Kalení tlakem / Habr

Ve veřejném povědomí je rozšířený stereotyp, že zpevňování kovů je možné pouze pomocí nějakého druhu kalení („no ano, ponoří to do vody nebo oleje a kov zvýší svou pevnost“). Tento názor je rozšířený zejména mezi lidmi, kteří nemají žádné zkušenosti s kovoobráběcími procesy. Existuje však ještě jedna zajímavá možnost zpevňování, která umožňuje zvýšit mechanickou pevnost kovů i bez použití kalení! O tom si povíme níže.

Malý spoiler od autora: co bude následovat, budou některé výsledky mého výzkumu na toto téma. Úsudky v níže uvedeném textu mohou být na některých místech správné, jinde chybné a jinde nedostatečně podrobné. V každém případě doufám, že to bude zajímavé!

Okamžitě upřesněme, že existuje řada způsobů, jak zpevnit kovy, a neomezují se pouze na kalení máčením nebo ochlazením na vzduchu, stejně jako níže popsaný způsob. Možné jsou i chemické metody, včetně cementace (nasycení povrchové vrstvy uhlíkem) a nitridace (nasycení povrchové vrstvy dusíkem) – používají se ke zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.

Kromě toho se tyto chemické metody často používají k eliminaci tvrdnutí součásti a zachování jejího viskózního jádra, přičemž jeho povrchu dodávají zvýšenou pevnost. Tento přístup umožňuje zvýšit spolehlivost dílu, protože díky svému viskóznímu jádru si zachovává pružnost a neláme se při zatížení, přičemž zůstává odolný proti opotřebení.

Známým příkladem tohoto přístupu jsou sací a výfukové ventily automobilových motorů. Díky své povrchové pevnosti zůstávají poměrně odolné proti opotřebení, ale zároveň se mohou snadno ohnout při prasknutí rozvodového řemene, kdy se bohužel pro řidiče „potkají písty s ventily“

My však zvážíme jinou, čistě mechanickou metodu.

Proč jsem se o toto téma vůbec začal zajímat: když jsem si jako hobby vyráběl domácí vzduchový kompresor na více než 400 barů, musel jsem se potýkat se samovolným ztvrdnutím povrchu vysokotlakého válce, po kterém začalo být jeho mechanické opracování velmi obtížné a nástroj se v něm začal zasekávat a vrtáky klouzaly, a proto tehdy vznikl zájem o tento fenomén.

▍ Krátký historický exkurz

Před tisíci lety, se vznikem a rozvojem hutnictví, se lidem naskytla nová možnost získat kvalitativně lepší nástroje pro život a právě kov se stal jedním z nejdůležitějších faktorů pohánějících technický proces rozvoje civilizace. Dřevěné, kostěné a kamenné nástroje byly postupně nahrazovány měděnými a bronzovými, které sice měly významný vliv na vývoj civilizace, ale teprve s příchodem metody tavení železa z rudy nastal skutečný vývojový skok.

Historický proces zdokonalování metalurgických technologií je úzce spjat s metodami zpracování kovů, z nichž nejvýznamnější je tlakové zpracování. Vůbec prvním způsobem zpracování, který vznikl v době přechodu z doby kamenné do doby bronzové, je kování. Sloužila ke zpracování mědi ve formě nugetů ještě v době, kdy lidé neznali technologii jejího cíleného tavení z rudy. Právě kování bylo jedinou zpracovatelskou metodou, která umožnila starověkým metalurgům zvýšit pevnost kovu jeho „opracováním“.

Kalení — mechanický způsob zpracování kovu, při kterém dochází k plastické deformaci za studena, která vede ke změně jeho vlastností, spočívající ve zvýšení pevnosti, tvrdosti a meze kluzu.

S rozvojem metalurgie se zdokonalovaly i metody tlakového zpracování, na jejichž základě vznikaly různé buchary, tažnice, razící stroje, mincovny a další mechanismy.

V současnosti se drtivá většina civilizací používaných kovových výrobků vyrábí tlakovým zpracováním kovů: válcováním, kováním, ražením, tažením, lisováním, ražením.

Tlaková úprava litého kovu zlepšuje jeho strukturu, zvyšuje pevnost a životnost výrobků z něj vyrobených.

Kromě předávání vlastností náhodného kalení má tlakové zpracování výhody například oproti zpracování řezáním, protože produkuje méně odpadu a také umožňuje okamžité získání konečného produktu v požadovaném tvaru a velikosti.

▍ Teorie procesu

Pevná fyzická těla se vyznačují velkou silou interakce mezi atomy, které je tvoří, což jim umožňuje úspěšně odolávat gravitační síle a udržovat si svůj tvar a fyzické rozměry. Pokud na takové těleso působí vnější síla, povede to ke změně jeho tvaru a velikosti.

Pokud navíc takové změny, způsobené vlivem vnějších sil, po skončení jejich působení zmizí a fyzické tělo obnoví svůj tvar a velikost, pak se taková deformace nazývá elastický.

Pokud po odeznění vnějšího vlivu těleso neobnoví svůj původní tvar a velikost, pak se taková deformace nazývá plast.

Oba tyto typy deformace probíhají bez destrukce fyzického těla jako celku nebo jeho jednotlivých částí.

Vlastnost pevných látek podstoupit takové deformace se nazývá plasticity, kterou lze charakterizovat jako maximální velikost plastické deformace, které může být těleso vystaveno, aniž by došlo k jeho fyzické destrukci.

Tělesa se skládají z atomů a vzdálenost mezi atomy pevné látky je dána silovou interakcí mezi nimi. Obecně se uznává, že přitažlivé a odpudivé síly působící mezi atomy se v určité vzdálenosti vzájemně vyrovnávají a atomy se nacházejí v této vzdálenosti.

V závislosti na tom, jak jsou atomy uspořádány v pevné látce, se rozlišuje mezi amorfními tělesy a krystalickými tělesy, kde krystalická struktura implikuje stejnou vzdálenost mezi atomy a amorfní struktura implikuje nepřítomnost takového uspořádání.

Deformace pevných látek zahrnuje přemístění atomů, kde elastická deformace znamená přemístění atomů o vzdálenost nepřesahující jejich vzdálenost mezi sousedními atomy s následným návratem do předchozí polohy. Například elastická deformace nastane, pokud je aplikován tlak 100 kgf/mm2 a pro ocel je to asi 0,6% a pro měď – 1,3%.

Zajímavým důsledkem je, že pokud je pevná látka zatížena a zažívá vnější tlak, pak v tomto stavu jsou atomy pevné látky vždy vytlačeny ze svého klidového stavu.

Jakékoli kovy a slitiny z nich vyrobené jsou na atomové úrovni reprezentovány krystalovou mřížkou, kde je trojrozměrné uspořádání atomů v prostoru charakterizováno stejnými vzdálenostmi mezi nimi:

Obrázek: M.V.Storozhev, E.A.Popov – „Teorie tváření kovů“

Proces tuhnutí roztaveného kovu (jednoho druhu i slitin) je charakterizován krystalizací a tento proces se vyznačuje tím, že probíhá současně v mnoha krystalizačních centrech, takže lze z technického hlediska říci, že kov není monokrystal s jediným uspořádáním atomů v celém objemu kovu, ale tzv. konglomerát zrn, kde každé zrno má své vlastní uspořádání atomů. Tvar, velikost a směr krystalografických os zrn závisí na podmínkách krystalizace a dalšího zpracování.

V současné době však existují způsoby, jak získat monokrystaly kovů, a to tak velkých rozměrů, že se z nich dají vyrábět celé produkty (např. lopatky turbín, pokud vím). Tato struktura kovu mu dává zvýšené pevnostní vlastnosti.

Studená plastická deformace monokrystalu (jednodušší případ) může být provedena dvěma způsoby: skluzem a dvojčatěním.

Skluz je posunutí tenkých vrstev krystalu vůči sobě navzájem, prováděné paralelně.

Twinning je přemístění atomů, které se nacházejí v rovinách rovnoběžných s určitou rovinou, která se nazývá rovina dvojčatění.

Posun se provádí ve vzdálenostech úměrných vzdálenosti těchto rovin od roviny zdvojení.

A – posuvné, b – twinning. Zdroj: edu.tltsu.ru

Pokud je polykrystal deformován (složitější případ), pak deformace spočívá jak ve vzájemném posunutí zrn, tak v posunutí atomů v těchto zrnech.

K vysvětlení řady pozorovaných efektů vědci navrhli tzv teorie dislokace, který popisuje přítomnost zvláštních zón porušení pravidelnosti uspořádání atomů ve složení mřížky monokrystalu. To znamená, že během deformací nejsou všechny atomy jedné roviny posunuty vzhledem k druhé, ale spíše dochází k posunu skupin atomů umístěných v této rovině postupně.

Dislokace se obvykle dělí na dva typy: hranové dislokace – když je na jedné straně roviny, podél které dochází ke skluzu, více kolmých atomových rovin, než na druhé:

Obrázek: M.V.Storozhev, E.A.Popov – „Teorie tváření kovů“

A šroubové, kde se krystalografické roviny, kolmé k rovině, po které dochází ke skluzu, během deformačního procesu ohýbají:

Obrázek: M.V.Storozhev, E.A.Popov – „Teorie tváření kovů“

▍ Vznik efektu zvýšení pevnosti při plastické deformaci

S rostoucím stupněm deformace rostou všechny ukazatele charakterizující odolnost proti deformaci: mez pružnosti, mez kluzu a pevnost. Kromě toho se také zvyšuje tvrdost kovu.

Tento proces je doprovázen poklesem plasticity (prodloužení, kontrakce, rázová houževnatost). Dále dochází ke zvýšení elektrického odporu, snížení stupně korozní odolnosti, ke změně vlastností feromagnetických kovů atp.

Povaha pozorovaného jevu kalení není zcela objasněna, existuje však řada předpokladů.

Předpokládá se, že zvýšení pevnostních charakteristik kovů je spojeno především s odolností proti posunutí z dislokací (jak již bylo zmíněno výše, skupiny atomů, které se pohybují ve formě skupin a jsou umístěny ve stejné rovině).

Navíc podle předpokladů jsou jedním z důvodů nárůstu pevnosti místa, kde se dislokace posouvají po rovinách, které se vzájemně protínají. To vede k jejich zasekávání a následnému hromadění dislokací se stejným znaménkem kolem nich.

Kromě toho se vědci domnívají, že pozorovaný zpevňující efekt je důsledkem nejen toho, že dislokace odolávají jejich posunutí, ale také toho, že během posunutí dochází k tvorbě bloků, jsou ohýbány roviny, po kterých jsou dislokace posunuty, a vznikají úlomky krystalů.

Řada vědců také zjistila, že pokud na slitiny, které jsou kombinací metastabilních složek, působí síla, pak fázové přechody těchto složek mohou také ovlivnit pevnost.

Například bylo zjištěno, že u jednoho druhu oceli se při procesu plastické deformace uvolňují na kluzných rovinách mikroskopické částice karbidů, které jako mikroklíny ruší skluz rovin; v jiném případě, rovněž u oceli, byl pozorován přechod austenitu na martenzit podél skluzových rovin.

Něco podobného bylo odhaleno při rentgenové studii deformace mědi v hliníku, kde bylo pozorováno, že se složení rozkládá s uvolňováním rozptýlených částic podél skluzových rovin.

Důvodem takového uvolňování částic a rozkladu metastabilních sloučenin je prudké lokální zvýšení teploty v zónách přemístění skupin atomů vůči sobě navzájem.

To znamená, že obecně platí, že čím větší je stupeň deformace (v určitých mezích), tím více se mění vlastnosti kovu. Nebo, jinak řečeno, energie vynaložená na deformaci je vynaložena na tvorbu defektů v krystalové mřížce. V tomto případě je uloženo 5-10 % této energie a hustota atomových dislokací se zvyšuje.

Před provedením zpevňovací deformace (pokud děláte vše „podle vědy“) můžete použít referenční knihy, kde jsou informace poskytovány ve formě tabulek a odpovídajících grafů, kde je pro různé kovy uvedeno, jak moc je třeba je deformovat, aby získaly požadovanou pevnost (klikací):

Obrázek: A.V. Treťjakov, V.I. Zyuzin – „Mechanické vlastnosti kovů a slitin při tlakovém zpracování“

Příklad grafů pro kovy z tabulky (klikací):

Obrázek: A.V. Treťjakov, V.I. Zyuzin – „Mechanické vlastnosti kovů a slitin při tlakovém zpracování“

Nebo to můžete udělat intuitivně, pokud nemáte žádné speciální požadavky na výsledek. Například v mém případě, jak jsem psal výše, aby se vytvořil vysokotlaký stupeň vzduchového kompresoru o více než 400 barech, bylo kuličkové ložisko o trochu větším průměru, než je průtoková část kanálu, protlačeno bronzovým válcem, ve kterém byl průchozí otvor, který ho v procesu mazal velkým množstvím strojního oleje. Lisování bylo provedeno pomocí automobilového zvedáku a tyče z leštěné oceli. Po takové akci získal vnitřní kanál válce zrcadlový vzhled a nebyl poškrábán ani jehlou (ačkoli bez velké horlivosti, protože to už bylo pro kanál více než dost):

Většinou se používá menší rozdíl v průměrech, ale tento se v mém případě osvědčil docela dobře.

Mimochodem, právě na tomto efektu se tkzv opletení, kdy se jeho úzký břit poklepává kladívkem na malou kovadlinu, čímž se zvyšuje jeho pevnost, protože náraz, jak jsme se již dozvěděli, mění strukturu kovu:

Suma sumárum lze říci, že kalení tlakem je historicky vůbec prvním způsobem práce člověka s kovem a dodnes neztratilo na aktuálnosti a zůstává jedním z hlavních způsobů zpracování.

▍ Seznam referencí

1. Laman N.K. – “Vývoj technologie tlakového zpracování kovů.”
2. M.V. Storozhev, E.A. Popov – „Teorie tváření kovů“.
3. A.V. Treťjakov, V.I. Zyuzin – „Mechanické vlastnosti kovů a slitin při tlakovém zpracování“.