Archív kategorie ‘TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ KOVŮ’

Kalení oceli má největší význam ze všech výkonů tepelného zpracování. Kalením se nazývá ohřev součástí nad teplotu Ac₃ nebo Ac1 u nadetek-toidních ocelí, výdrž na této teplotě a následující rychlé ochlazení.

Mezi kalení patří tyto operace:

• kalení základní
•  kalení termální
•  kalení přerušované
•  kalení izotermické

 

Kalení základní:

Kalení základní se v podstatě ohřev na teplotu vyšší než Ac₃ (Ac1), výdrž na této teplotě a následující ochlazení vzduchem, olejem nebo vodou.

Účelem kalení je dosáhnout zvýšení tvrdosti, tj. dosáhnout tvrdé martensitické struktury nebo bainitické struktury v celém průřezu. Při ohřevu je třeba dbát na nevhodné uložení součástí v peci např. blízko u topných spirál, hořáků nebo elektrod v kelímkových lázních.

Výdrž na teplotě nemá být dlouhá, aby nezhrublo zrno. U velkých průřezů jsou značné rozdíly mezi ochlazováním povrchu a středu součástí. Způsob ochlazování závisí především na druhu kalené oceli.

Je třeba brát ohled i na tvar a veli­kost součástí. U běžných ocelí se tenkostěnné a drobné součásti s výhodou kalí do oleje. Rozměrnější a tvarově jednoduché součásti se kalí do vody. Některé vysoce slitinové oceli, říká se jim také samokalitelné, kalí se na dmychaném vzduchu.

Způsob ponořování kaleného předmětu do ochlazovací lázně ve značné míře ovlivňuje deformace a tvrdost po kalení. Při kalení do vody se musí zamáčení provést rychle a energickým pohybem ve vodě se musí stále roz­bíjet polštář páry, který se kolem předmětu tvoří. Předměty se při kalení do vody, oleje a solných lázní ponořují ve směru podélné osy. Vždy zamáčíme hmotnější stranu předmětu první. Předměty s jednostranně otevřenými du­tinami ponořujeme tak, aby vstup do dutiny byl nahoře a umožňoval odchod páry. Je třeba dbát na to, aby se menší součásti nevázaly do těsných shluků, protože tím se zabrání dokonalému ochlazování vnitřních součástí. Obdobně je tomu např. při kalení součástí v koších.

U vodních kalicích nádrží se nesmí pohyb ochlazovacího prostředí prová­dět stlačeným vzduchem, protože zvyšuje stabilitu parního polštáře.

Zakalená ocel je křehká a náchylná k praskání. Aby se úrověň vnitřníhi pnutí snížila a zlepšila se houževnatost musí vždy po zakalení následovat popouštění. Popuštění je ohřev zakalené oceli na 150 – 700St, při popouštění se zakalená ocel  pomalu ohřeje na popouštěcí teplotu. Udržuje se po dokonalém prohřátí na této teplotě po dobu zvlášť rovnoměrně aby nevznikla nová tepelná pnutí.

Popuštění při nízkých teplotách

Používá se u nástrojů asi do 250st. Tvrdost se podstatně nesníží ale značně se zlepší houževnatost. Zároveň se zmenší vnitřní pnutí vzniklé při kalení. Teplota se kontroluje podle popuštěcích barev,které nabíhají na čistém povrchu součásti. Vznikají interferencí světla v tenké vrstvičce oxidů.

Popouštění při vysokých teplotách

Účelem popuštění při vyšších teplotách zpravidla nad 450St je získat struktury s příznivějšími mechanickými vlastnostmi zejména s velkou houževnatostí při vysoké mezi kluzu, vysoké mezi únavy.

 

Popouštění nástrojových ocelí

Popouštění je jedním z nejdůležitějších pochodů tepelného zpracování nástrojů. Jeho účelem je zvýšit houževnatost kalených nástrojů. Poněvadž však zvyšování houževnatosti kalených nástrojů je většinou provázeno nejen zmenšováním jejich tvrdosti, ale i rozměrovými změnami, nutno vhodný způsob popouštění volit velmi obezřetně. Pochody, které probíhají v zakalené oceli při popouštění, jsou velmi složité a možno je rozdělit do několika stupňů. Nejdůležitější vliv na výsledek popouštění mají karbidické fáze.

 

První stupeň.

Probíhá v uhlíkových ocelích již za nízkých teplot kolem 100 °C. Při něm z vysokouhlíkového martenzitu vzniká nízkouhlíkový martenzit a přechodný e karbid (Fe2C), v podobě koherent­ních destiček nebo jehlic. Tvrdost takto popouštěných nástrojů se až do teploty asi 150 °C téměř nemění, ale houževnatost se zvětšuje zejména v důsledku podstatného snížení vnitřních pnutí.

Při popouštění nástrojů z uhlíkových ocelí se jejich tvrdost zmenšuje tím více, čím vyšší je teplota a čím delší je doba popouštění. Z popouštěcích křivek uhlíkových ocelí  je zřejmý účinek výšky popouštěcí teploty na zmenšování tvrdosti u oceli s obsahem uhlíku asi 1 % (ocel 19 191) ve srovnání s ocelí o obsahu uhlíku asi 0,45 % (19 083). V ČSN jsou uváděny popouštěcí  křivky, takže je možno si podle požadované tvrdosti nástroje zvolit nejvhod­nější popouštěcí teplotu. Rozptyl tvrdosti při jejich použití obvykle nebývá +- 2HRC.

 

Druhý stupeň.

Probíhá asi od 200 °C, kdy u ocelí s vyšším obsa­hem uhlíku a ocelí slitinových nastává již přeměna zbytkového austenitu. Přesto, že se tvrdost popouštěné nástrojové oceli dále stejnoměrně zmenšuje, snižuje se v tomto teplotním rozsahu i houževnatost. Tyto strukturní přeměny se projevují také v objemových změnách a jsou patrný na deformačních křivkách znázorňujících délkové změny při popouštění kalených ocelí. Tak je tomu také u Mn—Or oceli 19 313 , ačkoliv se tvrdost při popouštění zmenšuje stejnoměrně .

 

Třetí stupeň.

Probíhá v oblasti nad teplotou 300 °0. Nízkouhlíkový martenzit a e-karbid Fe2C se mění na cementit Fe3C a ferit. Se stoupající popouštěcí teplotou probíhá koalescence (spojování) jed­notlivých částic cementitu. Ve slitinových ocelích obsahujících větší množství karbidotvorných prvků pak probíhají další karbidické reakce, při nichž vznikají různé komplexní karbidy.

 

Čtvrtý stupeň.

Probí­há zpravidla až nad tep­lotou 450 °C, a to jen u ocelí slitinových obsahujících větší množství karbidotvorných prvků, jako je např. chróm, wolfram, molybden,  vanad apod. U těchto ocelí se zbytkový austenit přeměňuje až při ochla­zování z vyšších teplot.

 

Při čtvrtém stupni po­pouštění probíhá u těchto ocelí jako např. u ocelí rychlořezných nebo některých ocelí pro práci za tep­la precipitační vytvrzování, spočívající ve vzniku jemně rozptýlených částic kom­plexních karbidů, které se nazývá druhotná tvrdost. Vylučováním jemných čás­tic těchto komplexních kar­bidů se zároveň zbytkový austenit stává při ochlazování z popouštěcí teploty schopným další martenzitické přeměny. Také tyto přeměny přispívají ke zvětšování tvrdosti při popouštění na vyšší teploty. Z popouštěcích křivek rychlořezné oceli 19 824 a oceli pro práci za tepla 19 721 je patrný průběh tvrdosti při popouštění na vyšší teploty. Slitinové oceli vykazující druhotnou tvrdost, např. rychlořezné oceli, je nutno popouštět tak, aby požadované tvrdosti bylo dosaženo až za maxi­mem druhotné tvrdosti.

 

Při popouštění kalených nástrojů je třeba ponechat je na popouštěcí teplotě potřebnou dobu tak, aby se dosáhlo co největší houževnatosti při požadované tvrdosti (obvykle to bývá 30 až 120 min. na každých 10 mm tloušťky nástroje). Při kusové výrobě nástrojů se někdy používá také tzv. samopopouštění. Kalené nástroje se po neúplném ochlazení popouštějí vnitřním teplem. Popouštěcí teplota se přitom sleduje na očištěném povrchu nástroje podle náběhových barev.

Jakmile nástroj dosáhne požadované teploty a tím i určité náběhové barvy, rychle se ochladí ve vodě.

K přesnému stanovení vhodné kombinace teploty a doby po­pouštění se používají pro jednotlivé druhy ocelí tzv. základní popouštěcí diagramy (obr. 2.51). Na svislé ose je vynesena tvrdost a na vodorovné ose je vliv teploty i doby popouštění vyjádřený společně popouštěcím paramet­rem.

Popouštěcí parametr je dán

Vztahem p = T(C + log t),kde T je absolutní teplota po­pouštění [°K], C- konstanta, t — doba popouštění [s] nebo [h].

Každá kombinace teploty a doby, která dává tutéž hodnotu parametru, má také stejný po­pouštěcí účinek na tvrdost. To však ještě neznamená, že i ostatní vlastnosti jsou stejné.

Kalené nástroje se obvykle popouštějí v komorových nebo šach­tových pecích, nejlépe s nuceným oběhem vzduchu. Pro teploty asi do 180 °C se nejčastěji používá olejových lázní, pro vyšší teploty solných lázní, v některých přípa­dech i lázní olověných. Při použití teplých lázní je nutno nástroje nejprve dostatečně předehřát, aby se spolehlivě osušily. Při ponoření vlhkého nástroje do teplé lázně by mohla lázeň vystříknout a tak zranit obsluhu. Zpravidla se má popouštět každý nástroj co nejdříve po zakalení, aby se odstranila velká vnitřní pnutí, a tím i nebezpečí popraskání.

Popouštěcí křehkost vzniká u nástrojů vyrobených z některých druhů nástrojových ocelí, a to při popouštění v určitých oblastech popouštěcích teplot. Účelem popouštění kalených nástrojů je dosáhnout pokud možno největší houževnatosti a plasticity, při poměrně velké tvrdosti a pevnosti.

Při popouštění kalených nástrojů vyrobených z uhlíkových ocelí a některých nízkolegovaných ocelí nastává jak plynulý pokles tvrdosti a pevnosti, tak i úměrné zvyšování houževnatosti. U někte­rých druhů nízkolegovaných ocelí především ocelí s určitou přísadou Mn, Cr a Ni, vzniká tzv. popouštěcí křehkost. Houževnatost v tomto

případě   bývá   menší   než   obvykle   při   daném   stupni   popuštění. Popouštěcí křehkost se výrazně projevuje v kritických  oblastech popouštěcích teplot — kolem 350 a 550 °C.

Vlastní  příčiny popouštěcí  křehkosti  jsou  vysvětlovány různě. V. Kraus, na podkladě výzkumných prací prováděných ve SVÚM v Praze, předpokládá např. tři druhy kinetiky vývoje popouštěcí křehkosti. Uvádí, že k vývoji popouštěcí křehkosti u některých druhů kalených ocelí dochází při výdrži v horní oblasti vyšších teplot popouštění (/), asi kolem 550 °C, a v dolní oblasti nižších teplot popouštění (II), asi kolem 350 °C, tedy izotermicky. Izotermickou složku popouštěcí křehkosti vysvětluje tím, že při austenitizačním ohřevu ocelí náchylných k popouštěcí křehkosti se na hranicích austenitického zrna hromadí dislokace doprová­zené shluky interstiticky ulože­ných atomů, obzvláště uhlíku. Současně se do těchto míst adsor­bují i atomy substitučních prvků. Po zakalení takové austenitizované oceli zůstávají v oblastech původních hranic austenitických zrn oblasti značných mřížkových poruch i oblasti vyšší koncentrace „interstitických“ atomů. Při po­pouštění jsou pak dány vhodné podmínky pro nukleaci a růst nové, převážně karbidické fáze,  čímž je snižována soudržnost zrn a tím i houževnatost.

Vývoj popouštěcí křehkosti je v horní oblasti popouštěcích teplot téměř lineárně úměrný logaritmu doby popouštění. V dolní oblasti nižších popouštěcích teplot probíhá vývoj popouštěcí křehkosti zpočátku rychleji, ale s prodlužováním doby se zpomaluje. Proto je výhodné u ocelí náchylných k popouštěcí křehkosti, pokud to hmot­nost nástroje dovolí, dobu popouštění v kritických oblastech popouštění co nejvíce zkracovat. Izotermická složka popouštěcí křeh­kosti bývá za nižších teplot popouštění spojena pravděpodobně též s přeměnou zbytkového austenitu v křehký martenzit.

 

Anizotermickou složku popouštěcí křehkosti vysvětluje V. Kraus u ocelí náchylných k popouštěcí křehkosti tím, že koncentrace atomů uhlíku i jiných prvků v tuhém roztoku bývá na hranicích zrn větší než uvnitř zrn. Při pomalém ochlazování z oblasti popouštěcích teplot (III) nastává za poklesu teploty vylučování nové fáze, převážně terciárního karbidu. Tato precipitace bývá tím větší, čím vyšší byla popouštěcí teplota a čím pomalejší bylo ochlazování z popouštěcí teploty.

Za takových podmínek popouš­tění bývá větší porušování sou­držnosti sousedících zrn, což má za následek snížení houževnatosti. Popouštěcí křehkost se proje­vuje snížením houževnatosti ocelí za pokojové nebo nižší teploty a zjišťuje se nejčastěji zkouškou vrubové houževnatosti nebo rázo­vou zkouškou v krutu. K přesněj­šímu ohodnocení popouštěcí křehkosti se zjišťuje vrubová houževnatost zkoušených ocelí při různých teplotách a zjištěné hodnoty pak umožňují sestrojit snadno tzv. čáry přechodu ke křehkému lomu.

Vliv popouštěcí křehkosti lze snížit buď úpravou chemického složení použitých ocelí, zejména malou přísadou Mo nebo W, popř. úpravou postupu jejich tepelného zpracování, např. zvýšením popouštěcí teploty nad kritickou teplotu popouštění, a pokud možno i zkrácením doby popouštění, což však závisí na hmotnosti kalených nástrojů.

K potlačení anizotermické složky popouštěcí křehkosti se s vý­hodou používá rychlejšího ochlazení z popouštěcí teploty, např. ochlazení v oleji. U hmotných nástrojů nebo nástrojů složitých tvarů, kdy je nebezpečí vzniku velkých vnitřních pnutí i velkých deformací, popř. i prasknutí, je možno s výhodou ochlazovat rychle až do teploty asi 450 °C  a teprve pak na volném vzduchu. Ve většině případů se však z praktických důvodů nástroje ochlazují z popouštěcí teploty pouze na vzduchu.

­

 

---

 

ŽÍHÁNÍ

Je ohřev na žíhací teplotu, setrvání na této teplotě určitou dobu a pak velmi pomalé ochlazování.  Jeho účelem je odstranit vliv jiných operací na struktutu např. tváření nebo svařování, zmenšení  tvrdosti, zlepšení obrobitelnosti, zmenšení vnitřního pnutí apod.

Je to způsob tepelného zpracování, kterým chceme u součásti dosáhnout zpravidla stavu blízkého stavu rovnovážného.

Při této operaci se mění jen struktura ocelí aniž dochází ke změnám chemického složení. Číst dále….. »

Kalení termální:

Součásti tenkostěnné nebo členité z ocelí konstrukčních nebo nástrojových s vyšším obsahem slitinových prvků, nejčastěji z ocelí nástrojových, se kalí termálním způsobem.

Termální kalení vyrovnává roz­díly teplot na povrchu a uvnitř kaleného předmětu. Po ohřevu na určenou kalicí teplotu jepředmět ochla­zen v lázni, jejíž teplota je o několik stupňů vyšší než te­plota bodu Ms. Předměty se ponechají v termální lázni jen do vyrovnání jejich teploty s teplotou termální lázně a dále se ochlazují na klidném vzduchu. Při pomalém ochlazování  proběhne martenzitská přeměna velmi stejnoměrně.

Tvrdost takto kalených sou­částí je stejně vysoká jako u součástí normálně kalených, nevznikají však abnormální vnitřní pnutí a není nebezpečí deformací a praskání.

Ihned po zakalení je nutno předměty popouštět. Nejčastěji se po­pouští v olejové lázni ( 300-350st.). Dodr­žení teploty těsně nad Ms nemusí být přesné, ani malé podkročení pod Ms nevadí, protože se vytvoří jen malé množství martensitu. Vzniká však nebezpečí zvýšeného množství zbytkového auste­nitu. Další výhodou termál­ního kalení je možnost rovnat dlouhé součásti po ochlazení na teplotu nad Ms. Ocel při této teplotě je ještě austenitická, a proto velmi tvárná.

 Kalení izotermické:

Isotermické kalení je kalení do teplých sol­ných lázní, kde se požadované mechanické hod­noty získají přímo po kalení bez následujícího popouštění. Vnitřní pnu­tí a nebezpečí vzniku trhlin je při tomto způ­sobu tepelného zpraco­vání minimální.

Ocel isotermicky kalená má vyšší vrubovou houževnatost a mez únavy než ocel kalená a popouštěná. Po ohřevu na kalicí teplotu následuje ochlazení v lázni ohřáté na teplotu, při níž vzniká bainit požadované pevnosti. V této lázni se kalený předmět ponechává až do ukončení isotermického rozpadu austenitu.

Obvyklé teploty isotermického kalení jsou mezi 400—250 °C. Ochlazení na teplotu rozpadu musí být rychlé, aby nenastala perlitická přeměna. Větších rychlostí ochla­zování je možné dosáhnout vzhledem k malému tepelnému rozdílu mezi ka­licí teplotou a teplotou isotermického rozpadu jen u tenkostěnných výrobků.

Kalení přerušované (lomené):

Většina ochlazovacích prostředí má větší ochlazovací schopnost v rozmezí teplot perlitické přeměny než v rozmezí martensitické přeměny. K potlačení perlitické přeměny se nejprve použije rychlejšího ochlazovacího prostředí a ochlazení v okolí teploty martensitické přeměny se dokončí v mírnějším ochlazovacím prostředí. Tímto způsobem se kalí předměty ve vodě a v oleji nebo v oleji a na vzduchu, ve výjimečném případě také ve vodě a na vzduchu. Přerušovaného kalení se často používá u některých výrobků složitých tvarů, které vyžadují rychlé ochlazení a při úplném ochlazení ve vodě nebo oleji praskají. Lomeného kalení se po­užívá při kalení velkých nástrojů, kde i při velké prokalitelnosti je nutné s ohledem na velké roz­měry zvýšit ochlazovací rychlost v okolí perli-tické přeměny, ale o-ohlazování při martensi­tické přeměně musí být velmi pomalé. Po lome­ném kalení následuje popouštění.

Kalení bainitické:

V  diagramu ARA podle křivky V. Hlavní strukturní složkou je bainit a částečně martenzit.

Patentování:

 Používá se při výrobě drátů jako mezioperační zpracování. Aby se umožnila redukce průřezu při dalším tvářením.

Je to zvláštní případ izotermický rozpad austenitu v lázních 750 – 550st. Struktura je tvořena jemným perlitem a bainitem z vysokou houževnatostí dovolující značné redukce průřezu při tváření za studena. Používá se při výrobě drátů s vysokou pevností (lana, pružiny).

Kalicí prostředí

Ochlazování musí probíhat nad kritickou rychlostí – vznik martenzitu. Toho je možné dosáhnout volbou vhodného kalicího prostředí. Pro oceli s malou prokalitelností je nutno volit intenzivnější prostředí – voda. Pro oceli s větší prokalitelností olej. Průběh při ponoření. Po ponoření kaleného kusu do kalicí lázně se okamžitě vytvoří na celém povrchu tenká vrstva páry – parní polštář který zpomaluje ochlazování. Toto označujeme jako první údobí ochlazování, když se povrch dostatečně ochladí polštář se zhroutí. Nastane přímý kontakt lázně s povrchem kaleného kusu. Na povrch se velmi intenzivně vyvíjí parní bubliny , které odmítají velké množství tepla takže ochlazování je velmi rychlé. Je to druhé údobí označované jako údobí varu. Když teplota povrchu poklesne na teplotu varu lázně vývoj parních bublin ustává. Začíná třetí údobí ochlazování vedením a prouděním.

 

U mnoha strojních součástí požadujeme, aby byly velmi houževnaté a zároveň dobře odolávali opotřebení např. hřídele, čepy, ozubená kola. Toho lze dosáhnout tak, že se vytvoří tvrdá povrchová vrstva na měkkém houževnatém jádru.

Tvrdou vrstvu lze vytvořit buď povrchovým kalením, nebo chemicko-tepelným zpracováním. Po povrchovém kalení se používá dobře kalitelných ocelí s obsahem uhlíku vyšším než 0,35%.

Zvláštním postupem se zakalí jen povrch součásti  to požadované hloubky zatím co jádro zůstane  nezakalené.

Způsob: rychle se prohřeje povrch do požadované hloubky a hned se zakalí.

Tvrdá martenzitická struktura zakaleného povrch pozvolna přechází do struktury získaného nebo zušlechtěného jádra.

Obvyklá hloubka 2 až 3 mm, ale podle potřeby i vyšší.

Je daná rychlostí posuvu hořáku.

Jsou 2 způsoby: 

1. Při prvním se ohřívá celá součást, ale kalí se jen povrchová vrstva. Součást se zahřeje na teplotu a pak se ochladí takovou rychlostí, aby nastalo zakalení jen v povrchové vrstvě
2. Ekonomicky výhodnější a proto mnohem více rozšířené jsou postupy povrchového kalení při kterých se ohřívá jen vrstva určená k zakalení. Při tom ovšem musí být ohřev dostatečně intenzivní aby převod tepla do vrstvy byl podstatně větší než odvod vedením do jádra.Nejrozšířenější je kalení povrchové plamenem a indukční kalení.

Kalení jednorázové:

u menších součástí se celý povrch ohřeje na kalicí teplotu současně a pak se zakalí sprchou nebo kalicí lázní

Kalení postupné:

větší plochy, jejichž jednorázový ohřev by vyžadoval příliš mohutný zdroj tepla se ohřívají postupně a ohřátá část se ihned kalí sprchou. Tento způsob se používají také tam kde je potřeba zakalit pouze část součásti.

Povrchové kalení plamenem:

 Pro ohřev se používá svítiplynokyslíkových nebo acetylenokyslíkových hořáků. Kalená plocha se prohřeje do hloubky 1-6mm nad teplotu Ac3. Protože teplo se rychle odvádí do jádra musí ihned následovat ochlazení. To se děje buď vodní sprchou nebo ve vodní lázni. Tvar hořáku odpovídá tvaru kalené plochy a negativem kalené plochy. 2 zp. Pohybu – hořák nebo kalená součást. Při kalení postupném velkých válcových dílců vzniká tzv. šev. Protože při setkání začátku a konce kalené vrstvy vznikají snadno trhliny. Proto se musí hořák zhasnout dřív a tím vznikne měkký nezakalený pruh v šířce 5 až 15 mm tzv. šev. Při kalení jednorázovém se kalená součást otáčí větší rychlostí a po ohřevu se vrstva zakalí sprchou nebo ponořením do kalicí lázně.

Indukční kalení:

 Používá se střední nebo vysokofrekvenční. Provádí se pomocí induktoru, který má tvar kalené plochy. Je vyroben většinou z měděné trubky, která se používá k chlazení. Průchodem střídavého proudu dochází k indukci střídavého magnetického pole a vzniku vířivých proudů stejné frekvence. Intenzita je největší na povrchu a ke středu klesá. Povrchová vrstva se ohřívá. Je nutná malá vzdálenost mezi ohřívanou plochou a induktorem. Rychlost a hloubka ohřevu je závislá na použití frekvenci a příkonu.