TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ

Tepelné zpracování je proces, používaný pro tepelnou změnu metalurgické (mikro) struktury oceli za účelem dosažení požadovaných vlastností. Tento proces zlepšuje provozní životnost upevňovacího dílu, neboť může zvyšovat pevnost, povrchovou tvrdost a teplotní odolnost. 

Ocel je udržována na teplotě těsně pod 721°C po dobu několika hodin a potom pomalu ochlazena. Struktura oceli se mění z tvrdého lamelárního perlitu na měkký globulární perlit, což je optimální stav pro tváření za studena.

Krátkodobým ohřevem oceli na 800° C – 920° C a následným pomalým ochlazením ocel s hrubou křehkou zrnitou strukturou, vzniklou například v důsledku válcování za tepla nebo kování za tepla zvláště u tlustých dílů získá zpět původní jemnozrnnou strukturu. Redukcí velikosti zrna provedenou tímto způsobem se zlepší mez průtažnosti a rázová pevnost aniž by došlo k podstatnému snížení pevnosti v tahu.

Během tváření za studena dochází k vytvoření vnitřních pnutí v materiálu, která zvyšují pevnost v tahu, ale snižují mez průtažnosti. Zahřátí ocelových upevňovacích dílů na teplotu 550°C – 650°C na dobu asi dvou hodin odstraní 90 % těchto vnitřních pnutí. Upevňovací díly musejí být chlazené pomalu v peci nebo na vzduchu. Pomalé chlazení je důležité pro zabránění vzniku rozdílů vnitřních teplot v oceli a následnému vytvoření vnitřních pnutí. Tento typ tepelného zpracování se používá pro upevňovací díly tvářené za studena třídy vlastností 4.6 a 5.6.

Když se ocel s obsahem uhlíku minimálně 0,3 % zahřeje na teplotu přes 800 °C, a pak rychle ochladí ve vodě, oleji nebo solné lázni, vytvoří se velmi tvrdá, ale křehká martensitová struktura.

Dosažená tvrdost závisí na obsahu uhlíku - čím více uhlíku, tím tvrdší ocel - a na procentu martensitu, který se při určité kritické rychlosti chlazení vytvoří v jádru materiálu. Proto je u šroubů malého průměru z nelegované oceli kritická rychlost chlazení dosažena až do jádra. Avšak u tlustších dílů nemůže být teplo z jádra přeneseno ven dostatečně rychle a je nutno přidat legující prvky, jako je bór, magnesium, chróm, nikl a molybden, které podporují prokalení snížením kritické chladící rychlosti.

 

Obecně, pokud je zvolený typ oceli s takovýmto prokalením, bude po ochlazení v jádru materiálu přítomno asi 90 % martensitu. Rychlost chlazení také ovlivňuje chladící médium. Upevňovací díly jsou obvykle kaleny v oleji, protože při použití vody, která je jinak účinnější, hrozí příliš velké riziko vzniku kalících prasklin a deformací.

 

Struktura martensitu

S narůstající tvrdostí však narůstají kalící pnutí a proto se také zvyšuje křehkost materiálu. Normálně musí co nejrychleji následovat druhé tepelné zpracování, nazývané temperování. Při teplotách do 200 °C křehkost klesá jen málo, tvrdost je sotva ovlivnitelná. Nad 200 °C (vysoké temperování), dochází k jednoznačnému snížení pnutí, tvrdost se snižuje a zlepšuje se houževnatost.

Jedná se o kombinované tepelné zpracování kalením okamžitě následovaným vysokým temperováním upevňovacích dílů při teplotách 340 °C – 650 °C. Je to nejdůležitější a nejběžnější tepelné zpracování upevňovacích dílů. Dosahuje se optimálního kompromisu mezi rozumnou úrovní tahového napětí a zvláště vysokou pevností na mezi průtažnosti / poměru pevnosti v tahu na jedné straně a na druhé straně dostatečné houževnatosti, která je nutná pro správnou funkci upevňovacích dílů, které musejí zvládat všechny druhy vnějších zatížení. Vyšší třídy vlastností 8.8, 10.9 a 12.9 musejí proto být vždy kalené a temperované.

Toto tepelné zpracování je postup nauhličení, který se provádí v plynu, emitujícím uhlík. Na povrchu zahřátého materiálu se vytvoří tenká uhlíkem obohacená vrstva, která vede ke zvýšení tvrdosti materiálu a jeho odolnosti proti opotřebení, zatímco jádro materiálu zůstane houževnaté. Toto tepelné zpracování se používá pro upevňovací díly, jako jsou samořezné šrouby, při válcování závitů, řezání závitů a pro šrouby do dřevotřískových desek. Podobným zpracováním je karbonitridace, používající plyn s obsahem uhlíku a dusíku, nitridace v solné lázni a nitridace v plynném dusíku.

Pro speciální aplikace se vytváří vrstva odolná proti opotřebení bez dodání plynu ve vysokofrekvenční cívce bez kontaktu s obrobkem. Po ohřevu se ocel rychle ochladí v oleji nebo vodě. Toto zpracování se často používá pro dosažení lepší lokální tvrdosti a odolnosti proti opotřebení na dílu nebo pro tepelné zpracování dlouhých dílů, jako jsou závitové tyče.

 

Vztahy mezi železem a uhlíkem, tepelným zpracováním, typy ocelí a mechanickými vlastnostmi jsou přehledně zobrazené na následujícím obrázku.