Što je kaljenje i zašto je metoda važna
Kaljenje je brzo hlađenje čelika od temperature austenitizacije tako da se austenit djelomično ili potpuno transformira u martenzit, stvarajući tvrdu strukturu. Rezultat ovisi o dvije stvari: kemijskom sastavu čelika, posebno sadržaju ugljika i prokaljivosti razreda, te načinu na koji se toplina izdvaja tijekom hlađenja. Hladiti presporo i nije postignuta potrebna tvrdoća; hladi prenaglo ili neravnomjerno, a temperaturna razlika između površine i središta stvara naprezanja koja deformiraju ili pucaju na dijelu. Odabir metode kaljenja stoga je ravnoteža između potrebne dubine tvrdoće i izobličenja koje komponenta može tolerirati.
Jednostruko srednje kaljenje
Dio se hladi u jednom mediju od početka do kraja. Koriste se voda, otopina polimera, ulje, rastaljena sol i plin pod visokim pritiskom, a izbor ovisi o prokaljivosti čelika i veličini presjeka. Voda daje najbržu ekstrakciju i odgovara čelicima niske i srednje kaljivosti, dok ulje daje blažu brzinu hlađenja i koristi se za legirane čelike koji bi popucali u vodi. Prednost pojedinačnog srednjeg kaljenja je u tome što je jednostavno, lako se mehanizira i prikladno za proizvodnju velikih količina. Njegovo ograničenje je da je brzina hlađenja fiksna, tako da se ista krivulja primjenjuje na tanke i teške dijelove istog dijela, gdje počinje distorzija.
Dvostruko srednje kaljenje
Dio se brzo hladi u jakom mediju do temperature iznad početka stvaranja martenzita, zatim se prenosi u blaži medij da se završi hlađenje. Klasična je kombinacija vode i ulja. Svrha je izbjeći opasno temperaturno područje u kojem je čelik najmekši, ali najmanje sposoban podnijeti naprezanja, a zatim blaže dovršiti martenzitnu transformaciju. Kaljenje s dva medija koristi se za dijelove složenog oblika i neravnomjernog poprečnog-presjeka, gdje bi jedan medij proizveo neprihvatljivo izobličenje ili pucanje. Praktična poteškoća je vrijeme prijenosa: ako se dio pomakne prerano, puna tvrdoća se neće postići; ako se pomakne prekasno, postoji vjerojatnost pucanja. Ta je vremenska osjetljivost razlog zašto je razvijena stupnjevana metoda.
Stupnjevito kaljenje i kaljenje
U postupnom kaljenju dio se brzo hladi do slane ili alkalne kupelji čija se temperatura održava blizu početka stvaranja martenzita, tamo se drži kratko vrijeme, obično dvije do pet minuta, dok se temperatura ne ujednači kroz dio, a zatim se uklanja da se ohladi na zraku. Dovođenje cijelog dijela na gotovo istu temperaturu prije početka martenzitne transformacije znači da se transformacija i povezana promjena volumena događaju gotovo u isto vrijeme u cijelom dijelu, što uvelike smanjuje unutarnje naprezanje i rizik od iskrivljenja ili pucanja. Rana praksa držala je kupku malo iznad početne temperature martenzita; poboljšana praksa sada ga drži malo ispod, a iskustvo pokazuje da niža temperatura ocjenjivanja daje bolju kombinaciju tvrdoće i niske distorzije. Mali kalupi s visokim udjelom ugljika kaljeni u kupelji na temperaturi od oko 160 Celzija dobro su utvrđen primjer.
Izotermno kaljenje i kaljenje
U izotermnom kaljenju dio se prenosi u solnu kupelj koja se održava u nižem temperaturnom rasponu bainita, iznad početne temperature martenzita, i tamo se drži dovoljno dugo da transformacija bainita u potpunosti završi. Prilikom uklanjanja dio se hladi na zraku bez daljnjih strukturnih promjena. Rezultat je niža bainitna struktura s korisnom kombinacijom čvrstoće, tvrdoće, žilavosti i otpornosti na habanje i, budući da nema martenzitne transformacije, s izrazito manjim izobličenjem. Austempering se primjenjuje na srednje ugljične i više ugljične čelike, gdje se u realno vrijeme može ući u raspon bainita. Čelici s niskim udjelom ugljika obično se ne temperiraju, budući da je njihova transformacija prespora da bi se završila u kadi.
Usporedba glavnih metoda
| metoda | Redoslijed hlađenja | Glavna korist | Glavni rizik ili ograničenje |
|---|---|---|---|
| Jednostruki medij | Jedan medij u cijelosti | Jednostavan, ponovljiv, lak za automatizaciju | Jedna fiksna brzina hlađenja za svaki odjeljak |
| Dvostruki medij | Jako srednje, zatim blago srednje | Obrađuje složene oblike i presjeke | Osjetljivo na vrijeme prijenosa |
| Ocijenjeno | Jako srednje, držati u vrućoj kupki, polako hladiti | Mala distorzija i mali rizik od pucanja | Zahtijeva kontroliranu toplu kupku |
| Izotermna | Vruća kupka u rasponu bainita, zatim zrak | Bainitska struktura dobre žilavosti, niske distorzije | Ograničeno na odgovarajuće razine i dijelove ugljika |
| Površinu i prskanje | Samo lokalizirano hlađenje površine | Tvrdo kućište s mekom, čvrstom jezgrom | Dubina kućišta mora se kontrolirati vremenom procesa |
Površinsko kaljenje kao srodna metoda
Kada samo radna površina komponente treba biti tvrda, dio se može zagrijati lokalno i kaliti kao djelomična operacija. Indukcijsko kaljenje i kaljenje plamenom podižu površinsku temperaturu, a zatim prskaju površinu vodom ili polimerom, stvarajući otvrdnuto kućište preko jezgre koja ostaje mekana i žilava. Dubina kućišta je kontrolirana frekvencijom indukcijske struje i vremenom zagrijavanja i kaljenja. Ovaj pristup je uobičajen za osovine, valjke i tračnice gdje je potrebna otpornost na trošenje bez žrtvovanja žilavosti jezgre.
Odabir metode
Krenite od komponente, a ne od procesa. Odredite potrebnu tvrdoću i potrebnu dubinu, sposobnost prokaljivosti čelika, maksimalni presjek, deformaciju koju naknadni dodatak za brušenje može apsorbirati i rizik od pucanja geometrije. Tanki, jednolični dijelovi čelika niske prokaljivosti obično se zadovoljavaju jednim srednjim kaljenjem. Složeni dijelovi s naglim promjenama presjeka upućuju na dvostruko srednje ili stupnjevito kaljenje, a tamo gdje je cilj žilavost u kombinaciji s umjerenom tvrdoćom, izotermno kaljenje vrijedi procijeniti. U svakom slučaju proces mora biti podržan planom kontrole koji bilježi temperaturu kupke, vrijeme zadržavanja, miješanje i stvarno postignutu krivulju hlađenja, jer te varijable, a ne naziv metode odlučuju o rezultatu.
FAQ
P: Koliko metoda kaljenja postoji?
Četiri klasične metode su jednomedijsko, dvomedijsko, stupnjevano i izotermno kaljenje. Površinske metode kao što su indukcija, plamen i raspršivanje obično se tretiraju kao zasebna obitelj jer se samo površinski sloj stvrdnjava.
P: Koja je razlika između stupnjevanog kaljenja i austempiranja?
Postupno kaljenje zaustavlja hlađenje nakratko blizu početne temperature martenzita i zatim dopušta da se dio transformira u martenzit tijekom hlađenja zrakom. Austempering drži dio u rasponu bainita dovoljno dugo da se dovrši bainitna transformacija, tako da se uopće ne stvara martenzit.
P: Zašto je kaljenje u vodi rizično za legirane čelike?
Voda vrlo brzo izvlači toplinu, tako da se površina skuplja daleko ispred jezgre i unutarnja naprezanja postaju velika. Legirani čelici visoke prokaljivosti mogu se transformirati u martenzit kroz cijeli presjek, a kombinacija velikog naprezanja i tvrde, lomljive strukture dovodi do pucanja.
P: Koja je uloga vremena zadržavanja u postupnom kaljenju?
Zadržavanje omogućuje izjednačavanje temperature kroz presjek prije nego što započne martenzitna transformacija. Prekratko, a centar je još vruć, pa transformacija počinje neravnomjerno; predugo i dio bi se mogao početi transformirati u kadi, što poništava svrhu.
P: Može li se kaljenje uopće izvesti bez izobličenja?
Ne posve. Neka promjena oblika je svojstvena jer hlađenje nikada nije savršeno ravnomjerno. Cilj odabira metode, dizajna učvršćenja, kontrole miješanja i izdašnog dodatka za mljevenje je zadržati distorziju unutar granica koje dopušta gotovi dio.
P: Što se mora zabilježiti za ponovljivi proces kaljenja?
Klasa čelika i toplinski broj, temperatura i vrijeme austenizacije, medij i njegova temperatura, brzina miješanja, vrijeme prijenosa između medija, vremena zadržavanja i ispitivanje konačne tvrdoće po presjeku.
