Termička obrada čelika

Lična karta:
Ime: čelik Datum rođenja: početak 1. veka p. n. e. Godišnja proizvodnja: 1,13 milijardi tona (u 2005. godini)
Fizičko-hemijske osobine:
Specifična težina: 7850 kg/m³
Alotropske modifikacije železa:
α-železo (PROSTCK — Prostorno centrirana kubna rešetka) γ-železo (POVCK — Površinski centrirana kubna rešetka) δ-železo (PROSTCK — Prostorno centrirana kubna rešetka) ξ-železo (HGR — Haksagonalna gustosložena rešetka)
Mikrokonstituenti u čeliku i gvožđu:
Austenit Beinit Martenzit Cementit (Fe-karbid; Fe3C) Ledeburit (eutektička faza sa 4,3% ugljenika karakteristična samo za gvožđe) Ferit Perlit

Termička obrada čelika služi za promenu svojstava čelika i njegovo prilagođavanje. Sastoji od iz tri faze: zagrevanja do određene temperature, zadržavanja na izabranoj temperaturi i hlađenja. Pri tome, zavisno od temperature i vremena zagrevanja, mogu nastati fazne promene u čeliku ili samo difuzije prisutnih elemenata.

Postoje različiti načini podele metoda termičke obrade čelika, a jedan od njih je na:

1. Žarenje
2. Normalizacija
3. Kaljenje
4. Otpuštanje i
5. Starenje (čelika)

Žarenje

Žarenje je postupak termičke obrade zagrevanjem delova do određene temperature, na kojoj se zadržavaju izvesno vreme, a zatim se polako hlade. Razlikuju se sledeće vrste žarenja:

• homogenizaciono žarenje
• meko žarenje
• rekristalizaciono žarenje

Homogenizaciono žarenje

Izvodi se u cilju ujednačavanja hemijskog sastava čelika, obično nakon livenja ili nekog drugog tehnološkog procesa, koji dovodi do pojave nehomogenosti strukture. Izvodi se na relativno visokim temperaturama (1000 do 1300 °C), da bi se omogućila brza difuzija prisutnih elemenata i ujednačavanje hemijskog sastava, po celoj zapremini. Pri tome dolazi do ukrupnjavanja zrna, pa nakon ovog žarenja čelik ima malu čvrstoću i tvrdoću, malo ojačava usled deformacije i pogodan je za obradu rezanjem. Nakon mehaničke obrade, žareni delovi se obično podvrgavaju nekom od završnih vidova termičke obrade, kao što su kaljenje i otpuštanje.

Brzina zagrevanja pri homogenizacionom žarenju nema bitnog uticaja na svojstva, kao što utiču vreme, temperatura žarenja, kao i brzina hlađenja. Sa porastom temperature i vremena žarenja ostvaruje se homogenija struktura, dok mala brzina hlađenja žarenog čelika omogućuje zadržavanje mekane strukture, bez unutrašnjih naprezanja do sobne temperature.

Meko žarenje

Izvodi se sa ciljem poboljšanja mašinske obradivosti i pripreme strukture za kaljenje. Žarenje čelika se izvodi na temperaturama od 650 do 750 °C. Dugotrajnim žarenjem u oblasti A1 temperature nastaje sferoidizacija lamela cementita tj. prelaz lamelarnog perlita u zrnasti. Usled promene oblika i veličine čestica cementita znatno se poboljšava obradivost rezanjem i obradivost deformisanjem. Najpogodnija struktura meko žarenog čelika je feritna sa okruglim česticama karbida srednje veličine. U slučaju veoma sitnih čestica karbida, čelik ima veliku čvrstoću i tvrdoću, pa se zbog toga teško obrađuje, dok u slučaju krupnih čestica karbida, čelik ima preveliku žilavost, usled čega, pri rezanju nastaje trakasta strugotina, koja je nepogodna. Obrađena površina žilavih čelika je takođe slabijeg kvaliteta. Nakon mekog žarenja izvodi se veoma sporo hlađenje.

Rekristalizaciono žarenje

Rekristalizaciono žarenje se zvodi sa ciljem vraćanja svojstava plastičnosti čeliku, koji je prethodno bio deformisan u hladnom stanju. Efekat zagrevanja se ogleda u smanjenju čvrstoće i tvrdoće, uz istovremeno povećanje svojstava deformabilnosti. Pri deformisanju u hladnom stanju nastaju strukturne promene koje se karakterišu pojavom velikog broja dislokacija i drugih grešaka u kristalnoj strukturi metala i povećanjem nivoa njegove energije, obezbeđujući pokretačku silu za odvijanje procesa oporavljanja i rekristalizacije. Pri tome oporavljanje obuhvata promene koje nastaju na nivou kristalne rešetke, kao što je ispravljanje elastično deformisanih delova rešetke, kretanje tačkastih defekata i dislokacija unutar rešetke i njihovo pravilno raspoređivanje, zatim poništavanje izvesnog broja tačkastih i linijskih grešaka u rešetki, dok rekristalizacija predstavlja stvaranje novih ravnoosnih zrna od prethodno deformisanih.

Novo formirana zrna rastu, pri daljem zagrevanju ili držanju na visokim temperatura. Da bi se razlikovao proces rekristalizacije od rasta zrna, u literaturi se takođe koriste i izrazi primarna i sekundarna rekristalizacija.

Pri oporavljanju mogu nastati sledeće promene u strukturi: intersticijski smešteni atomi mogu preći u obližnje praznine i tako smanjiti broj tačkastih grešaka rešetke, zatim dislokacije suprotnog znaka se mogu poništiti, takođe dovodeći do izvesnog smanjivanja broja linijskih grešaka rešetke. Pored toga, pojedinačne praznine se mogu spojiti u linijsku grupu praznina, a dislokacije se mogu pomeriti tako da zauzmu pravolinijski raspored u kristalnoj rešetki odnosno mogu da formiraju malougaonu granicu. Pri tome, broj dislokacija ostaje isti, ali je njihova energija smanjena. Proces sređivanja dislokacija se naziva poligonizacija.

Pri oporavljanju se mogu promeniti fizičke karakteristike deformisanog metala kao npr. električni otpor, dok mehanička svojstva ostaju približno ista.

Rekristalizacija nastaje mehanizmom nastajanja centara rekristalizacije i rasta kristala, slično kao pri kristalizaciji iz rastopa. Proces rekristalizacije se aktivira zagrevanjem a energija potrebna za odvijanje ovog procesa se oslobađa usled smanjivanja broja dislokacija deformisanog metala. Posle rekristalizacije mehanička svojstva se znatno menjaju dostižući vrednosti pre deformisanja.

Broj centara rekristalizacije i brzina rasta novih kristala zavisi od stepena prethodne deformacije i temperature na kojoj se odvija deformacija. Veličina zrna posle rekristalizacije može biti veća ili manja u odnosu na veličinu zrna pre deformacije.

Postoji neka kritična vrednost stepena deformacije, do koje nema promene veličine, odnosno ne dolazi do rekristalizacija. Razlog za ovo je taj što je isuviše mala energija uneta i akumulirana u metalu pri deformaciji, tako da proces rekristalizacije ne može da se pokrene. Ukoliko pri zagrevanju metala deformisanog sa kritičnom stepenom deformacije proces rekristalizacije krene, raspoloživa razlika slobodnih energija može da obezbedi mali broj centara rekristalizacije, prodes rekristalizacije se odvija sporo i nastaju veoma krupna zrna. Povećanjem stepena deformacije unosi se veća energija u strukturu deformisanog metala, tako da proces rekristalizacije počinje na većem broju mesta u deformisanoj strukturi i sve brže se odvija, a zbog većeg broja centara rekristalizacije struktura je postaje sitnozrnasta.

Temperatura rekristalizacije nije čvrsto određena karakteristika metala (kao npr. temperatura topljenja). već se kreće u širim granicama, zavisno od stepena deformacije, vremena zagrevanja, veličine zrna deformisane strukture i hemijskog sastava. Minimalna vrednost ove temperature iznosi oko 0,4Tt tj. 450 °C za gvožđe, a za ugljenične čelike obično iznosi od 450 do 600 °C. Temperatura pri kojoj se hladno deformisani metal rekristališe u toku 1 sata se smatra temperaturom rekristalizacije. Ukoliko se deformisanje odvija na temperaturi koja je iznad temperature rekristalizacije, onda deformisanje izaziva rekristalizaciju koja se istovremeno odvija sa deformisanjem, pa se tada radi o deformaciji u toplom stanju. Zbog istovremenog odvijanja deformisanja i rekristalizacije nema ojačavanja metala i pada deformabilnosti. Ovaj vid rekristalizacije se naziva i dinamička rekristalizacija.

Pojava rasta zrna nakon rekristalizacije nije pogodna, jer dovodi do smanjenja žilavosti metala. Pojava sekundarnog rasta zrna je moguća pri zagrevanju jako deformisanog metala na visoke temperature.

Normalizacija

Normalizacija predstavlja zagrevanje čelika u cilju obrazovanja austenitne strukture i hlađenja u mirnom vazduhu. Oblast temperatura normalizacije čelika je prikazana na slici 5-4. Pri tome usled faznih transformacija nastaje usitnjavanje metalnih zrna i homogenizacija strukture. Ova struktura se naziva normalna struktura, jer se sve promene strukture izazvane kaljenjem, žarenjem, deformisanjem, zavarivanjem uklanjaju normalizacijom. Usitnjavanje strukture nastaje tako što se pri zagrevanju ne menja značajno veličina zrna, jer iz svakog zrna ferita ili perlita nastaje zrno austenita, ali pri hlađenju iz jednog zrna austenita nastaje više zrna ferita ili perlita.

Normalizacijom se znatno poboljšavaju mehanička svojstva čelika kao što su napon tečenja, zatezna čvrstoća, izduženje, suženje poprečnog preseka i žilavost. Finoća normalizovane strukture zavisi od brzine zagrevanja, vremena držanja i brzine hlađenja. Ukoliko je veća brzina zagrevanja, kraće držanje na temperaturi normalizacije i niža temperatura, utoliko je struktura posle normalizacije finija. Veća brzina zagrevanja i kraće držanje ne dozvoljavaju porast zrna pri austenitizaciji a veća brzina hlađenja dovodi do pojave većeg broja centara prekristalizacije i samim time sitnozrnastije strukture.

Kaljenje

Kaljenje čelika je postupak obrade čelika zagrevnjem na temperature od 750 do 950 °C, posle čega se zadržava na toj temperaturi, a zatim brzo hladi. Cilj kaljenja je povećanje tvrdoće i čvrstoće čelika. Zagrevanje se vrši do dobijanja austenitne strukture (čvrst rastvor ugljenika u gvožđu), znatno veće čvrstoće od: ferita i perlita. Delovi se zagrevaju po posebnom režimu, u zavisnosti od vrste čelika, oblika dela, vrste peći i rashladnog sredstva. Brzim hlađenjem austenita nastaju strukture kaljenja: martenzit, beinit, trustit i sorbit.

Martenzit predstavlja presićeni čvrst rastvor ugljenika u rešetki gvožđa. Ima tetragonalnu rešetku i nastaje bezdifuzionom transformacijom austenita, pri brzom hlađenju.

Beinit je prelazna struktura koja ima karakteristike i bezdifuzione i difuzione transformacije austenita. Transformacija se odvija bezdifuzionim putem, a na kraju ove transformacije nastaje submikroskopsko izdvajanje čestica cementita.

Trustit i sorbit predstavljaju smešu ferita i cementita, koja nastaje difuzionom transformacijom austenita, a međusobno se razlikuju po veličini lamela cementita. Ukoliko se lamele cementita povežaju više od 2000 puta, onda se radi o trustitu, a ukoliko se lamele mogu uočiti pri većim povećanjima svetlosnog mikroskopa (500 do 2000 puta) onda se radi o sorbitu. Pri manjim povećanjima (100 do 500 puta) dobijena struktura se naziva perlit.

Kaljenje se može različito izvoditi. Postoje:

• Zapreminsko, koje može biti kontinualno, u dva rashladna sredstva, stepenasto (sa prekidom) i izotermalno
• Površinsko kaljenje se izvodi samo kontinualno, u jednom rashladnom sredstvu, tako što se zagrejani predmet potopi u rashladno sredstvo i ostavi dok se ne ohladi.

Zavisno od vrste čelika zagrevanje se vrši od određene temperature:

• Podeutektoidni čelici se kale iz oblasti austenita, sa temperature koja je za 20 do 50 °C iznad GS linije. Kod njih, kaljenje sa nižih temperatura nije pogodno, jer nastaje struktura koja sadrži ferit (meka faza), koji umanjuje efekte kaljenja.
• Nadeutektoidni čelici se kale iz dvofazne oblasti (austenit sa česticama sekundarnog karbida), jer čestice karbida koje ostaju u strukturi posle kaljenja dodatno povećavaju tvrdoću čelika i otpornost na habanje. Međutim, pre kaljenja čelik treba podvrgnuti mekom žarenju da bi se čestice karbida usitnile. U suprotnom, nerastvorene lamele cementita na granicama zrna dovode do pojave krtosti kaljenih čelika. Kaljenje nadeutektoidnih čelika iz austenitne oblasti bi dovelo do većih termičkih i strukturnih naprezanja i pojave veće količine zaostalog austenita posle kaljenja.

Vreme držanja na temperaturi kaljenja treba da bude dovoljno da se predmet potpuno progrej. U slučaju da se čestice karbida ne rastvore u austenitu, dobija se manji sadržaj ugljenika u austenitu, pa su slabiji efekti ojačavanja čelika. Takođe, predugo vreme držanja na temperaturi austenitizacije dovodi do rasta austenitnog zrna nakon rastvaranja karbida, pri čemu se formira krupnoigličasti martenzit, koji ima manju žilavost od sitnoigličastog. Kada austenit sadrži veći procenat ugljenika, on je stabilniji pri kaljenju, pa nakon kaljenja zaostaje veća količina austenita.

Brzina hlađenja treba da bude dovoljno velika da se ostvari zahtevana struktura čelika (npr. martenzit), međutim, kaljenje treba izvoditi što blažim rashladnim sredstvima da bi nastala što manja unutrašnja naprezanja. Najjače rashladno sredstvo je ledena i/ili slana voda, zatim redom slede: voda sobne temperature, topla voda, ulje, komprimovani vazduh, miran vazduh itd.

Ako se koriste dva rashladna sredstva, prvo se potapanje vrši u jače rashladno sredstvo, da bi se izbeglo stvaranje perlita u oblasti difuzione transformacije austenita, a zatim se predmet prebaci u slabije rashladno sredstvo, da bi se smanjila unutrašnja naprezanja pri bezdifuzionoj, martenzitnoj transformaciji. Ovaj način kaljenja se primenjuje kod legiranih čelika veće tvrdoće, koji su skloni pojavi prslina pri kaljenju.

Stepenasto kaljenje

Prvo se predmet potopi u rastop metala ili soli, sa određenom temperaturom, koja treba da bude veća od temperature početka transformacije austenita u martenzit. Pri tome, brzina hlađenja predmeta u rastopu soli ili metala mora biti dovoljno velika. Predmet ostaje u rastopu soli, sve dok se njegova temperatura ne ujednači po celoj zapremini, a li tako da ne dođe do transformacije austenita u beinit. Nakon toga predmet se prenosi u drugo rashladno sredstvo i nastavlja se sa hlađenjem do sobne temperature, pri čemu nastaje transformacija austenita u martenzit. Pošto je temperatura predmeta ujednačena, martenzitna transformacija je ravnomernija i dolazi do manjih unutrašnjig naprezanja. Stepenasto kaljenje posebno se primenjuje, kada je predmet složenog oblika i promenljivog poprečnog preseka da bi se smanjilo njihovo krivljenje.

Izotermalno kaljenje

Izotermalno kaljenje se formalno izvodi na sličan način kao stepenasto kaljenje, ali je drugi mehanizam kaljenja u odnosu stepenasto kaljenje. Temperatura rastopa soli ili metala u koji se potapa zagrejani predmet je viša nego kod stepenastog kaljenje, a bira se u zavisnosti od željene strukture. Izvodi se u slučaju kada treba obezbediti ravnomernu, kontrolisanu transformaciju austentita u trustit ili sorbit.

Otpuštanje

Otpuštanje predstavlja vid termičke obrade kojim se povećava žilavost čelika, deformabilnost i smanjuju unutrašnja naprezanja usled kaljenja. Temperatura otpuštanja se kreće u rasponu od 100 do 700 °C. Razlikuje se

• niskotemperaturno (150 do 250 °C)
• srednjotemperaturno (350 do 450 °C) i
• visokotemperaturno (550 do 650 °C) otpuštanje.

Zavisno od temperature otpuštanja, u strukturi kaljenog čelika nastaju manje ili veće promene nestabilnih struktura kaljenja, počev od ograničene difuzije atoma ugljenika, zatim izdvajanja čestica cementita i na kraju rekristalizacije metalne osnove. Vreme držanja treba da omogući potpuno odvijanje faznih promena karakterističnih za izabranu temperaturu otpuštanja:

• Niskotemperaturnim otpuštanjem se postižu najmanje promene čvrstoće kaljenog čelika. Pri zagrevanju martenzita od 150 do 250 °C nastaje pomeranje atoma ugljenika unutar rešetke martenzita i smanjenje stepena tetragonalnostim, pri čemu nastaje izvesno smanjenje tvrdoće, čvrstoće i unutrašnjih napona, a povećava se žilavost. Martenzit otpuštanja zadržava igličasti izgled martenzita kaljenja, a usled otpuštanja dobija tamniju nijansu. Ostale strukture kaljenja (trustit, sorbit itd.) se ne menjaju pri niskotemperaturnom otpuštanju.
• Srednjotemperaturno otpuštanje dovodi do značajnijih promena mehaničkih karakteristika u smeru smanjenja čvrstoće i povećanja žilavosti. U strukturi martenzita kaljenja nastaje izdvajanje veoma sitnih čestica cementita pored već navedenog prelaza u kubni martenzit, dok se još uvek zadržava karakterističan izgled martenzita. Pri srednjotemperaturnom otpuštanju lamelarnog trustita kaljenja nastaje zrnasti trustit otpuštanja. Sa povišenjem temperature otpuštanja nastaje ukrupnjavanje karbida tako da oni postaju vidljivi optičkim mikroskopom.
• Pri visokotemperaturnom otpuštanju nastaje rekristalizacija feritne osnove i struktura gubi igličasti izgled karakterističan za kaljeno stanje. Karbidi toliko porastu da postaju jasno vidljivi optičkim mikroskopom i imaju zrnasti oblik. U nižem opsegu temperatura visokotemperaturnog otpuštanja nastaje sorbit a pri višim temperaturama perlit otpuštanja.

Ojačavanje površinskih slojeva

Odavno je poznat značaj stanja površina mašinskih delova na njihovo ponašanje u radnim uslovima. Radno optererećenje se direktno prenosi preko površine i ona je najjače opterećena. Ojačavanjem površinskih slojeva mašinskih delova značajno se može povećati ljihov radni vek i smanjiti cena, posebno ako se radi o delovima velikih dimenzija. Pri tome se osnovni materijal tako dimenzioniše da može da izdrži radna opterećenja i zadrži prvobitni oblik i dimenzije a površinski sloj se podesi tako da ima dobru otpornost na habanje i/ili korozionu postojanost. U nekim slučajevima ojačavanja površina, formira se i međusloj, koji može biti nepohodan iz tehnoloških razloga ili se on formira da bi smanjila mogućnost pojave i prenošenja prslina iz površinskog, tvrdog sloja u osnovni materijal pri termičkoj obradi ili zagrevanju površinskog sloja usled rada. Međuslojem se, takođe, može smanjiti difuzija između ojačanog sloja i osnovnog materijala. Ukoliko se pri formiranju ojačanog sloja stvaraju i prednaponi pritiska u njemu, onda takav sloj ima povećanu dinamičku čvrstoću čelika. Postupci ojačavanja površina čelika se mogu svrstati u tri grupe:

• mehanički postupci ojačavanja površina (sačmarenje, valjanje)
• termički postupci (indukciono ili plameno površinsko kaljenje, pretapanje površinskih slojeva)
• termo-hemijski postupci (cementacija, nitriranje, jonsko nitriranje i dr.)

Kada se razmatra ojačavanje površina čelika treba dodati i postupke nanošenja tvrdih slojeva na površinu čelika iz omekšale, tečne ili gasne faze.

Ojačavanje mehaničkim postupcima

Deformaciono ojačavanje tankog sloja na površini čelika dovodi do stvaranja unutrašnjih napona u čeliku, koji su posledica razlika u stepenu deformacija počev od površine ka unutrašnjosti. Prednaponi pritiska koji ostaju posle deformacije smanjuju mogućnost pojave prslina usled radnih napona zatezanja. Najbolji efekti ojačavanja se postižu u slučaju kada je ojačani sloj velike površine a male debljine.

Sačmarenje. Postupak se izvodi tako što se mlaz sitnih čeličnih kuglica (sačme) usmeri na površinu predmeta uz pomoć sabijenog vazduha. Usled udara čeličnih kuglica u površinu predmeta, površina se plastično deformiše i usled toga ojačava. Pri tome se usled plastične deformacije javljaju zaostali naponi.

Habanje

Ojačavanje površine čelika smanjuje habanje površine i produžava radni vek a prednaponi pritiska povećavaju dinamičku čvrstoću tako da se mašinski deo može opteretiti većim zateznim naponima. Ovaj postupak je pogodan za ojačavanje površina termički obrađenih i delova kovanih na povišenim temperatura, jer se sačmarenjem ujedno i očisti površina od oksida. Takođe se mogu sačmariti i delovi koji su složenijeg i nesimetričnog oblika. Na stepen ojačavanja i kvalitet površine utiču: veličina i brzina kuglica, vreme sačmarenja, ugao snopa kuglica u odnosu na površinu i sl.

Valjanje

Ovaj postupak je u suštini isti kao prethodni, ali se može primeniti na ravanski ili osno simetrične delove trakastog ili pločastog oblika. Pri prolazu takvih delova između valjaka sa tačno izabranim stepenom deformacije i prečnikom valjaka izaziva se deformacija površinskih delova i odgovarajuće ojačavanje. Osim sačmarenja i valjanja mogu se primeniti i drugi postupci deformacije da bi se lokalno deformisali mašinski delovi u cilju povećanja dinamičke čvrstoće.

Ojačavanje termičkim postupcima

Pri ovim postupcima ojačavanje površina nastaje usled nekog postupka zagrevanja pri čemu se hemijski sastav površine ne menja. U ovu grupu postupaka spada indukciono i plameno kaljenje, kaljenje elektronskim snopom, kaljenje laserom, kaljenje potapanjem u rastop i sl. Ovim postupcima se podvrgavaju nelegirani ili niskolegirani čelici sa sadržajem ugljenika od 0,35 do 0,8%. Tvrdoća okaljenog sloja raste sa povećanjem sadržaja ugljenika a tvrdoća osnovnog materijala zavisi od prethodne termičke obrade.

Plameno kaljenje

Izvodi se zagrevanjem površina gasnim plamenom i odmah nakon toga se vrši hlađenje mlazom vode.

Zagrevanjem treba da se u površinskom sloju ostvari austenit, koji se brzim hlađenjem transformiše u martenzit. Dubina zakaljene zone zavisi od temperature plamena, brzine pomeranja plamena i hemijskog sastava čelika. Za zagrevanje površine može se koristiti plamen acetilena, kerozina i dr. Plamen acetilena ima temperaturu od 3.200 °C, brzo zagreva površinu ali postoji veća mogućnost pregrevanja površine, dok je plamen kerozina niže temperature (2.300 °C) ali su troškovi zagrevanja kerozinom veći u odnosu na zagrevanje acetilenom. Oblik gorionika treba da bude prilagođen obliku površine koja se kali, ali se može tolerisati veće odstupanje oblika u odnosu na postupak indukcionog kaljenja. Nakon površinskog kaljenja izvodi se niskotemperaturno otpuštanje.

Indukciono kaljenje

Zasniva se na pojavi vihornih struja u površinskom sloju čelika pod uticajem magnetnog polja induktora, slika 5-10. Induktor predstavlja bakarni provodnik oblikovan prema mašinskom delu koji se površinski ojačava. Metoda je pogodna za delove konstantnog poprečnog preseka i prostijeg oblika. Induktori većih snaga se hlade vodom koja se kreće kroz šuplji bakarni provodnik. Induktor zagreva površinu čelika do austenitne oblasti a zatim se ona hladi mlazom vode, ili ako je predmet pogodnog oblika odvođenjem toplote kroz okolni materijal prema nezagrejanom delu predmeta. Dubina zakaljenog sloja zavisi od učestanosti naizmenične struje, brzine pomeranja induktora i hemijskog sastava čelika. Prednosti ovog postupka u odnosu na plameno kaljenje su čistije površine, manje rasipanje energije, preciznije regulisanje procesa a nedostaci su skuplja aparatura (transformator i uređaj za regulaciju) i to što postupak nije pogodan za delove složenog i nesimetričnog oblika. Kaljenje laserom. Kao izvor toplote kod ove metode se koristi laserski snop svetlosti. Pomeranjem snopa po površini (ili obrnuto pomeranjem predmeta) zagreva se površina duž linije pomeranja. Zbog velike koncentracije energije zagrevanje se izvodi obično impulsno i nakon prestanka dejstva snopa nastaje brzo hlađenje usled odvođenja toplote kroz osnovni materijal. Ukoliko laserski snop ponovo pređe istom putanjom smanjenom snagom nastaje otpuštanje kaljenih oblasti površina. Ova metoda je pogodna za povećanje tvrdoće linijskih oblasti na površini čeličnih delova, kao što su npr. ivice finih mašinskih delova izložene habanju, ivice reznih alata za prosecanje, deformisanje i sl.

Kaljenje površina potapanjem

Postupak kaljenja površinskih slojeva potapanjem u rastop soli (BaCl, KCl) ili metala (Cu-Sn, SL) se izvodi tako što se mašinski deo kratkotrajno potopi u rastop zagrejan na temperaturu, koja je bar za 100 °C veća od temperature kaljenja. Pri tome se zbog relativno kratkog potapanja zagreje samo površinski sloj koji se narednim hlađenjem okali. Vreme držanja u rastopu se određuje eksperimentalno i zavisi od dimenzija i oblika predmeta koji se površinski kali, od temperature rastopa, vrste čelika i sl.

Ojačavanje termo-hemijskim postupcima

Ovi postupci se karakterišu promenom hemijskog sastava koja nastaje usled difuzije jednog ili više elemenata iz okoline u površinu čelika, na povišenim temperaturama. Može se površina čelika obogatiti ugljenikom (cementacija), azotom (nitriranje), ugljenikom i azotom (cijanizacija), aluminijumom (alitiranje), borom (boriranje) i dr. Takođe, hemijski sastav površine se može promeniti lokalnim legiranjem površine pri čemu se zagrevanje površine izvodi laserom.

Cementacija

Postupak cementacije je najstariji postupak termo-hemijske obrade. Primenjuje se na niskougljenične čelike (sa najviše 0,25% ugljenika), koji imaju veliku žilavost i koji se ne mogu kaliti. Cementacijom se poveća sadržaj ugljenika u površinskom sloju, poveća se prokaljivost, pa se na taj način omogući izrada delova velike površinske tvrdoće sa žilavim jezgrom. Osim ugljeničnih čelika cementacija se izvodi i na niskolegiranim čelicima (hrom, mangan, nikal i/ili molibden). Postupak cementacije se izvodi na temperaturi A3 koja je za nisko ugljenične čelike relativno visoka, preko 900 °C, i pri kojoj je rastvorljivost ugljenika u austenitu preko 1%. Sa povišenjem temperature difuzija se odvija brže, ali istovrmeno postoji mogućnost porasta zrna austenita. Zavisno od sredine u kojoj se odvija cementacija razlikujemo cementaciju u čvrstoj, tečnoj i gasovitoj sredini.

Cementacija u čvrstoj sredini.

Delovi koji se cementiraju rasporede se u zaptivene kutije zajedno sa drvenim ugljem, koksom i alkalnim jedinjenjima i zagreju na temperaturu od 900 do 950 °C. U unutrašnjosti kutije se stvara mešavina ugljen-monoksida i ugljen-dioksida a prisustvo alkalnih jedinjenja ubrzava hemijske reakcije koje dovode do izdvajanja ugljenika u atomskom obliku. Na površini čelika se ugljen-monoksid razlaže na ugljenik i ugljen-dioksid, ugljenik se rastvara u austenitu a ugljen-dioksid reaguje sa užarenim drvenim ugljem stvarajući ponovo ugljen-monoksid. Tokom cementacije prvo na površini čelika poraste sadržaj ugljenika a onda se dalje difuzijom ugljenik premešta prema unutrašnjosti čelika.

Prednosti ovog postupka su jednostavnost i lako izvođenje i u primitivnim uslovima. Ekonomski se isplati cementirati delove velikih dimenzija tako da pakovanje i raspakovanje delova čine srazmerno mali deo ukupnog vremena cementacije. Takođe se mogu ostvariti relativno velike dubine cementacije (koje iznose do 2 mm).

Nedostaci ovog postupka su veliko vreme cementacije (desetine sati), jer je drveni ugalj slab provodnik toplote, kutije treba da budu izrađene od vatrostalnog materijala, da ne bi brzo korodirale, delovi moraju da se termički obrađuju posle cementacije. Kaljenje direktno sa temperature cementaicje nije pogodno, jer je temperatura cementacije znatno veća od temperature kaljenja, pa se delovi moraju prvo ohladiti a onda ponovo zagrejati.

Cementacija u tečnoj sredini.

Delovi koji treba da se cementiraju zagrevaju se u rastopu soli na 850 do 930 °C. Obično se koriste smeše soli koje sadrže pre svega natrijum-cijanid (NaCN), iz koga se izdvaja slobodni ugljenik, zatim hloride koji usporavaju razlaganje i jedinjenja barijuma ili stroncijuma, koji ubrzavaju prelaz ugljenika u površinu čelika. Pri razlaganju cijanida izdvaja se i nešto azota, koji povoljno utiče na cementaciju.

Prednosti cementacije tečnoj sredini su brže odvijanje procesa zagrevanja, jer se toplota direktno prenosi sa rastopa na delove koji se cementiraju. Takođe se može ostvariti ušteda energije pošto se delovi mogu direktno kaliti sa temperature cementacije.

Nedostaci ovog postupka su nestabilnost tečnog sredstva za cementaciju, ono se razlaže i u dodiru sa vazduhom, tako da mora prekriti grafitom. Sposobnost tečnog sredstva za cementaciju se jako menja u toku cementacije, tako da se mora održavati dodavanjem nove količine soli. Sredstvo za cementaciju jako nagriza lonac u kome se nalazi i teže se mogu zaštiti delovi površine koji ne treba da se cementiraju.

Cementacija u tečnoj sredini se ekonomski isplati za male delove, koji se cementiraju po celoj površini sa manjim povećanjem sadržaja ugljenika.

Gasna cementacija

Odvija se na isti način kao i cementacija u čvrstoj sredini ali se ugljenik izdvaja iz gasova. Uglavnom se koriste neutralni gasovi koji sadrže ugljenik, npr. gradski ili generatorski gas, iz kojih se moraju ukloniti štetne primese kao što su sumpor-dioksid, ugljen-dioksid, voda i sl. Takođe se mogu koristiti tečni ugljovodonici kao što je npr. propan da bi se podesila količina ugljenika pri cementaciji.

Prednosti postupka gasne cementacije su brzo odvijanje procesa, nema ograničenja u pogledu veličine delova koji se cementiraju ili u pogledu dubine cementacije, proces se može precizno regulisati. Nedostatak je visoka cena uređaja za proizvodnju gasova i regulaciju sastava, parcijalnih pritiska, protoka gasova itd.

Nitriranje

Nitriranje predstavlja termo-hemijski proces obogaćivanja površine čelika azotom. Za razliku od cementacije pri nitriranju samo obogaćivanje površine azotom dovodi do povećanja čvrstoće i tvrdoće, bez dodatne termičke obrade. Naime azot gradi nitride u površinskom sloju čelika što dovodi do značajnog povećanja tvrdoće. Azot se može obezbediti na različite načine u postupku nitiriranja, tako da ojačani sloj ima različita svojstva.

Pri temperaturama nitriranja (od 350 do 580ºC struktura čelika se sastoji od ferita koji može da rastvori do 0,1% azota. Pri nitriranju se prvo formira se tanak sloj na površini (maksimalne debljine do 30 um) sastavljen od dve vrste nitrida železa. U sastav nitrida mogu da uđu i legirajući elementi kao što su aluminijum, hrom, molibden ili vanadijum. Ispod navedenog sloja jedinjenja se formira zona difuzije, koja je do sto puta deblja u odnosu na sloj jedinjenja. U zoni difuzije su takođe prisutni nitridi čija gustina postepeno opada počev od sloja nitrida ka unutrašnjosti čelika. Zbog postepenog prelaza (tj. postepenog smanjivanja sadržaja azota) od zone jedinjenja preko difuzione zone ka unutrašnjosti čelika nitrirani sloj se veoma čvrsto drži na površini. Ukoliko su u nitriranom čeliku prisutni i prethodno navedeni legirajući elementi onda tvrdoća sloja jedinjenja dostiže vrednost od 1500 HV a sloj ima odličnu postojanost prema habanju, ima dobru korozionu postojanost, vatrootpornost i veoma je krt. Difuziona zona ima veći napon tečenja i otpornost prema habanju u odnosu na osnovni materijal. Zavisno od postupka razlikujemo nitriranje u gasnoj, tečnoj sredini i nitriranje u plazmi.

Gasno nitriranje. Za ovaj postupak se koristi amonijak koji je na temperaturi nitriranja od 500 ºC u gasnom stanju. Pri njegovom razlaganju na navedenoj temperaturi oslobađa se atomizirani azot, koji prelazi u površinu čelika. Posle nitriranje u trajanju od 20 časova nitrirani sloj je debljine 0,3 mm. Hlađenje se odvija spora da se ne bi unosili naponi zatezanja.

Nitriranje u tečnoj sredini. Kao sredstvo za nitriranje se koristi rastop cijanida i cijanata na temperaturi od 550 do 580ºC. Na ovim temperaturama ferit apsorbuje samo azot a ne i ugljenik, koji se takođe oslobađa iz rastopa cijanida i cijanata.

Primena ovih postupaka nitriranja je u izvesnoj meri ograničena neprijatnim mirisom amonijaka i štetnim delovanjem cijanida, iako postupak nitriranja ima značajne prednosti, kao npr. nije potrebna termička obrada posle nitriranja, jer je temperatura nitriranja relativno mala, ne dolazi do promena dimenzija posle nitriranja alatnih čelika, nitrirani sloj ima odlične radne karakeristike, postupak nije preterano dug i sl. Kao nedostatak ovog postupka nekad se može javiti nemogućnost da se relativno lako ostvari veća debljina sloja.

Postupak nitriranja se primenjuje za ojačavanje površina navojnih vretena, puževa ekstrudera i presa za plastične mase, zupčanika i drugih delova za menjače i motore, hidrauličnih cilindara, pumpi i dr. Nitriranje u plazmi. Predstavlja noviji postupak nitriranja. Plazmeno stanje gasa se ostvaruje u vakuumiranoj komori u uslovima tinjavog pražnjenja. Predmet koji se nitrira negativno se naelektriše (katoda) i pomoću jednosmerne struje, napona do 300 V, pozitivni joni azota se usmeravaju prema predmetu. Kinetička energija jona azota se pretvara u toplotu pri udaru u površinu predmeta, tako da se on zagreje na 470 do 580ºC. Formirana zona jedinjenja je tanja u odnosu na sloj formiran pri prethodno opisanom nitriranju i sastavljena samo od jedne vrste nitrida, tako da ima veću žilavost u odnosu na druge postupke nanošenja tvrdih slojeva.

Prednosti nitriranja u plazmi su veće mogućnosti uticanja na procesa nitriranja pomoću regulacije temperature, napona, atmosfere i vremena nitriranja.

Lasersko legiranje

Postupak se legiranja se izvodi na sledeći način. Površina koja se legira se prekrije praškastim legirajućim materijalom i zatim dejstvom lasera stopi. Pri tome se izmeša stopljeni čelik sa legirajućim elementima i zajedno očvrsne. Stepen legiranosti površinskog sloja čelika zavisi od debljine sloja praškastog legirajućeg materijala, debljine stopljenog sloja čelika, temperature stopljenog sloja i vremena u toku koga je sloj u tečnom stanju, kao i drugih faktora. Prednost ovog postupka legiranja su velike mogućnosti u pogledu ostvarivanja različitog hemijskog sastava na veoma malim površinama, koje mogu imati i složen oblik, zatim ostvarivanja slojeva teško topljivih metala na čeliku i sl.

Nanošenje tvrdih slojeva na površinu čelika

Nanošenje tvrdih slojeva na površinu čelika se izvodi sa istim ciljem kao i ojačavanje površina čelika. Debljina i svojstva nanesenog sloja mogu biti različite, zavisno od postupka nanošenja i agregatnog stanja materijala koji se nanosi na površinu čelika. Formiranje tvrdih slojeva na površini čelika predstavlja podgrupu veće grupe postupaka nanošenja slojeva na različitim materijalima u cilju poboljšanja korozione postojanosti, izgleda ili drugih svojstava površina. Takođe, može biti naneto više slojeva sa različitom namenom na površini predmeta.

U cilju povećanja čvrstoće i tvrdoće površinskih slojeva mašinskih delova mogu se primeniti sledeći postupci: potapanje delova u rastopljeni metal, prskanje rastopljenog metala ili legure na površinu čelika, navarivanje, taloženje iz parne faze i galvansko nanošenje slojeva. Od navedenih postupaka posebno treba izdvojiti taloženje iz parne faze, postupci kojima se ostvaruju veoma tanki, veoma tvrdi slojevi koji odlično prianjaju za površinu čelika. Razlikuje se fizičko (PVD) i hemijsko (CVD) taloženje iz parne faze.

Fizičko taloženje iz parne faze PVD

Dobijaju se slojevi čistih metala na površini mašinskih delova (aluminijum, hrom, nikal, titan i dr.) slojevi jedinjenja (karbidi titana, tantala, molibdena, nitridi titana, tantala, molibdena, borid železa i dr.), kao i slojevi nemetala (polimeri, ugljenik u obliku dijamanta). Materijal koji se taloži, prvo se dovodi u parnu fazu isparavanjem u vakuumu. Posle toga se čestice isparenog materijala usmeravaju električnim poljem na negativno naelektrisanu površinu čelika, koji treba da se ojača. Postupak se izvodi na relativno niskim temperaturama koje iznose od 200 do 500 °C. Debljina formiranog sloja je reda mikrometara. Da bi sloj bio jednake debljine delovi komplikovanog oblika moraju planetarno rotirati u radnom prostoru komore za PVD postupak. Prednost ovog postupka je niska temperatura procesa, pri čemu se mogu nanositi slojevi na završno obrađene delove, bez potrebe za dodatnom termičkom ili mehaničkom obradom. Najčešće se primenjuje za nanošenje slojeva nitrida titana, na rezni alat od brzoreznog čelika ili tvrdih legura.

Hemijsko taloženje iz parne faze (CVD)

Kod ovog postupka tvrdi sloj nastaje reakcijom gasova na površini čelika, koji se ojačava pri relativno visokim temperaturama (1000ºC). Takođe se mogu formirati slojevi čistih metala (molibden, nikal), jedinjenja (karbidi titana, volfama, silicijuma, nitridi titana, bora, oksid aluminijuma i dr.) Kretanje čestica u komori nije usmereno tako da se formira ravnomerni sloj bez potreba preduzimanja posebnih mera. Pri rekciji hemijskog taloženja nastaju sporedni produkti hemijske reakcije koji se moraju uklanjati iz komore. Kao primer za CVD postupak može da posluži izdvajanje i taloženje karbonitrida titana iz smeše hlorida titana, metana i azota:

TiCl₄ + CH₄ + N₂ $\rightarrow$ Ti(CN) + 4HCl

U ovoj reakciji na površini metala se izdvaja karbonitrid titana, a sporedni produkt je hlorovodonična kiselina (HCl). Da bi se proces odvijao brzo, temperatura mora biti visoka. Poboljšanje procesa se sastoji u zameni hlorida cijanidima pri čemu se temperatrura može spustiti na 700 do 900 °C. Dalje sniženje temperature (na 300 do 700ºC) je moguće ako se ostvari plazmeno stanje u komori pomoću električnog polja. Time se smanjuje razlika između CVD i PVD postupka. CVD postupkom se najčešće nanosi karbid titana na delove alata za obradu čelika plastičnom deformacijom i rezanjem. Prednost ovog postupka je ravnomernost debljine nanetog sloja a nedostatak je potreba za visokim temperaturama u cilju ubrzanja procesa kao i potreba za dodatnom termičkom obradom čelika.

Vidi još

• Ugljenični čelik
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th izd.). Wiley. ISBN 978-0-471-65653-1. 
• Oberg, E. (1996). Machinery's Handbook (25th izd.). Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2599-8. 
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (4th izd.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-295358-9. 

Spoljašnje veze

• Recubrimientos Avanzados, Carreras, F.Montalà. Grupo, pristup 22.4.2013(jezik: španski)
• [1]