Toplinska obrada metala

Što je toplinska obrada metala?

Toplinska obrada metala je važan proces za poboljšanje mehaničkih i kemijskih svojstava metala bez promjene oblika. Uključuje zagrijavanje i hlađenje metala na kontrolirani način za proizvodnju specifičnih željenih mikrostruktura.

Toplinska obrada može se koristiti za poboljšanje čvrstoće, rastezljivosti, žilavosti, otpornosti na zamor, otpornosti na koroziju i otpornosti na trošenje širokog spektra metala.

Uobičajeni procesi toplinske obrade uključuju žarenje, normalizaciju, kaljenje i kaljenje. Toplinska obrada također se može koristiti za smanjenje unutarnjih naprezanja i poboljšanje obradivosti metala.

Kako djeluje toplinska obrada?

Toplinska obrada funkcionira kontroliranjem zagrijavanja i hlađenja metala kako bi se promijenila njegova mikrostruktura i svojstva. Osnovni koraci toplinske obrade su sljedeći:

1. Zagrijavanje: Metal se zagrijava do određene temperature, koja ovisi o vrsti toplinske obrade koja se izvodi.
2. Održavanje: metal se drži na određenoj temperaturi određeno vrijeme kako bi se omogućile željene mikrostrukturne promjene.
3. Hlađenje: Metal se hladi kontroliranom brzinom, koja ovisi o vrsti toplinske obrade koja se izvodi. Ovaj korak je kritičan u određivanju konačne mikrostrukture i svojstava metala.
4. Kaljenje (po izboru): Ponekad se nakon procesa kaljenja metal ponovno kali kako bi se poboljšala ravnoteža njegove čvrstoće i rastezljivosti.

Različiti postupci toplinske obrade koriste različite kombinacije brzina zagrijavanja i hlađenja za postizanje određenih svojstava.

Na primjer, kod žarenja, metal se zagrijava na visoku temperaturu, a zatim se polako hladi kako bi se smanjila tvrdoća i povećala duktilnost.

Nasuprot tome, kod kaljenja, metal se zagrijava na visoku temperaturu, a zatim brzo hladi kako bi se povećala tvrdoća i čvrstoća.

Vrste toplinske obrade metala

Postupkom toplinske obrade moguće je povećati čvrstoću, tvrdoću, duktilnost i otpornost metala na zamor. Dostupne su različite vrste toplinske obrade koje ovise o vrsti metala koji se obrađuje.

Glavne vrste procesa toplinske obrade koji se koriste u inženjerskoj primjeni su:

• Žarenje
• Normaliziranje
• Stvrdnjavanje
• Kaljenje
• Kaljenje
• Kaljenje kućišta
• Austempering
• Martempering
• Karburiziranje
• Nitriranje
• Karbonitriranje
• Indukcijsko kaljenje
• Kaljenje plamenom
• Toplinska obrada u vakuumu
• Ionsko nitriranje
• Toplinska obrada otopine
• Precipitacijsko otvrdnjavanje
• Starosno otvrdnjavanje
• Ublažavanje stresa
• Izotermno žarenje
• Kontrolirano kotrljanje

Što je toplinska obrada žarenjem?

Žarenje je postupak toplinske obrade koji se koristi za omekšavanje metala zagrijavanjem na visoku temperaturu i potom polaganim hlađenjem.

Svrha žarenja je smanjiti unutarnje naprezanje, poboljšati mikrostrukturu, poboljšati duktilnost i žilavost te učiniti metal lakšim za obradu.

Vrste procesa toplinske obrade žarenjem

Postoji nekoliko vrsta žarenja:

1. Potpuno žarenje: metal se zagrijava do visoke temperature, obično iznad gornje kritične temperature, a zatim se polako hladi. Ovaj proces rezultira relativno mekim i rastezljivim metalom.
2. Proces žarenja: Metal se zagrijava do temperature ispod gornje kritične temperature i zatim se polako hladi. Ovaj se postupak koristi za smanjenje unutarnjih naprezanja i poboljšanje obradivosti.
3. Sferoidizirajuće žarenje: metal se zagrijava do temperature ispod gornje kritične temperature i zatim se vrlo sporo hladi. Ovaj se postupak koristi za proizvodnju sferoidne ili globularne mikrostrukture, koja poboljšava duktilnost i žilavost.
4. Izotermno žarenje: metal se održava na konstantnoj temperaturi neko vrijeme, a zatim se polako hladi. Ovaj se postupak koristi za poboljšanje mikrostrukture određenih legura.

Postupak žarenja obično se koristi na željeznim i neželjeznim metalima kao što su čelik, aluminij, bakar, mjed i bronca.

Specifična temperatura, vrijeme i brzina hlađenja koja se koristi u procesu žarenja varirat će ovisno o vrsti metala i željenim svojstvima.

Pročitajte više: Žarenje nasuprot normalizaciji

Prednosti i nedostaci toplinske obrade žarenjem

Prednosti toplinske obrade žarenjem:

1. Poboljšava duktilnost: Žarenje povećava duktilnost metala, olakšavajući ga savijanje i oblikovanje bez lomljenja.
2. Smanjuje tvrdoću: Žarenje smanjuje tvrdoću metala, čineći ga lakšim za rad i manje sklonom pucanju ili lomljenju.
3. Ublažava unutarnje naprezanje: žarenje može ublažiti unutarnje naprezanje koje se nakupilo u metalu uslijed hladne obrade ili zavarivanja, što može spriječiti savijanje ili pucanje metala.
4. Poboljšava obradivost: žarenje može poboljšati obradivost metala, olakšavajući rezanje, bušenje ili brušenje.
5. Poboljšava otpornost na koroziju: žarenje može poboljšati otpornost na koroziju određenih metala, jer može ukloniti nečistoće i homogenizirati mikrostrukturu.

Nedostaci toplinske obrade žarenjem:

1. Dugotrajan: Žarenje može biti dugotrajan proces, posebno ako se metal treba polako hladiti.
2. Skupo: žarenje zahtijeva specijaliziranu opremu i kontrolirano okruženje, što može biti skupo.
3. Promjene svojstava: žarenje može uzrokovati promjenu svojstava kao što su čvrstoća, tvrdoća i otpornost na koroziju, što može biti štetno ovisno o namjeni metala.
4. Nije prikladno za sve metale: žarenje možda nije prikladno za sve metale jer može uzrokovati krhkost određenih metala ili gubitak čvrstoće.
5. Može uzrokovati izobličenje: Žarenje može uzrokovati izobličenje ako se ne poduzmu odgovarajuće mjere opreza, kao što je stezanje metala kako bi se spriječilo savijanje.

Što je normaliziranje toplinske obrade?

Normalizacija je postupak toplinske obrade koji se koristi za poboljšanje mikrostrukture i mehaničkih svojstava metala. Slično je žarenju, ali se metal hladi na zraku umjesto da se polako hladi.

Proces normalizacije uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu, tipično iznad gornje kritične temperature, a zatim dopuštanje da se ohladi na mirnom zraku.

Ova brzina hlađenja je brža nego kod žarenja, što rezultira tvrđim i jačim metalom. Brža brzina hlađenja također uzrokuje stvaranje homogenije i finije zrnate mikrostrukture.

Proces normalizacije obično se koristi na željeznim metalima kao što su čelik i lijevano željezo. Normaliziranje se također može koristiti kao pripremni korak prije drugih procesa toplinske obrade kao što su kaljenje, kaljenje i popuštanje.

Prednosti i nedostaci normalizirajuće toplinske obrade

Prednosti normalizirajuće toplinske obrade:

1. Poboljšava mehanička svojstva: Normalizacija poboljšava mehanička svojstva metala, kao što su čvrstoća, tvrdoća i žilavost.
2. Pročišćava mikrostrukturu: Normaliziranje pročišćava mikrostrukturu metala, što rezultira homogenijom i fino zrnatom strukturom.
3. Ublažava unutarnja naprezanja: Normaliziranje može ublažiti unutarnje naprezanja koja su se nakupila u metalu uslijed lijevanja, zavarivanja ili hladne obrade, što može spriječiti savijanje ili pucanje metala.
4. Poboljšava obradivost: Normalizacija može poboljšati obradivost metala, olakšavajući rezanje, bušenje ili brušenje.
5. Poboljšava završnu obradu površine: normalizacija može poboljšati završnu obradu površine metala, čineći ga manje sklonim pucanju ili lomljenju.
6. Poboljšava dimenzionalnu stabilnost: Normaliziranje može poboljšati dimenzionalnu stabilnost metala, smanjujući vjerojatnost da će se iskriviti ili puknuti tijekom daljnje obrade.

Nedostaci normalizirajuće toplinske obrade:

1. Dugotrajan: normalizacija može biti dugotrajan proces, posebno ako se metal treba polako hladiti.
2. Skupo: Normalizacija zahtijeva specijaliziranu opremu i kontrolirano okruženje, što može biti skupo.
3. Promjene svojstava: normalizacija može uzrokovati promjenu svojstava kao što su čvrstoća, tvrdoća i otpornost na koroziju, što bi moglo biti štetno ovisno o namjeni metala.
4. Nije prikladno za sve metale: normalizacija možda nije prikladna za sve metale jer može uzrokovati krhkost određenih metala ili gubitak čvrstoće.
5. Može uzrokovati izobličenje: Normaliziranje može uzrokovati izobličenje ako se ne poduzmu odgovarajuće mjere opreza, poput stezanja metala kako bi se spriječilo savijanje.

Što je Stvrdnjavanje?

Kaljenje je postupak toplinske obrade koji se koristi za povećanje tvrdoće i čvrstoće metala.

Obično se koristi na željeznim metalima poput čelika i lijevanog željeza, ali se može primijeniti i na obojenim metalima poput aluminija i mesinga.

Proces otvrdnjavanja uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu, obično iznad gornje kritične temperature, a potom brzo hlađenje.

Ova brza brzina hlađenja, poznata kao kaljenje, uzrokuje stvaranje tvrđe i jače mikrostrukture.

Vrste procesa kaljenja

Postoji nekoliko vrsta procesa stvrdnjavanja:

1. Kaljenje u ulju: Metal se zagrijava na željenu temperaturu, a zatim kali u ulju. Ovo je jedna od najčešćih metoda kaljenja i koristi se za široku paletu metala.
2. Kaljenje u vodi: Metal se zagrijava na željenu temperaturu i zatim se kali u vodi. Ova se metoda koristi za čelike s visokim udjelom ugljika i proizvodi vrlo tvrdu i krhku mikrostrukturu.
3. Gašenje plinom: Metal se zagrijava do željene temperature, a zatim gasi u plinu kao što je dušik ili argon. Ova se metoda koristi za specijalizirane primjene i proizvodi vrlo tvrdu i krhku mikrostrukturu.
4. Indukcijsko kaljenje: Ovo je lokalizirani proces kaljenja gdje izmjenična struja prolazi kroz zavojnicu kako bi se stvorilo elektromagnetsko polje. Metalni komad se zatim umetne u zavojnicu, zagrijava na visoku temperaturu, a zatim se ohladi. Ova se metoda koristi za male ili složene dijelove i može postići vrlo čvrstu i ujednačenu tvrdoću površine.

Nakon otvrdnjavanja, metal se obično kali kako bi se poboljšala njegova žilavost i duktilnost. Otvrdnjavanje može značajno povećati čvrstoću i otpornost na habanje metala, ali ga također čini lomljivijim i manje duktilnim

Što je kaljenje i toplinska obrada?

Kaljenje i kaljenje je dvostupanjski proces toplinske obrade koji se koristi za poboljšanje mehaničkih svojstava metala, posebno željeznih metala kao što su ugljični čelik i niskolegirani čelik.

Prvi korak, kaljenje, uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu i zatim njegovo brzo hlađenje, obično uranjanjem u ulje, vodu ili zrak. Ovo brzo hlađenje uzrokuje stvaranje tvrde i jake mikrostrukture poznate kao martenzit.

Drugi korak, kaljenje, uključuje zagrijavanje kaljenog metala na nižu temperaturu, obično između 150-700°C, ovisno o željenim svojstvima i vrsti čelika, a zatim ga ostavite da se polako ohladi.

Ovaj proces uzrokuje stvaranje malih količina mekše, duktilnije mikrostrukture koja se naziva kaljeni martenzit. Ovaj kaljeni martenzit ima ravnotežu čvrstoće i žilavosti što ga čini pogodnim za mnoge primjene.

Kaljenje i kaljenje se mogu koristiti za poboljšanje mehaničkih svojstava metala kao što su čvrstoća, tvrdoća i žilavost.

Također povećava otpornost metala na habanje i poboljšava dimenzionalnu stabilnost metala, smanjujući vjerojatnost da će se iskriviti ili puknuti tijekom daljnje obrade. Međutim, proces također može učiniti metal lomljivijim i manje rastegljivim.

Što je Austempering i Martempering toplinska obrada?

Austempering je proces koji uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu, obično iznad gornje kritične temperature, a zatim ga kaljenje u tekući medij koji se održava na konstantnoj temperaturi, što se naziva izotermno kaljenje.

Ovaj proces rezultira stvaranjem mikrostrukture nazvane bainit, koja je kombinacija ferita i cementita. Bainit ima ravnotežu čvrstoće i žilavosti, što ga čini pogodnim za mnoge primjene.

Kaljenje, također poznato kao marquenching, proces je koji uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu, obično iznad gornje kritične temperature, a zatim ga kaljenje u tekući medij koji se održava na temperaturi malo višoj od sobne temperature, što se naziva ne- izotermno kaljenje.

Ovaj proces rezultira stvaranjem mikrostrukture nazvane martenzit, koja je vrlo tvrda i krta. Metal se zatim kali kako bi se poboljšala njegova žilavost i rastegljivost.

Što je karburizacija?

Naugljičavanje je postupak toplinske obrade koji se koristi za povećanje sadržaja ugljika na površini željeznog metala.

Proces uključuje zagrijavanje metala na visoku temperaturu, obično između 900-950°C, u prisutnosti atmosfere bogate ugljikom ili spoja bogatog ugljikom kao što je plin, tekućina ili krutina.

Ugljik difundira u površinu metala, tvoreći otvrdnuti površinski sloj otporan na habanje poznat kao kućište.

Naugljičavanje se može izvesti na nekoliko načina, a najčešći su:

• Plinsko pougljičenje: Metal se zagrijava u zatvorenoj komori koja sadrži plin bogat ugljikom poput metana ili propana.
• Tekuće pougljičenje: metal se zagrijava u zatvorenoj komori koja sadrži tekućinu bogatu ugljikom kao što je solna kupelj ili uljna kupelj.
• Pakiranje pougljičenja: Metal se puni spojem bogatim ugljikom kao što je drveni ugljen ili ugljični prah, a zatim se zagrijava.

Dubina kućišta i konačni sadržaj ugljika mogu se kontrolirati mijenjanjem temperature, vremena i potencijala ugljika atmosfere ili spoja koji se koristi. Nakon naugljičavanja obično slijedi proces koji se naziva kaljenje, koji očvršćava kućište i jezgru metala.

Što je nitriranje?

Nitriranje je postupak toplinske obrade koji se koristi za povećanje površinske tvrdoće i otpornosti na trošenje metala.

Proces uključuje zagrijavanje metala u atmosferi koja sadrži dušik, obično na temperaturi između 500-550°C. Dušik difundira u površinu metala, stvarajući otvrdnuti površinski sloj otporan na habanje poznat kao nitridno kućište.

Postoji nekoliko metoda nitriranja, a najčešće su:

• Plinsko nitriranje: metal se zagrijava u zatvorenoj komori koja sadrži plin bogat dušikom kao što je amonijak ili dušik.
• Ionsko nitriranje: metal se zagrijava u zatvorenoj komori i bombardira ionima dušika.

Dubina kućišta nitrida i konačni sadržaj dušika mogu se kontrolirati mijenjanjem temperature, vremena i potencijala dušika atmosfere ili korištenog spoja.

Open this in UX Builder to add and edit content