Postopek kaljenja jekla in aplikacije za klasifikacijo

Kaljenje je postopek toplotne obdelave, pri katerem se obdelovanec segreje na določeno kritično temperaturo, nato selektivno ohladi, da se pridobi martenzit visoke-trdote ali žilav spodnji bainit, čemur sledi popuščanje.

Kaljenje izboljša odpornost proti obrabi in trdnost delov ter njihovo življenjsko dobo ob utrujenosti.

 

 

Načela kaljenja in osnovni tok procesa

 

Jeklo in drugi materiali so med segrevanjem podvrženi faznim transformacijam, predpogoj za kaljenje pa je fazna transformacija avstenitizacije.

Na splošno se hipoevtektoidno jeklo kali na temperaturo 20 do 30 stopinj nad Ac3, medtem ko se nadevtektoidno jeklo kali na temperaturo 20 do 30 stopinj nad Ac1.

Pri kaljenju je ključnega pomena, da se izognemo pretiranemu segrevanju. Čas zadrževanja je treba določiti na podlagi velikosti obdelovanca in modela peči, da se zagotovi enotna mikrostrukturna transformacija.

Ključni proces pri kaljenju je hlajenje. Idealna krivulja hlajenja se izogiba predelu perlitnega nosu, predvsem zaradi preprečitve tvorbe ne-martenzitnih struktur. Hitrost hlajenja je treba nadzorovati tudi za zmanjšanje notranjih napetosti in deformacij v delu.

Opomba: Ac1 in Ac3 predstavljata temperaturo, pri kateri se začne tvoriti avstenit, oziroma temperaturo, pri kateri hipoevtektoidno jeklo pri segrevanju popolnoma avstenitizira. To so kritične referenčne točke za določanje postopka žarjenja.

 

Glavne metode kaljenja in ključne operativne smernice

 

1. Enojno-Kaljenje s tekočino

Eno-kaljenje s tekočino je najosnovnejša in najpreprostejša metoda kaljenja. Uporablja se predvsem za dele s preprostimi, simetričnimi oblikami in minimalnimi-variacijami preseka, kot so gredi in zatiči.

Za enojno-kaljenje s tekočino je treba izbrati ustrezno hladilno sredstvo glede na material in debelino obdelovanca. Nizko{2}}ogljična in nizko-legirana jekla se na splošno kalijo z vodo ali slanico, medtem ko se visoko-legirana jekla in majhni, zapleteno-oblikovani deli lahko kalijo z oljem ali raztopino polimera.

Med kaljenjem zagotovite, da je obdelovanec enakomerno potopljen v medij in da je medij pravilno premešan, da preprečite, da bi film pare oviral hlajenje.

Eno-kaljenje s tekočino ponuja visoko{1}}stabilnost kakovosti in je primerno za-velikoserijsko proizvodnjo, vendar je priporočljiva previdnost glede tveganja deformacij in razpok, ki jih povzroči prehitro ohlajanje.

 

2. Dve-tekočinsko kaljenje

Dvo-kaljenje s tekočino združuje prednosti hitrega in počasnega ohlajanja. Prvič, prvi medij, kot je voda ali slana voda, hitro preide skozi najbolj nestabilno avstenitno območje materiala. Ko se temperatura materiala približa temperaturi martenzitne transformacije, se material hitro prenese v drugi medij, kot je olje, da se dokonča martenzitna transformacija.

Dvo-kaljenje s tekočino je še posebej pogosto za srednje{1}}do-velike obdelovance iz visoko-ogljičnega jekla in srednje-do-visoko legiranih jekel, kot so kalupi in surovci zobnikov.

Ključ do te operacije je natančen nadzor časa zadrževanja obdelovanca v prvem mediju. Običajno se uporablja čas kaljenja 1 sekunde na 3-5 mm dejanske debeline obdelovanca, čeprav se to lahko določi tudi z opazovanjem izginotja mehurčkov na površini obdelovanca.

Prenos iz prvega medija v drugi medij mora biti hiter in neprekinjen, da se prepreči dvig temperature, ki bi lahko povzročil razgradnjo strukture materiala.

Dvo-kaljenje s tekočino bistveno zmanjša toplotne in strukturne napetosti, zaradi česar je učinkovita metoda za nadzor deformacij in preprečevanje razpok.

 

3. Korak kaljenja

Postopno kaljenje zahteva segrevanje obdelovanca do avstenitizacije, nato ga kaljenje v vroči kopeli nekoliko nad točko Ms, kot je nitratna kopel ali alkalna kopel, za zadrževanje. Ko je temperatura enakomerna po prečnem-prerezu obdelovanca, se obdelovanec odstrani in-ohlaji.

Postopno kaljenje se pogosto uporablja na orodjih in delih s kompleksnimi oblikami in visokimi zahtevami glede natančnosti, kot so navoji, majhni zobniki in precizne gredi.

Med delovanjem je treba nihanje temperature kopeli strogo nadzorovati, običajno v območju plus ali minus deset stopinj Celzija. Čas zadrževanja se izračuna na podlagi največjega prečnega-prereza, običajno ocenjenega na pet milimetrov na minuto.

Stopenjsko kaljenje učinkovito zmanjša toplotne napetosti, kar omogoča, da se martenzitna transformacija postopoma izvaja med zračnim hlajenjem. Posledica tega je majhna obremenitev mikrostrukture in minimalna deformacija. Vendar pa je zaradi omejene hladilne zmogljivosti staljenih soli primeren samo za obdelovance z efektivno debelino največ 20 mm.

 

4. Izotermno kaljenje

Izotermno kaljenje vključuje popolno kaljenje obdelovanca, segretega na temperaturo avstenitizacije, v vročo kopel v območju transformacije bainita. Podaljšano obdobje zadrževanja omogoča, da se avstenit popolnoma spremeni v nižji bainit, čemur sledi zračno hlajenje. Austempering se uporablja predvsem za dele, ki zahtevajo visoko trdnost, žilavost in dimenzijsko stabilnost, kot so ležaji in natančni kalupi. Izotermna temperatura in trajanje sta določena na podlagi krivulje TTT jekla, pri čemer so temperature običajno med 250 in 400 stopinjami.

Po kaljenju material postane bainit, ki kaže odlično trdnost in žilavost, z majhno nagnjenostjo k deformacijam ali razpokam. Vendar pa ima kaljenje dolg proizvodni cikel, visoke stroške in je omejeno na obdelovance z manjšimi-prerezi.

 

Pogoste težave in nadzor kakovosti

 

Kaljenje pogosto povzroči napake, kot so nezadostna trdota, mehke lise, deformacije, razpoke, oksidacija in razogljičenje.

Nezadostna trdota je običajno posledica segrevanja pri prenizki temperaturi ali nezadostnega hlajenja. Drug vzrok je površinsko razogljičenje obdelovanca.

Mehke lise na splošno nastanejo zaradi onesnaženega medija za gašenje ali prisotnosti oksidnih oblog na površini obdelovanca. Deformacijo in razpoke lahko povzroči prekomerna toplotna ali strukturna obremenitev.

Zato nadzor kakovosti med kaljenjem zahteva celovit nadzor procesa, še posebej natančen nadzor temperature v fazi segrevanja. Med fazo hlajenja morajo biti temperatura, koncentracija in hitrost kroženja medija stabilni. Kaljenje je potrebno takoj po kaljenju, da se odpravijo preostale napetosti v delih.

Med masovno proizvodnjo je treba izvajati redne naključne preglede metalografske strukture in gradienta trdote. Za odkrivanje razpok se lahko na kritičnih delih uporabi neporušitveno testiranje.

 

Združljivost materialov in izbira postopka

 

Razlike v sestavi med materiali povzročijo različno kaljivost, začetne temperature martenzitne transformacije in kritične hitrosti ohlajanja. Zato je treba na podlagi lastnosti materiala izbrati poseben postopek kaljenja.

Nizko{0}}ogljikovo jeklo in nizko-legirano strukturno jeklo imata sorazmerno nizko kaljivost in se na splošno kalita z vodo ali dvo-tekočinskim kaljenjem, da izboljšata površinsko trdoto in odpornost delov proti obrabi.

Srednje-ogljikovo kaljeno in kaljeno jeklo zahteva temeljito utrjevanje jedra, zato se običajno uporablja kaljenje v olju ali hitro kaljenje v olju, da se preprečijo deformacije in razpoke.

Visok{0}}ogljično orodno jeklo je nagnjeno k pregrevanju, kar poveča verjetnost deformacij. Zato je mogoče uporabiti stopenjsko kaljenje ali kaljenje v alkalni kopeli pri nizki-temperaturi.

Visoko-legirana jekla za matrice, kot je H13, imajo odlično kaljivost, zato jih je mogoče kaliti s plinom ali kaliti v visoko{2}}temperaturni solni kopeli, da zmanjšate popačenje.

Karburizirani obdelovanci zahtevajo posebno visoko žilavost jedra, zato potrebujejo relativno nizke temperature, bodisi neposredno kaljenje ali kaljenje v solni kopeli.

Nerjaveče jeklo in hitro{0}}rezno jeklo zahtevata predgretje in kaljenje v solni kopeli, da preprečita razpoke in usedanje karbida.

Kaljenje je zapleten in kritičen proces, zato je treba ustrezno metodo kaljenja izbrati glede na lastnosti materiala, obliko dela in pogoje delovanja.

Kaljenje zahteva strog nadzor nad procesi segrevanja in hlajenja, da se doseže želena mikrostruktura in lastnosti, hkrati pa se zagotovi dosledna in zanesljiva kakovost izdelka.