Какие стали можно закаливать?

Любая сталь, содержащая большое количество углерода, поддается модификации. Это также известно как закалка. Если элемент не содержит достаточно углерода, кристаллическую структуру невозможно изменить, и никакое нагревание не изменит состав материала.

Сталь — один из самых важных и символических металлов на планете. Комбинация железа и углерода дает прочный, универсальный и широко используемый сплав. От зданий, инфраструктуры, резервуаров для воды, автомобилей, машин, бытовой техники до простой посуды, такой как вилки и ложки, их применение, кажется, не имеет границ. Это связано со многими желательными свойствами, которыми обладает сталь. Одним из этих свойств является твердость, способность материала сопротивляться деформации, вызванной вдавливанием, ударом или истиранием. Однако естественная твердость стали не всегда достаточна для некоторых технических применений, например, для изготовления несущих конструкций и деталей двигателей. Именно поэтому разработаны методы существенного повышения твердости и других свойств стали. Эти методы известны как закалка стали.

Закалку стали обычно проводят на готовой продукции, а не на сырье. При обработке на станках с ЧПУ закалка стали — это процесс после механической обработки, который выполняется на обработанных деталях. Это делается по нескольким причинам. Во-первых, закаливать целый блок стали неэкономно, так как большой процент ее будет удален в процессе механической обработки. Кроме того, закаленную сталь гораздо сложнее обрабатывать, так как твердость детали затрудняет проникновение инструмента.

Внутренние конструкции стали и ее твердость.

Не все стали, которые мы видим, имеют одинаковый состав. Точнее, для разных целей существуют разные составы стали. Разница между сталями сводится к их внутренней структуре. Поскольку потребность в более прочных металлах для выдерживания нагрузок возросла, возникла необходимость закалки стали. Сталь в своей самой простой форме имеет относительно небольшую прочность и твердость. Однако модификация его внутренней структуры дает впечатляющие результаты в плане его стойкости и твердости. Закалка стали — это просто процессы, призванные способствовать формированию одной конкретной внутренней структуры, а не другой. Внутренние стальные конструкции включают в себя

Мартенсит

Это самая твердая форма внутренней кристаллической структуры стали. При быстром охлаждении аустенитного железа образуется мартенсит. Из-за высокой скорости охлаждения углерод попадает в твердый раствор, что приводит к затвердеванию детали. Он чрезвычайно тверд и хрупкий. Мартенсит имеет игольчатую игольчатую микроструктуру, которая выглядит как двояковыпуклые пластинки или пластинки, которые разделяют и подразделяют зерна материнской фазы, всегда соприкасаясь, но никогда не пересекаясь. Эта структура встречается во многих системах сплавов, включая Fe-C, Fe-Ni-C.

Аустенит

Аустенит — следующая по твердости внутренняя структура стали после мартенсита. Относится к сплавам железа, в которых железо представляет собой гамма. Обычно оно появляется при температуре ниже 1500°C и выше 723°C.

Перлит

Перлит отличается от мартенсита тем, что структура перлита формируется при медленном охлаждении. Это ламинарное расположение феррита и цементита. При 723°C гамма-железо переходит из своей структуры FCC в альфа-железо, вытесняя карбид железа (цементит) из раствора.

Методы закалки стали

Существует несколько способов закалки стали. Эти методы могут быть термическими, механическими, химическими или комбинацией двух или более из них. Процессы термической закалки являются наиболее распространенными методами закалки стали. Обычно они включают три основных этапа: нагрев стали, выдерживание ее при определенной температуре и охлаждение. Первый этап обычно включает нагрев металла до очень высокой температуры, чтобы вызвать структурные изменения внутри. Это также облегчает работу с металлом, например изменение его формы. Различные методы закалки стали.

холодная работа

Холодная обработка часто изменяет свойства стали или металлов. Этот метод закалки стали просто заключается в деформации металла при температуре ниже его точки плавления. Такие свойства, как предел текучести, предел прочности и твердость, увеличиваются, а пластичность и деформационная способность материала уменьшаются. Деформационное упрочнение, возникающее в результате накопления и перепутывания дислокаций при пластической деформации, является важным способом упрочнения элементов. Хотя около 90% энергии при холодной обработке рассеивается в виде тепла, остальная часть сохраняется в кристаллической решетке, увеличивая тем самым ее внутреннюю энергию.

Закалка твердого сплава

Закалка на раствор — это добавление легирующего элемента к основному металлу для создания твердого раствора. После затвердевания металл затвердевает благодаря наличию атомов сплава в кристаллической решетке основного металла. Разница в размерах атомов растворенного вещества и растворителя влияет на эффективность твердого раствора. Если атом растворенного вещества больше атома растворителя, возникают поля деформации сжатия. С другой стороны, если атом растворителя больше атомов растворенного вещества, возникают поля деформации растяжения. Атомы растворенного вещества, искажающие решетку в тетрагональную структуру, вызывают быстрое затвердевание. Очевидным примером является воздействие цементита на сталь.

Закалка и отпуск

При закалке, также называемой мартенситным превращением, сталь нагревают выше критической температуры до аустенитной области, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают или, что чаще, закаливают в воде, масле или расплавленной соли. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева находится на 30-50°С выше границы линии растворимости аустенита. Для заэвтектоидных сталей температура выше эвтектоидной. Охлаждение вызывает мартенситное превращение, которое значительно упрочняет сталь. Однако закаленная сталь очень хрупкая. Поэтому отпуск необходим для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости. Максимальная твердость достигается, когда скорость охлаждения при закалке достаточно высока, чтобы обеспечить полное превращение мартенсита.

Поверхностная закалка (в штучной упаковке)

Как следует из названия, науглероживание создает твердую поверхность, необходимую для защиты от износа в таких устройствах, как коленчатые валы, подшипники и т.п. Этот метод закалки стали обычно включает один из трех подходов:

Индукционная и пламенная закалка

Это дифференцированная термическая обработка поверхности. Поверхность нагревается быстро, чтобы предотвратить воздействие на центр материала. Затем материал подвергается гораздо более быстрому охлаждению. Таким образом, на поверхности развивается высокий уровень мартенсита.

Диффузионная закалка (азотирование)

Это изменение состава поверхностной зоны. Мелкие частицы диспергируются, позволяя выбранным газам вступать в реакцию и диффундировать в сталь. В этом процессе сталь подвергается термической обработке для получения отпущенной мартенситной структуры. Затем его подвергают воздействию атмосферы аммиака при температуре около 550°C в течение 12-36 часов. Мелкие легирующие элементы, такие как Al или Crenhance, способствуют образованию мелкодисперсной дисперсии нитридов, которые значительно повышают твердость поверхности и износостойкость. Этот нитридный состав значительно превосходит мартенсит по твердости.

науглероживание

Он заключается в воздействии на сталь углеродистой атмосферы при высокой температуре. Углеродистая атмосфера может быть создана из высококачественного угля или диссоциированного природного газа. Атомы углерода диффундируют в недра металла, в результате чего образуется высокоуглеродистая оболочка, которая при последующем охлаждении создает твердую, износостойкую мартенситную поверхность.

Испытания на твердость стали

Твердость не имеет определенной единицы измерения. Скорее, оно описывается индексными числами. Существует несколько тестов на твердость, и индекс, используемый для описания твердости материала, зависит от используемого теста. Некоторые распространенные тесты на твердость:

Тест на твердость по Бринеллю

В этом испытании стальной шарик известного диаметра прикладывается в качестве нагрузки к поверхности материала. Затем число твердости по Бринеллю (BHN) рассчитывается по формуле, приведенной в таблице ниже. Измеряется диаметр полученного отпечатка; Наряду с диаметром стального шарика рассчитывается BHN.

Тест на твердость по Виккерсу

При испытании на твердость по Виккерсу нагрузка представляет собой пирамиду из алмазов с квадратным основанием. Такая нагрузка прикладывается к поверхности материала примерно на 30 секунд. Рассчитывают площадь отпечатка пирамиды и используют для расчета твердости металла.

Испытание на микротвердость по Кнупу

Этот тест на твердость предназначен для тонких листов или очень хрупких материалов. Наконечник с пирамидальным алмазом создает очень маленькое углубление в материале. Сделанный отпечаток затем изучают под микроскопом и используют для расчета твердости материала.

Испытание на твердость по Роквеллу

Твердость по Роквеллу была разработана для измерения разницы в твердости стали до и после термообработки. Индентор может представлять собой стальной шарик или сферический алмазный индентор. Твердость измеряется путем определения глубины проникновения в материал. Обычно применяются две нагрузки. Меньший заряд, чтобы произвести первоначальное впечатление, и больший заряд, чтобы вызвать основное проникновение.

Виды стали, которые можно закаливать

Американский институт железа и стали (AISI) классифицирует сталь на четыре основные группы:

Углеродистые стали

Легированные стали

нержавеющая сталь

Инструментальные стали

Основными элементами стали являются железо и углерод. Однако различные количества углерода и других легирующих элементов определяют свойства каждой марки. Содержание углерода в любой стали определяет ее прокаливаемость, а также максимально достижимую твердость. Особенно это актуально в случае отпуска, поскольку углерод способствует образованию мартенсита.

Углеродистая сталь (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Углеродистые стали – это сплавы железа, содержащие до 2% углерода. Они часто содержат следы легирующих элементов, улучшающих определенные свойства. В зависимости от фактического количества содержащегося в них углерода углеродистые стали можно разделить на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали.

низкоуглеродистая сталь

Также известная как мягкая сталь, она содержит от 0,08 до 0,35% углерода. Из-за низкого содержания углерода низкоуглеродистые стали не подвергаются закалке. Однако их можно укрепить путем цементации.

Среднеуглеродистые стали

Эти стали содержат от 0,35% до 0,5% углерода. Они прочнее низкоуглеродистых сталей, но с ними труднее работать. Среднеуглеродистые стали легко закаливаются закалкой. При легировании следами марганца их прокаливаемость увеличивается. Среднеуглеродистые стали также подвергаются цементации для применений, где износостойкость имеет решающее значение, например, коленчатых валов.

Высокоуглеродистые стали

Высокоуглеродистые стали содержат более 0,5% углерода. Эти типы сталей очень хорошо прокаливаются из-за высокого содержания углерода. Обычно их закаливают путем отпуска. Однако это делает их достаточно хрупкими, поэтому необходим отпуск.

Легированные стали (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Помимо содержания углерода, химический состав является еще одним фактором, влияющим на прокаливаемость сталей. Легированные стали содержат различное количество меди, никеля, марганца, бора и ванадия. Эти стали хорошо закаливаются закалкой. Это связано с тем, что легирующие элементы задерживают разложение аустенита, тем самым легко образуя мартенсит в легированных сталях. Закалка твердым раствором также является эффективным и распространенным способом упрочнения легированных сталей.

Нержавеющие стали (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Нержавеющие стали — это стали, которые содержат от 10 до 20% хрома в качестве основного легирующего элемента. Они очень устойчивы к коррозии и эрозии. В зависимости от структуры и состава нержавеющие стали можно разделить на

аустенитный

Аустенитные стали обычно содержат железо, 18% хрома, 8% никеля и менее 0,8% углерода. Это наиболее используемый тип нержавеющей стали. Аустенитные стали не подлежат ни магнитной, ни термической обработке. Однако они легко закаляются при холодной обработке.

Ферритный

Эти стали обычно содержат менее 0,1% углерода, от 12 до 17% хрома и следы никеля. Ферритные стали магнитны, но не могут быть упрочнены термической обработкой. Холодная обработка – эффективный метод их упрочнения.

Мартенситный

Мартенситные стали из-за своей внутренней структуры довольно тверды. Эти стали содержат до 1,2% углерода, а также 12-17% хрома. Из-за относительно высокого содержания углерода мартенситные стали легко упрочняются термической обработкой.

Дуплекс

Дуплексные стали имеют как ферритную, так и аустенитную микроструктуру. Эти стали упрочняются термической обработкой или поверхностной закалкой.

Дисперсионное твердение

Дисперсионно-твердеющие стали — это нержавеющие стали, содержащие хром, никель и другие легирующие элементы, такие как медь, алюминий и титан. Эти легирующие элементы позволяют упрочнять нержавеющую сталь посредством термической обработки растворением и старением. Они могут быть аустенитными или мартенситными.

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

Как следует из названия, инструментальные стали обычно используются при производстве инструментов, таких как режущие и сверлильные инструменты. Обычно они содержат вольфрам, кобальт, ванадий и молибден. Эти инструменты можно упрочнить путем холодной обработки, а также путем термической обработки, такой как закалка.

Виды стали и наиболее подходящий для них метод закалки.