Základní fází tepelného zpracování kovů je kalení. Zahrnuje rychlé ochlazení kovového předmětu za účelem získání nebo změny vlastností, jako je tvrdost, pevnost nebo houževnatost.

Rychlé ochlazení zkracuje dobu vystavení kovu vysokým teplotám a chrání jej před vadami. Kov navíc může projít změnami v závislosti na způsobu aplikace a médiu.

Mezi typická kalicí činidla patří vzduch, olej, voda a solanka.

Olej je pro kalení široce používán, protože rychle předává teplo, aniž by výrazně deformoval kov. I když jsou žíraviny na bázi vody rychlejší, síla, s jakou působí, může způsobit roztříštění nebo deformaci některých materiálů.

Rozdíl mezi olejem a vodou je hlavním bodem, o kterém bude v článku pojednáno.

Co je proces kalení?

Kalení je proces rychlého ochlazení, jehož výsledkem je zpevnění materiálů. Rychlost kalení závisí na příslušné třídě materiálu, použití a složení legujících složek. Kromě toho ji ovlivňuje také několik vlastností kalicího média.

Teoreticky se před kalením kovový nebo skleněný materiál zahřeje nad svou standardní teplotu. Poté se uvede do rychlého ochlazení, aby se teplo okamžitě odvedlo. To pomáhá upravit ty vlastnosti v krystalické struktuře materiálu, které se ztratily během zahřívání.

Aby byl kov nebo sklo jako předmět tvrdší a tužší, často je kalíme. Teplota kalení předmětu by měla být vždy vyšší než teplota rekrystalizace, ale nižší než teplota tání.

Fáze procesu kalení

Dva lidé pracující kolem bazénu na tavení oceli

Když se horký kus přiblíží ke kapalnému kalicímu prostředku, dochází obvykle ke třem fázím kalení. Tyto fáze určují změnu vlastností kalicího prostředku a materiálu. Tyto tři fáze jsou následující:

• Fáze výparů
• Fáze varu jádra
• Konvekční fáze

Nyní si je podrobně projděme.

Fáze výparů

Fáze odpařování přichází na řadu, když horký povrch součásti přichází do prvního kontaktu s kapalným kalivem. Výsledkem je vytvoření parního štítu kolem prvku. Během fáze odpařování dochází do určité míry k vedení.

Hlavní metodou přenosu tepla v této fázi je však sálání přes parní přikrývku. Vytvořená přikrývka je relativně stabilní.

Jediným způsobem, jak urychlit jeho odstranění, je míchání nebo přidání různých přísad. Navíc je vhodné, aby tato fáze byla co nejkratší.

Důvodem je to, že významně přispívá k měkkým oblastem, které vznikají během kalení. Proto může dojít ke vzniku nežádoucích mikrosložek, pokud je necháme pokračovat.

Fáze varu jádra

Jedná se o druhou fázi po fázi parní. Začíná, když se kapalina blíže k povrchu materiálu začne vařit a fáze parní se začne hroutit. Je to nejrychlejší fáze ochlazování dané součásti.

Díky přenosu tepla z ohřátého povrchu a následné absorpci do kapalného kalicího prostředku je možné dosáhnout značné míry odběru tepla. To umožňuje, aby ochlazená kapalina zaujala své místo na povrchu.

Některé kalicí prostředky obsahují aditiva, která zvyšují maximální rychlost chlazení kapaliny. Var končí vždy, když povrchová teplota součásti klesne pod bod varu kapaliny.

U součástí náchylných k deformaci poskytují dobré výsledky média, jako jsou vysokoteplotní oleje a soli. V opačném případě by se materiály mohly stát křehkými a rychle se poškodit během požadovaných aplikací.

Konvektivní fáze

Konvekce je závěrečnou fází procesu. Dochází k ní, když materiál dosáhne teploty nižší, než je bod varu kalicí látky. Fáze konvekce zahrnuje přenos tepla objemovou kapalinou a jejím výchozím bodem je vedení.

Jedná se o nejpomalejší fázi, protože přenos tepla trvá dlouho, než se dostane ke všem molekulám v objemu. Řízení odvodu tepla konvekcí zahrnuje mnoho proměnných, včetně měrného tepla kalicí látky a její tepelné vodivosti.

Teplotní rozdíl mezi kalicí látkou a materiálem může ovlivnit proces konvekce. Obvykle v tomto bodě dochází k většině deformací.

Výše uvedené tři fáze kalení probíhají v určitém pořadí na určitém místě. Nicméně v závislosti na geometrii dílu a míchání se v různých oblastech zahajují různé fáze v různou dobu.

Tři fáze procesu kalení

Hašená média

K ochlazování dochází prostřednictvím jakéhokoli média a níže je uveden seznam 4 různých médií. Každé z nich má své výhody a nevýhody v závislosti na svých vlastnostech, kontaktních prvcích, čase, zákonech přenosu tepla a vztazích.

1. Vzduch: Využití běžné okolní teploty k ochlazení zahřívaného materiálu.
2. Solný roztok: Roztok soli a vody je nejrychlejším chladicím médiem při ochlazování.
3. Olej: Spolehlivá a rychlejší alternativa k hašení vzduchem.
4. Voda: Rychlejší než vzduch nebo olej při hašení kapalin.

Přestože literatura obsahuje rozsáhlé informace o výše uvedených médiích, prozkoumejme dvě hlavní, olej a vodu.

Hašení vodou

Voda má tu vlastnost, že ochlazuje materiál rychleji než olej a vzduch. Chlazení vodou je tedy rychlý proces.

• Chlazení solankou má při chlazení výrazně tvrdší reakci než jiné postupy, nejúčinnější je použití vody.
• Před tímto procesem musí mít voda pokojovou nebo požadovanou teplotu. Poté, když se zahřátý materiál vloží do chladicí vody, změní se jeho fáze podle jednotlivých fází.
• Výsledky se při kalení vodou dostaví rychleji. Další výhodou je, že se jedná o rychlou metodu chlazení. Proto je finančně i časově nejméně nákladná. Rychlý výsledek má však samozřejmě i značné nevýhody.
• Nevýhodou této rychlé nebo okamžité rychlosti jsou tuhé, křehké a snadno lámavé konečné výrobky. Kalený materiál může být označen jako materiál se solidní nebo špatnou kvalitou.
• Kalení vodou je v případě kalení oceli schůdnou možností. Důvodem je, že ocel má jedinečný způsob ochlazování, kterého lze dosáhnout pomocí vody. Karbonizovaná ocel se zahřeje nad teplotu rekrystalizace.
• Okamžitým ochlazením oceli zabraňuje kalení vodou jejímu tavení v této fázi, kdy by se jinak roztavila, pokud by nebylo zastaveno. Proto je kalení vodou pro ocel vhodnější než ostatní média.

Hašení olejem

Jednou z nejoblíbenějších technik kalení v oblasti kalení kovů je kalení v oleji. Tato optimální metoda kalení kovových slitin jim dodává potřebnou tvrdost a sílu, aniž by během procesu docházelo k jejich ztuhnutí a křehnutí.

Kalení olejem má několik výhod, ale hlavní z nich je, že se zahřívá pomaleji než jiná kalicí média a chladne delší dobu, což poskytuje zahřátému materiálu větší stabilitu a dobu tvrdnutí.

Kromě toho zaručuje, že kalený materiál nebude příliš křehký a bude dokonale držet. Proto je vhodnější než metody s vodou, vzduchem nebo solankou, protože snižuje možnost deformace nebo praskání kaleného kovového těla.

Kalení je proces rychlého ochlazení

Rozdíl mezi kalením vodou a olejem

Voda a olej jsou dva různé typy médií. Obě se v některých ohledech liší a při hašení se chovají odlišně. Následující tabulka shrnuje přehled rozdílů mezi oběma médii.

Hašení vodou vs. hašení olejem

Závěr

• Rychlé ochlazení zvané kalení způsobí zpevnění materiálů. Na rychlost kalení mají vliv třídy, použití a složení legujících složek oceli.
• Rychlost, s jakou se látka ochlazuje, závisí také na vlastnostech kalicího média. V tomto článku bylo zdůrazněno olejové a vodní médium. Obě jsou jedinečná podle různých aplikací.
• Olej je pro kalení vhodný, protože rychle předává teplo, aniž by se kov změnil. Žíravé kalicí prostředky na bázi vody jsou sice rychlejší, ale síla, s jakou působí, může některé materiály lámat nebo deformovat.