Kalení oceli: jak se mění vlastnosti kovu během 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.

ocel	Na jaký nástroj se používá?	Teplota kalení, °C	Prázdninová teplota ° C	Chladicí médium pro kalení	Chladící médium na dovolenou
U7	Kladiva, perlíky, tesařské nářadí	800	170	Voda	Voda, olej
U7A	Dláta, šroubováky, značky, sekery	800	170	Voda	Voda, olej
U8, U8A	Děrovačky, zápustky, dláta, průbojníky, ruční listy pil na železo	800	170	Voda	Voda, olej
U10, U10A	Dřevoobráběcí nástroje, jádra, hoblovací a soustružnické nástroje	790	180	Voda	Voda, olej
U11	Kohoutky	780	180	Voda	Voda, olej
U12	Jehlové pilníky	780	180	Voda	Voda, olej
R9	Závitníky, pilové listy do strojů, vrtáky do kovu, frézy	1250	580	Oil	Vzduch v troubě
R18	Pilové kotouče, vrtáky do kovu, frézy	1300	580	Oil	Vzduch v troubě
ШХ6	Soubory	810	200	Oil	ovzduší
ШХ15	Pilové listy	845	400	Oil	ovzduší
9ХС	Zápustky, spirálové vrtáky do dřeva	860	170	Oil	ovzduší

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.

Uhlíková ocel 65G – pružinová ocel, používaná v průmyslu a pro výrobu čepelí zbraní. V článku se budeme zabývat hlavními aspekty spojenými s tímto typem oceli: složením, vlastnostmi a oblastmi použití.

Kde se používá ocel 65G?

Ocel 65G – konstrukční nízkolegovaná vysoce uhlíková ocel – se používá při výrobě produktů, které vyžadují vysokou pevnost, odolnost proti opotřebení a pružnost. Mezi oblasti použití patří:

• Výroba pružin a pružinových prvků.
• Výroba kluzných ložisek.
• Výroba čepelí pro řezné nástroje a čepelové zbraně.
• Výroba dílů pro automobilový průmysl.
• Tvorba prvků pro železniční dopravu.

Hmotnostní podíl prvků v oceli 65G podle GOST

Podle normy GOST 14959-2016, která upravuje chemické složení pružinové oceli, se ocel 65G vyznačuje následujícími ukazateli hmotnostního podílu prvků:

• Uhlík (C): 0,62–0,70 %
• Mangan (Mn): 0,60–0,90 %
• Lebka (Si): 0,17–0,37 %
• Chrom (Cr): až 0,25 %
• Nikl (Ni): až 0,25 %
• Měď (Cu): až 0,25 %
• Síra (S): až 0,035 %
• Fosfor (P): až 0,035 %

Význam chemických prvků ve složení 65G

Každý prvek ve složení oceli 65G hraje důležitou roli:

uhlík (C)Hlavní prvek, který určuje tvrdost a pevnost oceli.

Mangan (Mn)Zlepšuje tažnost a svařitelnost, zvyšuje pevnost a odolnost proti opotřebení.

křemík (Si)Zvyšuje elasticitu a odolnost vůči dynamickému zatížení.

Chrome (Cr)Zvyšuje tvrdost, odolnost proti korozi a pomáhá zlepšit obrobitelnost oceli.

Nikl (Ni)Zvyšuje pevnost a houževnatost při nízkých teplotách.

Měď (Cu)Zabraňuje korozi.

Síra (S) a fosfor (P)Ve velkém množství jsou nežádoucí, protože snižují plasticitu a viskozitu.

Fyzikální vlastnosti 65G

Ocel 65G má následující fyzikální vlastnosti:

• Hustota: cca 7800 kg/m³.
• Bod tání: přibližně 1450 °C.
• Tepelná vodivost a tepelná kapacita: poskytují dobrou tepelnou odolnost materiálu.
• Magnetické vlastnosti: Ocel 65G je magnetická.

Technologické vlastnosti 65G

Technologické vlastnosti oceli 65G zahrnují:

• Dobrá svařitelnost při dodržení svařovací technologie.
• Vysoká tvárnost a plasticita, která umožňuje výrobu složitých tvarových výrobků.
• Možnost tepelného zpracování (kalení a popouštění) pro dosažení požadovaných vlastností.

Vlastnosti válcovaných výrobků z oceli 65G

Válcované výrobky z oceli 65G mají následující vlastnosti:

• Vysoká pevnost a odolnost proti opotřebení.
• Odolnost proti nárazu.
• Dobrá elasticita, která je pro pružiny zásadní.
• Schopnost odolávat cyklickému zatížení bez významné ztráty vlastností.

Nevýhody oceli 65G

Navzdory mnoha výhodám má ocel 65G i nevýhody:

• Tendence ke korozi v agresivním prostředí bez dodatečné ochrany.
• Relativně obtížné zpracování kvůli vysoké pevnosti a tvrdosti.
• Nutnost přísného dodržování podmínek tepelného zpracování, aby se zabránilo přehřátí nebo nedostatečnému přehřátí.

Analogy a náhražky oceli 65G

Na trhu existují analogy a náhražky oceli 65G, které lze použít v závislosti na požadavcích na výrobek a provozních podmínkách. Mezi takové materiály patří:

• Ocel 60S2A: má podobné vlastnosti a často se používá při výrobě pružin.
• Ocel 55S2: lze ji použít i jako náhradu pro výrobu pružin.
• Zahraniční analogy jako AISI 1066, 1566, G15660, 66Mn4, Ck67, 080A67, 65Mn, 65G poskytují podobné výkonové charakteristiky.

Domácí značky s podobnými vlastnostmi jsou: 55S; 60S2; 70G; 65GA; 9HS.

Ocel 65G je oblíbeným materiálem díky své optimální kombinaci vlastností. Je široce používána při výrobě dílů, které vyžadují vysokou pevnost a pružnost, ale při jejím použití je nutné zohlednit možné nevýhody a vlastnosti zpracování.