Definicija in namen kaljenja
Jeklo se segreje na temperaturo nad kritično točko Ac3 (hipoevtektoidno jeklo) ali Ac1 (hipoevtektoidno jeklo), se nekaj časa zadržuje, da se v celoti ali delno avstenitizira, nato pa se ohladi s hitrostjo, ki je večja od kritične hitrosti kaljenja. Postopek toplotne obdelave, ki pretvori podhlajeni avstenit v martenzit ali nižji bainit, se imenuje kaljenje.
Namen kaljenja je pretvorba podhlajenega avstenita v martenzit ali bainit, da se dobi martenzitna ali nižja bainitna struktura, ki se nato kombinira s popuščanjem pri različnih temperaturah, da se močno izboljša trdnost, trdota in odpornost jekla. Obrabljivost, utrujenostna trdnost in žilavost itd., da se izpolnijo različne zahteve uporabe različnih mehanskih delov in orodij. Kaljenje se lahko uporablja tudi za doseganje posebnih fizikalnih in kemijskih lastnosti nekaterih posebnih jekel, kot sta feromagnetizem in odpornost proti koroziji.
Ko se jekleni deli hladijo v kalilnem mediju s spremembami agregatnega stanja, se postopek hlajenja običajno razdeli na naslednje tri faze: fazo parnega filma, fazo vrenja in fazo konvekcije.
Kaljivost jekla
Kaljivost in prekaljivost sta dva kazalnika delovanja, ki označujeta sposobnost jekla za kaljenje. Sta tudi pomembna osnova za izbiro in uporabo materiala.
1. Koncepta kaljivosti in kaljivosti
Kaljivost je sposobnost jekla, da doseže najvišjo možno trdoto, ko je kaljeno in utrjeno v idealnih pogojih. Glavni dejavnik, ki določa kaljivost jekla, je vsebnost ogljika v jeklu. Natančneje, gre za vsebnost ogljika, raztopljenega v avstenitu med kaljenjem in segrevanjem. Višja kot je vsebnost ogljika, večja je kaljivost jekla. Legirni elementi v jeklu imajo majhen vpliv na kaljivost, vendar imajo pomemben vpliv na kaljivost jekla.
Kaljivost se nanaša na značilnosti, ki določajo globino kaljenja in porazdelitev trdote jekla pod določenimi pogoji. To je sposobnost doseganja globine kaljene plasti pri kaljenju jekla. To je inherentna lastnost jekla. Kaljivost dejansko odraža enostavnost, s katero se avstenit pretvori v martenzit pri kaljenju jekla. Povezana je predvsem s stabilnostjo podhlajenega avstenita jekla ali s kritično hitrostjo ohlajanja jekla pri kaljenju.
Prav tako je treba poudariti, da je treba kaljivost jekla razlikovati od efektivne globine kaljenja jeklenih delov pod določenimi pogoji kaljenja. Kaljivost jekla je inherentna lastnost samega jekla. Odvisna je le od njegovih notranjih dejavnikov in nima nič skupnega z zunanjimi dejavniki. Efektivna globina kaljivosti jekla ni odvisna le od kaljivosti jekla, temveč tudi od uporabljenega materiala. Povezana je z zunanjimi dejavniki, kot sta hladilni medij in velikost obdelovanca. Na primer, pod enakimi pogoji avstenitizacije je kaljivost istega jekla enaka, vendar je efektivna globina kaljenja pri kaljenju v vodi večja kot pri kaljenju v olju, majhni deli pa so manjši kot pri kaljenju v olju. Efektivna globina kaljenja velikih delov je velika. To ne pomeni, da ima kaljenje v vodi večjo kaljivost kot kaljenje v olju. Ne moremo trditi, da imajo majhni deli večjo kaljivost kot veliki deli. Vidimo lahko, da je treba za oceno kaljivosti jekla odpraviti vpliv zunanjih dejavnikov, kot so oblika, velikost obdelovanca, hladilni medij itd.
Poleg tega, ker sta kaljivost in prekaljivost dva različna pojma, jeklo z visoko trdoto po kaljenju nima nujno visoke prekaljivosti; jeklo z nizko trdoto pa ima lahko tudi visoko prekaljivost.
2. Dejavniki, ki vplivajo na kaljivost
Kaljivost jekla je odvisna od stabilnosti avstenita. Vsak dejavnik, ki lahko izboljša stabilnost podhlajenega avstenita, premakne krivuljo C v desno in s tem zmanjša kritično hitrost ohlajanja, lahko izboljša kaljivost visokokakovostnega jekla. Stabilnost avstenita je odvisna predvsem od njegove kemične sestave, velikosti zrn in enakomernosti sestave, ki so povezani s kemično sestavo jekla in pogoji segrevanja.
3. Metoda merjenja kaljivosti
Obstaja veliko metod za merjenje kaljivosti jekla, najpogosteje uporabljeni pa sta metoda merjenja kritičnega premera in metoda preskusa končne kaljivosti.
(1) Metoda merjenja kritičnega premera
Po kaljenju jekla v določenem mediju se največji premer, pri katerem jedro doseže vso martenzitno ali 50-odstotno martenzitno strukturo, imenuje kritični premer in ga predstavlja Dc. Metoda merjenja kritičnega premera je izdelava vrste okroglih palic z različnimi premeri, po kaljenju pa se na vsakem vzorčnem odseku izmeri krivulja trdote U, porazdeljena vzdolž premera, in se poišče palica s polmartenzitno strukturo v sredini. Premer okrogle palice je kritični premer. Večji kot je kritični premer, večja je kaljivost jekla.
(2) Metoda preskusa končnega kaljenja
Metoda preskusa s kaljenjem na koncu uporablja vzorec standardne velikosti (Ф25 mm × 100 mm). Po avstenitizaciji se na enem koncu vzorca s posebno opremo poprši voda, da se ohladi. Po ohladitvi se trdota izmeri vzdolž smeri osi – od konca, hlajenega z vodo. Preskusna metoda za krivuljo razmerja med razdaljo in površino. Metoda preskusa s kaljenjem na koncu je ena od metod za določanje kaljivosti jekla. Njene prednosti so preprosto delovanje in širok spekter uporabe.
4. Gašenje napetosti, deformacij in razpok
(1) Notranja napetost obdelovanca med kaljenjem
Ko se obdelovanec hitro ohladi v kalilnem mediju, ima obdelovanec določeno velikost in ima tudi koeficient toplotne prevodnosti določeno vrednost, zato se med ohlajanjem vzdolž notranjega dela obdelovanca pojavi določen temperaturni gradient. Temperatura površine je nizka, temperatura jedra visoka, temperatura površine in jedra pa sta visoki. Prisotna je temperaturna razlika. Med ohlajanjem obdelovanca se pojavita tudi dva fizikalna pojava: prvi je toplotni raztezek, pri katerem se ob padanju temperature dolžina linije obdelovanca skrči; drugi pa je pretvorba avstenita v martenzit, ko temperatura pade na točko transformacije martenzita, kar poveča specifično prostornino. Zaradi temperaturne razlike med ohlajanjem se bo količina toplotnega raztezanja na različnih delih prereza obdelovanca razlikovala, v različnih delih obdelovanca pa se bodo ustvarile notranje napetosti. Zaradi temperaturnih razlik znotraj obdelovanca se lahko pojavijo tudi deli, kjer temperatura pade hitreje kot na točki, kjer se pojavi martenzit. Pri transformaciji se volumen razširi, deli z visoko temperaturo pa so še vedno višji od točke in so še vedno v avstenitnem stanju. Ti različni deli bodo zaradi razlik v specifičnih spremembah volumna ustvarili tudi notranje napetosti. Zato se lahko med procesom kaljenja in hlajenja ustvarita dve vrsti notranjih napetosti: ena je toplotna napetost, druga pa napetost tkiva.
Glede na časovne značilnosti obstoja notranjih napetosti jih lahko razdelimo tudi na trenutne napetosti in preostale napetosti. Notranje napetosti, ki jih obdelovanec ustvari v določenem trenutku med procesom hlajenja, se imenujejo trenutne napetosti; po ohladitvi obdelovanca pa napetosti, ki ostanejo v obdelovancu, se imenujejo preostale napetosti.
Toplotna napetost se nanaša na napetost, ki jo povzroča nedosledno toplotno raztezanje (ali krčenje pri hladnem) zaradi temperaturnih razlik v različnih delih obdelovanca, ko se ta segreva (ali ohlaja).
Vzemimo za primer trdni valj, ki ponazarja pravila nastanka in spreminjanja notranjih napetosti med procesom ohlajanja. Tukaj bomo obravnavali le aksialno napetost. Na začetku ohlajanja je temperatura nizka, ker se površina hitro ohladi, in se močno skrči. Medtem ko se jedro ohlaja, je temperatura visoka in krčenje majhno. Posledično sta površina in notranjost medsebojno omejeni, kar povzroči natezno napetost na površini, medtem ko je jedro pod pritiskom. Med ohlajanjem se temperaturna razlika med notranjostjo in zunanjostjo povečuje, zato se ustrezno poveča tudi notranja napetost. Ko se napetost poveča in preseže mejo tečenja pri tej temperaturi, pride do plastične deformacije. Ker je debelina jedra večja od debeline površine, se jedro vedno najprej skrči aksialno. Zaradi plastične deformacije se notranja napetost ne povečuje več. Po ohlajanju na določen čas se bo zniževanje temperature površine postopoma upočasnilo, prav tako pa se bo postopoma zmanjšalo tudi njeno krčenje. V tem času se jedro še vedno krči, zato se bosta natezna napetost na površini in tlačna napetost na jedru postopoma zmanjševali, dokler ne izgineta. Ko se ohlajanje nadaljuje, se površinska vlažnost vedno bolj zmanjšuje, krčenje pa se zmanjšuje ali celo preneha. Ker je temperatura v jedru še vedno visoka, se bo krčenje nadaljevalo in na koncu se bo na površini obdelovanca oblikovala tlačna napetost, medtem ko bo jedro imelo natezno napetost. Ker pa je temperatura nizka, plastična deformacija ni enostavna, zato se ta napetost med ohlajanjem povečuje. Še naprej se povečuje in na koncu ostane v obdelovancu kot preostala napetost.
Vidimo lahko, da toplotna napetost med procesom hlajenja sprva povzroči raztezanje površinske plasti in stiskanje jedra, preostala preostala napetost pa je stiskanje površinske plasti in raztezanje jedra.
Če povzamemo, toplotna napetost, ki nastane med kaljenjem in hlajenjem, je posledica temperaturne razlike v prečnem prerezu med procesom hlajenja. Večja kot je hitrost hlajenja in večja kot je temperaturna razlika v prečnem prerezu, večja je ustvarjena toplotna napetost. Pri enakih pogojih hladilnega medija velja, da višja kot je temperatura segrevanja obdelovanca, večja kot je njegova velikost, manjša je toplotna prevodnost jekla, večja je temperaturna razlika znotraj obdelovanca in večja je toplotna napetost. Če se obdelovanec pri visoki temperaturi neenakomerno ohladi, se bo deformiral in popačil. Če je trenutna natezna napetost, ki nastane med procesom hlajenja obdelovanca, večja od natezne trdnosti materiala, se bodo pojavile razpoke zaradi kaljenja.
Fazna transformacijska napetost se nanaša na napetost, ki jo povzročajo različni časi fazne transformacije v različnih delih obdelovanca med postopkom toplotne obdelave, znana tudi kot tkivna napetost.
Med kaljenjem in hitrim hlajenjem, ko se površinska plast ohladi do točke Ms, pride do martenzitne transformacije, ki povzroči razširitev volumna. Zaradi ovire v jedru, ki še ni doživelo transformacije, pa površinska plast ustvari tlačno napetost, medtem ko jedro doživlja natezno napetost. Ko je napetost dovolj velika, povzroči deformacijo. Ko se jedro ohladi do točke Ms, se bo tudi to martenzitno preoblikovalo in povečalo prostornino. Zaradi omejitev preoblikovane površinske plasti z nizko plastičnostjo in visoko trdnostjo pa bo njena končna preostala napetost v obliki površinske napetosti, jedro pa bo pod pritiskom. Vidimo lahko, da sta sprememba in končno stanje napetosti fazne transformacije ravno nasprotna toplotni napetosti. Poleg tega, ker se napetost fazne transformacije pojavlja pri nizkih temperaturah z nizko plastičnostjo, je deformacija v tem času težka, zato je večja verjetnost, da bo napetost fazne transformacije povzročila razpoke obdelovanca.
Na velikost napetosti fazne transformacije vpliva veliko dejavnikov. Hitrejša kot je hitrost ohlajanja jekla v temperaturnem območju martenzitne transformacije, večji kot je kos jekla, slabša je toplotna prevodnost jekla, večji kot je specifični volumen martenzita, večja je napetost fazne transformacije. Večja kot je. Poleg tega je napetost fazne transformacije povezana tudi s sestavo jekla in kaljivostjo jekla. Na primer, visokoogljično visokolegirano jeklo zaradi visoke vsebnosti ogljika poveča specifični volumen martenzita, kar bi moralo povečati napetost fazne transformacije jekla. Ko pa se vsebnost ogljika poveča, se točka Ms zmanjša in po kaljenju ostane velika količina avstenita. Njegova prostorninska ekspanzija se zmanjša in preostala napetost je nizka.
(2) Deformacija obdelovanca med kaljenjem
Med kaljenjem obstajata dve glavni vrsti deformacije obdelovanca: ena je sprememba geometrijske oblike obdelovanca, ki se kaže kot spremembe velikosti in oblike, pogosto imenovane upogibna deformacija, ki jo povzročajo napetosti pri kaljenju; druga je volumska deformacija, ki se kaže kot sorazmerno širjenje ali krčenje volumna obdelovanca, ki ga povzroča sprememba specifičnega volumna med fazno spremembo.
Upogibna deformacija vključuje tudi oblikovno deformacijo in zvijanje. Zvijanje je predvsem posledica nepravilne namestitve obdelovanca v peč med segrevanjem ali pomanjkanja oblikovalne obdelave po korekciji deformacije pred kaljenjem ali neenakomernega hlajenja različnih delov obdelovanca med hlajenjem. To deformacijo je mogoče analizirati in rešiti za specifične situacije. V nadaljevanju so obravnavane predvsem volumske in oblikovne deformacije.
1) Vzroki za kaljenje in pravila njegovega spreminjanja
Volumenska deformacija zaradi strukturne transformacije Strukturno stanje obdelovanca pred kaljenjem je običajno perlit, torej mešana struktura ferita in cementita, po kaljenju pa martenzitna struktura. Različni specifični volumni teh tkiv bodo povzročili spremembe volumna pred in po kaljenju, kar bo povzročilo deformacijo. Vendar pa ta deformacija povzroči le sorazmerno širjenje in krčenje obdelovanca, zato ne spremeni njegove oblike.
Poleg tega velja, da večja kot je vsebnost martenzita v strukturi po toplotni obdelavi oziroma višja kot je vsebnost ogljika v martenzitu, večja je njegova prostorninska ekspanzija, večja kot je količina zadržanega avstenita, manjša pa je prostorninska ekspanzija. Zato je mogoče spremembo prostornine nadzorovati z nadzorom relativne vsebnosti martenzita in preostalega martenzita med toplotno obdelavo. Če je prostornina pravilno nadzorovana, se ne bo niti razširila niti skrčila.
Deformacija oblike zaradi toplotne obremenitve Deformacija zaradi toplotne obremenitve se pojavi na območjih z visoko temperaturo, kjer je meja tečenja jeklenih delov nizka, plastičnost visoka, površina se hitro ohladi in je temperaturna razlika med notranjostjo in zunanjostjo obdelovanca največja. V tem času je trenutna toplotna napetost natezna napetost površine in tlačna napetost jedra. Ker je temperatura jedra v tem času visoka, je meja tečenja veliko nižja od površinske, zato se kaže kot deformacija pod vplivom večsmerne tlačne napetosti, torej kocka ima okroglo smer. Posledica tega je, da se večja kocka skrči, medtem ko se manjša razširi. Na primer, dolg valj se skrajša v smeri dolžine in razširi v smeri premera.
Deformacija oblike zaradi napetosti tkiva Deformacija zaradi napetosti tkiva se pojavi tudi v zgodnjem trenutku, ko je napetost tkiva največja. Takrat je razlika v temperaturi prečnega prereza velika, temperatura jedra je višja, še vedno je v avstenitnem stanju, plastičnost je dobra in meja tečenja je nizka. Trenutna napetost tkiva je površinska tlačna napetost in natezna napetost jedra. Zato se deformacija kaže kot raztezek jedra pod vplivom večsmerne natezne napetosti. Posledica tega je, da se pod vplivom napetosti tkiva večja stran obdelovanca podaljša, medtem ko se manjša stran skrajša. Na primer, deformacija, ki jo povzroči napetost tkiva v dolgem valju, je raztezek dolžine in zmanjšanje premera.
Tabela 5.3 prikazuje pravila za kaljenje različnih tipičnih jeklenih delov.
2) Dejavniki, ki vplivajo na deformacijo pri kaljenju
Dejavniki, ki vplivajo na deformacijo kaljenja, so predvsem kemična sestava jekla, prvotna struktura, geometrija delov in postopek toplotne obdelave.
3) Gašenje razpok
Razpoke v delih se večinoma pojavijo v pozni fazi kaljenja in hlajenja, torej po tem, ko je martenzitna transformacija v osnovi končana ali po popolnem ohlajanju, pride do krhkega porušitve, ker natezna napetost v delih preseže lomno trdnost jekla. Razpoke so običajno pravokotne na smer največje natezne deformacije, zato so različne oblike razpok v delih odvisne predvsem od stanja porazdelitve napetosti.
Pogoste vrste razpok zaradi gašenja: Vzdolžne (aksialne) razpoke nastanejo predvsem, ko tangencialna natezna napetost preseže lomno trdnost materiala; prečne razpoke nastanejo, ko velika aksialna natezna napetost, ki nastane na notranji površini dela, preseže lomno trdnost materiala. Razpoke; mrežne razpoke nastanejo pod vplivom dvodimenzionalne natezne napetosti na površini; luščljive razpoke nastanejo v zelo tanki utrjeni plasti, kar se lahko pojavi, ko se napetost močno spremeni in prekomerna natezna napetost deluje v radialni smeri. Vrsta razpoke.
Vzdolžne razpoke imenujemo tudi aksialne razpoke. Razpoke nastanejo pri največji natezni napetosti blizu površine dela in imajo določeno globino proti sredini. Smer razpok je običajno vzporedna z osjo, vendar se lahko smer spremeni tudi, ko je v delu koncentracija napetosti ali ko so prisotne notranje strukturne napake.
Po popolnem kaljenju obdelovanca se lahko pojavijo vzdolžne razpoke. To je povezano z veliko tangencialno natezno napetostjo na površini kaljenega obdelovanca. Z naraščanjem vsebnosti ogljika v jeklu se povečuje nagnjenost k nastanku vzdolžnih razpok. Nizkoogljično jeklo ima majhen specifični volumen martenzita in močno toplotno napetost. Na površini je velika preostala tlačna napetost, zato ga ni enostavno kaliti. Z naraščanjem vsebnosti ogljika se površinska tlačna napetost zmanjšuje in strukturna napetost povečuje. Hkrati se najvišja natezna napetost premakne proti površinski plasti. Zato je visokoogljično jeklo pri pregrevanju nagnjeno k vzdolžnim razpokam zaradi kaljenja.
Velikost delov neposredno vpliva na velikost in porazdelitev preostalih napetosti, različna pa je tudi njihova nagnjenost k razpokam pri gašenju. Vzdolžne razpoke se zlahka oblikujejo tudi pri gašenju znotraj nevarnega območja velikosti prečnega prereza. Poleg tega blokada jeklenih surovin pogosto povzroči vzdolžne razpoke. Ker je večina jeklenih delov izdelanih z valjanjem, so vključki, ki niso zlati, karbidi itd. v jeklu porazdeljeni vzdolž smeri deformacije, zaradi česar je jeklo anizotropno. Na primer, če ima orodno jeklo pasovno strukturo, je njegova prečna lomna trdnost po kaljenju za 30 % do 50 % manjša od vzdolžne lomne trdnosti. Če so v jeklu dejavniki, kot so vključki, ki niso zlati, ki povzročajo koncentracijo napetosti, se vzdolžne razpoke zlahka oblikujejo tudi pri tangencialni napetosti, tudi če je tangencialna napetost večja od aksialne napetosti. Zato je strog nadzor nad ravnijo nekovinskih vključkov in sladkorja v jeklu pomemben dejavnik za preprečevanje razpok pri gašenju.
Značilnosti porazdelitve notranje napetosti pri prečnih in ločnih razpokah so: površina je izpostavljena tlačni napetosti. Ko se razpoka za določeno razdaljo oddalji od površine, se tlačna napetost spremeni v veliko natezno napetost. Razpoka nastane v območju natezne napetosti in se nato, ko se notranja napetost razširi na površino dela, razširi le, če se prerazporedi ali če se krhkost jekla še poveča.
Prečne razpoke se pogosto pojavljajo v velikih delih gredi, kot so valji, rotorji turbin ali drugi deli gredi. Značilnost razpok je, da so pravokotne na smer osi in se lomijo od znotraj navzven. Pogosto nastanejo pred kaljenjem in so posledica toplotne obremenitve. Veliki odkovki imajo pogosto metalurške napake, kot so pore, vključki, razpoke pri kovanju in bele lise. Te napake služijo kot izhodišče za lom in se lomijo pod vplivom aksialne natezne napetosti. Ločne razpoke nastanejo zaradi toplotne obremenitve in so običajno razporejene v obliki loka na delih, kjer se oblika dela spremeni. Pojavijo se predvsem znotraj obdelovanca ali v bližini ostrih robov, utorov in lukenj ter so razporejene v obliki loka. Ko deli iz visokoogljičnega jekla s premerom ali debelino od 80 do 100 mm ali več niso kaljeni, bo površina pokazala tlačno napetost, središče pa natezno napetost. Največja natezna napetost se pojavi v prehodnem območju iz kaljene plasti v nekaljeno plast, na teh območjih pa se pojavijo ločne razpoke. Poleg tega je hitrost ohlajanja na ostrih robovih in vogalih hitra in vsi se kalijo. Pri prehodu na nežne dele, torej na nekaljeno območje, se tukaj pojavi območje največje natezne napetosti, zato so nagnjene k nastanku ločnih razpok. Hitrost ohlajanja v bližini luknje za zatič, utora ali sredinske luknje obdelovanca je počasna, ustrezna kaljena plast je tanka, natezna napetost v bližini kaljenega prehodnega območja pa lahko zlahka povzroči ločne razpoke.
Retikularne razpoke, znane tudi kot površinske razpoke, so površinske razpoke. Globina razpoke je plitva, običajno okoli 0,01~1,5 mm. Glavna značilnost te vrste razpoke je, da poljubna smer razpoke nima nobene zveze z obliko dela. Številne razpoke so med seboj povezane v mrežo in so široko razporejene. Ko je globina razpoke večja, na primer več kot 1 mm, mrežne značilnosti izginejo in postanejo naključno usmerjene ali vzdolžno razporejene razpoke. Mrežne razpoke so povezane s stanjem dvodimenzionalne natezne napetosti na površini.
Jekleni deli z visoko vsebnostjo ogljika ali ogljikovim jeklom z razogljičeno plastjo na površini so nagnjeni k nastanku mrežnih razpok med kaljenjem. To je zato, ker ima površinska plast nižjo vsebnost ogljika in manjši specifični volumen kot notranja plast martenzita. Med kaljenjem je površinska plast karbida izpostavljena nateznim napetostim. Deli, pri katerih plast razfosforizacije ni bila popolnoma odstranjena med mehansko obdelavo, bodo prav tako med visokofrekvenčnim ali plamenskim površinskim kaljenjem tvorili mrežne razpoke. Da bi se izognili takim razpokam, je treba strogo nadzorovati kakovost površine delov in preprečiti oksidacijsko varjenje med toplotno obdelavo. Poleg tega po določenem času uporabe kovaškega orodja k tej obliki spadajo tudi toplotne utrujenostne razpoke, ki se pojavijo v trakovih ali mrežah v votlini, in razpoke med brušenjem kaljenih delov.
Luščilne razpoke se pojavijo na zelo ozkem območju površinske plasti. Tlačna napetost deluje v aksialni in tangencialni smeri, natezna napetost pa v radialni smeri. Razpoke so vzporedne s površino dela. Luščenje kaljene plasti po površinskem kaljenju in cementiranju delov spada med takšne razpoke. Njihov pojav je povezan z neenakomerno strukturo v kaljeni plasti. Na primer, ko se legirano cementirano jeklo ohladi z določeno hitrostjo, je struktura cementirane plasti naslednja: zunanja plast iz izjemno finega perlita + karbida, podplast pa iz martenzita + preostalega avstenita, notranja plast pa ima fini perlit ali izjemno fino perlitno strukturo. Ker je specifični volumen podplasti martenzita največji, je posledica širjenja volumna, da tlačna napetost deluje na površinsko plast v aksialni in tangencialni smeri, natezna napetost pa v radialni smeri. Pri tem pride do mutacije napetosti navznoter, ki prehaja v stanje tlačne napetosti. Luščilne razpoke se pojavijo na izjemno tankih območjih, kjer napetosti močno prehajajo. Razpoke se običajno skrivajo v notranjosti vzporedno s površino in v hujših primerih lahko povzročijo luščenje površine. Če se hitrost ohlajanja cementiranih delov pospeši ali zmanjša, se v cementirani plasti lahko dobi enakomerna martenzitna struktura ali ultra fina perlitna struktura, kar lahko prepreči nastanek takšnih razpok. Poleg tega se površina med visokofrekvenčnim ali plamenskim kaljenjem površine pogosto pregreje in strukturna nehomogenost vzdolž utrjene plasti lahko zlahka povzroči nastanek takšnih površinskih razpok.
Mikrorazpoke se od zgoraj omenjenih štirih razpok razlikujejo po tem, da jih povzročajo mikronapetosti. Medkristalne razpoke, ki se pojavijo po kaljenju, pregrevanju in brušenju visokoogljičnega orodnega jekla ali cementiranih obdelovancev, pa tudi razpoke, ki nastanejo zaradi nepravočasnega popuščanja kaljenih delov, so povezane z obstojem in poznejšim širjenjem mikrorazpok v jeklu.
Mikrorazpoke je treba pregledati pod mikroskopom. Običajno se pojavijo na prvotnih mejah avstenitnih zrn ali na stičišču martenzitnih plasti. Nekatere razpoke prodrejo skozi martenzitne plasti. Raziskave kažejo, da so mikrorazpoke pogostejše v luskastem dvojnem martenzitu. Razlog za to je, da se luskasti martenzit pri rasti z veliko hitrostjo trči med seboj in ustvarja visoke napetosti. Vendar pa je dvojni martenzit sam po sebi krhek in ne more ustvariti plastične deformacije, ki sprošča napetosti, zato zlahka povzroči mikrorazpoke. Avstenitna zrna so groba in dovzetnost za mikrorazpoke se poveča. Prisotnost mikrorazpok v jeklu znatno zmanjša trdnost in plastičnost kaljenih delov, kar vodi do prezgodnje poškodbe (zloma) delov.
Da bi se izognili mikrorazpokam v delih iz visokoogljičnega jekla, se lahko sprejmejo ukrepi, kot so nižja temperatura kaljenja, doseganje fine martenzitne strukture in zmanjšanje vsebnosti ogljika v martenzitu. Poleg tega je pravočasno popuščanje po kaljenju učinkovita metoda za zmanjšanje notranjih napetosti. Preskusi so dokazali, da po zadostnem popuščanju nad 200 °C karbidi, ki se izločijo na razpokah, "zavarijo" razpoke, kar lahko znatno zmanjša nevarnost mikrorazpok.
Zgornje je obravnava vzrokov in metod preprečevanja razpok na podlagi vzorca porazdelitve razpok. V dejanski proizvodnji se porazdelitev razpok razlikuje zaradi dejavnikov, kot so kakovost jekla, oblika dela ter tehnologija vroče in hladne obdelave. Včasih razpoke obstajajo že pred toplotno obdelavo in se med postopkom kaljenja še dodatno razširijo; včasih se lahko v istem delu hkrati pojavi več oblik razpok. V tem primeru je treba na podlagi morfoloških značilnosti razpoke uporabiti makroskopsko analizo površine zloma, metalografski pregled in po potrebi kemijsko analizo ter druge metode za izvedbo celovite analize, od kakovosti materiala in organizacijske strukture do vzrokov napetosti pri toplotni obdelavi, da se ugotovijo glavni vzroki razpoke in nato določijo učinkoviti preventivni ukrepi.
Analiza loma razpok je pomembna metoda za analizo vzrokov razpok. Vsak lom ima izhodišče za razpoke. Razpoke zaradi gašenja se običajno začnejo na točki konvergence radialnih razpok.
Če izvor razpoke obstaja na površini dela, to pomeni, da je razpoko povzročila prekomerna natezna napetost na površini. Če na površini ni strukturnih napak, kot so vključki, so pa prisotni dejavniki koncentracije napetosti, kot so močne sledi noža, oksidna lupina, ostri vogali jeklenih delov ali strukturne spremembe, lahko pride do razpok.
Če je izvor razpoke znotraj dela, je povezana z napakami v materialu ali prekomerno notranjo preostalo natezno napetostjo. Zlomna površina pri normalnem kaljenju je siva in fino porcelanasta. Če je zlomna površina temno siva in hrapava, je posledica pregrevanja ali pa je prvotno tkivo debelo.
Na splošno na steklenem delu razpoke zaradi kaljenja ne sme biti oksidacijske barve in okoli razpoke ne sme biti razogljičenja. Če je okoli razpoke razogljičenje ali oksidirana barva na delu razpoke, to pomeni, da je del že imel razpoke pred kaljenjem in da se bodo prvotne razpoke pod vplivom napetosti toplotne obdelave razširile. Če so v bližini razpok dela vidni ločeni karbidi in vključki, to pomeni, da so razpoke povezane s hudo segregacijo karbidov v surovini ali prisotnostjo vključkov. Če se razpoke pojavijo le na ostrih vogalih ali delih dela s spremembo oblike brez zgoraj navedenega pojava, to pomeni, da je razpoko povzročila nerazumna strukturna zasnova dela ali nepravilni ukrepi za preprečevanje razpok oziroma prekomerna napetost toplotne obdelave.
Poleg tega se razpoke pri kemični toplotni obdelavi in površinskem kaljenju večinoma pojavijo v bližini utrjene plasti. Izboljšanje strukture utrjene plasti in zmanjšanje napetosti pri toplotni obdelavi sta pomembna načina za preprečevanje površinskih razpok.
Čas objave: 22. maj 2024