Hvilke typer stål kan hærdes?

Enhver type stål, der indeholder en stor mængde kulstof, er i stand til at ændre. Dette er også kendt som at være tempereret. Hvis elementet ikke indeholder nok kulstof, kan krystalstrukturen ikke ændres, og ingen mængde opvarmning vil ændre materialets sammensætning.

Stål er et af de mest essentielle og emblematiske metaller på planeten. Fra kombinationen af ​​jern og kulstof opstår en robust, alsidig og meget brugt legering. Fra bygninger, infrastruktur, vandtanke, biler, maskiner, husholdningsapparater til simple redskaber som gafler og skeer, synes dets anvendelser ikke at have nogen grænser. Dette skyldes de mange ønskværdige egenskaber, som stål har. En af disse egenskaber er hårdhed, et materiales evne til at modstå deformation forårsaget af fordybning, stød eller slid. Stålets naturlige hårdhed er dog ikke altid tilstrækkelig til visse tekniske applikationer, såsom bærende strukturer og motordele. Derfor er der udviklet metoder til at øge hårdheden sammen med andre egenskaber ved stål markant. Disse metoder er kendt som stålhærdning.

Hærdning af stål udføres normalt på færdige produkter og ikke på råvarer. Ved CNC-bearbejdning er stålhærdning en efterbearbejdningsproces, der udføres på bearbejdede dele. Dette gøres af flere årsager. Først og fremmest er det ikke økonomisk at hærde en hel blok stål, da en stor procentdel af det vil blive fjernet i bearbejdningsprocessen. Desuden er hærdet stål meget sværere at bearbejde, da delens hårdhed gør det svært for værktøjet at trænge igennem.

Indvendige strukturer af stål og dets hårdhed

Ikke alle de stål, vi ser, har samme sammensætning. Helt præcist er der forskellige sammensætninger af stål til forskellige formål. Forskellen mellem stålene kommer ned til deres indre strukturer. Efterhånden som behovet for stærkere metaller til at understøtte belastninger steg, blev det nødvendigt at hærde stålet. Stål i sin mest basale form har relativt lav styrke og hårdhed. Men en ændring af dens indre strukturer giver imponerende resultater i dens modstand og hårdhed. Stålhærdning består simpelthen af ​​processer designet til at fremme dannelsen af ​​en bestemt indre struktur frem for en anden. Indvendige stålkonstruktioner omfatter

Martensit

Det er den hårdeste form for den indre krystallinske struktur af stål. Hurtig afkøling af austenitisk jern danner martensit. På grund af dets hurtige afkølingshastighed er kulstoffet fanget i en fast opløsning, som får delen til at hærde. Det er ekstremt hårdt og skørt. Martensit har en nålelignende, nåleformet mikrostruktur, der fremstår som linseformede plader eller blodplader, der deler og underdeler moderfasekornene, altid rørende, men aldrig krydsende. Denne struktur forekommer i et stort antal legeringssystemer, herunder Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenit

Austenit er den næsthårdeste interne stålkonstruktion efter martensit. Henviser til jernlegeringer, hvor jernet er gamma. Det forekommer normalt under 1500ºC og over 723ºC.

perlit

Pearlit er forskellig fra martensit ved, at strukturen af ​​perlit dannes ved langsom afkøling. Det er et laminært arrangement af ferrit og cementit. Ved 723ºC omdannes gammajern fra sin FCC-struktur til alfajern, hvilket tvinger jerncarbid (cementit) ud af opløsningen.

Stålhærdningsmetoder

Der er flere metoder til at udføre hærdning af stål. Disse metoder kan være termiske, mekaniske, kemiske eller en kombination af to eller flere af dem. Termiske hærdningsprocesser er de mest almindelige metoder til hærdning af stål. De involverer normalt tre hovedtrin, som er at opvarme stålet, holde det ved en bestemt temperatur og afkøle det. Det første trin involverer normalt opvarmning af metallet til en meget høj temperatur for at fremkalde strukturelle ændringer i det. Dette gør det også lettere at arbejde på metallet, såsom at ændre dets form. De forskellige metoder til hærdning af stål er

koldt arbejde

Koldbearbejdning ændrer ofte stålets eller metallers egenskaber. Denne metode til hærdning af stål involverer simpelthen at deformere et metal ved en temperatur under dets smeltepunkt. Egenskaber som flydespænding, trækstyrke og hårdhed øges, mens materialets plasticitet og deformerbarhed falder. Deformationshærdning, som er resultatet af akkumulering og sammenfiltring af dislokationer under plastisk deformation, er en væsentlig måde at forstærke elementer på. Selvom omkring 90 procent af energien under koldbearbejdning spredes som varme, lagres resten i krystalgitteret og øger dermed dets indre energi.

Solid legering hærdning

Løsningshærdning er tilsætning af et legeringselement til basismetallet for at skabe en solid opløsning. Ved størkning hærder metallet på grund af tilstedeværelsen af ​​legeringsatomerne i basismetallets krystalgitter. Forskellen i størrelse mellem opløst stof og opløsningsmiddelatomer påvirker effektiviteten af ​​den faste opløsning. Hvis det opløste atom er større end opløsningsmiddelatomet, dannes kompressionsspændingsfelter. I stedet, hvis opløsningsmiddelatomet er større end de opløste atomer, produceres trækspændingsfelter. Opløste atomer, der forvrænger gitteret til en tetragonal struktur, forårsager hurtig hærdning. Et oplagt eksempel er effekten af ​​cementit på stål.

bratkøling og temperering

Ved bratkøling, også kaldet martensitisk transformation, opvarmes stålet over den kritiske temperatur til austenitområdet, holdes ved denne temperatur og derefter hurtigt bratkøles eller, oftere, bratkøles det i vand, olie eller vand, smeltet salt. For hypoeutektoidstål er opvarmningstemperaturen 30-50ºC over grænsen for austenitopløselighedslinjen. For hypereutektoide stål er temperaturen over den eutektoide temperatur. Afkøling forårsager martensitisk transformation, som hærder stålet betydeligt. Dog er hærdet stål meget skørt. Derfor er temperering nødvendig for at lindre indre belastninger og reducere skørhed. Maksimal hårdhed opnås, når bratkølingshastigheden er hurtig nok til at sikre fuldstændig omdannelse af martensitten.

Saghærdning (indpakket)

Som navnet antyder, skaber kassehærdning en hård overflade, der er nødvendig for at modstå slid i applikationer som krumtapaksler, lejer og lignende. Denne metode til hærdning af stål involverer generelt en af ​​tre tilgange:

Induktion og flammehærdning

Dette er en differentiel varmebehandling af overfladen. Overfladen opvarmes hurtigt for at forhindre, at midten af ​​materialet bliver påvirket. Materialet undergår så meget hurtigere afkøling. På denne måde udvikles et højt niveau af martensit på overfladen.

Diffusionshærdning (nitrering)

Det er en ændring af sammensætningen af ​​overfladearealet. Fine partikler spredes, hvilket tillader udvalgte gasser at reagere og diffundere ind i stålet. I denne proces varmebehandles stålet for at opnå en bratkølet martensitisk struktur. Det udsættes derefter for en ammoniakatmosfære ved ca. 550°C i 12-36 timer. Små legeringselementer, såsom Al eller Crenhance, fremmer dannelsen af ​​en fin spredning af nitrider, som markant øger overfladens hårdhed og slidstyrke. Denne nitridsammensætning er langt overlegen martensit med hensyn til hårdhed.

karburering

Det består i at udsætte stålet for en kulholdig atmosfære ved høj temperatur. Den kulholdige atmosfære kan genereres af kul af høj kvalitet eller dissocieret naturgas. Kulstofatomer diffunderer ind i metallets underflade, hvilket resulterer i en kasse med højt kulstofindhold, som ved efterfølgende afkøling skaber en hård, slidstærk martensitisk overflade.

Stålhårdhedstest

Hårdhed har ikke en bestemt måleenhed. Det er snarere beskrevet med indekstal. Der er flere hårdhedstest, og det indeks, der bruges til at beskrive et materiales hårdhed, afhænger af den anvendte test. Nogle almindelige hårdhedstest er

Brinell hårdhedstest

I denne test påføres en stålkugle med kendt diameter som en belastning på materialets overflade. Brinell hårdhedstallet (BHN) beregnes derefter ved hjælp af formlen i tabellen nedenfor. Diameteren af ​​det resulterende aftryk måles; sammen med stålkuglens diameter beregnes BHN.

Vickers hårdhedstest

I Vickers hårdhedstest er belastningen en diamantpyramide med en firkantet base. Denne belastning påføres overfladen af ​​materialet i ca. 30 sekunder. Arealet af det pyramideformede indtryk beregnes og bruges til at beregne hårdheden af ​​metallet.

Knoop mikrohårdhedstest

Denne hårdhedstest er specifik for tynde plader eller meget sprøde materialer. En pyramideformet diamantspids skaber en meget lille fordybning i materialet. Den lavede fordybning studeres derefter under et mikroskop og bruges til at beregne materialets hårdhed.

Rockwell hårdhedstest

Rockwell hårdhed blev udviklet til at måle forskellen i hårdhed af stål før og efter varmebehandling. Indrykkeren kan være en stålkugle eller en kugleformet diamantindrykker. Hårdhed måles ved at bestemme indtrængningsdybden i materialet. Der påføres normalt to belastninger. En lavere belastning for at give et første indtryk og en højere belastning for at forårsage hovedgennemtrængning.

Ståltyper, der kan hærdes

American Iron and Steel Institute (AISI) klassificerer stål i fire hovedgrupper:

kulstofstål

Legeret stål

Rustfri stål

værktøjsstål

De grundlæggende elementer i stål er jern og kulstof. Men varierende mængder af kulstof og andre legeringselementer bestemmer egenskaberne for hver kvalitet. Kulstofindholdet i ethvert stål bestemmer dets hærdeevne såvel som dets maksimalt opnåelige hårdhed. Dette gælder især i tilfælde af quenching, da kulstof fremmer dannelsen af ​​martensit.

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

Kulstofstål er legeringer af jern, der indeholder op til 2 procent kulstof. De indeholder ofte sporlegeringselementer, der forbedrer visse egenskaber. Baseret på den faktiske mængde kulstof, de indeholder, kan kulstofstål klassificeres i stål med lavt kulstofindhold, mellemkulstofstål og stål med højt kulstofindhold.

lavt kulstofstål

Også kendt som blødt stål, det indeholder mellem {{0}},08 og 0,35 procent kulstof. På grund af deres lave kulstofindhold afkøles stål med lavt kulstofindhold ikke. De kan dog hærdes ved karburering.

medium kulstofstål

Disse stål indeholder mellem {{0}},35 procent og 0,5 procent kulstof. De er stærkere end stål med lavt kulstofindhold, men er sværere at arbejde. Mellem kulstofstål hærdes let ved bratkøling. Når de er legeret med spormængder af mangan, øges deres hærdbarhed. Mellem kulstofstål er også kassehærdet til applikationer, hvor slidstyrke er kritisk, såsom krumtapaksler.

højkulstofstål

Stål med højt kulstofindhold indeholder mere end 0,5 procent kulstof. Denne type stål er meget hærdelige på grund af det høje kulstofindhold. De hærdes normalt ved bratkøling. Dette gør dem dog ret skøre, så temperering er nødvendig.

Legeret stål (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Ud over kulstofindholdet er den kemiske sammensætning en anden faktor, der påvirker stålets hærdbarhed. Legeret stål indeholder varierende mængder af kobber, nikkel, mangan, bor og vanadium. Disse stål er meget hærdelige ved bratkøling. Dette skyldes, at legeringselementerne forsinker nedbrydningen af ​​austenit og danner således let martensit i legeret stål. Fast opløsning hærdning er også en effektiv og almindelig måde at hærde legeret stål på.

Rustfrit stål (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Rustfrit stål er stål, der indeholder mellem 10 og 20 procent chrom som det vigtigste legeringselement. De er meget modstandsdygtige over for korrosion og erosion. Afhængigt af deres struktur og sammensætning kan rustfrit stål klassificeres som

Austenitisk

Austenitiske stål indeholder typisk jern, 18 procent chrom, 8 procent nikkel og mindre end 0,8 procent kulstof. De er den mest anvendte type rustfrit stål. Austenitiske stål er ikke magnetiske eller varmebehandlelige. De hærdes dog let ved koldbearbejdning.

Ferritics

Disse ståltyper indeholder typisk mindre end 0,1 procent kulstof, mellem 12 og 17 procent chrom og spormængder af nikkel. Ferritiske stål er magnetiske, men kan ikke hærdes ved varmebehandling. Koldbearbejdning er en effektiv metode til at hærde dem.

Martensitisk

På grund af deres indre strukturer er martensitiske stål ret hårde. Disse stål indeholder op til 1,2 procent kulstof plus 12-17 procent chrom. På grund af deres relativt høje kulstofindhold hærdes martensitiske stål let ved varmebehandling.

Duplex

Duplex stål har både ferritiske og austenitiske mikrostrukturer. Disse stål er hærdet ved varmebehandling eller saghærdning.

Nedbørshærdning

Udfældningshærdende stål er rustfrit stål, der indeholder krom, nikkel og andre legeringselementer såsom kobber, aluminium og titanium. Disse legeringselementer gør det muligt at hærde rustfrit stål ved opløsningsvarmebehandling og ældning. De kan være austenitiske eller martensitiske.

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

Som navnet antyder, er værktøjsstål almindeligvis brugt til fremstilling af værktøj, såsom skære- og boreværktøj. De indeholder normalt wolfram, kobolt, vanadium og molybdæn. Disse værktøjer kan hærdes ved koldbearbejdning og også ved varmebehandlinger såsom bratkøling.

Ståltyper og deres bedst egnede hærdningsmetode