ISSN 1318-0010 KZLTET 32(3-4)265 (1998) ZAKAJ POKA JEKLO PRI KALJENJU? WHY STEEL CRACKS BY QUENCHING? FRANC LEGAT Zabreznica 36, 4274 @irovnica Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 Opisani so napetostno stanje v ka[jencu pri segrevanju in ohlajanju ter vpliv razli~nih dejavnikov na pojav razpok na jeklih. K[ju~ne besede: jeklo, ogrevanje, ohlajanje, mikrostruktura, premene, napetosti, razpoke The stresses in quenchings by heating and quenching of steels as well as the effect of different factors on cracking are explained. Key words: steel, heating, coaling, microstructure, transformations, stresses, cracking 1 UVOD Kalilne razpoke so na orodjih in drugih jeklenih izdelkih nesprejemljive napake, kajti 'e majhna kalilna razpoka uni~i orodje ali strojni del. Kalilna razpoka nastane zaradi prevelikih nateznih napetosti ob povr{ini, ki so posledica mikrostrukturnih sprememb ali prevelikih hitrosti ohlajanja. Nastanek razpok olaj{ajo povr{inske napake in oblika kaljenca. Razpoke nastanejo zaradi napa~no izvedenega kaljenja ali popu{~anja, neprimernega kalilnega sredstva, neprimernega jekla, neprimerne ogrevne pe~i za toplotno obdelavo, konstrukcijske napake ali zaradi obdelovalne ali druge vrste povr{inske napake na jeklu. Razpokam se izognemo, ~e se izognemo vsem vzrokom za njihov nastanek. peraturo pe~i, ~e je hitrost segrevanja prilagojena preseku kaljenca in toplotni prevodnosti jekla. Primer razlike temperature med jedrom in povr{ino za palice z razli~nim presekom prikazuje slika 1. Zaradi temperaturne razlike nastajajo velike natezne napetosti, {e posebej pri velikih presekih in pri jeklih z majhno toplotno prevodnostjo. Pri segrevanju nastajajo na povr{ini tla~ne napetosti, ki lahko povzro-jjo deformacijo oblike kaljenca. Tudi ogrevanje za popu{~anjeje lahko nevarno. Nastajanje razpok je mo'no posebej pri jeklih, ki imajo slabo toplotno prevodnost, majhno ' ilavost in so {e posebej nagnjena k popu{~ni krhkosti. 3 OHLAJANJE 2 OGREVANJE Jeklo se segreva po~asi do rde~e barve P 700°C, nato pa hitreje na kalilno temperaturo. V za~etku segrevanjaje temperaturna razlika med povr{ino in jedrom zelo velika. Razlika se zmanj{uje, ko povr{ina izdelka dose'e tem- 900 600 e 300 1 X v?- // / • / / / / Tî iS 1 rob 1 "— jedro II/ Ih/ / ' / / / I II II «25 *50 I #100 x 100 mn x 125 mn 200 m n m / 12 Čas 16 min 20 24 28 Ohlajanje je pri kaljenju ponavadi zelo hitro in ustvarja pogoje za nastajanje razpok. Gradient temperature in premene ustvarjajo komplicirane natezne napetosti. Ae so te ve~je od trdnosti jekla, nastajajo razpoke. Pri ohlajanju v hladilnih sredstvih pada temperatura na povr{ini hitreje kot v jedru. Razlika ustvarja volumske spremembe in zaradi njih napetosti. Deformacije volumna nara{~ajo s hladilno sposobnostjo kalilnega sredstva. Slika 2 prikazuje volumske spremembe pri kaljenju palice z debelino najbolj uporabljanih kalilnih sredstvih: olju, vodi, zraku in soli. Slika 3 prikazuje temperaturno razliko med povr{ino in jedrom 100 mm de- = 0,04 mm i-----f= --------1 n ! !i ! LL 1 -rpp H : lit s JH—1- 1 920 9 20 'C / voda C / kopel. 220 °C 920"C / olje 920 "C / zrak Slika 1: Aasovno - temp. krivulja za segrevanje palic razl i~ni h premerov v solni kopeli na 1000°C. Po viru 1 Figure 1 : Time-temperature dependence by heating of rods of different thickness to 1000°C in salt bath. Ref. 1 Slika 2: Dimenzijske spremembe pri ohlajanju jeklene plo{~e nelegiranega jekla v vodi, olju, zraku in soli. Po viru 1 Figure 2: Dimension changes by cooling of a steel plate in water, oil, air and salt bath. Ref. 1 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 185 F. LEGAT: ZAKAJ POKA JEKLO PRI KALJENJU? 1000 Slika 3: Temperaturna razlika med povr{ino in jedrom pri kaljenju 100 mm palice izjekla C 100 W 1 v olju in natezne notranje napetosti. Pri tem niso upo{tevane napetosti zaradi spremembe temperature. Po viru 1 Figure 3: Temperature differences between the surface and the core by quenching of a 100 mm rod from C 100 W 1 steel in oil and internal stress. Stresses caused by temperature change are not considered. Ref. 1 bele palice ter napetosti, ki so posledica razlike v temperaturi. Pri ~asu W je temperaturna razlika 500°C, kar ustreza spremembi dol'ine 0.6%. Napetost na povr{ini ka'e krivulja a. Ta se spusti na krivuljo b kasneje pri dalj{em gretju, ko se temperatura povr{ine in jedra izena~ita. Napetosti v jedru ponazarja krivulja c. Po izena~enju temperature se napetosti v palici zmanj{ajo na nivo te krivulje. Po ohladitvi je v preizkusni palici napetostno stanje, ki je prikazano na desnem delu slike 3. Fazna sprememba v perlitu pri ohlajanju jekla z 1% C in 1% W se za~ne pri 700°C po 20 sekundah in je kon~ana po pribli'no eni minuti. Pri 450°C se po dveh sekundah za~ne premena v bainit in se kon~a po 12 sekundah. Pri temperaturi 575°C nastane mikrostruktura iz perlita in bainita. Ko jeklo nato ohladimo nastane pri 220°C prvi martenzit. Volumske spremembe pri razli~nih premenah so 2: Sprememba zrna Volumska sprememba Perlit 4 austenit -4,64 + 2,21.(% C) Austenit 4 martenzit 4,64 - 0,53.(% C) Austenit 4 spodnji bainit 4,64 - 1,43.(% C) Austenit 4 zgornji bainit 4,64 - 2,21. (% c) 4 RAZPOKE V PREKALJENEM ALI POVR[INSKO KALJENEM JEKLU Pri prekaljenju moramo ra~unati z napetostmi na sliki 4, ki se razlikujejo od tistih na sliki 3. Med ohlajanjem do linije Ms pride do skr~ka povr{inske plasti in nastanka nateznih napetosti, ki so uravnote'ene s tla~nimi napetostmi v jedru. Po ~asu t| se za~ne ob povr{ini premena v martenzit, za~ne volumen nara{~ati in se izni~ijo za~etne natezne napetosti. To napetostno stanje se celo pove~a, ker je v nadaljevanju ohlajanja temperaturni padec v je- 274 900 Slika 4: Napetostno stanje na povr{ini in v jedru prekaljene palice f 100 mm iz jekla z 1% C, ohlajenega v vodi. Po viru 1 Figure 4: Stresses at the surface and in the core. Water quenched 100 mm rod from a 1% steel dru ve~ji kot na povr{ini. Ko se temperatura zni'a v jedru pod martenzitno premeno, zraste volumen, ob povr{ini pa nastanejo natezne napetosti, ki lahko pretrgajo kaljenec ponavadi v vzdol'ni smeri. Nevarnost razpokanja se zmanj{uje z zmanj{anjem hitrosti ohlajanja. Aim bolj je jeklo kaljivo, tem milej{e mora biti hladilno sredstvo, da ne pride do kalilnih razpok. Pri povr{insko kaljenih kosih, ki so enakomerno pregreti po vsem preseku, moramo upo{tevati sestavo jekla, dimenzije kaljenca, temperaturo avstenitizacije in ohla-jevalno hitrost. Temperaturo avstenitizacije in vpliv kemi~ne sestave lahko opredelimo iz kalilnih (TTT) diagramov in kalilnih krivulj3. Za jekla, ki ne prekalijo, obstaja cela vrsta diagramov, ki obravnavajo napetosti odvisno od mikrostrukture in oddaljenosti od povr{ine. Na sliki 5 je predstavljen primer evolucije napetostnega stanja v jeklu, kjer perlit nastaja v jedru pred martenzi-tom na povr{ini. Do ~asa tl nastajajo ob povr{ini natezne napetosti, v notranjosti pa tla~ne napetosti. Ko pri to~ki tl za~ne premena v perlit se volumen pove~uje, vendar pa se isto~asno zmanj{uje zaradi padanja temperature. Kateri od obeh vplivov prevlada, niti ni pomembno, v vsakem primeru nastanejo ob povr{ini zelo velike elasti~ne napetosti. V to~ki t2 je pretvorba v perlit kon~ana in za~ne nastajati martenzit v povr{inski plasti, kar ponovno spremeni napetostno stanje. Tla~ne napetosti ob martenzitni povr{ini so lahko zelo velike. Z nara{~anjem debeline martenzitne plasti na povr{ini nara{~ajo tudi natezne napetosti v jedru. KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 F. LEGAT: ZAKAJ POKA JEKLO PRI KALJENJU? Slika 5: Napetostno stanje povr{ine in jedra, pri kaljeni palici f 100 mm iz jekla 125 CrSi 5, ohlajeni v vodi. Po viru 1 Figure 5: Stresses at the surface and in the core. Water quenched 100 mm rod from a 125 CrSi 5 steel 5 DRUGE VRSTE KALILNIH RAZPOK Martenzitna premena napreduje pri izotermnem zadr'evanju, ~e se vzporedno relaksirajo notranje napetosti. To spreminja napetostno stanje in zgodi se, da kaljenec po~i po ve~ urah ali dneh, ~e ni pravo~asno popu{~en. Nevarnost loma se pove~a, ~e se kajjenec po kaljenju podhladi. Zato ga je treba takoj popustiti. Mo~no se zmanj{a mo'nost nastanka razpok, ~e se jeklo ohladi do 50°C in takoj popusti. Velikokrat je za zaostale lome odgovoren vodik, zato je pomembno, da ga je v kaljenem jeklu ~im manj. Malo kaljivo jeklo se ohlaja v vodi (slanici) ali z mo~nim me{anjem v ojju. Kljub u~inkovitemu ohlajanju lahko nastanejo ferit, perlit ali bainit, {e posebej, ~e ima izdelek razne prehode in ogle, ki zadr'ujejo zra~ne me-hur~ke in ovirajo hitrost pretoka hladilnega sredstva. V~asih nastanejo razpoke {ele pri ogrevanju za popu{-anje. Pri orodju z zelo razli~nimi preseki sta odvisna mesto in potek razpok od sestave jekla, na~ina hlajenja in celotne oblike. Pri povr{inskem, plamenskem ali indukcijskem kaljenju lahko zaradi mo~no lokalizirane toplote pride do plasti~nega preoblikovanja in spremembe oblike. Pri nepravilno izbranih pogojih lahko nastane preve-martenzita in zato se nedopustno pove~a volumen. Po ohladitvi na sobno temperaturo so na kaljeni povr{ini natezne napetosti, ki lahko povzro-ijo pravokotne razpoke. Do pregretja pride zaradi neenakomernega ali premajhnega odvoda toplote. Pregreti deli so {e bolj KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 Slika 6: Premene pri kaljenju povr{insko razoglji-ene palice f 25 mm iz jekla 0,5% C, 0,8% Cr in 0,25% Mo, ohlajenega v olju. Po viru 1 Figure 6: Transformations by quenching in oil of a decarburised f 25 mm rod from a 0.5% C, 0.8% Cr, and 0.25% Mo steel. Ref. 1 stisnjeni-nakr-eni in pri ohlajanju se mo~neje skr-ijo. Natezne sile med nakr-enimi conami so tako mo-ne, da lahko povzro-ijo razpoke. Te lahko nastanejo tudi na ra-zoglji-eni povr{ini, ki nastane pri neustreznem ogrevanju za kaljenje (avstenitizaciji). Najve-ja nevarnost za nastanek razpok pri takem kaljencu je pri popolnem prekaljenju. Ob povr{ini je bilo jeklo razoglji-eno na 0,35% C. Pri 550°C je za-el nastajati bainit v razo-glji-eni plasti. Martenzitna premena pri ni'ji temperaturi je ob povr{ini ustvarila natezne napetosti, ki lahko povzro-ijo razpoke v razoglji-eni plasti, ki ima nizko trdnost. Pri mo-nej{em razoglji-enju kaljenci ne razpokajo, ker je feritna plast ob povr{ini duktilna in relaksira natezne napetosti. Z naoglji-enjem in kaljenjem dobimo na povr{ini kaljenca tr{o martenzitno plast, v jedru pa, odvisno od sestave jekla, martenzit, bainit, perlit ali ferit. Pri cemen-tacijskih jeklih so razpoke zelo redko na povr{ini, nastanejo pa lahko, -e se ohladi kaljenec na zraku, ni pa jih pri po-asnem ohlajanju. Ae je ohlajanje dovolj hitro, da je pretvorba v perlit potla-ena, ni nevarnosti nastajanja razpok. Razpoke v cementirani plasti za-nejo 0,5-0,7 mm pod povr{ino, kjer je dele' bainita ve-ji in trdota ni'ja kot v sosednjih conah. Najve- martenzita je v globini 0,9-1,3 mm. Tu je bila hitrost ohlajanja sicer manj{a kot 275 F. LEGAT: ZAKAJ POKA JEKLO PRI KALJENJU? &0 60 40 20 30 20 10 za četek pr etvorbe \ feri ni nos / / / "N. "N. -a. -S / / / ^ 99 •/. prêt ✓ orba - 0--- '--s. nos vmesna stopnja perlitni nos vmesna stopnja perlitni nos 0,2 0,4 Ogljik 0,6 v '/. 1.0 Slika 7: Vpliv vsebnosti ogljika na za~etek nastajanja perlita in zmesnih struktur za jeklo z 0,15% C, 1,5% Ni, 1,5% Cr (15 CrNi 6, A 5420) Figure 7: Influence of carbon content on pearlite and bainite transformations start for a 0.15% C, 1.5% Ni, 1.5% Cr steel (15 CrNi6, A 5420) bli'je pri povr{ini, vendar pa je vsebnost ogljika (0,9%) omogo~ila najhitrej{o transformacijo. Pri 150°C, ko se za~ne pretvorba v martenzit, nastanejo v zunanji coni z bainitno mikrostrukturo natezne napetosti, ki skupaj s karbidi po mejah povzro~ijo razpoke. Glavni vzrok nastanka razpok sta velika koli~ina ogljika in {iroka cona martenzita. Za cementacijska jekla z mo~no premeno v perlit in bainit je potrebno upo{tevati pri izbiri hitrosti ohlajanja ~as obeh premen, ki je odvisen od vsebnosti ogljika v naogjji-eni plasti. Razmere pri premeni jekla 15 CrNi 6 prikazuje slika 7. 6 SKLEP Kalilne razpoke nastanejo ponavadi zaradi nateznih napetosti, povezanih z obliko kaljenca in z napakami, ki so lahko mehanske narave ali pa posledica krhkih faz, nastalih pri kaljenju. Razpoka lahko nastane 'e pri ogrevanju. Z nara{~anjem debeline ali zmanj{evanjem toplotne prevodnosti se pove~a mo'nost nastanka razpoke. Pri ohlajanju nastajajo napetosti zaradi toplotnih gradientov razli~nih presekov kaljenca, sestave jekla in ohlajevalnih hitrosti. Pri prekaljivih jeklih nastanejo velike natezne napetosti ob povr{ini, kjer se razpoke tudi za~nejo. Martenzitne pretvorbe so pri ve~jih premerih kaljenca tudi ~asovno odvisne, zato pride do zaostalih lomov, ~e kaljenci niso popu{~eni. Neenakomerno ohlajanje, neenakomerni preseki in ostri prehodi pogosto olaj{ajo nastanek razpok. Pregretje pri plamenskem ali indukcijskem kaljenju prav tako lahko povzro~ata kalilne razpoke. V praksi sre~amo dostikrat razli~ne razpoke, ki so posledica spleta razli~nih vzrokov. 7 LITERATURA 1 Thelning, K. E.: Warum Reist Stahl beim Härten, Härterei Technische Mitteilungen 25 (1970) 271-281 2 Frescher, J., Lowitzer, O.: Vorgang der Massanderung bei der Wärmebehandlung, Stahl und Eisen 77 (1957) 18, 1221-1233 3 Rose, A.: Härterei Technische Mitteilungen 21 (1996) 1, 1-6 4 Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle, Band 1-4, Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 1954-1976 276 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 4-4 275