چه نوع فولادی را می توان سخت کرد؟

هر نوع فولادی که حاوی مقدار زیادی کربن باشد، قابل تغییر است. این نیز به عنوان مزاج شناخته می شود. اگر عنصر حاوی کربن کافی نباشد، ساختار کریستالی را نمی توان تغییر داد و هیچ مقدار حرارتی ترکیب مواد را تغییر نمی دهد.

فولاد یکی از ضروری ترین و نمادین ترین فلزات روی کره زمین است. یک آلیاژ قوی، همه کاره و پرکاربرد از ترکیب آهن و کربن به وجود می آید. از ساختمان ها، زیرساخت ها، مخازن آب، خودروها، ماشین آلات، لوازم خانگی گرفته تا ظروف ساده مانند چنگال و قاشق، به نظر می رسد کاربرد آنها محدودیتی ندارد. این به دلیل خواص بسیار مطلوبی است که فولاد دارد. یکی از این ویژگی ها سختی است، توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل ناشی از فرورفتگی، ضربه یا سایش. با این حال، سختی طبیعی فولاد همیشه برای کاربردهای مهندسی خاص، مانند سازه های باربر و قطعات موتور کافی نیست. به همین دلیل است که روش هایی برای افزایش سختی در کنار سایر خواص فولاد به طور قابل توجهی توسعه یافته است. این روش ها به سختی فولاد معروفند.

سخت شدن فولاد معمولا بر روی محصولات نهایی انجام می شود و نه بر روی مواد خام. در ماشینکاری CNC، سخت شدن فولاد یک فرآیند پس از ماشینکاری است که بر روی قطعات ماشینکاری شده انجام می شود. این کار به چند دلیل انجام می شود. اولاً، سخت کردن کل یک بلوک فولادی مقرون به صرفه نیست، زیرا درصد زیادی از آن در فرآیند ماشینکاری حذف می شود. علاوه بر این، ماشینکاری فولاد سخت شده بسیار دشوارتر است، زیرا سختی قطعه، نفوذ ابزار را دشوار می کند.

سازه های داخلی فولاد و سختی آن

همه فولادهایی که می بینیم ترکیب یکسانی ندارند. دقیقاً، ترکیبات مختلفی از فولاد برای اهداف مختلف وجود دارد. تفاوت فولادها به ساختار داخلی آنها برمی گردد. با افزایش نیاز به فلزات قوی تر برای تحمل بارها، سخت شدن فولاد ضروری شد. فولاد در ابتدایی ترین شکل خود استحکام و سختی نسبتا کمی دارد. با این حال، اصلاح ساختار داخلی آن نتایج قابل توجهی در مقاومت و سختی آن ایجاد می کند. سخت شدن فولاد به سادگی فرآیندهایی است که برای تشویق تشکیل یک ساختار داخلی خاص به جای دیگری طراحی شده اند. سازه های فولادی داخلی شامل

مارتنزیت

این سخت ترین شکل ساختار کریستالی داخلی فولاد است. سرد شدن سریع آهن آستنیتی مارتنزیت را تشکیل می دهد. به دلیل سرعت خنک شدن سریع، کربن در یک محلول جامد به دام می افتد که باعث سخت شدن قطعه می شود. فوق العاده سخت و شکننده است. مارتنزیت دارای ریزساختار سوزنی مانند سوزنی است که به صورت صفحات عدسی شکل یا پلاکت‌هایی ظاهر می‌شود که دانه‌های فاز مادر را تقسیم و تقسیم می‌کنند، همیشه در تماس هستند اما هرگز از هم عبور نمی‌کنند. این ساختار در تعداد زیادی از سیستم های آلیاژی از جمله Fe-C، Fe-Ni-C وجود دارد.

آستنیت

آستنیت بعد از مارتنزیت سخت ترین ساختار داخلی فولاد است. به آلیاژهای آهن اطلاق می شود که در آنها آهن گاما است. معمولاً زیر 1500 درجه سانتیگراد و بالاتر از 723 درجه سانتیگراد ظاهر می شود.

پرلیت

پرلیت با مارتنزیت متفاوت است، زیرا ساختار پرلیت از خنک شدن آهسته تشکیل می شود. این یک آرایش آرام از فریت و سمنتیت است. در دمای 723 درجه سانتیگراد، آهن گاما از ساختار FCC خود به آهن آلفا تبدیل می شود و کاربید آهن (سمنتیت) را مجبور به خروج از محلول می کند.

روش های سخت شدن فولاد

روش های مختلفی برای سخت شدن فولاد وجود دارد. این روش ها می توانند حرارتی، مکانیکی، شیمیایی و یا ترکیبی از دو یا چند مورد از آنها باشند. فرآیندهای سخت شدن حرارتی رایج ترین روش های سخت شدن فولاد هستند. آنها معمولاً شامل سه مرحله اصلی هستند که عبارتند از گرم کردن فولاد، نگه داشتن آن در دمای معین و خنک کردن آن. مرحله اول معمولاً شامل حرارت دادن فلز تا دمای بسیار بالا برای ایجاد تغییرات ساختاری در داخل است. این کار کار روی فلز مانند تغییر شکل آن را نیز آسان می کند. روش های مختلف سخت شدن فولاد می باشد

کار سرد

کار سرد اغلب خواص فولاد یا فلزات را تغییر می دهد. این روش سخت شدن فولاد به سادگی شامل تغییر شکل یک فلز در دمای زیر نقطه ذوب آن است. خواصی مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی افزایش می یابد، در حالی که انعطاف پذیری و ظرفیت تغییر شکل ماده کاهش می یابد. سخت شدن کرنش، که از تجمع و درهم تنیدگی نابجایی ها در طول تغییر شکل پلاستیک حاصل می شود، یک راه ضروری برای تقویت عناصر است. اگرچه حدود 90 درصد انرژی در حین کار سرد به صورت گرما تلف می شود، بقیه در شبکه کریستالی ذخیره می شود و در نتیجه انرژی داخلی آن افزایش می یابد.

سخت شدن آلیاژ جامد

سخت شدن محلول عبارت است از افزودن یک عنصر آلیاژی به فلز پایه برای ایجاد محلول جامد. پس از انجماد، فلز به دلیل وجود اتم های آلیاژ در شبکه کریستالی فلز پایه سخت می شود. تفاوت اندازه بین اتم های حل شونده و حلال بر اثربخشی محلول جامد تأثیر می گذارد. اگر اتم املاح بزرگتر از اتم حلال باشد، میدان های فشاری ایجاد می شود. از طرف دیگر، اگر اتم حلال بزرگتر از اتم های املاح باشد، میدان های تغییر شکل کششی ایجاد می شود. اتم های املاح که شبکه را به یک ساختار چهارضلعی منحرف می کنند باعث سخت شدن سریع می شوند. نمونه بارز آن اثر سمنتیت بر فولاد است.

خاموش کننده و معتدل

در کوئنچ که تبدیل مارتنزیتی نیز نامیده می شود، فولاد بالاتر از دمای بحرانی تا محدوده آستنیت گرم می شود، در این دما نگه داشته می شود و سپس به سرعت سرد می شود یا اغلب در آب، روغن یا نمک مذاب خاموش می شود. برای فولادهای هیپویوتکتوئیدی، دمای حرارت دهی 30-50 درجه سانتیگراد بالاتر از حد خط حلالیت آستنیت است. برای فولادهای هایپریوتکتوئیدی، دما بالاتر از دمای یوتکتوئید است. خنک شدن باعث تبدیل مارتنزیتی می شود که به طور قابل توجهی فولاد را سخت می کند. با این حال، فولاد سخت شده بسیار شکننده است. بنابراین، تلطیف برای رفع تنش های داخلی و کاهش شکنندگی ضروری است. حداکثر سختی زمانی به دست می آید که سرعت خنک سازی در کوئنچ به اندازه کافی سریع باشد تا از تبدیل کامل مارتنزیت اطمینان حاصل شود.

سخت شدن سطح (جعبه ای)

همانطور که از نام آن پیداست، کربوریزه کردن سطح سختی ایجاد می کند که برای مقاومت در برابر سایش در کاربردهایی مانند میل لنگ، یاتاقان ها و موارد مشابه ضروری است. این روش سخت شدن فولاد به طور کلی شامل یکی از سه رویکرد است:

سخت شدن القایی و شعله

این یک عملیات حرارتی تفاضلی سطح است. سطح به سرعت گرم می شود تا مرکز مواد تحت تأثیر قرار نگیرد. سپس مواد در معرض سرد شدن بسیار سریع تری قرار می گیرند. به این ترتیب سطح بالایی از مارتنزیت در سطح ایجاد می شود.

سخت شدن انتشار (نیتریدینگ)

این تغییر در ترکیب ناحیه سطحی است. ذرات ریز پراکنده شده و به گازهای انتخاب شده اجازه واکنش داده و در فولاد پخش می شوند. در این فرآیند، فولاد تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا ساختار مارتنزیتی به دست آید. سپس به مدت 12 تا 36 ساعت در معرض اتمسفر آمونیاکی در حدود 550 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. عناصر آلیاژی کوچک، مانند Al یا Crenhance، به تشکیل پراکندگی ریز نیتریدها کمک می کنند، که به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. این ترکیب نیترید از نظر سختی بسیار برتر از مارتنزیت است.

کربوریزاسیون

این شامل قرار دادن فولاد در معرض یک جو کربنی در دمای بالا است. اتمسفر کربنی می تواند از زغال سنگ با کیفیت بالا یا گاز طبیعی جدا شده تولید شود. اتم‌های کربن در سطح زیرین فلز پخش می‌شوند و در نتیجه یک محفظه با کربن بالا ایجاد می‌شود که پس از سرد شدن بعدی، یک سطح مارتنزیتی سخت و مقاوم در برابر سایش ایجاد می‌کند.

تست سختی فولاد

سختی واحد اندازه گیری خاصی ندارد. بلکه با اعداد شاخص توصیف می شود. تست های سختی متعددی وجود دارد و شاخصی که برای توصیف سختی یک ماده استفاده می شود به آزمون مورد استفاده بستگی دارد. برخی از تست های سختی رایج هستند

تست سختی برینل

در این آزمایش، یک توپ فولادی با قطر مشخص به عنوان بار بر روی سطح ماده اعمال می شود. سپس عدد سختی برینل (BHN) با استفاده از فرمول جدول زیر محاسبه می شود. قطر چاپ حاصل اندازه گیری می شود. همراه با قطر توپ فولادی، BHN محاسبه می شود.

تست سختی ویکرز

در تست سختی ویکرز، بار یک هرم مربعی از الماس است. این بار حدود 30 ثانیه بر روی سطح ماده اعمال می شود. مساحت قالب هرم محاسبه شده و برای محاسبه سختی فلز استفاده می شود.

تست میکروسختی Knoop

این تست سختی مخصوص ورقه های نازک یا مواد بسیار شکننده است. یک نوک الماس هرمی یک فرورفتگی بسیار کوچک در مواد ایجاد می کند. سپس تورفتگی ایجاد شده با میکروسکوپ مورد مطالعه قرار می گیرد و برای محاسبه سختی مواد استفاده می شود.

تست سختی راکول

سختی راکول برای اندازه گیری تفاوت سختی فولاد قبل و بعد از عملیات حرارتی ایجاد شد. فرورفتگی ممکن است یک توپ فولادی یا یک فرورفتگی الماس کروی باشد. سختی با تعیین عمق نفوذ به مواد اندازه گیری می شود. به طور معمول دو بار اعمال می شود. یک بار کوچکتر برای ایجاد تأثیر اولیه و یک بار بزرگتر برای ایجاد نفوذ اصلی.

انواع فولاد قابل سخت شدن

موسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) فولاد را به چهار گروه اصلی طبقه بندی می کند:

فولادهای کربنی

فولادهای آلیاژی

فولادهای ضد زنگ

فولادهای ابزار

عناصر اساسی فولاد آهن و کربن است. با این حال، مقادیر متفاوت کربن و سایر عناصر آلیاژی، ویژگی‌های هر گرید را تعیین می‌کنند. محتوای کربن هر فولادی سختی پذیری آن و همچنین حداکثر سختی قابل دستیابی آن را تعیین می کند. این امر به ویژه در مورد تمپر کردن صادق است، زیرا کربن باعث تشکیل مارتنزیت می شود.

فولاد کربنی (UNS G10050-G15900، DIN 1.0xx)

فولادهای کربنی آلیاژهای آهنی هستند که تا ۲ درصد کربن دارند. آنها اغلب حاوی عناصر آلیاژی هستند که خواص خاصی را بهبود می بخشد. بر اساس مقدار واقعی کربن موجود در آنها، فولادهای کربنی را می توان به فولادهای کم کربن، فولادهای کربن متوسط ​​و فولادهای با کربن بالا طبقه بندی کرد.

فولاد کم کربن

همچنین به عنوان فولاد ملایم شناخته می شود و حاوی بین 0.08 تا 0.35 درصد کربن است. فولادهای کم کربن به دلیل محتوای کربن کم، سفت نمی شوند. با این حال، آنها را می توان با سیمان سخت کرد.

فولادهای کربن متوسط

این فولادها بین 0.35 تا 0.5 درصد کربن دارند. آنها از فولادهای کم کربن قوی تر هستند، اما کار با آنها دشوارتر است. فولادهای کربن متوسط ​​به راحتی با کوئنچ سخت می شوند. وقتی با ردپایی از منگنز آلیاژ می شوند، سختی پذیری آنها افزایش می یابد. فولادهای کربن متوسط ​​نیز برای کاربردهایی که مقاومت در برابر سایش حیاتی است، مانند میل لنگ، سخت می شوند.

فولادهای با کربن بالا

فولادهای پر کربن حاوی بیش از 0.5 درصد کربن هستند. این نوع فولادها به دلیل محتوای کربن بالا، بسیار سخت شدنی هستند. معمولاً با تلطیف سخت می شوند. با این حال، این آنها را کاملا شکننده می کند، بنابراین تلطیف کردن ضروری است.

فولادهای آلیاژی (UNS G13300-G98500، DIN 1.2xxx)

علاوه بر محتوای کربن، ترکیب شیمیایی عامل دیگری است که بر سختی پذیری فولادها تأثیر می گذارد. فولادهای آلیاژی حاوی مقادیر مختلفی از مس، نیکل، منگنز، بور و وانادیم هستند. این فولادها از طریق کوئنچینگ بسیار سخت می شوند. این به این دلیل است که عناصر آلیاژی تجزیه آستنیت را به تاخیر می اندازند، بنابراین به راحتی مارتنزیت را در فولادهای آلیاژی تشکیل می دهند. سخت شدن محلول جامد نیز یک روش موثر و رایج برای سخت شدن فولادهای آلیاژی است.

فولادهای ضد زنگ (UNS S00001-S99999، DIN 1.4xxx)

فولادهای زنگ نزن فولادهایی هستند که بین 10 تا 20 درصد کروم به عنوان عنصر اصلی آلیاژی دارند. در برابر خوردگی و فرسایش بسیار مقاوم هستند. بسته به ساختار و ترکیب آنها، فولادهای ضد زنگ را می توان به عنوان طبقه بندی کرد

آستنیتیکس

فولادهای آستنیتی معمولاً حاوی آهن، 18 درصد کروم، 8 درصد نیکل و کمتر از 0.8 درصد کربن هستند. آنها پرمصرف ترین نوع فولاد ضد زنگ هستند. فولادهای آستنیتی نه مغناطیسی هستند و نه قابل عملیات حرارتی. با این حال، آنها به راحتی با کار سرد سخت می شوند.

فریتیک

این فولادها معمولاً حاوی کمتر از 0.1 درصد کربن، بین 12 تا 17 درصد کروم و آثار نیکل هستند. فولادهای فریتی مغناطیسی هستند اما با عملیات حرارتی سخت نمی شوند. کار سرد روشی موثر برای سخت کردن آنهاست.

مارتنزیتی

فولادهای مارتنزیتی به دلیل ساختار داخلی خود بسیار سخت هستند. این فولادها حاوی 1.2 درصد کربن و 12 تا 17 درصد کروم هستند. فولادهای مارتنزیتی به دلیل محتوای کربن نسبتاً بالایی که دارند به راحتی با عملیات حرارتی سخت می شوند.

دوبلکس

فولادهای دوبلکس دارای ریزساختار فریتی و آستنیتی هستند. این فولادها با عملیات حرارتی یا سخت شدن سطحی سخت می شوند.

سخت شدن بارش

فولادهای سخت کننده رسوبی، فولادهای ضد زنگ هستند که حاوی کروم، نیکل و سایر عناصر آلیاژی مانند مس، آلومینیوم و تیتانیوم هستند. این عناصر آلیاژی به فولاد ضد زنگ اجازه می دهد تا از طریق عملیات حرارتی انحلال و پیری سخت شود. آنها می توانند آستنیتی یا مارتنزیتی باشند.

فولادهای ابزار (UNS T00001-T99999؛ DIN 1.23xx، 1.27xx، 1.25xx)

همانطور که از نام آن پیداست، فولادهای ابزار معمولاً در ساخت ابزارهایی مانند ابزارهای برش و حفاری استفاده می شوند. آنها معمولا حاوی تنگستن، کبالت، وانادیم و مولیبدن هستند. این ابزارها را می توان با کار سرد و همچنین با عملیات حرارتی مانند کوئنچ سخت کرد.

انواع فولاد و مناسب ترین روش سخت شدن آنها