Základnou fázou tepelného spracovania kovov je kalenie. Zahŕňa rýchle ochladenie kovového predmetu s cieľom získať alebo zmeniť vlastnosti, ako je tvrdosť, pevnosť alebo húževnatosť.

Rýchle chladenie skracuje čas vystavenia kovu vysokým teplotám a chráni ho pred chybami. Okrem toho môže kov podliehať zmenám v závislosti od spôsobu aplikácie a médií.

Vzduch, olej, voda a soľanka sú niektoré typické kaliace činidlá.

Na kalenie sa vo veľkej miere používa olej, pretože rýchlo odovzdáva teplo bez výraznej deformácie kovu. Aj keď sú žieravé kaliace prostriedky na báze vody rýchlejšie, sila, s akou pôsobia, môže spôsobiť rozbitie alebo deformáciu niektorých materiálov.

Rozdiel medzi olejom a vodou je hlavným bodom, o ktorom sa v článku diskutuje.

Čo je proces kalenia?

Kalenie je proces rýchleho ochladzovania, ktorého výsledkom je spevnenie materiálov. Rýchlosť kalenia závisí od príslušnej triedy materiálu, použitia a zloženia legujúcich zložiek. Okrem toho ju ovplyvňujú aj viaceré vlastnosti kaliaceho média.

Teoreticky sa pred kalením kovový alebo sklenený materiál zahreje nad svoju štandardnú teplotu. Potom sa dá do rýchleho chladenia, aby sa teplo okamžite odstránilo. Pomáha to upraviť tie vlastnosti v kryštalickej štruktúre materiálu, ktoré sa stratili počas zahrievania.

Ak chceme, aby bol kov alebo sklo ako predmet tvrdšie a tuhšie, často ich kalíme. Teplota kalenia predmetu by mala byť vždy vyššia ako teplota rekryštalizácie, ale nižšia ako teplota topenia.

Fázy procesu kalenia

Dvaja ľudia pracujúci okolo bazéna na tavenie ocele

Keď sa horúci kus priblíži ku kvapalnému kaliacemu prostriedku, zvyčajne existujú tri fázy kalenia. Tieto fázy definujú zmenu vlastností kaliaceho prostriedku a materiálu:

• Fáza výparov
• Fáza jadrového varu
• Konvekčná fáza

Teraz ich podrobne preskúmame.

Fáza výparov

Fáza odparovania nastáva, keď horúci povrch súčiastky prichádza do prvého kontaktu s kvapalným kaliacim prostriedkom. Výsledkom je vytvorenie parného štítu okolo prvku. Počas fázy odparovania do určitej miery dochádza k vedeniu.

Hlavným spôsobom prenosu tepla v tejto fáze je však vyžarovanie cez parnú prikrývku. Vytvorená prikrývka je relatívne stabilná.

Jediný spôsob, ako urýchliť jeho odstránenie, je miešanie alebo pridanie rôznych prísad. Okrem toho je vhodnejšie, aby táto fáza bola čo najkratšia.

Dôvodom je, že významne prispieva k mäkkým oblastiam, ktoré vznikajú počas kalenia. Preto sa môžu vyvinúť nežiaduce mikrosúčiastky, ak sa nechá pokračovať.

Fáza jadrového varu

Je to druhá fáza po fáze pary. Začína sa, keď kvapalina bližšie k povrchu materiálu začne vrieť a fáza pary sa začne rúcať. Je to najrýchlejšia fáza chladenia danej súčiastky.

Vďaka prenosu tepla z ohrievaného povrchu a následnej absorpcii do kvapalného kaliaceho prostriedku je možné dosiahnuť značnú mieru odvodu tepla. To umožňuje, aby ochladená kvapalina zaujala svoje miesto na povrchu.

Niektoré hasiace prostriedky obsahujú prísady na zvýšenie maximálnej rýchlosti chladenia kvapaliny. Var sa skončí vždy, keď povrchová teplota súčiastky klesne pod bod varu kvapaliny.

V prípade komponentov náchylných na deformácie poskytujú dobré výsledky médiá, ako sú vysokoteplotné oleje a soli. V opačnom prípade by sa materiály mohli stať krehkými a rýchlo sa poškodiť počas požadovaných aplikácií.

Konvektívna fáza

Konvekcia je poslednou fázou procesu. Nastáva, keď materiál dosiahne teplotu nižšiu ako je bod varu kaliaceho činidla. Fáza konvekcie zahŕňa prenos tepla cez objemovú kvapalinu a jej východiskom je vedenie.

Je to najpomalšia fáza, pretože prenos tepla trvá dlho, kým sa dostane ku všetkým molekulám v hmote. Riadenie odvodu tepla konvekciou zahŕňa mnoho premenných vrátane merného tepla kaliaceho prostriedku a jeho tepelnej vodivosti.

Teplotný rozdiel medzi kaliacim prostriedkom a materiálom môže ovplyvniť proces konvekcie. Zvyčajne sa väčšina deformácií deje v tomto bode.

Uvedené tri kroky kalenia prebiehajú v určitom poradí na konkrétnom mieste. Napriek tomu sa v závislosti od geometrie dielu a miešania v rôznych oblastiach začnú jednotlivé fázy v rôznom čase.

Tri fázy procesu kalenia

Hasiace médiá

K ochladzovaniu dochádza prostredníctvom akéhokoľvek média a v nasledujúcom zozname sú uvedené 4 rôzne médiá. Každé má svoje výhody a nevýhody v závislosti od jeho vlastností, kontaktných prvkov, času, zákonov prenosu tepla a vzťahov.

1. Vzduch: Využitie bežnej teploty okolia na ochladenie ohrievaného materiálu
2. Solanka: Roztok soli a vody je najrýchlejšie chladiace médium pri ochladzovaní.
3. Olej: Spoľahlivá a rýchlejšia alternatíva chladenia vzduchom.
4. Voda: Pri hasení kvapalín je rýchlejší ako vzduch alebo olej.

Aj keď literatúra obsahuje rozsiahle informácie o uvedených médiách, pozrime sa na dve hlavné, olej a vodu.

Hasenie vodou

Voda má vlastnosť ochladzovať materiál rýchlejšie ako olej a vzduch. Chladenie vodou je teda rýchly proces.

• Postup chladenia soľankou má pri chladení podstatne tvrdšiu reakciu ako ktorýkoľvek iný postup, pričom najúčinnejšou metódou je použitie vody.
• Pred týmto procesom musí mať voda izbovú alebo požadovanú teplotu. Keď sa potom zohriaty materiál vloží do chladiacej vody, zmení svoje fázy podľa jednotlivých fáz.
• Výsledky sa pri kalení vodou dostavia rýchlejšie. Ďalšou výhodou je, že ide o rýchlu metódu chladenia. Preto je finančne aj časovo najmenej nákladná. Rýchly výsledok však, samozrejme, prináša aj značné nevýhody.
• Nevýhodou tejto rýchlej alebo okamžitej rýchlosti sú tuhé, krehké a ľahko rozbitné konečné výrobky. Kalený materiál môže byť označený ako materiál so zdravou alebo zlou kvalitou.
• Kalenie vodou je v prípade kalenia ocele reálnou možnosťou. Dôvodom je, že oceľ má jedinečný spôsob ochladzovania, ktorý možno dosiahnuť prostredníctvom vody. Karbonizovaná oceľ sa zahreje nad teplotu rekryštalizácie.
• Okamžitým ochladením ocele sa kalením vodou zabráni roztaveniu ocele v tejto fáze, keď by sa inak roztavila, ak by sa nezastavilo. Preto je kalenie vodou pre oceľ vhodnejšie ako ostatné médiá.

Hasenie olejom

Jednou z najobľúbenejších techník kalenia v oblasti kalenia kovov je kalenie v oleji. Optimálna metóda kalenia kovových zliatin im dodáva potrebnú tvrdosť a silu bez toho, aby počas procesu došlo k ich stuhnutiu a krehkosti.

Kalenie olejom má niekoľko výhod, ale hlavnou je, že sa zahrieva pomalšie ako iné kaliace médiá a chladí sa dlhšie, čo poskytuje zahriatemu materiálu väčšiu stabilitu a čas na vytvrdnutie.

Okrem toho zaručuje, že kalený materiál nebude príliš krehký a bude dokonale držať. Preto je výhodnejší ako metódy s vodou, vzduchom alebo soľným roztokom, pretože znižuje možnosť deformácie alebo praskania kaleného kovového telesa.

Kalenie je proces rýchleho chladenia

Rozdiel medzi kalením vodou a olejom

Voda a olej sú dva rôzne typy médií. Obe sa v niektorých aspektoch odlišujú a pri kalení sa správajú rozdielne. V nasledujúcej tabuľke je zhrnutý prehľad rozdielov medzi týmito dvoma médiami.

Hasenie vodou vs. hasenie olejom

Záver

• Rýchly postup chladenia nazývaný kalenie spôsobuje tvrdnutie materiálov. Triedy, použitie a zloženie legujúcich zložiek ocele ovplyvňujú rýchlosť kalenia.
• Rýchlosť, akou sa látka ochladzuje, závisí aj od vlastností kaliaceho média. V tomto článku boli zdôraznené olejové a vodné médiá. Obe sú jedinečné podľa rôznych aplikácií.
• Olej je vhodný na kalenie, pretože rýchlo odovzdáva teplo bez toho, aby sa kov zmenil. Hoci sú žieravé kaliace prostriedky na báze vody rýchlejšie, sila, s akou pôsobia, má potenciál zlomiť alebo deformovať niektoré materiály.