Tepelné zpracování
Tepelné zpracování (TZ) má velký vliv na materiál jako takový, na jeho strukturu a mechanické vlastnosti. Z těchto vlastností pak vycházejí vlastnosti vyrobených dílů / nástrojů.
Při tepelném zpracování je nutno pečlivě dodržovat stanovený technologický postup. Podstata tepelného zpracování spočívá v ohřátí oceli na stanovené teploty a následně jejich řízené ochlazování.
Mezi základní typy tepelného zpracování patří: Žíhání, Kalení, Popouštění.
Níže uvedené teploty a časy jsou orientační. Přesné hodnoty musí vycházet z konkrétního chemického složení tepelně zpracovávaného materiálu a jeho velikosti.
Žíhání
Cílem žíhání je snížení tvrdosti materiálu, nebo odstranění pnutí, které bylo vneseno předchozími operacemi např. obráběním, tvářením, nebo svařováním. Společným rysem u žíhání je dlouhá výdrž na žíhací teplotě a následné pomalé ochlazování.
Žíhání na odstranění pnutí
Cílem je, jak už název napovídá, snížení vnitřního pnutí, které je ve výrobku např. jakožto následek předchozího opracování (hrubování), nebo se používá k odstranění pnutí v odlitcích nebo k odstanění pnutí ve svarech. Často je používané jako žíhání mezioperační.
Díky relativně nízkým teplotám, nedochází u tohoto typu žíhání ke strukturním změnám. Výrobek se zahřeje na teplotu nižší než Ac1 (obvykle 600-650°C), výdrž okolo 1 hodiny a pak následuje ochlazování na vzduchu.
Žíhání na měkko
Cílem je zajistit u výrobku nizkou tvrdost a snadnou obrobitelnost. Provádí se tak, že se polotovary ohřejí na stanovenou teplotu (v závislosti na chem. složení se jedná o teploty v rozmezí 650-720°C), výdrž na této teplotě až 4 hodiny a pomalé ochlazování v peci rychlostí 10 až 20°C/h. Struktura po žíhání na měkko je výchozí strukturou pro konečné tepelné zpracování.
Žíhání normalizační
Používá se u výkovků či odlitků, protože tyto mají obvykle nehomogenní strukturu a velká zrna. Takováto struktura má negativní vliv na vlastnosti oceli.
Cílem normalizačního žíhání je tedy získání jemnozrnné, homogenní struktury s rovnoměrně rozloženými karbidy.
Toto žíhání se provádí tak, že je ocel zahřáta na teplotu 30°C nad Ac3 (v závislosti na chem. Složení tzn. na 800°C-920°C), výdrž cca 1h a následné ochlazení na vzduchu.
Žíhání homogenizační
Používá nejvyšší teploty ze všech žíhacích procesů. Smyslem tohoto žíhání je srovnání rozdílů chemického složení, které vznikly při odlévání. Homogenizační žíhání se skládá z ohřevu na teplotu 1000-1200°C, výdrže a následným ochlazením na vzduchu.
Kalení
Cílem je dosažení změny struktury ( vznik martenzitu resp.bainitu) a dosažení nerovnovážného stavu materiálu. Kalení ovlivňuje vlastnosti materiálu, kdy tvrdost stoupne, naproti tomu klesne houževnatost.
Spočívá v ohřevu na austenitizační teplotu tj. o 30°C nad teplotu Ac1 nebo Ac3 (v závislosti na chem. složení tj. na 800°C-920°C). Tato teplota musí být tak vysoká, aby došlo k rozpuštění karbidů a došlo k obohacení austenitu uhlíkem.
Po zahřátí a výdrži na teplotě, dochází k prudkému ochlazení tzv. ochlazení nadkritickou rycholostí. Ochlazení musí být tak rychlé, aby byl austenit přeměněn v martenzit.
Jako kalící média jsou používána voda, olej, solné lázně nebo vzduch (vše závisí na chemickém složení a rozměrech oceli). Správně zakalená ocel musí mít ve středu svého průřezu minimálně 50% martenzitu.
Popouštění
Popouštění je tepelný proces, který musí vždy následovat bezprostředně po předchozím kalení. Po kalení je materiál z pohledu své struktury nestabilní, má vysoký obsah martenzitu a vnitřního pnutí. Proto je materiál málo houževnatý a křehký.
Popouštěním dosáhneme modifikace martenzitické struktury a dosáhneme požadované houževnatosti a tvrdosti materiálu. Popouštěcí teplota se volí podle toho, jakých vlastností chceme dosáhnout s cílem nalézt kompromis mezi tvrdostí a houževnatostí.
Vždy je tato teplota nižší než Ac1, výdrž na této teplotě a následné ochlazení ve vhodném prostředí. Výdrž na teplotě musí být tak dlouhá, aby došlo k rovnoměrnému prohřátí v celém průřezu materiálu. Čím vyšší teplotu popouštění zvolíme, tím ve výsledku dosáhneme nižší tvrdost a vyšší houževnatost materiálu.
Obecně jsou používány dvě škály popouštěcích teplot: pro nízkoteplotní popouštění se jedná o teplotu 150-300°C, ta je používána pro nástroje pro práci za studena. Vysokoteplotní popouštění využívá teplotu 350-700°C, ta je používána pro popouštění oceli, které musí odolávat vysokým zatížením a nebo pro materiály určené pro práci za tepla.
Více násobným popouštěním se dosahuje lepšího rozpadu zbytkového austenitu, proto Legované oceli se zpravidlam popouštějí dvakrát, rychlořezné nástroje třikrát i více.
Popouštěním ocelí při nízkých teplotách vznikají na povrchu oceli vrstvy oxidů, které se zbarvují vlivem interference světla na různé barvy (od žluté, po modrou).
Chemicko tepelné zpracování
Chemicko-tepelné zpracování je modifikace chemického složení povrchu a podpovrchové vrstvy materiálu. Cílem je dosáhnout vysoké povrchové tvrdosti a odolnosti proti opotřebení při zachování houževnatého jádra vyráběného dílu.
Chemicko tepelné zpracování se dělí podle toho, jaké chemické prvky jsou k úpravě povrchu materiálu použity.
V podstatě se jedná o prvky, které jsou schopny pronikat do povrchové krystalické struktury. Jedná se zejména o: Uhlík (Cementace), Dusík (Nitridace), Nitrocementace (kombinace uhlíku a dusíku), Boridování (Bor), Chromování (Chrom) a další.
Nejčastěji je využívána Cementace a Nitridace.
Cementace
Je jednou z nejvíce používaných metod. Při této metodě dochází k difuznímu sycení povrchu oceli uhlíkem při teplotách nad Ac3 tj. při teplotách okolo 920°C.
Toto sycení může probíhat v plynném, kapalném nebo pevném prostředí. Cementovaná vrstva má vysokou tvrdost, která dosahuje hodnot až 800 HV, zvýšenou odolnost proti opotřebení. Hloubka difuzního nasycení se pohybuje v rozmezí 0,5-1,5mm. Koncentrace uhlíku v cementované vrstvě bývá od 0,7 do 1,1%.
Cementovány bývají zejména konstrukční a uhlíkové oceli. Ocel by měla mít vysokou houževnatost jádra. Nejčastěji bývají cementovány díly jako jsou ozubená kola, hřídele, čepy atd. Po cementování je potřeba provést tepelné zpracování (kalení a popouštění při nízkých teplotách).
Nitridace
Jedná se o sycení povrchu oceli dusíkem, který vytváří v povrchové vrstvě nitridy, které jsou velmi tvrdé. Proces nitridace probíhá při teplotách okolo 500°C po dobu až 60 hodin.
Díky vzniklým jemným nitridům, nitridovaná vrstva dosahuje tvrdosti až 1200HV, je vysoce odolná proti opotřebení, únavovému namáhání a částečně je zvýšena i korozivzdornost. Hloubka nitridované vrstvy dosahuje 0,2-0,6mm.
Nitridace je obvykle používána u ušlechtilých ocelí s obsahem uhlíku 0,3-0,4%. Nitridace může probíhat v plynném či kapalném prostředí. Nitridovaná vrstva obsahuje až 12% dusíku.
Hlavní výhodou nitridace oproti cementaci je, že nitridovaný povrch neztrácí svou tvrdost ani při vyšších teplotách. Mezi nejmodernější metody patří iontová, neboli plazmová nitridace.