Kalení oceli | Užitečné články o válcovaných kovových výrobcích

Ocel je jedním z nejdůležitějších a ikonických kovů na Zemi. Ze spojení železa a uhlíku vzešla pevná, všestranná a hojně používaná slitina, která nachází uplatnění ve všech oblastech našeho života, od stavebnictví a strojírenství až po výrobu různých druhů nádobí. Tak rozšířená popularita kovu je spojena s jeho mnoha pozitivními vlastnostmi, z nichž hlavní je tvrdost – schopnost odolávat deformacím způsobeným vtlačením, nárazem nebo otěrem. Přirozená tvrdost oceli však není vždy dostatečná pro určité části a nástroje, například nosné konstrukce nebo části motoru. Proto byly vyvinuty různé technologie, jak výrazně zvýšit tvrdost a další vlastnosti oceli – kalení.

Co je otužování?

Kov, který neprošel speciální tepelnou úpravou, je měkký, křehký a pružný materiál. Nástroje vyrobené z nekalených ocelí se mohou během používání ohnout. Aby ocel získala vlastnosti, se kterými je obvykle spojena, je nutné provést speciální tepelné zpracování (kalení).

Kalení oceli je druh tepelného zpracování, které zahrnuje zahřátí kovu na vhodnou teplotu a jeho udržení po dobu nezbytnou k úplnému obnovení vnitřní struktury materiálu. Poté se vytvrzený materiál podrobí rychlému ochlazení. Správně provedené kalení způsobuje vznik lokálních koncentrací napětí v materiálu, což obvykle vede ke zvýšení jeho pevnosti a tvrdosti, zlepšení vlastností tekutosti, pružnosti a otěruvzdornosti.

Co je ocel

Ocel je slitina železa a uhlíku, která je podrobena plastům a tepelnému zpracování. Podle norem slitina obsahuje minimálně 45 % první složky a od 0,02 do 2,14 % druhé složky. Slitina s obsahem uhlíku 0,6–2,14 % přitom odpovídá oceli s vysokým obsahem uhlíku. Možnost kalení oceli je dána obsahem uhlíku, legujících a technologických prvků. Kromě toho je proces vytvrzování ovlivněn velikostí zrna a také přítomností dalších nerozpustných částic. Kalení umožňuje získat zcela potřebné parametry, které určují chemické složení daného materiálu. Existují různé technologie kalení oceli: tepelné, mechanické, chemické nebo kombinace dvou či více metod dohromady. Procesy tepelného kalení jsou nejběžnějšími metodami kalení. Obecně je technologie tepelného kalení následující:

• ohřev ocelí na určitou kalicí teplotu (materiál se obvykle zahřívá na teplotu 30-50 stupňů nad teplotou austenitické transformace);
• udržování kovu na dané teplotě, dokud se nezmění jeho vnitřní struktura;
• rychlé ochlazení oceli po kalení, ke kterému lze použít vodní, olejové nebo solné lázně. Při použití kyselin jako chladiv je nutné oceli periodicky dezoxidovat, čímž se eliminuje riziko snížení koncentrace uhlíku na povrchové vrstvě. Pro tyto účely se používá dřevěné uhlí nebo kyselina boritá.

Existují různé typy kalení ocelí, o kterých bude pojednáno níže.

Otužovací úkoly

Všechny těžké nástroje a součásti strojů z uhlíkové oceli a téměř všechny součásti strojů z legované oceli jsou kalené.

1. Hlavním účelem kalení nástrojové oceli je dosažení vysoké tvrdosti. Řezné vlastnosti nástroje jsou přímo úměrné tvrdosti kovu.
2. Většina strojních součástí je kalena, aby se dosáhlo vysoké odolnosti proti opotřebení. Čím vyšší tvrdost, tím vyšší odolnost proti opotřebení a otěruvzdornost. Například vřetena, ozubená kola, hřídele, vačky a tak dále.
3. Hlavním účelem kalení strojních součástí vyrobených z perlitické konstrukční oceli je dosažení vysoké meze kluzu s dobrou houževnatostí a tažností umožňující vyšší provozní napětí. Vyšší mez kluzu (a pevnost v tahu) s dobrou houževnatostí a tažností se však nedosahuje během procesu kalení, ale po vysokoteplotním popouštění kalených ocelí.

Technologie kalení oceli se obvykle používá spíše na hotové výrobky než na suroviny. To se děje z několika důvodů. Za prvé, kalení celého bloku oceli je neekonomické, protože většina z nich bude odstraněna během procesu zpracování. Navíc se ocel po kalení mnohem hůře obrábí, protože tvrdost kovu ztěžuje pronikání nástrojů.

Mikrostruktura kovu po kalení

Většina typů ocelí po úplném kalení se vyznačuje strukturou martenzitu a zbytkového austenitu a množství austenitu přímo závisí na množství uhlíku a také na kvalitativní a kvantitativní přítomnosti legujících prvků. Nástrojové oceli obsahují přibližně 20-30% zbytkového austenitu, strukturní kovy středně legované – od 3 do 5%. Struktura kalených ocelí se určuje v závislosti na požadavcích na mechanické a fyzikální vlastnosti výrobků. Spolu s martenzitem může být ve struktuře materiálu přítomen ferit nebo cementit. Po izotermickém kalení může být ve struktuře přítomen bainit. Níže se budeme zabývat technologiemi zpevňování, strukturou oceli a jejími konečnými vlastnostmi.

Metody zpevňování oceli

Při vystavení vysokým teplotám dochází u ocelí k řadě fázových změn ve své struktuře, včetně změn složení a krystalové mřížky. Pro kov je kritická teplota kalení 723 stupňů, ve které (ještě v pevném stavu) dochází k rozkladu cementitu a rovnoměrné tvorbě uhlíku v železe (austenitu) – tento stav je výchozím stavem pro kalení.

Během procesu pomalého ochlazování se austenit rozpadá, což způsobí, že se kov vrátí do své původní struktury. Při rychlém ochlazení oceli, která prošla procesem ohřevu a udržování při vysokých teplotách, austenit nemá čas na změnu, proto při prahové teplotě a určité rychlosti ochlazování dochází k procesu tvorby krystalových mřížek a chemických složení. , který dává kovu požadované vlastnosti.

Existují různé typy kalení oceli:

Kalení a popouštění

Při kalení, nazývaném také martenzitická přeměna, se ocel zahřeje nad kritickou teplotu na rozsah austenitu, udržuje se na této teplotě a poté rychle ochladí. U hypoeutektoidních slitin (obsah uhlíku méně než 0,9 %) je teplota ohřevu 30-50ºC nad hranicí čáry rozpustnosti austenitu. U hypereutektoidních ocelí hypereutektoidní (obsah uhlíku více než 0,9 % C) – teplota nad eutektoidem. Kalení způsobuje martenzitickou přeměnu, která slitinu výrazně zpevňuje. Kalená ocel je však velmi křehká, proto se provádí popouštění, aby se uvolnilo její vnitřní pnutí a snížila se křehkost. Maximální tvrdosti je dosaženo, když je rychlost ochlazování dostatečně vysoká, aby umožnila úplnou martenzitickou transformaci.

Izotermické kalení

Izotermické kalení je proces tepelného zpracování, který vytváří bainitovou strukturu v ocelích. Používá se ke zvýšení tvrdosti, pevnosti, tažnosti a snížení nadměrné deformace obrobku. Díly se zahřejí na austenitizační teplotu, pak se poměrně rychle ochladí na teplotu nad počátkem teploty martenzitu (Ms) a udržují se tam po dobu dostatečnou k získání požadované mikrostruktury bainitu. Izotermické kalení se primárně používá k kalení středně a vysoce uhlíkových ocelí v rozsahu tvrdosti 35-55 HRC, kde je vyžadována tažnost, s přidanou výhodou snížení pnutí. Tento proces je široce používán v automobilovém průmyslu pro třmeny a další díly, kde je vyžadována maximální tažnost.

Izotermické kalení se skládá z následujících procesů:

• Zahřívání na teplotu v rozsahu austenitizace.
• Chlazení v lázni (solný roztok nebo olej) na stálou teplotu – obvykle v rozmezí 260-370°C.
• Podržte po dobu dostatečnou k dokončení transformace bainitu.
• Ochlaďte na pokojovou teplotu.

Kroková metoda (Ausbye)

Kalení zaměřené na snížení napětí kovu, nadměrné deformace a rizika selhání v důsledku nerovnoměrného fázového přechodu a tepelného šoku typického pro tradiční kalení do oleje u vybraných vysokopevnostních ocelí. Proces umožňuje tepelné zpracování dílů se složitými geometriemi a tvary blízkými zamýšlenému tvaru, čímž se minimalizuje dokončovací obrábění/broušení součástí po tepelném zpracování. Kroková metoda se nejčastěji používá ve vojenském a leteckém průmyslu a spočívá v rychlém ochlazení v prostředí kalení, s teplotou nad martenzitickým bodem pro daný typ kovu. Při procesu ochlazování musí dílec po celém svém obvodu dosáhnout teploty kalícího média, poté se „koupe“ ve vodě nebo oleji, kde dochází k přeměně austenitu na martenzit.

Nepřetržité kalení

Kalení kovu ve dvou prostředích je metoda používaná k kalení ocelí s vysokým obsahem uhlíku (high carbon). Výrobek, který se má vytvrzovat, se nejprve rychle ochladí v médiu pro rychlé ochlazení na teplotu (například voda) a poté se ponoří do pomalu se ochlazujícího média (například oleje). Proces minimalizuje deformaci kovu a riziko praskání.

Pruhové zpevnění

Jedná se o postřik dílu silným proudem vody. Tento typ techniky se používá v případech, kdy je potřeba vytvrdit část součásti.

Povrchové kalení

Výsledkem procesu je zvýšená povrchová tvrdost, odolnost proti opotřebení a únavová pevnost při zachování pružnosti jádra. Používá se v případech, kdy je potřeba zpevnit pouze část povrchu obrobku.

Možné vady

Při procesu kalení oceli mohou vznikat různé vady materiálu, které lze rozdělit na opravitelné a neopravitelné.

Opravitelné – nejčastěji spojené s nesprávným chlazením nebo nekvalitním tepelným zpracováním, takže tvrdost dílů neodpovídá požadavkům uvedeným v požadavcích.

Neopravitelné – praskliny a třísky na součásti. Obvykle vznikají v důsledku použití nekvalitního kovu.

Vytvořte si na webu přihlášku, co nejdříve vás budeme kontaktovat a zodpovíme všechny vaše dotazy.

Ocel je nejdůležitějším materiálem používaným v průmyslových odvětvích. Tento materiál různých jakostí se používá jak ve stavebnictví, tak v těžkém průmyslu. Správná volba materiálu je při stavebních pracích nesmírně důležitá nuance. Ne vždy je však možné přizpůsobit ocel požadavkům konstrukce nebo mechanismu. Proto je nutná tepelná úprava.

Tepelné zpracování se využívá i při výrobě mnoha polotovarů. Nejčastěji se používá ve strojírenství a těžkém průmyslu.

Fyzikální principy tepelného zpracování

Tento proces je zodpovědný za ohřev a chlazení kovu. Slouží ke změně jeho fyzikálních vlastností, což umožňuje přizpůsobení materiálu provozním podmínkám podle potřeby. Pro volbu procesu tepelného zpracování je ve většině případů nutné použít diagram železo-uhlík. Díky němu je možné předpovídat strukturu slitin.

Použití různých technologií tepelného zpracování oceli nám umožňuje dosáhnout očekávaných a potřebných výsledků. To znamená, že díky tepelnému zpracování je možné dodat kovu nestandardní tvary (tlakovým zpracováním), předvídatelně měnit jeho fyzikální vlastnosti a pevnost. Konečným výsledkem procesu je výroba oceli se stanovenými mechanickými vlastnostmi.

Tepelné zpracování je nepochybně nepostradatelným procesem v mnoha průmyslových odvětvích. Je třeba si uvědomit, že zde jsou velmi důležité vlastnosti výrobku stanovené konstruktérem, což ovlivní životnost kovových prvků během provozu. Chcete-li správně vybrat technologii tepelného zpracování kovů, musíte správně posoudit provozní podmínky součásti nebo mechanismu.

Parametry pro posouzení vlastností kovů

Hlavní mechanické vlastnosti kovů, které se berou v úvahu při zpracování kovů, jsou: pevnost, tažnost, struktura, tvrdost, rázová houževnatost a pružnost. Většina těchto vlastností je určena experimentálně. Podívejme se blíže na každý z parametrů hodnocení výkonu:

• Pevnost. Označuje schopnost kovu odolávat zničení při mechanickém namáhání.
• Plast. Jedná se o schopnost slitiny nevratně změnit tvar a velikost pod vnějšími nebo vnitřními vlivy při zachování strukturální integrity.
• Nárazová síla. Tato vlastnost se týká schopnosti materiálu odolávat rázovému zatížení. Tento parametr je označen jako J/cm2 nebo kgf•m/cm, které určují poměr mechanické práce vynaložené na destrukci výrobku k jeho průřezové ploše.
• Pružnost. Jedná se o schopnost slitiny obnovit svůj původní tvar a objem po odeznění vnějších vlivů. Tato hodnota je vyjádřena v MPa nebo kgf/mm2, které určují poměr působícího napětí k způsobené elastické deformaci. U slitin používaných k výrobě pružin nebo pružin je vyžadována vysoká elasticita.
• Tvrdost. Tvrdostí se rozumí schopnost kovu odolávat pronikání tělesa s větší tvrdostí do něj. Stanovuje se několika způsoby: pomocí přístroje Brinell (HB), Rockwell (HRA, HRB, HRC), Vickers (HV), Shore (HSD). Například průměrná tvrdost uhlíkové oceli před kalením je 100–150 HB na Brinellově stupnici, po kalení je to 500–600 HB.
• Struktura. Kovy (ocel a její slitiny) se skládají z mnoha zrn, která jsou ve vzájemném kontaktu. Velikost těchto zrn se zjišťuje během procesu odlévání – pro zmenšení velikosti zrna se slitina upravuje ve fázi výroby (přidáním nerozpustných látek). Čím menší je zrnitost kovu, tím je pevnější, tvrdší a lépe opracovaný.

Vlastnosti kovu přímo závisí na souhrnu všech jeho charakteristik a účelem jeho tepelného zpracování je změnit tyto parametry a dosáhnout optimálních hodnot v závislosti na účelu a provozních podmínkách zpracovávaného produktu.

Klasifikace a druhy tepelného zpracování

Tepelné zpracování umožňuje dodat produktům různé fyzikální vlastnosti. Tento termín označuje proces změny struktury oceli a kovových slitin prostřednictvím tepelných účinků na ně. Ačkoli lze tepelné zpracování použít na neželezné kovy, nejvíce se používá při zpracování oceli a železných kovů.

Tepelné zpracování ocelí je jednou z nejdůležitějších operací v oboru kovoobrábění. Mezi hlavní výhody tepelného zpracování patří:

• zvýšení odolnosti oceli a jejích slitin proti opotřebení;
• zajištění výroby odolných a mechanicky pevných výrobků;
• schopnost měnit fyzikální vlastnosti ocelových dílů v souladu s technickými požadavky;
• snížení počtu vad při výrobě kovových výrobků.

Odpovědné konstrukce jsou vyrobeny pouze z tepelně zpracovaných kovů. Důvodem je, že pouze s ohledem na takové produkty lze učinit jasné předpovědi týkající se životnosti a odolnosti vůči vnějším faktorům.

V závislosti na zvoleném režimu ohřevu, typu tepelného zpracování, jeho trvání, teplotě a režimu chlazení se získá požadovaná struktura krystalové mřížky a tím i fyzikální vlastnosti zpracovávaného produktu. V metalurgii a kovoobrábění se používají tyto druhy technického tepelného zpracování:

Žíhání

S jeho pomocí je dosaženo rovnovážné ocelové konstrukce. V kovoobrábění se používá žíhání 1. typu včetně homogenizace, rekrystalizace a odlehčení pnutí a žíhání 2. typu, rozdělené na normalizační, úplné a neúplné žíhání. Pokud se v prvním případě dosáhne uspořádání struktury oceli nebo jejích slitin, ve druhém se dosáhne změkčení kovů a slitin (snížení pevnosti a tvrdosti), zvýšení tažnosti a odstranění zbytkových napětí.

Žíhání je druh tepelného zpracování oceli, při kterém se obrobek zahřeje na danou teplotu a rychle se ochladí. Kalením žíháním vzniká ocelová konstrukce, která poskytuje vyšší pevnost. Technologie kalení je založena na zahřátí obrobku nad kritickou teplotu pro konkrétní slitinu s následným udržením v tomto teplotním rozsahu a prudkém ochlazení v prostředí s vysokou tepelnou vodivostí.

Hlavním rozdílem mezi žíháním a kalením ocelových dílů je rychlost ochlazování, které následuje po tepelném ohřevu na kritické teploty.

Normalizace

Jako jeden z podtypů žíhání zahrnuje normalizace oceli chlazení produktu na vzduchu, zatímco během žíhání se chladí v peci. Ale cíl je zde stejný – zefektivnit strukturu ocelové krystalové mřížky.

Dovolená

Popouštění oceli se primárně používá k zamezení vzniku nerovnovážných struktur po kalení. Při této metodě tepelného zpracování se odstraní vnitřní zbytková pnutí oceli. Právě díky temperování je možné získat produkt s vysokou viskozitou, sníženou křehkostí a tvrdostí.

Kryogenní léčba

Spočívá v chlazení na ultra nízké teploty (pod -153 stupňů). Kryogenní úprava je jednou z nejúčinnějších tepelných metod stabilizace a zvýšení odolnosti ocelových dílů proti opotřebení.

Старение

Jedná se o typ tepelného zpracování, ke kterému dochází přirozeně (bez vystavení teplotám) a uměle (s vystavením teplotě). Při umělém stárnutí se díl zahřeje na 120–150 stupňů a udržuje se 10–36 hodin na dané teplotě. Tato operace stabilizuje stav uhlíku v ocelové konstrukci bez snížení její tvrdosti.

Hlavním zařízením používaným při technickém tepelném zpracování jsou pece a induktory, které zajišťují ohřev obrobků na vysoké, téměř kritické teploty. Velký průmysl používá různé pece s různými teplotními podmínkami, určené pro tepelné zpracování různých kovů a jejich slitin.

Kromě technického tepelného zpracování se v metalurgii využívá i termomechanických a chemicko-tepelných účinků. Pojďme se krátce zamyslet nad jejich vlastnostmi.

Chemicko-tepelné zpracování

Chemicko-tepelné zpracování zahrnuje tepelné zpracování kovu pod vlivem chemických činidel. Jeho výsledkem je poskytnutí zvýšené pevnosti, odolnosti proti opotřebení a/nebo odolnosti kovu vůči korozi. Existuje několik typů chemicko-tepelného zpracování oceli.

Cementace

Spočívá v dodatečném sycení oceli uhlíkem před kalením a popouštěním. Tento postup dále zvyšuje odolnost hotového výrobku proti opotřebení.

Nitridace

V tomto procesu je ocel nasycena dusíkem zahřátím produktu na 500-650 stupňů v prostředí amoniaku. Tato metoda umožňuje zvýšit tvrdost a odolnost slitiny proti korozi. Díly při nitridaci, stejně jako po nauhličování, také zvyšují svou povrchovou tvrdost.

Nitrokarburizace

Tato metoda spočívá v ošetření ocelového povrchu předehřátého na vysoké teploty uhlíkem a dusíkem s následným kalením a temperováním produktu. Obvykle se nitrokarburizace provádí při teplotě 840-860 stupňů a používá se při výrobě výrobků z konstrukčních nízkouhlíkových ocelí.

Boriding

Tato metoda zahrnuje nanesení vrstvy boru na kovový povrch a jeho předehřátí na 910 stupňů. Tato metoda zvyšuje odolnost kovu a používá se při výrobě lisovacích a vrtacích nástrojů.

Chemicko-tepelné ošetření zahrnuje důkladné čištění kovových povrchů, aby se zabránilo cizím nečistotám, které výrazně snižují fyzikální a chemické vlastnosti hotového výrobku.

Termomechanická úprava

Tepelně-mechanické zpracování kovů zahrnuje kombinaci vysokoteplotních a mechanických účinků na ocel. Rozlišují se následující typy termomechanického zpracování kovů:

• Vysoká teplota. Pomáhá zvyšovat viskozitu a eliminovat popouštěcí křehkost kovu. V tomto případě dochází k deformaci kovu po zahřátí nad krystalizační teplotu, po kterém následuje povinné kalení a popouštění. Tento způsob zpracování se používá při výrobě produktů z konstrukčních, nástrojových, uhlíkových, pružinových a legovaných ocelí.
• Nízká teplota. S ním se deformace provádí pod tepelným vlivem teploty 400–600 stupňů, což dává vytvrzovací účinek. Je nutné následné kalení a popouštění.
• Předběžný. Technologie je hojně využívána při výrobě polotovarů lisováním. Jedná se o provedení plastické deformace a teprve poté vysokoteplotní popouštění, obrábění a kalení součásti. To dává kovu vysokou pevnost.

Tepelné zpracování kovů může výrazně zvýšit jejich pevnost a odolnost proti opotřebení a chránit materiály před působením vysokých teplot a korozí. Zároveň řeší jeden z nejdůležitějších problémů – eliminaci vnitřního pnutí v obrobcích, minimalizaci rizika jejich deformace. Proto při výrobě produktů, které jsou součástí kritických struktur, je tepelné zpracování jednoduše povinné. V tomto případě lze použít několik metod v různých kombinacích v závislosti na účelu výrobku a typu slitiny.