Toplinska obrada je popularan način mijenjanja mehaničkih svojstava određenih metala. Jedan od najboljih načina za prilagodbu metala zahtjevima danog okruženja ili primjene je mogućnost modificiranja njegove čvrstoće, žilavosti i tvrdoće bez značajnije promjene njegovog kemijskog sastava. Metal se može toplinski obrađivati na različite načine, ali kaljenje je jedna od najčešće korištenih tehnika.
Što je kaljenje?
Kaljenje je korak u mnogim procesima toplinske obrade koji uključuje zagrijavanje dijela na potrebnu temperaturu i njegovo uranjanje u medij za kaljenje kako bi se brzo ohladio. Drugi procesi toplinske obrade često slijede kaljenje, kao što je starenje, kaljenje ili žarenje kako bi se postigli željeni rezultati. Brzim hlađenjem metala možete spriječiti ili potaknuti stvaranje različitih mikrostruktura unutar čelika kako biste postigli svojstva koja su vam potrebna za namjeravanu primjenu.
Različite vrste kristalnih mikrostruktura uključuju:
· Austenit: Austenit nastaje kada se željezo zagrijava tijekom obrade metala. To je čvrsta mikrostruktura koja se može oblikovati i izvrsna je za zavarivanje. Austenitni čelik ima različite primjene, ali se često dodatno obrađuje za stvaranje martenzitnog čelika.
· Martenzit: Martenzitna transformacija je ono što se događa kada brzo ohladite zagrijani metal. Iako je martenzitni čelik tvrd, on je također vrlo krt. Obrada metala nakon kaljenja pomaže mu vratiti nešto duktilnosti i smanjiti unutarnja naprezanja.
· Ferit: Ferit je meka, termodinamički stabilna mikrostruktura koja se formira prije transformacije u austenit. Uglavnom se javlja kod niskougljičnog čelika.
· Cementit: Cementit je termodinamički nestabilna mikrostruktura koja sadrži željezo i ugljik. Njegova kruta mikrostruktura rezultira vrlo tvrdim, ali krhkim metalom.
· Perlit: Sporo hlađenje rezultira mikrostrukturom perlita, koja se sastoji od izmjeničnih slojeva ferita i cementita. Ova struktura je jaka i lagana s visokom otpornošću na trošenje.
· Bainit: Bainit je tvrda, krhka mikrostruktura koja nastaje kada se čelična komponenta hladi brže od brzine hlađenja perlita, ali sporije od martenzita.
Vrsta medija za gašenje
Proces kaljenja može se provesti pomoću niza medija za kaljenje. Svaki medij ima svoje posebne kvalitete gašenja. Brzina kaljenja, ekološki problemi kaljenja, zamjena medija za kaljenje i cijena medija za kaljenje čimbenici su koje treba uzeti u obzir pri određivanju vrste upotrebe medija. Evo glavnih vrsta medija za kaljenje:
Zrak
Zrak je popularan medij za kaljenje koji se koristi za hlađenje metala za kaljenje. Pristupačnost je jedna od glavnih prednosti zraka; njegova pristupačnost je rezultat njegove obilja na zemlji. Zapravo, svaki materijal koji se zagrije, a zatim pusti da se ohladi na sobnu temperaturu jednostavno tako što se ostavi na miru, smatra se da je kaljen zrakom. Kaljenje zrakom također se namjernije izvodi kada se komprimira i gura oko metala koji se kali. Ovo hladi dio brže nego mirni zrak, iako čak i komprimirani zrak može mnoge metale hladiti presporo da bi promijenio mehanička svojstva.
Voda
Voda također može brzo ugasiti zagrijane metale. Čelik se može brzo ohladiti kaljenjem u vodi, što je izvrsno za postizanje najveće moguće tvrdoće u nekim primjenama. Međutim, zbog nakupljanja unutarnje napetosti, njegova brzina hlađenja također može uzrokovati izobličenja i pucanje. Posljedično, potrebni su dodatni metalurški postupci za dovršetak komponente.
Voda se, poput mnogih plinova, lako dobiva i nema utjecaja na okoliš, što je čini održivim medijem za gašenje. Parni džepovi mogu spriječiti proces kaljenja vodom; ako se to dogodi, kovač mora zavrtjeti komponentu u mediju kako bi spriječio stvaranje džepova vlažnog zraka i unošenje kontaminanata.
Ulje
Ulje može ugasiti zagrijane metale mnogo brže nego komprimirani zrak. Element koji je bio zagrijan ispušta se u spremnik napunjen uljem kako bi se ugasio. Dio se također može isprati uljem. Budući da različite vrste ulja imaju različite brzine hlađenja i točke paljenja, često se koriste u različitim primjenama.
salamura
Salamura ili slana voda izvrstan je medij za gašenje za brzo hlađenje. Hladi se brže od zraka, vode i ulja. To je zato što, kada mješavina soli i vode dođe u dodir s vrućim metalom, sprječava stvaranje zračnih kuglica. Kao rezultat toga, tekućina će prekriti veći dio površine metala nego što će to učiniti mjehurići zraka.
Kaljenje čelika za kaljenje
Čelik zaslužuje poseban spomen kada se govori o procesu kaljenja jer su njegova mehanička svojstva vrlo osjetljiva na kaljenje. Kroz proces kaljenja poznat kao kaljenje, čelik se podiže na temperaturu iznad temperature rekristalizacije i brzo se hladi kroz proces kaljenja. Brzo kaljenje mijenja kristalnu strukturu čelika u usporedbi sa sporim hlađenjem. Ovisno o sadržaju ugljika i legirajućim elementima u čeliku, može ostati tvrđa, lomljivija mikrostruktura, poput martenzita ili bainita, kada se podvrgne procesu kaljenja. Ove mikrostrukture rezultiraju povećanom čvrstoćom i tvrdoćom čelika. Međutim, ostavljaju čelik osjetljivim na pucanje i s velikim smanjenjem duktilnosti. Zbog toga se neki čelici žare ili normaliziraju nakon procesa kaljenja.
