EN
Osnovni toplotni obdelovalni postopki za ogljikovo jekleno zlitino: cilji, postopek in učinkovitost
Žarjenje: obnovitev raztegljivosti in sprememba mikrostrukture hladno obdelane ogljikove jeklene zlitine
Intenzivno hladno obdelavo jekla lahko povzroči prekomerno zakalitev jekla, kar se lahko zmanjša z uporabo postopka, imenovanega žarjenje. Pri tem postopku kovino segrejemo na temperaturo, ki je običajno v razponu približno 600 do 700 stopinj Celzija, in jo tam obdržimo približno 1–2 uri, nato pa kovino počasi ohladimo znotraj peči. Rezultat tega postopka je, da se sprostijo notranji napetosti, ki so se nabrale v strukturi materiala, ter da se oblikujejo nove kristalne strukture brez deformacij. Po žarjenju material običajno obnovi približno 30 % izgubljene raztegljivosti in ga nato lahko podvržemo oblikovnim spremembam, ki so znatno bolj intenzivne, preden pride do loma materiala. Za inženirje avtomobilskih industrijskih podjetij je ključnega pomena enotna struktura ferita in perlitov, še posebej pri proizvodnji karoserijskih plošč in konstrukcijskih nosilnih elementov, ki morajo ohraniti svojo obliko pod obremenitvijo in, kadar je potrebno, omogočati deformacijo in ukrivljanje.
Normalizacija zagotavlja enotno zrnatost in izboljša obdelovalnost kovinskih delov iz kovanega ali valjanega ogljikovega jekla.
Normalizacija se začne z segrevanjem jekla na temperature med 800 in 900 stopinj Celzija ter počasnim ohladitvijo v mirujočem zraku. Ta postopek odstrani velike in neenakomerno razporejene zrnate strukture, ki so ostale po prejšnjem vročem obdelovanju, ter razvije manj grobo in bolj enotno mikrokonstituentno matriko ferit/pearlit. V primerjavi z nenormaliziranim jeklom normalizacija poveča lahkoto obdelave za 15 do 20 %. Zmanjšanje obrabe orodja in boljša površinska kakovost bistveno izboljšata življenjsko dobo orodja in kakovost izdelkov. To pojasnjuje, zakaj se normalizacija jekla redno uporablja v proizvodnji in obdelavi natančnih komponent, kot so zobniki in gredi.
Kaljenje in odpovedovanje: ključna zaporedja za optimizacijo razmerja med trdnostjo in žilavostjo pri jeklu srednje vsebnosti ogljika
Za začetek procesa kaljenja jekla mora biti jeklo najprej segreto na temperaturo med 800 in 900 stopinj Celzija, kar se imenuje austenitizacija. Takoj po tej fazi segrevanja se jeklo hitro ali takojšnje ohladi (kaljenje) v vodni ali oljni kopeli, kar povzroči pretvorbo austenitne strukture v martenzitno strukturo, ki je zelo trda, a hkrati izjemno krhka. Ta proces lahko povzroči nastanek martenzitne strukture z vrednostmi trdote po Rockwellu C do 65 in natezno trdnostjo do 1.000 megapascalov. Težava je v tem, da je martenzitna struktura takoj po kaljenju preveč krhka, da bi zdržala dejanske obremenitve v praksi. Rešitev te težave je odpovedovanje, pri katerem se jeklo segreje na temperaturo med 400 in 700 stopinj Celzija približno eno uro ali dlje. Ta postopek segrevanja zmanjša notranje napetosti, kar je ključnega pomena, ter poveča žilavost strukture s tvorbo majhnih karbidov, s čimer izboljša žilavost in trdnost. Dvofazno toplotno obdelavo je še naprej nujno uporabljati v sodobni proizvodnji komponent, ki morajo zdržati velike obremenitve, kot so npr. avtomobilski osi, motorne kolenaste gredi in različni industrijski zobniški sistemi.
Vsebina ogljika kot odločilni dejavnik pri izbiri toplotnih obdelav za ogljične jeklene materiale
<0,3 % C jeklo: težave z zakaljivostjo – zakaj sta žganje in normalizacija boljši možnosti
Nizkoogljeni jekleni materiali nimajo dovolj ogljika, da bi pri ohlajanju tvorili opazno količino martenzita, zato se na njih ne morejo uporabiti tradicionalne tehnike zakaljevanja. Namesto tega je najpogostejša možnost žarjenje, ki omogoča popolno obnovo mikrostrukture, spremenjene s hladnim obdelovanjem, ter obnovitev raztegljivosti. Tudi normalizacija pomaga pri homogenizaciji porazdelitve velikosti zrn v kovini, ki je bila kovana ali valjana. Obe metodi olajšata nadaljnje oblikovanje in obdelavo jekla ter zmanjšata težave, kot so deformacije ali razpoke, ki nastanejo pri ohlajanju. Takšne toplotne obdelave se uporabljajo pri izdelavi preprostih komponent, kot so avtomobilski karoserijski paneli, podporne konzole in konstrukcijske komponente v avtomobilski industriji. Za te uporabe inženirji prednostno obravnavajo lastnosti, kot so dobra varljivost, dobra sposobnost globokega vlečenja in dimenzijska nespremenljivost, namesto maksimalne trdote, ki jo je mogoče doseči.
Jeklo s srednjo vsebino ogljika (0,3–0,5 % C): zakaljevanje in omečevanje – ustrezne pričakovanja glede lastnosti
Jekla s srednjo vsebino ogljika so jekla z vsebino ogljika med 0,3 in 0,5 odstotka. Ta jekla so idealna za kalilne postopke, saj je vsebina ogljika dovolj visoka, da omogoči nastanek nekaj martenzita ob zakaljevanju, hkrati pa ni tako visoka, da bi jeklo postalo dovzetno za razpoke med toplotno obdelavo. Omečeno jeklo ohrani dobro stopnjo žilavosti; primeri jekla po standardu AISI 1045 dosežejo natezno trdnost več kot 800 MPa. Poleg tega jeklo AISI 1045 kaže dobro odpornost proti utrujanju in dobro obrabno odpornost. Zaradi teh lastnosti so inženirji to jekleno razvrstitev pogosto izbirajo za močno obremenjene dele, kot so vozilne osi, motorne klije in industrijski zobniki za prenosnike.
Izbira zakalilne tekočine in nadzor hlajenja za zanesljivo zakalitev ogljikovega jekla
Zakaljevanje v vodi ali olju: uravnoteženje nastajanja martenzita in tveganja razpok pri ogljikovem jeklu
Izbrana vrsta hladilnega sredstva neposredno vpliva na hitrost odvajanja toplote, na to, ali se pojavijo fazne spremembe, ter na velikost ostankovih napetosti v kovini. Ohladitvene hitrosti približno 130 °C/s povzročijo znatne količine martenzita, kar rezultira zelo trdo strukturo. Na primer, zalivanje z vodo je zelo učinkovito pri preprostih oblikah, ki zahtevajo visoko odpornost proti obrabi, kot so kmetijski orodja ali orodni kalupi. Nasprotno pa ima zalivanje z oljem zmerno ohladitveno hitrost približno 80 °C/s. V tem primeru je počasnejša ohladitvena hitrost prednostna, saj zmanjšuje tveganje toplotnega šoka in deformacije oblike, hkrati pa zagotavlja potrebno tvorbo martenzita pri jeklih srednje vsebnosti ogljika. Večina delavnic raje uporablja zalivanje z oljem pri delu z tankostenskimi konstrukcijami, zapletenimi geometrijami ali jekli z visoko vsebnostjo ogljika, kjer je tveganje razpokanja pomembno večje kot marginalni prirastek trdote.
Čeprav zračno hlajenje kovin ne trdi, pomaga pri normalizaciji in omogoča napetostno prosto razvijanje mikrostrukturnih faz ferita in perlitov.
Zračno hlajenje pri normalizaciji: doseganje enakomernega razporeda ferita–perlitov brez ostankov napetosti
Postopek normalizacije se razlikuje od kaljenja v tem, da uporablja hlajenje z zrakom in ne drugih hitrejših metod. Ta počasnejši pristop omogoča neprekinjen prehod materiala iz austenitne v feritno in perlitno fazo. Pri hitrosti hlajenja približno 5 stopinj Celzija na sekundo je hitrost dovolj počasna, da se izogne nastanku toplotnih gradientov, ki bi vsaj povzročili deformacijo materiala in pustili za seboj ostankove napetosti. Poleg tega počasnejša hitrost hlajenja spodbuja enotnost velikosti zrn po celotnem preseku vse do najbolj zunanje površine. To zagotavlja želeni učinek po celotnem preseku. Pri obdelavi delov iz nizkoogljične jeklene zlitine je ta tehnika še posebej pomembna za zagotavljanje dimenzionalne stabilnosti komponente, kot so na primer varjene nosilne grede ali natančno obdelane ohišja. To so primeri, pri katerih material ne sme pri delovanju kazati nobenega nepričakovanega obnašanja.
Najpogostejše vprašanja
Kakšen je cilj žarjenja ogljikovih jekel?
Cilj žarjenja ogljikovih jekel je obnoviti njihovo vlečnost in mikrostrukturo, da se jeklo po hladnem obdelovanju lažje obdeluje in oblikuje.
Kako normalizacija izboljša lastnosti ogljikovega jekla?
Normalizacija izboljša lastnosti ogljikovega jekla tako, da mu zagotovi enotno zrnatost, kar omogoča lažjo obdelavo na strojih ter zmanjša notranji tlak, kar je koristno za majhne in natančne strojne dele.
Kakšna je prednost kaljenja in odpovedovanja srednje ogljikovih jekel?
Prednost kaljenja in odpovedovanja srednje ogljikovih jekel je izboljšanje tako trdnosti kot tudi žilavosti jekla, kar omogoča njegovo uporabo pri večjih in bolj odpornih konstrukcijah.
Kakšen je problem pri kaljenju ogljikovega jekla z vodo?
Hitro ohlajanje povzroči, da se pri kaljenju ogljikovega jekla z vodo pojavi deformacija in razpoke, vendar pa resnično poveča trdoto.
Zakaj se v nekaterih aplikacijah prednostno uporablja nizkoogljikovo jeklo?
Razlog za prednost nizkoogljične jeklene zlitine v nekaterih aplikacijah je ta, da se nizkoogljična jeklena zlitina lažje varja in oblikuje v aplikacijah, kot so plošče, ki tvorijo karoserije avtomobilov, ter dele, ki zagotavljajo konstrukcijsko trdnost vozila, kjer so zahtevane nizke nosilne lastnosti.