Toplotna obdelava je priljubljen način za spreminjanje mehanskih lastnosti nekaterih kovin. Eden najboljših načinov za prilagoditev kovine zahtevam danega okolja ali uporabe je, da lahko spremenite njeno moč, žilavost in trdoto, ne da bi bistveno spremenili njeno kemično sestavo. Kovino je mogoče toplotno obdelati na različne načine, vendar je kaljenje ena najpogosteje uporabljenih tehnik.
Kaj je kaljenje?
Kaljenje je korak v mnogih postopkih toplotne obdelave, ki vključuje segrevanje dela na zahtevano temperaturo in potopitev v medij za kaljenje, da se hitro ohladi. Drugi postopki toplotne obdelave pogosto sledijo kaljenju, kot je staranje, popuščanje ali žarjenje, da se dosežejo želeni rezultati. S hitrim hlajenjem kovine lahko preprečite ali spodbudite nastanek različnih mikrostruktur v jeklu, da dosežete lastnosti, ki jih potrebujete za predvideno uporabo.
Različne vrste kristalnih mikrostruktur vključujejo:
· Avstenit: Avstenit nastane pri segrevanju železa med obdelavo kovin. To je močna, vendar oblikovana mikrostruktura, ki je odlična za varjenje. Avstenitno jeklo ima različne uporabe, vendar se pogosto dodatno obdeluje za ustvarjanje martenzitnega jekla.
· Martenzit: Martenzitna transformacija se zgodi, ko hitro ohladite segreto kovino. Čeprav je martenzitno jeklo trdo, je tudi zelo krhko. Obdelava kovine po kaljenju ji pomaga obnoviti nekaj duktilnosti in razbremeniti notranje napetosti.
· Ferit: Ferit je mehka, termodinamično stabilna mikrostruktura, ki se oblikuje, preden se spremeni v avstenit. Večinoma se pojavlja pri nizkoogljičnem jeklu.
· Cementit: Cementit je termodinamično nestabilna mikrostruktura, ki vsebuje železo in ogljik. Zaradi njegove toge mikrostrukture je kovina zelo trda, a krhka.
· Perlit: Počasno ohlajanje povzroči perlitno mikrostrukturo, ki je sestavljena iz izmenjujočih se plasti ferita in cementita. Ta struktura je močna in lahka z visoko odpornostjo proti obrabi.
· Bainit: Bainit je trda, krhka mikrostruktura, ki nastane, ko se jeklena komponenta ohladi hitreje od hitrosti ohlajanja perlita, vendar počasneje kot martenzit.
Vrsta medija za gašenje
Postopek kaljenja lahko izvedemo z uporabo različnih medijev za kaljenje. Vsak medij ima svoje posebne lastnosti gašenja. Hitrost kaljenja, okoljski problemi pri kaljenju, zamenjava medija za kaljenje in stroški medija za kaljenje so dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri določanju vrste uporabe medija. Tu so glavne vrste medijev za kaljenje:
zrak
Zrak je priljubljen medij za kaljenje, ki se uporablja za hlajenje kovin za kaljenje. Cenovna dostopnost je ena glavnih prednosti zraka; njegova dostopnost je posledica njegove obilice na zemlji. Pravzaprav velja, da je bil vsak material, ki ga segrejemo in nato pustimo, da se ohladi na sobno temperaturo preprosto tako, da ga pustimo pri miru, kaljen na zraku. Kaljenje z zrakom se izvaja tudi bolj namenoma, ko ga stisnemo in potisnemo okoli kovine, ki jo kalimo. To ohladi del hitreje kot mirni zrak, čeprav lahko celo stisnjen zrak še vedno ohladi številne kovine prepočasi, da bi spremenil mehanske lastnosti.
voda
Voda lahko hitro pogasi tudi segrete kovine. Jeklo je mogoče hitro ohladiti s kaljenjem v vodi, kar je odlično za doseganje najvišje možne trdote v nekaterih aplikacijah. Vendar pa lahko zaradi kopičenja notranje napetosti njegova hitrost ohlajanja povzroči tudi popačenja in razpoke. Posledično so potrebni dodatni metalurški postopki za dokončanje komponente.
Vodo, tako kot mnoge pline, zlahka pridobimo in nima vpliva na okolje, zaradi česar je trajnosten medij za gašenje. Parni žepi lahko ovirajo proces kaljenja z vodo; če se to zgodi, mora kovač vrtinčiti komponento v mediju, da prepreči nastajanje mokrih zračnih žepov in vnos onesnaževalcev.
Olje
Olje lahko pogasi segrete kovine veliko hitreje kot stisnjen zrak. Element, ki je bil segret, se spusti v posodo, napolnjeno z oljem, da se pogasi. Del lahko tudi sperete z oljem. Ker imajo različne vrste olj različne hitrosti hlajenja in plamenišča, se pogosto uporabljajo v različnih aplikacijah.
slanica
Slanica ali slana voda je odličen medij za gašenje za hitro hlajenje. Hladi se hitreje kot zrak, voda in olje. To je zato, ker ko mešanica soli in vode pride v stik z vročo kovino, prepreči nastanek zračnih kroglic. Posledično bo tekočina prekrila večji del površine kovine kot zračni mehurčki.
Jeklo za kaljenje
Jeklo si zasluži posebno omembo, ko govorimo o procesu kaljenja, saj so njegove mehanske lastnosti zelo občutljive na kaljenje. S postopkom kaljenja, znanim kot gašenje, se jeklo dvigne na temperaturo nad njegovo rekristalizacijsko temperaturo in s postopkom kaljenja hitro ohladi. Hitro kaljenje spremeni kristalno strukturo jekla v primerjavi s počasnim ohlajanjem. Odvisno od vsebnosti ogljika in legirnih elementov jekla lahko ostane s tršo, bolj krhko mikrostrukturo, kot je martenzit ali bainit, ko je podvrženo procesu kaljenja. Te mikrostrukture povzročijo povečano trdnost in trdoto jekla. Vendar pustijo jeklo občutljivo na razpoke in z velikim zmanjšanjem duktilnosti. Zaradi tega se nekatera jekla žarijo ali normalizirajo po postopku kaljenja.
