Odporność na ścieranie i wgniecenia to dwie bardzo ważne cechy niektórych rodzajów metali. Przy wyborze rodzaju metalu ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest jego twardość, która jest miarą tych właściwości. Najbardziej zewnętrzna powierzchnia metalu jest prawdopodobnie najważniejszą częścią określającą idealną twardość. Dzieje się tak dlatego, że to właśnie powierzchnia jest najbardziej bezpośrednio uderzana i ścierana. Niektóre metale poddawane są procesowi zwanemu utwardzaniem dyfuzyjnym, którego celem jest zmiana twardości powierzchni w celu zapewnienia odpowiedniej twardości metalowego podłoża.
Co to jest utwardzanie obudowy?
Hartowanie powierzchniowe to proces obróbki cieplnej, który utwardza powierzchnię metalowego podłoża, zachowując jednocześnie bardziej miękki rdzeń. Pozwala to połączyć w jednej części najlepsze właściwości metalu miękkiego i twardego.
W porównaniu z twardą substancją, miękki materiał znacznie lepiej wytrzymuje naciski udarowe. Dodatkowo jest mocniejszy, bardziej plastyczny i twardszy, ale jego odporność na zużycie jest niewystarczająca. Aby mieć pewność, że materiał nie ulegnie zużyciu w wyniku ścierania lub tarcia, niezbędna jest dobra odporność na zużycie. Możemy znacznie zminimalizować zużycie materiału bez poświęcania innych właściwości, hartując jedynie jego zewnętrzną część.
Cienką, utwardzoną powierzchnię można uzyskać na różne sposoby, m.in. poprzez dodanie do powierzchni dodatkowych składników lub zmianę struktury kryształu. Jednak do utwardzania powierzchniowego prawie zawsze potrzebne są wysokie temperatury, niezależnie od metody.
Dlaczego Case Harden?
Istnieje kilka powodów, dla których warto utwardzać powierzchniowo materiał, zamiast próbować utwardzać cały metalowy przedmiot. Jednym z powodów jest wydajność. Do ogrzania najbardziej zewnętrznej powierzchni metalu w porównaniu z całym jego przekrojem potrzeba mniej energii i mniej czasu. Efektywność ta może skutkować ogromnymi oszczędnościami w operacjach produkcyjnych na dużą skalę. Innym powodem szerokiego stosowania utwardzania powierzchniowego jest wydajność. Korzystne może być posiadanie metalu o twardej powłoce zewnętrznej i bardziej plastycznym wnętrzu. Przykładem może być sytuacja, gdy metal jest odporny na ścieranie, ale nadal musi być w stanie absorbować uderzenia bez powodowania całkowitego kruchego pęknięcia.
Trodzaje metod utwardzania powierzchniowego
Zasada utwardzania obudowy jest dość prosta. Chcemy, aby powierzchnia utworzyła twardą strukturę zwaną martenzytem. Jednak struktura ta powstaje tylko wtedy, gdy elementy stalowe są hartowane w wysokich temperaturach i pod warunkiem, że zawartość węgla w stopie stali jest wystarczająco wysoka.
Jeśli zawartość węgla jest wystarczająca, wystarczy podgrzać i ostudzić część. Jeśli jednak zawartość węgla jest niska lub jeśli potrzebujemy ekstremalnej twardości, na powierzchnię materiału należy dodać pierwiastki takie jak węgiel i azot. Przyjrzyjmy się teraz różnym procesom stosowanym w celu uzyskania utwardzania powierzchniowego w oparciu o wyżej wymienione zasady.
Ogrzewanie i hartowanie
Tradycyjnie do hartowania różnych metali stosowano ogrzewanie i hartowanie. Jedną z metod nawęglania metalu jest zastosowanie bezpośredniego płomienia tlenowo-gazowego na element stalowy. Sporadycznie stosuje się ogrzewanie indukcyjne. W obu scenariuszach temperatura powierzchni części stalowej gwałtownie wzrasta. W rezultacie struktura kryształu austenitu zastępuje strukturę kryształu perlitu.
Po osiągnięciu ustawionej temperatury część jest szybko schładzana, często poprzez zanurzenie jej w wodzie. To ponownie zmienia strukturę kryształu, tym razem z austenitu na martenzyt, który jest szczególnie twardą strukturą.
Ponieważ tylko powierzchnia ulega zmianie w strukturze krystalicznej, część twardnieje tylko na powierzchni. Aby jednak część mogła skorzystać z tej metody, w oryginalnym materiale musi znajdować się wystarczająca ilość węgla. W przypadku niskiej zawartości węgla (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Nawęglanie
Jeśli zawartość węgla jest poniżej 0,3%, musimy dodać więcej węgla do części przed poddaniem jej ogrzewaniu i hartowaniu. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego jest poddanie części procesowi nawęglania.
Nawęglanie polega na ogrzewaniu elementu stalowego przez określony czas w obecności zewnętrznego źródła węgla. Węgiel z substancji zawierającej węgiel dyfunduje do metalu w wysokich temperaturach. Więcej ciepła i dłuższe czasy nagrzewania powodują głębsze wchłanianie węgla w powierzchnię metalu.
Gdy nawęglanie zwiększa zawartość węgla w wierzchniej warstwie stali, poddajemy ją hartowaniu płomieniowemu lub indukcyjnemu w celu zwiększenia twardości.
Azotowanie
W przypadku stopów stali zawierających pierwiastki takie jak aluminium, chrom i molibden, możemy zastosować azotowanie w celu utwardzania dyfuzyjnego.
Część jest podgrzewana w obecności gazowego azotu i zdysocjowanego amoniaku w celu wytworzenia azotków. Azotki zwiększają również twardość materiału.
Ponieważ przedmiot jest podgrzewany do 620 stopni (1150 stopni F), azotowanie zwykle zachodzi w niższych temperaturach. Dyfuzja i wynikająca z niej twardość będą tym głębsze, im dłużej będzie utrzymywana w tej temperaturze.
Jakie rodzaje metali można utwardzać powierzchniowo?
Metale, które można utwardzać powierzchniowo, są na ogół ograniczone do materiałów żelaznych, chociaż istnieją szczególne przypadki, takie jak azotowanie niektórych stopów tytanu lub aluminium. Metale żelazne powszechnie utwardzane powierzchniowo to:
Stal niskowęglowa
Stal weglowa z wysoka zawartoscia wegla
Żeliwo
Stal niskostopowa o wysokiej wytrzymałości
Stal narzędziowa
Stale nierdzewne
Niektóre typowe komponenty utwardzane powierzchniowo obejmują:
Przekładnie
Elementy złączne
Wałki rozrządu
Pręty
Kołki
