Millaisia ​​terästyyppejä voidaan karkaista?

Mikä tahansa teräs, joka sisältää suuren määrän hiiltä, ​​voi muuttua. Tämä tunnetaan myös temperoitumisena. Jos elementti ei sisällä tarpeeksi hiiltä, ​​kiderakennetta ei voida muuttaa, eikä mikään kuumennus muuta materiaalin koostumusta.

Teräs on yksi planeetan tärkeimmistä ja symbolisimmista metalleista. Raudan ja hiilen yhdistelmästä syntyy vankka, monipuolinen ja laajalti käytetty seos. Rakennuksista, infrastruktuurista, vesisäiliöistä, autoista, koneista, kodinkoneista yksinkertaisiin astioihin, kuten haarukoihin ja lusikoihin, sen sovelluksilla ei näytä olevan rajoja. Tämä johtuu teräksen lukuisista halutuista ominaisuuksista. Yksi näistä ominaisuuksista on kovuus, materiaalin kyky vastustaa painumisen, iskun tai hankauksen aiheuttamaa muodonmuutosta. Teräksen luonnollinen kovuus ei kuitenkaan aina riitä tiettyihin teknisiin sovelluksiin, kuten kantaviin rakenteisiin ja moottorin osiin. Tästä syystä on kehitetty menetelmiä, joilla teräksen kovuutta ja muita teräksen ominaisuuksia voidaan lisätä merkittävästi. Näitä menetelmiä kutsutaan teräksen karkaisuksi.

Teräksen karkaisu suoritetaan yleensä valmiille tuotteille, ei raaka-aineille. CNC-koneistuksessa teräksen karkaisu on jälkityöstöprosessi, joka suoritetaan koneistetuille osille. Tämä tehdään useista syistä. Ensinnäkin ei ole taloudellista karkaista koko teräslohkoa, koska suuri prosenttiosuus siitä poistetaan koneistusprosessissa. Lisäksi karkaistua terästä on paljon vaikeampi työstää, koska osan kovuus vaikeuttaa työkalun tunkeutumista.

Teräksen sisärakenteet ja sen kovuus

Kaikilla näkemillämme teräksillä ei ole samaa koostumusta. Tarkkaan ottaen on olemassa erilaisia ​​teräskoostumuksia eri tarkoituksiin. Terästen välinen ero johtuu niiden sisäisistä rakenteista. Kun vahvempien metallien tarve kantamaan kuormia lisääntyi, tuli tarpeelliseksi karkaista terästä. Teräksellä sen perusmuodossa on suhteellisen alhainen lujuus ja kovuus. Sen sisäisten rakenteiden muuttaminen tuottaa kuitenkin vaikuttavia tuloksia sen kestävyydessä ja kovuudessa. Teräksen karkaisu koostuu yksinkertaisesti prosesseista, jotka on suunniteltu edistämään yhden tietyn sisäisen rakenteen muodostumista toisen sijaan. Sisäisiä teräsrakenteita ovat mm

Martensiitti

Se on teräksen sisäisen kiderakenteen kovin muoto. Austeniittisen raudan nopea jäähtyminen muodostaa martensiittia. Nopean jäähtymisnopeudensa ansiosta hiili jää loukkuun kiinteään liuokseen, jolloin osa kovettuu. Se on erittäin kova ja hauras. Martensiitilla on neulamainen, neulamainen mikrorakenne, joka näkyy linssimäisinä levyinä tai verihiutaleina, jotka jakavat ja jakavat emofaasin rakeita aina koskettaen, mutta ei koskaan ristiin. Tätä rakennetta esiintyy useissa seosjärjestelmissä, mukaan lukien Fe-C, Fe-Ni-C.

Austeniitti

Austeniitti on toiseksi kovin sisäinen teräsrakenne martensiitin jälkeen. Viittaa rautaseoksiin, joissa rauta on gamma. Se näkyy yleensä alle 1500 ºC ja yli 723 ºC.

perliitti

Perliitti eroaa martensiitista siinä, että perliitin rakenne muodostuu hitaasta jäähtymisestä. Se on ferriitin ja sementiitin laminaarinen järjestely. 723 ºC:ssa gammarauta muuttuu FCC-rakenteestaan ​​alfa-raudaksi pakottaen rautakarbidin (sementiitin) ulos liuoksesta.

Teräksen karkaisumenetelmät

Teräksen karkaisuun on olemassa useita menetelmiä. Nämä menetelmät voivat olla termisiä, mekaanisia, kemiallisia tai kahden tai useamman niistä yhdistelmä. Lämpökarkaisuprosessit ovat yleisimpiä teräksen karkaisumenetelmiä. Niissä on yleensä kolme päävaihetta, jotka ovat teräksen kuumennus, sen pitäminen tietyssä lämpötilassa ja jäähdytys. Ensimmäisessä vaiheessa metalli kuumennetaan yleensä erittäin korkeaan lämpötilaan rakenteellisten muutosten aikaansaamiseksi. Tämä helpottaa myös metallin työstämistä, kuten sen muodon vaihtamista. Erilaisia ​​teräksen karkaisumenetelmiä ovat

kylmää työtä

Kylmätyöstö muuttaa usein teräksen tai metallien ominaisuuksia. Tämä teräksen karkaisumenetelmä sisältää yksinkertaisesti metallin muodon muuttamisen sen sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa. Ominaisuudet, kuten myötöraja, vetolujuus ja kovuus kasvavat, kun taas materiaalin plastisuus ja muotoutuvuus heikkenevät. Muovisen muodonmuutoksen aikana tapahtuvien dislokaatioiden kertymisestä ja takertumisesta johtuva venymäkarkaisu on olennainen tapa vahvistaa osia. Vaikka noin 90 prosenttia kylmätyöstön energiasta hajoaa lämmönä, loppuosa varastoituu kidehilaan, mikä lisää sen sisäistä energiaa.

Kiinteän metalliseoksen kovetus

Liuoskarkaisu on seosaineen lisäämistä perusmetalliin kiinteän liuoksen muodostamiseksi. Kiinteytyessään metalli kovettuu perusmetallin kidehilassa olevien seosatomien vuoksi. Liuenneen aineen ja liuotinatomien välinen kokoero vaikuttaa kiinteän liuoksen tehokkuuteen. Jos liuenneen aineen atomi on suurempi kuin liuotinatomi, muodostuu puristusjännityskenttiä. Sen sijaan, jos liuotinatomi on suurempi kuin liuenneen aineen atomit, syntyy vetovenymäkenttiä. Liuenneet atomit, jotka vääristävät hilan nelikulmaiseksi rakenteeksi, aiheuttavat nopean kovettumisen. Ilmeinen esimerkki on sementiitin vaikutus teräkseen.

karkaisu ja karkaisu

Karkaisussa, jota kutsutaan myös martensiittiseksi muunnokseksi, teräs kuumennetaan kriittisen lämpötilan yläpuolelle austeniittialueelle, pidetään tässä lämpötilassa ja sitten nopeasti sammutetaan tai, useammin, sammutetaan vedessä, öljyssä tai vedessä, sulassa suolassa. Hypoeutektoidisten terästen kuumennuslämpötila on 30-50ºC austeniitin liukoisuusrajan yläpuolella. Hypereutektoidisten terästen lämpötila on eutektoidisen lämpötilan yläpuolella. Jäähdytys aiheuttaa martensiittisen muutoksen, joka kovettaa terästä huomattavasti. Karkaistu teräs on kuitenkin erittäin hauras. Siksi karkaisu on välttämätöntä sisäisten jännitysten lievittämiseksi ja haurauden vähentämiseksi. Maksimikovuus saavutetaan, kun sammutusnopeus on riittävän nopea varmistaakseen martensiitin täydellisen muuttumisen.

Kotelon karkaisu (laatikossa)

Kuten nimestä voi päätellä, kotelon karkaisu luo kovan pinnan, joka on välttämätön kulumisen estämiseksi sovelluksissa, kuten kampiakselissa, laakereissa ja vastaavissa. Tämä teräksen karkaisumenetelmä sisältää yleensä yhden kolmesta lähestymistavasta:

Induktio- ja liekkikarkaisu

Tämä on pinnan differentiaalinen lämpökäsittely. Pinta lämpenee nopeasti, jotta materiaalin keskikohta ei vaikuta. Tämän jälkeen materiaali jäähtyy paljon nopeammin. Tällä tavalla pinnalle kehittyy korkea martensiittitaso.

Diffuusiokovettuminen (nitraus)

Se on pinta-alan koostumuksen muutos. Hienot hiukkaset hajoavat ja sallivat valittujen kaasujen reagoida ja diffundoitua teräkseen. Tässä prosessissa terästä lämpökäsitellään jäähdytetyn martensiittisen rakenteen saamiseksi. Sitten se altistetaan ammoniakkiatmosfäärille noin 550 °C:ssa 12-36 tunnin ajan. Pienet seosaineet, kuten Al tai Crenhance, edistävät hienojakoisen nitrididispersion muodostumista, mikä lisää merkittävästi pinnan kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Tämä nitridikoostumus on paljon parempi kuin martensiitti kovuuden suhteen.

hiiletys

Se koostuu teräksen altistamisesta hiilipitoiselle ilmakehään korkeassa lämpötilassa. Hiilipitoinen ilmakehä voidaan tuottaa korkealaatuisesta hiilestä tai dissosioidusta maakaasusta. Hiiliatomit diffundoituvat metallin alapintaan, jolloin muodostuu korkeahiilinen laatikko, joka myöhemmän jäähdytyksen jälkeen muodostaa kovan, kulutusta kestävän martensiittisen pinnan.

Teräksen kovuustestit

Kovuudella ei ole erityistä mittayksikköä. Pikemminkin sitä kuvataan indeksinumeroilla. Kovuustestejä on useita ja materiaalin kovuutta kuvaava indeksi riippuu käytetystä testistä. Jotkut yleiset kovuustestit ovat

Brinellin kovuustesti

Tässä kokeessa materiaalin pintaan kuormitetaan teräspalloa, jonka halkaisija tunnetaan. Brinell-kovuusluku (BHN) lasketaan sitten alla olevan taulukon kaavalla. Tuloksena olevan jäljennöksen halkaisija mitataan; yhdessä teräspallon halkaisijan kanssa lasketaan BHN.

Vickersin kovuustesti

Vickersin kovuustestissä kuorma on timanttipyramidi, jonka pohja on neliömäinen. Tämä kuormitus kohdistuu materiaalin pintaan noin 30 sekunnin ajan. Pyramidin muotoisen jäljen pinta-ala lasketaan ja sitä käytetään metallin kovuuden laskemiseen.

Knoop mikrokovuustesti

Tämä kovuustesti on tarkoitettu ohuille levyille tai erittäin hauraille materiaaleille. Pyramidin muotoinen timanttikärki luo materiaaliin hyvin pienen painauman. Sitten tehtyä painaumaa tutkitaan mikroskoopilla ja lasketaan materiaalin kovuus.

Rockwellin kovuustesti

Rockwell-kovuus kehitettiin mittaamaan teräksen kovuuseroa ennen lämpökäsittelyä ja sen jälkeen. Syvennys voi olla teräskuula tai pallomainen timanttisyvennys. Kovuus mitataan määrittämällä materiaaliin tunkeutumissyvyys. Normaalisti käytetään kahta kuormaa. Pienempi kuorma antaa ensivaikutelman ja suurempi kuormitus aiheuttaa päätunkeutumisen.

Terästyypit, jotka voidaan karkaista

American Iron and Steel Institute (AISI) luokittelee teräksen neljään pääryhmään:

hiiliteräkset

Seosteräkset

Ruostumattomat teräkset

työkaluteräkset

Teräksen peruselementit ovat rauta ja hiili. Kuitenkin vaihtelevat määrät hiiltä ja muita seosaineita määräävät kunkin lajin ominaisuudet. Minkä tahansa teräksen hiilipitoisuus määrää sen karkenevuuden sekä sen maksimaalisen saavutettavan kovuuden. Tämä pätee erityisesti karkaisun tapauksessa, koska hiili edistää martensiitin muodostumista.

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

Hiiliteräkset ovat raudan seoksia, jotka sisältävät jopa 2 prosenttia hiiltä. Ne sisältävät usein hivenseosaineita, jotka parantavat tiettyjä ominaisuuksia. Hiiliteräkset voidaan niiden sisältämän todellisen hiilimäärän perusteella luokitella vähähiilisiin teräksiin, keskihiiliteräksiin ja korkeahiiliteräksiin.

vähähiilinen teräs

Se tunnetaan myös nimellä lievä teräs, ja se sisältää {{0}},08–0,35 prosenttia hiiltä. Vähähiiliset teräkset eivät jäähdytä, koska niiden hiilipitoisuus on pieni. Ne voidaan kuitenkin kovettaa hiilettämällä.

keskihiiliteräkset

Nämä teräkset sisältävät {{0}},35–0,5 prosenttia hiiltä. Ne ovat vahvempia kuin vähähiiliset teräkset, mutta niitä on vaikeampi työstää. Keskihiiliteräkset karkaisevat helposti karkaisemalla. Kun niihin on seostettu pieniä määriä mangaania, niiden kovettuvuus paranee. Keskihiiliteräkset ovat myös kotelokarkaistuja sovelluksissa, joissa kulutuskestävyys on kriittinen, kuten kampiakselit.

korkeahiiliset teräkset

Korkeahiiliset teräkset sisältävät yli 0,5 prosenttia hiiltä. Tämäntyyppiset teräkset ovat erittäin karkaistuja korkean hiilipitoisuuden vuoksi. Ne kovetetaan yleensä karkaisemalla. Tämä tekee niistä kuitenkin melko hauraita, joten karkaisu on välttämätöntä.

Seosteräkset (UNS G13300-G98500, DIN 1,2xxx)

Hiilipitoisuuden lisäksi kemiallinen koostumus on toinen tekijä, joka vaikuttaa terästen karkaisuun. Seosteräkset sisältävät vaihtelevia määriä kuparia, nikkeliä, mangaania, booria ja vanadiinia. Nämä teräkset ovat erittäin karkaistavia karkaisemalla. Tämä johtuu siitä, että seosaineet hidastavat austeniitin hajoamista ja muodostavat siten helposti martensiittia seosteräksiin. Kiinteäliuoskarkaisu on myös tehokas ja yleinen tapa karkaista seosteräksiä.

Ruostumattomat teräkset (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Ruostumattomat teräkset ovat teräksiä, jotka sisältävät 10–20 prosenttia kromia pääseosalkuaineena. Ne kestävät erittäin hyvin korroosiota ja eroosiota. Ruostumattomat teräkset voidaan luokitella rakenteesta ja koostumuksestaan ​​riippuen

Austeniittista

Austeniittiset teräkset sisältävät tyypillisesti rautaa, 18 prosenttia kromia, 8 prosenttia nikkeliä ja alle 0,8 prosenttia hiiltä. Ne ovat yleisimmin käytetty ruostumattoman teräksen tyyppi. Austeniittiset teräkset eivät ole magneettisia tai lämpökäsiteltäviä. Ne kuitenkin kovettuvat helposti kylmätyöstöllä.

Ferriittiset

Nämä teräkset sisältävät tyypillisesti alle 0,1 prosenttia hiiltä, ​​12–17 prosenttia kromia ja pieniä määriä nikkeliä. Ferriittiset teräkset ovat magneettisia, mutta niitä ei voida karkaista lämpökäsittelyllä. Kylmämuokkaus on tehokas tapa kovettaa niitä.

Martensiittinen

Sisäisten rakenteidensa vuoksi martensiittiset teräkset ovat melko kovia. Nämä teräkset sisältävät jopa 1,2 prosenttia hiiltä sekä 12-17 prosenttia kromia. Suhteellisen korkean hiilipitoisuuden vuoksi martensiittiset teräkset karkaistuvat helposti lämpökäsittelyllä.

Duplex

Duplex-teräksillä on sekä ferriittisiä että austeniittisia mikrorakenteita. Nämä teräkset kovetetaan lämpökäsittelyllä tai kotelokarkaisulla.

Sateen kovettuminen

Saostuskarkaisuteräkset ovat ruostumattomia teräksiä, jotka sisältävät kromia, nikkeliä ja muita seosaineita, kuten kuparia, alumiinia ja titaania. Nämä seosaineet mahdollistavat ruostumattoman teräksen kovetuksen liuoslämpökäsittelyllä ja vanhentamalla. Ne voivat olla austeniittisia tai martensiittisia.

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

Kuten nimestä voi päätellä, työkaluteräksiä käytetään yleisesti työkalujen, kuten leikkaus- ja poraustyökalujen, valmistuksessa. Ne sisältävät yleensä volframia, kobolttia, vanadiinia ja molybdeeniä. Nämä työkalut voidaan kovettaa kylmämuokkauksella ja myös lämpökäsittelyillä, kuten karkaisulla.

Terästyypit ja niiden sopivin karkaisutapa