Kalení oceli a její cementování: rozdíl v technologiích zpracování, vlastnosti kovu po kalení

Kalení kovů je proces zpevňování kovu tepelným zpracováním. Při tomto procesu se kov zahřeje na určitou teplotu a poté se nechá vychladnout, aby se zvýšila jeho tvrdost a pevnost. Tento proces lze použít na různé kovy, včetně oceli, hliníku, mědi a titanu. Účelem kalení kovu je učinit materiál pevnějším a odolnějším proti opotřebení nebo poškození.

Kalení kovů lze provádět několika způsoby v závislosti na typu zpracovávaného kovu. Například ocel lze zpevnit jejím kalením v oleji nebo vodě po zahřátí. Hliník a jiné kovy mohou vyžadovat žíhání nebo kalení. Každá metoda má své výhody a nevýhody, které je třeba vzít v úvahu při výběru nejlepší možnosti pro konkrétní projekt.

Výhody kalení kovů jsou četné; zvyšuje pevnost a trvanlivost materiálu a zlepšuje jeho odolnost proti opotřebení nebo poškození v průběhu času. Navíc tento proces může pomoci snížit náklady, protože vyžaduje méně surovin než jiné metody, jako je kování nebo odlévání. A konečně, protože tento proces nezahrnuje žádné chemické reakce s jinými materiály, nevytváří ani nebezpečné vedlejší produkty.

Celkově lze říci, že kalení kovů je efektivní způsob, jak kalit různé druhy kovů bez vzniku nebezpečného odpadu.

Obecné informace o technologii kalení oceli

Kalení oceli je jedním z nejoblíbenějších procesů používaných ke zpevnění a zlepšení pevnosti, životnosti a výkonu oceli v různých aplikacích. V tomto procesu se ocel zahřívá na určitou teplotu, obvykle mezi 800 °C (1472 °F) a 900 °C (1652 °F), v závislosti na jejím chemickém složení. Ocel je poté podrobena prudkému ochlazení v olejové lázni nebo ve vodě, což má za následek tvorbu martenzitu, díky kterému je ocel tvrdší než dříve, ale zároveň je křehčí v důsledku bodů koncentrace napětí vytvořených zadrženými částicemi austenitu v mikrostruktury po tepelném zpracování.

Proč je potřeba kalení oceli?

Kalící ocel lze použít pro různé účely, jako je výroba nástrojů, nožů, mečů nebo jakéhokoli jiného produktu, který vyžaduje zvýšenou houževnatost a pevnost, stejně jako zlepšenou odolnost proti korozi nebo opotřebení během používání. Kalené oceli se také často používají v průmyslových aplikacích, které vyžadují zvýšenou pevnost součástí, jako jsou ozubená kola nebo ložiska, které jsou během provozu vystaveny vysokému zatížení.

Vlastnosti oceli po kalení

Oceli, které procházejí procesem kalení, získávají řadu vlastností, které je činí pevnějšími a tvrdšími. Zde jsou některé z vlastností:

1. Tvrdost: Kalení výrazně zvyšuje tvrdost oceli. Rychlé ochlazení „zmrazí“ mikrostrukturu kovu, což vede k tvorbě martenzitu, velmi tvrdé a křehké fáze. Čím větší je intenzita kalení, tím vyšší je tvrdost oceli.
2. Pevnost: Kalení také zvyšuje pevnost oceli. Tvorba martenzitu a změny v mikrostruktuře kovu ho činí trvanlivějším a odolnějším vůči deformaci. To je důležité zejména pro aplikace, kde je vyžadována vysoká pevnost, jako jsou nože, nástroje a pružiny.
3. Odolnost proti opotřebení: Kalená ocel má zlepšenou odolnost proti opotřebení. Tvrdý, odolný materiál lépe odolává tření, opotřebení a skvrnám, což mu umožňuje zachovat ostrou řeznou hranu a vydržet dlouhou dobu v náročných podmínkách.
4. Křehkost: Je však důležité poznamenat, že kalení může způsobit, že ocel bude křehčí. Martenzitická struktura vyplývající z kalení má obvykle menší tažnost, díky čemuž je materiál náchylnější k prasklinám a prasklinám. Proto je důležité vyvážit tvrdost a pevnost s dostatečnou tažností pro konkrétní aplikaci.
5. Rázová houževnatost: Kalená ocel může mít nízkou rázovou houževnatost. Zvýšená tvrdost a křehkost může snížit schopnost materiálu absorbovat energii nárazu, což může být v některých aplikacích nežádoucí. V takových případech může být pro zlepšení houževnatosti vyžadováno následné tepelné zpracování, jako je temperování.

Všechny tyto vlastnosti kalené oceli lze vyladit a upravit správným výběrem teplot, dob ohřevu a ochlazování a dalšími kroky zpracování, jako je popouštění, aby se dosáhlo optimální rovnováhy vlastností pro konkrétní aplikaci.

Jaké kovy lze kalit?

Tuto metodu lze aplikovat na různé kovy a slitiny, i když ne všechny na ni reagují stejně. Níže jsou uvedeny některé z nejběžnějších kovů a slitin, které lze kalit:

1. Oceli: Oceli jsou jedním z nejběžnějších typů kovů, které lze kalit. Patří sem uhlíkové oceli, nízkolegované oceli a vysoce legované oceli. Kalení oceli může vést ke zvýšení tvrdosti, pevnosti a odolnosti proti opotřebení.
2. Litiny: Některé typy litin lze také kalit. Litiny s vysokým obsahem karbidu a speciální litiny, jako jsou odlitky pro výrobu nástrojů, lze kalit, aby se zlepšila jejich tvrdost a odolnost proti opotřebení.
3. Nerezové oceli: Některé nerezové oceli lze kalit, aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti. Ne všechny nerezové oceli jsou však pro tento proces vhodné, protože některé mohou být při kalení náchylnější ke křehnutí.
4. Hliník a jeho slitiny: Přestože hliník není typickým vytvrzovacím materiálem, některé slitiny hliníku mohou být podrobeny speciálnímu typu úpravy známému jako „uhlík“. Jde o proces, při kterém se hliníková slitina zahřívá a ochlazuje, aby se zlepšila její pevnost a tvrdost.
5. Titan a jeho slitiny: Titan a některé jeho slitiny lze také kalit, aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti. Kalení titanu může zlepšit jeho pevnost a odolnost proti opotřebení.

Je důležité si uvědomit, že každý typ kovu a slitiny může mít své vlastní vlastnosti a požadavky na proces kalení. Parametry kalení, jako je teplota ohřevu, doba výdrže a rychlost chlazení, musí být optimalizovány pro konkrétní materiál s ohledem na jeho chemické složení a požadované vlastnosti po kalení.

Metody kalení oceli

Kalení v jednom prostředí

Jedná se o metodu kalení kovů, při které je kov ochlazen ve stejném prostředí, ve kterém byl zahřát. Tato metoda se používá k dosažení požadované struktury a vlastností kovu řízeným chlazením v jediném prostředí.

Proces kalení v jednom prostředí může zahrnovat následující kroky:

1. Zahřívání: Kov se zahřeje na určitou teplotu, která je obvykle nad bodem chlazení (Ac3) nebo bodem transformace martenzitu (Ms). To umožňuje tvorbu austenitu v kovu.
2. Kalení: Po dosažení požadované teploty se kov rychle ochladí ve stejném prostředí, ve kterém probíhal ohřev. Tímto médiem může být voda, olej, fyziologický roztok nebo dokonce vzduch. Chlazení v jednom prostředí umožňuje řídit rychlost ochlazování a tím ovlivňovat strukturu a vlastnosti kovu.

Kalení v jediném prostředí lze přizpůsobit tak, aby bylo dosaženo různých výsledků v závislosti na požadovaných vlastnostech kovu. Rychlé kalení může vést ke vzniku martenzitu, který má vysokou tvrdost a pevnost. Pomalé kalení může podporovat tvorbu měkčí, tažnější struktury, jako je bainit nebo perlit.

Kalení ve dvou prostředích

Kalení ve dvou médiích (neboli dvoufázové kalení) je metoda kalení kovu, která zahrnuje postupné chlazení kovu ve dvou různých prostředích při různých teplotách chlazení. Tato metoda se obvykle používá k dosažení specifické kombinace mechanických vlastností a struktury v kovu.

Proces vytvrzování pomocí dvou médií obvykle zahrnuje následující kroky:

1. Zahřívání: Kov se zahřeje na určitou teplotu, která je obvykle nad bodem chlazení (Ac3) nebo bodem transformace martenzitu (Ms). To umožňuje tvorbu austenitu v kovu.
2. První ochlazení: Po zahřátí se kov rychle ochladí v prvním médiu, kterým může být voda, olej nebo sůl. K tomuto ochlazení dochází na určitou teplotu, nazývanou přechodová teplota (Ms), která je obvykle nižší než pokojová teplota. To vede k přeměně austenitu na martenzit.
3. Druhé ochlazení: Po prvním ochlazení se kov přenese do druhého prostředí s vyšší teplotou ochlazování. Může to být vzduch nebo speciální médium, jako je stlačený vzduch nebo pecní tekutina. Pro další zpevnění kovu a stabilizaci jeho struktury se provede druhé ochlazení.

Kalení ve dvou prostředích umožňuje řídit tvorbu martenzitické struktury v kovu a získat určité mechanické vlastnosti. První prostředí s rychlejším chlazením podporuje tvorbu martenzitu, který má vysokou tvrdost a pevnost. Druhé prostředí s pomalejším chlazením pomáhá snižovat vnitřní pnutí a zvyšovat tažnost kovu. Kalením ve dvou prostředích se tedy dosahuje rovnováhy mezi tvrdostí a tažností kovu, což může být důležité pro určité aplikace.

Krokové otužování

Stupňovité kalení (někdy také nazývané vícestupňové kalení) je metoda kalení kovu, při které je kovový výrobek podroben postupné řadě zahřívání a ochlazování při různých teplotách, aby se dosáhlo požadované struktury a vlastností.

Proces stupňovitého kalení obvykle zahrnuje následující kroky:

1. Zahřívání: Kov se zahřeje na určitou teplotu, která může být nad bodem chlazení (Ac3) nebo bodem transformace martenzitu (Ms).
2. Kalení: Po dosažení dané teploty se kov rychle ochladí v médiu, jako je voda, olej nebo sůl. Toto rychlé ochlazení způsobí, že se austenit přemění na martenzit.
3. Popouštění: Po vytvrzení prochází kov popouštěním, což je ohřev na určitou teplotu pod bod ochlazování, po kterém následuje řízené ochlazování. Tato fáze se provádí za účelem snížení vnitřních pnutí a zlepšení tažnosti a houževnatosti kovu.

Použití krokového kalení umožňuje řídit strukturu a vlastnosti kovu. Každá fáze ohřevu a chlazení může ovlivnit strukturu a mechanické vlastnosti kovu, jako je tvrdost, pevnost, houževnatost a tažnost. Úpravou parametrů stupňovitého kalení je možné dosáhnout specifických vlastností požadovaných pro konkrétní aplikaci a dosáhnout rovnováhy mezi tvrdostí a tažností.

Kalení s chlazením

Kalení chladem (někdy také nazývané kalení při střední teplotě nebo kalení při střední teplotě) je metoda kalení kovu, která zahrnuje ochlazení kovu po kalení na střední teplotu a následné zahřátí a ochlazení v sekundární fázi známé jako temperování.

Proces kalení s chlazením může zahrnovat následující kroky:

1. Zahřívání: Kov se zahřeje na určitou teplotu, která je obvykle nad bodem chlazení (Ac3) nebo bodem transformace martenzitu (Ms). To umožňuje tvorbu austenitu v kovu.
2. Kalení: Jakmile je dosaženo požadované teploty, kov se rychle ochladí v médiu, jako je voda, olej nebo sůl. Rychlé ochlazení vede k přeměně austenitu na martenzit.
3. Chlazení: Po kalení se kov ochladí na střední teplotu, která je pod bodem chlazení. Toto chlazení se provádí za účelem zmírnění zbytkových pnutí a snížení křehkosti kovu.
4. Temperování: Po ochlazení je kov podroben sekundárnímu ohřevu na určitou teplotu, která může být nižší než počáteční teplota ohřevu. Kov je poté ochlazován řízenou rychlostí v prostředí, které poskytuje požadované vlastnosti a strukturu.

Tato metoda umožňuje snížit vnitřní pnutí, která mohou vzniknout v důsledku rychlého kalení a zlepšit tažnost a houževnatost kovu. Stupeň popouštění také pomáhá eliminovat nežádoucí jevy spojené s kalením, jako je nadměrná křehkost nebo možná deformace.

Povrchové kalení oceli

Jedná se o metodu kalení, která se používá ke zlepšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení pouze vnější vrstvy oceli, přičemž vnitřní materiál zůstává měkčí a tažnější. Tento proces se často používá u povrchů, které potřebují být velmi tvrdé a odolné proti oděru při zachování pevnosti a tažnosti vnitřku výrobku.

Proces povrchového kalení může zahrnovat následující kroky:

1. Příprava povrchu: Ocelový povrch se očistí a/nebo opracuje, aby se odstranily nečistoty a vytvořil se připravený povrch.
2. Ohřev: Povrch oceli se poté zahřeje na teplotu, která je pod bodem chlazení (Ac3) nebo bodem transformace martenzitu (Ms). Ohřev lze provádět různými způsoby, jako je indukční ohřev nebo ohřev plamenem.
3. Kalení: Po zahřátí se povrch oceli rychle ochladí, obvykle kontaktem se studeným médiem, jako je voda, olej nebo fyziologický roztok. Rychlé ochlazení vede k přeměně austenitu na martenzit, který dodává povrchu oceli zvýšenou tvrdost.
4. Popouštění: Po vytvrzení je povrch oceli podroben popouštění, což je proces ohřevu na určitou teplotu, po kterém dochází k řízenému ochlazování. Temperační ohřev a chlazení se provádí za účelem zmírnění zbytkového pnutí a snížení křehkosti.

Povrchové kalení oceli zlepšuje mechanické vlastnosti pouze vnější vrstvy, takže zbytek materiálu je méně tuhý a tažnější. To je zvláště užitečné pro povrchy, které jsou vystaveny silnému opotřebení, tření nebo oděru. Výrobky, jako jsou nástroje, ozubená kola, hřídele a povlaky, lze cementovat, aby se zlepšila jejich životnost a odolnost proti opotřebení.

Způsoby chlazení

Ocel lze kalit různými způsoby v závislosti na požadovaných vlastnostech a specifických podmínkách procesu. Zde jsou nejběžnější způsoby kalení oceli:

Ve vodě

Jedná se o nejběžnější a nejrychlejší způsob kalení oceli. Zahřátá ocel se rychle ponoří do studené vody, což má za následek rychlé ochlazení a vytvrzení. Voda zajišťuje intenzivní chlazení a vytváří tvrdou a odolnou strukturu. Tato metoda však může způsobit deformaci nebo praskliny.

V масле

Tato metoda je pomalejší a šetrnější než kalení vodou. Zahřátá ocel je ponořena do speciálního oleje, jako je minerální nebo polymerní olej. Olej zajišťuje pomalejší a rovnoměrnější chlazení, což pomáhá předcházet případným deformacím a prasklinám.

Naživo

Tato metoda kalení se používá u některých druhů oceli, zejména u větších nebo silnějších předmětů. V tomto případě ohřátá ocel zůstává na vzduchu a přirozeně se ochlazuje. Chlazení vzduchem poskytuje pomalejší, kontrolovanější chlazení, které může pomoci zabránit možnému zkroucení nebo prasknutí.

v soli

Tato metoda se používá pro kalení některých speciálních ocelí a slitin. Zahřátá ocel je ponořena do roztavené soli, která zajišťuje řízené chlazení a zabraňuje nadměrnému namáhání.

Volba konkrétní metody kalení oceli závisí na jejím chemickém složení, druhu oceli, tvaru a velikosti výrobků, požadovaných vlastnostech po kalení a dostupných technologických možnostech.

Možné vady po vytvrzení

I když tento proces může být prospěšný, může také vést k různým defektům, pokud se provede nesprávně.

Jednou z častých závad je praskání. V důsledku nerovnoměrného zahřívání nebo chlazení může dojít k prasklinám, které mohou způsobit selhání kovu pod napětím. Další vadou, která se může vyskytnout, je deformace nebo deformace v důsledku tepelné roztažnosti nebo smršťování během procesu kalení. Existuje také riziko oduhličení, pokud je kov zahříván příliš rychle nebo příliš horký, což snižuje jeho pevnost a tvrdost.

Je důležité si uvědomit, že tyto vady se ne vždy objeví po vytvrzení kovu, ale jsou možné, pokud se během procesu nevěnuje náležitá pozornost. Pro ty, kteří kalí kov, je důležité pochopit, jak teplota a čas ovlivňují různé kovy, aby se těmto problémům vyhnuli. Kromě toho je důležité, aby ti, kdo používají tvrzené kovy ve svých výrobcích, pravidelně kontrolovali, zda nemají praskliny nebo jiné vady, aby je bylo možné opravit dříve, než dojde k dalšímu poškození.

Zatímco temperování kovů může být účinným způsobem, jak zvýšit pevnost a trvanlivost určitých materiálů, mělo by být vždy prováděno opatrně, aby se předešlo případným defektům. Pochopením toho, jak teplota a čas ovlivňují různé kovy během tohoto procesu, a pravidelnou kontrolou výrobků, zda nevykazují známky praskání nebo deformace, můžete zajistit, že vaše výrobky zůstanou v průběhu času bezpečné a spolehlivé.

Výkon

Obecně byla procesní technologie a metody kalení oceli prostudovány poměrně důkladně. Je důležité si uvědomit, že každá metoda má své výhody a nevýhody související s cenou, rychlostí a konečným výsledkem. Výběr nejlepší metody pro konkrétní aplikaci závisí na konkrétních potřebách konkrétního projektu. I když neexistuje jediné ideální řešení pro kalení oceli, pochopení dostupných možností může profesionálům pomoci učinit informované rozhodnutí o tom, která metoda bude nejlépe vyhovovat jejich jedinečné situaci.

Tepelné zpracování jakékoli složitosti! Volejte: +7 (343) 382-60-95

Při kalení je ocel speciální kategorií ocelí s nízkým obsahem uhlíku, nepřesahujícím 0,20 %. Toto tepelné zpracování má za cíl rozptýlit atomy uhlíku na povrchu dílů, což jim dává vysokou tvrdost, vynikající odolnost proti opotřebení a činí je odolnějšími. Jednou z nejsložitějších a nejběžnějších forem tepelného zpracování je nauhličování. Jedná se o metodu, která zahrnuje zavádění ocelových prvků do atomů uhlíku. Níže můžete podrobně zjistit, co je kalení a nauhličování kovu.

Co je to nauhličování oceli

Když mluvíme o nauhličování oceli, odkazuje se na termochemický proces, při kterém se povrchová tvrdost oceli zvyšuje úpravou uhlíkem. Účelem nauhličování je poskytnout zpracovávanému kovu tvrdý povrch odolný proti opotřebení a pevné jádro. Spolu s tímto procesem, protože je založen na uhlíku, se často provádí tepelné zpracování kalením v oleji, aby se zlepšily strukturální vlastnosti oceli.

Povrchové kalení výrobků je postup, který lze provádět na všech kovových součástech, i když se provádí na těch aplikacích, které vyžadují odolnost proti opotřebení, zejména z dlouhodobého hlediska, a významnou odolnost proti nárazu. Typickými příklady těchto produktů jsou díly automobilových převodovek, ozubená kola, vačkové hřídele, čepy a mnoho dalších. Většina společností zabývajících se nauhličováním oceli má sofistikované zařízení, které jim umožňuje pracovat i s produkty velkých rozměrů o hmotnosti až 2 tuny.

Rozlišují se tyto druhy cementace: plynná, pevná, pastová, kapalná. Nechybí ani trysková injektáž.

Technologie nauhličování oceli se skládá z následujících fází:

• teplo;
• udržování teploty;
• austenitizace povrchovým kalením;
• nauhličování;
• povrchová difúze uhlíku;
• chlazení;
• austenizace;
• kalení;
• kalení v oleji;
• nauhličování temperování ke zmírnění stresu.

Existují různé způsoby cementování. Jedním z nejdůležitějších prvků je dosažení vysoké teploty, teplota nauhličování se pohybuje mezi 850 a 950 stupni.

Co je podstatou kalení oceli

Kalení je tepelné zpracování kovu prováděné za účelem snížení negativního dopadu na materiál.

Kalení se aplikuje na ocel a další slitiny pro zlepšení jejich mechanických vlastností. Při kalení se kov zahřeje na vysokou teplotu a tato teplota se udržuje, dokud se část uhlíku nerozpustí. Teplota kalení oceli dosahuje 750–1150 °C. Kov je poté kalen, což zahrnuje jeho rychlé ochlazení v oleji nebo vodě. Kalení a popouštění jdou ruku v ruce: popouštění se provádí ihned po kalení. Jedná se o dodatečné vytápění na nižší teploty.

Mohou existovat různé režimy kalení – jsou určeny podle typu produktu.

Jaký je rozdíl mezi kalením a nauhličováním oceli

Pokud porovnáte obě možnosti, prvním znatelným rozdílem bude manipulace se zpracovávanými produkty. Při kalení se díly zpracovávají jeden po druhém a při nauhličování lze hovořit o velkém počtu dílů současně.

Vlastnosti kovu po vytvrzení

Kalení má plný vliv na tvrdost. Po vytvrzení vzniká slitina, která má vysokou pevnost a odolnost proti opotřebení. Po vytvrzení se však křehkost zvyšuje a výrobek není vhodný pro řezání laserem a další strojírenské aplikace. Pokud je požadováno, aby povrch součásti byl dostatečně tvrdý, aby odolal opotřebení a erozi a aby vydržel rázové a rázové zatížení, doporučuje se cementování. V každém jednotlivém případě je třeba se zamyslet nad tím, jaké zpevnění je pro výrobek vhodné.

Vlastnosti kovů po nauhličování

Je to jednoduché: kov bude mít tvrdý vzhled, který mu po cementaci umožní odolat vážnému mechanickému poškození bez předčasného opotřebení.

Další důležitou výhodou je, že tento proces má měkkou vnitřní vrstvu. Díky tomu bude snadné tvarovat do různých tvarů. Tato měkká vrstva nauhličení je zvláště užitečná při výrobě kovových předmětů s tvrdým povrchem (jako jsou vnitřky strojů).

Některé necementované ocelové slitiny poskytují přirozenou tvrdost povrchu. Nemají však vnitřní měkkost potřebnou k vytvoření složitých tvarů.

Vlastnosti nauhličování a kalení se mírně liší. Výběr metody by měl záviset na produktu a účelu. Naše společnost poskytuje širokou škálu kovoobráběcích služeb, jako je objemové kalení.

Potřebujete konzultaci?

Zanechte své údaje a specialista vás bude brzy kontaktovat