Co to jest hartowanie powierzchni stali? Do czego służy hartowanie powierzchni?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Sztuka obróbki cieplnej metali jest znana ludzkości od dawna. Rzemieślnicy zajmujący się produkcją narzędzi, a zwłaszcza broni, opanowywali ją samodzielnie lub studiowali przez wiele lat u innych, bardziej doświadczonych specjalistów. Tajemnice były utrzymywane w tajemnicy, co oczywiście spowalniało rozprzestrzenianie się technologii, ale zwiększało konkurencyjność konkretnego producenta produktów o określonym przeznaczeniu. Jedną z technik średniowiecznych płatnerzy było hartowanie powierzchniowe, które nadaje ostrzom i czubkom mieczy i szabli szczególną twardość, połączoną z elastycznością ostrza. Dziś takie właściwości już nikogo nie zaskakują, technologie stały się masowe i rozpowszechnione.

Dlaczego zwykła osoba miałaby to wszystko wiedzieć?

Ten artykuł dla specjalistów zajmujących się obróbką cieplną metali najprawdopodobniej będzie wydawał się zbiorem frazesów i dobrze znanych faktów. Ponadto mogą znaleźć pewne nieścisłości w terminologii. Prezentowane informacje nie są dla nich przeznaczone, skierowane są do osób dalekich od metalurgii, amatorów,tych, którzy są zainteresowani tym, jak zwykły nóż stołowy lub składany różni się wytrzymałością od dobrego ostrza, hartowaniem powierzchni od hartowania objętościowego i tym podobne kwestie. Kupując ten lub inny przedmiot potrzebny w gospodarstwie domowym, konsument ma do czynienia ze znaczną różnicą cenową. Sprzedawca nie zawsze może wyjaśnić w sposób kwalifikowany i zrozumiały, dlaczego jedno narzędzie (na przykład klucz) jest znacznie droższe niż inne, które ma ogólne podobieństwo zewnętrzne. Najprawdopodobniej spróbuje „sproszkować swój mózg” pojęciami i terminami, które są niezrozumiałe dla przeciętnego laika. W tłumaczeniu na język potoczny te wyjaśnienia będą oznaczać, że klucz nastawny nie złamie się ani nie wytrzyma dłużej, a ostrzenie będzie wymagane znacznie rzadziej (jeśli klient będzie chciał kupić nóż). „Utwardzanie powierzchni!” - sprzedawca w tajemniczy sposób wskaże przyczynę, przewracając oczami z wyimaginowanym zachwytem. Co to jest?

Odwrotne właściwości w jednym produkcie

Jak wynika z tego wyrażenia, w tym przypadku tylko zewnętrzna cienka warstwa produktu jest poddawana obróbce cieplnej. To, że stal wymaga hartowania, niejasno domyśla się każdy, nawet ci, którzy w ogóle nie wiedzą, co to jest. Tym różni się od zwykłego „kawałka żelaza”, miękkiego i kruchego. Ale dlaczego powierzchowność cieszy się takim zaszczytem? Hartowanie służy do zmiany właściwości metalu, a nie do jakiejś poprawy, jak często się deklaruje. Jakość, przydatna w niektórych przypadkach, w innych szkodzi. Pilnik jest twardy, bo łatwo o żelazo, aluminium czy brąz, ale jeśli spróbujesz go zgiąćlub uderzyć młotkiem, pęknie. To samo dotyczy brzeszczotu do metalu, który często łamie się pod niewłaściwym kątem cięcia. W celu nadania twardości połączonej z elastycznością lub ciągliwością stosuje się utwardzanie powierzchni. Po tym właściwości produktu mogą łączyć cechy, czasem przeciwstawne, charakterystyczne dla różnych struktur krystalicznych. Teraz musimy zagłębić się w szczegóły materiałoznawstwa.

Najprostsze pomysły dotyczące polimorfizmu metali

Ten sam metal może, w zależności od kształtu sieci krystalicznej, mieć różne właściwości fizyczne (twardość, lepkość, ciągliwość, giętkość, sprężystość itp.). Ta zdolność do zmiany parametrów mechanicznych nazywana jest polimorfizmem. Dawno temu, robiąc prymitywną broń, ludzie zauważyli, że jeden lub drugi miecz lub tasak okazał się skuteczniejszy, dłużej zachowuje swoją ostrość i nie pęka. Oczywiście nasi przodkowie nie znali struktur molekularnych metalu, do wszystkiego doszli intuicyjnie i empirycznie. Tak więc empirycznie odkryli, że jeśli końcówka jest podgrzewana, to jej temperatura zależy od odcieni blasku. Przy szybkim chłodzeniu coś się zmienia w metalu, staje się on twardszy lub bardziej elastyczny. Jeśli zostanie ponownie podgrzany, znów stanie się taki sam, a czasem nawet gorszy. Do tego czasu powstały dość konkretne pomysły na to, jaki powinien być na przykład idealny nóż myśliwski. Wtedy też stosowano utwardzanie powierzchniowe, ale częściejzastosowano tzw. miejscowe, czyli takie, w którym ostrze było solidne, środek ostrza był giętki, a część ostrza przylegająca do rękojeści była plastikowa (niech się trochę ugnie, ale nie złamie)

Co się dzieje w środku

Nie wchodząc w szczegóły, należy zauważyć, że struktura stali hartowanej składa się z trzech głównych typów: martenzytycznej, troostytycznej i sorbitowej. Właściwości mechaniczne zależą od stosunku tych formacji krystalicznych. W tym przypadku nie ma znaczenia, który z nich i jak wpływa na twardość. Wynik zależy od tego, jak gorący jest metal i jak szybko się ochładza. Utwardzanie powierzchniowe może więc nastąpić wraz ze wzrostem temperatury warstwy wierzchniej, a następnie ochłodzeniem, albo w wyniku przekazywania ciepła do środowiska zewnętrznego (ciecze, najczęściej olej, woda i solanka, powietrze lub inne czynniki), albo w wyniku do częściowej ucieczki do produktu. W tym przypadku przemiany polimorficzne zachodzą warstwami, w zależności od stopnia osiągnięcia temperatury krytycznej, co wpływa na powstanie nowej struktury krystalicznej.

W rezultacie nastąpiła zmiana w następujących strefach:

- Górna hartowana.

- Pośredni, częściowo utwardzony. Nazywana jest również strefą wpływu ciepła.

- Obszar o zmniejszonej twardości.

- niezmodyfikowane wnętrze.

Metody utwardzania powierzchni

Utwórz górną warstwę za pomocązwiększona twardość na kilka sposobów. Do sprężyn wagonów kolejowych po prostu strzela się małymi metalowymi kulkami (śrut), które tworzą uszczelnienie powierzchni, podczas gdy wewnętrzna objętość metalu pozostaje wystarczająco plastyczna, aby wytrzymać długotrwałe naprężenia mechaniczne. Uważa się, że najstarszą metodą jest szybkie nagrzewanie przedmiotu na otwartym ogniu, któremu towarzyszy natrysk lub przepływ strumienia. To dzięki tej technologii powstaje tradycyjny orientalny nóż zakrzywiony (karambit). Utwardzanie powierzchniowe można również przeprowadzić za pomocą intensywnego chłodzenia. Znane są również metody gazowo-plazmowe, indukcyjne, laserowe i inne. Niektóre z nich są warte uwagi.

HDTV

W połowie lat trzydziestych radziecki naukowiec V. P. Vologdin wynalazł metodę nadawania określonej niejednorodnej struktury molekularnej dużym częściom za pomocą prądów o wysokiej częstotliwości. Inżynieria mechaniczna rozwijała się szybko, przemysł potrzebował technologii, które zapewniłyby masową produkcję bez utraty jakości. Utwardzanie powierzchniowe telewizorów HDTV opiera się na zjawisku indukcji. Specyfika metody polega na zależności grubości nagrzanej warstwy od częstotliwości i wielkości prądu w promieniującej pętli. W tym przypadku wynik jest przewidywalny z dużym prawdopodobieństwem, dlatego kontrola jakości jest znacznie uproszczona. Ponadto metoda ma zastosowanie do przetwarzania ogólnych produktów i zespołów, takich jak wały korbowe i inne duże obiekty, które można sekwencyjnie przesuwać wzdłuż cewki indukcyjnej.odsłaniając całą długość. Przy tej technologii trudno jest dobrać parametry do obróbki małych i płaskich przedmiotów, np. noża. Utwardzanie powierzchniowe prądami o wysokiej częstotliwości ma zastosowanie do produktów stosunkowo nieporęcznych, których wytrzymałość i odporność na zużycie zależą od właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej.

Cechy korzystania z metody HDTV

Metoda została opracowana w warunkach szybkiego rozwoju przemysłu maszynowego, głównego dla potencjału obronnego ZSRR, co przejawiało się w specyfice jej stosowania. Najważniejsze części traktorów, czołgów, samochodów czy samolotów nie są na tyle duże, aby można je było umieścić w ramie kompaktowego wzbudnika, produkcja wyposażenia dla każdego z nich była zbyt kosztowna, a jeśli była wykonana w oparciu o największe gabaryty, wtedy koszty energii stały się ogromne. Jednak indukcyjne utwardzanie powierzchniowe stosuje się do wszystkich produktów, od stosunkowo małych po duże. Na przykład, koła zębate są kolejno eksponowane na HDTV, obracając się ząb po zębie. Elementy wałów korbowych i kardanowych są nagrzewane w sposób ciągły i sekwencyjny, poruszając się wewnątrz nieruchomej ramy wzbudnika, a chłodnica (opryskiwacz) jest włączana w proces technologiczny bezpośrednio po nim. Na końcu maszyny obrabiany przedmiot jest natychmiast spryskiwany wodą (stąd nazwa, zgodnie z „sprayem”).

Cóż, produkty o małej powierzchni utwardzającej są umieszczane w induktorze jako całość i chłodzone w ten sam sposób.

Laser

To urządzeniew naszych czasach dość szeroko stosowany w różnych dziedzinach ludzkiej działalności, znalazł zastosowanie w obróbce metali. Metoda nie wymaga późniejszego chłodzenia, ponieważ uderzenie wiązki jest krótkotrwałe i oddziałuje na wierzchnią warstwę metalu, powodując pożądane zmiany w strukturze krystalicznej. „Laserowe ostrzenie” naprawdę zapewnia, że nie ma potrzeby długiego ostrzenia narzędzia tnącego (jest to głównie do nich stosowane), jeśli ta metoda jest rzeczywiście stosowana w jego produkcji. Należy jednak pamiętać, że w naszych podrabianych czasach napis na produkcie nie zawsze odpowiada prawdzie. Czasami jakiś tani nóż „motylek” sprzedawany na ulicznym straganie też jest ozdobiony taką marką. Utwardzanie powierzchniowe wiązką laserową to droga technologia, dostępna tylko dla wiodących producentów narzędzi.

Zimno

Fizyczną podstawą metody było odkrycie zjawiska wzrostu twardości stali w wyniku przejścia struktury austenitycznej do martenzytycznej podczas głębokiego zamrażania. Takie utwardzanie powierzchni przeprowadza się zgodnie z metodą opracowaną przez A. P. Gulyaeva, N. A. Minkevicha i S. S. Shtenberga w ZSRR. Ma zastosowanie do węgla (zawierającego więcej niż 0,5% C) i stali stopowej do celów specjalnych, takich jak te produkowane do produkcji szybkoobrotowych przecinaków i innych specjalnych produktów narzędziowych.

Ogrzewanie elektryczne

Ogólnie rzecz biorąc, jest on zbudowany na tej samej zasadzie co hartowanie indukcyjne, z tą różnicą, że ogrzewanie jest oporowe, ze względu naprzepływ prądu o dużych wartościach i rezystancji części. Częstotliwość napięcia wejściowego w ten sam sposób wpływa na głębokość nagrzanej warstwy, a im wyższa, tym cieńsza. Powierzchnia o podwyższonej twardości może wahać się od ułamków milimetra do kilku jej jednostek. Zależy to od wymagań dotyczących produktu i jego wymiarów. W porównaniu z HDTV metoda elektrooporowa ma szerszy zakres prądów, temperatur i głębokości warstw. Za jego pomocą można na przykład wykonać tak masywny i wymagający specjalnej jakości przedmiot, jak żołnierski nóż bagnetowy. Utwardzanie powierzchniowe przez ogrzewanie elektryczne wymaga sprawdzonego technologicznie reżimu chłodzenia w oleju, wodzie lub innych nośnikach ciepła.

Wnioski

Tak więc głównym zadaniem utwardzenia powierzchniowego jest takie rozłożenie struktury krystalicznej wewnątrz produktu, w której wewnątrz produktu pozostają odmiany sorbitu lub troostytu, a na zewnątrz tworzy się warstwa martenzytu. Można to osiągnąć kilkoma metodami, od najprostszych i najstarszych po najbardziej zaawansowane technologicznie i nowoczesne. W każdym razie wysokiej jakości hartowanie stali wymaga wysokich kwalifikacji i dokładności zgodnie z przepisami produkcyjnymi. Produkt wykonany według wszystkich zasad nie może być tani. Z tego powodu zarówno dobry nóż kuchenny, jak i karambit są drogie. Utwardzanie powierzchni wiązką lasera jest najczęściej stosowane tylko w przypadku narzędzi skrawających.