HORKÉ TVÁŘENÍ

Tváření za tepla, známé také jako lisování nebo kalení ve formě, je výrobní proces, při kterém se kovové plechy tvarují při teplotách vyšších než teplota rekrystalizace. Konkrétní teplota pro tváření za tepla se liší v závislosti na typu použitého kovu. Obecně se teplota pro tento proces pohybuje mezi 40 a 60 % teploty tání příslušného kovu. Na rozdíl od tváření za studena, při němž se materiál zpracovává při pokojové teplotě, umožňuje tváření za tepla výrobu složitějších a přesnějších tvarů s větší pevností, protože zahřátím kovu se zlepšují jeho mechanické vlastnosti, zejména jeho tažnost, díky níž je materiál poddajnější a tvarovatelnější. 

Rekrystalizační teplota je teplota, při které se deformovaný kov upravuje tak, aby se obnovila jeho původní krystalická struktura, která byla změněna mechanickým zpracováním, jako je válcování, tažení nebo kování. Během procesu rekrystalizace rostou nové krystality bez napětí, které nahrazují deformované struktury. To vede ke snížení vnitřních pnutí a zvýšení tažnosti materiálu.

Teplota rekrystalizace se obvykle pohybuje kolem 50 % až 60 % teploty tání kovu, měřeno v Kelvinech. Může se však lišit v závislosti na typu kovu, stupni předchozí deformace a dalších legujících prvcích, které mohou teplotu ovlivnit. Proces rekrystalizace má zásadní význam pro obnovení vlastností kovu a často se používá k úpravě materiálů po deformaci a zlepšení jejich zpracovatelnosti.

Teplota rekrystalizace kovu závisí na jeho specifickém složení a předúpravě. Obvykle se teplota rekrystalizace většiny kovů pohybuje mezi 1/3 a 1/2 jejich absolutní teploty tání (měřeno v Kelvinech). Například u oceli, jejíž teplota tání je přibližně 1500 °C (neboli 1773 Kelvinů), se teplota rekrystalizace obvykle pohybuje mezi 450 °C a 700 °C. Může se však lišit v závislosti na konkrétním složení a předúpravě kovu. Může se však lišit v závislosti na tom, které legující prvky jsou přítomny a jak byla ocel zpracována. Rekrystalizační teploty jsou důležité pro řízení procesů, jako je žíhání, při němž se materiál zahřívá, aby se snížilo napětí a zpevnění způsobené zpracováním za studena.

Pro tváření za tepla se obvykle používají slitiny vysokopevnostních ocelí, které se tváří při vysokých teplotách a poté se rychle ochladí (kalí), aby se dosáhlo vysoké pevnosti. Tepelně zpracovaná ocel 22MnB5 legovaná bórem, známá také pod obchodními názvy BTR 1650 a Usibor 1500, se v současné době používá především pro hlubokotažné součásti vozidel. Tato mangan-borová ocel se vyznačuje vysokou pevností v tahu. Ve výchozím stavu se pevnost v tahu pohybuje kolem 500 MPa. Procesem kalení v lisu lze pevnost oceli zvýšit až na 1 650 MPa. Díky tomuto výraznému zvýšení pevnosti je ocel 22MnB5 ideální pro výrobu bezpečnostně významných a těžkých součástí v konstrukci vozidel.

Komponenty tvářené za tepla získávají svou mimořádnou pevnost díky speciálnímu výrobnímu procesu. Tento proces začíná zahřátím ocelového plechu, který má feriticko-perlitickou počáteční mikrostrukturu, na teplotu přibližně 900 až 950 °C. Tímto zahřátím se ocel změní na austenitickou mikrostrukturu, čímž se stane kujnější a usnadní se tváření složitých geometrií. Tímto zahřátím se ocel přemění na austenitickou mikrostrukturu, čímž se materiál stane kujnějším a usnadní se tváření složitých geometrií.

Jakmile plech získá požadovaný tvar, je velmi rychle ochlazen ve speciálně vyvinuté formě. Toto rychlé ochlazení, často označované jako kalení, vede k opětovné přeměně mikrostruktury oceli. Zejména vznik velmi tvrdé fázové struktury zvané martenzit je zodpovědný za vysokou pevnost konečného výrobku. Martenzitické oceli se vyznačují vysokou pevností a houževnatostí, což je předurčuje k náročným aplikacím v automobilovém průmyslu, například k výrobě bezpečnostně kritických součástí.

Díky tomuto procesu mohou mít součásti tvářené za tepla výrazně vyšší pevnost než díly vyráběné běžnými postupy tváření za studena.

Tvarování za tepla nabízí řadu výhod, zejména v odvětvích, která kladou vysoké nároky na pevnost a přesnost materiálu, jako je například automobilový průmysl. Nejdůležitější výhody jsou shrnuty zde:

• Zvýšená pevnost a trvanlivost: Zahřátím kovu před tvářením a rychlým ochlazením po tváření se vytvoří mikrostruktura, která vede ke zvýšení pevnosti. Zejména tvorba martenzitu v oceli zvyšuje její tvrdost a odolnost proti opotřebení, což je zásadní pro komponenty důležité z hlediska bezpečnosti.
• Složité geometrie: Větší kujnost kovu při vysokých teplotách umožňuje výrobu složitých a přesných tvarů, které často nejsou možné při tváření za studena. To je výhodné zejména pro vývoj součástí se speciálními konstrukčními požadavky.
• Snížení napětí: Protože je kov během tváření za tepla plastičtější, lze minimalizovat vnitřní pnutí, která by mohla vzniknout během tváření. Tím se zlepšuje celková strukturální integrita hotové součásti.
• Snížení zpětného rázu: U součástí tvářených za tepla je méně pravděpodobné, že se po tváření vrátí do původního tvaru, což se označuje jako zpětný ráz. To vede k větší přesnosti a správnosti lícování ve výrobě.
• Efektivita a hospodárnost: Ačkoli tváření za tepla vyžaduje vysoké náklady na energii potřebnou k ohřevu materiálu, může být celkově hospodárnější díky omezení následných kroků zpracování, jako je řezání, svařování nebo další tváření. Efektivitu výroby zvyšuje také možnost spojit více výrobních kroků do jednoho procesu.
• Využití materiálu: Schopnost dosáhnout přísnějších tolerancí a složitějších tvarů pomáhá optimalizovat spotřebu materiálu a snížit množství odpadu. To přispívá k udržitelnosti výrobního procesu.
• Lepší tažnost: Tepelné zpracování zvyšuje tažnost některých kovů, což snižuje riziko vzniku trhlin v materiálu během procesu tváření.

Při zahřívání oceli za tepla dochází k různým procesům, které ovlivňují její mechanické vlastnosti:

Při mírných teplotách (pod teplotou rekrystalizace) se snižují některé mřížkové vady způsobené deformací. Tím se snižují vnitřní napětí v materiálu.

• Rekrystalizace: Nad teplotou rekrystalizace vznikají nová, nezdeformovaná krystalová zrna. Tím se ocel stává měkčí a tvárnější.
• Fázová přeměna: Při vyšších teplotách dochází k důležitým fázovým přeměnám:
  • Austenitizace: Mezi přibližně 723 °C a 910 °C se feriticko-perlitická struktura mění na austenit, fázi, která může rozpouštět více uhlíku.
  • Tvorba martenzitu: Při rychlém ochlazení austenitické oceli vzniká martenzit, velmi tvrdá a křehká fáze s jehlicovitou strukturou.
• Růst zrn: Dlouhodobé udržování při vysokých teplotách může vést ke vzniku větších krystalových zrn, což může snížit pevnost a houževnatost oceli.
• Srážecí a legující účinky: Různé legující prvky se mohou při vysokých teplotách vysrážet a materiál zpevnit nebo zkřehnout.
• Difuze: Difuzní procesy se při vysokých teplotách zrychlují, což vede k homogenizaci legujících prvků a může eliminovat segregaci.

Tyto procesy se používají speciálně při tepelném zpracování, aby se dosáhlo požadovaných vlastností oceli, ať už kalením, popouštěním, žíháním nebo normalizací. 

Austenitická ocel je typ nerezové oceli známý svou vynikající odolností proti korozi a tažností. Zde jsou uvedeny nejdůležitější vlastnosti austenitické oceli:

• Vysoký obsah chromu a niklu: austenitické oceli obvykle obsahují vysoké množství chromu a niklu, což jim dodává vynikající odolnost proti korozi.
• Nemagnetické: V plně austenitickém stavu jsou tyto oceli obvykle nemagnetické, což může být v některých aplikacích výhodné.
• Dobrá tvářitelnost: Snadno se tvářejí a obrábějí, takže jsou ideální pro různé výrobní procesy.
• Výborná svařitelnost: Austenitické oceli se dobře svařují, aniž by byly náchylné k praskání nebo jiným vadám svařování.
• Dobrá houževnatost: Zachovávají si dobrou houževnatost i při velmi nízkých teplotách, takže jsou vhodné pro kryogenní aplikace.
• Žáruvzdornost: Austenitické oceli odolávají vysokým teplotám, aniž by ztratily své mechanické vlastnosti, a jsou tak ideální pro aplikace vyžadující vysoké provozní teploty.

Díky této kombinaci vlastností jsou austenitické oceli oblíbenou volbou při tváření za tepla i v průmyslových odvětvích, jako je automobilový průmysl, potravinářství, zdravotnická technika, architektura a chemický průmysl.

Austenit ist eine Phase oder eine Kristallstruktur in Stahl und anderen Eisenlegierungen, die bei hohen Temperaturen wie beispielsweise während der Warmumformung entsteht. Diese Struktur ist kubisch-flächenzentriert (KFZ) und zeichnet sich durch eine hohe Anzahl von Gleitebenen aus, was dem Material eine gute Duktilität und Zähigkeit verleiht. Austenit entsteht typischerweise, wenn Stahl über die sogenannte A3-Temperatur (die Temperatur, bei der sich Ferrit in Austenit umwandelt) erhitzt wird und ist bei Raumtemperatur in reinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen nicht stabil. Er kann jedoch durch Zugabe von Legierungselementen wie Nickel, Mangan oder Stickstoff bei niedrigeren Temperaturen stabilisiert werden, was in vielen rostfreien und hochlegierten Stählen der Fall ist. Austenit ist besonders wichtig für die Herstellung von austenitischem rostfreiem Stahl, der eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften bietet.

Eigenschaften von Austenit: 

• Hohe Duktilität und Zähigkeit: Austenitische Strukturen können sich erheblich dehnen, bevor sie brechen. Diese Eigenschaft macht sie sehr zäh und verformbar, was in Anwendungen, die eine hohe mechanische Belastung erfordern, von Vorteil ist.

• Nicht magnetisch: Im reinen Zustand ist Austenit nicht magnetisch, was ihn in elektrischen und elektronischen Anwendungen sowie dort, wo Magnetismus unerwünscht ist, nützlich macht.

• Gute Korrosionsbeständigkeit: Austenitische Stähle bieten aufgrund ihres hohen Chrom- und Nickelgehalts eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegen viele Chemikalien und korrosive Umgebungen.

• Gute Schweißbarkeit: Austenitische Strukturen sind aufgrund ihrer hohen Zähigkeit und Duktilität leicht zu schweißen und neigen weniger zu Rissbildung beim Schweißen als andere Stahlphasen.

• Kryogene Eigenschaften: Austenit bleibt auch bei sehr niedrigen Temperaturen zäh und fest, was ihn für kryogene Anwendungen geeignet macht, bei denen viele andere Materialien spröde werden.

• Wärmebeständigkeit: Austenit behält seine mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei, was ihn für Anwendungen wie Hochtemperaturöfen und -motoren nützlich macht.

Das Abschrecken von Stahl nach dem Erwärmen auf Härtetemperatur ist in der Warmumformung notwendig, um die austenitische Struktur des erhitzten Stahls schnell in Martensit umzuwandeln. Dieser Vorgang erhöht die Härte und Festigkeit des Stahls, indem er die Bildung weicherer Phasen wie Ferrit oder Perlit verhindert. Das schnelle Abkühlen fixiert die Atome in einer überstrukturierten, harten Form, die für Anwendungen mit hohen Belastungen ideal ist.

Neben der Automobilindustrie wird die Warmumformung auch in der Luftfahrt, im Bauwesen und in der Konsumgüterindustrie eingesetzt, überall dort, wo hohe Festigkeit und Komplexität der Bauteile gefragt sind.