Một kỹ sư mua hàng ký vào bản vẽ để chèn vỏ hộp số. Tờ giấy ghi "Thép không gỉ 316, 30 HRC." Nhà cung cấp đầu tiên báo giá thanh kéo nguội. Chiếc tàu thứ hai ủ nguyên kho và khẳng định độ cứng là "theo thông số kỹ thuật". Cả hai trích dẫn đều mô tả cùng một hợp kim và một trong số chúng không thể cung cấp những gì bản vẽ yêu cầu. Khoảng cách giữa bản vẽ và giấy chứng nhận của nhà máy là nơi bắt đầu của hầu hết các vấn đề về độ cứng của thép không gỉ 316.
Đây là câu trả lời ngắn gọn. Thép không gỉ 316 được ủ thường đo 150 đến 190 HBW , chuyển đổi thành đại khái 80 đến 95 HRB hoặc 155 đến 200 HV . Đó không phải là một vật liệu cứng. Nó là loại austenit chống ăn mòn và độ cứng của nó không thể tăng lên bằng cách làm nguội hoặc ủ. Hai con đường duy nhất để có được chi tiết 316 khó hơn là gia công nguội, có thể đẩy độ cứng khối về phía 350 HBW (khoảng 38 HRC) và các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ, có thể nâng lớp da phía trên 1000 HV trong khi vẫn để nguyên lõi.
Mọi thứ khác trong bài viết này đều xuất phát từ hai sự thật đó. Cho dù bạn đang mua hạt dao có ren, phích cắm dầu, đai ốc chuyển đổi hay ốc vít, độ cứng bạn nhận được tùy thuộc vào cách xử lý vật liệu chứ không phụ thuộc vào chú thích xử lý nhiệt trên bản in.
Độ cứng của thép không gỉ 316: Ý nghĩa thực sự của các con số
Độ cứng là thước đo điện trở, không phải là đặc tính vật liệu được khắc trên đá. Nó ghi lại cách một đầu dò cụ thể, dưới một tải trọng cụ thể, làm biến dạng một bề mặt cụ thể như thế nào. Thay đổi bất kỳ cái nào trong ba cái đó và số đó sẽ di chuyển. Đó là lý do tại sao con số về độ cứng không gỉ 316 mà không có thang đo và phương pháp kiểm tra kèm theo gần như vô nghĩa.
Đối với thép không gỉ austenit được ủ, ba thang đo chiếm ưu thế trong thực tiễn thương mại:
- Brinell (HBW) - một quả cầu cacbua vonfram 10 mm ở lực 3000 kgf. Tiêu chuẩn cho thanh, tấm và tiết diện nặng. Số đọc 316 điển hình: 150-190 HBW.
- Rockwell B (HRB) - một quả bóng 1/16 inch ở 100 kgf. Phổ biến trên các giấy chứng nhận của nhà máy đối với các bộ phận mỏng hoặc nhỏ. Số đọc 316 điển hình: 80-95 HRB.
- Vickers (HV) - một kim tự tháp kim cương, được sử dụng để tạo các lá mỏng, các lớp bề mặt và lập bản đồ độ cứng vi mô. Số đọc điển hình của 316: 155-200 HV.
Có hai điểm thực tế đáng lưu ý. Đầu tiên, hầu hết các tiêu chuẩn sản phẩm cho thanh và hình dạng 316 và 316L đều đặt ra tối đa độ cứng ủ xung quanh 215 đến 223 HBW . Mức trần đó tồn tại để đảm bảo độ dẻo và khả năng chống ăn mòn chứ không phải để hứa hẹn về độ bền. Thứ hai, thép không gỉ austenit chuyển đổi giữa các thang độ cứng khác với thép cacbon. Chi tiết 316 ở 95 HRB không có độ bền kéo tương đương với thép cacbon ở 95 HRB. Các bảng chuyển đổi được xây dựng cho thép ferit sẽ khiến bạn hiểu lầm từ 10 đến 15 phần trăm nếu bạn áp dụng chúng một cách mù quáng.
Độ cứng điển hình theo dạng sản phẩm ở nhiệt độ phòng
- Thanh ủ nguội: 160-190 HBW
- Tấm ủ cán nóng: 150-180 HBW
- Dây ủ và thanh có đường kính nhỏ: 80-90 HRB
- Ống liền mạch, ủ: 70-85 HRB (HR15T trên tường mỏng)
- Thanh kéo nguội, giảm nhẹ: 200-230 HBW
- Dây lò xo: 300-380 HBW
Tại sao Inox 316 không thể được làm cứng bằng xử lý nhiệt
Thép không gỉ 316 là austenit. Cấu trúc tinh thể của nó ở nhiệt độ phòng là khối lập phương tâm mặt và nó giữ nguyên như vậy từ nhiệt độ đông lạnh cho đến khi tan chảy. Không có sự biến đổi martensitic nào để kích hoạt quá trình dập tắt và không có cơ chế kết tủa cacbua nào có thể được khai thác để tăng cường khối lượng lớn. Xử lý nhiệt đơn giản là không làm thay đổi độ cứng của hợp kim.
Những gì xử lý nhiệt làm ngược lại. Ủ dung dịch, thường ở nhiệt độ 1040 đến 1120 độ C, sau đó làm nguội nhanh, hòa tan cacbua và tạo ra trạng thái mềm nhất, dẻo nhất, chống ăn mòn nhất hiện có. Nếu một nhà cung cấp nói với bạn rằng họ "đã xử lý nhiệt từ 316 đến 40 HRC", thì về mặt kỹ thuật, tuyên bố đó là không thể đối với vật liệu rời. Có điều gì đó khác đang diễn ra và đáng để tìm hiểu xem đó là gì.
Ba cơ chế làm thay đổi độ cứng 316
- Công việc lạnh lùng. Cán, vẽ, uốn cong, lăn sợi và bắn bóng đều gây ra trật khớp. Thép không gỉ Austenitic cứng lại nhanh chóng và duy trì hiệu quả ở nhiệt độ phòng. Đây là cách duy nhất để tăng độ cứng số lượng lớn.
- Xử lý khuếch tán bề mặt. Thấm nitơ, cacbon hóa và cacbon hóa nitro đưa nitơ hoặc cacbon xen kẽ vào lớp bên ngoài. Độ cứng tăng mạnh nhưng chỉ trong phạm vi hàng chục micron trên bề mặt.
- Lớp phủ và mạ. Crom cứng, niken điện phân và phun nhiệt tạo ra một vật liệu khác trên bề mặt. Độ cứng của nền không thay đổi.
Sự khác biệt này có ý nghĩa thương mại. Một bộ phận 316 được gia công nguội và một bộ phận 316 được thấm nitơ có thể có cùng độ cứng bề mặt và hoạt động hoàn toàn khác nhau khi sử dụng. Bộ phận được gia công nguội hoàn toàn chắc chắn và có khả năng chống ăn mòn kém hơn một chút. Phần thấm nitơ có lớp vỏ cứng bên ngoài lõi mềm, dẻo và khả năng chống ăn mòn của nó có thể giảm đáng kể trừ khi quá trình này được kiểm soát cẩn thận.
Chuyển đổi độ cứng không gỉ 316: HBW, HV, HRB và HRC
Bảng bên dưới cung cấp các chuyển đổi gần đúng trong phạm vi bạn thực sự sẽ gặp khi chỉ định hoặc kiểm tra các bộ phận không gỉ 316. Cột độ bền kéo chỉ mang tính biểu thị và phản ánh đặc tính austenit điển hình, không phải là mối quan hệ được đảm bảo. Luôn xác nhận thông số kỹ thuật vật liệu quản lý cho ứng dụng của bạn.
| tình trạng | HBW | HV | HRB | HRC | Độ bền kéo chỉ định |
|---|---|---|---|---|---|
| 316L, ủ hoàn toàn | 140-160 | 145-170 | 75-83 | — | 480-550 MPa |
| 316, ủ hoàn toàn (điển hình) | 160-180 | 165-190 | 82-89 | — | 550-620 MPa |
| 316, ủ giới hạn trên | 190-215 | 200-225 | 90-96 | — | 620-740 MPa |
| 316, vẽ lạnh nhẹ | 200-230 | 210-245 | — | 14-20 | 700-830 MPa |
| 316, NACE trần dịch vụ chua | ≈ 235-250 | ≈ 250-265 | — | tối đa 22 | ≈ 860 MPa |
| 316, làm việc nguội vừa phải (15-20%) | 250-280 | 265-300 | — | 24-30 | 860-960 MPa |
| 316, công việc nguội nặng (30%) | 300-350 | 315-370 | — | 32-38 | 1000-1200 MPa |
| 316, dây nóng lò xo | 350-420 | 370-450 | — | 38-44 | 1200-1500 MPa |
Ba cảnh báo về việc đọc bảng này. Đầu tiên là các cột HRB và HRC không chồng chéo lên nhau theo thiết kế. Rockwell B trở nên không đáng tin cậy khi ở trên khoảng 100 HRB vì đầu đo bi chìm quá sâu, và Rockwell C trở nên không đáng tin cậy khi ở dưới khoảng 20 HRC do viên kim cương xuyên qua quá xa. Giữa hai điểm đó có một khoảng cách chuyển đổi mà các tiêu chuẩn không thu hẹp được, đó là lý do tại sao hàng dịch vụ chua chát ở trên sử dụng số liệu tương đương Brinell thay vì số liệu HRB.
Cảnh báo thứ hai liên quan đến cột độ bền kéo. Thép không gỉ Austenitic ở độ cứng nhất định mang lại độ bền kéo cao hơn thép carbon ở cùng độ cứng, vì hợp kim cứng lại trong quá trình thử độ bền kéo. Việc chuyển đổi độ cứng 316 thành cường độ bằng bàn thép carbon sẽ đánh giá thấp nó.
Cảnh báo thứ ba là về kích thước phần. Dây có đường kính 3 mm và thanh có đường kính 60 mm không đáp ứng với cùng một phương pháp thử và chúng không cần phải làm như vậy. Độ cứng trên các phần mỏng phải được đo bằng thang Rockwell bề ngoài hoặc chuyển đổi sang Vickers, không bị buộc phải đọc Brinell mà hình học không thể hỗ trợ.
Gia công nguội thay đổi độ cứng của thép không gỉ 316 như thế nào
Gia công nguội là đòn bẩy thương mại chính cho độ cứng 316. Quá trình tạo hình kim loại hầu như không di chuyển kim trên thép cacbon thấp có thể tăng gấp đôi cường độ chảy của thép không gỉ austenit, vì hợp kim cứng lại với tốc độ cao hơn khoảng bốn đến sáu lần. Hiểu được đường cong đó là sự khác biệt giữa việc xác định một bộ phận có thể tồn tại sau quá trình lắp ráp và một bộ phận bị nứt trong tháng đầu tiên.
Mối quan hệ không phải là tuyến tính. Sự giảm thiểu nhỏ trong 10 phần trăm biến dạng đầu tiên tạo ra mức tăng độ cứng lớn, bởi vì cấu trúc được ủ có nhiều chỗ để tích tụ các sai lệch. Ngoài mức giảm khoảng 25 phần trăm, đường cong sẽ phẳng hơn và mỗi điểm phần trăm bổ sung sẽ mua ít độ cứng hơn trong khi tiêu thụ nhiều độ dẻo hơn. Ngoài ra còn có một hiệu ứng định hướng: thanh kéo nguội dọc theo trục kéo cứng hơn so với dọc theo nó và khảo sát độ cứng xung quanh chu vi của thanh kéo có thể cho thấy độ chênh lệch từ 10 đến 20 HBW.
Các thanh phía trên nén một cửa sổ hoạt động rộng thành sáu điểm đại diện. Đọc từ trái sang phải, hai thanh đầu tiên mô tả vật liệu rời khỏi nhà máy ở trạng thái mềm nhất, chống ăn mòn nhất và là thứ mà hầu hết người mua bộ chèn ren và dây buộc đều nhận được theo mặc định. Chuyển sang thanh thứ ba, kéo nguội nhẹ khoảng 10 phần trăm sẽ tăng độ cứng lên khoảng 30 HBW, thường đủ để cải thiện chất lượng ren gia công mà không làm tổn hại đến độ dẻo về mặt vật chất.
Thanh thứ tư và thứ năm hiển thị phần giữa của phạm vi gia công nguội, nơi thường chứa các loại dây buộc ô tô và hàng không vũ trụ. Ở mức giảm 15%, độ cứng tăng lên khoảng 230 HBW và cường độ chảy vượt quá 700 MPa, trong khi độ giãn dài vẫn ở mức trên 25%. Ở mức giảm 30%, độ cứng đạt tới 260 HBW, cường độ chảy vượt quá 800 MPa và độ giãn dài bắt đầu giảm xuống 15%.
Thanh cuối cùng đại diện cho dây cường lực lò xo, trong đó mức giảm từ 50% trở lên sẽ đẩy độ cứng vượt quá 350 HBW. Vật liệu ở cấp độ này thực sự bền, nhưng nó cũng gần đạt đến giới hạn mà thép không gỉ austenit có thể chấp nhận được. Yêu cầu về bán kính uốn trở nên chặt chẽ, độ nhạy nứt do ăn mòn do ứng suất tăng lên và bất kỳ hoạt động hàn hoặc hàn đồng thứ cấp nào cũng sẽ phá hủy cục bộ độ cứng đã được tạo ra một cách cẩn thận.
Sau đây là ba ý nghĩa thực tế. Đầu tiên, 316 gia công nguội không phải là một vật liệu đơn lẻ - nó là một nhóm các điều kiện và đơn đặt hàng chỉ ghi "không gỉ 316" thường sẽ cung cấp phiên bản đã ủ. Thứ hai, độ dốc độ cứng trong chi tiết được tạo hình nguội là có thật. Ren cuộn trên hạt dao kéo nguội có thể cứng hơn từ 20 đến 30 HBW so với thân bên dưới nó, điều này thường có lợi nhưng làm phức tạp việc kiểm tra. Thứ ba, bất kỳ hoạt động nhiệt tiếp theo nào trên khoảng 400 độ C sẽ bắt đầu làm giãn cấu trúc trật khớp và giảm độ cứng, do đó việc hàn, hàn vảy cứng hoặc xử lý ở nhiệt độ cao phải được lên kế hoạch xung quanh yêu cầu về độ cứng chứ không phải sau đó.
Độ cứng 316 so với 316L: Lớp Carbon thấp mềm hơn bao nhiêu?
Sự khác biệt giữa 316 và 316L là ở carbon. Tiêu chuẩn 316 cho phép lên tới 0,08% carbon; 316L giới hạn ở mức 0,03%. Đó là một thay đổi nhỏ về mặt hóa học có tác động có thể đo lường được đối với độ cứng, độ bền và khả năng hàn.
Trong điều kiện ủ, 316L chạy khoảng Mềm hơn 10 đến 15 HBW hơn 316. Trong đó 316 hạ cánh ở 160-180 HBW, 316L thường hạ cánh ở 140-160 HBW. Khoảng cách đủ nhỏ để nhiều bản vẽ coi cả hai là có thể hoán đổi cho nhau và đủ lớn để quan trọng khi cửa sổ độ cứng bị chật.
Khi làm việc nguội khoảng cách thu hẹp lại nhưng không đóng lại. Lượng carbon thấp hơn có nghĩa là độ bền của dung dịch rắn ít hơn một chút và tốc độ đông cứng thấp hơn một chút, do đó 316L đạt đến độ cứng nhất định với mức giảm lớn hơn một chút. Trong thực tế, sự khác biệt ở mức gia công nguội 20% là vào khoảng từ 5 đến 10 HBW.
Nơi sự lựa chọn thực sự quan trọng
| Cân nhắc | 316 | 316L |
|---|---|---|
| Độ cứng ủ | 160-180 HBW | 140-160 HBW |
| Trần cứng gia công nguội | Cao hơn một chút | Thấp hơn một chút |
| Nguy cơ mẫn cảm mối hàn | Cao hơn | Thấp hơn nhiều |
| Hiệu suất ăn mòn sau hàn | Yêu cầu ổn định hoặc chất độn có hàm lượng carbon thấp | Nói chung được chấp nhận như hàn |
| Khả năng gia công | Tốt hơn một chút | Hơi dẻo hơn một chút |
| sử dụng điển hình | Chốt, lò xo, các bộ phận tạo hình nguội | Các cụm hàn, thiết bị xử lý |
Nguyên tắc thực tế: chọn 316 khi bạn cần độ cứng tối đa khi gia công nguội và bộ phận sẽ không được hàn. Chọn 316L khi bộ phận sẽ được hàn, khi nó nhìn thấy clorua ở nhiệt độ cao hoặc khi độ cứng là mối quan tâm thứ yếu đằng sau khả năng chống ăn mòn. Nếu bản vẽ yêu cầu 316 nhưng bộ phận đó bị hàn trong quá trình lắp ráp thì đó là xung đột về thông số kỹ thuật cần được giải quyết trước khi sản xuất chứ không phải sau khi xảy ra lỗi.
Làm cứng bề mặt của thép không gỉ 316: thấm nitơ, thấm cacbon và lớp phủ
Khi độ cứng khối bị giới hạn bởi quá trình luyện kim của hợp kim, lựa chọn còn lại là chỉ làm cứng bề mặt. Một số quy trình thực hiện việc này và mỗi quy trình đều có sự đánh đổi riêng biệt về hiệu suất ăn mòn, sự thay đổi kích thước và độ sâu lớp.
- Thấm nitơ khí hoặc plasma thông thường. Tiến hành ở nhiệt độ 500 đến 580 độ C. Tạo ra độ cứng bề mặt trong phạm vi 1000 đến 1700 HV, nhưng kết tủa crom nitrit loại bỏ crom khỏi nền và có thể làm suy giảm nghiêm trọng khả năng chống ăn mòn. Độ sâu lớp thường là 20 đến 100 micron.
- Thấm nitơ ở nhiệt độ thấp (pha S). Tiến hành dưới 450 độ C. Nitơ tồn tại trong dung dịch rắn xen kẽ thay vì hình thành nitrua, do đó khả năng chống ăn mòn phần lớn được giữ lại. Độ cứng bề mặt có thể đạt được từ 1000 đến 1200 HV, với độ sâu lớp từ 10 đến 30 micron.
- Carburizing ở nhiệt độ thấp. Nguyên tắc tương tự với carbon thay vì nitơ. Độ cứng bề mặt khoảng 700 đến 900 HV với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhưng thời gian chu kỳ dài hơn.
- Mạ crom cứng. Tạo ra lớp 700 đến 1000 HV, dày thường từ 10 đến 50 micron. Khả năng chống mài mòn tốt nhưng lợi ích ăn mòn hạn chế và gánh nặng tuân thủ môi trường nổi tiếng.
- Niken không điện. Khoảng 500 đến 600 HV khi lắng đọng, tăng lên 900 HV sau khi nướng. Độ phủ đồng nhất trên hình học phức tạp, nhưng lớp này có thể bị sứt mẻ dưới tải trọng điểm cao.
Các hậu quả chiều xứng đáng được chú ý. Lớp nitrided làm tăng chi tiết thêm vài micron và lớp mạ từ 5 đến 50 micron mỗi bên tùy thuộc vào độ dày. Trên hạt dao ren có dung sai đường kính bước được kiểm soát, sự tăng trưởng đó có thể đẩy bộ phận ra khỏi dải chấp nhận. Các hạt dao được làm cứng bề mặt phải được xác định kích thước trước khi xử lý với dung sai tăng trưởng được tích hợp sẵn và quá trình mạ hoặc khuếch tán phải được chỉ định cùng với dung sai ren.
Đối với các kết nối ren, việc làm cứng bề mặt hiếm khi là giải pháp đầu tiên đúng đắn. Nó làm thay đổi hệ số ma sát, làm thay đổi mối quan hệ mômen - lực căng, làm thay đổi dự ứng lực trong khớp. Hạt dao 316 mềm hơn nhưng có kích thước nhất quán thường hoạt động tốt hơn hạt dao được phủ cứng đơn giản vì mô-men xoắn của cụm hoạt động có thể đoán trước được.
Độ cứng không gỉ 316 trong các hạt dao và chốt có ren
Hạt dao có ren là một trường hợp nghiên cứu lý do tại sao độ cứng lại quan trọng hơn số lượng bề mặt gợi ý. Một hạt dao phải thực hiện ba công việc cùng một lúc: giữ bu-lông ở mức tải trước định mức, tồn tại trong các chu kỳ lắp ráp lặp đi lặp lại và chống lại sự va đập khi tiếp xúc với vít không gỉ. Độ cứng ảnh hưởng đến cả ba điều này và nó ảnh hưởng theo những cách không phải lúc nào cũng trực quan.
Lấy một tiêu chuẩn chèn ren bằng thép không gỉ trong 316. Được ủ ở nhiệt độ 160-180 HBW, nó đủ mềm để biến dạng nhẹ trong lần siết chặt đầu tiên, điều này giúp nó phù hợp với ren gốc nhưng cũng có nghĩa là ren chèn phải chịu mọi mô-men xoắn quá mức. Hạt dao tương tự trong 316 gia công nguội ở 250-280 HBW có khả năng chống biến dạng tốt hơn nhưng dễ bị mòn hơn vì độ cứng cao hơn làm giảm khả năng tiếp xúc với cường độ vi mô của vật liệu.
Phần chèn tự khai thác tạo thêm nếp nhăn. Các bộ phận này cắt hoặc tạo thành sợi riêng của chúng trong vật liệu gốc, do đó phần chèn phải cứng hơn vật chủ. Trong nhôm và magie, nơi độ cứng của vật chủ thường dưới 100 HBW, hạt dao 316 được ủ ở 170 HBW có biên độ rộng. Trong các vật chủ bằng gang hoặc thép nhẹ, lề thu hẹp và hạt dao cần gia công nguội hoặc hợp kim cứng hơn để cắt sạch. Đây là một trong những lý do khiến hạt dao tự taro bằng thép cacbon vẫn phổ biến trong các vật chủ chứa sắt: không phải vì chúng rẻ hơn mà vì mối quan hệ về độ cứng có hiệu quả.
Việc chèn ren dây lại hoạt động khác đi. Bởi vì chúng được tạo thành từ dây cuộn thành mặt cắt hình kim cương, nên công nguội được truyền trong quá trình kéo và tạo hình dây là đáng kể. Một miếng chèn dây 316 điển hình chạy từ 300 đến 400 HV, cứng hơn đáng kể so với một miếng chèn rắn được ủ của cùng một hợp kim. Độ cứng đó cho phép các tang neo của hạt dao cắn chặt và cuộn dây có thể chống lại lực kéo ra khi có tải.
Đối với các nút dầu và đai ốc chuyển đổi, mức độ ưu tiên về độ cứng sẽ chuyển sang độ bền của ren khi tháo ra nhiều lần. Nút xả được tháo ra và lắp lại sau mỗi đợt bảo dưỡng có thể tích lũy hàng trăm chu kỳ lắp ráp trong suốt vòng đời của xe. 316 được gia công nguội ở 220-260 HBW xử lý số chu kỳ đó mà không bị biến dạng ren rõ ràng. Vật liệu được ủ hoàn toàn ở 160 HBW sẽ bị phẳng ở một vài sợi đầu tiên trong vòng một trăm chu kỳ.
Độ cứng chèn phù hợp với vật liệu chủ
| Vật liệu chủ | Độ cứng vật chủ điển hình | Độ cứng chèn được đề xuất | Lý do |
|---|---|---|---|
| Hợp kim nhôm | 60-110 HBW | 160-250 HBW | Chèn phải tạo thành chủ đề mà không bị biến dạng |
| Hợp kim magiê | 50-80 HBW | 150-220 HBW | Máy chủ rất mềm; tránh chèn quá cứng gây nứt |
| Thép nhẹ | 120-160 HBW | 250-350 HBW | Máy chủ có thể chống lại lực cắt |
| Gang | 170-230 HBW | 280-380 HBW | Vật chủ giòn; chèn phải cắt sạch |
| Máy chủ không gỉ | 150-200 HBW | 250-350 HBW | Rủi ro dồn nén chiếm ưu thế; xem xét các lớp khác nhau |
| Hỗn hợp polyme | Dưới 30 HBW | 150-250 HBW | Tải trọng lan truyền qua mặt bích chèn, không phải ren |
Lưu ý hàng không gỉ trên không gỉ. Khi cả hạt dao và dây buộc đối tiếp đều là thép không gỉ austenit ở độ cứng tương tự nhau, hàn nguội và mài mòn trở thành dạng hư hỏng chủ yếu và câu trả lời thường không phải là làm cho vật liệu cứng hơn mà là thay đổi điều kiện ma sát - chất bôi trơn molypden disulfua, bề mặt hoàn thiện khác hoặc cặp hợp kim khác nhau chẳng hạn như hạt dao 316 với vít không gỉ 303 hoặc A2.
Tiêu chuẩn đặt ra giới hạn độ cứng của thép không gỉ 316
Giới hạn độ cứng của 316 hiếm khi đến từ chính hợp kim. Chúng đến từ tiêu chuẩn sản phẩm, tiêu chuẩn ứng dụng hoặc bản vẽ kỹ thuật của khách hàng. Biết tài liệu nào chi phối là bước đầu tiên trong bất kỳ tranh chấp nào về độ cứng.
| Tiêu chuẩn | Phạm vi | Yêu cầu về độ cứng | Hiệu quả thực tế |
|---|---|---|---|
| ASTM A276 / A479 | Thanh và hình dạng không gỉ | Ủ, tối đa 223 HBW (316) | Đảm bảo độ dẻo; cho phép thành phẩm nguội ở dưới trần nhà |
| ASTM A193 B8M | Bắt vít nhiệt độ cao | ủ loại 1; Gia công nguội loại 2 đến cường độ quy định | Các phần loại 2 khó hơn và mạnh hơn đáng kể |
| ASTM A320 B8M | Bắt vít ở nhiệt độ thấp | Đã thử nghiệm tác động; độ cứng theo lớp xử lý | Các lớp gia công nguội cần xác minh tác động |
| EN 10088-3 | Bán thành phẩm không gỉ | Điều kiện mềm 1.4401/1.4404, tối đa 215 HBW | Tiêu chuẩn Châu Âu tương đương với trần ASTM |
| ISO 15156 / NACE MR0175 | Dịch vụ dầu khí chua | Tối đa 22 HRC (≈ 250 HBW) đối với thép không gỉ austenit | Mũ làm việc nguội; loại trừ cổ phiếu được rút nguội nhiều |
| ASTM A967 / A380 | Thụ động và làm sạch | Không yêu cầu độ cứng | Quá trình có thể ảnh hưởng một chút đến chỉ số độ cứng bề mặt |
Giới hạn NACE đáng được quan tâm đặc biệt vì đây là ràng buộc thường bị bỏ qua nhất. Trong dịch vụ chua, khả năng bị nứt do ứng suất sunfua tăng theo độ cứng và trần 22 HRC là ranh giới cứng. Một thanh 316 được kéo nguội ở 280 HBW có thể đáp ứng mọi yêu cầu cơ học trên bản vẽ nhưng vẫn bị từ chối hoàn toàn vì vượt quá giới hạn dịch vụ chua. Nếu ứng dụng của bạn chạm vào dầu và khí đốt, hãy kiểm tra độ cứng trước khi kiểm tra độ bền.
Độ cứng cao hơn có nghĩa là khả năng chống mài mòn và mài mòn tốt hơn không?
Không đáng tin cậy và đây chính là nguyên nhân dẫn đến việc lựa chọn tài liệu có mục đích tốt đã sai lầm. Độ cứng tương quan với khả năng chống mài mòn của nhiều vật liệu, nhưng thép không gỉ austenit là một trường hợp đặc biệt và đặc biệt là sự ăn mòn không tuân theo đường cong độ cứng.
Galling là hao mòn dính. Dưới tác dụng của tải trọng, cường độ trên hai bề mặt tiếp xúc được hàn nguội với nhau, sau đó xé ra, chuyển vật liệu và làm nhám bề mặt. Quá trình này tăng tốc vì bề mặt bị rách làm lộ ra kim loại tươi, không chứa oxit. Thép không gỉ Austenitic đặc biệt dễ bị hiện tượng này vì lớp oxit crom thụ động cải tạo chậm và kim loại bên dưới có độ dẻo cao.
Việc tăng độ cứng chỉ giúp ích nếu nó làm thay đổi đặc tính kết dính. Hai bề mặt 316 ở 300 HBW vẫn sẽ bám vào nhau dưới áp suất tiếp xúc cao. Hai bề mặt 316 ở 160 HBW cũng sẽ bị bong tróc. Các biến thực sự thay đổi kết quả là:
- Sự khác biệt về độ cứng. Khoảng cách 100 HBW giữa các bộ phận giao phối làm giảm đáng kể nguy cơ bị mòn. Đây là lý do tại sao các vít không gỉ cứng kết hợp với các miếng đệm không gỉ mềm hơn hoạt động tốt hơn các cặp vít phù hợp.
- Bề mặt hoàn thiện. Sợi cuộn nhỏ hơn sợi cắt ở cùng độ cứng, vì bề mặt cuộn mịn hơn và được làm cứng ở vùng tiếp xúc.
- Bôi trơn. Chất bôi trơn dạng màng khô hoặc hợp chất chống bám dính sẽ làm gián đoạn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại và bắt đầu quá trình kết dính.
- Áp lực tiếp xúc. Việc giữ áp suất ở sườn ren dưới khoảng 50% cường độ chảy sẽ làm chậm đáng kể hiện tượng co giật khởi phát.
- Tốc độ lắp ráp và nhiệt độ. Việc lắp ráp dụng cụ điện nhanh chóng sẽ tạo ra nhiệt cục bộ giúp thúc đẩy quá trình hàn. Mô-men xoắn được kiểm soát và hỗ trợ chạy chậm hơn.
Đối với mài mòn do mài mòn hơn là mài mòn do dính, độ cứng quan trọng trực tiếp hơn, nhưng độ cứng liên quan thường là mặt đối diện hơn là phần 316. Nút bịt kín dầu 316 trên bệ thép gia công sẽ bị mòn tùy theo độ cứng và tình trạng bề mặt của thép chứ không phải tùy theo phích cắm.
Một sự thận trọng nữa. Việc tăng độ cứng bằng gia công nguội làm giảm độ giãn dài và giảm độ giãn dài làm tăng nguy cơ giòn do hydro và nứt do ăn mòn ứng suất trong môi trường nhạy cảm. Độ cứng phù hợp là giá trị thấp nhất đáp ứng yêu cầu cơ học chứ không phải là giá trị cao nhất có thể đạt được.
Chỉ định và mua các bộ phận không gỉ 316: Danh sách kiểm tra thực tế
Hầu hết các vấn đề về độ cứng đều bắt nguồn từ giai đoạn báo giá. Một bản vẽ ghi "không gỉ 316" không có điều kiện, thang đo hoặc giới hạn cho phép nhà cung cấp tự do vận chuyển bất cứ thứ gì nhà máy có trong kho. Sự so sánh hai cột sau đây nêu ra những gì cần quyết định về mặt kỹ thuật và những gì cần viết trong đơn đặt hàng.
Quyết định kỹ thuật
| Chi tiết đơn đặt hàng
|
Hai chi tiết trong danh sách đó có sức nặng không cân xứng. Đầu tiên là cửa sổ độ cứng. Yêu cầu một giá trị chẳng hạn như "180 HBW" sẽ được mỗi nhà cung cấp đọc khác nhau và đối số dẫn đến sẽ có giá cao hơn mức dung sai cho phép. Thứ hai là vị trí đọc sách. Trên một bộ phận được tạo hình nguội, độ cứng ở bề mặt và độ cứng ở lõi có thể khác nhau từ 40 HBW trở lên, do đó, chứng chỉ cần phải nêu rõ vết lõm được tạo ra ở đâu.
Trong trường hợp một bộ phận có nguồn gốc dưới dạng thành phần hoàn thiện chứ không phải là nguyên liệu thô, hãy yêu cầu nhà sản xuất mô tả lộ trình quy trình một cách dễ hiểu. Nhà cung cấp có thể giải thích cách kiểm soát gia công nguội thông qua kéo và tạo hình cũng như cách xác minh độ cứng trên các bộ phận hoàn thiện thay vì chỉ trên thanh đầu vào, là nhà cung cấp hiểu được yêu cầu.
Cách kiểm tra độ cứng của thép không gỉ 316
Kiểm tra độ cứng có vẻ đơn giản và dễ mắc sai lầm. Các kết quả phụ thuộc vào việc chuẩn bị bề mặt, độ dày mặt cắt, tình trạng mũi thử và kỹ thuật của người vận hành, và việc đọc sai còn tệ hơn là không đọc gì cả.
Thử nghiệm Rockwell (ASTM E18)
Nhanh chóng và được sử dụng rộng rãi trên các sàn sản xuất. Thang đo B sử dụng quả bóng 1/16 inch và 100 kgf, thích hợp để ủ 316. Thang đo C sử dụng hình nón kim cương ở mức 150 kgf, chỉ thích hợp cho 316 gia công nguội trên khoảng 20 HRC. Các cân bề mặt như HR15T sử dụng tải trọng thấp hơn cho các mặt cắt mỏng. Yêu cầu quan trọng là độ phẳng và độ dày: mẫu thử phải có độ dày xuyên thấu ít nhất mười lần, nếu không số đọc sẽ bị ảnh hưởng bởi đe.
Thử nghiệm Brinell (ASTM E10)
Quả bóng 10 mm ở lực 3000 kgf tạo ra ấn tượng lớn có tính trung bình cho sự biến đổi cục bộ, khiến nó trở thành phương pháp được ưa thích để đúc, rèn và thanh lớn. Sự đánh đổi là dấu ấn thực sự lớn — dấu chân có đường kính 10 mm — vì vậy nó không thể được sử dụng trên các bộ phận nhỏ đã hoàn thiện hoặc các bức tường mỏng.
Vickers và độ cứng vi mô (ASTM E92, E384)
Dụng cụ đo kim tự tháp kim cương cho phép thử nghiệm trên các chi tiết rất nhỏ, các pha riêng lẻ và các lớp được làm cứng bằng vỏ. Độ cứng vi mô đi qua một lớp thấm nitơ là cách tiêu chuẩn để xác minh độ sâu của vỏ. Yêu cầu là bề mặt được đánh bóng tốt; bề mặt gồ ghề sẽ phân tán ấn tượng và tạo ra sự phân tán từ 10 phần trăm trở lên giữa các lần đọc.
Những lỗi kiểm tra thường gặp
- Thử nghiệm trên bề mặt cong không có đe hỗ trợ thích hợp, cho kết quả đọc thấp.
- Kiểm tra quá gần với lần hiển thị trước đó, có thể làm cho vùng bị biến dạng ảnh hưởng đến kết quả đọc mới.
- Sử dụng bảng chuyển đổi được chế tạo cho thép cacbon trên thép không gỉ austenit.
- Đọc độ cứng trên một bộ phận có ứng suất dư do gia công, làm thay đổi kết quả.
- Chấp nhận giá trị chứng chỉ nhà máy mà không xác nhận rằng vị trí kiểm tra khớp với giá trị được chỉ định.
Đối với các giao dịch mua quan trọng về chất lượng, hãy yêu cầu số lượng bài đọc, vị trí và mức chênh lệch của chúng thay vì chỉ mức trung bình. Chứng chỉ báo cáo "175 HBW" không có chi tiết bổ sung cho bạn biết rất ít về việc bộ phận đó có đồng nhất hay không.
Các vấn đề thường gặp về độ cứng 316 và cách ngăn chặn chúng
Đây là những vấn đề xuất hiện thường xuyên nhất trong quá trình kiểm tra đầu vào và phân tích lỗi tại hiện trường. Mỗi nguyên nhân đều có nguyên nhân bắt nguồn từ đặc điểm kỹ thuật hoặc quy trình và mỗi nguyên nhân đều có câu trả lời phòng ngừa.
Vấn đề: vật liệu ủ được cung cấp theo yêu cầu gia công nguội
Khiếu nại về độ cứng thường xuyên nhất. Một bản vẽ yêu cầu tối thiểu 240 HBW, nhà cung cấp gửi thanh ủ tiêu chuẩn ở mức 170 HBW và các bộ phận không thành công trong lần kiểm tra đầu tiên. Phòng ngừa là chỉ định điều kiện xử lý, không chỉ giá trị độ cứng và yêu cầu lộ trình xử lý trong báo giá.
Vấn đề: gradient độ cứng trong một chi tiết
Tạo hình nguội tạo ra biến dạng không đồng đều. Sợi chỉ cuộn có thể cứng hơn cán 30 HBW và hai đầu của thanh kéo có thể chênh nhau 15 HBW. Phòng ngừa là xác định vị trí chấp nhận trên bản vẽ và cho phép phạm vi dung sai thực tế.
Vấn đề: độ cứng giảm do bước nhiệt hạ lưu
Hàn, hàn đồng hoặc xử lý lớp phủ ở nhiệt độ cao có thể loại bỏ công việc nguội tốn nhiều công sức để sản xuất. Phòng ngừa là sắp xếp các hoạt động sao cho tất cả các bước xử lý nhiệt đều diễn ra trước quá trình tạo hình nguội cuối cùng hoặc chọn phương pháp xử lý bề mặt chạy ở nhiệt độ thấp.
Vấn đề: xử lý bề mặt gây tổn hại đến khả năng chống ăn mòn
Thấm nitơ thông thường có thể kết tủa crom nitrit và khiến chi tiết dễ bị rỗ và bị tấn công giữa các hạt. Phòng ngừa là chọn phương pháp thấm nitơ hoặc cacbon hóa ở nhiệt độ thấp ở những nơi có vấn đề ăn mòn và xác minh bằng thử nghiệm ăn mòn thay vì giả định.
Vấn đề: bị mòn mặc dù độ cứng cao
Phù hợp với 316 bề mặt có độ cứng cao vẫn còn mật. Phòng ngừa là đưa ra sự khác biệt về độ cứng, chỉ định chất bôi trơn hoặc thay đổi độ hoàn thiện bề mặt thay vì đẩy độ cứng lên cao hơn.
Vấn đề: độ cứng vượt quá mức trần quy định
Thép 316 được kéo nguội ở 260 HBW vượt quá giới hạn NACE MR0175 đối với dịch vụ chua và sẽ bị từ chối bất kể hiệu suất cơ học của nó như thế nào. Phòng ngừa là xác nhận môi trường ứng dụng trước khi hoàn tất lộ trình xử lý.
Câu hỏi thường gặp về độ cứng của thép không gỉ 316
Độ cứng của thép không gỉ 316 trong HRC là bao nhiêu?Thép không gỉ 316 được ủ thường có giá trị dưới 20 HRC, thấp hơn phạm vi đáng tin cậy của thang đo Rockwell C. 316 được gia công nguội có thể đạt khoảng 32 đến 38 HRC với mức giảm 30 đến 50 phần trăm và dây cường lực lò xo có thể vượt quá 40 HRC. Nếu nhà cung cấp báo cáo giá trị HRC cho thép 316 đã ủ, thay vào đó hãy yêu cầu số liệu Brinell hoặc Rockwell B vì HRC không phải là thang đo hợp lệ ở mức độ cứng đó. |
Thép không gỉ 316 có thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt không?Thép không gỉ số 316 là austenit và không trải qua quá trình biến đổi martensitic khi làm nguội. Ủ dung dịch, xử lý nhiệt tiêu chuẩn, tạo ra trạng thái mềm nhất và dẻo nhất. Bất kỳ sự gia tăng độ cứng nào của 316 đều đến từ quá trình gia công nguội hoặc từ lớp bề mặt khuếch tán như thấm nitơ, không bao giờ từ chu trình tôi và tôi. |
Độ cứng Brinell của thép không gỉ 316 là gì?Ủ 316 thường đo được từ 150 đến 190 HBW, với hầu hết các tiêu chuẩn sản phẩm đều đặt giới hạn trên khoảng 215 đến 223 HBW. 316 kéo nguội có phạm vi từ 200 đến 280 HBW tùy theo mức giảm và dây lò xo có thể vượt quá 350 HBW. Bởi vì Brinell sử dụng mũi đo lớn nên đây là phương pháp được ưa chuộng dành cho thanh, tấm và các phần nặng hơn là các chi tiết nhỏ đã hoàn thiện. |
Inox 316 có cứng hơn 304 không?Trong điều kiện ủ, chúng rất gần nhau, thường trong khoảng 10 HBW, với 304 cứng hơn một chút ở một số lần gia nhiệt. Sự khác biệt có ý nghĩa xuất hiện khi gia công nguội: 304 đông cứng nhanh hơn một chút so với 316, vì vậy 304 được tạo hình nguội nhiều sẽ có kết quả cao hơn. Để chống ăn mòn trong môi trường clorua, 316 là lựa chọn tốt hơn bất kể độ cứng. |
Thép không gỉ 316 có thể đạt 45 HRC không?Không thông qua công việc lạnh số lượng lớn. Mức trần thực tế cho thép 316 được gia công nguội nhiều là khoảng 38 đến 42 HRC, và đạt đến mức đó sẽ có rất ít độ dẻo. Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ ở nhiệt độ thấp có thể tạo ra lớp da có nhiệt độ trên 1000 HV, chuyển đổi thành trên 60 HRC, nhưng độ cứng đó chỉ tồn tại ở lớp sâu từ 10 đến 30 micron. |
Tại sao sợi inox 316 lại bị mật?Sự tạo bọt là hiện tượng hao mòn do dính và thép không gỉ austenit rất dễ bị ảnh hưởng vì nó dẻo và lớp oxit thụ động của nó cải tạo chậm. Phù hợp với 316 bề mặt dưới áp suất tiếp xúc cao, hàn nguội ở mức độ mạnh và xé bỏ vật liệu. Chỉ tăng độ cứng thôi hiếm khi giải quyết được nó; sự khác biệt về độ cứng giữa các bộ phận giao tiếp, chất bôi trơn phù hợp hoặc bề mặt mịn hơn sẽ hiệu quả hơn. |
Giới hạn độ cứng nào áp dụng cho 316 trong dịch vụ chua?ISO 15156 và NACE MR0175 giới hạn chất không gỉ austenit ở 22 HRC, khoảng 250 HBW, dành cho dịch vụ dầu khí chua. Giới hạn tồn tại để kiểm soát độ nhạy nứt do ứng suất sunfua. Hàng kéo nguội có thể dễ dàng vượt quá mức trần này nên phải kiểm tra điều kiện gia công trước khi chấp nhận nguyên liệu. |
316L có độ cứng khác với 316 không?Có, nhưng chỉ một chút thôi. Hàm lượng carbon thấp hơn trong 316L, giới hạn ở mức 0,03% so với 0,08% của 316, làm giảm tốc độ tăng cường dung dịch rắn và tốc độ đông cứng. 316L được ủ thường mềm hơn 10 đến 15 HBW so với 316 đã được ủ và khoảng cách sẽ thu hẹp khi gia công nguội. |
Độ cứng 316 phù hợp với thiết kế thành phần thực tế
Lùi lại từ những con số và hình ảnh thật đơn giản. Thép không gỉ 316 là một hợp kim chống ăn mòn có độ bền vừa phải và có thể được làm mạnh hơn đáng kể bằng cách gia công nguội. Nó không phải là vật liệu mài mòn, nó không phản ứng với quá trình xử lý nhiệt và độ cứng của nó phụ thuộc vào cách nó được hình thành chứ không phải là những gì được chỉ định.
Đối với các bộ phận kết nối bằng ren — hạt dao, đai ốc chuyển đổi, phích cắm dầu và dụng cụ lắp đặt chúng — điều đó có ba hậu quả. Đầu tiên, độ cứng của bộ phận hoàn thiện phải được theo dõi theo lộ trình xử lý xác định, không được suy ra từ loại hợp kim. Thứ hai, thông số kỹ thuật về độ cứng cùng với dung sai ren và độ hoàn thiện bề mặt trên bản vẽ, bởi vì cả ba đều tương tác với nhau. Thứ ba, khi mối lo ngại thực sự là mòn hoặc mòn, câu trả lời thường là sự kết hợp giữa vật liệu hoặc quyết định bôi trơn thay vì con số độ cứng cao hơn.
Một nhà sản xuất sản xuất những bộ phận này với số lượng lớn sẽ thấy hậu quả hàng ngày. Các hạt dao rời khỏi nhà máy ở mức nhất quán 220 đến 260 HBW với các vị trí đọc được ghi lại đã vượt qua quá trình kiểm tra đầu vào và lắp ráp có thể dự đoán được. Các bộ phận có chênh lệch 50 HBW trong một lô sẽ tạo ra các yêu cầu bảo hành tốn kém để theo dõi và khó ngăn chặn lần thứ hai.
Đọc liên quan từ thư viện của chúng tôi
Đặc tính độ cứng của thép không gỉ 316 định hình cách thức hoạt động của các hạt chèn ren trong vật liệu gốc mềm, trong đó hạt dao phải cắt hoặc tạo thành sợi riêng của nó mà không bị biến dạng. Ghi chú kỹ thuật của chúng tôi về cách chèn ren kim loại cải thiện độ bền ren trong vật liệu mềm đi qua đường dẫn tải, vai trò của độ cứng hạt dao so với vật chủ và các chế độ lỗi xuất hiện khi mối quan hệ đó được đặt không chính xác.
Đối với người mua làm việc trong các chương trình ô tô, hàng không vũ trụ và đường sắt, bài học thực tế là chỉ định cùng nhau điều kiện xử lý và địa điểm chấp nhận, đồng thời yêu cầu dữ liệu về độ cứng trên các bộ phận đã hoàn thiện thay vì chỉ dựa vào chứng chỉ nhà máy gửi đến.
