Objašnjenje kaljenja – definicija, postupak, prednosti i više

Postupci toplinske obrade ključni su za dobivanje željenih svojstava od različitih metala i njihovu prikladnost za različite primjene. Toplinskom obradom mnoga mehanička svojstva mogu se promijeniti bez promjene kemijskog sastava metala.

Postoji mnogo različitih procesa u toplinskoj obradi. Jedan od najčešće korištenih među njima je postupak kaljenja. Raspravimo što je to.

Što je kaljenje?

Kaljenje je proces brzog hlađenja koji mijenja određena svojstva materijala manipuliranjem brzinom hlađenja. Materijal se zagrijava iznad temperature rekristalizacije, ali ispod točke taljenja kako bi se omogućilo restrukturiranje zrna nakon čega slijedi kontrolirano hlađenje do unaprijed određene temperature.

Temperature do kojih se ugljični čelici zagrijavaju tijekom kaljenja mogu se odrediti iz faznog dijagrama željezo-ugljik. Za hipoeutektičke čelike (0,2…0,8% C) to je 30-50°C u odnosu na Ac3, a za hipereutektičke čelike (C > 0,8%) preko 30-50°C u odnosu na Ac1.

Namjera kaljenja je transformacija austenitne faze u martenzit, koji je izuzetno tvrda faza čelika. Da bi se to postiglo, materijal se izlaže rashladnom mediju i vrijeme hlađenja se smanjuje.

Pri zagrijavanju hipoeutektičkih čelika preko Ac1, a ne Ac3, nešto ferita će i dalje ostati u strukturi nakon kaljenja, što smanjuje tvrdoću. Za hipereutektičke čelike optimalno je zagrijati čelik na temperaturu između granica Ac1 i Acm faze i tako će sekundarni cementit ostati u strukturi uz martenzit. Pri prelasku preko Acm postoji rizik od stvaranja grubozrnate strukture nakon kaljenja što čelik čini vrlo krtim.

Općenito, proces kaljenja dovodi do povećane tvrdoće i smanjene duktilnosti materijala. No, krtost se također povećava i stoga je, kako bi se izbjegle neželjene nuspojave kao što su pucanje i izobličenje, odabir odgovarajuće brzine hlađenja bitan.

Postupci kaljenja i popuštanja često se koriste u slijedu kako bi se povratio dio izgubljene duktilnosti i smanjila tvrdoća na odgovarajuće razine. Kaljenje također smanjuje lomljivost.

Žarenje se također povremeno provodi kako bi se smanjila tvrdoća kaljenog čelika.

Kada se koristi kaljenje?

Kaljenje se koristi kada je potrebna povećana tvrdoća. Mnoge primjene kao što su građevinarstvo, rudarstvo, teški strojevi, vojska itd. zahtijevaju metale s tvrdom površinom. Onaj koji može odoljeti abraziji, ogrebotinama i udarcima. Povećana tvrdoća od kaljenja sposobna je pružiti ove kvalitete.

Kaljenje se može provesti za širok raspon materijala, ali čelik je metal koji se najčešće kali. Kaljeni čelik pokazuje izuzetnu tvrdoću.

Proces kaljenja

Proces kaljenja može se odvijati na jedan od dva načina: kaljenje raspršivanjem ili kaljenje u kupki.

U procesu kaljenja raspršivanjem, vruća površina metala se hladi djelovanjem sredstva za kaljenje raspršenog na metal. Ova metoda ima veću brzinu prijenosa topline od kaljenja u kupki.

Međutim, češći je postupak kaljenja u kupki. Kod kaljenja u kupelji, materijal koji se hladi stavlja se u kupelj s tekućinom ili plinom. Kako sredstvo za kaljenje okružuje materijal, on se brzo hladi.

Ali čak i ovo brzo hlađenje događa se različitim brzinama od trenutka kada kaljenje počne do njegovog završetka. Pogledajmo te različite faze u sljedećem odjeljku.

Faze kaljenja

Tijekom procesa kaljenja u kupki, materijal prolazi kroz tri različite faze hlađenja. Ove faze su:

Parna faza
Faza vrenja
Konvekcijski stupanj

Parna faza

Čim se materijal stavi u medij za gašenje, počinje faza pare. Budući da je temperatura vrućeg materijala iznad točke vrelišta medija za gašenje, medij se pretvara u paru i tako se oko materijala formira stabilan omotač od pare.

Pravilno miješanje sredstva za gašenje ubrzava proces hlađenja uzrokujući ulazak u fazu vrenja.

Faza vrenja

U fazi vrenja prestaje se formirati parni omotač. Rashladni medij dolazi u kontakt s metalnom površinom, ali budući da je metal još uvijek iznad vrelišta sredstva za gašenje, isparava i podiže se.

Okolna tekućina zauzima svoje mjesto i proces se nastavlja ponavljati. Među tri stupnja kaljenja, ovaj stupanj ima najveću brzinu prijenosa topline. Kada temperatura metala padne ispod temperature vrenja sredstva za kaljenje, proces kaljenja ulazi u treću fazu.

Konvekcijski stupanj

Treća faza je faza konvekcije. Rashladni medij više ne isparava na površini metala. Međutim, apsorbira toplinu iz metala i diže se. Okolna tekućina zauzima svoje mjesto i uspostavlja se proces konvekcije.

Ovaj stupanj ima najniže stope prijenosa topline. Ovo je također faza u kojoj dolazi do izobličenja materijala.

Medij za gašenje

Medij za kaljenje odnosi se na materijal koji apsorbira toplinu iz metala tijekom procesa kaljenja. Postoji mnogo medija za gašenje koje možemo izabrati. Svaki medij nudi svoje jedinstvene prednosti i ograničenja.

Odabrana vrsta medija za gašenje ovisi o čimbenicima kao što su željena brzina hlađenja, svojstva materijala, cijena, mogućnost ponovne upotrebe i utjecaj na okoliš.

Možemo birati između sljedećih medija za gašenje:

Zrak
Ulje
Svježa voda
salamura (slana voda)
polimeri

Zrak

Zrak nije previše popularan kada je u pitanju kaljenje, ali u nekim slučajevima se ipak koristi. Za hlađenje metalnog dijela potrebno je najdulje vrijeme od svih medija. Ovom metodom prisilni zrak struji preko metalne površine i apsorbira njezinu toplinu.

Prisilni zrak hladi se brže od mirnog zraka i može se osigurati putem izvora komprimiranog zraka ili različitim mehaničkim sredstvima poput ventilatora. Brzina hlađenja ovisi o tlaku zraka i izloženoj površini dijela.

Materijali kaljeni zrakom pružaju viši stupanj kontrole nad brzinom hlađenja i konačnom tvrdoćom. Također imaju bolja mehanička svojstva. Međutim, razine tvrdoće niže su u usporedbi s drugim medijima za kaljenje zbog nižih brzina hlađenja.

Ako se mirni zrak koristi za sporo hlađenje, proces je poznat kao normalizacija umjesto kaljenja.

Inertni plinovi također se koriste za gašenje. Gašenje dušikom je, na primjer, isplativa metoda jer se može proizvesti na licu mjesta.

Ulje

Kašenje u ulju daje bolju brzinu gašenja od zraka, ali manje od vode i slane vode. Ulje je zapaljivo, ali može spriječiti kvarove kao što su iskrivljenje i pucanje.

Ulja za gašenje vrlo su svestrana i podesiva ovisno o primjeni. Danas je najčešće ulje za gašenje mineralno ulje.

Svježa voda

Kod ove metode zagrijani metal se uranja u vodenu kupelj. Hlađenje se odvija brže od zraka kao i ulja. Voda je nezapaljiva što joj daje prednost u odnosu na ulje. Također je jeftina alternativa bez zagađenja.

Međutim, voda će iskriviti ili popucati metal ako se proces ne kontrolira dobro.

salamura (slana voda)

Slanica ili slana voda jedan je od najučinkovitijih medija za gašenje. Omogućuje veću brzinu gašenja od ulja, vode i zraka. To je zato što sprječava stvaranje zračnih kuglica i parnog omotača.

Soli mogu biti na bazi nitrata ili na bazi klora. Međutim, metal koji se brzo hladi u salamuri ili slanoj vodi čini ga podložnijim savijanju.

polimeri

Kaljenje polimerom se često koristi kada materijal ne reagira dobro na kaljenje u ulju. Omogućuje niže stope hlađenja od slatke ili slane vode, ali veće od zraka. Kaljenje polimera može se prilagoditi prekinutom kaljenju. To znači da se metal može ukloniti tijekom kaljenja kako bi se smanjile šanse za izobličenje bez opasnosti od požara.