Co je tepelné zpracování? Metody a výhody

Tepelné zpracování je proces zahřívání a ochlazování kovů pomocí specifických předem stanovených metod za účelem získání požadovaných vlastností. Tepelnému zpracování podléhají železné i neželezné kovy před uvedením do provozu.

V průběhu času bylo vyvinuto mnoho různých metod. I dnes metalurgové neustále pracují na zlepšování výsledků a hospodárnosti těchto procesů.

Pro to vyvíjejí nové plány nebo cykly pro výrobu různých druhů kovů. Každý harmonogram se týká jiné rychlosti zahřívání, udržování a ochlazování kovu.

Těmito metodami lze při pečlivém dodržování vyrábět kovy různých standardů s pozoruhodně specifickými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Přínosy

Pro provádění tepelného zpracování existují různé důvody. Některé postupy kov změkčují, jiné zvyšují jeho tvrdost. Mohou také ovlivnit elektrickou a tepelnou vodivost těchto materiálů.

Některé metody tepelného zpracování zmírňují napětí vzniklá při dřívějším zpracování za studena. Jiné rozvíjejí žádoucí chemické vlastnosti kovů. Výběr ideální metody skutečně závisí na typu kovu a požadovaných vlastnostech.

V některých případech může kovový díl projít několika postupy tepelného zpracování. Například některé superslitiny používané ve výrobě letadel mohou projít až šesti různými kroky tepelného zpracování, aby se optimalizovaly pro dané použití.

Kroky procesu tepelného zpracování

Zjednodušeně řečeno, tepelné zpracování je proces zahřívání kovu, jeho udržování na této teplotě a následné ochlazení. Během tohoto procesu dochází ke změnám mechanických vlastností kovového dílu. Je to proto, že vysoká teplota mění mikrostrukturu kovu. A mikrostruktura hraje důležitou roli v mechanických vlastnostech materiálu.

Konečný výsledek závisí na mnoha různých faktorech. Patří mezi ně doba zahřívání, doba udržování kovového dílu při určité teplotě, rychlost ochlazování, okolní podmínky atd. Parametry závisí na způsobu tepelného zpracování, typu kovu a velikosti dílu.

V průběhu tohoto procesu se mění vlastnosti kovu. Mezi tyto vlastnosti patří elektrický odpor, magnetismus, tvrdost, houževnatost, tažnost, křehkost a odolnost proti korozi.

Tepelné zpracování

Jak jsme již uvedli, mikrostruktura slitin se během tepelného zpracování změní. Zahřívání probíhá podle předepsaného tepelného profilu.

Slitina může při zahřívání existovat v jednom ze tří různých stavů. Může to být buď mechanická směs, pevný roztok, nebo kombinace obou.

Mechanická směs je analogická betonové směsi, kde cement spojuje písek a štěrk. Písek a štěrk jsou stále viditelné jako samostatné částice. U slitin kovů drží mechanickou směs pohromadě základní kov.

Naopak v pevném roztoku jsou všechny složky smíchány homogenně. To znamená, že je nelze jednotlivě identifikovat ani pod mikroskopem.

Každý stav s sebou nese různé vlastnosti. Stav je možné měnit zahříváním podle fázového diagramu. Chlazení však určuje konečný výsledek. Je možné, že slitina skončí v jednom ze tří stavů, a to výhradně v závislosti na metodě.

Držení

Během držení, neboli fázi namáčení se kov udržuje při dosažené teplotě. Její délka závisí na požadavcích.

Například kalení vyžaduje pouze strukturální změny povrchu kovu za účelem zvýšení povrchové tvrdosti. Jiné metody přitom vyžadují rovnoměrné vlastnosti. V tomto případě je doba udržování delší.

Doba namáčení závisí také na typu materiálu a velikosti dílu. Větší díly potřebují více času, pokud jsou cílem rovnoměrné vlastnosti. Prostě trvá déle, než jádro velkého dílu dosáhne požadované teploty.

Chlazení

Po ukončení fáze máčení je třeba kov předepsaným způsobem ochladit. I v této fázi dochází ke strukturálním změnám. Pevný roztok při ochlazování může zůstat stejný, stát se mechanickou směsí úplně nebo částečně, v závislosti na různých faktorech.

Různá média, jako je solanka, voda, olej nebo nucený vzduch, řídí rychlost ochlazování. Pořadí výše jmenovaných chladicích médií je v sestupném pořadí podle účinné rychlosti chlazení. Solanka absorbuje teplo nejrychleji, zatímco vzduch je nejpomalejší.

V procesu chlazení je také možné použít pece. Řízené prostředí umožňuje dosáhnout vysoké přesnosti při potřebě pomalého chlazení.

Fázové diagramy

Každá kovová slitina má svůj vlastní fázový diagram. Jak již bylo řečeno, tepelné zpracování se provádí podle těchto diagramů. Ukazují strukturní změny, ke kterým dochází při různých teplotách a různém chemickém složení.

Použijme jako příklad fázový diagram železo-uhlík, protože ten je nejznámější a nejčastěji se vyučuje na vysokých školách.

Fázový diagram železo-uhlík je důležitým nástrojem při poznávání chování různých uhlíkových ocelí při tepelném zpracování. Na ose x je znázorněn obsah uhlíku ve slitině a na ose y teplota.

Všimněte si, že 2,14 % uhlíku je hranice, kdy se z oceli stává litina,

Diagram zobrazuje různé oblasti, kde se kov vyskytuje v různých mikrostavech, jako je austenit, cementit, perlit. Tyto oblasti jsou označeny hranicemi A1, A2, A3 a Acm. Na těchto rozhraních dochází k fázovým změnám, když jimi prochází teplota nebo hodnota obsahu uhlíku.

A1: Horní hranice fáze cementit/ferit.

A2: Hranice, kde železo ztrácí magnetismus. Teplota, při které kov ztrácí svůj magnetismus, se také nazývá Curieova teplota.

A3: Rozhraní, které odděluje fázi austenit + ferit od fáze austenitu γ (gama).

Acm:

Fázový diagram je důležitým nástrojem pro zvážení, zda bude tepelné zpracování přínosné či nikoliv. Každá struktura s sebou přináší určité vlastnosti konečného výrobku a na základě toho se volí tepelné zpracování.

Obvyklé metody tepelného zpracování

Existuje poměrně dost technik tepelného zpracování, z nichž si můžete vybrat. Každá z nich s sebou přináší určité vlastnosti.

Mezi nejběžnější metody tepelného zpracování patří např:

• Žíhání
• Normalizace
• Kalení
• Zrání
• Odlehčování
• Temperování
• Uhličování

Žíhání

Při žíhání, se kov zahřívá nad horní kritickou teplotu a poté se pomalu ochlazuje.

Žíhání se provádí za účelem změkčení kovu. Díky němu je kov vhodnější pro zpracování a tváření za studena. Zvyšuje také obrobitelnost, tažnost a houževnatost kovu.

Žíhání je také užitečné při uvolňování napětí v dílu vzniklých v důsledku předchozích procesů zpracování za studena. Přítomné plastické deformace se odstraní během rekrystalizace, když teplota kovu překročí horní kritickou teplotu.

Kovy mohou být podrobeny nepřebernému množství technik žíhání, jako je rekrystalizační žíhání, úplné žíhání, částečné žíhání a konečné žíhání.

Normalizace

Normalizace je proces tepelného zpracování používaný ke zmírnění vnitřních pnutí způsobených procesy, jako je svařování, lití nebo kalení.

Při tomto procesu se kov zahřeje na teplotu, která je o 40 °C vyšší než jeho horní kritická teplota.

Tato teplota je vyšší než teplota používaná pro kalení nebo žíhání. Po udržení na této teplotě po určenou dobu se ochladí na vzduchu. Normalizací se vytvoří rovnoměrná velikost a složení zrn v celém dílu.

Normalizované oceli jsou tvrdší a pevnější než žíhané oceli. Ve skutečnosti je ocel v normalizované formě tvrdší než v jakémkoli jiném stavu. Proto se součásti, které vyžadují rázovou houževnatost nebo musí snášet masivní vnější zatížení, téměř vždy normalizují.

Kalení

Kalení je vůbec nejběžnější proces tepelného zpracování, který se používá ke zvýšení tvrdosti kovu. V některých případech může být kalen pouze povrch.

Obrobek se kalí zahřátím na stanovenou teplotu a následným rychlým ochlazením ponořením do chladicího média. Může se použít olej, solanka nebo voda. Výsledný díl bude mít zvýšenou tvrdost a pevnost, ale současně se zvýší i křehkost.

Kalení ve skříni je druh kalení, při kterém se kalí pouze vnější vrstva obrobku. Použitý postup je stejný, ale protože je procesu podrobena tenká vnější vrstva, má výsledný obrobek tvrdou vnější vrstvu, ale měkčí jádro.

Tento postup je běžný u hřídelí. Tvrdá vnější vrstva ji chrání před opotřebením materiálu. Při montáži ložiska na hřídel může jinak dojít k poškození povrchu a dislokaci některých částic, které pak urychlují proces opotřebení. Kalený povrch před tím poskytuje ochranu a jádro má stále potřebné vlastnosti, aby zvládlo únavové namáhání.

Mezi další typy kalicích procesů patří indukční kalení, diferenční kalení a kalení plamenem. Při plamenovém kalení však může vzniknout tepelně ovlivněná zóna, která se vytvoří po ochlazení součásti.

Kalení

Kalení neboli precipitační kalení je metoda tepelného zpracování, která se většinou používá ke zvýšení meze kluzu kujných kovů. Při tomto procesu vznikají rovnoměrně rozptýlené částice ve struktuře zrn kovu, které přinášejí změny vlastností.

Precipitační kalení obvykle následuje po jiném procesu tepelného zpracování, při kterém se dosahuje vyšších teplot. Stárnutím se však teplota pouze zvýší na střední úroveň a opět se rychle sníží.

Některé materiály mohou stárnout přirozeně (při pokojové teplotě), zatímco jiné pouze uměle, tj. při zvýšených teplotách. U přirozeně stárnoucích materiálů může být výhodné skladovat je při nižších teplotách.

Odlehčování napětí

Odlehčování napětí je běžné zejména u částí kotlů, vzduchových lahví, akumulátorů apod. Při této metodě se kov dostane na teplotu těsně pod dolní kritickou hranici. Proces ochlazování je pomalý, a proto rovnoměrný.

Tímto způsobem se uvolňují napětí, která vznikla v dílech v důsledku předchozích procesů, jako je tváření, obrábění, válcování nebo rovnání.

Temperování

Temperování je proces snižování nadměrné tvrdosti, a tedy křehkosti, vyvolané během kalení. Dochází také ke zmírnění vnitřních pnutí. Podstoupením tohoto procesu se kov může stát vhodným pro mnoho aplikací, které takové vlastnosti potřebují.

Teploty jsou obvykle mnohem nižší než teploty kalení. Čím vyšší teplota se použije, tím je výsledný obrobek měkčí. Rychlost ochlazování nemá při popouštění vliv na strukturu kovu a obvykle se kov ochlazuje na bezvětří.

Uhličování

Při tomto procesu tepelného zpracování se kov zahřívá v přítomnosti jiného materiálu, který při rozkladu uvolňuje uhlík.

Uvolněný uhlík se absorbuje do povrchu kovu. Obsah uhlíku na povrchu se zvyšuje, takže je tvrdší než vnitřní jádro.

Jaké kovy jsou vhodné pro tepelné zpracování?

Ačkoli většinu tepelně zpracovávaných materiálů tvoří železné kovy, tepelně zpracovávat lze také slitiny mědi, hořčíku, hliníku, niklu, mosazi a titanu.

Přibližně 80 % tepelně zpracovávaných kovů tvoří různé druhy oceli. Mezi železné kovy, které lze tepelně zpracovávat, patří litina, nerezová ocel a různé druhy nástrojové oceli.

Procesy jako kalení, žíhání, normalizace, uvolňování napětí, kalení, nitridace a popouštění se obvykle provádějí na železných kovech.

Slitiny mědi a měděné slitiny se podrobují metodám tepelného zpracování, jako je žíhání, stárnutí a kalení.

Hliník je vhodný pro metody tepelného zpracování, jako je žíhání, tepelné zpracování roztokem, přirozené a umělé stárnutí. Tepelné zpracování hliníku je přesný proces. Je třeba stanovit rozsah procesu a v každé fázi jej pečlivě kontrolovat pro dosažení požadovaných vlastností.

Je zřejmé, že ne všechny materiály jsou vhodné pro jednotlivé formy tepelného zpracování. Stejně tak jeden materiál nemusí nutně těžit z každé metody. Proto by měl být každý materiál studován zvlášť, aby se dosáhlo požadovaného výsledku. Východiskem je použití fázových diagramů a dostupných informací o účinku, který mají výše uvedené metody.

.