Tại sao bạn không thể hàn thép cứng?

Thép cứng - được biết đến với độ bền và độ cứng cao do xử lý nhiệt (ví dụ: làm nguội và ủ) - đưa ra những thách thức đáng kể trong hàn. Mặc dù không thể hàn, nhưng rất khó để làm như vậy mà không làm hỏng vật liệu hoặc tạo ra các khớp yếu, không ổn định. Vấn đề cốt lõi nằm ở mức độ nhiệt từ hàn tương tác với cấu trúc của thép, dẫn đến một loạt các vấn đề. Đây là một sự cố chi tiết:
1. Điều gì làm cho thép cứng "cứng"?
Đầu tiên, điều quan trọng là phải hiểu tại sao thép cứng lại hoạt động khác nhau. Thép cứng đạt được tính chất của nó thông qua quá trình xử lý nhiệt:
• Làm nguội: Thép sưởi ấm đến nhiệt độ cao (ví dụ: 800 độ900) để tạo thành cấu trúc vi mô "austenite" đồng nhất, sau đó nhanh chóng làm mát nó (trong nước hoặc dầu) để bẫy các nguyên tử carbon, tạo ra một pha cứng, giòn gọi là martensite.
• Cấu trúc martensitic này cho thép cứng của nó cứng (thường là 50+ HRC) nhưng cũng làm cho nó giòn và nhạy cảm với nhiệt.
2. Lý do chính lý do hàn thép cứng là có vấn đề
Hàn liên quan đến việc tan chảy và tái - kim loại hóa rắn, đối tượng làm cứng thép đến thay đổi nhiệt độ cực cao. Những thay đổi này phá vỡ cấu trúc vi mô của nó và tạo ra các vấn đề không thể tránh khỏi:
Một. Làm mát nhanh chóng gây ra nhiều martensite - và bẻ khóa
Khi nhóm hàn nguội đi, nhiệt - vùng bị ảnh hưởng (haz) - khu vực xung quanh mối hàn không tan chảy nhưng được làm nóng -
• Haz được làm nóng trên "nhiệt độ tới hạn" của thép (khoảng 723 độ), biến đổi martensite hiện có của nó trở lại Austenite.
• Khi mối hàn nguội đi, Austenite này trở lại với martensite thậm chí còn nhanh hơn so với trong quá trình làm cứng ban đầu (do sức nóng dữ dội, dữ dội của mối hàn).
• Sự hình thành nhanh chóng này của martensite mới gây ra căng thẳng bên trong cực vì martensite dày hơn austenite, dẫn đến nứt lạnh (còn gọi là "hydro - gây ra nứt") trong HAZ hoặc mối hàn.
b. Sự ôm ấp hydro làm xấu đi vết nứt
Hàn giới thiệu hydro vào thép, thường là từ độ ẩm trong không khí, thông lượng hoặc bề mặt bị ô nhiễm. Cấu trúc martensitic của thép cứng bẫy hydro này, trong đó:
• Làm suy yếu khả năng chống lại căng thẳng của kim loại.
• Kết hợp với căng thẳng bên trong từ sự hình thành martensite để kích hoạt vết nứt, đôi khi hàng giờ hoặc ngày sau khi hàn.
c. Mất độ cứng trong haz
Trong khi một số phần của Haz trở nên khó khăn hơn (và dễ vỡ hơn) từ martensite mới, các khu vực khác được làm nóng đến nhiệt độ "ôn hòa" martensite hiện tại:
• Tiện dụng làm mềm martensite, giảm độ cứng ở các vùng đó.
• Điều này tạo ra một "điểm mềm" trong HAZ, làm suy yếu sức mạnh dự định của thép và khả năng chống mài mòn.
d. Độ giòn làm tăng nguy cơ gãy xương
Thép cứng đã giòn do cấu trúc martensitic của nó. Hàn làm trầm trọng thêm điều này:
• Haz trở nên giòn hơn từ sự hình thành martensite hoặc cacbua mới (nếu thép cao - carbon).
• Không giống như kim loại dễ uốn, uốn cong bị căng thẳng, vùng giòn này có thể bị gãy đột ngột khi tải, dẫn đến thất bại thảm khốc.
3. Có cách nào để hàn thép cứng không?
Mặc dù hàn thép cứng là không phải là không thể, nhưng nó đòi hỏi các kỹ thuật chuyên dụng để giảm thiểu thiệt hại - Và thậm chí sau đó, kết quả hiếm khi hoàn hảo. Các cách giải quyết phổ biến bao gồm:
• Làm nóng trước thép: Làm nóng toàn bộ phần đến 200 độ300 độ trước khi hàn làm mát làm mát, giảm sự hình thành martensite và căng thẳng. Điều này là rất quan trọng nhưng không loại bỏ rủi ro.
• Sử dụng các phương pháp hàn hydro thấp -: Chọn các quy trình như TIG (hàn hồ quang vonfram khí) với việc che chắn khí trơ hoặc thấp - điện cực hydro, để giảm hấp thụ hydro.
• Post - Xử lý nhiệt hàn (PWHT): Sau khi hàn, hãy làm nóng thép bằng cách làm nóng nó đến 200 độ300 độ và làm mát chậm. Điều này làm giảm căng thẳng và làm mềm martensite dư thừa, mặc dù nó cũng làm giảm độ cứng tổng thể của thép.
• Tránh hàn hoàn toàn: Trong nhiều trường hợp, tốt hơn là bạn nên dùng bộ phận từ thép được ủ (mềm), hàn nó trước, sau đó làm cứng nó sau đó. Điều này tránh làm hỏng cấu trúc cứng.
4. Tại sao thường tốt hơn để tránh hàn thép cứng
Ngay cả với các biện pháp phòng ngừa, hàn thép cứng hiếm khi khôi phục vật liệu về các tính chất ban đầu của nó:
• Các vết nứt vẫn có thể hình thành, đặc biệt là trong các ứng dụng ứng suất cao- như các bộ phận công cụ hoặc cấu trúc.
• Haz sẽ luôn có độ cứng không nhất quán, làm suy yếu thành phần.
• Thời gian và chi phí làm nóng trước, thiết bị chuyên dụng và bài trị liệu - thường vượt xa các lợi ích.
Phần kết luận
Thép cứng cực kỳ khó hàn thành công vì hàn phá vỡ cấu trúc vi mô martensitic của nó, tạo ra căng thẳng bên trong, giới thiệu hydro và gây ra nứt hoặc mất độ cứng. Mặc dù hạn chế, các kỹ thuật chuyên dụng có thể làm giảm rủi ro, chúng hiếm khi tạo ra một khớp đáng tin cậy như thép ban đầu. Vì lý do này, việc hàn thép cứng thường không được khuyến nghị trừ khi thực sự cần thiết - Và thậm chí sau đó, nó đòi hỏi kỹ năng chuyên gia và lập kế hoạch cẩn thận. Trong hầu hết các trường hợp, hàn trước khi cứng (khi thép vẫn còn mềm) là sự thay thế an toàn hơn nhiều.