Popouštění oceli – způsoby, druhy, teplota popouštění a vlastnosti oceli po procesu – Adamant Steel

Popouštění oceli je proces zahřívání oceli na určitou teplotu a následné ochlazení produktu. Proces se provádí za účelem eliminace vnitřních pnutí, která negativně ovlivňují technické parametry kovových výrobků.

Popouštění oceli je nejčastěji konečné tepelné zpracování po kalení, což je proces ohřevu polotovarů a výrobků na určitou teplotu s následným chlazením. Jeho hlavním účelem je eliminovat vnitřní pnutí, která negativně ovlivňují technické parametry kovových výrobků.

Obecný popis procesu

Hlavní fáze dovolené byly:

• zahřívání slitiny na teploty, při kterých začínají fázové přeměny;
• udržování na požadované teplotě;
• chlazení nastavenou rychlostí.

Díky tomuto typu technického zařízení jsou získány požadované technické vlastnosti výrobků a minimalizována vnitřní pnutí. Čím vyšší je teplota tepelného zpracování a čím nižší je rychlost ochlazování, tím účinněji jsou eliminována zbytková napětí.

Rychlost ochlazování závisí na chemickém složení slitiny a zamýšleném výsledku:

• intenzivní chlazení po popouštění na +550…+650°C zvyšuje mez odolnosti oceli díky zachování zbytkových tlakových napětí v povrchové vrstvě;
• kovové výrobky složitých konfigurací se po vysokoteplotním temperování pomalu ochlazují, čímž se zabrání deformaci;
• polotovary z legovaných ocelí, které se vyznačují popouštěcí křehkostí, jsou po popouštění na +550. +650°C ochlazovány pouze zrychleným tempem.

V závislosti na teplotě ohřevu se rozlišují tři druhy popouštění oceli – vysoké, střední a nízké.

Vlastnosti nízkého popouštění oceli

Tento typ tepelného zpracování zahrnuje ohřev obrobků a polotovarů na +250°C. Výsledky procesu: snížení kalících napětí, zlepšení houževnatosti bez poklesu tvrdosti.

Středně a vysoko uhlíkové kalené oceli s obsahem uhlíku 0,6-1,3 % po nízkém popuštění mají tvrdost 58-63 HRC a vysokou odolnost proti opotřebení. Ale výrobky vyrobené z takových slitin jsou při absenci viskózního jádra nestabilní vůči dynamickému zatížení.

Nejčastěji se nízké popouštění používá pro řezné a měřicí nástroje z uhlíkových a nízkolegovaných jakostí, kovové výrobky po nauhličování, nitrokarburaci, kyanizaci.

Režimy středního (střední teploty) popouštění oceli

Teploty procesu středoteplotního temperování jsou +350…+500°C. Tento typ t/o, používaný především pro pružiny, listová pera, razidla, poskytuje výrazné limity odolnosti a pružnosti a dobrou odolnost proti relaxaci. Výsledné struktury: troostit nebo trostomartenzit, tvrdost – 45-50 HRC.

Chlazení ve vodě po zahřátí na teploty +400. +450°C se u pružin používá za účelem vytvoření zbytkových tlakových napětí na povrchu, zvýšení pevnostních charakteristik kovu.

Vysokoteplotní popouštění oceli – způsoby, cíle

Vysoké popouštěcí teploty jsou +500…+650°C, výsledná ocelová konstrukce je temperovaný sorbitol. Problém řešený tímto typem T/O je získat optimální poměr mezi pevností a viskozitou. Komplexní tepelné zpracování, včetně kalení a vysokého popouštění, se nazývá zlepšení. Jeho výhodou oproti různým typům žíhání a normalizace je zvýšení pevnosti v tahu, meze kluzu, rázové houževnatosti a relativní kontrakce.

Kalení a popouštění kalené oceli se používá u středně uhlíkových ocelí s obsahem C 0,3-0,5 %, na které jsou kladeny zvýšené požadavky na rázovou houževnatost a houževnatost. S jejich pomocí zvyšují pevnost materiálu, snižují citlivost na koncentrátory napětí, teplotu prahu křehkosti za studena a sklon k tvorbě trhlin.

Délka vysoké dovolené je 1-6 hodin. Konkrétní čas závisí na rozměrech kovového výrobku.

Druhy popouštěcí křehkosti

Zvýšení teploty popouštění ve většině případů zlepšuje vlastnosti kovového výrobku a podporuje účinné odstranění zbytkových pnutí. Existují však situace, které vedou ke zhoršení vlastností slitiny. Metalurgičtí vědci vyvinuli několik účinných technologií k odstranění problému popouštěcího křehnutí, které může být nízkoteplotní nebo vysokoteplotní.

Křehkost I. typu – nízká teplota

K tomuto typu křehkosti dochází, když je materiál dlouhodobě vystaven teplotám +250…+350°C. Rychlost ochlazování neovlivňuje pravděpodobnost jeho výskytu. Tento problém se týká všech jakostí oceli. Příčinou křehkosti I. typu je aktivní, ale nerovnoměrné rozložení uhlíku po povrchu krystalové mřížky. Důsledkem tohoto procesu je narušení krystalové struktury slitiny a v důsledku toho výrazné zvýšení křehkosti.

Popouštěcí křehkost typu I je nevratný proces a prudce snižuje výkonnostní charakteristiky slitiny, která se stává vhodnou pouze pro přetavení. Technologií pro boj s tímto problémem je provádět nízko nebo středně teplotní temperování. Zahřívání na střední teploty není povoleno. Sklon ke křehnutí za nízkých teplot snižuje vysokoteplotní TMT.

Popouštěcí křehkost typu II – vysoká teplota

Problém křehnutí při vysokých teplotách nastává, když se shodují tři faktory. Tento:

• ohřev slitiny na teploty přesahující +500°C;
• přítomnost vysokého procenta Cr, Mn, Ni v oceli;
• pomalé chlazení.

Důsledkem kombinace těchto parametrů je nerovnoměrné rozložení atomů uhlíku, chrómu, manganu a niklu, které narušuje krystalovou mřížku oceli. Křehkost při vysokých teplotách se zvyšuje, když jsou výrobky vystaveny nebezpečnému teplotnímu rozsahu po dobu 8-10 hodin. Tento problém lze určit pouze leptáním řezů povrchově aktivními činidly, které odhalí hranice zrn austenitu, podél kterých dochází ke křehkému lomu.

Existují dvě nejúčinnější možnosti řešení tohoto problému. První způsob: po objevení známek popouštěcí křehkosti kovový výrobek znovu zahřejte na stanovenou teplotu v olejovém prostředí a rychle jej ochlaďte. Druhým způsobem je legování slitiny wolframem (přibližně 1%) nebo molybdenem – 0,3-0,4%.

Ocel je nejdůležitějším materiálem používaným v průmyslových odvětvích. Tento materiál různých jakostí se používá jak ve stavebnictví, tak v těžkém průmyslu. Správná volba materiálu je při stavebních pracích nesmírně důležitá nuance. Ne vždy je však možné přizpůsobit ocel požadavkům konstrukce nebo mechanismu. Proto je nutná tepelná úprava.

Tepelné zpracování se využívá i při výrobě mnoha polotovarů. Nejčastěji se používá ve strojírenství a těžkém průmyslu.

Fyzikální principy tepelného zpracování

Tento proces je zodpovědný za ohřev a chlazení kovu. Slouží ke změně jeho fyzikálních vlastností, což umožňuje přizpůsobení materiálu provozním podmínkám podle potřeby. Pro volbu procesu tepelného zpracování je ve většině případů nutné použít diagram železo-uhlík. Díky němu je možné předpovídat strukturu slitin.

Použití různých technologií tepelného zpracování oceli nám umožňuje dosáhnout očekávaných a potřebných výsledků. To znamená, že díky tepelnému zpracování je možné dodat kovu nestandardní tvary (tlakovým zpracováním), předvídatelně měnit jeho fyzikální vlastnosti a pevnost. Konečným výsledkem procesu je výroba oceli se stanovenými mechanickými vlastnostmi.

Tepelné zpracování je nepochybně nepostradatelným procesem v mnoha průmyslových odvětvích. Je třeba si uvědomit, že zde jsou velmi důležité vlastnosti výrobku stanovené konstruktérem, což ovlivní životnost kovových prvků během provozu. Chcete-li správně vybrat technologii tepelného zpracování kovů, musíte správně posoudit provozní podmínky součásti nebo mechanismu.

Parametry pro posouzení vlastností kovů

Hlavní mechanické vlastnosti kovů, které se berou v úvahu při zpracování kovů, jsou: pevnost, tažnost, struktura, tvrdost, rázová houževnatost a pružnost. Většina těchto vlastností je určena experimentálně. Podívejme se blíže na každý z parametrů hodnocení výkonu:

• Pevnost. Označuje schopnost kovu odolávat zničení při mechanickém namáhání.
• Plast. Jedná se o schopnost slitiny nevratně změnit tvar a velikost pod vnějšími nebo vnitřními vlivy při zachování strukturální integrity.
• Nárazová síla. Tato vlastnost se týká schopnosti materiálu odolávat rázovému zatížení. Tento parametr je označen jako J/cm2 nebo kgf•m/cm, které určují poměr mechanické práce vynaložené na destrukci výrobku k jeho průřezové ploše.
• Pružnost. Jedná se o schopnost slitiny obnovit svůj původní tvar a objem po odeznění vnějších vlivů. Tato hodnota je vyjádřena v MPa nebo kgf/mm2, které určují poměr působícího napětí k způsobené elastické deformaci. U slitin používaných k výrobě pružin nebo pružin je vyžadována vysoká elasticita.
• Tvrdost. Tvrdostí se rozumí schopnost kovu odolávat pronikání tělesa s větší tvrdostí do něj. Stanovuje se několika způsoby: pomocí přístroje Brinell (HB), Rockwell (HRA, HRB, HRC), Vickers (HV), Shore (HSD). Například průměrná tvrdost uhlíkové oceli před kalením je 100–150 HB na Brinellově stupnici, po kalení je to 500–600 HB.
• Struktura. Kovy (ocel a její slitiny) se skládají z mnoha zrn, která jsou ve vzájemném kontaktu. Velikost těchto zrn se zjišťuje během procesu odlévání – pro zmenšení velikosti zrna se slitina upravuje ve fázi výroby (přidáním nerozpustných látek). Čím menší je zrnitost kovu, tím je pevnější, tvrdší a lépe opracovaný.

Vlastnosti kovu přímo závisí na souhrnu všech jeho charakteristik a účelem jeho tepelného zpracování je změnit tyto parametry a dosáhnout optimálních hodnot v závislosti na účelu a provozních podmínkách zpracovávaného produktu.

Klasifikace a druhy tepelného zpracování

Tepelné zpracování umožňuje dodat produktům různé fyzikální vlastnosti. Tento termín označuje proces změny struktury oceli a kovových slitin prostřednictvím tepelných účinků na ně. Ačkoli lze tepelné zpracování použít na neželezné kovy, nejvíce se používá při zpracování oceli a železných kovů.

Tepelné zpracování ocelí je jednou z nejdůležitějších operací v oboru kovoobrábění. Mezi hlavní výhody tepelného zpracování patří:

• zvýšení odolnosti oceli a jejích slitin proti opotřebení;
• zajištění výroby odolných a mechanicky pevných výrobků;
• schopnost měnit fyzikální vlastnosti ocelových dílů v souladu s technickými požadavky;
• snížení počtu vad při výrobě kovových výrobků.

Odpovědné konstrukce jsou vyrobeny pouze z tepelně zpracovaných kovů. Důvodem je, že pouze s ohledem na takové produkty lze učinit jasné předpovědi týkající se životnosti a odolnosti vůči vnějším faktorům.

V závislosti na zvoleném režimu ohřevu, typu tepelného zpracování, jeho trvání, teplotě a režimu chlazení se získá požadovaná struktura krystalové mřížky a tím i fyzikální vlastnosti zpracovávaného produktu. V metalurgii a kovoobrábění se používají tyto druhy technického tepelného zpracování:

Žíhání

S jeho pomocí je dosaženo rovnovážné ocelové konstrukce. V kovoobrábění se používá žíhání 1. typu včetně homogenizace, rekrystalizace a odlehčení pnutí a žíhání 2. typu, rozdělené na normalizační, úplné a neúplné žíhání. Pokud se v prvním případě dosáhne uspořádání struktury oceli nebo jejích slitin, ve druhém se dosáhne změkčení kovů a slitin (snížení pevnosti a tvrdosti), zvýšení tažnosti a odstranění zbytkových napětí.

Žíhání je druh tepelného zpracování oceli, při kterém se obrobek zahřeje na danou teplotu a rychle se ochladí. Kalením žíháním vzniká ocelová konstrukce, která poskytuje vyšší pevnost. Technologie kalení je založena na zahřátí obrobku nad kritickou teplotu pro konkrétní slitinu s následným udržením v tomto teplotním rozsahu a prudkém ochlazení v prostředí s vysokou tepelnou vodivostí.

Hlavním rozdílem mezi žíháním a kalením ocelových dílů je rychlost ochlazování, které následuje po tepelném ohřevu na kritické teploty.

Normalizace

Jako jeden z podtypů žíhání zahrnuje normalizace oceli chlazení produktu na vzduchu, zatímco během žíhání se chladí v peci. Ale cíl je zde stejný – zefektivnit strukturu ocelové krystalové mřížky.

Dovolená

Popouštění oceli se primárně používá k zamezení vzniku nerovnovážných struktur po kalení. Při této metodě tepelného zpracování se odstraní vnitřní zbytková pnutí oceli. Právě díky temperování je možné získat produkt s vysokou viskozitou, sníženou křehkostí a tvrdostí.

Kryogenní léčba

Spočívá v chlazení na ultra nízké teploty (pod -153 stupňů). Kryogenní úprava je jednou z nejúčinnějších tepelných metod stabilizace a zvýšení odolnosti ocelových dílů proti opotřebení.

Старение

Jedná se o typ tepelného zpracování, ke kterému dochází přirozeně (bez vystavení teplotám) a uměle (s vystavením teplotě). Při umělém stárnutí se díl zahřeje na 120–150 stupňů a udržuje se 10–36 hodin na dané teplotě. Tato operace stabilizuje stav uhlíku v ocelové konstrukci bez snížení její tvrdosti.

Hlavním zařízením používaným při technickém tepelném zpracování jsou pece a induktory, které zajišťují ohřev obrobků na vysoké, téměř kritické teploty. Velký průmysl používá různé pece s různými teplotními podmínkami, určené pro tepelné zpracování různých kovů a jejich slitin.

Kromě technického tepelného zpracování se v metalurgii využívá i termomechanických a chemicko-tepelných účinků. Pojďme se krátce zamyslet nad jejich vlastnostmi.

Chemicko-tepelné zpracování

Chemicko-tepelné zpracování zahrnuje tepelné zpracování kovu pod vlivem chemických činidel. Jeho výsledkem je poskytnutí zvýšené pevnosti, odolnosti proti opotřebení a/nebo odolnosti kovu vůči korozi. Existuje několik typů chemicko-tepelného zpracování oceli.

Cementace

Spočívá v dodatečném sycení oceli uhlíkem před kalením a popouštěním. Tento postup dále zvyšuje odolnost hotového výrobku proti opotřebení.

Nitridace

V tomto procesu je ocel nasycena dusíkem zahřátím produktu na 500-650 stupňů v prostředí amoniaku. Tato metoda umožňuje zvýšit tvrdost a odolnost slitiny proti korozi. Díly při nitridaci, stejně jako po nauhličování, také zvyšují svou povrchovou tvrdost.

Nitrokarburizace

Tato metoda spočívá v ošetření ocelového povrchu předehřátého na vysoké teploty uhlíkem a dusíkem s následným kalením a temperováním produktu. Obvykle se nitrokarburizace provádí při teplotě 840-860 stupňů a používá se při výrobě výrobků z konstrukčních nízkouhlíkových ocelí.

Boriding

Tato metoda zahrnuje nanesení vrstvy boru na kovový povrch a jeho předehřátí na 910 stupňů. Tato metoda zvyšuje odolnost kovu a používá se při výrobě lisovacích a vrtacích nástrojů.

Chemicko-tepelné ošetření zahrnuje důkladné čištění kovových povrchů, aby se zabránilo cizím nečistotám, které výrazně snižují fyzikální a chemické vlastnosti hotového výrobku.

Termomechanická úprava

Tepelně-mechanické zpracování kovů zahrnuje kombinaci vysokoteplotních a mechanických účinků na ocel. Rozlišují se následující typy termomechanického zpracování kovů:

• Vysoká teplota. Pomáhá zvyšovat viskozitu a eliminovat popouštěcí křehkost kovu. V tomto případě dochází k deformaci kovu po zahřátí nad krystalizační teplotu, po kterém následuje povinné kalení a popouštění. Tento způsob zpracování se používá při výrobě produktů z konstrukčních, nástrojových, uhlíkových, pružinových a legovaných ocelí.
• Nízká teplota. S ním se deformace provádí pod tepelným vlivem teploty 400–600 stupňů, což dává vytvrzovací účinek. Je nutné následné kalení a popouštění.
• Předběžný. Technologie je hojně využívána při výrobě polotovarů lisováním. Jedná se o provedení plastické deformace a teprve poté vysokoteplotní popouštění, obrábění a kalení součásti. To dává kovu vysokou pevnost.

Tepelné zpracování kovů může výrazně zvýšit jejich pevnost a odolnost proti opotřebení a chránit materiály před působením vysokých teplot a korozí. Zároveň řeší jeden z nejdůležitějších problémů – eliminaci vnitřního pnutí v obrobcích, minimalizaci rizika jejich deformace. Proto při výrobě produktů, které jsou součástí kritických struktur, je tepelné zpracování jednoduše povinné. V tomto případě lze použít několik metod v různých kombinacích v závislosti na účelu výrobku a typu slitiny.