Etapy tepelného zpracování oceli | Blog TSPROF

Tepelné zpracování oceli je soubor fází ohřevu, udržování a chlazení slitin tvrdokovu. V důsledku toho dochází v kovu ke změnám vnitřní struktury a struktury, což následně vede k dosažení stanovených vlastností oceli. Tvrdost kovu po tepelném zpracování se měří pomocí Rockwellovy stupnice, která je podrobně popsána v našem článku „Metody pro stanovení tvrdosti“.

Proces tepelného zpracování oceli zahrnuje zahřátí obrobku na požadovanou teplotu při určité rychlosti, udržení na této teplotě po požadovanou dobu a chlazení při dané rychlosti. V rámci těchto procesů můžeme rozlišit takové stupně jako: žíhání, normalizace, kalení, popouštění, zpracování za studena. Při výrobě nožů z kované oceli trvá tepelné zpracování větší počet fází: kování, žíhání, broušení, opětovné žíhání, rovnání zbytkových křivostí, kalení, popouštění. V tomto článku se dotkneme obecných pojmů procesu tepelného zpracování průmyslově vyráběné oceli, kdy je polotovar čepele vyříznut z hotového pásu kovu.

Žíhání se používá pro obrobky z uhlíkové a legované oceli pro snížení tvrdosti nebo snížení vnitřního pnutí. Žíhání také připravuje strukturu pro následné tepelné zpracování a zlepšuje heterogenitu. Technologicky je žíhání pomalé ochlazování horkého obrobku. Lze použít i tzv. izotermické žíhání při 760 ºС s rychlým ochlazením na 635 ºС, udržení obrobku na této teplotě po dobu 4-6 hodin a další chlazení na vzduchu.

2. Normalizace

Normalizace se od úplného žíhání liší způsobem chlazení, které se provádí na vzduchu po udržení obrobku na procesní teplotě. V tomto případě se mění struktura oceli, získává vyšší tvrdost a jemnozrnnou strukturu než při žíhání. Normalizace oceli je ohřev na teploty 50 °C nad bodem, kdy je přeměna přebytečného cementitu na austenit dokončena. Zahřívání se provádí až do úplné rekrystalizace. Chlazení se provádí ve vzdušném prostředí, nejčastěji jednoduše v místě tepelného zpracování. Výsledkem je, že ocel získává jemnozrnnou, jednotnou strukturu. Tvrdost a pevnostní charakteristiky oceli se po normalizaci zvyšují o 10-15% než po žíhání. U tzv. hypereutektoidních nástrojových ocelí s obsahem uhlíku vyšším než 0,8 % (tyto oceli se používají především v nožích) je zničena cementitová síť obklopující perlitová zrna. Tím se sníží křehkost oceli a připraví se na kalení.

3. Kalení oceli – Jedná se o fázi tepelného zpracování, která spočívá v zahřátí oceli nad kritickou teplotu s následným rychlým ochlazením v kapalném médiu. Kritická teplota v tomto případě bude teplota, při které dojde ke změně typu krystalové mřížky, to znamená k polymorfní transformaci. Technologicky je kalení nucené chlazení horké oceli. Snižuje strukturu zrna, zvyšuje tvrdost, pevnost a odolnost proti opotřebení. Kalení spočívá v zahřátí oceli na teplotu nad nebo v rozsahu transformace, udržení na této teplotě a následném ochlazení obvykle vysokou rychlostí (ve vodných roztocích solí hydroxidu sodného nebo chloridu sodného ve vodě, oleji, roztavených solích, na vzduchu). Během procesu kalení se ocel zahřeje na vysokou teplotu řádově 750–1150 °C s následným prudkým ochlazením, aby se vzniklé fázové přeměny nestihly vrátit do původního stavu.

Kalení se dělí na několik typů:

1) Krokové kalení

V některých případech se u malých obrobků používá kalení postupnou metodou. Výrobky se zahřejí a poté se vloží do alkalické taveniny (od 3500 do 4000 C). Obrobek je udržován po určitou dobu, dostatečnou k vyrovnání teploty uvnitř produktu. Legované oceli se chladí v oleji, nelegované oceli se chladí ve vodě. Tato metoda poskytuje potřebnou tvrdost a výrazně se sníží pravděpodobnost vzniku trhlin a pnutí.

2) Izotermické kalení

Izotermické vytvrzování probíhá ve stupňovitém režimu, ale kov je udržován v alkálii, dokud se zcela nezbaví pnutí. Po izometrickém kalení není popouštění nutné. Metoda je vhodná pro zpracování složitých dílů podléhajících deformacím a trhlinám.

3) Kalení v jednom chladiči

Kalení v jednom chladiči se používá při práci s obrobky z uhlíkových a legovaných ocelí. Obvykle se jedná o poměrně „jednoduché“ nožířské oceli, které nevyžadují složité zpracování.

4) Přerušované kalení ve dvou prostředích

Přerušované duální kalení se používá ke zpracování ocelí s vysokým obsahem uhlíku, které zahrnuje zpočátku rychlé ochlazení ve vodě a poté pomalé ochlazení v oleji.

5) Kalení paprskem

Tryskové kalení je metoda používaná k částečnému (zónovému) kalení výrobku, provádí se v HDTV instalacích (vysokofrekvenční topné instalace) a induktorech postřikem součásti silným proudem vody.

Kalení je kritickým krokem při tepelném zpracování. Při porušení technologie kalení se mohou vyskytnout následující závady:

1) Nedostatečná tvrdost kaleného dílu v důsledku nízké teploty ohřevu, krátkého vystavení provozní teplotě nebo nedostatečné rychlosti chlazení.

2) Přehřátí spojené s ohřevem výrobku na teplotu výrazně vyšší, než je požadovaná teplota ohřevu pro kalení. Přehřívání je doprovázeno tvorbou hrubozrnné struktury, což má za následek zvýšenou křehkost oceli.

3) Vyhoření nastává, když je ocel zahřátá na velmi vysoké teploty, blízké bodu tavení (1200-1300 °C) v oxidační atmosféře. Kyslík proniká do oceli a podél hranic zrn se tvoří oxidy. Poté se ocel stává vysoce křehkou a stává se nevhodnou pro použití při velkém zatížení, především příčném.

4) Oxidace a dekarbonizace oceli jsou charakterizovány tvorbou okují (oxidů) na povrchu dílů a vyhořením uhlíku v povrchových vrstvách. Taková ocel se může stát zcela nevhodnou pro použití na čepeli nože.

5) Na povrchu obrobku se mohou tvořit deformace a praskliny, což je spojeno s výskytem vnitřních pnutí. Při ohřevu a ochlazování oceli dochází k objemovým změnám v závislosti na teplotě a strukturálních přeměnách. Přirozeně takové změny vedou k naprosté nevhodnosti obrobku.

Právě porušení technologie ve fázi kalení tedy může vést k nadměrné křehkosti čepele, obvykle nazývané „přehřátí“, nebo naopak nedostatečné tvrdosti – „nedostatečnému kalení“. A také skrytým vnitřním pnutím, kvůli nimž se lopatky při zatížení lámou. Pro zlepšení pracovních vlastností oceli po kalení se používá tzv. „popouštění“.

Popouštění oceli je proces tepelného zpracování předtvrzené oceli pro zlepšení rovnováhy její struktury. Po kalení ocelových polotovarů se používá temperování, které zvyšuje houževnatost a snižuje křehkost a vnitřní pnutí.

Popouštění se provádí ihned po kalení zahřátím oceli na teplotu 150–550 °C (v závislosti na jakosti oceli) a ochlazením na vzduchu, případně ve vodě nebo oleji. Oceli s vysokým obsahem uhlíku se temperují ve vodě a dochází k poměrně rychlému ochlazení. Pokud je pomalá, může to vést k „podvápnění“; ocel nezíská potřebné pevnostní vlastnosti. Legované nerezové oceli jsou temperovány v oleji, ve kterém probíhá proces ochlazování pomaleji. Mezi takové oceli patří zejména moderní prášky S30V, S35VN, Elmax atd. Nejčastěji k popouštění takových ocelí dochází při teplotách od 175 do 220 stupňů. Použití oleje je v tomto případě povinné, protože se zvýšením rychlosti chlazení může legovaná ocel prasknout a stát se nepoužitelnou. Velkou roli při chlazení hraje také druh oleje, zejména stupeň jeho hustoty a tekutosti. U některých jakostí vysokolegovaných ocelí se po předehřátí na 1050–1100 °C místo oleje používá chlazení vzduchem.

Velmi důležitým faktorem kvalitního temperování je trajektorie pohybu a úhel ponoření čepele do chladícího média. Porušení technologie může vést k zakřivení čepele. Důležitou roli zde hraje kvalitní žíhání, které je nutné k odlehčení vnitřních pnutí vedoucích k zakřivení čepele.

Nejčastěji se u nožířských výrobků používá nízkoteplotní temperování (do 2500 C). Umožňuje dosáhnout zvýšené pevnosti a houževnatosti při zachování tvrdosti slitiny (HRC zůstává v rozmezí od 58 do 63).

K určení teploty při uvolňování produktu se používá vizuální pozorování matných barev. Zejména oslnivá bílo-modrá barva obrobku odpovídá teplotě asi 1600 °C, žlutobílá – 1200 °C, jasně červená – 500 °C atd. Barvy popouštění se objevují stejně na surové i kalené oceli.

5) Kryoterapie

Poměrně často je posledním stupněm tepelného zpracování čepelí nožů kryogenní úprava. Kryoprocesování je proces úpravy kovových obrobků při extrémně nízkých teplotách (pod -153 °C (-243,4 °F)). Vyrábí se za účelem zmírnění zbytkových pnutí a zvýšení odolnosti dílů proti opotřebení. Pomáhá také zvyšovat tvrdost, odolnost proti opotřebení, pevnost a tažnost kovů. V průměru dochází ke zlepšení těchto charakteristik do 20 %, ale tyto ukazatele se týkají hlavně dobře legovaných ocelí, včetně práškových rychlořezů. Mezi nimi může být kvalitní americký D2, stejně jako ELMAX, VANADIS 10, K340. Speciální zařízení pro provádění kryogenního zpracování se nazývá „kryogenní procesor“. Jedná se o nízkoteplotní komoru vybavenou systémem řízení procesu kryogenního zpracování. Obecný cyklus zpracování v moderních kryoprocesorech probíhá během tří dnů: 24 hodin zmrazení na minimální teplotu, 24 hodin udržování obrobku na této teplotě a 24 hodin zahřívání na původní teplotu. Některé kryoprocesory mají technologickou schopnost zvýšit teploty až na 200 stupňů Celsia, a to umožňuje temperování kovu.

Tepelné zpracování oceli na čepeli je jedním z nejdůležitějších faktorů zodpovědných za výkon nože a jeho účinnost při provozu. Pouze s maximální přesností v technologických postupech je možné získat maximální kvalitu kalené oceli. Kvalita tepelného zpracování zase velmi ovlivňuje broušení nože. Případné problémy, které při tomto procesu vznikly, se jistě při broušení projeví a neumožní nůž pořádně naostřit. Pouze s noži s vynikajícími tepelnými podmínkami můžeme dosáhnout maximální úrovně ostrosti.