastus, astekarastus, isotermkarastus jt.
      Tavakarastus e. ühes keskkonnas (vannis) karastus (vees või õlis) on lihtsamaid karastusviise. Vajaliku temperatuurini kuumutatud detail jahutatakse karastusvedelikus kuni täieliku mahajahtumiseni. Seda viisi kasutatakse süsinik- ja legeerterastest lihtsate detailide karastamisel.
      Katkendkarastuse e. kahes keskkonnas karastuse korral jahutatakse detaili alguses kiirelt, seejärel aeglaselt jahutavas keskkonnas. Tavaliselt jahutatakse esmalt vees, et vältida austeniidi lagunemist, seejärel aga õlis või õhus, mis tagab detaili aeglase jahtumise martensiidi tekke piirkonnas. Sellist karastusviisi kasutatakse süsinikterastest tööriistade valmistamisel.
      Astekarastuse korral jahutatakse detaili keskkonnas, mille temperatuur on antud terase martensiitmuutuse algtemperatuurist kõrgem.
    Selles keskkonnas jahutamisel ja seisutamisel peab karastatav detail kogu ristlõike ulatuses omandama karastuskeskkonna temperatuuri. Sellele järgneb lõplik, tavaliselt aeglane jahutamine, mille jooksul tegelikult toimubki karastamine, s.t. austeniidi muutumine martensiidiks.
      Isotermkarastuse e. beiniitkarastuse korral jahutatakse terast martensiitmuutuse algtemperatuurist kõrgemal temperatuuril (250...350 °C) seisutusega kuni austeniidi lagunemiseni ferriidi ja tsementiidi seguks – beiniidiks.
      Pindkarastamist kasutatakse selleks, et anda detaili pinnakihile suur kõvadus, mis annab suure kulumiskindluse; samal ajal säilib sitke südamik, mis ühtlasi tagab detaili vastupanu dünaamilisele koormusele. Sel eesmärgil kasutatakse ka termokeemilist 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. 
 
 Karastusvead...
 
 
 
Terase noolutus  
Terase karastamisel, mil austeniit muutub martensiidiks, saavutatakse suur kõvadus – see on ka karastuse põhieesmärk. Ühelt poolt jahtumisel tekkivad termopinged, teiselt poolt martensiidi suur kõvadus tingivad karastatud terase vähese vastupanu löökkoormustele ja deformatsioonidele. Neid omadusi aga on võimalik karastatud terase järgneva töötlemisega – noolutamisega –  parandada.
      Noolutus seisneb terase kuumutamises temperatuurini alates 200 °C, seisutamises sellel (vähemalt tunni) ja jahutamises (tavaliselt õhus). Selline noolutus sobib eriti tööriistaterastele, millelt nõutakse suurt kõvadust. Noolutus tõstab märgatavalt terase sitkust.
    Erinevalt tööriistaterastest (eesmärgiks on maksimaalne kõvadus) püüeldakse konstruktsiooniteraste korral suure sitkuse ja tugevuse poole. See saavutatakse noolutusega suhteliselt kõrgel temperatuuril (450...650 °C, jahutus õhus). Sellist karastust järgneva kõrgnoolutusega nimetatakse parendamiseks.  Saadakse ferriidipõhjal teraline tsementiidiosakestega struktuur – sorbiitstruktuur. Vedruteraste korral kasutatakse kesknoolutust (300…400 °C), saades   elastse  troostiitstruktuuri. 
 
  Brinelli kõvadus on katseliselt leitav materjali kõvadus, mille korral surutakse uuritava materjali pinda karastatud teraskuul. Kuuli läbimõõt on 10; 5; 2,5; 2 või 1 mm ja jõud 9,8...29430 N (1...3000 kgf) Brinelli kõvadusarv määratakse kuulile toimiva jõu ja tekkiva sfäärilise jälje pindala suhtena. Kui jõud on kgf (jõukilogramm), siis arvutatakse Brinelli kõvadust valemiga:
Kui jõud on Njuutonites siis:
, kus:

• A on jälje pindala (mm²)
  
• D on kuuli läbimõõt (mm)
  
• d on jälje läbimõõt (mm).
  

Brinelli kõvaduse tähistus D = 10 mm, F = 3000 kgf ja t = 10...15 sekundit korral on 185 HB, ühikuks on kgf/mm², kuid seda ei märgita.
Kui katsetingimused on teistsugused, märgitakse HB järele kuuli läbimõõt, koormus ja koormamise kestus, näiteks 185 HB 5/750/20. See viimane on siis Brinelli kõvadusarv, mis on määratud kuuliga D = 5 mm, koormusel 750 kgf ning koormuse kestus on 20 sekundit.
Valemitest on näha, et kõvadus sõltud survejõust F, kuuli läbimõõdust D ja jälje läbimõõdust d. Viimast mõõdetakse spetsiaalse mikroskoobi (eriluubi) abil. Jälje läbimõõt määratakse kahes teineteisega risti olevas suunas täpsusega 0,05 millimeetrit ja võetakse läbimõõtude aritmeetiline keskmine. On koostatud tabel, mille põhjal jälje läbimõõdu järgi saadakse vahetult kõvaduse HB väärtus. Et saada materjalide võrreldavad kõvaduse väärtused kuuli erinevate läbimõõtude ja koormuste korral, peab olema täidetud nõue . GOST annab k väärtusteks 30; 10; 5; 2,5 ja 1.
Katsekeha minimaalne paksus ei tohi olla väiksem kui 10 kordne jälje sügavus.
Kõvasid materjale koormatakse 10...15 sekundit, pehmeid materjale 10...180 sekundit. Brinelli kõvadust ei soovitata kasutada, kui terase kõvadus ületab 450 HB ning värviliste metallide, sulamite ja muude materjalide korral pole soovitav Brinelli meetodit kasutada, kui kõvadus on üle 200 HB.
DIN 50351 järgi võib mõõta Brinelli kõvadust ka kõvasulamkuuliga (kõvadusi kuni 650 HB). Brinelli kõvaduse tähis DIN-i kohaselt on teraskuuli korral on HBS, kõvasulamkuuli korral HBW.