vědomosti

Tepelné zpracování je zásadním krokem pro zajištění mechanických vlastností ocelových litých dílů. Formováním, litím, vyklepáváním a čištěním získá odlitek svůj konečný tvar – ale nemusí být dostatečně pevný nebo pružný pro konečné použití. Zahříváním a chlazením kovu různými rychlostmi mohou slévárny měnit jeho mechanické vlastnosti. Jak ale působení tepla změní pevnost nebo pružnost kovu? ​​​​​​​

Krystalizace a vlastnosti kovů

Když se roztavený kov ochladí, ztuhne do krystalické struktury. Pod mikroskopem tyto struktury připomínají vzory mrazu, které se tvoří na skle v zimě. Každá struktura roste z centrálního bodu, dokud nenarazí na jinou krystalovou strukturu. Tyto struktury tvoří „zrna“ kovu.

Stejně jako různé zimní podmínky vytvářejí různé druhy mrazu, různé teploty také mění krystaly vznikající při výrobě kovů. Zrna, která vytvářejí, jsou obvykle neviditelná, ale stanou se zjevnými, když je kov leptán kyselinou.

Tvar a vztah zrn ve slitině určují její mechanické vlastnosti. Při úderu na kov mohou kulatá zrna klouzat po sobě, spíše se promáčknout, než zůstat pevná nebo se zlomit. Plochá zrna se mohou naskládat jako cihly ve zdi a vzájemně se podporovat; jsou pevnější než kulatá zrna, ale přesto umožňují určitý pohyb. Zubatá, do sebe zapadající zrna nemusí nabídnout vůbec nic. Tepelné zpracování kovů může přetvořit jejich krystalizaci, a tím změnit jejich zrna a tím i vlastnosti kovu.

Pracně zpevněné kovy

Obraz kováře, který ve své kovárně tepe rozžhavený plech, i když už není obvyklý, je okamžitě rozpoznatelný. Po většinu lidské historie však kováři mechanicky opracovávali kovy, aby je zpevnili. Ocel dnes již kováři ručně nevykují, ale často se k jejímu mechanickému kalení válcová.

Zobrazení struktury zrna vysvětluje účinek zpevňování. Kulaté částice v kovu se deformují a jejich nové tvary dodávají kovu pevnost. Například při válcování za studena se kulatá zrna vymačkávají a natahují a stávají se spíše tyčemi. Tyto pruty se vzájemně podpírají, jako svazek tyčinek. Kovář nebo obráběč kovů může předmět tlouct, kroutit, zahřívat, chladit a natahovat, aby změnil tvar zrn. Pokud se zrna při úderu nemají kam dostat, tvoří nepohyblivou nepružnou matrici, čímž se zvyšuje tvrdost kovu.

Tato tvrdost však může něco stát: pevnost může způsobit, že materiál bude křehký. Nepravidelně tvarovaná zrna po sobě nekloužou snadno: jsou k sobě zaklíněna. Jakýkoli dostatečně velký náraz - větší než síla vazeb mezi zrny - je oddělí.

Tepelně zpracované kovy

Slévárny začaly vytvářet požadované mechanické vlastnosti oceli výběrem slitiny, o které je známo, že tyto vlastnosti produkuje. Jak se však odlitky ochlazovaly, bylo téměř nemožné řídit krystalizaci tohoto kovu. Protože krystalizace ovlivňuje mechanické vlastnosti kovu, slitina nemusí fungovat optimálně, pokud není dále zpracována. Slévárny toho mohou dosáhnout zahříváním a chlazením kovu kontrolovaným a pravidelným způsobem.

Tepelné zpracování je nedestruktivní metoda změny vlastností materiálů. Někdy je to sekundární proces pro kovy zpevněné tvářením - ale je to preferovaná metoda pro slévárny, protože odlitky jsou již ve správném tvaru a nelze je opracovat.

Krystalizace téměř vždy začíná na vnějším povrchu a pohybuje se dovnitř a - zejména u velkých odlitků - existuje značný teplotní rozdíl mezi skořápkou a středem odlitku. Krystaly rostou nepravidelně, obvykle jsou ostřejší a méně tažné v blízkosti povrchu. Obvykle jsou zaoblenější, a tím i měkčí. Tvar odlitku a vady nebo vměstky v kovu mohou ovlivnit rychlost ochlazování, což má za následek různé mechanické vlastnosti v různých oblastech kovu. Tyto rozdíly mohou způsobit vnitřní pnutí kovu, což vede k únavě kovu nebo jeho selhání. Tepelné zpracování umožňuje slévárnám vrátit se zpět do kovu a přeskupit krystaly, které jej tvoří.

Namáčení je proces přivedení odlitku nad bod rekrystalizace. Stanovená "doba teploty" pro namáčení při tepelném zpracování umožňuje krystalům v kovu roztavit a reorganizovat. Přezkoumání fázového cyklu železo-uhlík může slévárnám pomoci pochopit, jak dlouho udržovat odlitek při určité teplotě, aby byla umožněna specifická difúze uhlíku.

Ve většině (ale ne ve všech) částech cyklu železo-uhlík snižuje namáčení litých nebo zpracovaných kovů jejich tvrdost a křehkost. Jak částice v kovu rostou pravidelněji, stávají se kulatějšími a mohou se po nárazu přeskupit tím, že se posunou jedna přes druhou. Navíc, protože předmět vždy dosáhne stejné teploty, krystaly jsou obvykle jednotnější než krystaly v nově odlévaných kusech.

žíhání

Žíhání začíná máčením a pokračuje velmi pomalým ochlazováním oceli v peci. Slévač vypne pec a nechá teplotu mírně a kontrolovaně klesat. Během zahřívání a chlazení má celý objekt tepelnou konzistenci, což znamená, že je zde velmi malé vnitřní pnutí: nebudou zde žádné kovové „oblasti“ s různými krystalickými vlastnostmi. Žíhané kovy mají obvykle velmi dobrou tažnost, se zvýšenou tažností, pevností v tahu a tažností. Vzhledem k velmi pomalé křivce ochlazování je velikost zrna žíhaných kovů obvykle velmi velká.

Normalizace

Normalizace kovu zahrnuje zahřátí na teplotu rekrystalizace a následné vytažení z pece a ochlazení v atmosféře. Mnoho vlastností žíhaného kovu má také normalizovaný kov, ale kvůli neúplné rovnoměrnosti chlazení jsou zrna často méně pravidelná. Rozdíl teplot je však mnohem menší než u chlazeného kovu, což znamená, že standardizované výrobky jsou méně křehké.

Rychlost ochlazování zjištěná při normalizaci vytváří v kovu menší zrna než žíhání, což znamená, že je obvykle pevnější nebo tvrdší než žíhaný kov.

Kalení

Co když je požadována extrémně vysoká tvrdost? Při výrobě nástrojů a součástí strojů může změkčení kovu zmařit účel.

Tepelné zpracování může umožnit specifickou a konzistentní tvrdost. Aby byla ocel tvrdá, slévárny ocel ponořují, dokud se austenit nestane dominantní molekulou, a pak ji zchlazují ve studeném oleji nebo nuceném vzduchu. Když je austenit vystaven chladovému šoku, vytváří mírně nepravidelnou krystalovou strukturu zvanou martenzit. Díky deformaci uhlíku v každé molekule martenzitu je tento materiál tvrdší.

Protože k kalení dochází z vnějšku dovnitř, velké předměty jsou vystaveny tlaku rychlé krystalizace, která může způsobit vnitřní pnutí v kovu. Pokud je kalení příliš extrémní, mohou tyto síly někdy způsobit praskání. Z tohoto důvodu není kalení vodou u velkých ocelových předmětů běžné, protože způsobuje rychlý pokles teploty, což vede ke vzniku trhlin. Olej a vzduch chladí o něco méně agresivně.

Kalením se však zpevňuje více než jen ocel. Vodní kalení se používá ve slévárnách. Neocelové kovy nemusí vydržet stejný vnitřní tlak, protože jejich fáze a molekulární struktury jsou různé. Mangan lze kalit vodou při mnohem vyšší teplotě než ocel bez praskání. Rozdíl teplot je však tak velký, že jakékoli zhášení by zvládlo velké množství energie, které by se mohlo pokazit! Níže je exploze během procesu kalení odlitku z manganové oceli způsobená zbytkovým pískovým jádrem.

Tvrzení

Nalezení správné rovnováhy mezi tvrdostí a tažností lze také dosáhnout pomocí procesu zvaného popouštění. Kalení se obvykle provádí na kalené oceli, aby byla méně křehká při zachování určité tvrdosti. Při temperování se kov znovu zahřeje, ale na teplotu nižší, než se používá při žíhání, normalizaci nebo kalení.

Martenzit není stabilní molekulární struktura při vysokých teplotách-tvoří se pod šokem-takže temperování oceli znamená, že se martenzit stane nestabilním a začne se přeměňovat na cementit a ferit. Teplotní rozsah a doba trvání v popouštěcí peci ovlivní rozsah přeměny martenzitu, a tím i měkkost kovu. Například kovové pružiny mohou být temperovány na vyšší teplotu, aby se zvýšila elasticita ve srovnání s nástroji, které jsou temperovány při nižší teplotě, aby byla zachována tvrdost.

Popouštění se často používá ke zmírnění vnitřního pnutí v kalených materiálech. Kov, který prošel jiným tepelným namáháním, jako je svařování nebo kování, může být temperován, aby se vnitřní molekuly mohly mírně uvolnit.

Variace tepelného zpracování

Ve slévárnách se odlitky obvykle podrobují rovnoměrnému tepelnému zpracování. Někdy však může dojít k nepravidelnému tepelnému zpracování. Kalené ocelové meče obvykle podstupují různé stupně temperování, aby byla čepel tvrdá a jádro zůstalo elastické. Pružiny někdy procházejí různými tepelnými úpravami, aby odpovídaly jejich funkcím.

Sílamá více než 18 let zkušeností s tepelným zpracováním odlitků, výkovků a dalších kovových dílů.Máte-li jakékoli dotazy a požadavky na vývoj produktů nebo zlepšení vašeho dodavatelského řetězce, neváhejte nás kontaktovat nainfo@castings-forging.com