Katere vrste jekla je mogoče kaliti?

Vsako vrsto jekla, ki vsebuje veliko količino ogljika, je mogoče spremeniti. To je znano tudi kot kaljenje. Če element ne vsebuje dovolj ogljika, kristalne strukture ni mogoče spremeniti in nobeno segrevanje ne bo spremenilo sestave materiala.

Jeklo je ena najbolj bistvenih in simboličnih kovin na planetu. Robustna, vsestranska in široko uporabljena zlitina izhaja iz kombinacije železa in ogljika. Od zgradb, infrastrukture, rezervoarjev za vodo, avtomobilov, strojev, naprav do preprostih pripomočkov, kot so vilice in žlice, se zdi, da njihova uporaba nima meja. To je posledica številnih želenih lastnosti, ki jih ima jeklo. Ena od teh lastnosti je trdota, sposobnost materiala, da se upre deformacijam, ki jih povzročijo vdolbine, udarci ali odrgnine. Vendar pa naravna trdota jekla ni vedno zadostna za nekatere inženirske aplikacije, kot so nosilne konstrukcije in deli motorja. Zato so bile razvite metode za znatno povečanje trdote in drugih lastnosti jekla. Te metode so znane kot kaljenje jekla.

Kaljenje jekla se običajno izvaja na končnih izdelkih in ne na surovinah. Pri CNC obdelavi je kaljenje jekla postopek po obdelavi, ki se izvaja na obdelanih delih. To se naredi iz več razlogov. Prvič, ni ekonomično utrjevati celotnega jeklenega bloka, saj bo velik odstotek le-tega odstranjen v procesu obdelave. Poleg tega je kaljeno jeklo veliko težje obdelati, saj zaradi trdote dela orodje težko prodre.

Notranje strukture jekla in njegova trdota

Vsa jekla, ki jih vidimo, nimajo enake sestave. Natančneje, obstajajo različne sestave jekla za različne namene. Razlika med jekli je v njihovi notranji strukturi. Ker se je potreba po močnejših kovinah za prenašanje obremenitev povečala, je bilo potrebno utrditi jeklo. Jeklo v svoji najosnovnejši obliki ima relativno malo trdnosti in trdote. Vendar pa sprememba njegovih notranjih struktur povzroči impresivne rezultate glede njegove odpornosti in trdote. Utrjevanje jekla je preprosto proces, namenjen spodbujanju oblikovanja ene določene notranje strukture in ne druge. Notranje jeklene konstrukcije vključujejo

martenzit

Je najtrša oblika notranje kristalne strukture jekla. Pri hitrem ohlajanju avstenitnega železa nastane martenzit. Zaradi hitrega ohlajanja se ogljik ujame v trdno raztopino, kar povzroči strjevanje dela. Je izjemno trd in krhek. Martenzit ima igličasto acikularno mikrostrukturo, ki je videti kot lečaste plošče ali trombociti, ki delijo in delijo zrna matične faze, vedno se dotikajo, a nikoli ne križajo. Ta struktura se pojavlja v velikem številu sistemov zlitin, vključno z Fe-C, Fe-Ni-C.

Avstenit

Avstenit je za martenzitom naslednja najtrša notranja struktura jekla. Nanaša se na železove zlitine, v katerih je železo gama. Običajno se pojavi pod 1500 °C in nad 723 °C.

Perlit

Perlit se razlikuje od martenzita, saj struktura perlita nastane s počasnim ohlajanjem. Gre za laminarno razporeditev ferita in cementita. Pri 723 °C se gama železo spremeni iz FCC strukture v alfa železo, pri čemer se železov karbid (cementit) potisne iz raztopine.

Metode kaljenja jekla

Obstaja več načinov za utrjevanje jekla. Te metode so lahko toplotne, mehanske, kemične ali kombinacija dveh ali več izmed njih. Postopki termičnega kaljenja so najpogostejši načini kaljenja jekla. Običajno vključujejo tri glavne stopnje, ki so segrevanje jekla, vzdrževanje na določeni temperaturi in ohlajanje. Prva stopnja običajno vključuje segrevanje kovine na zelo visoko temperaturo, da se povzročijo strukturne spremembe v notranjosti. To tudi olajša delo na kovini, na primer spreminjanje njene oblike. Različni načini kaljenja jekla so

hladno delo

Hladna obdelava pogosto spremeni lastnosti jekla ali kovin. Ta metoda utrjevanja jekla je preprosto sestavljena iz deformiranja kovine pri temperaturi pod tališčem. Povečajo se lastnosti, kot so meja tečenja, natezna trdnost in trdota, zmanjšata pa se plastičnost in deformacijska sposobnost materiala. Deformacijsko utrjevanje, ki je posledica kopičenja in prepletanja dislokacij med plastično deformacijo, je bistven način za ojačitev elementov. Čeprav se približno 90 % energije med hladnim obdelovanjem razprši kot toplota, se preostanek shrani v kristalno mrežo, s čimer se poveča njena notranja energija.

Utrjevanje trdne zlitine

Utrjevanje raztopine je dodatek legirnega elementa osnovni kovini, da se ustvari trdna raztopina. Po strjevanju se kovina strdi zaradi prisotnosti atomov zlitine v kristalni mreži osnovne kovine. Razlika v velikosti med atomi topljenca in topila vpliva na učinkovitost trdne raztopine. Če je atom topljenca večji od atoma topila, nastanejo tlačna deformacijska polja. Po drugi strani pa, če je atom topila večji od atomov topljenca, nastanejo polja natezne deformacije. Atomi raztopine, ki izkrivljajo mrežo v tetragonalno strukturo, povzročijo hitro strjevanje. Očiten primer je učinek cementita na jeklo.

Kaljenje in popuščanje

Pri kaljenju, imenovanem tudi martenzitna transformacija, jeklo segrejemo nad kritično temperaturo do območja avstenita, vzdržujemo pri tej temperaturi in nato hitro ohladimo ali, pogosteje, pogasimo v vodi, olju ali staljeni soli. Za hipoevtektoidna jekla je temperatura segrevanja 30-50 °C nad mejo črte topnosti avstenita. Za nadevtektoidna jekla je temperatura nad evtektoidno temperaturo. Hlajenje povzroči martenzitno transformacijo, ki močno utrdi jeklo. Vendar pa je kaljeno jeklo zelo krhko. Zato je popuščanje potrebno za razbremenitev notranjih napetosti in zmanjšanje krhkosti. Največjo trdoto dosežemo, ko je hitrost ohlajanja pri kaljenju dovolj hitra, da zagotovi popolno transformacijo martenzita.

Površinsko utrjevanje (zapakirano)

Kot že ime pove, naogljičenje ustvari trdo površino, ki je potrebna za odpornost proti obrabi v aplikacijah, kot so ročične gredi, ležaji in podobno. Ta metoda utrjevanja jekla običajno vključuje enega od treh pristopov:

Indukcijsko in plamensko kaljenje

To je diferencialna toplotna obdelava površine. Površina se hitro segreje, da se prepreči prizadetost središča materiala. Material je nato izpostavljen veliko hitrejšemu ohlajanju. Na ta način se na površini razvije visoka stopnja martenzita.

Difuzijsko utrjevanje (nitriranje)

To je sprememba sestave površinskega območja. Drobni delci so razpršeni, kar omogoča izbranim plinom, da reagirajo in difundirajo v jeklo. Pri tem postopku je jeklo toplotno obdelano, da dobimo kaljeno martenzitno strukturo. Nato je 12-36 ur izpostavljen atmosferi amoniaka pri približno 550 °C. Majhni legirni elementi, kot sta Al ali Crenhance, spodbujajo tvorbo fine disperzije nitridov, ki znatno povečajo trdoto površine in odpornost proti obrabi. Ta nitridna sestava je po trdoti veliko boljša od martenzita.

Karburizacija

Sestoji iz izpostavitve jekla ogljikovi atmosferi pri visoki temperaturi. Atmosfero, ki vsebuje ogljik, je mogoče ustvariti iz visokokakovostnega premoga ali disociiranega zemeljskega plina. Atomi ogljika difundirajo v podpovršino kovine, kar ima za posledico ohišje z visoko vsebnostjo ogljika, ki po naknadnem ohlajanju ustvari trdo martenzitno površino, odporno na obrabo.

Preskusi trdote jekla

Trdota nima posebne merske enote. Namesto tega je opisan z indeksnimi številkami. Obstaja več preskusov trdote in indeks, ki se uporablja za opis trdote materiala, je odvisen od uporabljenega preskusa. Nekateri običajni testi trdote so

Brinellov test trdote

Pri tem preskusu je jeklena krogla znanega premera obremenjena na površini materiala. Število trdote po Brinellu (BHN) se nato izračuna po formuli v spodnji tabeli. Izmeri se premer nastalega odtisa; skupaj s premerom jeklene krogle se izračuna BHN.

Vickersov test trdote

Pri Vickersovem preskusu trdote je obremenitev kvadratna piramida diamantov. Ta obremenitev se nanaša na površino materiala približno 30 sekund. Območje odtisa piramide se izračuna in uporabi za izračun trdote kovine.

Knoopov test mikrotrdote

Ta preskus trdote je specifičen za tanke plošče ali zelo krhke materiale. Piramidna diamantna konica ustvari zelo majhno vdolbino v materialu. Narejeno vdolbino nato pregledamo z mikroskopom in uporabimo za izračun trdote materiala.

Preizkus trdote po Rockwellu

Trdota po Rockwellu je bila razvita za merjenje razlike v trdoti jekla pred in po toplotni obdelavi. Indenter je lahko jeklena krogla ali sferični diamantni indenter. Trdoto merimo z določitvijo globine prodiranja v material. Običajno se uporabita dve obremenitvi. Manjši naboj za začetni vtis in večji naboj za glavni preboj.

Vrste jekel, ki jih je mogoče kaliti

Ameriški inštitut za železo in jeklo (AISI) razvršča jeklo v štiri glavne skupine:

Ogljikova jekla

Legirana jekla

nerjavna jekla

Orodna jekla

Osnovna elementa jekla sta železo in ogljik. Vendar pa različne količine ogljika in drugih legirnih elementov določajo lastnosti vsakega razreda. Vsebnost ogljika v katerem koli jeklu določa njegovo kaljivost in največjo možno trdoto. To še posebej velja v primeru popuščanja, saj ogljik spodbuja nastanek martenzita.

Ogljikovo jeklo (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Ogljikova jekla so železove zlitine, ki vsebujejo do 2 % ogljika. Pogosto vsebujejo sledi legirnih elementov, ki izboljšajo določene lastnosti. Glede na dejansko količino ogljika, ki ga vsebujejo, lahko ogljikova jekla razvrstimo v nizkoogljična jekla, srednjeogljična jekla in visokoogljična jekla.

nizkoogljično jeklo

Znano tudi kot mehko jeklo, vsebuje med 0,08 in 0,35 % ogljika. Nizkoogljična jekla se zaradi nizke vsebnosti ogljika ne strdijo. Lahko pa jih utrdimo s cementiranjem.

Srednje ogljikova jekla

Ta jekla vsebujejo med 0,35 % in 0,5 % ogljika. So močnejša od nizkoogljičnih jekel, vendar je z njimi težje delati. Srednjeogljična jekla se zlahka utrdijo s kaljenjem. Pri legiranju s sledovi mangana se poveča njihova kaljivost. Srednjeogljična jekla so tudi utrjena za aplikacije, kjer je odpornost proti obrabi kritična, kot so ročične gredi.

Visokoogljična jekla

Visokoogljična jekla vsebujejo več kot 0,5 % ogljika. Te vrste jekel so zaradi visoke vsebnosti ogljika zelo kaljive. Običajno so utrjeni s popuščanjem. Vendar so zaradi tega precej krhki, zato je potrebno kaljenje.

Legirana jekla (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Poleg vsebnosti ogljika je kemična sestava še en dejavnik, ki vpliva na kaljivost jekel. Legirana jekla vsebujejo različne količine bakra, niklja, mangana, bora in vanadija. Ta jekla so zelo kaljiva s kaljenjem. To je zato, ker legirni elementi upočasnjujejo razgradnjo avstenita in tako zlahka tvorijo martenzit v legiranih jeklih. Kaljenje v trdni raztopini je tudi učinkovit in pogost način za kaljenje legiranih jekel.

Nerjavna jekla (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Nerjavna jekla so jekla, ki vsebujejo med 10 in 20 % kroma kot glavnega legirnega elementa. So zelo odporni na korozijo in erozijo. Glede na strukturo in sestavo lahko nerjavna jekla razvrstimo v

Avstenitika

Avstenitna jekla običajno vsebujejo železo, 18 % kroma, 8 % niklja in manj kot 0,8 % ogljika. So najpogosteje uporabljena vrsta nerjavečega jekla. Avstenitna jekla niso ne magnetna ne toplotno obdelana. Vendar pa se zlahka utrdijo s hladno obdelavo.

Feritno

Ta jekla običajno vsebujejo manj kot 0,1 % ogljika, med 12 in 17 % kroma in sledi niklja. Feritna jekla so magnetna, vendar jih ni mogoče utrditi s toplotno obdelavo. Hladna obdelava je učinkovita metoda za njihovo utrjevanje.

martenzitno

Zaradi svoje notranje strukture so martenzitna jekla precej trda. Ta jekla vsebujejo do 1,2 % ogljika, poleg tega pa še 12-17 % kroma. Zaradi relativno visoke vsebnosti ogljika se martenzitna jekla zlahka utrdijo s toplotno obdelavo.

Duplex

Duplex jekla imajo tako feritno kot avstenitno mikrostrukturo. Ta jekla so kaljena s toplotno obdelavo ali površinskim kaljenjem.

Precipitacijsko utrjevanje

Precipitacijsko utrjena jekla so nerjavna jekla, ki vsebujejo krom, nikelj in druge legirne elemente, kot so baker, aluminij in titan. Ti legirni elementi omogočajo utrjevanje nerjavečega jekla s toplotno obdelavo raztapljanja in staranja. Lahko so avstenitni ali martenzitni.

Orodna jekla (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Kot že ime pove, se orodna jekla običajno uporabljajo pri izdelavi orodij, kot so orodja za rezanje in vrtanje. Običajno vsebujejo volfram, kobalt, vanadij in molibden. Ta orodja je mogoče utrditi s hladno obdelavo in tudi s toplotno obdelavo, kot je kaljenje.

Vrste jekel in njihov najprimernejši način kaljenja