Ce tipuri de oțel pot fi căliți?

Orice tip de oțel care conține o cantitate mare de carbon este capabil să se modifice. Acest lucru este cunoscut și sub numele de temperat. Dacă elementul nu conține suficient carbon, structura cristalină nu poate fi modificată și nicio cantitate de încălzire nu va modifica compoziția materialului.

Oțelul este unul dintre cele mai esențiale și emblematice metale de pe planetă. Din combinația de fier și carbon, iese un aliaj robust, versatil și utilizat pe scară largă. De la clădiri, infrastructură, rezervoare de apă, mașini, mașini, aparate de uz casnic până la ustensile simple precum furculițele și lingurile, aplicațiile sale par să nu aibă limite. Acest lucru se datorează numeroaselor proprietăți dezirabile pe care le are oțelul. Una dintre aceste proprietăți este duritatea, capacitatea unui material de a rezista la deformarea indusă de indentare, impact sau abraziune. Cu toate acestea, duritatea naturală a oțelului nu este întotdeauna suficientă pentru anumite aplicații de inginerie, cum ar fi structurile portante și părțile motorului. De aceea au fost dezvoltate metode pentru a crește semnificativ duritatea împreună cu alte proprietăți ale oțelului. Aceste metode sunt cunoscute sub denumirea de călire a oțelului.

Călirea oțelului se realizează de obicei pe produse finite și nu pe materii prime. În prelucrarea CNC, călirea oțelului este un proces de post-prelucrare care se realizează pe piesele prelucrate. Acest lucru se face din mai multe motive. În primul rând, nu este economic să căliți un întreg bloc de oțel, deoarece un procent mare din acesta va fi îndepărtat în procesul de prelucrare. În plus, oțelul călit este mult mai dificil de prelucrat, deoarece duritatea piesei face dificilă pătrunderea sculei.

Structuri interne ale oțelului și duritatea acestuia

Nu toate oțelurile pe care le vedem au aceeași compoziție. Mai exact, există diferite compoziții de oțel pentru diverse scopuri. Diferența dintre oțeluri se rezumă la structurile lor interne. Pe măsură ce nevoia de metale mai puternice pentru a susține sarcinile a crescut, a devenit necesară întărirea oțelului. Oțelul în forma sa cea mai de bază are rezistență și duritate relativ scăzute. Cu toate acestea, o modificare a structurilor sale interne produce rezultate impresionante în rezistență și duritate. Călirea oțelului constă pur și simplu în procese concepute pentru a favoriza formarea unei anumite structuri interne, mai degrabă decât a unei alte. Structurile interne din oțel includ

martensite

Este cea mai dură formă a structurii cristaline interioare a oțelului. Răcirea rapidă a fierului austenitic formează martensită. Datorită vitezei rapide de răcire, carbonul este prins într-o soluție solidă care face ca piesa să se întărească. Este extrem de dur și fragil. Martensita are o microstructură aciculară, asemănătoare unui ac, care apare ca plăci lenticulare sau trombocite care împart și subîmpart boabele fazei părinte, atingându-se mereu, dar niciodată încrucișându-se. Această structură apare într-un număr mare de sisteme de aliaje, inclusiv Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenita

Austenita este următoarea structură internă din oțel cea mai dură după martensită. Se referă la aliajele de fier în care fierul este gamma. De obicei apare sub 1500ºC și peste 723ºC.

perlit

Perlita este diferită de martensită prin faptul că structura perlitei este formată prin răcire lentă. Este un aranjament laminar de ferită și cementită. La 723 °C, fierul gamma se transformă din structura sa FCC în fier alfa, forțând carbura de fier (cementită) să iasă din soluție.

Metode de călire a oțelului

Există mai multe metode de a efectua călirea oțelului. Aceste metode pot fi termice, mecanice, chimice sau o combinație a două sau mai multe dintre ele. Procesele de călire termică sunt cele mai comune metode de călire a oțelului. Acestea implică de obicei trei etape principale, care sunt încălzirea oțelului, menținerea acestuia la o anumită temperatură și răcirea acestuia. Prima etapă implică de obicei încălzirea metalului la o temperatură foarte ridicată pentru a induce modificări structurale în interiorul acestuia. Acest lucru face, de asemenea, mai ușor să lucrați pe metal, cum ar fi schimbarea formei acestuia. Diferitele metode de călire a oțelului sunt

munca la rece

Lucrarea la rece modifică adesea proprietățile oțelului sau ale metalelor. Această metodă de întărire a oțelului implică pur și simplu deformarea unui metal la o temperatură sub punctul său de topire. Proprietăți precum limita de curgere, rezistența la tracțiune și duritatea cresc, în timp ce plasticitatea și deformabilitatea materialului scad. Întărirea prin deformare, care rezultă din acumularea și încurcarea dislocațiilor în timpul deformării plastice, este o modalitate esențială de întărire a elementelor. Deși aproximativ 90 la sută din energia din timpul lucrului la rece este disipată sub formă de căldură, restul este stocată în rețeaua cristalină, crescându-i astfel energia internă.

Întărirea aliajului solid

Întărirea prin soluție este adăugarea unui element de aliere la metalul de bază pentru a crea o soluție solidă. La solidificare, metalul se întărește datorită prezenței atomilor de aliaj în rețeaua cristalină a metalului de bază. Diferența de dimensiune dintre atomii de dizolvat și de solvent afectează eficacitatea soluției solide. Dacă atomul de dizolvat este mai mare decât atomul de solvent, se produc câmpuri de deformare compresive. În schimb, dacă atomul de solvent este mai mare decât atomii de dizolvat, se produc câmpuri de deformare la tracțiune. Atomii soluți care deformează rețeaua într-o structură tetragonală provoacă o întărire rapidă. Un exemplu evident este efectul cementitei asupra oțelului.

călire și revenire

La călire, numită și transformare martensitică, oțelul este încălzit peste temperatura critică până la intervalul de austenită, menținut la această temperatură, și apoi stins rapid sau, mai des, stins în apă, ulei sau apă, sare topită. Pentru oțelurile hipoeutectoide, temperatura de încălzire este cu 30-50ºC peste limita liniei de solubilitate a austenitei. Pentru oțelurile hipereutectoide, temperatura este peste temperatura eutectoide. Răcirea determină transformare martensitică, care întărește considerabil oțelul. Cu toate acestea, oțelul întărit este foarte fragil. Prin urmare, călirea este necesară pentru a reduce tensiunile interne și pentru a reduce fragilitatea. Duritatea maximă se obține atunci când viteza de călire este suficient de rapidă pentru a asigura transformarea completă a martensitei.

Cementare (cutie)

După cum sugerează și numele, cementarea creează o suprafață dură, necesară pentru a rezista la uzură în aplicații precum arbori cotiți, rulmenți și altele asemenea. Această metodă de călire a oțelului implică, în general, una dintre cele trei abordări:

Inductie si intarire la flacara

Acesta este un tratament termic diferențial al suprafeței. Suprafața se încălzește rapid pentru a preveni afectarea centrului materialului. Materialul suferă apoi o răcire mult mai rapidă. În acest fel, la suprafață se dezvoltă un nivel ridicat de martensită.

Întărire prin difuzie (nitrurare)

Este o modificare a compoziției suprafeței. Particulele fine se dispersează permițând gazelor selectate să reacționeze și să se difuzeze în oțel. În acest proces, oțelul este tratat termic pentru a obține o structură martensitică stinsă. Apoi este expus la o atmosferă de amoniac la aproximativ 550°C timp de 12-36 ore. Elementele de aliere mici, precum Al sau Crenhance, favorizează formarea unei dispersii fine de nitruri, care măresc semnificativ duritatea suprafeței și rezistența la uzură. Această compoziție de nitrură este cu mult superioară martensitei în ceea ce privește duritatea.

cementare

Constă în expunerea oțelului la o atmosferă carbonică la temperatură ridicată. Atmosfera carbonică poate fi generată din cărbune de înaltă calitate sau gaz natural disociat. Atomii de carbon difuzează în subsuprafața metalului, rezultând o cutie cu conținut ridicat de carbon care, după răcirea ulterioară, creează o suprafață martensitică dură, rezistentă la uzură.

Teste de duritate a oțelului

Duritatea nu are o unitate de măsură specifică. Mai degrabă, este descris prin numere de index. Există mai multe teste de duritate și indicele folosit pentru a descrie duritatea unui material depinde de testul utilizat. Unele teste de duritate comune sunt

Test de duritate Brinell

În acest test, o bilă de oțel de diametru cunoscut este aplicată ca sarcină pe suprafața materialului. Numărul de duritate Brinell (BHN) este apoi calculat folosind formula din tabelul de mai jos. Se măsoară diametrul amprentei rezultate; împreună cu diametrul bilei de oțel se calculează BHN.

Test de duritate Vickers

În testul de duritate Vickers, sarcina este o piramidă de diamant cu o bază pătrată. Această sarcină este aplicată pe suprafața materialului timp de aproximativ 30 de secunde. Aria amprentei piramidale este calculată și utilizată pentru a calcula duritatea metalului.

Test de microduritate Knoop

Acest test de duritate este specific pentru foile subtiri sau materialele foarte casante. Un vârf de diamant piramidal creează o adâncime foarte mică în material. Indentarea realizată este apoi studiată la microscop și utilizată pentru a calcula duritatea materialului.

Test de duritate Rockwell

Duritatea Rockwell a fost dezvoltată pentru a măsura diferența de duritate a oțelului înainte și după tratamentul termic. Indentatorul poate fi o bilă de oțel sau un indentor sferic de diamant. Duritatea se măsoară prin determinarea adâncimii de pătrundere în material. În mod normal, sunt aplicate două sarcini. O sarcină mai mică pentru a face o impresie inițială și o sarcină mai mare pentru a provoca penetrarea principală.

Tipuri de oțel care poate fi călit

Institutul American de Fier și Oțel (AISI) clasifică oțelul în patru grupe principale:

oteluri carbon

Oteluri aliate

Otel inoxidabil

oteluri pentru scule

Elementele de bază ale oțelului sunt fierul și carbonul. Cu toate acestea, cantități variabile de carbon și alte elemente de aliere determină proprietățile fiecărui grad. Conținutul de carbon al oricărui oțel determină călibilitatea acestuia, precum și duritatea maximă atinsă. Acest lucru este valabil mai ales în cazul călirii, deoarece carbonul favorizează formarea martensitei.

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

Oțelurile carbon sunt aliaje de fier care conțin până la 2 la sută carbon. Acestea conțin adesea oligoelemente de aliere care sporesc anumite proprietăți. Pe baza cantității reale de carbon pe care o conțin, oțelurile carbon pot fi clasificate în oțeluri cu conținut scăzut de carbon, oțeluri cu carbon mediu și oțeluri cu conținut ridicat de carbon.

oțel cu conținut scăzut de carbon

Cunoscut și ca oțel moale, conține între {{0}},08 și 0,35% carbon. Datorită conținutului scăzut de carbon, oțelurile cu conținut scăzut de carbon nu se întăresc la rece. Cu toate acestea, ele pot fi întărite prin cementare.

oțeluri cu carbon mediu

Aceste oțeluri conțin între {{0}},35% și 0,5% carbon. Sunt mai rezistente decât oțelurile cu conținut scăzut de carbon, dar sunt mai greu de prelucrat. Oțelurile cu carbon mediu se întăresc ușor prin călire. Atunci când sunt aliate cu urme de mangan, întăribilitatea lor crește. Oțelurile cu carbon mediu sunt, de asemenea, călite pentru aplicații în care rezistența la uzură este critică, cum ar fi arborii cotit.

oțeluri cu conținut ridicat de carbon

Oțelurile cu conținut ridicat de carbon conțin mai mult de 0,5 la sută carbon. Acest tip de oțeluri sunt foarte întăribile datorită conținutului ridicat de carbon. Ele sunt de obicei întărite prin călire. Cu toate acestea, acest lucru le face destul de casante, așa că este necesară călirea.

Oțeluri aliate (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Pe lângă conținutul de carbon, compoziția chimică este un alt factor care afectează călibilitatea oțelurilor. Oțelurile aliate conțin cantități variate de cupru, nichel, mangan, bor și vanadiu. Aceste oțeluri sunt foarte întăribile prin călire. Acest lucru se datorează faptului că elementele de aliere întârzie descompunerea austenitei, formând astfel cu ușurință martensită în oțelurile aliate. Călirea în soluție solidă este, de asemenea, o modalitate eficientă și comună de călire a oțelurilor aliate.

Oțeluri inoxidabile (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Oțelurile inoxidabile sunt oțeluri care conțin între 10 și 20 la sută crom ca element principal de aliere. Sunt foarte rezistente la coroziune și eroziune. În funcție de structura și compoziția lor, oțelurile inoxidabile pot fi clasificate ca

Austenitic

Oțelurile austenitice conțin de obicei fier, 18% crom, 8% nichel și mai puțin de 0,8% carbon. Sunt cel mai utilizat tip de oțel inoxidabil. Oțelurile austenitice nu sunt magnetice sau tratabile termic. Cu toate acestea, se întăresc ușor prin prelucrare la rece.

Feritice

Aceste oțeluri conțin în mod obișnuit mai puțin de 0,1% carbon, între 12 și 17% crom și urme de nichel. Oțelurile feritice sunt magnetice, dar nu pot fi întărite prin tratament termic. Prelucrarea la rece este o metodă eficientă de întărire a acestora.

martensitic

Datorită structurilor lor interne, oțelurile martensitice sunt destul de dure. Aceste oțeluri conțin până la 1,2 la sută carbon, plus 12-17 la sută crom. Datorită conținutului lor relativ ridicat de carbon, oțelurile martensitice se întăresc ușor prin tratament termic.

Duplex

Oțelurile duplex au atât microstructuri feritice, cât și austenitice. Aceste oțeluri sunt călite prin tratament termic sau cementare.

Întărirea prin precipitații

Oțelurile de întărire prin precipitare sunt oțeluri inoxidabile care conțin crom, nichel și alte elemente de aliere, cum ar fi cuprul, aluminiul și titanul. Aceste elemente de aliere permit ca oțelul inoxidabil să fie întărit prin tratare termică cu soluție și îmbătrânire. Pot fi austenitice sau martensitice.

Oțeluri pentru scule ( UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

După cum sugerează și numele, oțelurile pentru scule sunt utilizate în mod obișnuit la fabricarea de unelte, cum ar fi sculele de tăiere și de găurit. Acestea conțin de obicei wolfram, cobalt, vanadiu și molibden. Aceste unelte pot fi întărite prin prelucrare la rece și, de asemenea, prin tratamente termice, cum ar fi călirea.

Tipuri de oțel și metoda lor de călire cea mai potrivită