obrPři všech tepelných zpracováních vzniká celá řada situací, které ohrožují nejen zdraví obsluhy a životní prostředí, ale i samotnou kvalitu výrobků. Velká část těchto situací se vyskytuje u kalících procesů, čímž vznikají rizika výroby nekvalitních výrobků.


A protože kalení jak bainitické, tak martenzitické, je jednou z posledních, a ne právě levných technologických výrobních operací, které podstatnou měrou vytvářejí užitné vlastnosti výrobků, je nutné na tato rizika upozornit, aby se jejich výskyt včas eliminoval nebo alespoň podstatně snížil.
Již před samotným kalícím procesem je snaha vytvořit co nejvhodnější strukturu. Tou je struktura s co nejjemnějšími zrny globulárního typu, z nichž pak vzniknou i jemná zrna austenitu a následně i martenzitu nebo bainitu. Tuto strukturu zajišťuje normalizační žíhání s následným žíháním naměkko. Před kalením pásových ocelí se osvědčila kvůli zkrácení doby plné austenitizace, a tím i snížení velikosti zrna deformace, 10-ti procentní úběr zastudena.

* * * * *
Největší rizika při izotermickém (bainitickém) kalení vznikají v průběžných způsobech výroby.
* * * * *

Při nedosažení potřebné teploty austenitizace nebo doby výdrže se nedosáhne dokonalé homogenizace austenitu a vzniká riziko, že kromě martenzitu bude zakalená struktura obsahovat ferit a ve zvýšené míře i zbytkový austenit. To vše se projeví nejen sníženou tvrdostí, ale i vyšším vnitřním pnutím ve výrobku. Při překročení optimální teploty a doby výdrže zase vzniká riziko vzniku velkých austenitických, a tím i martenzitických zrn, které zvýší křehkost oceli po zakalení.
Největší rizika při izotermickém (bainitickém) kalení, které se provádí do roztavených solí, případně slitin nízko tavitelných kovů, vznikají u průběžných způsobů výroby. Nejčastější příčinou je nedodržení potřebné doby transformace. Proto je nutné mít k dispozici IRA diagram dané kalené oceli, případně si ještě v předstihu potřebnou dobu výdrže ověřit praktickou zkouškou. Současně je nutné si předem ověřit, jestli mezi kaleným materiálem a lázní nemůže vzniknout chemická reakce. Protože doby výdrží jsou dány v tomto případě rychlostí průchodu výrobku v peci, musí se tato rychlost odvíjet od součtu doby potřebné pro náběh na teplotu austenitizace, na samotnou dobu potřebnou pro plnou austenitizaci, i na dobu potřebnou na transformace na bainitickou strukturu. Jelikož tato rychlost ovlivňuje kromě užitných vlastností výrobku i jeho ekonomičnost, je snahou tuto rychlost zvyšovat. Přehnanou rychlostí ale na druhé straně vzniká riziko vnesení velkého vnitřního pnutí, zejména u hmotnějších a složitějších výrobků.
Při vytváření co nejvíce přesycených tuhých roztoků, nutných pro vznik martenzitu nebo precipitaci, je rovněž nutné, aby se jednofázový tuhý roztok po ohřevu ochladil co největší rychlostí na teplotu okolí. Tyto požadavky na vysokou rychlost ochlazování vytvářejí často velké problémy, kdy na rozdíl od ohřevu vnějším tepelným zdrojem nelze rychlost ochlazování zvýšit více, než umožňují objektivní podmínky. Ty jsou dány stejně jako u ohřevu vodivostí daného materiálu, která je pro daný materiál závislá na chemickém složení a hmotností. Rychlost ochlazování pak může ovlivnit jen ochlazovací prostředí, ale ne neomezeně. Nejvyšší rychlost ochlazování mají kapaliny a z nich nejvíce studená voda, případně s přídavkem kyseliny.

Nedostatečné odstraňování parního polštáře
Riziko nedostatečného nebo nerovnoměrného kalení vzniká i při nedostatečném odstraňování parního polštáře vznikajícího na povrchu žhavého materiálu při ponoření do kapalné kalící lázně, který výrazně zpomaluje a narušuje rovnoměrnost rychlosti ochlazování. To se u individuálního kalení kusových výrobků řeší ponejvíce pohybem ochlazovaného předmětu v lázni, u průběžně ochlazovaných výrobků pak nuceným prouděním ochlazovací lázně.
Stejně jako riziko vzniku parního polštáře vzniká při kalení riziko změny ochlazovací rychlosti nedostatečnou viskozitou ochlazovací lázně v důsledku chemických změn probíhajících mezi rozžhaveným kovovým materiálem a lázní (spalování kalícího oleje), i v důsledku postupného zvyšování teploty lázně. Riziku změny ochlazovací schopnosti se předchází filtrací cirkulací a nuceným chlazením lázně v zařízení umístěném vně kalící vany. Při ochlazování pod bod mrazu, které následuje po kalení a je označované jako zmrazování, se dosahuje v zakalené struktuře většího množství martenzitu přeměnou většího množství zbytkového austenitu, což zvyšuje výslednou tvrdost materiálu.
Zde vzniká riziko porušení celistvosti kaleného výrobku v důsledku vzniku vysokých vnitřních pnutí, zejména pak tehdy, je-li ochlazovaný předmět tvarově složitější. Není proto vhodné zmrazovat na nižší teploty, než je teplota Mf, protože dalším snižování teploty se už nezíská nic kromě nežádoucího zvýšených vnitřních pnutí. Po zmrazování je nutné ihned zvýšit teplotu alespoň na teplotu okolí.
Teploty Ms a Mf v závislosti na obsahu uhlíku jsou znázorněny na obr. 1.

obr1
Obr. 1: Vliv uhlíku na Ms a Mf

 

Velké riziko nastává při nadměrně vysokých rychlostech ochlazování, které způsobují velké rozdíly v teplotách mezi různě vzdálenými vrstvami, případně mezi různými tloušťkami výrobku.
Specifickým případem kalení je kalení čepelí sečných zbraní, zejména dlouhých, které je vždy nejdůležitější fází výroby nejrůznějších mečů, šavlí, nožů a dalších chladných zbraní. Nesprávný ohřev čepele, špatná teplota kalící lázně či nesprávné pohybování čepelí v ní zapříčiňují nejrůznější vady, jako jsou příčné i podélné praskliny ostří čepelí, které se vyskytují spolu s podélnou deformací tvaru čepelí v důsledku rozdílných tlouštěk hřbetu čepele od jeho ostří. Toto ale může souviset i s překročením optimální kalící teploty, kterou je v těchto případech nutno dodržovat mimořádně důsledně. U mnohonásobně plátovaných čepelí pak může docházet k příčnému prohnutí čepele i při dodržení všech ostatních podmínek ohřevu a ochlazování.

Rizika přechodu materiálu z pece do kalící lázně
Jedním z největších technologických rizik vyskytujících se v provozních podmínkách při kalení ocelí je doba od okamžiku opuštění materiálu z pece do okamžiku vstupu do kalícího prostředí. Tato doba musí být co nejkratší, aby i povrch výrobku měl v okamžiku styku s ochlazovacím prostředím dokonalou austenitickou strukturu. Tyto podmínky se dají dokonale zajistit v některých příznivých případech, kdy ohřev i ochlazování jsou v jedné, obvykle vertikální, ose (např. v induktoru), kdy po ohřátí výrobek „spadne“ z induktoru ihned do kalícího prostředí. To samé platí i u povrchového kalení, kde se po prudkém ohřevu povrchu výrobku provádí ihned ochlazování, většinou vodní sprchou.

Kalení do tekutého prostředí
Rovněž při kalení pásů mezi dvěma vodou chlazenými horizontálně uloženými kovovými kalícími deskami (kameny), které je možno umístit těsně k výstupu z pece, je přímý přechod pásu z výstupu z pece do ochlazovací zóny bezproblémový.
Daleko složitější je kalení do tekutého prostředí. Nestačí totiž zajistit jen ohřev v peci na předepsanou kalící teplotu a přitom nezajistit, aby tato kalící teplota byla zachována až do okamžiku ponoru do tekuté lázně. Je třeba si uvědomit, že rozhodující pro vznik požadované struktury není teplota pece, ale teplota povrchu materiálu v okamžiku ponoru do tekuté ochlazovací lázně.

* * * * *
„Nejsprávnějším řešením je umístění vany co nejblíže k výstupu součástky z pece a její okamžitý ponor do ochlazovací lázně.“
* * * * *

Spoléhá se většinou na setrvačnost teploty ohřáté hmoty, což platí jen u hmotnějších výrobků. V případě legovaných ocelí je možné se spoléhat na inkubační dobu přenosu bainitické oblasti. V případě, že se po ohřevu kusové předměty z pece přenášejí do kalící vany, záleží na její vzdálenosti od pece, a tím na čase, který je k tomu potřeba. Nejsprávnějším řešením je umístění vany co nejblíže k výstupu součástky z pece a její okamžitý ponor do ochlazovací lázně podobně jako u výše uvedeného příkladu s induktorem.
Každé jiné řešení musí mít zpětný účinek na výstupní teplotu materiálu při vyjímání z pece, kterou je nutno zvýšit o hodnotu, kterou povrch výrobku ztratí přenosem z pece do ochlazovací lázně.
Tento požadavek se ale obtížně zajišťuje při kalení a popouštění v často používaných horizontálních průběžných pecích, u nichž je rychlost pásu konstantní, jako je tomu například u kalení kusových výrobků uložených na nosném pásu, kdy je ale možnost zkrácení doby z výstupu z pece řešit padáním kusů do připravené lázně.
Daleko obtížnější je toto ale zajišťovat u kalených pásových ocelí, zejména uhlíkových, které mají minimální inkubační doby bainitického nosu a značný poměr šířky k tloušťce pásu.
Doba od opuštění kalící pece do okamžiku vstupu pásu do kalící lázně se pak odvíjí od rychlosti pásu, která zohledňuje dobu potřebnou na austenitizaci materiálu, na dobu výdrže v kalící lázni a na dobu potřebnou pro popuštění kalených výrobků. Proto v těchto případech je nutné věnovat zvýšenou pozornost přechodu z konce ohřívané zóny k hladině kalící lázně a riziku nedokonalému kalení předcházet, což neřeší často ani renomovaní výrobci pecních zařízení.
Jedna taková konkrétní úprava průběžné pece pro kalení pásů ochlazováním do oleje na martenzitickou nebo bainitickou strukturu, která se v praxi osvědčila, je znázorněna na obr. 2.

obr2
Obr. 2: Schéma zajištění správné kalící teploty u kalení pásů pomocí pyrometru

 

Kalení pásů
Kalení pásů se provádí v průběžné peci, většinou s třemi ohřívacími zónami. Na výstupu z pece ale není možné okamžité ochlazení do oleje nebo do soli, a proto pás musí před vnořením do ochlazovací lázně projít určitým neohřívaným úsekem, v kterém se pás nutně ochlazuje. Jeden okraj tohoto úseku tvoří konec pece, druhý konec tvoří místo vstupu do kalící lázně. Aby při vnořování do lázně měl povrch pásu správnou austenitizační teplotu, musí být jeho teplota při výstupu z pece o značnou hodnotu vyšší. Na této teplotě nemůže být ale příliš dlouho, aby nezhrublo austenitické zrno.
Úprava kalící pece spočívá v přidání topných spirál do koncové části pece, což je úsek o délce cca 100 až 200 mm, kde se zvyšuje teplota povrchu pásu o hodnotu, kterou pás ztratí v úseku mezi pecí a hladinou ochlazovaného oleje. Výstupní teplota pásu z pece se pak reguluje na základě pyrometrem změřené teploty pásu před jeho ponořením do kalící lázně.
Dalším opatřením omezující tepelné ztráty pásu, především její sálavou složku, je zakrytování přechodového prostoru z pece do lázně, v němž je vytvořené jen malé okno pro měření teploty pásu. Účelem tohoto zakrytování je i schopnost udržet ochrannou atmosféru i v tomto prostoru, který je tak objemově spojen s prostorem retorty.

Rizika kalení plochých tyčí
U dlouhých plochých kusových výrobků (např. tyčí s obdélníkovým průřezem) s velkým poměrem šířky k tloušťce se v mnohých případech při ochlazování z kalící teploty vyskytuje podélná deformace tyče. Toto riziko deformace souvisí velice často s nerovnoměrným ohřevem a ochlazováním obou stran výrobku. Oprava tohoto průhybu se provádí poměrně obtížně většinou následnou deformací zastudena. Proto vytváření optimálních podmínek v ohřívacích a ochlazovacích zónách kalících pecí je jedním z nutných, byť obtížných, problémů při projektování pecí.

* * * * *
Největší riziko prohnutí vzniká při kalení vysoko legovaných tyčových výrobků z nástrojových ocelí, které jsou po zakalení tak křehké, že rovnání za studena často končí destrukcí tyče.
* * * * *

Z těchto ocelí jsou k prohnutí nejnáchylnější rychlořezné oceli ohřívané na kalící teplotu až k 1 300 °C, u nichž pravděpodobnost určitého prohnutí po zakalení přechází již téměř v jistotu. Jako reálný příklad je možné uvést případy kalení plochých tyčí o tloušťce nad tři mm určených pro výrobu hoblovacích nožů do dřevoobráběcích strojů.
Výhodou těchto ocelí je, že jejich kritická kalící rychlost je velice nízká, takže se tyto oceli někdy hodnotí jako samokalitelné, kdy martenzitická struktura vzniká také při ochlazování i na volném vzduchu. Přesto se ale v praxi ochlazují do olejů nebo mezi dvěma chladícími kovovými plochami, jejichž hlavní význam spočívá kromě v ochlazení tyče ještě v mechanické fixaci tyče omezující průhyb tyče.
Přes veškerá technologická opatření se nepodařilo ve většině případů získat po ochlazení takovou rovinnost, aby se tyč mohla bez další úpravy dále zpracovávat. Riziko tohoto prohnutí tyčí pak stoupá s druhou mocninou délky. Proto se zpracovávají jen tak dlouhé tyče, které odpovídají délkám hotových výrobků. Při ručních úpravách vzniká další riziko, že mimořádně vysoká tvrdost oceli po kalení, která dosahuje u rychlořezných ocelí až 65 HRC, a tím i její vysoká křehkost, způsobí při rovnání zastudena porušení celistvosti výrobku.
Při vlastním kalení je u těchto ocelí možné pozorovat zajímavý a málo známý efekt, kdy po krátkou dobu (max. tři minuty) po ochlazení se ocel chová s ohledem na přepokládanou tvrdost částečně tvárně. Tento jev po této době mizí a výrobek skutečně získává hodnoty tvrdosti a křehkosti, které odpovídají známým hodnotám rychlořezné oceli při teplotě okolí. Výsledkem je přechodný stav struktury, který umožňuje jednoduché a snadné vyrovnávání těchto kalením prohnutých tyčí deformací zastudena bez jakéhokoliv rizika porušení celistvosti tyče. To umožňuje několikanásobné zvýšení produktivity výroby, protože je možné kalit tyče, které mohou být násobkem konečného výrobku. Narovnání zakalených tyčí upnutých např. do svěráku je pak možné až po dobu třech minut provést ručně deformací za studena.
Vysvětlení této schopnosti plastické deformace vysoko legovaných ocelí je v precipitaci karbidů, které blokují dislokace postupně, a tím vytvářejí sice krátký, ale pro potřebnou opravu dostatečný čas. V tomto časovém období vzniklý martenzit přechází postupem krátkého času na značně tvrdší, a tím i křehčí, vytvrzený tetragonální martenzit.
Riziko průhybu při kalení pilových listů z rychlořezných ocelí, jejichž tloušťka je 0,6 mm určených pro ruční řezání, není z pohledu rizika deformace nijak výrazný. Kalení těchto pilových listů se totiž provádí v pevně utaženém svazku několika desítek pilek najednou, který tvoří značně kompaktní celek, u kterého nevzniká riziko většího prohnutí. A i kdyby k malému průhybu došlo, u tohoto výrobku se průhyb nesleduje, protože rovinnost pilového listu vzniká jeho podélným napnutím v rámu pilky.

Rizika deformace tenkých pásů při kalení
Při kalení tenkých pásů (pásy do tloušťky třech mm) vzniká jedno velmi nepříjemné riziko, a to jejich příčný průhyb. Riziko vzniku této deformace stoupá se zvětšujícím se poměrem šířky pásu k jeho tloušťce. Každá pec má ve svých technických parametrech udáno, pro jak velký poměr tloušťky k šířce pásu při daném tepelném výkonu je možné na dané peci kalit. Kvalitní pece dosahují tohoto poměru 1:500 a více. Znamená to, že pec, která udává možnost kalení maximální šířky kaleného pásu 100 mm a kritický poměr 1:1 000, zaručuje možnost kvalitního kalení pásů o nemenší tloušťce 0,1 mm.
Riziko příčné deformace vzniká ale i u pásů, které nedosahují kritických hodnot poměrů rozměrů. Deformace se projevují v největší míře příčným menším prohnutím pásu do tvaru ∪ nebo ∩. V případě, že po kalení následuje popouštění mezi dvěma na popouštěcí teplotu vyhřátými kovovými deskami, menší deformace v těchto deskách, tzv. popouštěcích kamenech, se vyrovnají.
Z praxe je odpozorována skutečnost, že toto tepelné rovnání je obtížnější, jestliže pás vychází z kalící lázně prohnutý ve tvaru ∪ než ve tvaru ∩. V případě, že příčná deformace je dána několika prohnutími ve tvaru vlnek, záleží na jejich velikosti, jaká je pak výsledná rovinnost po popuštění. Příčinou těchto vad je jednak nevhodná, nebo dokonce ošizená technologie tváření zastudena, jednak příliš vysoké navíjecí a odvíjecí tahy, kterými se někdy snaží obsluhy eliminovat podélnou nerovnost pásů vznikající nevhodným válcováním zastudena. Vysoká tahová napětí nutná k vytvoření rovinného pásu narovnání pak vytvářejí i riziko změn rozměru pásu, zejména šířky, v důsledku silně snížených mezí kluzu.
Rizika vícenásobného popouštění vysoko legovaných ocelí
Při opakování popouštěcích cyklů obvykle prováděných u vysoko legovaných ocelí, je značným rizikem nedodržování předepsané teploty ochlazení po jednotlivých popouštěcích cyklech. Nový ohřev dalšího cyklu začíná pak při příliš vysokých teplotách. Výsledkem je pak nedostatečná přeměna zbytkového austenitu na kalící strukturu, a tím i vznik menšího množství popuštěného martenzitu, jehož důsledkem je celková nižší tvrdost výrobku.
Příkladem opakovaného tepelného cyklu je vícenásobné popouštění rychlořezných ocelí na teploty 500 až 550 °C, kdy je nutno, aby každý cyklus ochlazování byl ukončen při teplotě značně nižší než 100 °C, a to v celém průřezu popouštěného materiálu.

* * * * *
Stabilizační žíhání je možné nahradit v určitých případech a u určitých výrobků mechanickou vibrací, což se někdy nesprávně označuje jako „vibrační žíhání“. Stejného principu se využívá u odstraňování vnitřních pnutí objemných svařenců.
* * * * *

Rizika popouštěcích křehkostí
Při určování popouštěcí teploty je nutné podrobně se seznámit s rizikem vzniku popouštěcí křehkosti; protože je bohužel skutečností, že o tomto jevu je v dnešních provozech minimální povědomí a i když se obecně o popouštěcích křehkostech ví, jsou důsledky tohoto jevu často podceňovány. Objevuje se to především u nízkých teplot, kde u výrobků není v technologických předpisech požadovaná kontrola velikosti nárazové práce při určité teplotě.
Riziko vzniku nízkoteplotní popouštěcí křehkosti vzniká u uhlíkových ocelí při déletrvajícím setrvání v oblasti teplot mezi 210 až 290 °C, tedy v oblasti vzniku barevných oxidů. U nízkolegovaných oblasti je pak konec této oblasti posunut mnohem výše, objevuje se ještě při teplotách kolem 460 °C. U výše legovaných ocelí jsou pak vhodné teploty popouštění uváděny v materiálových normách ocelí.
Nevýhodou nízkoteplotní popouštěcí křehkosti je, že není opravitelná a v případě, že se objeví, je nutno celý kalící proces opakovat. U zakalených vysokolegovaných ocelí vzniká v oblasti mezi 520 až 600 °C riziko vzniku křehkosti, která se nazývá vysokoteplotní. Tomuto riziku je nutné se vyhnout ohřevem na teploty nižší než 520 °C nebo vyšší než 600 °C. Výhodou této křehkosti oproti nízkoteplotní je možnost jejího odstranění ohřevem na teplotu vyšší než 600 °C, kdy je ale nutné při ochlazování provést přechod kritického intervalu teplot až pod teplotu 450 °C v co nejkratším čase, což u hmotnějších výrobků je nutné provádět někdy i vodní sprchou.

Rizika změn rozměrů po tepelném zpracování
Pro zajištění trvalé neměnnosti rozměrů hotových výrobků jako jsou měřidla, kalibry, nástroje pro tváření nebo odlévání je nutno zajistit stabilizaci popuštěné struktury, aby nedocházelo k její transformaci. Změny struktury pak způsobí vnitřní pnutí ve výrobcích, které se projeví malou, ale pro daný výrobek přeci jenom nepřípustnou změnou jeho rozměrů.
Proto se po kalení a popouštění provádějí dodatečně ještě další technologické operace. Je to především dodatečné, tzv. stabilizační žíhání. U uhlíkových a nízkolegovaných ocelí je to výdrž při 120 °C po dobu nejméně 200 hodin, u vysokolegovaných ocelí pak při teplotách okolo 150 °C po dobu nejméně 500 hodin. Protože teploty tohoto typu žíhání jsou pod teplotou 200 °C, není nutné žíhání provádět v ochranných atmosférách.
Dalším opatření ke stabilizaci rozměrů je snížení množství zbytkového austenitu na minimum. To znamená ochlazení výrobku pod teplotu Mf, aby se co nejvíce austenitu přeměnilo na martenzit. Té vyžaduje prakticky vždy ochlazení materiálu hluboko pod teplotu bodu mrazu, u korozivzdorných austenitických ocelí až na teplotu tekutého dusíku, což je minus 196 °C. Tímto způsobem se ošetřují i valivá ložiska, u nichž se po kalení zařazuje dlouhodobé popouštění, které plnohodnotně nahrazuje stabilizační žíhání. Stejný způsob žíhání se používá pro stabilizaci magnetických vlastnosti permanentních magnetů.

TEXT/FOTO: Václav Machek FOTO: archiv redakce