Co je povrchové kalení oceli? K čemu slouží povrchové kalení?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Umění tepelného zpracování kovů je lidstvu známé již dlouhou dobu. Řemeslníci zabývající se výrobou nástrojů, a zejména zbraní, ji zvládli sami, nebo se dlouhá léta učili u jiných zkušenějších odborníků. Tajemství byla držena v tajnosti, což samozřejmě zpomalilo šíření technologií, ale zvýšilo konkurenceschopnost konkrétního výrobce produktů pro konkrétní účel. Jednou z technik středověkých zbrojířů bylo povrchové kalení, které dodává ostřím a hrotům mečů a šavlí zvláštní tvrdost, kombinovanou s ohebností čepele. Dnes už takové vlastnosti nikoho nepřekvapují, technologie se staly masivními a rozšířenými.

Proč by tohle všechno měl obyčejný člověk vědět?

Tento článek bude specialistům na tepelné zpracování kovů s největší pravděpodobností připadat jako soubor otřepaných frází a obecně známých faktů. Navíc mohou najít určité nepřesnosti v terminologii. Prezentované informace jim nejsou určeny, jsou určeny lidem, kteří mají do metalurgie daleko, amatérům,ty, které zajímá, jak se běžný stolní nebo zavírací nůž liší pevností od dobré čepele, povrchovým kalením od objemového a podobnými záležitostmi. Při nákupu té či oné věci potřebné do domácnosti se spotřebitel potýká s výrazným cenovým rozdílem. Prodejce nemůže vždy kvalifikovaně a srozumitelně vysvětlit, proč je jeden nástroj (například klíč) mnohem dražší než jiný s obecnou vnější podobností. S největší pravděpodobností se pokusí „naprášit si mozek“pojmy a termíny, které jsou pro běžného laika nesrozumitelné. Přeloženo do běžného jazyka budou tato vysvětlení znamenat, že nastavitelný klíč se nezlomí nebo vydrží déle a ostření bude vyžadováno mnohem méně často (pokud si klient chce koupit nůž). "Povrchové kalení!" - prodejce záhadně naznačí důvod a s imaginární rozkoší vyvalí oči. Co to je?

Opačné vlastnosti v jednom produktu

Jak je zřejmé z fráze, v tomto případě je tepelně zpracována pouze vnější tenká vrstva produktu. To, že ocel vyžaduje kalení, tuší každý matně, i ten, kdo vůbec neví, co to je. Tím se liší od obvyklého „kusu železa“, měkkého a křehkého. Ale proč se takové poctě těší právě povrchní? Kalení se používá ke změně vlastností kovu a ne za účelem nějakého vylepšení, jak se často deklaruje. Kvalita, v některých případech užitečná, se v jiných stává škodlivou. Pilník je tvrdý, protože je pro ně snadné zpracovat železo, hliník nebo bronz, ale pokud se ho pokusíte ohnoutnebo do něj udeřit kladivem, praskne. Totéž platí pro list pily na železo, který se často zlomí při nesprávném úhlu řezu. Aby se udělila tvrdost kombinovaná s ohebností nebo tažností, používá se povrchové kalení. Vlastnosti produktu poté mohou kombinovat vlastnosti, někdy opačné, charakteristické pro různé krystalové struktury. Nyní se musíme ponořit do některých detailů materiálové vědy.

Nejjednodušší představy o polymorfismu kovů

Stejný kov může mít v závislosti na tvaru krystalové mřížky různé fyzikální vlastnosti (tvrdost, viskozita, tažnost, pružnost, elasticita atd.) Tato schopnost měnit mechanické parametry se nazývá polymorfismus. Kdysi dávno, při výrobě primitivních zbraní, si lidé všimli, že ten či onen meč nebo sekáček se ukázal být úspěšnější, zachovává si svou ostrost déle a neláme se. Naši předkové samozřejmě neznali molekulární struktury kovu, ke všemu přicházeli intuitivně a empiricky. Empiricky tedy zjistili, že pokud je hrot zahřátý, pak jeho teplota závisí na odstínech záře. Prudkým ochlazením se v kovu něco změní, buď ztvrdne, nebo se stane pružnějším. Pokud se znovu zahřeje, stane se znovu stejným a někdy dokonce horším. Do té doby se vytvořily docela konkrétní představy o tom, jaký by měl být například ideální lovecký nůž. Tehdy se také používalo povrchové kalení, ale častějipoužívala se tzv. lokálka, tedy taková, u které byl hrot pevný, střed čepele pružný a část čepele přiléhající k rukojeti plastová (nechat se trochu ohnout, ale nezlomit).

Co se děje uvnitř

Aniž bychom zacházeli do konkrétních detailů, je třeba poznamenat, že struktura kalené oceli je tří hlavních typů: martenzitická, troostitická a sorbitická. Mechanické vlastnosti závisí na poměru těchto krystalických útvarů. V tomto případě je jedno, který z nich a jak ovlivňuje tvrdost. Výsledek závisí na tom, jak horký je kov a jak rychle chladne. K povrchovému zpevnění tedy může dojít při zvýšení teploty svrchní vrstvy a následném ochlazení, ať už v důsledku přenosu tepla do vnějšího prostředí (kapaliny, nejčastěji olej, voda a solanka, vzduch či jiné prostředky), nebo v důsledku k jeho částečnému úniku do produktu. V tomto případě dochází k polymorfním přeměnám ve vrstvách v závislosti na stupni dosažení kritické teploty, která ovlivňuje tvorbu nové krystalové struktury.

V důsledku toho došlo ke změně v následujících zónách:

- Svršek tvrzený.

- Meziprodukt, částečně vytvrzený. Nazývá se také tepelně ovlivněná zóna.

- Oblast se sníženou tvrdostí.

- Neupravený interiér.

Metody povrchového kalení

Vytvořte horní vrstvu pomocízvýšená tvrdost, a to několika způsoby. Pružiny železničních vozů se jednoduše nastřelí malými kovovými kuličkami (výstřely), které vytvoří povrchovou těsnost, přičemž vnitřní objem kovu zůstává dostatečně plastický, aby vydržel dlouhodobé mechanické namáhání. Za nejstarší metodu je považováno rychlé zahřátí předmětu na otevřeném ohni doprovázené rozstřikováním nebo prouděním. Právě touto technologií je vyroben tradiční orientální zakřivený nůž (karambit). Povrchové vytvrzování lze také provádět pomocí intenzivního chlazení. Známé jsou také metody plyn-plazma, indukce, laser a další. Některé z nich stojí za to se nad nimi pozastavit.

HDTV

V polovině 30. let 20. století vynalezl sovětský vědec V. P. Vologdin metodu pro předávání dané nejednotné molekulární struktury velkým částem pomocí vysokofrekvenčních proudů. Strojírenství se rychle rozvíjelo, průmysl potřeboval technologie, které zajistily hromadnou výrobu bez obětování kvality. Povrchové kalení HDTV je založeno na fenoménu indukce. Zvláštnost metody spočívá v závislosti tloušťky ohřívané vrstvy na frekvenci a velikosti proudu ve vyzařovací smyčce. V tomto případě je výsledek předvídatelný s vysokou mírou pravděpodobnosti, proto je kontrola kvality značně zjednodušena. Kromě toho je způsob použitelný pro zpracování celkových produktů a sestav, jako jsou klikové hřídele a jiné velké předměty, které se mohou pohybovat podél induktoru, postupně.vystavení po celé délce. U této technologie je obtížné zvolit parametry pro zpracování malých a plochých předmětů, jako je například nůž. Povrchové kalení vysokofrekvenčními proudy je použitelné u relativně objemných výrobků, jejichž pevnost a odolnost proti opotřebení závisí na mechanických vlastnostech vrchní vrstvy.

Funkce použití metody HDTV

Metoda byla vyvinuta v podmínkách rychlého rozvoje strojírenského průmyslu, hlavního pro obranný potenciál SSSR, což se projevilo ve specifikách její aplikace. Nejdůležitější části traktorů, tanků, automobilů nebo letadel nejsou dostatečně velké na to, aby je bylo možné umístit do rámu kompaktního induktoru, bylo příliš nákladné vyrobit zařízení pro každý z nich, a pokud bylo vyrobeno na základě největších rozměrů, pak byly náklady na energii enormní. Indukční cementování se však aplikuje na jakékoli výrobky, od relativně malých až po ty velké. Například ozubená kola jsou vystavena HDTV postupně, přičemž se otáčí zub po zubu. Prvky klikových a kardanových hřídelí jsou kontinuálně a sekvenčně ohřívány, pohybují se uvnitř pevného rámu induktoru, přičemž chladič (rozprašovač) je zařazen do technologického procesu bezprostředně po něm. Na konci stroje je obrobek okamžitě postříkán vodou (odtud název, shodný s „sprey“).

Produkty s malou vytvrzovací plochou se vkládají do induktoru jako celek a chladí se stejným způsobem.

Laser

Toto zařízenív naší době, používaný poměrně široce v různých oblastech lidské činnosti, našel uplatnění v kovoobrábění. Metoda nevyžaduje následné chlazení, protože dopad paprsku je krátkodobý a působí na nejsvrchnější vrstvu kovu, což způsobuje požadované změny v krystalové struktuře. „Laserové ostření“skutečně zajistí, že není potřeba řezný nástroj zdlouhavě ostřit (využívá se hlavně u nich), pokud je tento způsob při jeho výrobě skutečně použit. Je však třeba mít na paměti, že v naší padělané době nemusí nápis na výrobku vždy odpovídat pravdě. Někdy je takovou značkou ozdoben i nějaký levný „motýlí“nůž prodávaný v pouličním stánku. Povrchové kalení laserovým paprskem je drahá technologie, je dostupná pouze předním výrobcům nástrojů.

Studená

Fyzikálním základem metody bylo objevení fenoménu zvyšování tvrdosti oceli v důsledku přechodu austenitické struktury na martenzitickou při hlubokém zmrazování. Takové povrchové zpevnění se provádí podle metody vyvinuté A. P. Gulyaevem, N. A. Minkevichem a S. S. Shtenbergem v SSSR. Je použitelný na uhlíkovou (obsahující více než 0,5 procenta C) a legovanou ocel pro speciální účely, jako jsou oceli vyráběné pro výrobu vysokorychlostních fréz a dalších speciálních nástrojových produktů.

Elektrické vytápění

Obecně je postaveno na stejném principu jako indukční kalení, jen s tím rozdílem, že ohřev je odporový, kvůliprocházející proud velkých hodnot a odpor součásti. Frekvence vstupního napětí stejným způsobem ovlivňuje hloubku vyhřívané vrstvy a čím je vyšší, tím je tenčí. Povrch se zvýšenou tvrdostí se může pohybovat od zlomků milimetru až po několik jeho jednotek. Záleží na požadavcích na výrobek a jeho rozměrech. Ve srovnání s HDTV má elektroodporová metoda širší rozsah proudů, teplot a hloubek vrstev. S jeho pomocí lze vyrobit například tak masivní a vysoce kvalitní předmět, jako je vojákův bajonetový nůž. Povrchové kalení elektrickým ohřevem vyžaduje technologicky ověřený chladící režim v oleji, vodě nebo jiných teplonosných prostředcích.

Závěry

Hlavním úkolem povrchového kalení je tedy takové rozložení krystalické struktury uvnitř produktu, ve kterém uvnitř produktu zůstávají různé druhy sorbitu nebo troostitu a navenek se tvoří vrstva martenzitu. Toho lze dosáhnout několika metodami, od nejjednodušších a nejstarších až po technologicky nejpokročilejší a nejmodernější. V každém případě kvalitní kalení oceli vyžaduje vysokou kvalifikaci a přesnost při dodržení výrobních předpisů. Výrobek vyrobený podle všech pravidel nemůže být levný. Z tohoto důvodu je dobrý kuchyňský nůž i karambit drahý. Povrchové kalení laserovým paprskem je nejběžnější právě u řezných nástrojů.