Koje vrste čelika mogu biti kaljene?

Bilo koja vrsta čelika koja sadrži veliku količinu ugljika može se mijenjati. Ovo je također poznato kao temperiranje. Ako element ne sadrži dovoljno ugljika, kristalna struktura se ne može promijeniti i nikakvo zagrijavanje neće promijeniti sastav materijala.

Čelik je jedan od najvažnijih i najznačajnijih metala na planeti. Iz kombinacije željeza i ugljika nastaje robusna, svestrana i široko korištena legura. Od zgrada, infrastrukture, rezervoara za vodu, automobila, mašina, kućanskih aparata do jednostavnog pribora kao što su viljuške i kašike, čini se da njegova primena nema ograničenja. To je zbog brojnih poželjnih osobina koje čelik ima. Jedno od ovih svojstava je tvrdoća, sposobnost materijala da se odupre deformaciji izazvanoj udubljenjem, udarcem ili abrazijom. Međutim, prirodna tvrdoća čelika nije uvijek dovoljna za određene inženjerske primjene, kao što su nosive konstrukcije i dijelovi motora. Zbog toga su razvijene metode za značajno povećanje tvrdoće zajedno sa drugim svojstvima čelika. Ove metode su poznate kao kaljenje čelika.

Kaljenje čelika se obično vrši na gotovim proizvodima, a ne na sirovinama. U CNC obradi, kaljenje čelika je proces naknadne obrade koji se izvodi na obrađenim dijelovima. Ovo se radi iz nekoliko razloga. Prije svega, nije ekonomično očvrsnuti cijeli blok čelika, jer će veliki postotak biti uklonjen u procesu obrade. Osim toga, kaljeni čelik je mnogo teže obraditi, jer tvrdoća dijela otežava prodiranje alata.

Unutrašnje konstrukcije čelika i njegova tvrdoća

Nemaju svi čelici koje vidimo imaju isti sastav. Naime, postoje različiti sastavi čelika za različite namjene. Razlika između čelika se svodi na njihovu unutrašnju strukturu. Kako se povećavala potreba za jačim metalima koji bi izdržali opterećenja, postalo je potrebno očvrsnuti čelik. Čelik u svom najosnovnijem obliku ima relativno nisku čvrstoću i tvrdoću. Međutim, modifikacija njegovih unutrašnjih struktura daje impresivne rezultate u njegovoj otpornosti i tvrdoći. Kaljenje čelika se jednostavno sastoji od procesa dizajniranih da pogoduju formiranju jedne određene unutrašnje strukture, a ne druge. Unutarnje čelične konstrukcije uključuju

martenzit

To je najtvrđi oblik unutrašnje kristalne strukture čelika. Brzo hlađenje austenitnog gvožđa stvara martenzit. Zbog svoje brze brzine hlađenja, ugljik je zarobljen u čvrstoj otopini koja uzrokuje stvrdnjavanje dijela. Izuzetno je tvrd i lomljiv. Martenzit ima igličastu, igličastu mikrostrukturu koja se pojavljuje kao lentikularne ploče ili trombociti koji dijele i dijele zrna matične faze, uvijek se dodiruju, ali nikada ne prelaze. Ova struktura se javlja u velikom broju sistema legura, uključujući Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenit

Austenit je sljedeća najtvrđa unutarnja čelična struktura nakon martenzita. Odnosi se na legure željeza u kojima je željezo gama. Obično se pojavljuje ispod 1500ºC i iznad 723ºC.

perlit

Perlit se razlikuje od martenzita po tome što se struktura perlita formira sporim hlađenjem. To je laminarni raspored ferita i cementita. Na 723ºC gama gvožđe se transformiše iz svoje FCC strukture u alfa gvožđe, terajući gvožđe karbid (cementit) iz rastvora.

Metode kaljenja čelika

Postoji nekoliko metoda za izvođenje kaljenja čelika. Ove metode mogu biti termičke, mehaničke, hemijske ili kombinacija dvije ili više njih. Procesi termičkog kaljenja su najčešći načini kaljenja čelika. Obično uključuju tri glavne faze, a to su zagrijavanje čelika, održavanje na određenoj temperaturi i hlađenje. Prva faza obično uključuje zagrijavanje metala na vrlo visoku temperaturu kako bi se izazvale strukturne promjene unutar njega. To također olakšava rad na metalu, kao što je promjena njegovog oblika. Različite metode kaljenja čelika su

hladan rad

Hladna obrada često mijenja svojstva čelika ili metala. Ova metoda kaljenja čelika jednostavno uključuje deformisanje metala na temperaturi ispod njegove tačke topljenja. Svojstva kao što su čvrstoća tečenja, vlačna čvrstoća i tvrdoća se povećavaju, dok se plastičnost i deformabilnost materijala smanjuju. Stvrdnjavanje deformacijom, koje je rezultat nakupljanja i zaplitanja dislokacija tokom plastične deformacije, bitan je način učvršćivanja elemenata. Iako se oko 90 posto energije tokom hladnog rada rasipa kao toplota, ostatak se pohranjuje u kristalnoj rešetki, čime se povećava njena unutrašnja energija.

Stvrdnjavanje čvrste legure

Stvrdnjavanje otopinom je dodavanje legirajućeg elementa osnovnom metalu kako bi se stvorila čvrsta otopina. Nakon skrućivanja, metal se stvrdnjava zbog prisustva atoma legure u kristalnoj rešetki osnovnog metala. Razlika u veličini između atoma rastvorene supstance i atoma rastvarača utiče na efikasnost čvrstog rastvora. Ako je atom otopljene tvari veći od atoma otapala, stvaraju se tlačna polja deformacije. Umjesto toga, ako je atom rastvarača veći od atoma otopljene tvari, stvaraju se polja vlačne deformacije. Otopljeni atomi koji izobličuju rešetku u tetragonalnu strukturu uzrokuju brzo stvrdnjavanje. Očigledan primjer je učinak cementita na čelik.

kaljenje i kaljenje

U kaljenju, koje se naziva i martenzitna transformacija, čelik se zagrijava iznad kritične temperature do opsega austenita, održava se na ovoj temperaturi, a zatim se brzo gasi ili, češće, u vodi, ulju ili vodi, rastopljenoj soli. Za hipoeutektoidne čelike, temperatura zagrijavanja je 30-50ºC iznad granice linije topljivosti austenita. Za hipereutektoidne čelike, temperatura je iznad eutektoidne temperature. Hlađenje uzrokuje martenzitnu transformaciju, koja znatno očvršćuje čelik. Međutim, kaljeni čelik je vrlo lomljiv. Stoga je kaljenje neophodno za ublažavanje unutrašnjih naprezanja i smanjenje lomljivosti. Maksimalna tvrdoća se postiže kada je brzina gašenja dovoljno brza da osigura potpunu transformaciju martenzita.

Očvršćavanje kućišta (u kutiji)

Kao što mu ime govori, očvršćavanje kućišta stvara tvrdu površinu, neophodnu za otpornost na habanje u aplikacijama kao što su radilice, ležajevi i slično. Ova metoda kaljenja čelika općenito uključuje jedan od tri pristupa:

Indukcija i stvrdnjavanje plamenom

Ovo je diferencijalna toplinska obrada površine. Površina se brzo zagrijava kako bi se spriječilo utjecaj na centar materijala. Materijal se tada mnogo brže hladi. Na taj način se na površini razvija visok nivo martenzita.

Difuzijsko stvrdnjavanje (nitriranje)

To je promjena sastava površine. Fine čestice se raspršuju omogućavajući odabranim plinovima da reagiraju i difundiraju u čelik. U ovom procesu, čelik se termički obrađuje kako bi se dobila kaljena martenzitna struktura. Zatim se izlaže atmosferi amonijaka na oko 550°C tokom 12-36 sati. Mali legirajući elementi, kao što su Al ili Crenhance, pogoduju formiranju fine disperzije nitrida, koji značajno povećavaju površinsku tvrdoću i otpornost na habanje. Ovaj nitridni sastav je daleko bolji od martenzita u pogledu tvrdoće.

karburizacija

Sastoji se od izlaganja čelika atmosferi koja sadrži ugljen na visokoj temperaturi. Ugljična atmosfera može se proizvesti iz visokokvalitetnog uglja ili disociranog prirodnog plina. Atomi ugljika difundiraju u pod-površinu metala, što rezultira visokokarbonskom kutijom koja nakon naknadnog hlađenja stvara tvrdu martenzitnu površinu otpornu na habanje.

Ispitivanje tvrdoće čelika

Tvrdoća nema određenu mjernu jedinicu. Umjesto toga, opisano je indeksnim brojevima. Postoji nekoliko testova tvrdoće, a indeks koji se koristi za opisivanje tvrdoće materijala ovisi o korištenom testu. Neki uobičajeni testovi tvrdoće su

Test tvrdoće po Brinellu

U ovom testu, čelična kugla poznatog promjera primjenjuje se kao opterećenje na površinu materijala. Brinellov broj tvrdoće (BHN) se zatim izračunava pomoću formule u donjoj tabeli. Mjeri se prečnik rezultirajućeg otiska; zajedno sa promjerom čelične kugle izračunava se BHN.

Vickersov test tvrdoće

U testu tvrdoće po Vickersu, opterećenje je dijamantska piramida sa kvadratnom bazom. Ovo opterećenje se primjenjuje na površinu materijala oko 30 sekundi. Površina piramidalnog otiska se izračunava i koristi za izračunavanje tvrdoće metala.

Knoopov test mikrotvrdoće

Ovaj test tvrdoće je specifičan za tanke listove ili vrlo lomljive materijale. Piramidalni dijamantski vrh stvara vrlo malo udubljenje u materijalu. Napravljeno udubljenje se zatim proučava pod mikroskopom i koristi za izračunavanje tvrdoće materijala.

Test tvrdoće po Rockwellu

Tvrdoća po Rockwellu razvijena je za mjerenje razlike u tvrdoći čelika prije i nakon toplinske obrade. Indenter može biti čelična kugla ili sferni dijamantski indenter. Tvrdoća se mjeri određivanjem dubine prodiranja u materijal. Obično se primjenjuju dva opterećenja. Manje opterećenje za stvaranje početnog otiska i veće opterećenje za glavni prodor.

Vrste čelika koji se mogu kaliti

Američki institut za željezo i čelik (AISI) klasifikuje čelik u četiri glavne grupe:

ugljenični čelici

Legirani čelici

Nerđajući čelici

alatnih čelika

Osnovni elementi čelika su željezo i ugljik. Međutim, različite količine ugljika i drugih legirajućih elemenata određuju svojstva svakog razreda. Sadržaj ugljika u bilo kojem čeliku određuje njegovu kaljivost, kao i njegovu maksimalnu moguću tvrdoću. Ovo je posebno tačno u slučaju gašenja, jer ugljenik pogoduje formiranju martenzita.

Ugljični čelik (UNS G{{0}}G15900, DIN 1.0xx)

Ugljični čelici su legure željeza koje sadrže do 2 posto ugljika. Često sadrže elemente legure u tragovima koji poboljšavaju određena svojstva. Na osnovu stvarne količine ugljika koju sadrže, ugljični čelici se mogu klasificirati na čelike s niskim udjelom ugljika, srednje ugljične čelike i visokougljične čelike.

niskougljični čelik

Također poznat kao blagi čelik, sadrži između {{0}}.08 i 0,35 posto ugljika. Zbog niskog sadržaja ugljika, niskougljični čelici se ne stvrdnjavaju. Međutim, mogu se očvrsnuti karburizacijom.

srednje ugljenični čelici

Ovi čelici sadrže između {{0}}.35 posto i 0.5 posto ugljika. Oni su jači od niskougljičnih čelika, ali su teži za obradu. Srednji ugljični čelici se lako kalju kaljenjem. Kada se legiraju sa tragovima mangana, njihova otvrdljivost se povećava. Srednji ugljični čelici su također kaljeni za primjene gdje je otpornost na habanje kritična, kao što su radilice.

visokougljični čelici

Visokougljični čelici sadrže više od 0,5 posto ugljika. Ova vrsta čelika je vrlo kaljiva zbog visokog sadržaja ugljika. Obično se stvrdnjavaju kaljenjem. Međutim, to ih čini prilično krhkim, pa je kaljenje neophodno.

Legirani čelici (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Osim sadržaja ugljika, kemijski sastav je još jedan faktor koji utječe na kaljivost čelika. Legirani čelici sadrže različite količine bakra, nikla, mangana, bora i vanadijuma. Ovi čelici su visoko kaljeni kaljenjem. To je zato što legirajući elementi usporavaju razgradnju austenita, tako lako formirajući martenzit u legiranim čelicima. Kaljenje u čvrstom rastvoru je takođe efikasan i uobičajen način kaljenja legiranih čelika.

Nerđajući čelici (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Nehrđajući čelici su čelici koji sadrže između 10 i 20 posto kroma kao glavnog legirajućeg elementa. Vrlo su otporni na koroziju i eroziju. U zavisnosti od strukture i sastava, nerđajući čelici se mogu klasifikovati na

Austenit

Austenitni čelici obično sadrže željezo, 18 posto hroma, 8 posto nikla i manje od 0.8 posto ugljika. Oni su najčešće korišteni tip nehrđajućeg čelika. Austenitni čelici nisu magnetski niti termički obrađeni. Međutim, lako se stvrdnjavaju hladnom obradom.

Feritici

Ovi čelici obično sadrže manje od 0.1 posto ugljika, između 12 i 17 posto hroma i tragove nikla. Feritni čelici su magnetni, ali se ne mogu očvrsnuti termičkom obradom. Hladna obrada je efikasan metod njihovog očvršćavanja.

martenzitna

Zbog svoje unutrašnje strukture, martenzitni čelici su prilično tvrdi. Ovi čelici sadrže do 1,2 posto ugljika, plus 12-17 posto hroma. Zbog svog relativno visokog sadržaja ugljika, martenzitni čelici lako se kalju toplinskom obradom.

Duplex

Dupleksni čelici imaju i feritnu i austenitnu mikrostrukturu. Ovi čelici su kaljeni termičkom obradom ili kaljenjem kućišta.

Precipitation Hardening

Čelici za stvrdnjavanje padavinama su nehrđajući čelici koji sadrže krom, nikal i druge legirajuće elemente kao što su bakar, aluminij i titan. Ovi legirajući elementi omogućavaju očvršćavanje nehrđajućeg čelika toplinskom obradom i starenjem. Mogu biti austenitni ili martenzitni.

Alatni čelici (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Kao što ime govori, alatni čelici se obično koriste u proizvodnji alata, kao što su alati za rezanje i bušenje. Obično sadrže volfram, kobalt, vanadijum i molibden. Ovi alati se mogu očvrsnuti hladnom obradom, kao i toplotnim tretmanom kao što je kaljenje.

Vrste čelika i njihov najprikladniji način kaljenja