De vitenskapelige prinsippene og moderne industrielle anvendelser av bråkjølingsprosesser: Ytelsessprang fra skjæreverktøy til festemidler

Stål er i hovedsak en legering av jern og karbon. Når stål varmes opp til sin kritiske temperatur (vanligvis over 727 grader, austenitiseringstemperaturen), forvandles krystallstrukturen fra kropps-sentrert kubikk (BCC) til ansikt-sentrert kubikk (FCC). Karbonatomer er jevnt oppløst i mellomrommene i krystallgitteret, og danner myk og svært duktil austenitt.

Nøkkelen til bråkjøling ligger i rask avkjøling (vanligvis ved bruk av vann, olje, polymerløsninger eller gasser). Denne prosessen forhindrer diffusjon og utfelling av karbonatomer, og tvinger krystallgitteret til å gjennomgå skjær-lignende rekonstruksjon under avkjøling, og danner en overmettet kropps-sentrert tetragonal (BCT) struktur-martensitt. Det martensittiske gitteret er alvorlig forvrengt på grunn av "posisjonering" av karbonatomer, og genererer enorm indre stress, og øker dermed materialets hardhet betydelig. For eksempel kan hardheten til vanlig lav-karbonstål øke fra HB 120 til over HRC 50 etter bråkjøling.

Men mens martensitt er hard, er den sprø, som en stram fjær. Derfor, etter bråkjøling, kreves det vanligvis anløping (oppvarming og fastholding ved lav-temperatur) for å frigjøre noe indre spenning og utfelle fine karbider, for å gjenopprette en viss grad av seighet samtidig som den opprettholder høy hardhet og oppnå en balanse mellom hardhet og fleksibilitet.

Innenfor festemidler i rustfritt stål, selv om austenittiske rustfrie stål (som 304 og 316) er mye foretrukket for sine ikke-magnetiske og korrosjons-bestandige egenskaper, er deres styrke relativt lav (strekkstyrke ca. 520 MPa). For applikasjoner som krever høyere styrke, blir martensittiske rustfrie stål (som 410 og 420) det foretrukne valget-disse materialene kan oppnå en balanse mellom høy styrke og moderat korrosjonsmotstand gjennom bråkjøling og herding.

Typiske bruksområder inkluderer:

Settskruer i rustfritt stål: Brukes til aksial fiksering i presisjonsmaskineri, som krever høy overflatehardhet for å motstå stripping.

Selvborende-skruer i rustfritt stål: Borspissen er bråkjølt for å sikre effektiv boring i metallplater.

Lagskruer i rustfritt stål: For å tåle høye skjærbelastninger, forbedrer bråkjøling kjernestyrken.

Sekskantskruer i rustfritt stål: I tøffe miljøer som bygningsfasader og skipsbygging er versjoner med høy-styrke avhengig av varmebehandling for å sikre tilkoblingssikkerhet.

Det er verdt å merke seg at ikke alle festemidler i rustfritt stål er egnet for bråkjøling. Austenittisk rustfritt stål (som vanlige SS-skruer og rustfrie panhodeskruer) kan ikke styrkes ved varmebehandling; styrkeforbedringen er hovedsakelig avhengig av kaldarbeidsherding. Imidlertid, hvis tapcon i rustfritt stål er laget av martensittisk materiale, må den gjennomgå bråkjøling og herding for å oppfylle kravene til strekk- og skjærstyrke.