Које врсте челика могу бити каљене?

Било која врста челика која садржи велику количину угљеника може се променити. Ово је такође познато као каљење. Ако елемент не садржи довољно угљеника, кристална структура се не може променити и никакво загревање неће променити састав материјала.

Челик је један од најважнијих и најзначајнијих метала на планети. Из комбинације гвожђа и угљеника настаје робусна, свестрана и широко коришћена легура. Од зграда, инфраструктуре, резервоара за воду, аутомобила, машина, уређаја до једноставног прибора као што су виљушке и кашике, чини се да њихова примена нема ограничења. То је због многих пожељних особина које челик има. Једно од ових својстава је тврдоћа, способност материјала да се одупре деформацији изазваној удубљењем, ударцем или абразијом. Међутим, природна тврдоћа челика није увек довољна за одређене инжењерске примене, као што су носиве конструкције и делови мотора. Због тога су развијене методе за значајно повећање тврдоће заједно са другим својствима челика. Ове методе су познате као каљење челика.

Каљење челика се обично врши на готовим производима, а не на сировинама. У ЦНЦ машинској обради, каљење челика је процес накнадне обраде који се изводи на обрађеним деловима. Ово се ради из неколико разлога. Прво, није економично очврснути цео блок челика, јер ће велики проценат бити уклоњен у процесу обраде. Поред тога, каљени челик је много теже обрађивати, јер тврдоћа дела отежава продирање алата.

Унутрашње конструкције челика и његова тврдоћа

Немају сви челици које видимо имају исти састав. Тачније, постоје различити састави челика за различите намене. Разлика између челика се своди на њихову унутрашњу структуру. Како се повећала потреба за јачим металима да издрже оптерећења, постало је неопходно очврснути челик. Челик у свом најосновнијем облику има релативно малу чврстоћу и тврдоћу. Међутим, модификација његових унутрашњих структура даје импресивне резултате у његовој отпорности и тврдоћи. Очврсни челик се једноставно састоји од процеса дизајнираних да подстакну формирање једне одређене унутрашње структуре, а не друге. Унутрашње челичне конструкције укључују

мартензит

То је најтежи облик унутрашње кристалне структуре челика. Брзо хлађење аустенитног гвожђа формира мартензит. Због своје брзе брзине хлађења, угљеник постаје заробљен у чврстом раствору што доводи до стврдњавања дела. Изузетно је тврд и крхак. Мартензит има игличасту игличасту микроструктуру која се појављује као лентикуларне плоче или тромбоцити који деле и деле зрна матичне фазе, увек се додирују, али никада не прелазе. Ова структура се јавља у великом броју система легура, укључујући Фе-Ц, Фе-Ни-Ц.

аустенит

Аустенит је следећа најтврђа унутрашња структура челика после мартензита. Односи се на легуре гвожђа у којима је гвожђе гама. Обично се појављује испод 1500ºЦ и изнад 723ºЦ.

Перлит

Перлит се разликује од мартензита, јер се структура перлита формира спорим хлађењем. То је ламинарни распоред ферита и цементита. На 723ºЦ гама гвожђе се трансформише из своје ФЦЦ структуре у алфа гвожђе, терајући карбид гвожђа (цементит) из раствора.

Методе каљења челика

Постоји неколико метода за каљење челика. Ове методе могу бити термичке, механичке, хемијске или комбинација две или више њих. Процеси термичког каљења су најчешћи методи каљења челика. Обично укључују три главне фазе, које загревају челик, држе га на одређеној температури и хладе. Прва фаза обично укључује загревање метала до веома високе температуре да би се изазвале структурне промене унутра. Ово такође олакшава рад на металу, као што је промена његовог облика. Различите методе каљења челика су

хладан рад

Хладна обрада често мења својства челика или метала. Овај метод каљења челика једноставно се састоји од деформисања метала на температури испод његове тачке топљења. Својства као што су граница течења, затезна чврстоћа и тврдоћа се повећавају, док се пластичност и капацитет деформације материјала смањују. Стврдњавање деформацијом, које настаје као резултат акумулације и заплитања дислокација током пластичне деформације, је суштински начин за јачање елемената. Иако се око 90% енергије током хладног рада расипа као топлота, остатак се складишти у кристалној решетки, чиме се повећава њена унутрашња енергија.

Стврдњавање чврсте легуре

Очвршћавање раствором је додавање легирајућег елемента основном металу да би се створио чврсти раствор. Након очвршћавања, метал се стврдњава због присуства атома легуре у кристалној решетки основног метала. Разлика у величини између атома растворене супстанце и атома растварача утиче на ефикасност чврстог раствора. Ако је атом растворене супстанце већи од атома растварача, стварају се поља деформације компресије. С друге стране, ако је атом растварача већи од атома растворене супстанце, настају поља затезне деформације. Растворени атоми који изобличују решетку у тетрагоналну структуру узрокују брзо очвршћавање. Очигледан пример је дејство цементита на челик.

Гашење и каљење

У гашењу, које се назива и мартензитна трансформација, челик се загрева изнад критичне температуре до опсега аустенита, одржава се на овој температури, а затим се брзо хлади или, чешће, гаси у води, уљу или растопљеној соли. За хипоеутектоидне челике, температура загревања је 30-50ºЦ изнад границе линије растворљивости аустенита. За хипереутектоидне челике температура је изнад еутектоидне температуре. Хлађење изазива мартензитну трансформацију, која знатно очвршћава челик. Међутим, каљени челик је веома крхак. Због тога је каљење неопходно за ублажавање унутрашњих напрезања и смањење крхкости. Максимална тврдоћа се постиже када је брзина хлађења у гашењу довољно брза да обезбеди потпуну трансформацију мартензита.

Површинско очвршћавање (у кутији)

Као што име говори, карбуризација ствара тврду површину, неопходну да се одупре хабању у апликацијама као што су радилице, лежајеви и слично. Ова метода каљења челика углавном укључује један од три приступа:

Индукција и стврдњавање пламеном

Ово је диференцијална термичка обрада површине. Површина се брзо загрева како би се спречило утицај на центар материјала. Материјал се затим подвргава много бржем хлађењу. На тај начин се на површини развија висок ниво мартензита.

Дифузијско очвршћавање (нитрирање)

Ово је промена састава површне зоне. Фине честице се распршују омогућавајући одабраним гасовима да реагују и дифундују у челик. У овом процесу, челик се термички обрађује да би се добила каљена мартензитна структура. Затим се излаже атмосфери амонијака на око 550ºЦ током 12-36 сати. Мали легирајући елементи, као што су Ал или Цренханце, погодују формирању фине дисперзије нитрида, који значајно повећавају површинску тврдоћу и отпорност на хабање. Овај нитридни састав је далеко бољи од мартензита у погледу тврдоће.

Карбуризација

Састоји се од излагања челика атмосфери која садржи угљеник на високој температури. Атмосфера која садржи угљеник се може произвести из висококвалитетног угља или дисоцираног природног гаса. Атоми угљеника дифундују у подземну површину метала, што резултира кућиштем са високим садржајем угљеника које, након накнадног хлађења, ствара тврду мартензитну површину отпорну на хабање.

Испитивања тврдоће челика

Тврдоћа нема одређену мерну јединицу. Уместо тога, описан је бројевима индекса. Постоји неколико тестова тврдоће и индекс који се користи за описивање тврдоће материјала зависи од теста који се користи. Неки уобичајени тестови тврдоће су

Тест тврдоће по Бринелу

У овом тесту, челична кугла познатог пречника се примењује као оптерећење на површину материјала. Број тврдоће по Бринелу (БХН) се затим израчунава користећи формулу у табели испод. Мери се пречник добијеног отиска; заједно са пречником челичне кугле израчунава се БХН.

Викерсов тест тврдоће

У тесту тврдоће по Викерсу, оптерећење је квадратна пирамида дијаманата. Ово оптерећење се примењује на површину материјала око 30 секунди. Површина отиска пирамиде се израчунава и користи за израчунавање тврдоће метала.

Кноопов тест микротврдоће

Овај тест тврдоће је специфичан за танке листове или веома ломљиве материјале. Пирамидални дијамантски врх ствара врло мало удубљење у материјалу. Направљено удубљење се затим проучава микроскопом и користи за израчунавање тврдоће материјала.

Роцквелл тест тврдоће

Роцквелл тврдоћа је развијена за мерење разлике у тврдоћи челика пре и после топлотне обраде. Индентер може бити челична кугла или сферни дијамантски индентер. Тврдоћа се мери одређивањем дубине продирања у материјал. Обично се примењују два оптерећења. Мање пуњење за стварање почетног утиска и веће пуњење за главни продор.

Врсте челика који се могу калити

Амерички институт за гвожђе и челик (АИСИ) класификује челик у четири главне групе:

Угљенични челици

Легирани челици

нерђајући челици

Алатних челика

Основни елементи челика су гвожђе и угљеник. Међутим, различите количине угљеника и других легирајућих елемената одређују својства сваког разреда. Садржај угљеника у било ком челику одређује његову каљивост, као и његову максималну могућу тврдоћу. Ово је посебно тачно у случају каљења, пошто угљеник подстиче стварање мартензита.

Угљенични челик (УНС Г10050-Г15900, ДИН 1.0кк)

Угљенични челици су легуре гвожђа које садрже до 2% угљеника. Често садрже трагове легирајућих елемената који побољшавају одређена својства. На основу стварне количине угљеника коју садрже, угљенични челици се могу класификовати на челик са ниским садржајем угљеника, челик са средњим угљеником и челик са високим садржајем угљеника.

нискоугљенични челик

Такође познат као благи челик, садржи између 0,08 и 0,35% угљеника. Због ниског садржаја угљеника, нискоугљенични челици не очвршћавају. Међутим, они се могу очврснути цементацијом.

Средњи угљенични челици

Ови челици садрже између 0,35% и 0,5% угљеника. Они су јачи од челика са ниским садржајем угљеника, али је теже радити са њима. Челици са средњим угљеником се лако каљују каљењем. Када се легирају са траговима мангана, њихова отврдљивост се повећава. Средњи угљенични челици су такође каљени у кућишту за примене где је отпорност на хабање критична, као што су радилице.

Високоугљенични челици

Високоугљенични челици садрже више од 0,5% угљеника. Ове врсте челика су веома каљиве због високог садржаја угљеника. Обично су каљени каљењем. Међутим, то их чини прилично крхким, па је каљење неопходно.

Легирани челици (УНС Г13300-Г98500, ДИН 1.2ккк)

Поред садржаја угљеника, хемијски састав је још један фактор који утиче на каљивост челика. Легирани челици садрже различите количине бакра, никла, мангана, бора и ванадијума. Ови челици су веома каљени каљењем. То је зато што легирајући елементи одлажу разградњу аустенита, чиме се лако формира мартензит у легираним челицима. Очвршћавање у чврстом раствору је такође ефикасан и уобичајен начин каљења легираних челика.

Нерђајући челици (УНС С00001-С99999, ДИН 1.4ккк)

Нерђајући челици су челици који садрже између 10 и 20% хрома као главног легирајућег елемента. Веома су отпорни на корозију и ерозију. У зависности од структуре и састава, нерђајући челици се могу класификовати на

Аустенитика

Аустенитни челици обично садрже гвожђе, 18% хрома, 8% никла и мање од 0,8% угљеника. Они су најчешће коришћена врста нерђајућег челика. Аустенитни челици нису ни магнетски ни термички обрађени. Међутим, лако се стврдњавају хладном обрадом.

Ферритиц

Ови челици обично садрже мање од 0,1% угљеника, између 12 и 17% хрома и трагове никла. Феритни челици су магнетни, али се не могу очврснути топлотном обрадом. Хладна обрада је ефикасан метод за њихово очвршћавање.

мартензитна

Због своје унутрашње структуре, мартензитни челици су прилично тврди. Ови челици садрже до 1,2% угљеника, поред 12-17% хрома. Због свог релативно високог садржаја угљеника, мартензитни челици се лако каљу топлотном обрадом.

Дуплек

Дуплексни челици имају и феритну и аустенитну микроструктуру. Ови челици су каљени топлотном обрадом или површинским каљењем.

Стврдњавање падавинама

Челици за отврдњавање падавинама су нерђајући челици који садрже хром, никл и друге легирајуће елементе као што су бакар, алуминијум и титанијум. Ови легирајући елементи омогућавају да се нерђајући челик очврсне растварањем и термичком обрадом старења. Могу бити аустенитни или мартензитни.

Алатни челици (УНС Т00001-Т99999; ДИН 1.23кк, 1.27кк, 1.25кк)

Као што име говори, алатни челици се обично користе у производњи алата, као што су алати за сечење и бушење. Обично садрже волфрам, кобалт, ванадијум и молибден. Ови алати се могу очврснути хладном обрадом, а такође и топлотним третманом као што је гашење.

Врсте челика и њихов најпогоднији начин каљења