Kalení a popouštění: Základy tepelného zpracování Q&T

Co oba kroky dělají

Kalení znamená ohřev oceli do oblasti austenitu a její ochlazení dostatečně rychle, aby se austenit nemohl rozpadnout na měkký ferit a perlit. Místo toho se přemění na martenzit — tvrdou, silně deformovanou strukturu, která dává oceli její potenciál pevnosti. Popouštění pak zakalenou ocel znovu ohřívá na mírnou teplotu a vyměňuje řízené množství tvrdosti za velký nárůst houževnatosti a tažnosti.

Ani jeden krok nefunguje sám o sobě. Martenzit v zakaleném stavu je tvrdý, ale křehký a plný vnitřního pnutí; teprve popouštění z něj dělá použitelný konstrukční materiál.

Průběh mikrostrukturních přeměn

1. Austenitizace — obvykle 30–50 °C nad horní kritickou teplotou dané značky. Uhlík a legující prvky se rozpouštějí v austenitu; zde se určuje velikost zrna, takže přehřátí je nákladné.
2. Kalení — olej, polymer, voda nebo vysokotlaký plyn, volené podle prokalitelnosti a tolerance deformace. Rychlost ochlazování musí v celém průřezu překonat kritickou rychlost ochlazování oceli.
3. Popouštění — výdrž pod dolní kritickou teplotou (Ac1), běžně kdekoli v rozmezí přibližně 150 °C až 650 °C podle cíle. Karbidy se vylučují, vnitřní pnutí relaxuje a zbytkový austenit se rozpadá.

Rovnováha tvrdost–pevnost–houževnatost

Hlavním ladicím parametrem je teplota popouštění. Nízké teploty popouštění (zhruba 150–250 °C) udržují tvrdost blízko maxima v zakaleném stavu a hodí se pro nástroje a díly vystavené opotřebení. Popouštění ve středním rozsahu dává kombinace podobné pružinám. Vysoké teploty popouštění (zhruba 500–650 °C) vytvářejí klasický zušlechtěný stav: střední tvrdost, vysokou mez kluzu a dobrou rázovou houževnatost — dodávaný stav značek jako 4140 a 42CrMo4 v provozu hřídelů a šroubů.

Užitečné praktické pravidlo: každé zvýšení teploty popouštění snižuje pevnost a zvyšuje houževnatost a konstruktér volí bod na této křivce, který aplikace potřebuje.

Proč záleží na velikosti průřezu

Kalení ochlazuje nejprve povrch. V silném průřezu se jádro ochlazuje pomaleji, nemusí dosáhnout úplné tvorby martenzitu a skončí jako měkčí směs feritu a bainitu — a popouštění nemůže obnovit tvrdost, kterou kalení nikdy nevytvořilo. Proto:

• Normy uvádějí mechanické vlastnosti podle rozhodujícího průřezu; stejná značka zaručuje méně v tyči o průměru 200 mm než v tyči o průměru 40 mm.
• Obsah legur (Cr, Mo, Ni, Mn, B) zvyšuje prokalitelnost — hloubku, do které se tvoří martenzit — a proto velké kritické díly používají legované značky spíše než nelegovanou uhlíkovou ocel.
• Tvrzení o tvrdosti po prokalení je třeba vždy ověřit na průřezu, který se skutečně obrábí, ideálně na zkušebním vzorku vyříznutém ze samotného dílu.

Kam Q&T patří mezi způsoby zpracování

Kalení a popouštění je vysoce výkonným členem rodiny tepelných zpracování. Normalizace a žíhání přeskupují strukturu při rovnovážných rychlostech ochlazování a dávají střední vlastnosti; Q&T rovnováhu zcela obchází, aby využilo martenzit, a proto může zušlechtěná legovaná ocel dosáhnout zhruba dvojnásobné meze kluzu oproti stejné oceli po normalizaci. Cenou je řízení procesu: deformace, kalicí trhliny a zbytkové pnutí jsou skutečná rizika, která žíhání nikdy nepředstavuje, a díl obvykle potřebuje přídavek na rovnání, přídavek na broušení nebo obojí. Tato výměna — maximální vlastnosti za maximální procesní disciplínu — je důvodem, proč se Q&T předepisuje záměrně, díl po dílu, a ne jako výchozí stav.