Termička obrada legura. Vrste termičke obrade

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Termička obrada legura sastavni je dio procesa proizvodnje crne i obojene metalurgije. Kao rezultat ovog postupka, metali mogu promijeniti svoje karakteristike na tražene vrijednosti. U ovom članku ćemo razmotriti glavne vrste termičke obrade koje se koriste u modernoj industriji.

Suština termičke obrade

U proizvodnji poluproizvoda metalni dijelovi se termički obrađuju kako bi dobili željena svojstva (čvrstoća, otpornost na koroziju i habanje, itd.). Toplinska obrada legura je skup vještački stvorenih procesa tokom kojih dolazi do strukturnih i fizičkih i mehaničkih promjena u legurama pod uticajem visokih temperatura, ali je hemijski sastav supstance očuvan.

Svrha toplinske obrade

Metalni proizvodi koji se svakodnevno koriste u svim sektorima nacionalne privrede moraju ispunjavati visoke zahtjeve za otpornost na habanje. Metal, kao sirovinu, treba ojačati sa potrebnim performansama koje mogu bitibiti izloženi visokim temperaturama. Toplinska obrada legura visokim temperaturama mijenja početnu strukturu tvari, redistribuira njene sastavne komponente, transformira veličinu i oblik kristala. Sve to dovodi do minimiziranja unutrašnjeg naprezanja metala i na taj način povećava njegova fizička i mehanička svojstva.

Vrste termičke obrade

Termička obrada metalnih legura svodi se na tri jednostavna procesa: zagrijavanje sirovine (poluproizvoda) na željenu temperaturu, držanje pod zadatim uvjetima potrebno vrijeme i brzo hlađenje. U savremenoj proizvodnji koristi se nekoliko vrsta termičke obrade, koje se razlikuju po nekim tehnološkim karakteristikama, ali algoritam procesa generalno ostaje svuda isti.

Prema načinu izvođenja termičke obrade razlikuju se sljedeće vrste:

• Termički (očvršćavanje, kaljenje, žarenje, starenje, kriogena obrada).
• Termo-mehanička obrada uključuje tretman na visokim temperaturama u kombinaciji sa mehaničkim djelovanjem na leguru.
• Kemijsko-termički podrazumeva termičku obradu metala, nakon čega sledi obogaćivanje površine proizvoda hemijskim elementima (ugljenik, azot, hrom, itd.).

Žarenje

Žarenje je proizvodni proces u kojem se metali i legure zagrijavaju do unaprijed određene temperature, a zatim se, zajedno sa peći u kojoj se postupak odvijao, vrlo sporo prirodno hlade. Kao rezultat žarenja, moguće je eliminirati nehomogenosti hemijskog sastavasupstance, ublažavaju unutrašnje naprezanje, postižu granularnu strukturu i poboljšavaju je kao takvu, kao i smanjuju tvrdoću legure kako bi se olakšala njena dalja prerada. Postoje dvije vrste žarenja: žarenje prve i druge vrste.

Prvoklasno žarenje podrazumijeva termičku obradu, zbog koje dolazi do male ili nikakve promjene faznog stanja legure. Ima i svoje varijante: homogenizirana - temperatura žarenja je 1100-1200, pod takvim uvjetima legure se drže 8-15 sati, rekristalizacija (na t 100-200) se koristi za zakivani čelik, odnosno već deformisan biti hladno.

Žarenje druge vrste dovodi do značajnih faznih promjena u leguri. Takođe ima nekoliko varijanti:

• Potpuno žarenje - zagrijavanje legure 30-50 iznad kritične temperaturne oznake karakteristične za ovu supstancu i hlađenje određenom brzinom (200/sat - ugljični čelici, 100/sat i 50/sat - niskolegirani i visokolegirani -legirani čelici, odnosno).
• Nepotpuno - zagrijavanje do kritične tačke i sporo hlađenje.
• Difuzija - temperatura žarenja 1100-1200.
• Izotermno - zagrijavanje se odvija na isti način kao i kod potpunog žarenja, međutim, nakon toga se brzo hlađenje vrši na temperaturu malo ispod kritične i ostavlja da se ohladi na zraku.
• Normalizovano - kompletno žarenje sa naknadnim hlađenjem metala na vazduhu, a ne u peći.

Učvršćivanje

Kaljenje je manipulacijasa legurom, čija je svrha postizanje martenzitne transformacije metala, čime se smanjuje duktilnost proizvoda i povećava njegova čvrstoća. Kaljenje, kao i žarenje, uključuje zagrijavanje metala u peći iznad kritične temperature do temperature gašenja, razlika je u većoj brzini hlađenja koja se javlja u tečnom kupatilu. U zavisnosti od metala, pa čak i njegovog oblika, koriste se različite vrste kaljenja:

• Stvrdnjavanje u istom okruženju, odnosno u istoj kadi sa tečnošću (voda za veće delove, ulje za male delove).
• Povremeno stvrdnjavanje - hlađenje se odvija u dva uzastopna stupnja: prvo u tečnosti (oštrije rashladno sredstvo) do temperature od približno 300°C, zatim u vazduhu ili u drugom uljnom kupatilu.
• Postepeno - kada proizvod dostigne temperaturu stvrdnjavanja, neko vrijeme se hladi u rastopljenim solima, nakon čega slijedi hlađenje na zraku.
• Izotermna - tehnologija je vrlo slična stepenastom očvršćavanju, razlikuje se samo u vremenu zadržavanja proizvoda na temperaturi martenzitne transformacije.
• Samokaljenje se razlikuje od ostalih vrsta po tome što zagrijani metal nije potpuno ohlađen, ostavljajući toplo područje u sredini dijela. Kao rezultat ove manipulacije, proizvod poprima svojstva povećane čvrstoće na površini i visokog viskoziteta u sredini. Ova kombinacija je neophodna za udaraljke (čekići, dlijeta, itd.)

Odmor

Kaljenje je završna faza termičke obrade legura, koja određujekonačna struktura metala. Glavna svrha kaljenja je smanjenje lomljivosti metalnog proizvoda. Princip je da se dio zagrije na temperaturu ispod kritične temperature i ohladi. Budući da se načini toplinske obrade i brzina hlađenja metalnih proizvoda za različite namjene mogu razlikovati, postoje tri vrste kaljenja:

• Visoka - temperatura grijanja je od 350-600 do vrijednosti ispod kritične. Ovaj postupak se najčešće koristi za metalne konstrukcije.
• Srednji - termička obrada na t 350-500, uobičajeno za proljetne proizvode i opruge.
• Niska - temperatura zagrevanja proizvoda nije viša od 250, što omogućava postizanje visoke čvrstoće i otpornosti delova na habanje.

Starenje

Starenje je termička obrada legura, koja uzrokuje procese razgradnje prezasićenog metala nakon gašenja. Rezultat starenja je povećanje granica tvrdoće, prinosa i čvrstoće gotovog proizvoda. Ne samo lijevano željezo je podložno starenju, već i obojeni metali, uključujući legure aluminija koje se lako deformiraju. Ako se metalni proizvod koji je podvrgnut kaljenju drži na normalnoj temperaturi, u njemu se događaju procesi koji dovode do spontanog povećanja čvrstoće i smanjenja duktilnosti. To se naziva prirodno starenje metala. Ako se ista manipulacija radi na povišenim temperaturama, to će se zvati umjetno starenje.

Kriogeni tretman

Promjene u strukturi legura,što znači da se njihova svojstva mogu postići ne samo visokim, već i ekstremno niskim temperaturama. Termička obrada legura na t ispod nule naziva se kriogena. Ova tehnologija ima široku primenu u različitim sektorima nacionalne privrede kao dopuna visokotemperaturnim toplotnim tretmanima, jer može značajno smanjiti troškove procesa termičkog očvršćavanja.

Kriogena obrada legura vrši se na t -196 u posebnom kriogenom procesoru. Ova tehnologija može značajno povećati vijek trajanja obrađenog dijela i antikorozivna svojstva, kao i eliminirati potrebu za ponovnim tretmanom.

Termo-mehanička obrada

Nova metoda obrade legura kombinuje obradu metala na visokim temperaturama sa mehaničkom deformacijom proizvoda koji su u plastičnom stanju. Termomehanička obrada (TMT) prema načinu završetka može biti tri tipa:

• TMT na niskim temperaturama sastoji se od dvije faze: plastične deformacije praćene kaljenjem i kaljenjem dijela. Glavna razlika od ostalih tipova TMT-a je temperatura zagrijavanja do austenitnog stanja legure.
• TMT na visokim temperaturama uključuje zagrijavanje legure do martenzitnog stanja u kombinaciji s plastičnom deformacijom.
• Preliminarno - deformacija se izvodi na t 20, nakon čega slijedi kaljenje i kaljenje metala.

Hemijsko-termički tretman

Promijenite strukturu i svojstva leguramoguće je i uz pomoć hemijsko-termičke obrade, koja kombinuje termičko i hemijsko dejstvo na metale. Krajnji cilj ovog postupka, pored davanja povećane čvrstoće, tvrdoće i otpornosti na habanje proizvodu, je i davanje dijela otpornosti na kiselinu i požar. Ova grupa uključuje sljedeće vrste termičke obrade:

• Cementacija se vrši kako bi se površina proizvoda dala dodatna čvrstoća. Suština postupka je zasićenje metala ugljikom. Naugljičenje se može obaviti na dva načina: naugljičenje u čvrstom stanju i na plin. U prvom slučaju, obrađeni materijal se zajedno sa ugljem i njegovim aktivatorom stavlja u peć i zagreva na određenu temperaturu, nakon čega se drži u ovoj sredini i hladi. U slučaju naugljičenja na plin, proizvod se zagrijava u pećnici do 900°C pod kontinuiranom strujom ugljičnog plina.
• Nitriranje je hemijsko-termička obrada metalnih proizvoda zasićenjem njihove površine u azotnom okruženju. Rezultat ovog postupka je povećanje vlačne čvrstoće dijela i povećanje njegove otpornosti na koroziju.
• Cijanidacija je zasićenje metala dušikom i ugljikom u isto vrijeme. Medij može biti tečan (rastopljene soli koje sadrže ugljik i dušik) i plinovit.
• Difuzijsko polaganje je moderna metoda davanja otpornosti na toplinu, kiselinu i otpornost na habanje metalnim proizvodima. Površina takvih legura je zasićena raznim metalima (aluminijum, hrom) i metaloidima (silicijum, bor).

Karakteristiketermička obrada livenog gvožđa

Legure livenog gvožđa su podvrgnute termičkoj obradi koristeći nešto drugačiju tehnologiju od legura obojenih metala. Liveno gvožđe (sivo, visoke čvrstoće, legirano) podleže sledećim vrstama termičke obrade: žarenje (na t 500-650), normalizacija, kaljenje (kontinuirano, izotermno, površinsko), kaljenje, nitriranje (sivi liveni gvožđe), aluminizacija (biserno liveno gvožđe), hromiranje. Svi ovi postupci kao rezultat značajno poboljšavaju svojstva finalnih proizvoda od livenog gvožđa: produžavaju radni vek, eliminišu mogućnost nastanka pukotina tokom upotrebe proizvoda, povećavaju čvrstoću i otpornost na toplotu livenog gvožđa.

Termička obrada obojenih legura

Obojeni metali i legure imaju različita svojstva jedni od drugih, stoga se obrađuju različitim metodama. Tako se legure bakra podvrgavaju rekristalizacionom žarenju kako bi se izjednačio hemijski sastav. Za mesing je predviđena niskotemperaturna tehnologija žarenja (200-300), jer je ova legura sklona spontanom pucanju u vlažnom okruženju. Bronza se podvrgava homogenizaciji i žarenju na t do 550. Magnezijum se žari, gasi i podvrgava veštačkom starenju (prirodno starenje se ne dešava za gašeni magnezijum). Aluminij, kao i magnezij, prolazi kroz tri metode termičke obrade: žarenje, kaljenje i starenje, nakon čega kovane legure aluminija značajno povećavaju svoju čvrstoću. Prerada titanijumskih legura uključuje: rekristalizaciono žarenje, stvrdnjavanje, starenje, nitriranje i karburizaciju.

CV

Termička obrada metala i legura je glavni tehnološki proces i u crnoj i u obojenoj metalurgiji. Moderne tehnologije imaju niz metoda termičke obrade kako bi se postigla željena svojstva svake vrste obrađenih legura. Svaki metal ima svoju kritičnu temperaturu, što znači da se toplinska obrada treba provoditi uzimajući u obzir strukturne i fizičko-hemijske karakteristike tvari. Na kraju, ovo će ne samo postići željene rezultate, već će i značajno pojednostaviti proizvodne procese.