Kalení je jedním z nejdůležitějších způsobů tepelného zpracování kovů, především oceli. Tento proces slouží ke zvýšení tvrdosti a pevnosti materiálu, což je nezbytné pro výrobu nástrojů, strojních součástí a dalších vysoce namáhaných dílů.
Co je kalení?
Kalení je tepelný proces, při kterém je kov zahřát na kalení teplotu (obvykle mezi 800–1000 °C), následně rychle ochlazen v kalicí lázni (např. ve vodě, oleji, polymeru nebo plynu). Díky tomu dochází ke změně mikrostruktury materiálu, což vede k výraznému zvýšení tvrdosti a pevnosti.
Proces kalení je běžně používán u uhlíkových a legovaných ocelí, ale také u některých litin, nerezu nebo titanových slitin.
Využití kalení v průmyslu
Kalení se využívá v širokém spektru průmyslových odvětví:
Automobilový průmysl – ozubená kola, vačkové hřídele, klikové hřídele, ventily.
Strojírenství – nástroje, ložiska, formy pro vstřikování plastů.
Zbrojní průmysl – hlavně zbraní, pancíř, střely.
Letecký průmysl – konstrukční díly motorů, podvozky.
Nástrojářství – pilníky, vrtáky, frézy, břity řezných nástrojů.
Typy kalení
Existuje několik typů kalení v závislosti na požadovaných vlastnostech materiálu:
Plné kalení
✔ Ocel se zahřeje nad kritickou teplotu (AC3 u hypo-eutektoidních ocelí, AC1 u hyper-eutektoidních) a rychle se ochladí.
✔ Cíl: Maximální tvrdost a pevnost díky vzniku martenzitické struktury.
✔ Použití: nástroje, ložiska, ozubená kola.
Povrchové kalení
✔ Zahřívání pouze povrchové vrstvy (např. indukčně, laserem, plamenem) a následné rychlé ochlazení.
✔ Cíl: Tvrdý povrch a houževnaté jádro pro odolnost proti opotřebení.
✔ Použití: ozubená kola, hřídele, vačky.
Přerušované (baňkované) kalení
✔ Materiál se nejprve ochlazuje rychle a poté pomaleji, čímž se snižuje riziko vzniku pnutí a prasklin.
✔ Cíl: Zachování houževnatosti při vyšší tvrdosti.
✔ Použití: masivní díly, které by mohly prasknout při klasickém kalení.
Izotermické kalení (bainitizace)
✔ Kalení s udržením na určité teplotě pro vytvoření bainitické struktury, která je tvrdší než perlit, ale houževnatější než martenzit.
✔ Cíl: Vyšší houževnatost při zachování dostatečné tvrdosti.
✔ Použití: pružiny, spojovací materiály.
Proces kalení
1. Zahřívání
Materiál se zahřeje na požadovanou teplotu, která závisí na jeho chemickém složení a požadovaných vlastnostech.
2. Výdrž na teplotě
Umožňuje rovnoměrné prohřátí materiálu a přeměnu struktury na austenit.
3. Rychlé ochlazování
Materiál je prudce zchlazen v kalicí lázni, což vede k tvorbě martenzitu – velmi tvrdé, ale křehké fáze.
4. Popouštění (nutný následný krok!)
Po kalení se provádí popouštění, které mírně sníží tvrdost, ale zároveň zvýší houževnatost.
Kalicí média a jejich vliv na kalení
Výběr kalicího média výrazně ovlivňuje výsledné vlastnosti materiálu:
Voda – velmi rychlé ochlazení, riziko prasklin, používá se u nízkolegovaných ocelí.
Olej – pomalejší chlazení, snižuje deformace a praskání, vhodné pro legované oceli.
Plyn (dusík, hélium, vodík) – používané při vakuovém kalení, minimalizuje oxidaci.
Polymerní roztoky – regulovatelné chlazení, často používané pro velké součásti.
Výhody a nevýhody kalení
✔ Výhody:
Zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.
Možnost cíleného kalení pouze povrchových vrstev.
Možnost kombinace s jinými metodami tepelného zpracování.
✖ Nevýhody:
Zvýšená křehkost materiálu.
Možnost vzniku pnutí a prasklin při nesprávném ochlazení.
Nutnost popouštění pro dosažení optimálních vlastností.
Alternativy ke kalení
Kalení lze v některých případech nahradit jinými metodami:
Nitridace – chemicko-tepelná úprava, při které se na povrchu tvoří velmi tvrdá vrstva nitridů.
Cementace – obohacení povrchové vrstvy uhlíkem, následované kalením.
Karboboritizace – kombinace cementace a boridizace pro zvýšení tvrdosti povrchu.
Tváření za studena – zvýšení pevnosti a tvrdosti díky plastické deformaci.
Závěr
Kalení je klíčový proces tepelného zpracování kovů, který umožňuje výrazné zvýšení tvrdosti a pevnosti materiálu. Správné provedení kalení a následného popouštění je nezbytné pro dosažení optimálních vlastností, jako je kombinace tvrdosti a houževnatosti.
Díky široké škále dostupných metod kalení lze přizpůsobit mechanické vlastnosti materiálu konkrétním požadavkům průmyslu, ať už jde o výrobu nástrojů, ozubených kol, ložisek nebo součástí pro automobilový a letecký průmysl.