Tepelné zpracování je proces zahřívání a ochlazování kovů pomocí určitých předem vybraných metod k získání požadovaných vlastností. Železné i neželezné kovy procházejí před použitím tepelným zpracováním.
Postupem času bylo vyvinuto mnoho různých metod. I dnes metalurgové neustále pracují na zlepšování výsledků a rentability těchto procesů.
K tomu vyvíjejí nové plány nebo cykly pro produkci různých odrůd. Každý graf odkazuje na jinou rychlost ohřevu, držení a ochlazování kovu.
Při pečlivém dodržování mohou tyto metody produkovat kovy různých standardů s pozoruhodně specifickými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.
Obsah
- Výhody
- Kroky procesu tepelného zpracování
- Teplo
- Expozice
- Chlazení
- Populární stroje na zpracování kovů:
- Fázové diagramy
- Běžné metody tepelného zpracování
- Žíhání
- Normalizace
- Kalení
- Старение
- úleva od stresu
- Dovolená
- Nauhličování oceli
- Jaké kovy jsou vhodné pro tepelné zpracování?
Výhody
Důvody pro tepelné zpracování se mohou lišit. Některé postupy činí kov měkkým, zatímco jiné zvyšují jeho tvrdost. Mohou také ovlivnit elektrickou a tepelnou vodivost těchto materiálů.
Některé metody tepelného zpracování uvolňují napětí vzniklé v dřívějších procesech zpracování za studena. Jiné propůjčují kovům požadované chemické vlastnosti. Ideální metoda závisí na typu kovu a požadovaných vlastnostech.
V některých případech může být kovový díl podroben několika procedurám tepelného zpracování. Například některé superslitiny používané při výrobě letadel mohou podstoupit až šest různých kroků tepelného zpracování, aby byly optimalizovány pro danou aplikaci.
Kroky procesu tepelného zpracování
Jednoduše řečeno, tepelné zpracování je proces zahřátí kovu, jeho udržení na této teplotě a následné ochlazení. Během zpracování dochází u kovové součásti ke změnám mechanických vlastností. Je to dáno tím, že vysoká teplota mění mikrostrukturu kovu, která hraje důležitou roli v mechanických vlastnostech materiálu.
Konečný výsledek závisí na mnoha různých faktorech. Patří mezi ně doba ohřevu, doba držení kovové součásti na určité teplotě, rychlost ochlazování, podmínky prostředí atd. Parametry závisí na způsobu tepelného zpracování, typu kovu a velikosti součásti.
Během těchto procesů se změní vlastnosti kovu. Mezi tyto vlastnosti patří elektrický odpor, magnetismus, tvrdost, houževnatost, tažnost, křehkost a odolnost proti korozi.
Teplo
Části proudového motoru jdou do pece
Jak jsme již probrali, mikrostruktura slitin se bude během procesu tepelného zpracování měnit. Vytápění se provádí v souladu se zadaným tepelným profilem.
Po zahřátí může být slitina v jednom ze tří různých stavů. Může to být mechanická směs, pevný roztok nebo kombinace obou.
Mechanická směs je podobná betonové směsi, ve které cement váže písek a štěrk. Písek a štěrk jsou stále viditelné jako samostatné částice. V případě kovových slitin je mechanická směs držena základním kovem.
Na druhou stranu v tuhém roztoku jsou všechny složky homogenně smíchány. To znamená, že je nelze jednotlivě identifikovat ani pod mikroskopem.
Každý stát s sebou přináší jiné kvality. Podle fázového diagramu je možné měnit stav ohřevem. Chlazení však určuje konečný výsledek. Slitina může skončit v jednom ze tří stavů, záleží pouze na metodě.
Expozice
Během vytvrzování je kov udržován na dosažené teplotě. Délka závisí na požadavcích.
Například povrchové kalení vyžaduje pouze strukturální změny povrchu kovu ke zvýšení povrchové tvrdosti. Jiné metody přitom vyžadují jednotné vlastnosti. V tomto případě je doba držení delší.
Doba výdrže závisí také na druhu materiálu a velikosti dílu. Větší díly vyžadují více času, když jsou cílem jednotné vlastnosti. Většímu jádru totiž trvá déle, než dosáhne požadované teploty.
Chlazení
Po dokončení fáze namáčení je nutné kov předepsaným způsobem ochladit. V této fázi také dochází ke strukturálním změnám. Po ochlazení může pevný roztok zůstat nezměněn, zcela nebo částečně se přeměnit na mechanickou směs, v závislosti na různých faktorech.
Rychlost chlazení je řízena různými médii, jako je fyziologický roztok, voda, olej nebo vzduch. Výše uvedená sekvence chladicích médií je v sestupném pořadí efektivní rychlosti chlazení. Solný roztok absorbuje teplo nejrychleji, zatímco vzduch absorbuje teplo nejpomaleji.
Během procesu chlazení je také možné použít troubu. Řízené prostředí poskytuje vysokou přesnost, když je vyžadováno pomalé chlazení.
Populární stroje na zpracování kovů:
Pracovní plocha 1500×3000 mm. 2000W zdroj Raycus. Řezání nerezové oceli do 8 mm, uhlíkové oceli do 16 mm.
Síla 30 tun. Délka ohybu 1600 mm. Vzdálenost mezi sloupy je 1100 mm. Hloubka čelistí 180 mm. Výkon motoru 3 kW.
Ø zpracování, 360 mm. Vzdálenost mezi hroty, 750 mm. Výkon motoru, 5,5 kW. CNC systém, Siemens Typ vedení, posuvné. Hmotnost, 1650 kg.
Fázové diagramy
Každá kovová slitina má svůj vlastní fázový diagram. Jak bylo uvedeno výše, tepelné zpracování se provádí podle těchto schémat. Vykazují strukturální změny, ke kterým dochází při různých teplotách a různém chemickém složení.
Vezměme si jako příklad fázový diagram železo-uhlík, protože je nejznámější a nejrozšířenější na univerzitách.
Fázový diagram železo-uhlík je důležitým nástrojem při studiu chování různých uhlíkových ocelí při tepelném zpracování. Osa x ukazuje obsah uhlíku ve slitině a osa y ukazuje teplotu.
Všimněte si, že 2,14 % uhlíku je limit, při kterém se ocel stává litinou.
Diagram ukazuje různé oblasti, kde kov existuje v různých mikrostavech, jako je austenit, cementit, perlit. Tyto oblasti jsou označeny hranicemi A1, A2, A3 a Acm. Na těchto hranicích dochází k fázovým změnám, když jimi prochází teplota nebo obsah uhlíku.
A1: Horní hranice cementitové/feritové fáze.
A2: Hranice, při které železo ztrácí svůj magnetismus. Teplota, při které kov ztrácí svůj magnetismus, se také nazývá Curieova teplota.
A3: Rozhraní oddělující fázi austenitu + feritu od fáze γ (gama) austenitu.
Acm: Rozhraní oddělující austenit γ od austenitu + cementitu.
Fázový diagram je důležitým nástrojem k určení, zda tepelné zpracování bude prospěšné nebo ne. Každá struktura přináší konečnému produktu určité kvality a na základě toho se vybírá tepelné zpracování.
Běžné metody tepelného zpracování
Metod tepelného zpracování je poměrně dost. Každý z nich má určité vlastnosti.
Mezi nejběžnější metody tepelného zpracování patří:
- Žíhání;
- Normalizace;
- kalení;
- Stárnutí;
- Uvolnění napětí;
- Temperování;
- Cementace.
Žíhání
Během žíhání je kov zahříván nad horní kritickou teplotu a poté ochlazen pomalou rychlostí.
Žíhání se provádí za účelem změkčení kovu. Díky tomu je kov vhodnější pro zpracování a tváření za studena. Zlepšuje také obrobitelnost, tažnost a houževnatost kovu.
Žíhání je také užitečné pro uvolnění pnutí v součásti způsobené předchozími procesy tváření za studena. Veškeré přítomné plastické deformace jsou eliminovány během rekrystalizace, když teplota kovu překročí horní kritickou teplotu.
Kovy mohou být podrobeny různým technikám žíhání, jako je rekrystalizační žíhání, úplné žíhání, částečné žíhání a konečné žíhání.
Normalizace
Normalizace je proces tepelného zpracování používaný ke zmírnění vnitřního pnutí způsobeného procesy, jako je svařování, odlévání nebo kalení.
V tomto procesu se kov zahřeje na teplotu, která je o 40 °C nad jeho horní kritickou teplotou.
Tato teplota je vyšší než při kalení nebo žíhání. Po určité době udržování na této teplotě se ochladí na vzduchu. Normalizace vytváří jednotnou velikost zrna a složení v celém dílu.
Normalizovaná ocel je tvrdší a pevnější než ocel žíhaná. Ve skutečnosti je ocel po normalizaci pevnější než v jakémkoli jiném stavu. To je důvod, proč díly, které vyžadují houževnatost nebo musí odolat velkému vnějšímu zatížení, budou téměř vždy normalizovány.
Kalení
Nejběžnější proces tepelného zpracování, kalení, se používá ke zvýšení tvrdosti kovu. V některých případech může ztvrdnout pouze povrch.
Obrobek se vytvrdí zahřátím na danou teplotu a poté se rychle ochladí ponořením do chladicího média. Můžete použít olej, solný roztok nebo vodu. Výsledný díl bude mít zvýšenou tvrdost a pevnost, ale zároveň se zvýší jeho křehkost.
Cementové kalení je druh procesu kalení, při kterém se kalí pouze vnější vrstva obrobku. Použitý proces je stejný, ale protože je procesu podrobena tenká vnější vrstva, výsledný polotovar má tvrdou vnější vrstvu, ale měkčí jádro.
To je běžné u hřídelí. Tvrdá vnější vrstva jej chrání před opotřebením materiálu. V opačném případě může při instalaci ložiska na hřídel poškodit povrch a uvolnit některé částice, což urychlí proces opotřebení. Proti tomu poskytuje ochranu tvrzený povrch a jádro má stále potřebné vlastnosti, aby odolalo únavovému namáhání.
Další typy kalení zahrnují indukční kalení, diferenciální kalení a kalení plamenem. Kalení plamenem však může vytvořit tepelně ovlivněnou zónu, která vzniká po ochlazení součásti.
Старение
Tabulka stárnutí hliníku 6061
Stárnutí nebo precipitační kalení je technika tepelného zpracování primárně používaná ke zvýšení meze kluzu tvárných kovů. Během procesu se ve struktuře kovového zrna tvoří rovnoměrně rozptýlené částice, které způsobují změny vlastností.
Usazovací kalení obvykle nastává po dalším procesu tepelného zpracování, při kterém je dosaženo vyšší teploty. Stárnutí však pouze zvýší teplotu na průměrnou úroveň a rychle ji zase sníží.
Některé materiály mohou stárnout přirozeně (při pokojové teplotě), jiné pouze uměle, tedy při zvýšených teplotách. U přirozeně stárnoucích materiálů může být vhodné skladovat je při nižších teplotách.
úleva od stresu
Odlehčení pnutí se používá zejména u částí kotlů, vzduchových lahví, baterií atd. Tato metoda zahřeje kov na teplotu těsně pod jeho spodní kritickou mez. Proces chlazení je pomalý a proto rovnoměrný.
To se provádí za účelem zmírnění pnutí, která vznikla v dílech v důsledku dřívějších procesů, jako je tváření, obrábění, válcování nebo rovnání.
Dovolená
Popouštění je proces snižování nadměrné tvrdosti a tím i křehkosti, ke kterému dochází během procesu kalení. Uvolňuje se také vnitřní stres. Provedením tohoto procesu může být kov vhodný pro mnoho aplikací, které tyto vlastnosti vyžadují.
Teplota je obvykle mnohem nižší než teplota tuhnutí. Čím vyšší je použitá teplota, tím měkčí je konečný obrobek. Rychlost ochlazování neovlivňuje strukturu kovu při temperování a kov se obvykle ochlazuje na klidném vzduchu.
Nauhličování oceli
Při tomto procesu tepelného zpracování se kov zahřívá v přítomnosti jiného materiálu, který při rozkladu uvolňuje uhlík.
Uvolněný uhlík je absorbován kovovým povrchem. Zvyšuje se obsah uhlíku na povrchu, takže je tvrdší než vnitřní jádro.
Jaké kovy jsou vhodné pro tepelné zpracování?
Přestože většinu tepelně zpracovaných materiálů tvoří železné kovy, lze tepelně zpracovat i slitiny mědi, hořčíku, hliníku, niklu, mosazi a titanu.
Asi 80 % tepelně zpracovaných kovů jsou různé třídy oceli. Mezi železné kovy, které lze tepelně zpracovat, patří litina, nerezová ocel a různé druhy nástrojové oceli.
Na železných kovech se běžně provádějí procesy jako kalení, žíhání, normalizace, odstraňování pnutí, cementování, nitridace a popouštění.
Měď a slitiny mědi jsou podrobeny metodám tepelného zpracování, jako je žíhání, stárnutí a kalení.
Hliník je vhodný pro metody tepelného zpracování, jako je žíhání, rozpouštěcí tepelné zpracování, přirozené a umělé stárnutí. Tepelné zpracování hliníku je přesný proces. Rozsah procesu musí být stanoven a pečlivě kontrolován v každé fázi, aby bylo dosaženo požadovaného výkonu.
Je zřejmé, že ne všechny materiály jsou vhodné pro tepelné zpracování. Stejně tak není nutné používat každou metodu pro samostatný materiál. Proto musí být každý materiál studován samostatně, aby bylo dosaženo požadovaného výsledku. Výchozím bodem je použití fázových diagramů a dostupných informací o účincích výše uvedených metod.
Pokud se vám článek líbil, dejte like, sdílejte ho se svými přáteli a zanechte komentáře!
