Steel Hardening — Komunita Kovářství a Coppersmithing na DRIVE2

u hypereutektoidní oceli a udržení na dané teplotě s následným rychlým ochlazením (ve vodě, oleji, vodných roztocích solí atd.).
V důsledku kalení ocel získává martenzitickou strukturu a v důsledku toho se stává tvrdou.
Kalení zvyšuje pevnost konstrukčních ocelí a dodává nástrojovým ocelím tvrdost a odolnost proti opotřebení.
Režimy kalení jsou určeny rychlostí ohřevu a teplotou, dobou působení při této teplotě a zejména rychlostí ochlazování.

Volba teploty kalení.
Teplota ohřevu oceli pro kalení závisí především na chemickém složení oceli. Při kalení podeutektoidních ocelí by se mělo zahřívání provádět na teplotu 30 – 50 ° nad bodem AC3. V tomto případě má ocel strukturu homogenního austenitu, který se při následném ochlazování rychlostí převyšující kritickou rychlost kalení mění na martenzit. Tento typ vytvrzení se nazývá úplné. Když se podeutektoidní ocel zahřeje na teploty AC1 – AC3, určité množství feritu zbývajícího po kalení zůstává ve struktuře martenzitu, což snižuje tvrdost kalené oceli. Tento typ vytvrzení se nazývá neúplné.

Pro hypereutektoidní ocel je nejlepší kalicí teplota 20-30° nad AC1, tj. neúplné kalení. V tomto případě konzervace cementitu během ohřevu a chlazení přispěje ke zvýšení tvrdosti, protože tvrdost cementitu je větší než tvrdost martenzitu. Hypereutektoidní ocel by se neměla zahřívat na teplotu vyšší než AC1, protože tvrdost je nižší než při kalení z teploty vyšší než ACXNUMX v důsledku rozpouštění cementitu a zvýšení množství zadrženého austenitu. Navíc při ochlazování z vyšších teplot může vznikat větší vnitřní pnutí.

Rychlost chlazení.
Pro získání martenzitické struktury je nutné austenit podchladit rychlým ochlazením oceli na teplotu nejnižší stability austenitu, tedy na 650-550°C.
V teplotní zóně martenzitické transformace, tedy pod 240°C, je naopak výhodnější použít pomalé chlazení, protože vzniklá strukturální napětí se stihnou vyrovnat a tvrdost vzniklého martenzitu prakticky neklesá.
Pro úspěšné tepelné zpracování má velký význam správná volba kalícího média.
Nejběžnějšími hasicími médii jsou voda, 5-10% vodný roztok louhu sodného nebo kuchyňské soli a minerální olej. Pro kalení uhlíkových ocelí lze doporučit vodu o teplotě 18° C; a pro kalení většiny legovaných ocelí – olej.

Prokalitelnost a prokalitelnost oceli.
Při kalení oceli je důležité znát její prokalitelnost a prokalitelnost. Tyto vlastnosti by se neměly míchat.

Kalitelnost ukazuje schopnost oceli zvyšovat tvrdost při kalení. Některé oceli mají špatnou prokalitelnost, to znamená, že po kalení mají nedostatečnou tvrdost. O takových ocelích se říká, že „nepřijímají“ kalení.
Prokalitelnost oceli závisí především na jejím obsahu uhlíku. To se vysvětluje skutečností, že tvrdost martenzitu závisí na stupni zkreslení jeho krystalové mřížky. Čím méně uhlíku v martenzitu, tím méně bude zkreslená jeho krystalová mřížka, a tím nižší bude tvrdost oceli.
Oceli obsahující méně než 0,3 % uhlíku mají nízkou prokalitelnost, a proto se zpravidla nekalí.

Prokalitelnost oceli je charakteristická její schopností kalit do určité hloubky. Během kalení se povrch součásti rychleji ochlazuje, protože je v přímém kontaktu s chladicí kapalinou, která odebírá teplo. Jádro součásti se ochlazuje mnohem pomaleji; teplo ze střední části součásti je přenášeno hmotou kovu na povrch a je absorbováno pouze na povrchu chladicí kapalinou.
Prokalitelnost oceli závisí na kritické rychlosti kalení: čím nižší je kritická rychlost, tím větší je hloubka kalení ocelových dílů. Například ocel s velkým přírodním zrnem austenitu (hrubozrnný), která má nízkou kritickou rychlost kalení, je žíhána do větší hloubky než ocel s malým přírodním zrnem austenitu (jemnozrnný), která má vysokou kritická rychlost tuhnutí. Proto se hrubozrnná ocel používá pro výrobu dílů, které musí mít hlubokou nebo průběžnou prokalitelnost, zatímco jemnozrnná ocel se používá pro díly s tvrdou povrchovou kalenou kůrou a viskózním nekaleným jádrem.
Hloubku prokalitelnosti ovlivňuje také výchozí struktura kalené oceli, teplota ohřevu pro kalení a kalicí médium.
Prokalitelnost oceli může být určena lomem, mikrostrukturou a tvrdostí.

Druhy kalení oceli.
V závislosti na složení oceli, povaze obrobku, tvrdosti, která má být dosažena, a podmínkách chlazení se používá několik metod kalení.
Kalení v jednom prostředí je schematicky znázorněno na Obr. 1 ve tvaru křivky 1. Takové kalení je snadněji proveditelné, ale nelze jej použít pro každou ocel a ne pro všechny díly, protože rychlé ochlazení dílů s proměnlivým průřezem v širokém teplotním rozsahu přispívá k výskytu teploty nerovnosti a velká vnitřní pnutí, která mohou způsobit deformaci součásti a někdy i praskání (pokud velikost vnitřních pnutí překročí pevnost v tahu).
Čím více uhlíku v oceli, tím větší objemové změny a strukturální napětí, tím větší je riziko vzniku trhlin.

Chladicí křivky pro různé způsoby kalení
Obr. 1.

Hypereutektoidní oceli se kalí v jednom prostředí, pokud díly mají jednoduchý tvar (koule, válečky apod.). Pokud mají součásti složité tvary, použije se buď kalení ve dvou prostředích, nebo stupňovité kalení.
Kalení ve dvou prostředích (křivka 2) se používá u nástrojů z vysokouhlíkové oceli (závitníky, matrice, frézy). Podstatou metody je, že díl se nejprve namočí do vody, rychle se ochladí na 300-400 °C a poté se přenese do oleje, kde se nechá do úplného vychladnutí.

Krokové kalení (křivka 3) se provádí rychlým ochlazením dílů v solné lázni, jejíž teplota je mnohem vyšší než teplota, při které začíná martenzitická přeměna (240-250 °C). Udržení na této teplotě by mělo zajistit vyrovnání teplot v celém průřezu součásti. Díly jsou poté ochlazeny na pokojovou teplotu v oleji nebo v klidném vzduchu, čímž se eliminuje tepelné vnitřní pnutí.
Krokové kalení snižuje vnitřní pnutí, deformaci a možnost praskání.
Nevýhodou tohoto typu kalení je, že horké stopy nemohou zajistit vysokou rychlost ochlazování při teplotě 400-600 °C. V tomto ohledu lze stupňovité kalení použít pro díly z uhlíkové oceli s malým průřezem (až do 8-10 mm). U legovaných ocelí s nízkou kritickou rychlostí kalení je stupňovité kalení použitelné pro díly s velkým průřezem (až 30 mm).

Izotermické kalení (křivka 4) se provádí stejným způsobem jako kalení krokové, ale s delší expozicí při teplotě horké lázně (250-300 °C), aby byl zajištěn úplný rozklad austenitu. Doba zdržení potřebná k úplnému rozkladu austenitu je určena body a a b a křivkou tvaru S (viz obr. 1). V důsledku takového kalení získává ocel strukturu jehličkovitého troostitu o tvrdosti HRC45 55 a zachování potřebné tažnosti. Po izotermickém kalení lze ocel chladit libovolnou rychlostí. Jako chladicí médium se používají roztavené soli: 55 % KNO3 + 45 % NaNO2 (bod tání 137 °C) a 55 % KNO3 + 45 % NaNO3 (bod tání 218 °C), umožňující přehřátí na požadovanou teplotu.
Izotermické kalení má oproti konvenčnímu kalení následující výhody:
minimální deformace oceli a absence trhlin; vysoká viskozita oceli.
V současné době se široce používá stupňovité a izotermické vytvrzování světlem.

Lehké kalení ocelových dílů se provádí ve speciálně vybavených pecích s ochranným prostředím. V některých továrnách na nástroje se pro získání čistého a lesklého povrchu kaleného nástroje používá postupné kalení s chlazením v roztavené žíravé alkálii. Před kalením se nástroj zahřeje v solné lázni chloridu sodného při teplotě 30-50 °C nad bodem AC1 a ochladí na 180-200 °C v lázni sestávající ze směsi 75 % hydroxidu draselného a 25 % hydroxidu sodného. s přídavkem 6-8 % vody (vztaženo na hmotnost veškeré soli). Směs má teplotu tání cca 145°C a díky tomu, že obsahuje vodu, má velmi vysokou kalící schopnost.

Při stupňovitém kalení oceli s podchlazením austenitu v roztavené žíravé alkálii s následným ochlazením na vzduchu získávají díly čistý, světlý, stříbrně bílý povrch; v tomto případě není potřeba díly pískovat a postačí omytí v horké vodě.

Samopopouštěcí kalení je široce používáno při výrobě nástrojů. Jeho podstata spočívá v tom, že díly se až do úplného vychladnutí neudržují v chladícím médiu, ale v určitém okamžiku jsou z něj vyjmuty, aby se v jádru produktu udrželo určité množství tepla, díky čemuž následný provádí se temperování. Po dosažení požadované teploty popouštění vlivem vnitřního tepla je díl nakonec ochlazen v kalicí kapalině.
Popouštění můžete ovládat pomocí matných barev (viz obr. 2), které se objevují na čištěném ocelovém povrchu při 220–330 °C.

Samopopouštěcí kalení se používá pro dláta, perlíky, stolní kladiva, průbojníky a další nástroje, které vyžadují vysokou tvrdost na povrchu a zachování viskózního jádra.

Způsoby chlazení při kalení.
Rychlé ochlazení ocelových dílů při kalení v nich způsobuje velká vnitřní pnutí. Tato napětí někdy vedou k deformaci dílů a v nejzávažnějších případech k prasklinám. Zvláště velká a nebezpečná vnitřní pnutí vznikají při chlazení ve vodě. Pokud je to možné, měly by být díly chlazeny v oleji. Ve většině případů to však u dílů z uhlíkové oceli není možné, protože rychlost ochlazování v oleji je výrazně nižší než kritická rychlost potřebná pro přeměnu austenitu na martenzit. V důsledku toho se doporučuje mnoho dílů vyrobených z uhlíkových ocelí kalit chlazením ve vodě, ale zároveň snížit nevyhnutelně vznikající vnitřní pnutí. K tomu použijte některé z popsaných způsobů kalení, zejména kalení ve dvou prostředích, kalení samopopouštěním atd.
Vnitřní pnutí závisí také na způsobu ponoření dílů do kalícího média. Je třeba dodržovat následující základní pravidla:
části se silnými a tenkými částmi by měly být ponořeny do zhášecího média tlustou částí napřed;
díly, které mají dlouhý podlouhlý tvar (závitníky, výstružníky) by měly být ponořeny v přísně svislé poloze, jinak se zkroutí (obr. 3).

Správné ponoření dílů a nástrojů do kalícího média
Obr. 3.

Někdy se kvůli provozním podmínkám nemusí kalit celý díl, ale jen jeho část. V tomto případě se používá lokální kalení: díl se zcela nezahřeje, ale je zcela ponořen do kalícího média. V tomto případě se kalí pouze zahřátá část součásti.
Lokální ohřev malých dílů se provádí v solné lázni, přičemž se ponoří pouze ta část dílu, kterou je třeba vytvrdit; Takto se kalí například středy soustruhů. Můžete také provést toto: zcela zahřát součást a ochlazovat v prostředí kalení pouze součást, kterou je třeba kalit.

Vady, ke kterým dochází při kalení oceli.
Nedostatečná tvrdost kaleného dílu je důsledkem nízké teploty ohřevu, krátkého vystavení provozní teplotě nebo nedostatečné rychlosti ochlazování.
Korekce defektů: normalizace nebo žíhání s následným kalením; použití energičtějšího zhášecího média.

Přehřátí je spojeno s ohřevem produktu na teplotu výrazně vyšší, než je požadovaná teplota ohřevu pro kalení. Přehřívání je doprovázeno tvorbou hrubozrnné struktury, což má za následek zvýšenou křehkost oceli.
A náprava vady: žíhání (normalizace) a následné kalení na požadovanou teplotu.

K vyhoření dochází, když je ocel zahřátá na velmi vysoké teploty, blízké bodu tavení (1200-1300 °C) v oxidační atmosféře. Kyslík proniká do oceli a podél hranic zrn se tvoří oxidy. Taková ocel je křehká a nelze ji opravit.
Oxidace a dekarbonizace oceli se vyznačuje tvorbou okují (oxidů) na povrchu dílů a vyhořením uhlíku v povrchových vrstvách. Tento typ vady nelze opravit tepelným zpracováním. Pokud to přídavek na obrábění dovolí, musí být zoxidovaná a oduhličená vrstva odstraněna broušením. Pro zamezení tohoto typu závady se doporučuje ohřívat díly v pecích s ochrannou atmosférou.
Deformace a praskliny jsou důsledkem vnitřního pnutí. Při ohřevu a ochlazování oceli jsou pozorovány objemové změny v závislosti na teplotě a strukturních přeměnách (přechod austenitu na martenzit je doprovázen zvětšením objemu až o 3 %). Rozdílné doby přeměny objemu kaleného dílu v důsledku jeho různých velikostí a rychlostí ochlazování průřezu vedou ke vzniku silných vnitřních pnutí, která způsobují praskliny a deformace dílů během procesu kalení.
Vznik trhlin je obvykle pozorován při teplotách pod 75-100 °C, kdy martenzitická přeměna pokrývá významnou část objemu oceli. Aby se zabránilo tvorbě trhlin, při navrhování dílů je nutné se vyvarovat ostrých výstupků, špičatých rohů a ostrých přechodů z tenkých na tlusté části; Ocel by měla být také pomalu ochlazována v zóně tvorby martenzitu (kalení v oleji, dvousložkové kalení, stupňovité kalení). Praskliny jsou neopravitelnou vadou, ale zborcení lze odstranit následným narovnáním nebo narovnáním.
Původní zdroj markmet.ru/tehnologiya_metallov/zakalka-stali

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.