Гашење

У науци о материјалима, гашење (енгл. quenching) представља брзо хлађење обрађиваног предмета у води, уљу ил на ваздуху ради остваривања одређених својстава материјала. Гашење је тип термичке обраде којим се спречавају нежељени ниско температурни процеси, као што је одвијање фазних трансформација. То се остварује путем редуковања временског интервала током кога су те нежелене реакције термодинамички пововољне, и кинетички прихватљиве; на пример, гашењем се може редуковати величина кристалних зрна у металуршким и пластичним материјалима, чиме се повечава њихова тврдоћа.

Кокс се гура у колицима за гашење. Снимак са Хана пећи предузећа Great Lakes Steel у Детроиту у Мичигену из новембера 1942.

У металургији, гашење се најчешће користи за отрвдњавање челика путем уовђења мартензита, у ком случају челик мора да буде брзо охлађен кроз његову еутектичку тачку, температуру на којој аустенит постаје нестабилан. У челичним легурама са маталима као што су никал и манган, еутектичка температура постаје знатно нижа, док кинетичке баријере за фазне трансформације остају исте. То омогућава да хлађење почне на нижој температури, што знатно олакшава процес. Брзорезни челик исто тако има додат волфрам, који повишава кинетичку баријеру и даје илузију да је материјал хлађен брже него што је стварно учињено. Чак и споро хлађење такве легуре на ваздуху пружа већину жељених ефеката каљења.

Екстремно брзо хлађење може да спречи формирање свих кристалних структура, исход чега је аморфни метал или „метално стакло”.

Каљење челика

Копија револвера Колт 1873, на којој се виде боје од каљења или отврдњавања површине челика.

Каљени челик након попуштања. Различите боје показују температуре на које је челик био загријан. Светло жута боја на левој страни приказује температуру од 204 °Ц, а светло плава боја на десној страни показује температуру од 337 °Ц.

Дијаграм изотермне претворбе или изотермни ТТТ дијаграм (енгл. Time-temperature transformation) за челик.

Каљење челика је топлотна обрада којом се постиже отврднуће челика. Оно се састоји од аустенизације (загријавање у γ-подручје или аустенит) и охлађивања таквом брзином да се знатан дио (најбоље цијели дио) аустенита претвори у мартензит. Температура каљења (аустенизације) искуствено се израчунава применом вредности температуре A_c3 (за подеутектоидне) и температуре A_c1 (за надеутектоидне челике):

T_K = A_c3 + (30 – 70) K; односно T_K = A_c1 + (50 – 70) K

Код челика су те температуре увек наведене, и то с напоменом у којем се средству челик кали. Каљење може бити у у сланој води, води, уљу или ваздуху.

Тврдоћа челика

Тврдоћа челика (мартензита) након каљења зависи највише од удела угљеника. Код челика с малим уделом угљеника (мањим од 0,25%) након каљења се постиже премала тврдоћа, а и због делимичног разугљеничења површине. Због тога се челици с уделом угљеника мањим од 0,3% у правилу не кале, за разлику од челика за побољшање с уделом угљеника од 0,3% до 0,6%. При каљењу настају у челику напрезања због фазног претварања (разлике у запреминама између аустенита и мартензита). Због тих напрезања челик се може деформирати или пукнути.

Минимална напрезања (теоријски нула) у челику постижу се такозваним каљењем без напрезања (мартемперинг), што је посебан облик ступњевитог каљења при којем настаје мартензит истовремено по целом пресеку. Напрезања каљења смањују се такође и применом тзв. прекинутог каљења, када се челик кали у средству с већим, а затим с мањим интензитетом охлађивања.

Унутарња напрезања у каљеном челику смањују се изотермним жарењем (попуштањем) на температурама од 150 ºC до 200 ºC (без осетног снижења механичких својстава челика) или топлотним обрадама који следе након каљења.

Каљивост челика, односно његова тврдоћа након каљења, зависи пре свега од удела угљеника у челику. Тврдоћа мартензита се повећава с повећањем удела угљеника у мартензиту до приближно 0,6%.

Прокаљивост је могућност закаљивања челика у дубину, а зависи о више утицајних чиниоца. Највећи утицај на прокаљивост имају легирни елементи. Прокаљивост једни повећавају (Mn, Cr, Mo, Ni), а други је смањују (Co, Al, Ti, V). Деловање на прокаљивост зависи од врсте појединачних легирних елемената или од групе легирних елемената, те од њихових удела. Деловање угљеника на прокаљивост занемариво је у поређењу с деловањем легирних елемената. Прокаљивост челика упоређује се на темељу Џоминијевог експеримента, а прокаљивост челичних делова оцењује се на основу критичног пречника, који се одређује по Гросмановој методи.

Побољшавање

Побољшавање је сложена топлотна обрада која се састоји од каљења, те попуштања при повишеним температурама. Побољшавањем се могу постићи оптималне комбинације чврстоће, тврдоће и жилавости челика за одређену примену. Највећи учинак има та топлотна обрада код челика за побољшање с уделом угљеника од 0,3% до 0,6%, а деле се на угљичне и легиране.

Након каљења челици имају велику чврстоћу, али су веома крти. Попуштањем се повећава жилавост каљеног челика, а смањује се чврстоћа. Попуштање је топлотна обрада, у правилу након каљења, како би се постигла одређена својства, пре свега жилавост и дуктилност. Састоји се од загревања на одређену температуру (испод А_ц1), изотермног држања на тој температури (нпр. 1 сат) и охлађивања примереном брзином. Поступак се може и поновити.

Мартензитна је микроструктура челика нестабилна и мења се при загријавању на повишене температуре. Промене зависе од температуре попуштања која сеже од приближно 100 ºC до температуре А_е1. Одабиром температуре попуштања могу се постићи све могуће вредности чврстоће челика између каљеног и практично жареног (сфероидизованог) стања.

Посебан је пример побољшавања тзв. изотермно побољшавање (аустемперинг), кад се челик с температуре аустенизације брзо охлади у солној или ковинској купки, у температурном подручју баинита, те изотермно трансформише у баинит, који има сразмерно велику чврстоћу и жилавост.

Челици за побољшавање

Челици за побољшавање припадају групи нелегираних или нисколегираних конструкцијских челика који каљењем и високим попуштањем (>500 °Ц) постижу одговарајућу границу развлачења, затезну чврстоћу и жилавост. Каљењем се настоји да се постигне што потпунија мартензитна микроструктура по пресеку, тј. што виша прокаљености. Ова група челика садржи 0,25 - 0,60% угљеника који утиче на њихову закаљивост. У челике за побољшање убрајају се и челици за цементацију који нису поугљеничени, али су каљени с температуре аустенитизације језгре, те попуштени при температури око 200 °Ц или изнад 500 °Ц.

Челици за површинско каљење

Главни чланак: Отврдњавање површине челика

Пламеним или индукцијским површинским каљењем може се постићи висока отпорност на трошење и динамичка издржљивост површинских слојева неких челика за побољшање. Таквим поступком постижу се својства површине која су слична својствима цементираног челика, али су својства средине пресека знатно боља.

Површински се могу калити нелегирани или нисколегирани челици с око 0,35 - 0,60% угљеника, који се због високе топлотне продљивости могу брзо загравати и хладити, а да не дође до великих топлотних напрезања и површинских напукнућа. Ова група челика има снижени удео фосфора (< 0,025% нелегирани, тј. < 0,035% нисколегирани челици), што осигурава високу жилавост и једноличност тврдоће закаљеног слоја. Према нормама (ДИН и ХРН) најчешће се за површинско каљење користе челици: Ц35Г (Ч 1431), Ц45Г (Ч 1531), Ц53Г (Ч 1633), 46Цр2 (Ч 4133), 42ЦрМо4 (Ч 4732).

Гашење челика

Гашење спада у поступке топлотне обраде металних легура, а спроводи се у сврху постизања одговарајућих механичких својстава легура без настанка лома, уз толерантну разину деформација и заосталих напрезања. Уопштено, гашење челика је хлађивање челика с температуре аустенитизације брзинама већим од брзина које одговарају хлађивању на мирном ваздуху. Због великих брзина охлађивања, гашењем се онемогућују равнотежне претварања при хлађивању, а легура се удаљује од стабилног стања. Две су основне врсте гашења:

• каљење при којем се високотемпературна фаза трансформира у нову неравнотежну фазу;
• гашење без фазних претварања када се у легури устаљује високотемпературна фаза.

Литература

• Љубомир Недељковић, „Металургија челика“, Скрипта, Технолошко-Металуршки Факултет у Београду, 1985
• Љубомир Недељковић, „Металургија специјалних челика“, Скрипта, Технолошко-Металуршки Факултет у Београду, 1985
• H. Schuman, H. Oettel, "Metallografie", WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005
• Stalschluessel-Taschenbuch, Verlag Stalschluessel Wegst GmbH, Marbach, 2001
• Дунцан, Јамес П. анд Лаwсон, Јамес L. Qуенцх Пресс. У.С. Патент 4360189. Новембер 1982. http://www.freepatentsonline.com/4360189.html
• Robert W. Cahn; Peter Haasen, ур. (1996). Physical Metallurgy. 2. Elsevier Science. 
• Alvarenga, H. D.; Van de Putte, T.; Van Steenberge, N.; Sietsma, J.; Terryn, H. (8. 10. 2014). „Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels”. Metallurgical and Materials Transactions A. 46: 123—133. S2CID 136871961. doi:10.1007/s11661-014-2600-y. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• B.B. Patra; Biswajit Samantray (2011). Engineering Chemistry I. Dorling Kindersley. 
• Dossett, Jon L.; Boyer, Howard E. (2006). Practical heat treating. ASM International. 
• Rajan, T. V.; Sharma, C. P.; Sharma, Ashok (1992). Heat Treatment: Principles and Techniques. Prentence Hall. 
• „The National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors”. www.nationalboard.org. Архивирано из оригинала 20. 12. 2010. г. Приступљено 29. 4. 2018. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Najdahmadi, A.; Zarei-Hanzaki, A.; Farghadani, E. (1. 2. 2014). „Mechanical properties enhancement in Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr alloy via heat treatment with no detrimental effect on its biocompatibility”. Materials & Design. 54: 786—791. ISSN 0261-3069. doi:10.1016/j.matdes.2013.09.007. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Andrews, Jack (1994). New Edge of the Anvil: a resource book for the blacksmith. 
• „PMPA's Designer's Guide: Heat treatment”. Архивирано из оригинала 2009-07-14. г. Приступљено 2009-06-19. 
• „Made in the Midlands | Fluidised beds: A Green Alternative to Salt Baths”. claytonholdings.madeinthemidlands.com. Архивирано из оригинала 2016-02-07. г. Приступљено 2015-06-02. 
• Reed-Hill, Robert (1994). Principles of Physical Metallurgy (3rd изд.). Boston: PWS Publishing. 
• Pavlina, E. J.; Tyne, C. J. Van (1. 12. 2008). „Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness for Steels”. Journal of Materials Engineering and Performance. 17 (6): 888—893. Bibcode:2008JMEP...17..888P. S2CID 135890256. doi:10.1007/s11665-008-9225-5. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Manufacturing Processes Reference Guide by Robert H. Todd, Dell K. Allen, and Leo Alting pg. 410
• Nichols R (29. 7. 2001). „Quenching and tempering of welded carbon steel tubulars”. The Fabricator. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Lambers HG, Tschumak S, Maier HJ, Canadinc D (април 2009). „Role of Austenitization and Pre-Deformation on the Kinetics of the Isothermal Bainitic Transformation”. Metall Mater Trans A. 40 (6): 1355—1366. Bibcode:2009MMTA...40.1355L. S2CID 136882327. doi:10.1007/s11661-009-9827-z. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• „Austenitization”. 
• Kilicli V, Erdogan M (2008). „The Strain-Hardening Behavior of Partially Austenitized and the Austempered Ductile Irons with Dual Matrix Structures”. J Mater Eng Perf. 17 (2): 240—9. Bibcode:2008JMEP...17..240K. S2CID 135484622. doi:10.1007/s11665-007-9143-y. 
• Batra U, Ray S, Prabhakar SR (2003). „Effect of austenitization on austempering of copper alloyed ductile iron”. Journal of Materials Engineering and Performance. 12 (5): 597—601. S2CID 135865284. doi:10.1361/105994903100277120. 
• Chupatanakul S, Nash P (август 2006). „Dilatometric measurement of carbon enrichment in austenite during bainite transformation”. J Mater Sci. 41 (15): 4965—9. Bibcode:2006JMatS..41.4965C. S2CID 137527848. doi:10.1007/s10853-006-0127-3. CS1 одржавање: Формат датума (веза)

Spoljašnje veze

• Медији везани за чланак Gašenje на Викимедијиној остави
• International Heat Treatment Magazine
• A thorough discussion of tempering processes
• Webpage showing heating glow and tempering colors