Toplinska obrada metala

3.1.3 Toplinska obrada
Toplinskom obradom bitno se poboljšavaju svojstva čelika. Postupci toplinske obrade koji se primjenjuju su žarenje, normalizacija, kaljenje, napuštanje, poboljšanje, cementiranje i nitriranje. Ovi postupci provode se pri raznim temperaturama koje ovise o postotku ugljika, kao što je i prikazano na dijagramu čelika koji opisuje područja temperatura potrebnih za toplinsku obradu čelika (sl. 3.1.4).

Žarenjem se smanjuju unutrašnja naprezanja nastala nejednolikim hlanenjem pri proizvodnji. Žarenje se vrši polaganim zagrijavanjem na 600÷650°C, zadržavanjem neko vrijeme na toj
temperaturi te polaganim hlanenjem. Na ovoj povišenoj temperaturi u materijalu nastaju plastične deformacije te se unutarnja naprezanja izjednačuju. Žarenjem iznad temperature 720°C (meko žarenje) povećava se obradivost materijala, no istodobno smanjuje čvrstoća i tvrdoća.

Normalizacija je slična žarenju gdje se zagrijavanje vrši na temperaturi višoj od one kod žarenja (do temperature kaljenja) uz vrlo spori postupak hlanenja, čime se postiže sitnozrnata struktura.

Kaljenjem se čelični izradak zagrije na temperaturu kaljenja te se naglo ohladi u vodi ili ulju, čime je onemogućen proces rekristalizacije pri hlanenju pa se postiže veća tvrdoćai čvrstoća uz smanjenje žilavosti materijala. Zakaljivost čelika (mogućnost kaljenja pri nižoj temperaturi) se povećava povećanjem udjela ugljika. Zakaljivost čelika sa 2÷3% ugljika je vrlo mala. Potrebna brzina hlanenja kod legiranih čelika je nešto manja od ugljičnih te je dovoljno i hlanenje na zraku (samozakaljivost).
Napuštanje je proces grijanja na temperaturu od 100÷400°C, popraćen polaganim hlanenjem. Ovime se smanjuje krhkost i unutarnja naprezanja nastala procesom kaljenja.

Poboljšanje je proces koji obuhvaća provedbu kaljenja i napuštanja.

Površinsko kaljenje je proces koji se koristi kada se želi lokalno poboljšati čvrstoća i tvrdoća određenih površina strojeva i strojnih dijelova, uz zadržavanje žilavosti nosive jezgre izratka.
Karakteristične su strojne staze po kojima se vrši klizanje drugih dijelova i rukavci osovina. Za zagrijavanje površine koriste se plinski plamenici ili visokofrekventne struje.
Cementiranje je postupak koji se primjenjuje kod nekaljivih čelika nanošenjem (uranjanjem u ugljenu prašinu) sloja ugljika na površinu. Ovime se na površini lokalno poveća udio ugljika,
tako da površina postane kaljiva, a nakon naglog hlanenje jezgra i dalje ostaje žilava. Proces pougljavanja vrši se vrlo sporo (12-16 sati za pougljavanje dubine do 2 mm) na temperaturi
iznad 720°C.

Nitriranje je postupak sličan je cemetiranju, gdje se površina dovodi u kontakt sa strujom dušika koji se veže sa željezom te tvori vrlo tvrde kristale željeznog nitrida (Fe4N). Ovako dobiveni površinski sloj vrlo je tvrd i otporan na trošenje. Nitriranjem se povečava dinamička čvrstoćai otpornost prema koroziji. Postupak nitriranja vrlo je polagan, moguće je nitrirati samo male površine pa se za veće izratke primjenjuje cementiranje.