Jak určit teplotu kalení?

Kalení kovů – složitý technologický proces, pro který je kritické přísné dodržování sledu akcí a také dodržování různých nuancí:

Optimální je ohřát obrobek na požadovanou teplotu v krátkém časovém úseku, což bude méně energeticky náročné. V případě kalení však rychlý ohřev vyvolává vznik teplotního rozdílu na povrchu a uvnitř, což je zvláště důležité u velkých obrobků. To zvyšuje riziko deformace a prasknutí.

Z tohoto důvodu se při kalení obrobky vždy ohřívají pomalu. Rychlost ohřevu se vypočítá pomocí empirických vzorců podle použitých tabulek. Ve výrobě je postup řízen tepelným technologem.

Po zahřátí kovu nad kritický bod určuje rychlost jeho ochlazování strukturu oceli na konci kalení. Při prudkém ochlazení v kapalině o teplotě +20C se získá uhlíková martenzitická ocel v horké vodě nebo oleji, vzniká troostit;

Různé třídy oceli mají své vlastní režimy ohřevu, což vám umožňuje získat požadovaný fázový stav. Rozměry a tvar obrobku mají samostatný vliv na proces. Ve výrobě jsou pro každou z nich vypracovány samostatné provozní mapy, které odrážejí technologie výroby tras.

Jak se kalí ocel

Klasifikace metod je založena na použití různých zdrojů vytápění nebo metod chlazení. Ocelové polotovary se před kalením ohřívají v muflových pecích, které zajišťují rovnoměrné rozložení tepla pro jakoukoli velikost dílu. Při zpracování obrobků na průtoku se pro urychlení ohřevu používá kalení vysokofrekvenčními proudy (indukční kalení).

Ohřev horních vrstev oceli se provádí cenově dostupným účinným kalením plynovým plamenem. Jeho hlavní nevýhodou je nemožnost nastavení přesných parametrů pro hloubku ohřevu.

Laserové kalení tyto nevýhody nemá, ale jeho možnosti jsou omezené vzhledem k nízkému výkonu zdroje záření.

Možnosti chlazení obrobku při zahřátí se liší v závislosti na typu samotného prostředí a také na kombinacích a cyklech pracovních operací. Pro některé jsou zavedeny procedury dovolené.

Co se stane, když je ocel kalena touto metodou? Obrobek zahřátý na určitou teplotu se spustí do kapaliny, kde se ochladí. Uhlíkové oceli jsou kaleny vodou, legované oceli jsou kaleny minerálním olejem. Nevýhodou této metody je zachování značného napětí v kovu po zahřátí, které vyžaduje pomocné tepelné zpracování, zvané popouštění.

Obrobek je udržován v kalicí lázni při teplotách nad martenzitovou značkou, ale proces trvá déle, což umožňuje transformaci austenitu na bainit, typ troostitu. Ocel kalená touto metodou je zároveň pevná, houževnatá a tažná. Na konci izotermického ohřevu se zbytková napětí sníží na přijatelné hodnoty.

Tato metoda tepelného zpracování se používá, když je potřeba vytvrdit rázový nástroj, což vyžaduje tvrdou vrstvu na povrchu a viskózní vrstvu uprostřed. Specifičnost této metody spočívá v odstranění obrobků z kalící kapaliny bez čekání na jejich úplné vychladnutí. Uvnitř dílu je zadrženo dostatečné množství tepla pro zahřátí kovu na požadovanou popouštěcí teplotu. Protože výrobek se znovu zahřívá vnitřním teplem; tento typ tepelného zpracování se nazývá kalení se samopopouštěním.

Oblast použití: obrobky, u kterých je oxidace během tepelného zpracování kontraindikována. Zahrnuje ohřev kovu ve vakuových pecích nebo v prostředí inertního plynu. Chlazení probíhá v neoxidačních kapalinách nebo taveninách. Vhodné pro obrobky, které nevyžadují broušení nebo díly, které jsou kritické pro přítomnost uhlíku v povrchové vrstvě.

Parametry oceli

Základem procesu ohřevu je test ohřevu při fázových přechodech. Během procesu se mění struktura kovu – tvar, složení, prvky krystalové mřížky.

Při 723 C začíná rozklad cementitu (karbidu železa FeC) v pevném kovu. Austenit je v železné hmotě distribuován rovnoměrně. Tento stav uhlíkového kovu slouží jako základ pro kalení.

Po dokončení ohřevu se ocel ochladí. Pokud proces postupuje pomalu, austenit se rozpadá a ocel se vrací do původního stavu. Pokud chlazení probíhá rychle, austenit se nestihne změnit. Při určité intenzitě poklesu teploty v určitých hodnotách se tvoří nové krystalové mřížky a chemické sloučeniny, což umožňuje dodat kovu další fyzikální vlastnosti a další provozní parametry.

Experimentálně byly pro každý druh tepla stanoveny různé druhy ocelí s určitými vlastnostmi a technickými parametry. Hlavní fázové stavy kovu jsou:

Nejtvrdší ocel bude ocel kalená na martenzit. Postup se provádí s kovy používanými při výrobě řezných nástrojů pro obráběcí stroje, které zpevňují povrch dílů vystavených zvýšenému tření během používání.

Zahřívání na troostitu dodává oceli pružnost a tvrdost. Tento typ tepelného zpracování se používá pro nárazové nástroje, pružiny a pružinové tlumiče.

Kov získává viskozitu, elasticitu a odolnost proti opotřebení vytvrzením na sorbitol. Kalená ocel se používá při výrobě kolejnic, prvků a dílů vystavených konstantnímu dynamickému namáhání.

Fázové stavy uvedené výše jsou charakteristické pro všechny uhlíkové oceli, které byly zahřáté, ale každý jednotlivý typ kovu má své vlastní charakteristiky (teplota, rychlost ochlazování).

Jaké oceli se kalí?

Ohřev a popouštění se nepoužívá u válcovaných výrobků a výrobků z nízkouhlíkových ocelí typů 10, 20, 25. Uvedený způsob tepelného zpracování je účinný pro uhlíkové nástrojové oceli, které po zpracování zvýší svou tvrdost 3-4krát.

Režimy kalení a oblasti použití pro jednotlivé typy nástrojových ocelí jsou uvedeny v tabulce.

Vady a vady

Při kalení může docházet k různým vadám, které mohou negativně ovlivnit kvalitu materiálu a jeho mechanické vlastnosti. Nejčastější nedostatky:

• Praskání (praskání) – zničení materiálu, ke kterému dochází uvnitř kovové konstrukce, což může vést k neočekávanému roztržení materiálu během provozu.
• Deformace – změna geometrie kovu různého stupně závažnosti. Vede ke změnám parametrů výrobku, což způsobuje problémy při montáži nebo způsobuje mechanickou nekompatibilitu s jinými díly.
• Nerovnoměrné teplo – různé části součásti mají různou tvrdost a mikrostrukturu. To vede ke změnám mechanických vlastností a nadměrnému opotřebení.
• Mazání a koroze – při zpracování se mohou na dílech objevit skvrny a oxidace, což způsobuje rozmazávání dílů a povrchovou korozi.
• Tepelné praskání – vznikají v důsledku prudké změny teploty oceli, způsobující narušení struktury kovu a nesoulad s mechanickými vlastnostmi.

Ke snížení těchto vad se používají různé metody sledování a hodnocení kvality kalení: vizuální kontroly, nedestruktivní zkušební metody.

Tvorba vodního kamene, kritický pokles hladiny uhlíku

Již malý podíl kyslíku ve vytvrzovací peci způsobuje tvorbu okují na povrchu, který oxiduje kov při jeho tepelném zpracování. Snižuje také obsah uhlíku v povrchových oblastech.

Takové jevy lze zcela eliminovat pouze přechodem na vakuové pece, které zajišťují lehké kalení, nebo ohřevem obrobků v přítomnosti argonu nebo dusíku.

Dobré utěsnění pece umožňuje minimalizovat oxidaci a pokles hladiny uhlíku, což do určité míry snižuje tok kyslíku do pracovní oblasti. Doporučuje se kalit kovy v transformátorovém nebo průmyslovém oleji I-20.

Hypoeutektoidní oceli pro kalení by měly být zahřáté do jednotného austenitického stavu. Dosahuje se v relativně krátké době, pokud je teplota ohřevu 30-50 o C nad teplotou Ac₃. Teplota Ac₃, při kterých bude za reálných podmínek ohřevu ferit zcela nahrazen austenitem, závisí na rychlosti ohřevu (obrázek 1). Čím vyšší je rychlost ohřevu, tím větší je rozdíl mezi Ac₃ a A.₃. Při pomalém ohřevu trouby je malý. Proto je teplota ohřevu pro kalení podeutektoidních ocelí nastavena na 30 – 50 o C nad rovnováhou A_3, který se naopak nachází na fázovém diagramu železo-uhlík, v průsečíku koncentrace uhlíku v oceli s přímkou ​​GS (obrázek 2).

V tovární praxi se kritické teploty používaných ocelí určují z referenčních knih a v případě potřeby se objasňují pomocí termické analýzy.

Stínovaná oblast v diagramu ukazuje doporučené teploty ohřevu pro kalení. U podeutektoidních ocelí je teplota ohřevu 20-30°C nad čárou Ac_з těch. je v oblasti austenitu. Ocel třídy 40 (0,4 % C) se zahřeje na teplotu t₁ , ocel třídy U8 (0,8 % C) se zahřeje na teplotu t_2.

Dobu ohřevu lze vypočítat nebo použít referenční data (tabulka 1).

Tabulka 1 – Doba ohřevu plochých ocelových dílů

3. Doba zdržení při dané teplotě

Doba výdrže je nezbytná pro rovnoměrné rozložení teploty po celém průřezu vzorku (zahřátí součásti) a pro dokončení strukturálních přeměn. Je stanovena výpočtem nebo převzata z příslušných referenčních knih. U vzorků použitých v této práci může být doba výdrže měřena rychlostí 1 min na 1 mm tloušťky součásti.

4. Období chlazení

Nejdůležitějším faktorem během této doby je rychlost ochlazování součásti. V závislosti na rychlosti ochlazování se austenit může transformovat do různých struktur. Obrázek 3 ukazuje schéma izotermické přeměny podchlazeného austenitu (je znázorněn obecný případ). A – austenit, P – perlit. PROTI₁, V₂, V₃, V₄, V_К – rychlost chlazení, stupně/sec. M_Н – teplota počátku martenzitické přeměny.

U uhlíkových ocelí se při snižování rychlosti ochlazování získá vyrovnanější struktura a menší tvrdost. Například při rychlosti V₁ vzniká při rychlosti V struktura hruboplochého perlitu₂ více rozptýlená struktura perlitu (a tvrdší). Pro získání struktury martenzitu (mající největší tvrdost) je vyžadována rychlost ochlazování V_К (kritická rychlost) nebo ještě vyšší V₄U uhlíkových ocelí je to přibližně 500 o C/s.

Rychlost chlazení závisí na rozdílu teplot, na poměru plochy povrchu dílu k jeho objemu, na termofyzikálních vlastnostech chladicího média a materiálu dílu a na některých dalších faktorech.

Tabulka 2 – Rychlosti chlazení v různých prostředích

Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli: