Jak určit teplotu kalení?
Proces zahřívání oceli za účelem rekrystalizace její struktury na austenit s následným rychlým ochlazením se v technologii nazývá kalení.
Teplota ohřevu při kalení oceli (teplota kalení) závisí na jakosti oceli, tedy na obsahu uhlíku, a je pro různé oceli různá. Pro dosažení větší stejnoměrnosti austenitových zrn se při kalení ocel buď zahřívá o dalších 30–50 °C výše, nebo se udržuje na kalicí teplotě delší dobu. Austenitová zrna rostou a stávají se homogenními. Ale ocel s velkými krystalovými zrny je horší než ocel s jemnými zrny. Proto se při tepelném zpracování vždy usiluje o získání jemného zrna oceli.
Růst zrn v uhlíkových ocelích závisí nejen na teplotě a době ohřevu, ale také na obsahu uhlíku a nečistot. Zavedení legujících prvků do oceli – titanu, vanadu, wolframu, molybdenu a chrómu (nikoli však manganu) – inhibuje růst austenitových zrn při zahřívání. Legující prvky rozšiřují teplotní rozsah kalení a usnadňují získání vysoce kvalitní struktury; To je výhoda legovaných ocelí oproti uhlíkovým ocelím: jsou náchylnější ke kalení. Většina ocelí, které mají austenitickou strukturu při pokojové teplotě, jsou legované oceli.
Velikosti zrn získané při kalení oceli také výrazně závisí na rychlosti ochlazování: čím vyšší rychlost, tím jemnější je kalené zrno, čím jemnější krystaly, tím lepší kvalita a vlastnosti oceli. Pokud se chlazení provádí na vzduchu, austenit se přirozeně rozpadá, ale vysoká rychlost ochlazování (například v lednici nebo při foukání studeného vzduchu na součást) umožňuje získat malé krystaly. Tyto krystaly sice neobsahují austenit, ale železo a jeho nám již známé karbidy, ale tato struktura má stále mnohem lepší vlastnosti: při poměrně vysoké tvrdosti má pozoruhodnou houževnatost a odolnost proti opotřebení. Tato struktura z tvrzené oceli byla pojmenována sorbitol na počest anglického vědce Henryho Sorbyho. Tvorba sorbitolu začíná při 600 °C a končí při 500 °C a samotný proces se nazývá sorbitizace.
Horká ocel po ochlazení v oleji získává ještě jemnozrnnější strukturu, která má vysokou tvrdost, pevnost a pružnost – trostit (pojmenovaný po francouzském chemikovi L. Trostovi). Trostit vzniká z austenitu v teplotním rozmezí 500 až 200°C.
Při prudkém ochlazení ve vodě se austenit běžné uhlíkové oceli zadrží až do teploty 240 °C a poté se okamžitě přeskupí. Během této rekrystalizace se však uhlík z „nádob“ již nevyhazuje: nejmenší vytvořená zrna jsou přesyceným pevným roztokem uhlíku v krystalové mřížce („nádobě“) železa, která je normální při pokojové teplotě. Není to austenit, ale ani směs železa a jeho karbidů. Tato nová struktura pevného roztoku se nazývá martenzit, pojmenovaná po německém metalurgovi A. Martensovi. Krystaly martenzitu nemají ani zrnitý vzhled, ale jehličkovitý tvar. Martenzit má nejvyšší tvrdost ze všech struktur, blízkou tvrdosti karbidu železa, vysokou elasticitu a křehkost.
U legovaných ocelí se martenzitická struktura vytváří při nižší rychlosti ochlazování než u uhlíkových ocelí, takže kalení takových ocelí na martenzit lze provádět nikoli ve vodě, ale v oleji nebo dokonce na vzduchu.
Díly zahřáté pro vytvrzení se uchovávají v peci při této teplotě po dobu 3 až 20 minut. (v závislosti na jejich velikosti) a spuštěny do chlazeného prostředí. Teploty kalení a žíhání pro uhlíkové oceli jsou téměř stejné, proto podle grafu na Obr. 42 není těžké určit tyto teploty pro každý typ oceli: stačí znát procento uhlíku v oceli.
Rýže. 42. Grafy kalení a žíhání uhlíkových ocelí
Vyšší rychlosti ochlazování oceli pro kalení na martenzit lze dosáhnout ponořením dílů do vody s teplotou pod +18 °C nebo do 10% roztoku kuchyňské soli (louh sodný). Řezné nástroje, díly, u kterých dochází během provozu k tření (nápravy, ozubená kola atd.), a některé pružiny jsou kalené na martenzit.
Kalení oceli ve vodě o teplotě cca +65°C nebo v oleji umožňuje získat větší strukturu – trostit. Trostit lze přitom v oceli získat temperováním dílu s martenzitovou strukturou. Nárazové nástroje, které vyžadují vysokou tvrdost kombinovanou s elasticitou, stejně jako pružiny a pružiny, jsou kaleny na hůlce.
Chlazením součásti zahřáté pro kalení v horké (90 °C) nebo mýdlové vodě nebo temperováním součásti s martenzitickou strukturou se v oceli získá sorbitolová struktura. Má nejvyšší viskozitu a odolnost proti opotřebení, takže sorbitol se používá k vytvrzování kolejnic, obvazů a dalších nástrojů, které pracují při největším rázovém zatížení.
Proces kalení oceli. Díly určené k kalení se spouštějí do chladicího média a díly se v něm nepřetržitě pohybují. Pokud díl zůstane nehybný, vytvoří se na něm parní „plášť“ a na některých místech díl zůstane nezahřátý.
Díly se určitým způsobem spouštějí do chladícího média (obr. 43): vrtáky, výstružníky a další dlouhé díly – řeznou částí dopředu, tedy svisle; ploché části – kolmé k povrchu kapaliny. Pokud podléhá kalení pouze část nástroje (například řezná část vrtáku), pak se součást spustí do chladicí kapaliny do požadované hloubky a mírně se pohybuje nahoru a dolů v kapalině, čímž se „rozmazává“ hranice kalení. .
Rýže. 43. Správné ponoření dílů do zhášecí kapaliny
Při kalení (a při jiných typech tepelného zpracování) je velmi důležité kov nepřehřívat – může dojít k jeho nenávratnému poškození – to znamená, že je třeba přesně určit teplotu ohřevu součásti. Pokud doma nenajdete speciální teploměr, můžete se naučit určovat teplotu ohřívaného dílu podle jeho barvy s dostatečnou přesností.
Tepelné barvy ocelových dílů v pořadí jejich vzhledu jsou uspořádány následovně (teploty jsou uvedeny ve °C):
Malé díly pro kalení je lepší ohřívat v muflových pecích. Při jejich ohřevu na plynovém hořáku nebo v kovárně se díly nesmí dostat do plamene, to jistě povede k přehřátí a poškození dílů. Je nutné umístit „drobnost“ na ocelový polotovar a společně jej zahřát, přičemž teplotu určíme podle tepelných barev polotovaru. Díly by měly být také spuštěny do kalicí kapaliny spolu s polotovarem.
Malou muflovou pec lze vyrobit i doma (obr. 44, A).
Základem takové pece bude keramická trubka 1 ze starého školního reostatu (reostat koupíte v obchodech). Na trubku v malých krocích navíjíme volnou spirálu 2 z domácího elektrického sporáku o výkonu 800 W. Na spirálu (do kruhu) položíme plát azbestu a na azbest navineme druhou spirálu 3 Obě spirály by se neměly nikde dotýkat. Na druhou spirálu položíme dalších 5-6 vrstev azbestu 4 podél trubky.
Na jeden konec trubky 1 umístíme keramickou zátku 5 s otvorem pro termočlánek. Druhá zátka 6 na druhém konci bude sloužit jako víko pece. Obě zátky „izolujeme“ čtyřmi až pěti vrstvami azbestu. Pokud není k dispozici vhodná keramika, zátky budou muset být vyrobeny z některého z výše popsaných vysokoteplotních formovacích materiálů.
Vzniklou strukturu umístíme do pláště 7 z cínu (pro švy je vhodný jediný zámek). Krycí zátka 6 musí mít také plášť a může být volně vyjmuta, když je zajišťovací hák 8 sklopený dozadu. Nohy v kamnech jsou vyrobeny z ocelového pásu; Tyto nohy 9 jsou odnímatelné. Schéma elektrického zapojení by mělo zahrnovat jednu nebo dvě spirály najednou (obr. 44, B).
Po zapnutí spirály 1 bude teplota v peci vhodná pro temperování ocelových dílů a žíhání dílů vyrobených z neželezných kovů. Po zapnutí obou spirál (1 a 2) v peci lze ocelové díly kalit a žíhat.
Teplotu v peci budeme měřit termoelektrickým teploměrem. Jeho soustava se skládá z termočlánku a měřícího zařízení (obr. 44, B) – Termočlánek se skládá ze dvou drátů, z nichž jeden je vyroben ze slitiny chromelu, druhý ze slitiny hliník-mel. Vodiče na jednom konci stočíme a druhé dva konce připojíme k jedné ze svorek transformátoru s napětím 4-8 V (může to být laboratorní autotransformátor LATR nebo transformátor o výkonu 80-100 W ). Z druhé svorky přivedeme napětí na uhlíkovou tyč z kapesní baterie (obr. 44, D). Uhlíkové tyče se dotýkáme zkroucenými dráty termočlánku, v důsledku čehož jsou dráty v místě zákrutu svařeny. Na místě svařování se vytvoří kovová kulička.
Oba vodiče termočlánku umístíme do porcelánové trubice se dvěma průchozími otvory nebo je od sebe jiným způsobem izolujeme, poté připojíme k měřícímu zařízení. Termočlánek v porcelánové trubici vložíme do trouby speciálním otvorem v zátce 5.
Měřicí stupnici přístroje vyměňujeme za novou (zařízením v našem termoelektrickém systému může být milivoltmetr s velkou stupnicí s maximálním měřením 50 μV). Novou stupnici kalibrujeme ve stupních Celsia. K tomu vložíme do pece sádrový plech s připojenými dráty nebo proužky z olova, zinku, hliníku a mědi. Zapněte troubu, aby se zahřála, a sledujte šipku zařízení připojeného k termočlánku.
Jakmile se olovo začne tavit, uděláme první zářez na stupnici přístroje; odpovídá 327°C. Tavením zinku vznikne druhý zářez -419°C, hliníku -660°C a mědi -1083°C. (Zinek by se měl odebírat z kelímků suchých článků, jinak zvaných baterkové baterie, měď a hliník z pramenů drátů nebo kabelů a olovo z pláště kabelu.) Stupnice má pět zářezů: jeden na začátku stupnice a čtyři další z bodů tání. Stupnici rozdělíme rovnoměrně na poměrné dílky s přihlédnutím ke všem výsledným zářezům. Je vhodné mít „cenu“ malého dílku rovnou 10°C a velkého dílku rovnou 50 a 100°C.
Chromel-alumelový termočlánek umožňuje rovnoměrnou kalibraci přístroje a měření teplot s jeho pomocí je možné v rozsahu od pokojové teploty do 1300°C.
Rýže. 44. A – celkový pohled a řez; B – elektrické schéma; B – termoelektrický teploměr; G – svařování termočlánkem; 1 – keramická trubka; 2 – první spirála; 3 – druhá spirála; 4 – azbest; 5 – zástrčka; 6 — kryt zástrčky; 7 – pouzdro; 8 – háček; 9 – nohy.