Terase termotöötlus, metallide tehnoloogia (0)

TTÜ EESTI MEREAKADEEMIA
Üld- ja alusõppe keskus
Metallide tehnoloogia, materjalid
Kodune töö nr. 2 – Terase termotöötlus
Üliõpilane: Õpperühm:
Ülesanne:
1. Määrake alltoodud detailide termotöötluse viisid ja režiimid, kandke tulemused tabelisse ning põhjendage kirjalikult tehtud valikuotsuseid.
a) Reduktori võll pikkusega 300 mm ja läbimõõduga 40 mm, materjal teras C40E .
b) Viil pikkusega 200 mm, ruudukujulise ristlõikega 10 x 10 mm, materjal C125.
2. Koostage lühiülevaade (maht ca 2 lehekülge A4) terase termotöötlusest kõigil alltoodud teemadel :
1) karastamise ja noolutamise eesmärk;
2) kuumutusviiside kirjeldus ja kuumutamise kestuse valik;
3) kuumutustemperatuuri sõltuvus süsinikusisaldusest;
4) valik ja jahutamiskiirus;
5) noolutusviisid ja nende kasutusalad.
Tallinn 2015
Metallide termotöötlus
Terase tugevuse ja kõvaduse (konstruktsiooniterased) või kõvaduse ja kulumiskindluse (tööriistaterased) tõstmise üheks viisiks on terase karastamine . Karastamiseks nimetatakse termotöötlusviisi, mille tulemusena saadakse ebastabiilne (mittetasakaaluline) struktuur. Enamasti soovitakse karastamise lõpptulemusena saada martensiitstruktuuri (martensiidist on põhjalikumalt kirjutatud töö lõpuosas ). Kriitilisest jahtumiskiirusest vkr (joonis 5.3) veidi väiksema jahtumiskiiruse korral saadakse karastamisel beiniit, mis on väga peen ferriidi-tsementiidi segu ja ei nõua järgnevat noolutust. Karastamise tehnoloogiline protsess koosneb järgmistest etappidest: 1) austenisatsioon – terase kuumutamine üle faasimuutuse temperatuuri (üle Ac1 või Ac3); 2) seisutamine sellel temperatuuril, et tagada kogu detailis antud temperatuurile vastava struktuuri tekkimine; 3) jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest (vkr; vaata joonis 5.3) suurem, et vältida austeniidi lagunemisproduktide (F ja T) tekkimist. Joonisel 5.1 on toodud süsinikteraste optimaalsed karastustemperatuurid (viirutatud ala), mis valitakse alaeutektoidteraste puhul 30…50 oC üle Ac3 (täiskarastus) ja üleeutektoidteraste puhul 30…50 oC üle Ac1 (poolkarastus).
Jahutus valitakse niisugune, mis kindlustab terasele vajaliku struktuuri ja soovitavad omadused. Jahutuskiirust saab reguleerida erinevate jahutuskeskkondade valikuga ja nende temperatuuri muutmisega. Joonisel 5.2 on toodud lihtsustatult rida terase jahutuskiiruseid erinevates keskkondades . Jahutuskiiruse valikul tuleb lähtuda järgmistest põhilistest seisukohtadest: peab olema võimalikult väike (et tekkivad sisepinged oleksid minimaalsed), kuid seejuures küllaldane vajaliku struktuuri ja soovitud omaduste saamiseks. Austeniit säilib kõige lühemat aega temperatuuripiirkonnas 500…600 oC ja hakkab lagunema juba mõne kümnendiku sekundi pärast. Sellest järeldub, et jahtumiskiirus peab karastamisel olema austeniidi lagunemist võimaldavast jahtumiskiirusest suurem. Temperatuuridel alla 500 oC austeniidi säilivus suureneb ja siin võib jahtumiskiirust vähendada, eelkõige martensiidi tekkepiirkonnas (300...200 oC) karastamisel tekkivate sisepingete vähendamiseks. Sisepinged põhjustavad detailide kõverdumist, kaardumist ja pragunemist. Karastamise ideaalne jahutuskõver on toodud joonisel 5.3. Seega on terase karastamise seisukohalt oluline karastuskeskkonna jahutusvõime kriitilistel temperatuuridel – 650…500 oC (austeniidi minimaalne säilivus) ja 300…200 oC (martensiidi tekkimise algus. Karastamisel tekkinud martensiitstruktuur on suure kõvaduse ja karastamisel tekkinud sisepingete tõttu nii habras , et seda ei saaks kasutada enamikus rakendustes. Kuumutamisel suureneb aatomite liikuvus ja toimuvad difusiooniprotsessid – seda intensiivsemalt, mida kõrgem on temperatuur. Karastatud terase kuumutamist temperatuurini, mis ei ületa Ac1, nimetatakse noolutamiseks. Noolutamisel martensiit laguneb ferriidi ja tsementiidi seguks, suureneb terase sitkus, kuid vähenevad kõvadus ja tugevus. Muutused on seotud faasimuutustega kuumutamisel: jääkausteniidi kadumise ja martensiidi lagunemisega. Karastatud terase kuumutamisel toimub ka karastamisel tekkinud sisepingete vähenemine ja karbiidiosakeste kasv. Noolutamisel toimuvad järgmised muutused: 1) terase kuumutamine kuni 100 oC-ni ei tekita olulisi muutusi struktuuris ja mehaanilistes omadustes; 2) kuumutamisel temperatuuriintervallis 100…200 oC leiab aset süsiniku osaline eraldumine martensiidist ja väga väikeste karbiidiosakeste teke. Niisugust martensiiti nimetatakse noolutusmartensiidiks ja tema kõvadus üldiselt säilib, vähenevad ja ühtlustuvad karastamisel tekkinud sisepinged ja kasvab sitkus; 3) noolutustemperatuuril 200…300 oC võib suureneda mõnevõrra suure süsinikusisaldusega terasest detaili kõvadus tänu jääkausteniidi muutumisele martensiidiks .On selge, et keskmise süsinikusisaldusega terastel , milles pärast karastamist ei ole jääkausteniiti, kõvadus nende noolutustemperatuuride korral ei suurene. Süsiniku aatomite difusioonist tulenevalt algab karbiidide teke; 4) noolutustemperatuuri tõusuga eraldub martensiidist järjest rohkem süsinikku ning umbes 400 oC juures on praktiliselt kogu 1 süsinik martensiidist eraldunud ja terase struktuur koosneb ferriidist ning väga väikestest ümaratest tsementiiditeradest. Niisugust struktuuri nimetatakse noolutustroostiidiks. Nüüd on ka täielikult kõrvaldatud sisepinged, terase kõvadus on vähenenud ning sitkus suurenenud ja teras on väga elastne
Termotöötluseks nimetatakse terase kontrollitud kuumutamist ja jahutamist omandamaks konkreetsetesse töötingimustesse sobivat struktuuri ja omadusi. Terase termotöötlus on laialt levinud meetod tema omaduste muutmiseks nii materjalil kui ka lõpptoodetel. Termotöötlus võimaldab ühe ja sama keemilise koostise korral saada terve rea erinevaid võimalikke mehaanilisi omadusi. Lähtudes faasipiiridele A1 ja A3 (joonis 5.1) vastavatest temperatuuridest (joonte asendi tähistus kuumutamisel vastavalt Ac1 või Ac3) ja jahutuskiirusest, on terase termotöötluse põhimoodusteks 1. lõõmutamine – kuumutamine üle faasipiiri Ac1 või Ac3 (Acm) (vastavalt poollõõmutus või täislõõmutus), aeglane jahutamine; 2. normaliseerimine – kuumutamine üle faasipiiri Ac3 (Acm) või nende lähedastel temperatuuridel, jahutus õhus; 3. karastamine – kuumutamine üle faasipiiri Ac1 või Ac3 (Acm) (vastavalt poolkarastus ja täiskarastus), kiire jahutamine (soolalahuses, vees, õlis); 4. noolutamine – karastamisele järgnev kuumutus allpool faasipiiri Ac1; temperatuuri valimisel lähtutakse soovitud kõvadusest/sitkusest. Terase kõvadus tasakaaluolekus (lõõmutatud või normaliseeritud olekus) sõltub otseselt terase süsinikusisaldusest, kuid ei ületa 330…350 HB.
2.Ülesanne:
Määrake allpool toodud detailide termotöötluse viisid ja režiimid, kandke tulemused
tabelisse ning põhjendage kirjalikult tehtud valikuotsuseid.
2.1 Reduktori võll pikkusega 300 mm ja läbimõõduga 40 mm, materjal teras C 40E.
2.2 Viil pikkusega 200 mm, ruudukujulise ristlõikega 10 x 10 mm, materjal C125.
Täitke ülesande (p. 2) lahenduse tabel:
Nr
C%
Karastus-temperat.
Kuumutus aeg, min.
Jahutus-keskkond
Noolurus-temperat.
Saadud tõmbe-tugevus
Saadud kõvadus HRC
2.1
0,4
900
32 min
Vesi 18 oC
~ 100
550
55
2.2
1,25
800
15 min
Vesi 18 oC
~ 180
----------
64
Süsinikusisaldus leiti vastavalt „metallide markeerimise“ juhendile, kust leiab, et teraste süsiniku sisaldus nende nimetuses antakse 100-kordse %-na, seega C40E süsinikusisaldus on 40/100 * % = 0,4 % ning C125 süsinikusisaldus on 125/100 * % = 1,25 %.
Karastustemperatuur (vahemik) leiti kasutades õpikust [2] toodud graafikut . Graafikul on toodud süsinikteraste optimaalsed karastustemperatuurid (viirutatud ala) [2] ja sealt võib lugeda, et 0,4 %-lise C-sisaldusega terase karastustemperatuur on vahemikus 815-846 oC ning 1,25 %-lise C-sisaldusega terase karastustemperatuur vahemikus 730-762 oC. Edasiste etappide lihtsustamise eesmärgil valiti esimese terase karastustemperatuuriks 900 oC ja teisel 800 oC.
Kuumutuskestus süsinikterase karastamisel saadi kasutades õpikut [2], tabelit (Tabel 2) ning algandmeid. Arvestades antud mõõtmeid, leitakse kuumutusaja kestus minutites ristlõike mõõtmete iga mm kohta ning seejärel kogupikkuse kohta. Kuumutusviisiks valiti elektriahi, sest see sobib mõlemad terase kuumutamiseks – esimesele terasele vastab (ristlõige ring) kuumutuskestus 0,8min/mm – seega seda elementi tuleb kuumutada 0,8*40 = 32 min, teisele terasele vastab (ristlõige ruut) kuumutuskestus 1,5min/mm – seega tuleb teist detaili kuumutada 1,5*10= 15 min.
Jahutuskiiruse valikul tuleb lähtuda järgmistest põhilistest seisukohtadest: peab olema võimalikult väike (et tekkivad sisepinged oleksid minimaalsed), kuid seejuures küllaldane vajaliku struktuuri ja soovitud omaduste saamiseks. Süsinikteraseid karastatakse vees. Vesi jahutab 300-200 oC piirkonnas liiga intensiivselt, kuid vee kuumenemine vähendab jahtumiskiirust tunduvalt ainult piirkonnas 650-500 oC. Need on vee kui kasutatavama karastusvedeliku põhilised puudused.
Teraste kõvadus leiti graafikutelt, kus on näidatud karastatud terase kõvaduse sõltuvus C-sisaldusest ( Graafik 2). Graafikutelt leiti, et esimese terase puhul (C-sisaldus 0,4 %) on kõvadus 55 HRC ja teise terase puhul (C-sisaldus 1,25 %) kõvadus poolkarastuse korral 64 HRC.
Noolutustemperatuur leiti graafikult (Graafik 3) kõvaduse järgi. C-sisalduseks valiti ülesandes lähteandmetele võimalikult lähedased sisaldused. Leiti, et esimese terase korral (55 HRC ja 0,4 %C) on noolutustemperatuur alla 100 oC – see ei tekita olulisi muutusi struktuuris ja mehaanilistes omadustes [2]; teise terase korral (64 HRC ja 1,25 %C) noolutustemperatuur ~180 oC – leiab aset süsiniku osaline eraldumine martensiidist ja väga väikeste karbiidiosakeste teke. Niisugust martensiiti nim noolutusmartensiidiks ja tema kõvadus üldiselt säilib, vähenevad ja ühtlustuvad karastamisel tekkinud sisepinged ja kasvab sitkus [2]
Reduktori võlli tõmbetugevus leiti kirjanduslikest allikatest [1].
Kasutatud kirjandus

Hendre, E., Kulu P., Kübarsepp J., Metusala T., Tapupere O. (2003). Materjalitehnika. Õpperaamat. TTÜ Kirjastus

Internetis oli Materjalipraktika ja kodutööd