🔥 Tepelné zpracování ocelí

Ohřev a ochlazení

O čem to je

Z jedné tyče oceli C45 můžeš udělat měkký polotovar, který se dobře obrábí, i tvrdý čep, který vydrží roky tření. Stačí ocel jinak ohřát a jinak ochladit. Ocel přitom nemění tvar ani chemické složení – mění se jen její vnitřní struktura.

Tomu se říká tepelné zpracování. Každé má tři části: ohřev na danou teplotu, výdrž na teplotě a ochlazení danou rychlostí.

Nové pojmy

Tepelné zpracováníŘízený ohřev, výdrž a ochlazení kovu, kterým se změní jeho struktura a tím vlastnosti. Tvar ani složení se nemění.Kalení ocelového nože.
AustenitStruktura oceli za vysoké teploty (v uhlíkových ocelích nad 727 °C). Rozpouští hodně uhlíku. Odtud se při ochlazení vytvoří různé struktury.Ocel ohřátá na 850 °C je austenitická.
Teploty A1 a A3Hranice z diagramu železo–uhlík. A1 = 727 °C, pod ní austenit není. A3 = teplota, nad kterou je ocel s méně než 0,77 % C celá austenitická (pro C45 asi 780 °C).Kalicí teplotu volíme podle A3.
Vnitřní pnutíNapětí, které zůstane v součásti po svařování, tváření nebo rychlém ochlazení, i když na ni nic nepůsobí. Může způsobit zkroucení nebo trhliny.Svařený rám se po obrobení zkroutí.

Žíhání: chceme ocel klidnou a měkkou

ŽíháníOhřev, výdrž a pomalé ochlazení (obvykle v peci). Cílem je odstranit pnutí, změkčit ocel nebo zjemnit zrno.Výkovek se před obráběním žíhá.
Druh žíháníTeplota (orientačně)K čemu
ke snížení pnutí550–650 °C (pod A1)odstraní pnutí po svařování a hrubování
na měkkokolem A1, asi 680–740 °Cnejměkčí stav, lepší obrobitelnost
normalizační30–50 °C nad A3, chladnutí na vzduchujemné, rovnoměrné zrno
rekrystalizačnípod A1, podle stupně tvářeníobnoví tvárnost po tváření za studena

Kalení: chceme ocel tvrdou

KaleníOhřev do oblasti austenitu (podeutektoidní ocel 30–50 °C nad A3), výdrž a rychlé ochlazení ve vodě, oleji nebo polymerní lázni. Vznikne martenzit.Kalení břitu sekáče do vody.
MartenzitVelmi tvrdá a křehká struktura. Vzniká, když se austenit ochladí tak rychle, že uhlík nestihne z mřížky uniknout.Kalená ložisková ocel má kolem 60 HRC.
Kritická rychlost ochlazováníNejmenší rychlost ochlazení, při které ještě vznikne martenzit. Legované oceli ji mají menší, proto je stačí kalit do oleje nebo i na vzduchu.Uhlíková ocel C45 se kalí do vody, 42CrMo4 do oleje.

Zakalit jde jen ocel s dostatkem uhlíku, zhruba od 0,3 % C. Ocel S235 (asi 0,2 % C) se prakticky nezakalí.

Popouštění: ubereme křehkost

PopouštěníOhřev zakalené oceli pod A1, výdrž a ochlazení. Sníží pnutí a křehkost, ale i tvrdost. Dělá se hned po kalení.Nástroj se popouští na 180 °C.
  • Nízkoteplotní popouštění (asi 150–250 °C): zůstane vysoká tvrdost, ubude pnutí. Nástroje, měřidla, ložiska.
  • Vysokoteplotní popouštění (asi 500–650 °C): ocel je pevná i houževnatá. Kalení + vysoké popouštění = zušlechťování. Hřídele, ojnice, šrouby vyšších pevností.
Ocel C45 (A3 ≈ 780 °C) chceš zakalit. Na jakou teplotu ji ohřeješ?
Podeutektoidní ocel kalíme 30–50 °C nad A3: 780 + 30 = 810 °C až 780 + 50 = 830 °C. Ohřeješ na asi 810–830 °C, vydržíš a ochladíš do vody. Přesnou teplotu vždy ber z materiálového listu oceli.
Hřídel z 42CrMo4 má být pevná, ale nesmí prasknout při rázu. Jaké zpracování zvolíš?
Potřebuje pevnost i houževnatost → zušlechtění: kalení do oleje a pak vysokoteplotní popouštění (asi 550–650 °C). Samotné kalení by ji udělalo křehkou.
✗Po kalení je součást hotová, popouštění není potřeba.
✓Po kalení se ocel vždy popouští, a to co nejdřív.

Martenzit je křehký a plný pnutí. Bez popouštění hrozí trhliny i samovolné prasknutí součásti.

Bezpečnost u kalírny

  • Pracuj v ohnivzdorném oděvu, s ochranným štítem nebo brýlemi a kalicími rukavicemi.
  • Díl ponořuj do oleje celý a rychle – olej může vzplanout. U lázně měj víko a hasicí přístroj.
  • Rozžhavený i „už vychladlý“ díl beri jen kleštěmi – ocel pod 500 °C nesvítí, ale popálí.
Tepelné zpracování = ohřev, výdrž, ochlazení. Žíhání (pomalu) změkčí a uklidní ocel, kalení (rychle) dá tvrdý martenzit, popouštění sníží křehkost. Kalení + vysoké popouštění = zušlechťování.

U kováře

O čem to je

Kovář vyková sekáč, nechá ho vychladnout a obrousí. Pak špičku rozžhaví do třešňově červené a ponoří do vody – zasyčí to. Sekáč je teď tvrdý, ale křehký. Kovář ho proto znovu opatrně ohřeje, až se na vyleštěném povrchu objeví slámová barva, a ochladí. Teď je tvrdý i odolný.

To jsou tři hlavní kroky tepelného zpracování: žíhání, kalení a popouštění. V dílně dnes místo barev použiješ pec s teploměrem, ale princip je stejný.

Nové pojmy

Teplota ohřevuNa kolik °C se součást ohřeje. Volí se podle druhu oceli a podle toho, čeho chceš dosáhnout.Kalení C45 asi na 820 °C.
VýdržDoba, po kterou se součást na teplotě nechá, aby se prohřála celá a struktura se přeměnila.Orientačně se počítá podle tloušťky stěny.
Rychlost ochlazováníJak rychle součást chladne. Od nejpomalejší: v peci → na vzduchu → v oleji → ve vodě.Ve vodě chladne ocel mnohem rychleji než v oleji.
AustenitStruktura oceli za vysoké teploty, kdy je v ní rozpuštěné hodně uhlíku. Z ní při ochlazení vznikají ostatní struktury.Rozžhavená ocel při kalicí teplotě.
Teploty A1 a A3A1 = 727 °C, pod ní v uhlíkové oceli austenit není. A3 = teplota, nad kterou je ocel s méně než 0,77 % C celá austenitická.Pro C45 je A3 asi 780 °C.
MartenzitTvrdá, křehká struktura oceli po rychlém ochlazení z austenitu.Tvrdý břit sekáče.
HouževnatostSchopnost materiálu snést ránu a nepraskout.Zušlechtěná hřídel vydrží rázy.

Tři operace v tabulce

OperaceOhřevOchlazeníVýsledek
žíhánípodle druhu žíhání (550–900 °C)pomalu (pec, vzduch)měkčí, bez pnutí, jemné zrno
kalení30–50 °C nad A3 (do oblasti austenitu)rychle (voda, olej)tvrdý a křehký martenzit
popouštěnípod A1 (150–650 °C)na vzduchuméně křehké, pnutí zmizí

A3 je teplota, nad kterou je ocel celá austenitická – tedy připravená ke kalení. Pro ocel C45 je to asi 780 °C.

Postup zušlechtění hřídele

Ohřej hřídel z C45 v peci na asi 820 °C.
Nech ji prohřát (výdrž).
Rychle ji ponoř do vody a pohybuj s ní, aby se kolem netvořila pára.
Hned potom ji vlož do popouštěcí pece na asi 550–600 °C.
Po výdrži ji nech vychladnout na vzduchu.
Zkontroluj tvrdost tvrdoměrem.
Proč se hřídel ve vodě pohybuje?
Kolem rozžhavené oceli se tvoří parní polštář. Ten zpomaluje ochlazení. Kde by se pára držela, ocel by se nezakalila a vznikla by měkká místa. Pohybem se polštář strhává.
Řezné nářadí: nízké, nebo vysoké popouštění?
Nůž, výstružník nebo měřidlo musí zůstat tvrdé, aby se neotupily. Proto nízkoteplotní popouštění (asi 150–250 °C). Vysoké popouštění by tvrdost snížilo příliš.
  • Žíhání na měkko – kolem A1, pomalé ochlazení → nejměkčí stav pro obrábění
  • Normalizační žíhání – 30–50 °C nad A3, chladnutí na vzduchu → jemné zrno
  • Žíhání ke snížení pnutí – 550–650 °C, pomalu → zmizí pnutí po svařování
  • Zušlechťování – kalení + popouštění 500–650 °C → pevnost i houževnatost
  • Povrchové kalení – rychlý ohřev jen povrchu (indukce, plamen) a ochlazení → tvrdý povrch, houževnaté jádro

Otáčej kartičky. Zkus vždy nejdřív sám říct teplotu a účel.

✗Čím rychleji ocel ochladím, tím lépe – vždycky dám vodu.
✓Prostředí volíš podle oceli. Uhlíkové oceli do vody, legované do oleje nebo na vzduch.

Příliš ostré ochlazení legované oceli vede k velkému pnutí, deformaci a trhlinám. Legovaná ocel se zakalí i při pomalejším ochlazení.

  • Bezpečnost: ochranný štít nebo brýle, ohnivzdorný oděv, kalicí rukavice, kleště. U olejové lázně hasicí přístroj a víko – olej může vzplanout.
Žíhání = pomalé ochlazení (měkčí, bez pnutí), kalení = rychlé ochlazení z austenitu (tvrdý martenzit), popouštění = ohřev pod A1 po kalení (méně křehké). Nízké popouštění pro nástroje, vysoké pro zušlechtěné součásti.