Aké druhy ocele možno kaliť?

Akýkoľvek typ ocele, ktorý obsahuje veľké množstvo uhlíka, je schopný zmeny. Toto je tiež známe ako temperované. Ak prvok neobsahuje dostatok uhlíka, kryštálovú štruktúru nemožno zmeniť a žiadne zahrievanie nezmení zloženie materiálu.

Oceľ je jedným z najdôležitejších a najcharakteristickejších kovov na planéte. Z kombinácie železa a uhlíka vzniká robustná, všestranná a široko používaná zliatina. Od budov, infraštruktúry, nádrží na vodu, áut, strojov, domácich spotrebičov až po jednoduché náčinie, ako sú vidličky a lyžice, zdá sa, že jeho aplikácie nemajú žiadne obmedzenia. Je to spôsobené mnohými požadovanými vlastnosťami, ktoré oceľ má. Jednou z týchto vlastností je tvrdosť, schopnosť materiálu odolávať deformácii vyvolanej vtlačením, nárazom alebo oderom. Prirodzená tvrdosť ocele však nie je vždy dostatočná pre určité inžinierske aplikácie, ako sú nosné konštrukcie a časti motora. Preto boli vyvinuté metódy na výrazné zvýšenie tvrdosti spolu s ďalšími vlastnosťami ocele. Tieto metódy sú známe ako kalenie ocele.

Kalenie ocele sa zvyčajne vykonáva na hotových výrobkoch a nie na surovinách. Pri CNC obrábaní je kalenie ocele proces po obrábaní, ktorý sa vykonáva na obrábaných dieloch. Deje sa tak z niekoľkých dôvodov. Predovšetkým nie je ekonomické kaliť celý blok ocele, pretože veľké percento z neho sa odstráni v procese obrábania. Okrem toho sa kalená oceľ oveľa ťažšie obrába, pretože tvrdosť dielu sťažuje prenikanie nástroja.

Vnútorné konštrukcie ocele a jej tvrdosť

Nie všetky ocele, ktoré vidíme, majú rovnaké zloženie. Presne povedané, existujú rôzne zloženia ocele na rôzne účely. Rozdiel medzi oceľami spočíva v ich vnútornej štruktúre. Keď sa zvýšila potreba pevnejších kovov na podporu zaťaženia, bolo potrebné oceľ vytvrdiť. Oceľ vo svojej najzákladnejšej forme má relatívne nízku pevnosť a tvrdosť. Modifikácia jeho vnútorných štruktúr však prináša pôsobivé výsledky v jeho odolnosti a tvrdosti. Kalenie ocele jednoducho pozostáva z procesov navrhnutých tak, aby uprednostňovali tvorbu jednej konkrétnej vnútornej štruktúry namiesto inej. Vnútorné oceľové konštrukcie zahŕňajú

Martenzit

Je to najtvrdšia forma vnútornej kryštalickej štruktúry ocele. Rýchlym ochladením austenitického železa vzniká martenzit. Vďaka rýchlej rýchlosti ochladzovania je uhlík zachytený v pevnom roztoku, čo spôsobuje stvrdnutie dielu. Je mimoriadne tvrdý a krehký. Martenzit má ihličkovitú ihličkovitú mikroštruktúru, ktorá sa javí ako šošovkovité doštičky alebo doštičky, ktoré rozdeľujú a rozdeľujú zrná materskej fázy, pričom sa vždy dotýkajú, ale nikdy sa neprekrížia. Táto štruktúra sa vyskytuje vo veľkom množstve zliatinových systémov, vrátane Fe-C, Fe-Ni-C.

austenit

Austenit je po martenzite ďalšou najtvrdšou vnútornou oceľovou konštrukciou. Vzťahuje sa na zliatiny železa, v ktorých je železo gama. Zvyčajne sa objavuje pod 1500ºC a nad 723ºC.

perlit

Perlit sa od martenzitu líši tým, že štruktúra perlitu vzniká pomalým ochladzovaním. Ide o laminárne usporiadanie feritu a cementitu. Pri 723ºC sa gama železo transformuje zo svojej FCC štruktúry na alfa železo, čím sa z roztoku vytlačí karbid železa (cementit).

Metódy kalenia ocele

Existuje niekoľko spôsobov, ako vykonať kalenie ocele. Tieto metódy môžu byť tepelné, mechanické, chemické alebo kombinácia dvoch alebo viacerých z nich. Procesy tepelného kalenia sú najbežnejšími spôsobmi kalenia ocele. Zvyčajne zahŕňajú tri hlavné fázy, ktorými sú zahrievanie ocele, jej udržiavanie na určitej teplote a jej ochladzovanie. Prvý stupeň zvyčajne zahŕňa zahrievanie kovu na veľmi vysokú teplotu, aby sa v ňom vyvolali štrukturálne zmeny. To tiež uľahčuje prácu na kove, napríklad zmenu jeho tvaru. Existujú rôzne spôsoby kalenia ocele

studená práca

Spracovanie za studena často mení vlastnosti ocele alebo kovov. Tento spôsob kalenia ocele jednoducho zahŕňa deformáciu kovu pri teplote pod jeho bodom topenia. Vlastnosti ako medza klzu, pevnosť v ťahu a tvrdosť sa zvyšujú, zatiaľ čo plasticita a deformovateľnosť materiálu klesá. Základným spôsobom spevnenia členov je deformačné spevnenie, ktoré je výsledkom nahromadenia a zapletenia dislokácií počas plastickej deformácie. Aj keď sa asi 90 percent energie pri spracovaní za studena rozptýli ako teplo, zvyšok sa ukladá v kryštálovej mriežke, čím sa zvyšuje jej vnútorná energia.

Vytvrdzovanie tuhej zliatiny

Kalenie v roztoku je pridanie legujúceho prvku k základnému kovu na vytvorenie tuhého roztoku. Po stuhnutí kov stvrdne v dôsledku prítomnosti atómov zliatiny v kryštálovej mriežke základného kovu. Rozdiel vo veľkosti medzi atómami rozpustenej látky a rozpúšťadla ovplyvňuje účinnosť tuhého roztoku. Ak je atóm rozpustenej látky väčší ako atóm rozpúšťadla, vytvárajú sa tlakové deformačné polia. Namiesto toho, ak je atóm rozpúšťadla väčší ako atómy rozpustenej látky, vytvárajú sa polia ťahového napätia. Atómy rozpustených látok deformujúce mriežku do tetragonálnej štruktúry spôsobujú rýchle tvrdnutie. Jasným príkladom je vplyv cementitu na oceľ.

kalenie a temperovanie

Pri kalení, nazývanom aj martenzitická transformácia, sa oceľ zahrieva nad kritickú teplotu na austenitickú oblasť, udržiava sa na tejto teplote a potom sa rýchlo ochladzuje alebo častejšie ochladzuje vo vode, oleji alebo vo vode, roztavenej soli. Pre hypoeutektoidné ocele je teplota ohrevu 30-50ºC nad hranicou rozpustnosti austenitu. Pre hypereutektoidné ocele je teplota vyššia ako eutektoidná teplota. Ochladzovanie spôsobuje martenzitickú premenu, ktorá značne stvrdzuje oceľ. Kalená oceľ je však veľmi krehká. Preto je temperovanie nevyhnutné na zmiernenie vnútorných napätí a zníženie krehkosti. Maximálna tvrdosť sa dosiahne, keď je rýchlosť kalenia dostatočne rýchla na zabezpečenie úplnej transformácie martenzitu.

Púzdrové tvrdenie (v krabici)

Ako už názov napovedá, cementovanie vytvára tvrdý povrch, ktorý je nevyhnutný na to, aby odolal opotrebovaniu v aplikáciách, ako sú kľukové hriadele, ložiská a podobne. Tento spôsob kalenia ocele vo všeobecnosti zahŕňa jeden z troch prístupov:

Indukcia a kalenie plameňom

Ide o diferenciálnu tepelnú úpravu povrchu. Povrch sa rýchlo zahreje, aby sa zabránilo ovplyvneniu stredu materiálu. Materiál potom podlieha oveľa rýchlejšiemu chladeniu. Týmto spôsobom sa na povrchu vytvorí vysoká hladina martenzitu.

Difúzne vytvrdzovanie (nitridácia)

Ide o zmenu zloženia povrchu. Jemné častice sa rozptyľujú a umožňujú vybraným plynom reagovať a difundovať do ocele. V tomto procese sa oceľ tepelne spracováva, aby sa získala kalená martenzitická štruktúra. Potom sa vystaví atmosfére amoniaku pri teplote približne 550 °C počas 12-36 hodín. Malé legujúce prvky, ako je Al alebo Crenhance, podporujú tvorbu jemnej disperzie nitridov, ktoré výrazne zvyšujú tvrdosť povrchu a odolnosť proti opotrebeniu. Toto nitridové zloženie je oveľa lepšie ako martenzit z hľadiska tvrdosti.

nauhličovanie

Pozostáva z vystavenia ocele uhlíkovej atmosfére pri vysokej teplote. Uhlíková atmosféra môže byť vytvorená z vysoko kvalitného uhlia alebo disociovaného zemného plynu. Atómy uhlíka difundujú do podpovrchu kovu, výsledkom čoho je vysoko uhlíkový box, ktorý po následnom ochladení vytvorí tvrdý martenzitický povrch odolný voči opotrebovaniu.

Skúšky tvrdosti ocele

Tvrdosť nemá špecifickú jednotku merania. Skôr je popísaná indexovými číslami. Existuje niekoľko testov tvrdosti a index používaný na popis tvrdosti materiálu závisí od použitého testu. Niektoré bežné skúšky tvrdosti sú

Skúška tvrdosti podľa Brinella

Pri tomto teste sa na povrch materiálu pôsobí oceľovou guľôčkou známeho priemeru. Číslo tvrdosti podľa Brinella (BHN) sa potom vypočíta pomocou vzorca v tabuľke nižšie. Meria sa priemer výsledného odtlačku; spolu s priemerom oceľovej gule sa vypočíta BHN.

Vickersova skúška tvrdosti

Pri skúške tvrdosti podľa Vickersa je záťažou diamantová pyramída so štvorcovou základňou. Toto zaťaženie pôsobí na povrch materiálu asi 30 sekúnd. Vypočíta sa plocha pyramídového odtlačku a použije sa na výpočet tvrdosti kovu.

Knoopov test mikrotvrdosti

Tento test tvrdosti je špecifický pre tenké plechy alebo veľmi krehké materiály. Pyramídový diamantový hrot vytvára v materiáli veľmi malú priehlbinu. Vytvorený vtlačok sa potom študuje pod mikroskopom a používa sa na výpočet tvrdosti materiálu.

Rockwellova skúška tvrdosti

Rockwellova tvrdosť bola vyvinutá na meranie rozdielu v tvrdosti ocele pred a po tepelnom spracovaní. Indentorom môže byť oceľová gulička alebo sférický diamantový indentor. Tvrdosť sa meria stanovením hĺbky prieniku do materiálu. Zvyčajne sa aplikujú dve zaťaženia. Nižšia záťaž na vytvorenie počiatočného dojmu a vyššia záťaž na zapríčinenie hlavnej penetrácie.

Druhy ocele, ktoré možno kaliť

Americký inštitút pre železo a oceľ (AISI) klasifikuje oceľ do štyroch hlavných skupín:

uhlíkové ocele

Legované ocele

Nehrdzavejúce ocele

nástrojové ocele

Základnými prvkami ocele sú železo a uhlík. Avšak rôzne množstvá uhlíka a iných legujúcich prvkov určujú vlastnosti každej triedy. Obsah uhlíka v akejkoľvek oceli určuje jej prekaliteľnosť, ako aj maximálnu dosiahnuteľnú tvrdosť. To platí najmä v prípade kalenia, pretože uhlík podporuje tvorbu martenzitu.

Uhlíková oceľ (UNS G{{0}}G15900, DIN 1.0xx)

Uhlíkové ocele sú zliatiny železa, ktoré obsahujú až 2 percentá uhlíka. Často obsahujú stopové legujúce prvky, ktoré zlepšujú určité vlastnosti. Na základe skutočného množstva uhlíka, ktoré obsahujú, možno uhlíkové ocele rozdeliť na nízkouhlíkové ocele, stredne uhlíkové ocele a vysoko uhlíkové ocele.

nízkouhlíkovej ocele

Tiež známa ako mäkká oceľ, obsahuje od {{0}},08 do 0,35 percent uhlíka. Vďaka nízkemu obsahu uhlíka sa nízkouhlíkové ocele nevytvrdzujú chladením. Dajú sa však vytvrdiť nauhličením.

stredne uhlíkové ocele

Tieto ocele obsahujú medzi {{0}},35 percenta a 0,5 percenta uhlíka. Sú pevnejšie ako nízkouhlíkové ocele, ale ich spracovanie je náročnejšie. Stredne uhlíkové ocele sa ľahko kalia kalením. Pri legovaní stopovým množstvom mangánu sa zvyšuje ich kaliteľnosť. Stredne uhlíkové ocele sú tiež cementované pre aplikácie, kde je kritická odolnosť proti opotrebovaniu, ako sú kľukové hriadele.

vysoko uhlíkové ocele

Ocele s vysokým obsahom uhlíka obsahujú viac ako 0,5 percent uhlíka. Tento typ ocelí je vďaka vysokému obsahu uhlíka veľmi vytvrditeľný. Zvyčajne sa vytvrdzujú kalením. To ich však robí dosť krehkými, preto je potrebné temperovanie.

Legované ocele (UNS G{0}}G98500, DIN 1.2xxx)

Chemické zloženie je okrem obsahu uhlíka ďalším faktorom, ktorý ovplyvňuje prekaliteľnosť ocelí. Legované ocele obsahujú rôzne množstvá medi, niklu, mangánu, bóru a vanádu. Tieto ocele sú vysoko kaliteľné kalením. Je to preto, že legujúce prvky spomaľujú rozklad austenitu, čím sa ľahko vytvára martenzit v legovaných oceliach. Kalenie v tuhom roztoku je tiež účinný a bežný spôsob kalenia legovaných ocelí.

Nehrdzavejúce ocele (UNS S{0}}S99999, DIN 1.4xxx)

Nerezové ocele sú ocele, ktoré obsahujú 10 až 20 percent chrómu ako hlavného legujúceho prvku. Sú vysoko odolné voči korózii a erózii. V závislosti od ich štruktúry a zloženia možno nerezové ocele klasifikovať ako

austenitické

Austenitické ocele zvyčajne obsahujú železo, 18 percent chrómu, 8 percent niklu a menej ako 0,8 percent uhlíka. Sú najpoužívanejším typom nehrdzavejúcej ocele. Austenitické ocele nie sú magnetické ani tepelne spracovateľné. Ľahko sa však vytvrdzujú opracovaním za studena.

Feritiky

Tieto ocele zvyčajne obsahujú menej ako 0,1 percent uhlíka, 12 až 17 percent chrómu a stopové množstvá niklu. Feritické ocele sú magnetické, ale nedajú sa vytvrdiť tepelným spracovaním. Efektívnym spôsobom ich vytvrdzovania je opracovanie za studena.

Martenzitické

Martenzitické ocele sú vďaka svojej vnútornej štruktúre dosť tvrdé. Tieto ocele obsahujú až 1,2 percent uhlíka plus 12-17 percent chrómu. Martenzitické ocele sa vďaka relatívne vysokému obsahu uhlíka ľahko vytvrdzujú tepelným spracovaním.

Duplex

Duplexné ocele majú feritickú aj austenitickú mikroštruktúru. Tieto ocele sú kalené tepelným spracovaním alebo cementovaním.

Vytvrdzovanie zrážok

Vytvrdzovacie ocele sú nehrdzavejúce ocele, ktoré obsahujú chróm, nikel a ďalšie legujúce prvky, ako je meď, hliník a titán. Tieto legujúce prvky umožňujú vytvrdenie nehrdzavejúcej ocele tepelným spracovaním a starnutím. Môžu byť austenitické alebo martenzitické.

Nástrojové ocele (UNS T{0}}T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Ako už názov napovedá, nástrojové ocele sa bežne používajú pri výrobe nástrojov, ako sú rezné a vŕtacie nástroje. Zvyčajne obsahujú volfrám, kobalt, vanád a molybdén. Tieto nástroje môžu byť kalené opracovaním za studena a tiež tepelným spracovaním, ako je kalenie.

Druhy ocelí a ich najvhodnejší spôsob kalenia