vědomosti

I. Úvod

V oblasti tepelného zpracování kovových materiálů je kalení mimořádně důležitým a běžně používaným procesem. Zahrnuje ohřev kovového materiálu na vhodnou teplotu a její udržování po určitou dobu, po kterém následuje ochlazení vhodnou rychlostí, čímž se mění vnitřní mikrostruktura materiálu a výrazně se zlepšují jeho mechanické vlastnosti, jako je tvrdost, pevnost a odolnost proti opotřebení. Ultrajemnozrnné kalení, jako pokročilá forma kalení, v posledních letech přitahuje značnou pozornost v oblasti materiálové vědy. Díky specifickým technologickým prostředkům umožňuje kovovému materiálu po kalení získat ultrajemnozrnnou mikrostrukturu, což mu dále dodává vynikající komplexní výkon. Prokázalo velký aplikační potenciál v mnoha oblastech s extrémně vysokými požadavky na výkon materiálu, jako je letecký a automobilový průmysl a výroba forem.

 

II. Principy kalení ultrajemných zrn

 

(1) Vztah mezi zjemněním zrna a vlastnostmi materiálu

Vlastnosti kovových materiálů do značné míry závisí na jejich vnitřní mikrostruktuře, zejména na velikosti zrn. Podle Hallova-Petchova vzorce je mez kluzu materiálu nepřímo úměrná druhé odmocnině z velikosti zrna, což znamená, že čím jemnější zrna, tím vyšší je pevnost materiálu. Je to proto, že menší zrna znamenají zvětšení plochy hranic zrn a hranice zrn působí jako překážky pohybu dislokací, účinně zabraňují skluzu a difúzi dislokací, čímž zvyšují odolnost materiálu vůči deformaci. Navíc při lomu jemnozrnných materiálů musí šíření trhlin překračovat více hranic zrn, což spotřebovává více energie, a proto mají také vyšší houževnatost a odolnost proti únavě.

 

(2) Mechanismus tvorby ultrajemných zrn během procesu kalení

1. Zjemnění zrna řízené fázovou transformací: Během procesu kalení procházejí kovové materiály transformací z vysokoteplotních fází (jako je austenit) na nízkoteplotní fáze (jako je martenzit, bainit atd.). Během této fázové transformace je tvorba nové fáze často doprovázena renukleací a růstem zrn. Přesnou regulací parametrů, jako je teplota kalení a rychlost ochlazování, lze nukleaci nové fáze podpořit v extrémně malých oblastech, čímž se vytvoří ultrajemné zrnité struktury. Například za podmínek rychlého ochlazování lze transformaci austenitu na martenzit dokončit okamžitě a velikost martenzitických desek nebo lamel lze regulovat ve velmi jemném rozsahu.

 

2. Inhibice růstu zrn částicemi druhé fáze: Zavedením vhodných částic druhé fáze (jako jsou karbidy, nitridy atd.) do kovových materiálů se tyto částice mohou distribuovat na hranicích zrn, což hraje roli v upevnění hranic zrn a účinném inhibování růstu zrn během procesů ohřevu a chlazení. Racionální regulací velikosti, množství a distribuce částic druhé fáze lze během kalení dosáhnout ultrajemných zrn. Například u některých legovaných ocelí jsou karbidy pomocí vhodných procesů tepelného zpracování rovnoměrně a jemně distribuovány v matrici, čímž se brání růstu austenitových zrn během kalení a dosahuje se jemných kalených struktur.

 

III. Metody pro dosažení kalení ultrajemných zrn

 

(1) Metoda rychlého ochlazování a kalení

Metoda rychlého kalení spočívá ve zvýšení rychlosti chlazení, což umožňuje kovovému materiálu rychle projít zónou fázové transformace během procesu kalení a inhibovat růst zrn. Mezi běžně používaná média pro rychlé chlazení patří voda, olej a některá nová polymerní kalicí činidla. Například při kalení ve vodě může vysoká tepelná vodivost vody rychle odvádět teplo z povrchu kovu, což umožňuje materiálu rychlé ochlazení a dosažení ultrajemného zjemnění zrn. Kalení ve vodě je však náchylné k deformaci a praskání obrobku. Proto je u některých složitých tvarů nebo obrobků s přísnými požadavky na deformaci nutné použít kalení v oleji nebo polymerní kalicí činidla. Kalení v oleji má relativně pomalejší rychlost chlazení, ale může snížit tendenci k deformaci a praskání obrobku; polymerní kalicí činidla mohou podle potřeby upravit své chladicí vlastnosti, aby se dosáhlo optimálního kalení pro různé materiály a obrobky.

 

Postup je následující: Nejprve se díly zahřejí relativně vysokou rychlostí na teplotu nad Ac3, poté se provede krátká tepelná konzervace a následně rychlé ochlazení. Tato série kroků ohřevu, tepelné konzervace a ochlazení se několikrát opakuje. Protože pokaždé, když díly procházejí procesem ohřevu, dojde k jednorázovému zjemnění krystalů austenitu, takže po dokončení 4 takových cyklů lze úspěšně zjemnit velikost zrna oceli 45 z původní třídy 6 na třídu 12.

 

(2) Metoda tepelného zpracování deformací

Tepelné zpracování tvarovou deformací je procesní metoda, která kombinuje plastickou deformaci s tepelným zpracováním. Před kalením se na kovový materiál aplikuje vhodná plastická deformace (jako je válcování, kování, tažení atd.), která může do materiálu zavést velké množství dislokací a defektů. Tyto dislokace a defekty mohou sloužit jako nukleační jádra pro nové fáze během následného procesu kalení, což podporuje tvorbu jemných zrn. Zároveň může plastická deformace také rozbít původní hrubá zrna v materiálu, čímž se vytvoří příznivé podmínky pro ultrajemné zjemnění zrn. Například při tepelném zpracování některých hliníkových slitin se na materiál nejprve aplikuje deformace válcováním za studena a poté kalením, které může dosáhnout jemné rekrystalizované struktury zrn, což výrazně zlepšuje pevnost a houževnatost materiálu.

Postup je následující: Nejprve se ocel zahřeje na teplotu mírně nad Ac3, aby se dosáhlo austenitizace; poté se provede válcování za tepla, aby se způsobila intenzivní deformace austenitu; dále se provede odpovídající doba izotermické výdrže, aby se podpořilo zahájení rekrystalizace v deformovaném austenitu; a nakonec se provede kalení předtím, než zrna začnou růst.

 

(3) Metoda mikrolegování

Mikrolegování je metoda, která zahrnuje přidání malého množství legujících prvků (jako je niob, vanad, titan atd.) do kovových materiálů. Tyto legující prvky mohou s uhlíkem, dusíkem a dalšími prvky tvořit stabilní částice druhé fáze. Během procesu kalení mohou tyto částice druhé fáze účinně inhibovat růst zrn a dosahovat ultrajemné velikosti zrn. Například, když se do nízkouhlíkové oceli přidá stopové množství niobu, niob může s uhlíkem tvořit jemné částice karbidu niobu. Tyto částice jsou během austenitizace rozprostřeny podél hranic zrn, což brání jejich koalescenci a růstu.

 

Společnost Vigor má profesionální dodavatelský řetězec pro vysoce kvalitní tepelné zpracování a povrchovou úpravu odlitků, výkovků a našich CNC obráběných dílů. Máte-li jakékoli dotazy nebo díly, které je třeba vyvinout, neváhejte nás kontaktovat na adrese info@castings-forging.com