Kokių rūšių plieną galima grūdinti?

Bet koks plienas, kuriame yra daug anglies, gali būti pakeistas. Tai taip pat žinoma kaip grūdinimas. Jei elemente nėra pakankamai anglies, kristalų struktūra negali būti pakeista ir joks kaitinimas nepakeis medžiagos sudėties.

Plienas yra vienas svarbiausių ir simboliškiausių metalų planetoje. Iš geležies ir anglies derinio susidaro tvirtas, universalus ir plačiai naudojamas lydinys. Atrodo, kad nuo pastatų, infrastruktūros, vandens rezervuarų, automobilių, mašinų, prietaisų iki paprastų indų, tokių kaip šakutės ir šaukštai, jų pritaikymas neturi ribų. Taip yra dėl daugelio pageidaujamų plieno savybių. Viena iš šių savybių yra kietumas, medžiagos gebėjimas atsispirti deformacijai, kurią sukelia įdubimas, smūgis ar dilimas. Tačiau natūralaus plieno kietumo ne visada pakanka tam tikroms inžinerinėms reikmėms, pavyzdžiui, laikančiosioms konstrukcijoms ir variklio dalims. Štai kodėl buvo sukurti metodai, leidžiantys žymiai padidinti kietumą kartu su kitomis plieno savybėmis. Šie metodai yra žinomi kaip plieno grūdinimas.

Plieno grūdinimas dažniausiai atliekamas ant gatavų gaminių, o ne ant žaliavų. CNC apdirbimo metu plieno grūdinimas yra po apdirbimo procesas, kuris atliekamas apdirbtose dalyse. Tai daroma dėl kelių priežasčių. Pirma, neekonomiška grūdinti visą plieno bloką, nes apdirbimo procese bus pašalinta didelė jo dalis. Be to, grūdintą plieną apdirbti daug sunkiau, nes dėl detalės kietumo įrankiui sunku prasiskverbti.

Vidinės plieno konstrukcijos ir jo kietumas

Ne visi plienai, kuriuos matome, yra vienodos sudėties. Tiksliau, yra skirtingos sudėties plieno skirtingiems tikslams. Skirtumas tarp plienų priklauso nuo jų vidinių konstrukcijų. Didėjant tvirtesnių metalų poreikiui išlaikyti apkrovas, atsirado būtinybė grūdinti plieną. Plienas savo pagrindine forma turi palyginti mažą stiprumą ir kietumą. Tačiau pakeitus jo vidines struktūras, gaunami įspūdingi atsparumo ir kietumo rezultatai. Plieno grūdinimas susideda iš procesų, skirtų skatinti vienos konkrečios vidinės struktūros susidarymą, o ne kitą. Vidinės plieno konstrukcijos apima

Martenzitas

Tai yra kiečiausia plieno vidinės kristalinės struktūros forma. Greitas austenitinės geležies aušinimas sudaro martensitą. Dėl greito aušinimo greičio anglis patenka į kietą tirpalą, dėl kurio dalis sukietėja. Tai nepaprastai kieta ir trapi. Martensitas turi adatos formos smailinę mikrostruktūrą, kuri atrodo kaip lęšinės plokštelės arba trombocitai, dalijantys ir padalijantys motininės fazės grūdelius, visada liesdami, bet niekada nesikertantys. Ši struktūra yra daugelyje lydinių sistemų, įskaitant Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenitas

Austenitas yra kita kiečiausia vidinė plieno struktūra po martensito. Nurodo geležies lydinius, kuriuose geležis yra gama. Paprastai jis būna žemesnis nei 1500 ºC ir aukštesnis nei 723 ºC.

Perlitas

Perlitas skiriasi nuo martensito, nes perlito struktūra susidaro lėtai aušinant. Tai laminarinis ferito ir cementito išdėstymas. 723ºC temperatūroje gama geležis iš FCC struktūros virsta alfa geležimi, išstumdama geležies karbidą (cementitą) iš tirpalo.

Plieno grūdinimo būdai

Yra keli plieno grūdinimo būdai. Šie metodai gali būti terminiai, mechaniniai, cheminiai arba dviejų ar daugiau iš jų derinys. Terminis grūdinimas yra labiausiai paplitęs plieno grūdinimo būdas. Paprastai juos sudaro trys pagrindiniai etapai: plieno kaitinimas, palaikymas tam tikroje temperatūroje ir aušinimas. Pirmasis etapas paprastai apima metalo kaitinimą iki labai aukštos temperatūros, kad viduje sukeltų struktūrinius pokyčius. Taip pat lengviau dirbti su metalu, pavyzdžiui, pakeisti jo formą. Skirtingi plieno grūdinimo būdai yra

šaltas darbas

Šaltasis apdirbimas dažnai pakeičia plieno ar metalų savybes. Šis plieno grūdinimo būdas paprasčiausiai susideda iš metalo deformavimo žemesnėje nei jo lydymosi temperatūroje. Padidėja tokios savybės kaip takumo riba, atsparumas tempimui ir kietumas, o sumažėja medžiagos plastiškumas ir deformacinė geba. Kietėjimas, atsirandantis dėl išnirimų kaupimosi ir įsipainiojimo plastinių deformacijų metu, yra esminis elementų stiprinimo būdas. Nors apie 90% energijos šalto apdirbimo metu išsisklaido kaip šiluma, likusi dalis kaupiama kristalinėje gardelėje, taip padidinant jos vidinę energiją.

Kietojo lydinio grūdinimas

Grūdinimas tirpalu – tai legiravimo elemento pridėjimas prie netauriojo metalo, kad būtų sukurtas kietas tirpalas. Po sukietėjimo metalas sukietėja dėl lydinio atomų buvimo netauriojo metalo kristalinėje gardelėje. Dydžių skirtumas tarp tirpios medžiagos ir tirpiklio atomų turi įtakos kieto tirpalo efektyvumui. Jei ištirpusios medžiagos atomas yra didesnis už tirpiklio atomą, susidaro suspaudimo deformacijos laukai. Kita vertus, jei tirpiklio atomas yra didesnis už ištirpusių medžiagų atomus, susidaro tempimo deformacijos laukai. Tirpus atomai, iškreipiantys gardelę į tetragoninę struktūrą, sukelia greitą sukietėjimą. Akivaizdus pavyzdys yra cementito poveikis plienui.

Grūdinimas ir grūdinimas

Grūdinant, dar vadinamą martensitine transformacija, plienas kaitinamas virš kritinės temperatūros iki austenito diapazono, palaikomas šioje temperatūroje, o po to greitai atšaldomas arba, dažniau, gesinamas vandenyje, aliejuje ar išlydytoje druskoje. Hipoeutektoidiniam plienui kaitinimo temperatūra yra 30-50ºC aukštesnė už austenito tirpumo linijos ribą. Hipereutektoidinio plieno temperatūra yra aukštesnė už eutektoidinę temperatūrą. Aušinimas sukelia martensitinę transformaciją, dėl kurios plienas labai sukietėja. Tačiau grūdintas plienas yra labai trapus. Todėl grūdinimas yra būtinas norint sumažinti vidinius įtempius ir sumažinti trapumą. Didžiausias kietumas pasiekiamas, kai aušinimo greitis yra pakankamai greitas, kad būtų užtikrinta visiška martensito transformacija.

Paviršiaus grūdinimas (dėžutėje)

Kaip rodo pavadinimas, karbiuravimas sukuria kietą paviršių, kuris yra būtinas, kad būtų atsparus dilimui tokiose srityse kaip alkūniniai velenai, guoliai ir pan. Šis plieno grūdinimo būdas paprastai apima vieną iš trijų būdų:

Indukcija ir grūdinimas liepsna

Tai diferencinis paviršiaus terminis apdorojimas. Paviršius greitai įkaista, kad nebūtų paveiktas medžiagos centras. Tada medžiaga daug greičiau atšaldoma. Tokiu būdu paviršiuje susidaro aukštas martensito lygis.

Difuzinis grūdinimas (nitridavimas)

Tai yra paviršinės zonos sudėties pakeitimas. Smulkios dalelės yra išsklaidytos, todėl pasirinktos dujos gali reaguoti ir difunduoti į plieną. Šiame procese plienas termiškai apdorojamas, kad būtų gauta grūdinta martensitinė struktūra. Tada jis 12–36 valandas veikiamas amoniako atmosferoje maždaug 550 °C temperatūroje. Maži legiravimo elementai, tokie kaip Al arba Crenhance, skatina smulkios nitridų dispersijos susidarymą, o tai žymiai padidina paviršiaus kietumą ir atsparumą dilimui. Ši nitrido sudėtis savo kietumu yra daug pranašesnė už martensitą.

Karburizacija

Jį sudaro plieno palaikymas anglies atmosferoje esant aukštai temperatūrai. Anglies atmosfera gali būti sukurta iš aukštos kokybės anglies arba disocijuotų gamtinių dujų. Anglies atomai difunduoja į metalo paviršių, todėl susidaro daug anglies turintis korpusas, kuris vėliau atvėsus sukuria kietą, dilimui atsparų martensitinį paviršių.

Plieno kietumo bandymai

Kietumas neturi konkretaus matavimo vieneto. Atvirkščiai, jis apibūdinamas indekso skaičiais. Yra keli kietumo testai, o medžiagos kietumui apibūdinti naudojamas indeksas priklauso nuo naudojamo bandymo. Kai kurie įprasti kietumo testai yra

Brinelio kietumo testas

Atliekant šį bandymą, medžiagos paviršiui apkraunamas žinomo skersmens plieninis rutulys. Tada pagal toliau pateiktoje lentelėje pateiktą formulę apskaičiuojamas Brinelio kietumo skaičius (BHN). Išmatuojamas gauto atspaudo skersmuo; kartu su plieninio rutulio skersmeniu apskaičiuojamas BHN.

Vickerso kietumo testas

Vickerso kietumo teste apkrova yra kvadratinė deimantų piramidė. Ši apkrova veikiama medžiagos paviršių apie 30 sekundžių. Apskaičiuojamas piramidės atspaudo plotas ir pagal jį apskaičiuojamas metalo kietumas.

Knoop mikrokietumo testas

Šis kietumo testas skirtas ploniems lakštams arba labai trapioms medžiagoms. Piramidinis deimantinis antgalis sukuria labai mažą įdubimą medžiagoje. Tada padaryta įduba tiriama mikroskopu ir naudojama medžiagos kietumui apskaičiuoti.

Rokvelo kietumo testas

Rokvelo kietumas buvo sukurtas siekiant išmatuoti plieno kietumo skirtumą prieš ir po terminio apdorojimo. Įtrauka gali būti plieninis rutulys arba sferinis deimantinis įdubimas. Kietumas matuojamas nustatant įsiskverbimo į medžiagą gylį. Paprastai taikomos dvi apkrovos. Mažesnis krūvis, kad susidarytų pradinis įspūdis, ir didesnis krūvis, kad būtų pasiektas pagrindinis įsiskverbimas.

Grūdinto plieno rūšys

Amerikos geležies ir plieno institutas (AISI) plieną skirsto į keturias pagrindines grupes:

Angliniai plienai

Legiruoti plienai

nerūdijančio plieno

Įrankių plienas

Pagrindiniai plieno elementai yra geležis ir anglis. Tačiau įvairus anglies ir kitų legiruojančių elementų kiekiai lemia kiekvienos rūšies savybes. Bet kurio plieno anglies kiekis lemia jo kietumą, taip pat didžiausią pasiekiamą kietumą. Tai ypač pasakytina apie grūdinimą, nes anglis skatina martensito susidarymą.

Anglies plienas (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Anglies plienas yra geležies lydiniai, kuriuose yra iki 2% anglies. Juose dažnai būna legiruojančių elementų pėdsakų, kurie pagerina tam tikras savybes. Remiantis faktiniu juose esančios anglies kiekiu, anglinis plienas gali būti skirstomas į mažai anglies, vidutinio anglies ir daug anglies turinčius plienus.

mažo anglies plieno

Taip pat žinomas kaip švelnus plienas, jame yra nuo 0,08 iki 0,35 % anglies. Dėl mažo anglies kiekio mažai anglies turintis plienas negesina kietėjimo. Tačiau juos galima sukietinti cementuojant.

Vidutinės anglies plienas

Šiuose plienuose yra nuo 0,35% iki 0,5% anglies. Jie yra stipresni už mažai anglies dioksido turinčius plienus, tačiau su jais dirbti sunkiau. Vidutinės anglies plienas lengvai grūdinamas grūdinant. Legiruojant su mangano pėdsakais, padidėja jų kietumas. Vidutinės anglies plienas taip pat yra grūdintas, kai yra labai svarbus atsparumas dilimui, pavyzdžiui, alkūniniai velenai.

Daug anglies plienas

Daug anglies plienas turi daugiau nei 0,5% anglies. Šio tipo plienas yra labai grūdinamas dėl didelio anglies kiekio. Paprastai jie grūdinami grūdinant. Tačiau dėl to jie gana trapūs, todėl grūdinti būtina.

Legiruotasis plienas (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Be anglies kiekio, cheminė sudėtis yra dar vienas veiksnys, turintis įtakos plieno grūdinimui. Legiruotojo plieno sudėtyje yra įvairaus vario, nikelio, mangano, boro ir vanadžio. Šie plienai yra labai grūdinami grūdinant. Taip yra todėl, kad legiruojantys elementai lėtina austenito skilimą, todėl legiruotoje plienuose lengvai susidaro martensitas. Grūdinimas kietu tirpalu taip pat yra veiksmingas ir įprastas legiruotojo plieno grūdinimo būdas.

Nerūdijantis plienas (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Nerūdijantis plienas yra plienas, kurio pagrindinis legiravimo elementas yra 10–20 % chromo. Jie yra labai atsparūs korozijai ir erozijai. Priklausomai nuo jų struktūros ir sudėties, nerūdijantis plienas gali būti klasifikuojamas kaip

Austenitas

Austenitiniame pliene paprastai yra geležies, 18 % chromo, 8 % nikelio ir mažiau nei 0,8 % anglies. Jie yra dažniausiai naudojamas nerūdijančio plieno tipas. Austenitiniai plienai nėra nei magnetiniai, nei termiškai apdorojami. Tačiau jie lengvai sukietėja dirbant šaltai.

Feritinis

Šiuose plienuose paprastai yra mažiau nei 0,1 % anglies, nuo 12 iki 17 % chromo ir nikelio pėdsakų. Feritinis plienas yra magnetinis, tačiau jo negalima sukietinti termiškai apdorojant. Šaltasis apdirbimas yra efektyvus jų grūdinimo būdas.

Martensitinis

Dėl savo vidinių konstrukcijų martensitiniai plienai yra gana kieti. Šiuose plienuose yra iki 1,2 % anglies, be to, dar 12-17 % chromo. Dėl santykinai didelio anglies kiekio martensitiniai plienai lengvai sukietėja termiškai apdorojant.

Dvipusis

Dvipusis plienas turi ir feritinę, ir austenitinę mikrostruktūrą. Šie plienai grūdinami termiškai apdorojant arba grūdinant paviršių.

Kritulių grūdinimas

Grūdinamasis plienas yra nerūdijantis plienas, kuriame yra chromo, nikelio ir kitų legiruojančių elementų, tokių kaip varis, aliuminis ir titanas. Šie legiravimo elementai leidžia grūdinti nerūdijantį plieną tirpstant ir senstant termiškai apdorojant. Jie gali būti austenitiniai arba martensitiniai.

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

Kaip rodo pavadinimas, įrankių plienas dažniausiai naudojamas įrankių gamyboje, pavyzdžiui, pjovimo ir gręžimo įrankiams. Paprastai juose yra volframo, kobalto, vanadžio ir molibdeno. Šiuos įrankius galima sukietinti apdorojant šaltu ir termiškai apdorojant, pavyzdžiui, grūdinant.

Plieno rūšys ir tinkamiausias grūdinimo būdas