Ocelová konstrukce po kalení: druhy a technologie tepelného zpracování

O čem to je? Některé třídy oceli nevyžadují zvláštní pevnost, protože se používají v podmínkách, kdy jsou dostatečné standardní indikátory. Pro konstrukční a instrumentální kategorie to však nestačí. Pro zvýšení pevnosti jsou podrobeny tepelnému zpracování. Struktura oceli se po kalení (hlavní typ tohoto procesu) mění k lepšímu.

Jak to jde? Existuje několik druhů kalení. V závislosti na použité technologii se získá výsledek, který je vyžadován v určitých případech aplikace materiálu. Tento typ tepelného zpracování má nejen výhody, ale i nevýhody, takže při výběru metody, která mění strukturu oceli, musíte pochopit, jak k tomuto zpracování dochází.

Problémy diskutované v materiálu:

• Význam změny struktury oceli kalením
• Proces kalení oceli
• Jak se změní struktura oceli po kalení?
• Co tvoří strukturu oceli při kalení
• Technologie kalení oceli pro zlepšení struktury
• Druhy a podmínky kalení oceli, které ovlivňují konstrukci

Význam změny struktury oceli kalením

Zpevňování kovů pomocí teploty je jednou z nejoblíbenějších metod, která se začala používat ještě před naším letopočtem. Všechna následující staletí se metody kalení zdokonalovaly a největšího pokroku v této oblasti bylo dosaženo v době průmyslové revoluce. Dnes je tepelným zpracováním podrobeno 8–10 % všech druhů vyráběných ocelí. V oblasti strojírenství toto číslo dosahuje 40 %. Kalení je běžná technika, protože je univerzální a nevyžaduje značné výrobní náklady.

Při jakémkoli typu kalení po něm dochází ke změnám ve struktuře oceli. Zrna jsou uspořádaná a jejich tvar se stává jehličkovitým nebo lamelovým. To vede ke zvýšení tvrdosti materiálu, což má pozitivní vliv na jeho odolnost proti oděru. Tato vlastnost hraje klíčovou roli při výrobě produktů, jako jsou:

• ložiska libovolné konstrukce a účelu;
• frézy, vrtáky, nože, jiné řezné nástroje;
• části strojů a mechanismů, které se o sebe při provozu třou.

Je však třeba zvážit, že po vytvrzení se struktura oceli a výrobků z ní stává křehčí. To způsobuje rychlejší destrukci pod vlivem silných vibrací a rázového zatížení. Těmto problémům lze předejít technologickými metodami, díky nimž je možné minimalizovat nedostatky kalených dílů a přesně vypočítat budoucí vlastnosti oceli.

Proces kalení oceli

Vzhledem k tomu, že proces je jednoduchý, je obtížné okamžitě zaznamenat vážné změny v kovu. Výrobek se zahřeje a poté se ponoří do studené vody nebo jiného chladicího média, které se vaří a ocel získá zvýšenou pevnost.

To je důvod, proč před mnoha staletími lidé, kteří náhodou objevili některé metody zpracování kovů, je přirovnali k magii. Věřili, že to byla lidská síla, která se přenesla na zbraně, aniž by si byli vědomi vzniku martenzitu ve struktuře oceli po kalení a popouštění.

Z vědeckého hlediska je popis tohoto procesu složitější. Jakákoli ocel je pevným roztokem uhlíku v základní struktuře α-železa. Podíl uhlíku závisí na typu kovu: například v St 65 je 0,65% tohoto prvku, v U13 – asi 1,3% atd.

doporučené články

• Chlazení při kalení kovů: principy a metody
• Vysoce uhlíková ocel a její vlastnosti
• Teplota kalení oceli: jaká by měla být

Protože chemická aktivita uhlíku je poměrně vysoká, při tavení při teplotě +1 600–2 000 °C se váže se železem. Tak vzniká cementit Fe3C. Zbytek kovu je ferit, který má vysoký stupeň měkkosti. Díky značnému podílu feritu jsou nízkouhlíkové oceli tažné i bez ohřevu. Toto pravidlo se nevztahuje na následující druhy oceli:

• legované, vyrobené v souladu s GOST 4543;
• ložiska vyrobená v souladu s GOST 801;
• pružina-pružina, při jejíž výrobě se berou v úvahu GOST 2052 a GOST 14959;
• všechny typy instrumentálních legovaných i nelegovaných.

Jak se změní struktura oceli po kalení?

Účinnost kalení lze určit posouzením struktury kovu po tavení a válcování za tepla požadovaného profilu, to znamená výrobu pásu, tyče nebo speciálních výrobků, jako jsou úhelníky, kanály atd.

Ocel (bez ohledu na její typ) má krystalickou strukturu skládající se z nekonečného počtu krystalů. Když se nalije a ochladí, krystalické částice mají podobu zrn nebo mnohostranných útvarů. Tento proces je doprovázen aktivním nasycením kyslíkem, takže se mezi sousedními krystaly objevují dutiny. Když se kov ochladí, jsou naplněny sírou, fosforem a dalšími tavitelnými nekovovými vměstky.

V důsledku toho trpí tažnost oceli, protože fosfor a síra jsou vysoce křehké. Tvoří se také poměrně hrubé nahromadění zrn, což způsobuje, že ocel ztrácí svou rovnoměrnou hustotu. Při následném zpracování kovový ingot jednoduše praskne.

Aby se tomuto efektu zabránilo, válcování začíná po tavení. Umožňuje vám zbavit se původních defektů, učinit strukturu jednotnější, zvýšit hustotu a odstranit praskliny z kovového povrchu.

Plastická deformace však může makrostrukturu pouze korigovat. Ke změně mikrostruktury je zapotřebí kalení, tedy soubor technologických metod tepelného zpracování, jejichž použitím se zvyšuje pevnost oceli. Kalení je navrženo tak, aby se do běžných provozních podmínek přenesly ty vlastnosti mikrostruktury výrobků, které se objevují při vysokých teplotách.

Chemické složení oceli je zachováno, přičemž se výrazně zvyšuje:

1. mez pevnosti v tahu Qв (měřeno v MPa);
2. mez kluzu Qt (měřeno v MPa);
3. mez únavy Qi (měřeno v MPa);
4. Tvrdost podle Brinella HB nebo Rockwell HRC.

Zatímco rázová pevnost a tažnost se snižují. Tomu lze předejít dodržením dalších postupů, jako je popouštění, stárnutí atd. na základě změn ve struktuře oceli po kalení.

Co tvoří strukturu oceli při kalení

Rovnovážné (austenit a perlit) i nerovnovážné (martenzit, sorbit, troostit, zbytkový austenit) struktury hrají klíčovou roli při vytváření souboru charakteristik kovů při tepelném zpracování. Podívejme se na každou z nich podrobněji:

• austenit (A) je pevný roztok uhlíku v γ-železe.
• Martenzit (M) je přesycený pevný roztok uhlíku v α-železe, má podobnou koncentraci jako původní austenit. Martenzit se vyznačuje tvrdostí, křehkostí, tahem a nestabilitou. Jeho pevnost roste úměrně s podílem uhlíku. Takže pro C 0,1 % HRC30; C 0,7 % HRC65. Martenzit vyniká nad ostatními strukturami maximálním měrným objemem, který závisí na množství uhlíku. Limitní objem je obsažen v eutektoidní oceli. Zvýšení měrné hodnoty vede k výraznějším vnitřním pnutím, která někdy vedou k deformaci nebo destrukci součásti.
• Perlit (P) je eutektoidní směs feritu (F) a cementitu (C). Má konstantní obsah uhlíku 0,8 %.
• Sorbitol (C), troostit (T) jsou kvazieutektoidní (kvazi přeloženo jako „podobné“) směsi feritu a cementitu. Obsahují více nebo méně než 0,8 % uhlíku. Hlavním rozdílem mezi sorbitolem, troostitem a perlitem je stupeň disperze částic cementitu. Troostit má minimální disperzi, sorbitol má průměrnou disperzi, zatímco perlit je rozptýlený hrubě.

Čím vyšší je disperze, tím je kov pevnější a tím nižší je jeho tažnost. Například tvrdost troostitu je HB 3500–5000 MPa (HRC 38–52); pro sorbitol se rovná HB 2500–3500 MPa (HRC25–38); pro perlit je HB 1500–500 MPa (HRC 25 nebo méně).

Technologie kalení oceli pro zlepšení struktury

Výrobky z vysoce kvalitních typů konstrukčních ocelí s obsahem uhlíku nad 0,4 % jsou často kalené. U konstrukčních legovaných typů je podobný postup povinný, protože na jejich pevnost jsou kladeny nejvyšší nároky.

Režim kalení se volí s ohledem na následné použití produktu. Nejčastěji používané technologie jsou:

1. Tepelné zpracování nízkouhlíkových konstrukčních typů ocelových slitin s obsahem uhlíku do 0,2 %. Zde je důležité zajistit tvrdý povrch a dostatečně viskózní jádro výrobku. Aby ocel získala takovou strukturu po vytvrzení, nejprve se provede nauhličování, to znamená, že povrch kovu je nasycen uhlíkem. Teprve poté přistoupí k tepelnému zpracování.
2. Tepelné zpracování středně uhlíkatých typů ocelových slitin, kde obsah uhlíku je na úrovni 0,3–0,6 %. Metoda se používá při výrobě kritických inženýrských prvků, které mají složitý tvar a fungují při střídavém zatížení. Po vytvrzení je nutné provést normalizaci.
3. Chemicko-tepelné zpracování relativně vysoce legovaných druhů ocelí. Hluboké vrstvy kovu si mohou zachovat viskozitu. Nejčastěji se uchylují ke kyanizaci, nitridaci a síření, které se provádějí po vytvrzení.

Konstrukční typy ocelových slitin jsou považovány za hypoeutektoidní, to znamená, že mají podíl uhlíku do 0,8%. Jaká je struktura oceli po kalení? Je určeno podmínkami vytápění a může zahrnovat:

• Ferit a perlit, pokud použitá teplota nebyla vyšší než +723 °C. Perlit je mechanická směs feritu a cementitu s přídavkem karbidů legujících prvků.
• Směs feritu a austenitu při zahřátí na +850–900 °C. V tomto případě je oblast stabilní existence struktury vztažena k uhlíkové frakci. Postupně klesá z +950–723 °C na 0 °C.
• austenit, pokud je použita nižší teplota.

Diagram železo-uhlík umožňuje vizualizovat strukturální změny slitin konstrukční oceli během ohřevu. S jeho pomocí se volí režimy kalení a popouštění. Často se můžete setkat s výkresem doplněným fotografiemi konstrukčních prvků.

Převážná většina druhů ocelí po kalení se vyznačuje martenzitovou strukturou se zbytkovým austenitem. Podíl posledně jmenovaných je určen množstvím uhlíku, objemem a složením legujících složek. V konstrukčních typech středně legovaných ocelových slitin je přítomno 3–5 %. zbytkový austenit, u instrumentálních – až 20–30 %.

Jakou strukturu bude mít ocel po kalení, závisí na požadavcích na mechanické vlastnosti hotového výrobku. Po zpracování může kov kromě martenzitu obsahovat ferit, dokonce i cementit, pokud je provedeno neúplné vytvrzení. Izotermické kalení vede k vytvoření bainitové struktury.

Druhy a podmínky kalení oceli, které ovlivňují konstrukci

Struktura a vlastnosti kalené oceli jsou formovány v souladu se zvoleným způsobem zpracování. V současné době existuje mnoho technologických metod a typů kalení:

1. Úplné vytvrzení. Poté se struktura oceli mění v celém objemu výrobku.
2. povrchní. Způsobuje zvýšení stupně tvrdosti do určité hloubky.
3. vykročil. Ovlivňuje tvrdost ve vrstvách – jejich tloušťka může být libovolná nebo specifikovaná.
4. Zóna. Omezuje tloušťku a plochu ošetřované vrstvy.
5. přerušovaný. Vyskytuje se ve dvou nebo více prostředích.
6. Izotermický. Předpokládá se přibližná teplota chladicí kapaliny +200 °C.

V jakémkoli režimu kalení je kov po zahřátí na nějakou dobu umístěn do chladícího prostředí. Změnou teploty, času, způsobu ohřevu a použitím různých chladicích médií je určitým způsobem ovlivněna struktura materiálu.

K ohřevu produktu lze použít různé techniky, které jsou určeny vlastnostmi technologie zpracování a dostupným zařízením. Vytápění se provádí:

• otevřený nebo usměrněný plamen;
• elektřina – tzv. kontaktní vytápění;
• bezkontaktní, využívající vysokofrekvenční proud.

Zvolený přístup ovlivňuje výsledek a strukturu oceli po kalení. To znamená, že zvláště důležitá se ukazuje úroveň technologického vybavení dílny.

Během procesu kalení se bere v úvahu jakost a vlastnosti oceli, poté je přivedena na teplotu přesahující teplotu fázových přeměn. K tomu lze použít následující pece:

• těžit – mají vysokou produktivitu, nezbytnou pro práci s velkorozměrovými produkty. Takové pece jsou však stacionární a rozměrově velké, takže většinou nejsou vhodné pro malé provozy.
• Komora – se nejčastěji používají ve výrobě, protože umožňují použití různých metod zpracování kovů, pokud jde o malé díly a středně velké výrobky. Tento typ trouby lze přemisťovat.
• Vakuum – může mít prostředí se vzduchem, dusíkem nebo heliem. Zařízení je složité, ale umožňuje přesné řízení ohřevu kovu. Chyba nepřesahuje 5 °C.
• Vodík – poskytují rychlý a rovnoměrný ohřev v kombinaci s vysokým stupněm automatizace. Pece tohoto typu jsou drahé a mohou se samy zaplatit pouze hromadnou výrobou produktů.

Technologie elektrického kalení neumožňuje pracovat s obrobky složitých tvarů, ale výborně funguje při změně struktury ocelového plechu po kalení a jiných typů dlouhých výrobků. Pro zvýšení teploty kovu se na válce válcovacích stolic přivádí napětí.

Kalení vysokofrekvenčními proudy zahrnuje použití speciálního indukčního zařízení. Použité zařízení má malou velikost a může rychle zahřát kov. V důsledku toho se výrazně zkracuje čas potřebný ke zpracování oceli, což umožňuje zvýšení produktivity.

Zpracování oceli není možné bez nádob na chladicí média. Konstrukční vlastnosti nádrží jsou určeny v souladu s požadavky použité technologie. Chladicí média mají různé složení a mohou být kapalná nebo plynná. Efektivitu dopadu na kov je možné sledovat díky speciálnímu zařízení: umožňuje ověřit tvrdost ocelových slitin metodami Brinell, Rockwell, elastickým zpětným rázem a dynamickou extruzí.

Je důležité, aby chlazení probíhalo rychlostí, při které není možný rozklad austenitu na ferit a karbid železa. Tento proces začíná při teplotách pod +650 °C. Následné ochlazování se provádí pomaleji, aby se snížilo vnitřní pnutí kovu.

Při rychlém úplném ochlazení ve studené vodě vzniká martenzit – má nejvyšší tvrdost, ale je křehký. Aktivní pokles teploty o 200–300 °C zastavuje rozklad austenitu a další pomalejší ochlazování po kalení umožňuje tvorbu struktur v oceli s nižší tvrdostí, které jsou velmi pevné a odolné proti opotřebení. Požadovaná rychlost chlazení je zajištěna správnou volbou složení a teploty zhášecího média.

Vedoucí obchodního oddělení