Kaljenje jekla
Kaljenje je postopek toplotne obdelave, pri katerem se kaljen obdelovanec ponovno segreje na temperaturo pod A1, vzdržuje določen čas in nato ohladi na sobno temperaturo. Kaljenega jekla se ne sme uporabljati neposredno; opraviti mora popuščanje, ki določa mikrostrukturo in lastnosti jekla in je ključni korak toplotne obdelave.
Namen kaljenja
Za doseganje želenih mehanskih lastnosti
Po kaljenju ima obdelovanec visoko trdoto, vendar nizko duktilnost in žilavost. Za izpolnjevanje različnih zahtev glede zmogljivosti za različne dele se popuščanje uporablja za spreminjanje kaljene mikrostrukture, prilagajanje trdote in zmanjšanje krhkosti, kar ima za posledico želene mehanske lastnosti obdelovanca.
Za stabilizacijo dimenzij obdelovanca
Martenzit in zadržani avstenit, ki nastaneta med kaljenjem, sta nestabilni strukturi, ki se lahko sčasoma razgradita, kar povzroči spremembe dimenzij in oblike. Kaljenje preoblikuje kaljeno mikrostrukturo v stabilno, kar zagotavlja, da obdelovanec med uporabo ohrani svoje dimenzije in obliko.
Za zmanjšanje ali odpravo notranjih napetosti zaradi kaljenja
Kaljenje povzroči znatno notranjo napetost. Če jih ne odpravite takoj s popuščanjem, lahko te napetosti povzročijo deformacijo obdelovanca ali celo razpoke.
Transformacije med popuščanjem kaljenega jekla
Kaljeni martenzit in zadržani avstenit sta metastabilni fazi, ki razpadeta na ferit in karbide, ko se popuščata s sobne temperature na nižjo od A1. Specifične transformacije so odvisne od temperature kaljenja:
Razpad martenzita (manj kot ali enako 200 stopinj)
Pri kaljenju pod 80 stopinj ne pride do bistvenih mikrostrukturnih sprememb, razen združevanja ogljikovih atomov v martenzitu. Med 80 in 200 stopinjami začne martenzit razpadati, pri čemer se ogljikovi atomi izločajo kot ε-karbidi (Fe2,4C), kar zmanjša prenasičenost ogljika v martenzitu in zmanjša tetragonalnost. Ker je temperatura popuščanja nizka, se le del odvečnega ogljika obori, tako da ostane martenzit kot prenasičena trdna raztopina ogljika v -Fe. Drobni ε-karbidi so razpršeni vzdolž vmesnikov prenasičene -trdne raztopine, pri čemer ohranjajo koherentno razmerje (kjer si atome na faznih mejah delita dve kristalni mreži). Ta mikrostruktura, ki jo sestavljajo manj prenasičena -trdna raztopina in ε-karbidi, se imenuje kaljeni martenzit. Zaradi fine in visoko dispergirane narave ε-karbidov se trdota jekla ne zmanjša bistveno pri temperaciji pod 200 stopinj. Vendar pa obarjanje ε-karbidov zmanjša popačenje mreže, zmanjša napetost pri kaljenju in rahlo poveča plastičnost in žilavost jekla.
Razgradnja zadržanega avstenita (200 stopinj –300 stopinj)
Zadržani avstenit je podoben podhlajenemu avstenitu, zato so njegovi produkti transformacije pri popuščanju enaki tistim pri podhlajenem avstenitu pri podobnih temperaturnih pogojih in tvorijo martenzit, bainit ali perlit, odvisno od temperature.
Ko je jeklo kaljeno med 200 in 300 stopinjami, se martenzit še naprej razgrajuje in zadržani avstenit se začne preoblikovati v nižji bainit (200 stopinj –300 stopinj je spodnji razpon transformacije bainita). Pri tem temperaturnem območju se kalilna napetost še zmanjša, trdota pa se bistveno ne zmanjša.
Transformacija karbidov (250 stopinj –450 stopinj)
Pri kaljenju nad 250 stopinj povečana difuzijska sposobnost ogljikovih atomov povzroči, da se ε-karbidi postopoma spremenijo v stabilen cementit. Pri 450 stopinjah se vsi ε-karbidi pretvorijo v visoko dispergiran cementit. Neprekinjeno obarjanje ogljika zniža vsebnost ogljika v -trdni raztopini na ravnovesno raven in jo spremeni v ferit, čeprav ostaja -igličaste oblike. Ta struktura, sestavljena iz igličastega-ferita in visoko razpršenega cementita, se imenuje kaljeni troostit. Struktura kaljenega troostita jekla 45 je prikazana na spodnji sliki. Na tej točki se trdota jekla zmanjša, njegova žilavost in plastičnost pa se še povečata, pri čemer je kalilna napetost skoraj odpravljena.
Agregacija in rast cementita ter rekristalizacija ferita (450 stopinj –700 stopinj)
Nad 450 stopinjami se visoko razpršeni cementit postopoma sferoidizira v drobne delce in ko se temperatura dvigne, ti delci rastejo. Istočasno začne ferit rekristalizirati med 500 in 600 stopinjami ter se iz letev ali igli-podobnih oblik spremeni v poligonalna zrna.
Ta struktura, sestavljena iz zrnatega cementita, razporejenega na poligonalni feritni matrici, se imenuje kaljeni sorbit. Struktura kaljenega sorbita jekla 45 je prikazana na spodnji sliki. Če temperaturo dodatno povečamo na 650 stopinj –A1, zrnati cementit postane grob in tvori mikrostrukturo poligonalnega ferita in večjega zrnatega cementita, znanega kot kaljeni perlit.
Preoblikovanje kaljenega jekla med popuščanjem poteka v različnih temperaturnih območjih. Tudi pri isti temperaturi popuščanja lahko pride do več vrst transformacij. Lastnosti kaljenega jekla so odvisne od teh mikrostrukturnih sprememb, ki posledično vplivajo na njegovo mehansko zmogljivost. Na splošno, ko se temperatura popuščanja poveča, se trdnost in trdota zmanjšata, medtem ko se duktilnost in žilavost izboljšata, pri čemer te spremembe postanejo bolj izrazite pri višjih temperaturah.
Vrste in uporaba kaljenja
Glavni dejavnik, ki določa mikrostrukturo in lastnosti jekla, je temperatura popuščanja. Kaljenje je razvrščeno v tri vrste glede na temperaturo in posledično mikrostrukturo:
Nizko{0}}temperaturno kaljenje (150 stopinj –250 stopinj)
Pri nizko{0}}temperaturnem popuščanju nastane popuščeni martenzit. Cilj je ohraniti visoko trdoto in odpornost proti obrabi kaljenega jekla, hkrati pa zmanjšati notranjo napetost in krhkost ter izboljšati duktilnost in žilavost. Ta metoda se uporablja predvsem za visoko{3}}ogljikova in legirana jekla v rezalnih orodjih, merilnih orodjih, matricah za hladno vtiskovanje, kotalnih ležajih, naogljičenih delih in površinsko-kaljenih delih. Trdota po popuščanju je običajno med 58–64 HRC.
Srednje{0}}temperaturno kaljenje (350 stopinj –500 stopinj)
Ta metoda daje kaljeni troostit. Njegov namen je doseči visoko mejo tečenja, mejo elastičnosti in znatno žilavost. Kaljenje pri srednji-temperaturi se uporablja predvsem za različne elastične komponente in vroče{3}}obdelovalne matrice. Trdota po popuščanju se običajno giblje med 35–50 HRC.
Visoko{0}}temperaturno kaljenje (500 stopinj –650 stopinj)
Ta metoda proizvaja kaljeni sorbit. Cilj je doseči ravnovesje med trdnostjo, trdoto, duktilnostjo in žilavostjo. Kadar sta kaljenje in popuščanje pri visoki{2}}temperaturi kombinirana, se postopek običajno imenuje "kaljenje in popuščanje". Široko se uporablja za kritične strukturne komponente v proizvodnji avtomobilov, traktorjev in obdelovalnih strojev (kot so ojnice, čepi, zobniki in menjalne gredi). Trdota po popuščanju se običajno giblje med 200–330 HBW.
Čeprav so vrednosti trdote jekla po normalizaciji in kaljenju-popuščanju precej podobne, so kritične konstrukcijske komponente v proizvodnji običajno izpostavljene kaljenju-in ne normalizaciji. To je zato, ker ima mikrostruktura kaljenega sorbita granularni cementit, medtem ko ima sorbit, pridobljen z normalizacijo, lamelarni cementit. Zato kaljeno in popuščeno jeklo ne kaže le višje trdnosti, ampak ima tudi boljšo duktilnost in žilavost v primerjavi z normaliziranim stanjem.
Kaljenje in popuščanje lahko služi kot končni postopek toplotne obdelave ali kot predhodna obdelava pred površinskim utrjevanjem in kemično toplotno obdelavo. Ker trdota kaljenega jekla ni visoka, omogoča enostavno obdelavo in nizke vrednosti površinske hrapavosti.
Poleg teh treh pogostih metod popuščanja so nekatera visoko-legirana jekla podvržena visoko-temperaturnemu mehčanju pri 20 stopinjah –40 stopinjah pod A1, da dobimo kaljeni perlit kot alternativo sferoidizirajočemu žarjenju.
Za zagotovitev temeljite mikrostrukturne transformacije med popuščanjem je treba obdelovanec vzdrževati pri temperaturi popuščanja dovolj časa, običajno med 1 in 3 urami, odvisno od materiala, temperature, debeline, obremenitve in načina segrevanja. Metoda hlajenja po popuščanju malo vpliva na zmogljivost ogljikovega jekla, vendar se obdelovanci po popuščanju na splošno počasi ohlajajo na zraku, da bi se izognili povzročanju novih napetosti.
Kontaktirajte nas
Za več informacij nas kontaktirajte nametal@welongpost.com.
