Koje se vrste čelika mogu kaliti?

Svaka vrsta čelika koja sadrži veliku količinu ugljika može se mijenjati. Ovo je također poznato kao kaljenje. 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 planetu. Iz kombinacije željeza i ugljika nastaje robusna, svestrana i široko korištena legura. Od zgrada, infrastrukture, spremnika za vodu, automobila, strojeva, kućanskih aparata do jednostavnog pribora kao što su vilice i žlice, čini se da njegova primjena nema granica. To je zbog brojnih poželjnih svojstava koje ima čelik. Jedno od tih 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 s drugim svojstvima čelika. Ove metode su poznate kao kaljenje čelika.

Kaljenje čelika obično se provodi na gotovim proizvodima, a ne na sirovinama. U CNC obradi, kaljenje čelika je proces nakon strojne obrade koji se provodi na obrađenim dijelovima. To se radi iz nekoliko razloga. Prije svega, nije ekonomično kaliti cijeli blok čelika, jer će veliki postotak biti uklonjen u procesu strojne obrade. Osim toga, kaljeni čelik je puno teže obrađivati, budući da tvrdoća dijela otežava prodiranje alata.

Unutarnje strukture čelika i njegova tvrdoća

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

martenzit

To je najtvrđi oblik unutarnje kristalne strukture čelika. Brzim hlađenjem austenitnog željeza nastaje martenzit. Zbog svoje brze brzine hlađenja, ugljik je zarobljen u čvrstoj otopini što uzrokuje stvrdnjavanje dijela. Izuzetno je tvrd i krt. Martenzit ima igličastu, igličastu mikrostrukturu koja izgleda kao lećaste ploče ili pločice koje dijele i dijele zrna matične faze, uvijek se dodirujući, ali nikad ne križajući. Ova se struktura javlja u velikom broju sustava legura, uključujući Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenit

Austenit je sljedeća najtvrđa unutarnja struktura čelika 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 struktura perlita nastaje sporim hlađenjem. To je laminaran raspored ferita i cementita. Na 723ºC gama željezo prelazi iz svoje FCC strukture u alfa željezo, tjerajući željezni karbid (cementit) iz otopine.

Metode kaljenja čelika

Postoji nekoliko metoda za provođenje kaljenja čelika. Te metode mogu biti toplinske, mehaničke, kemijske ili kombinacija dvije ili više njih. Toplinski postupci kaljenja najčešći su postupci kaljenja čelika. Obično uključuju tri glavne faze, a to su zagrijavanje čelika, njegovo držanje na određenoj temperaturi i hlađenje. Prva faza obično uključuje zagrijavanje metala na vrlo visoku temperaturu kako bi se izazvale strukturne promjene u njemu. To također olakšava rad na metalu, kao što je promjena oblika. Različite metode kaljenja čelika su

hladni rad

Hladna obrada često mijenja svojstva čelika ili metala. Ova metoda kaljenja čelika jednostavno uključuje deformiranje metala na temperaturi ispod njegove točke taljenja. Povećavaju se svojstva kao što su granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i tvrdoća, dok se plastičnost i deformabilnost materijala smanjuju. Deformacijsko otvrdnjavanje, koje je rezultat nakupljanja i ispreplitanja dislokacija tijekom plastične deformacije, bitan je način ojačanja članova. Iako se oko 90 posto energije tijekom hladne obrade rasprši kao toplina, ostatak se pohranjuje u kristalnoj rešetki, čime se povećava njezina unutarnja energija.

Kaljenje čvrste legure

Stvrdnjavanje otopinom je dodavanje legirajućeg elementa osnovnom metalu kako bi se stvorila čvrsta otopina. Nakon skrućivanja, metal se stvrdnjava zbog prisutnosti atoma legure u kristalnoj rešetki osnovnog metala. Razlika u veličini između atoma otopljene tvari i otapala utječe na učinkovitost krute otopine. Ako je atom otopljene tvari veći od atoma otapala, stvaraju se polja tlačne deformacije. Umjesto toga, ako je atom otapala veći od atoma otopljene tvari, stvaraju se polja vlačne deformacije. Atomi otopljene tvari koji izobličuju rešetku u tetragonalnu strukturu uzrokuju brzo otvrdnjavanje. Očit primjer je učinak cementita na čelik.

kaljenje i kaljenje

U kaljenju, koje se također naziva martenzitna transformacija, čelik se zagrijava iznad kritične temperature do područja austenita, održava na toj temperaturi, a zatim se kali ili, češće, kali u vodi, ulju ili vodenoj rastaljenoj soli. Za podeutektoidne čelike, temperatura zagrijavanja je 30-50ºC iznad granice linije topljivosti austenita. Kod hipereutektoidnih čelika temperatura je iznad eutektoidne temperature. Hlađenje uzrokuje martenzitnu transformaciju, koja znatno očvrsne čelik. Međutim, kaljeni čelik je vrlo krt. Stoga je kaljenje neophodno za smanjenje unutarnjih naprezanja i smanjenje lomljivosti. Maksimalna tvrdoća se postiže kada je brzina kaljenja dovoljno velika da osigura potpunu transformaciju martenzita.

Kaljenje kućišta (u kutiji)

Kao što ime sugerira, kaljenje stvara tvrdu površinu, potrebnu za otpornost na habanje u aplikacijama kao što su radilice, ležajevi i slično. Ova metoda kaljenja čelika općenito uključuje jedan od tri pristupa:

Indukcijsko i plameno kaljenje

Ovo je diferencijalna toplinska obrada površine. Površina se brzo zagrijava kako bi se spriječio utjecaj na središte materijala. Materijal se tada mnogo brže hladi. Na taj način se na površini razvija visoka razina martenzita.

Difuzijsko otvrdnjavanje (nitriranje)

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

karburizacija

Sastoji se od izlaganja čelika atmosferi koja sadrži ugljik na visokoj temperaturi. Atmosfera koja sadrži ugljik može se stvoriti iz visokokvalitetnog ugljena ili disociranog prirodnog plina. Atomi ugljika difundiraju u podpovršinu metala, što rezultira kutijom s visokim udjelom ugljika koja, nakon naknadnog hlađenja, stvara tvrdu martenzitnu površinu otpornu na habanje.

Ispitivanja tvrdoće čelika

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

Ispitivanje tvrdoće po Brinellu

U ovom testu, čelična kugla poznatog promjera primjenjuje se kao opterećenje na površinu materijala. Zatim se izračuna Brinellov broj tvrdoće (BHN) prema formuli u tablici u nastavku. Mjeri se promjer dobivenog otiska; zajedno s promjerom čelične kuglice izračunava se BHN.

Ispitivanje tvrdoće po Vickersu

U Vickersovom ispitivanju tvrdoće, opterećenje je dijamantna piramida s kvadratnom bazom. Ovo opterećenje se primjenjuje na površinu materijala oko 30 sekundi. Područje piramidalnog otiska izračunava se i koristi za izračunavanje tvrdoće metala.

Knoop ispitivanje mikrotvrdoće

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

Ispitivanje tvrdoće po Rockwellu

Rockwellova tvrdoća razvijena je za mjerenje razlike u tvrdoći čelika prije i nakon toplinske obrade. Utiskivač može biti čelična kugla ili sferni dijamantni utiskivač. Tvrdoća se mjeri određivanjem dubine prodiranja u materijal. Obično se primjenjuju dva opterećenja. Manje opterećenje za stvaranje početnog otiska i veće opterećenje za glavni proboj.

Vrste čelika koji se mogu kaliti

Američki institut za željezo i čelik (AISI) klasificira čelik u četiri glavne skupine:

ugljični čelici

Legirani čelici

Nehrđajući čelici

alatni čelici

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 prokaljivost, kao i njegovu najveću moguću tvrdoću. To je osobito istinito u slučaju kaljenja, jer ugljik pogoduje stvaranju martenzita.

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

Ugljični čelici su legure željeza koje sadrže do 2 posto ugljika. Često sadrže legirajuće elemente u tragovima koji poboljšavaju određena svojstva. Na temelju stvarne količine ugljika koju sadrže, ugljični čelici mogu se klasificirati u čelike s niskim udjelom ugljika, čelike sa srednjim ugljikom i čelike s visokim udjelom ugljika.

niskougljični čelik

Također poznat kao meki čelik, sadrži između {{0}}.08 i 0,35 posto ugljika. Zbog niskog udjela ugljika, čelici s niskim udjelom ugljika ne otvrdnjavaju pri hlađenju. Međutim, mogu se očvrsnuti pougljičenjem.

srednje ugljični čelici

Ovi čelici sadrže između {{0}}.35 posto i 0,5 posto ugljika. Jači su od čelika s niskim udjelom ugljika, ali su teži za obradu. Srednjeugljični čelici lako se kale kaljenjem. Kada se legiraju s manganom u tragovima, povećava se njihova očvrsljivost. Čelici srednjeg ugljika također su kaljeni za primjene gdje je otpornost na trošenje kritična, kao što su radilice.

visokougljični čelici

Čelici s visokim udjelom ugljika sadrže više od 0,5 posto ugljika. Ova vrsta čelika je vrlo kaljiva zbog visokog sadržaja ugljika. Obično se kale kaljenjem. Međutim, to ih čini prilično krhkima, pa je potrebno kaljenje.

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

Osim sadržaja ugljika, kemijski sastav je još jedan faktor koji utječe na prokaljivost čelika. Legirani čelici sadrže različite količine bakra, nikla, mangana, bora i vanadija. Ovi čelici su visoko kaljivi kaljenjem. To je zato što legirajući elementi usporavaju razgradnju austenita, čime se lako stvara martenzit u legiranim čelicima. Kaljenje u čvrstoj otopini također je učinkovit i uobičajen način kaljenja legiranih čelika.

Nehrđajući 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. Ovisno o strukturi i sastavu, nehrđajući čelici se mogu klasificirati kao

Austenitni

Austenitni čelici obično sadrže željezo, 18 posto kroma, 8 posto nikla i manje od 0.8 posto ugljika. Oni su najčešće korištena vrsta nehrđajućeg čelika. Austenitni čelici nisu magnetski niti se mogu toplinski obraditi. Međutim, lako se stvrdnjavaju hladnom obradom.

Feriti

Ovi čelici obično sadrže manje od 0,1 posto ugljika, između 12 i 17 posto kroma i tragove nikla. Feritni čelici su magnetski, ali se ne mogu očvrsnuti toplinskom obradom. Hladna obrada je učinkovita metoda njihovog otvrdnjavanja.

martenzitni

Zbog svoje unutarnje strukture, martenzitni čelici su prilično tvrdi. Ovi čelici sadrže do 1,2 posto ugljika, plus 12-17 posto kroma. Zbog relativno visokog udjela ugljika, martenzitni čelici se lako očvršćuju toplinskom obradom.

Duplex

Duplex čelici imaju i feritnu i austenitnu mikrostrukturu. Ovi se čelici kale toplinskom obradom ili cementiranjem.

Precipitacijsko otvrdnjavanje

Čelici za taloženje su nehrđajući čelici koji sadrže krom, nikal i druge legirajuće elemente kao što su bakar, aluminij i titan. Ovi legirajući elementi omogućuju nehrđajućem čeliku da se očvrsne toplinskom obradom u otopini i starenjem. Mogu biti austenitni i martenzitni.

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

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

Vrste čelika i njihov najprikladniji način kaljenja