Metalurgové často vymýšlejí složité plány tepelného zpracování neboli “ cykly“, aby optimalizovali mechanické vlastnosti slitiny. V leteckém průmyslu může superslitina projít pěti nebo více různými operacemi tepelného zpracování, aby se dosáhlo požadovaných vlastností. To může vést k problémům s kvalitou v závislosti na přesnosti řízení teploty a časovače pece. Tyto operace lze obvykle rozdělit do několika základních technik.
ŽíháníUpravit
Žíhání spočívá v zahřátí kovu na určitou teplotu a následném ochlazení rychlostí, která vytvoří zušlechtěnou mikrostrukturu, a to buď úplným, nebo částečným oddělením složek. Rychlost ochlazování je obecně pomalá. Žíhání se nejčastěji používá ke změkčení kovu pro obrábění za studena, ke zlepšení obrobitelnosti nebo ke zlepšení vlastností, jako je elektrická vodivost.
U železných slitin se žíhání obvykle provádí zahřátím kovu nad horní kritickou teplotu a následným velmi pomalým ochlazováním, což vede ke vzniku perlitu. Jak u čistých kovů, tak u mnoha slitin, které nelze tepelně zpracovat, se žíhání používá k odstranění tvrdosti způsobené zpracováním za studena. Kov se zahřeje na teplotu, při níž může dojít k rekrystalizaci, čímž se opraví vady způsobené plastickou deformací. U těchto kovů má rychlost ochlazování obvykle malý vliv. Většina slitin neželezných kovů, které lze tepelně zpracovávat, se rovněž žíhá, aby se odstranila tvrdost způsobená zpracováním za studena. Mohou být pomalu ochlazovány, aby se umožnilo úplné vysrážení složek a vznikla zjemněná mikrostruktura.
Slitiny železných kovů jsou obvykle buď “ plně žíhané“, nebo “ procesně žíhané“. Úplné žíhání vyžaduje velmi pomalé ochlazování, aby se vytvořil hrubý perlit. Při procesním žíhání může být rychlost ochlazování rychlejší; až po normalizaci. Hlavním cílem procesního žíhání je vytvoření rovnoměrné mikrostruktury. Neželezné slitiny jsou často podrobovány různým technikám žíhání, včetně „rekrystalizačního žíhání“, „částečného žíhání“, „úplného žíhání“ a „konečného žíhání“. Ne všechny techniky žíhání zahrnují rekrystalizaci, například uvolňování napětí.
NormalizaceUpravit
Normalizace je technika používaná k zajištění rovnoměrnosti velikosti a složení zrn (rovnostranných krystalů) v celé slitině. Termín se často používá pro slitiny železa, které byly austenitizovány a poté ochlazeny na vzduchu. Normalizací vzniká nejen perlit, ale také martenzit a někdy i bainit, čímž se získá tvrdší a pevnější ocel, ale s menší tažností při stejném složení než při úplném žíhání.
Při normalizaci se ocel zahřeje na teplotu asi 40 stupňů Celsia nad horní kritickou mez, na této teplotě se určitou dobu udržuje a pak se ochladí na vzduchu.
Odlehčování napětíEdit
Odlehčování napětí je technika odstraňování nebo snižování vnitřních pnutí vzniklých v kovu. Tato napětí mohou vznikat různými způsoby, od obrábění za studena až po nerovnoměrné chlazení. Odlehčení napětí se obvykle provádí zahřátím kovu pod dolní kritickou teplotu a následným rovnoměrným ochlazením. Odlehčování napětí se běžně používá u předmětů, jako jsou vzduchojemy, kotle a další tlakové nádoby, aby se odstranila všechna napětí vzniklá při svařování.
StárnutíEdit
Některé kovy jsou klasifikovány jako kovy tvrdnoucí při srážení. Při kalení slitiny srážecího kalení se její legující prvky zachytí v roztoku, čímž vznikne měkký kov. Stárnutí „rozpuštěného“ kovu umožní legujícím prvkům difundovat mikrostrukturou a vytvářet intermetalické částice. Tyto intermetalické částice budou nukleovat a vypadávat z roztoku a působit jako zpevňující fáze, čímž se zvýší pevnost slitiny. Slitiny mohou stárnout „přirozeně“, což znamená, že se precipitáty tvoří při pokojové teplotě, nebo mohou stárnout „uměle“, kdy se precipitáty tvoří pouze při zvýšené teplotě. V některých aplikacích lze přirozeně stárnoucí slitiny skladovat v mrazničce, aby se zabránilo jejich ztvrdnutí až do doby, než budou provedeny další operace – například montáž nýtů, která může být snazší u měkčího dílu.
Příkladem slitin s precipitačním vytvrzováním jsou hliníkové slitiny řady 2000, 6000 a 7000, jakož i některé superslitiny a některé nerezové oceli. Oceli, které se kalí stárnutím, se obvykle označují jako maraging steels, zkomolenina termínu „martenzitové stárnutí“.
KaleníEdit
Kalení je proces rychlého ochlazování kovu. Nejčastěji se provádí za účelem dosažení martenzitické přeměny. U slitin železa se tím často získá tvrdší kov, zatímco slitiny neželezných kovů se obvykle stanou měkčími než obvykle.
Pro zpevnění kalením se kov (obvykle ocel nebo litina) musí zahřát nad horní kritickou teplotu a poté rychle ochladit. V závislosti na slitině a dalších okolnostech (např. zájem o maximální tvrdost vs. praskání a deformace) může být chlazení prováděno nuceně vzduchem nebo jinými plyny (např. dusíkem). Vzhledem k lepší tepelné vodivosti lze použít kapaliny, jako je olej, voda, polymer rozpuštěný ve vodě nebo solanka. Po rychlém ochlazení se část austenitu (v závislosti na složení slitiny) přemění na martenzit, tvrdou, křehkou krystalickou strukturu. Kalená tvrdost kovu závisí na jeho chemickém složení a způsobu kalení. Rychlosti ochlazování, od nejrychlejší po nejpomalejší, jdou od solanky, polymeru (tj. směsi voda + polymery glykolu), sladké vody, oleje a nuceného vzduchu. Příliš rychlé ochlazování některých ocelí však může mít za následek vznik trhlin, proto by se vysokopevnostní oceli, jako je AISI 4140, měly ochlazovat v oleji, nástrojové oceli, jako je ISO 1.2767 nebo nástrojová ocel pro žárovou práci H13, by se měly ochlazovat v nuceném vzduchu a nízkolegované nebo středněpevnostní oceli, jako je XK1320 nebo AISI 1040, by se měly ochlazovat ve slané vodě.
Některé slitiny na bázi titanu Beta rovněž vykazují podobné trendy zvyšování pevnosti rychlým ochlazováním. U většiny neželezných kovů, jako jsou slitiny mědi, hliníku nebo niklu, a některých vysoce legovaných ocelí, jako jsou austenitické nerezové oceli (304, 316), však dochází při jejich kalení k opačnému efektu: měknou. Austenitické korozivzdorné oceli se musí kalit, aby se staly plně odolnými proti korozi, protože se značně zpevňují.
KaleníEdit
Kalení martenzitické oceli jsou sice velmi tvrdé, ale příliš křehké na to, aby byly použitelné pro většinu aplikací. Metoda pro zmírnění tohoto problému se nazývá popouštění. Většina aplikací vyžaduje, aby byly kalené součásti popouštěny. Popouštění spočívá v zahřátí oceli pod dolní kritickou teplotu (často od 400˚F do 1105˚F nebo od 205˚C do 595˚C, v závislosti na požadovaných výsledcích), aby se jí dodala určitá houževnatost. Někdy se používají vyšší teploty popouštění (možná až 1300˚F nebo 700˚C, v závislosti na slitině a použití), aby se dodala další houževnatost, i když se ztratí část meze kluzu.
Popouštění se může provádět také u normalizovaných ocelí. Jiné metody popouštění spočívají v kalení na určitou teplotu, která je vyšší než počáteční teplota martenzitu, a následném udržování na této teplotě, dokud se nevytvoří čistý bainit nebo dokud se nezmírní vnitřní napětí. Patří mezi ně austempering a martempering.
Barvy popouštěníEdit
Ocel, která byla čerstvě broušena nebo leštěna, vytváří při zahřátí vrstvy oxidů. Při velmi specifické teplotě vytvoří oxid železa vrstvu o velmi specifické tloušťce, což způsobí interferenci tenkých vrstev. To způsobí, že se na povrchu oceli objeví barvy. Se zvyšující se teplotou se tloušťka vrstvy oxidu železa zvětšuje a barva se mění. Tyto barvy, nazývané temperační, se již po staletí používají k měření teploty kovu.
- 350˚F (176˚C), světle žlutá
- 400˚F (204˚C), světle slámová
- 440˚F (226˚C), tmavě slámová
- 500˚F (260˚C), hnědá
- 540˚F (282˚C), fialová
- 590˚F (310˚C), tmavě modrá
- 640˚F (337˚C), světle modrá
Barvy popouštění lze použít k posouzení konečných vlastností popouštěné oceli. Velmi tvrdé nástroje jsou často temperovány ve světle až tmavě slámové barvě, zatímco pružiny jsou často temperovány do modra. Konečná tvrdost kalené oceli se však liší v závislosti na složení oceli. Nástrojová ocel s vyšším obsahem uhlíku zůstane po popuštění mnohem tvrdší než pružinová ocel (s o něco nižším obsahem uhlíku), je-li popouštěna při stejné teplotě. Tloušťka oxidového filmu se také časem zvětší. Proto může ocel, která byla velmi dlouho udržována při teplotě 400˚F, zhnědnout nebo zfialovět, přestože teplota nikdy nepřekročila teplotu potřebnou k vytvoření světle slámové barvy. Dalšími faktory, které ovlivňují konečný výsledek, jsou olejové filmy na povrchu a typ použitého zdroje tepla.
Selektivní tepelné zpracováníEdit
Mnoho metod tepelného zpracování bylo vyvinuto za účelem změny vlastností pouze části předmětu. Ty obvykle spočívají buď v ochlazování různých oblastí slitiny různou rychlostí, v rychlém zahřátí v lokalizované oblasti a následném ochlazení, v termochemické difúzi, nebo v popouštění různých oblastí předmětu při různých teplotách, jako je tomu například u diferenciálního popouštění.
Diferenciální kaleníEdit
Některé techniky umožňují, aby různé oblasti jednoho předmětu byly různě tepelně zpracovány. Tomu se říká diferenciální kalení. Je běžné u vysoce kvalitních nožů a mečů. Čínský jian je jedním z nejstarších známých příkladů a japonská katana je možná nejznámější. Dalším příkladem je nepálská khukuri. Při této technice se používá izolační vrstva, podobná vrstvám hlíny, která pokrývá místa, jež mají zůstat měkká. Oblasti, které mají být kaleny, jsou ponechány odkryté, což umožňuje, aby se po kalení plně vytvrdily pouze některé části oceli.
Kalení plamenemEdit
Kalení plamenem se používá k zakalení pouze části kovu. Na rozdíl od diferenciálního kalení, kdy se celý kus zahřívá a poté chladí různou rychlostí, se při plamenném kalení před kalením zahřívá pouze část kovu. Je to obvykle jednodušší než diferenční kalení, ale často vzniká extrémně křehká zóna mezi ohřátým a neohřátým kovem, protože ochlazování na okraji této tepelně ovlivněné zóny je extrémně rychlé.
Indukční kaleníEdit
Indukční kalení je technika povrchového kalení, při níž se povrch kovu velmi rychle zahřívá bezkontaktní metodou indukčního ohřevu. Poté se slitina ochladí, čímž dojde k martenzitické přeměně na povrchu, zatímco podkladový kov zůstane nezměněn. Tím se vytvoří velmi tvrdý povrch odolný proti opotřebení při zachování správné houževnatosti ve většině předmětu. Dobrým příkladem indukčně kaleného povrchu jsou čepy klikového hřídele.
Kalení ve skříniUpravit
Laserové povrchové inženýrství je povrchová úprava s vysokou univerzálností, selektivitou a novými vlastnostmi. Vzhledem k tomu, že rychlost ochlazování je při laserové úpravě velmi vysoká, lze touto metodou získat metastabilní i kovové sklo.
Úprava za studena a kryogenní úpravaEdit
Přestože kalení oceli způsobuje přeměnu austenitu na martenzit, veškerý austenit se obvykle nepřemění. Některé krystaly austenitu zůstanou nezměněny i po ochlazení pod teplotu dokončení martenzitu (Mf). Další přeměnu austenitu na martenzit lze vyvolat pomalým ochlazováním kovu na extrémně nízké teploty. Zpracování za studena obvykle spočívá v ochlazení oceli na teplotu přibližně -115˚F (-81˚C), ale nevede k odstranění veškerého austenitu. Kryogenní zpracování obvykle spočívá v ochlazení na mnohem nižší teploty, často v rozsahu -315˚F (-192˚C), aby se většina austenitu přeměnila na martenzit.
Zchlazovací a kryogenní zpracování se obvykle provádí bezprostředně po kalení, před jakýmkoli popouštěním, a zvýší tvrdost, odolnost proti opotřebení a sníží vnitřní pnutí v kovu, ale protože se ve skutečnosti jedná o prodloužení procesu kalení, může během postupu zvýšit pravděpodobnost vzniku trhlin. Tento proces se často používá u nástrojů, ložisek nebo jiných předmětů, které vyžadují dobrou odolnost proti opotřebení. Obvykle je však účinný pouze u ocelí s vysokým obsahem uhlíku nebo vysoce legovaných ocelí, v nichž se po kalení zachovává více než 10 % austenitu.
OduhličeníEdit
Zahřívání oceli se někdy používá jako metoda změny obsahu uhlíku. Při zahřívání oceli v oxidačním prostředí se kyslík spojuje se železem a vytváří vrstvu oxidu železa, která chrání ocel před oduhličením. Když se však ocel změní na austenit, kyslík se spojí se železem a vytvoří strusku, která neposkytuje žádnou ochranu před oduhličením. Tvorba strusky a okují ve skutečnosti zvyšuje oduhličení, protože oxid železa udržuje kyslík v kontaktu s oduhličovací zónou i poté, co je ocel přemístěna do prostředí bez kyslíku, jako je například uhlí v kovárně. Atomy uhlíku se tak začnou slučovat s okolními okuji a struskou za vzniku oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého, který se uvolňuje do ovzduší.
Ocel obsahuje relativně malé procento uhlíku, který může volně migrovat v rámci gama železa. Pokud je austenitizovaná ocel dlouhodobě vystavena působení vzduchu, může se obsah uhlíku v oceli snížit. To je opak toho, co se děje při zahřívání oceli v redukčním prostředí, kdy uhlík pomalu difunduje dále do kovu. V oxidačním prostředí může uhlík snadno difundovat směrem ven, takže austenitizovaná ocel je velmi náchylná k oduhličení. Toho se často využívá u lité oceli, kde je pro odlévání zapotřebí vysoký obsah uhlíku, ale v hotovém výrobku je požadován nižší obsah uhlíku. Často se používá u litin k výrobě kujné litiny v procesu zvaném „bílé popouštění“. Tato tendence k oduhličování je často problémem při jiných operacích, jako je kovářství, kde je žádoucí ocel austenizovat po co nejkratší dobu, aby se zabránilo přílišnému oduhličování.