Здатність протистояти стиранню та протистояти вдавленню є двома дуже важливими атрибутами певних типів металів. Вибираючи тип металу, одним із важливих факторів, який слід брати до уваги, є його твердість, яка є мірою цих властивостей. Зовнішня поверхня металу є, мабуть, найважливішою частиною для визначення ідеальної твердості. Це пов’язано з тим, що саме поверхня зазнає найбільшого прямого удару та стирання. Деякі метали проходять процес, який називається цементуванням, щоб змінити поверхневу твердість, щоб гарантувати відповідність твердості металевої основи.
Що таке Case Hardening?
Загартування — це процес термічної обробки, який зміцнює поверхню металевої підкладки, зберігаючи м’якше серцевину. Це дозволяє поєднати в одній частині найкращі властивості м'якого і твердого металу.
Порівняно з твердою речовиною, м’який матеріал набагато краще витримує ударний тиск. Крім того, він більш міцний, пластичний і більш жорсткий, але його зносостійкість недостатня. Щоб гарантувати, що матеріал не зношується від стирання або тертя, важлива хороша зносостійкість. Ми можемо значно мінімізувати зношування матеріалу без шкоди для інших якостей, зміцнивши лише зовнішню частину.
Тонку зміцнену поверхню можна отримати різними способами, у тому числі шляхом додавання до поверхні додаткових компонентів або зміни кристалічної структури. Але для зміцнення майже завжди потрібні високі температури, незалежно від методу.
Чому Case Harden?
Є кілька причин, щоб цементувати матеріал, а не намагатися загартувати цілий металевий предмет. Однією з причин є ефективність. Щоб нагріти зовнішню поверхню металу, потрібно менше енергії та часу, ніж весь його поперечний переріз. Ця ефективність може призвести до величезної економії коштів у великомасштабних виробничих операціях. Іншою причиною широкого використання загартування є продуктивність. Може бути вигідно мати метал із твердою зовнішньою оболонкою та більш пластичною внутрішньою частиною. Прикладом цього може бути ситуація, коли метал потрібен для опору стиранню, але все ще повинен бути здатним поглинати удар без повного крихкого руйнування.
Tтипи методів загартування
Принцип зміцнення корпусу досить простий. Ми хочемо, щоб поверхня утворювала тверду структуру, відому як мартенсит. Але ця структура формується лише тоді, коли сталеві компоненти загартуються при високих температурах і за умови, що вміст вуглецю в сталевому сплаві досить високий.
Якщо вміст вуглецю достатній, нам потрібно лише нагріти та загартувати деталь. Але якщо вміст вуглецю низький або якщо нам потрібна надзвичайна твердість, на поверхню матеріалу потрібно додати такі елементи, як вуглець і азот. Давайте тепер розглянемо різні процеси, які використовуються для досягнення зміцнення на основі вищезгаданих принципів.
Розігрів і гасіння
Традиційно нагрівання та загартування використовуються для гартування ряду металів. Один із методів цементування металу полягає в застосуванні прямого киснево-газового полум’я до сталевого компонента. Індукційне нагрівання використовується час від часу. Температура поверхні сталевої частини швидко зростає в обох сценаріях. В результаті кристалічна структура аустеніту замінює кристалічну структуру перліту.
Після досягнення заданої температури деталь швидко охолоджується, часто занурюючи її у воду. Це знову змінює кристалічну структуру, цього разу з аустеніту на мартенсит, який є особливо твердою структурою.
Оскільки кристалічна структура змінюється лише на поверхні, деталь твердіє лише на поверхні. Але для того, щоб деталь виграла від цього методу, у вихідному матеріалі має бути достатньо вуглецю. У разі низького вмісту вуглецю (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Науглерожування
Якщо рівень вуглецю нижчий за 0,3%, ми повинні додати більше вуглецю до деталі, перш ніж піддати її нагріванню та гарту. Проведення деталі через процес науглерожування є одним із способів зробити це.
Науглерожування передбачає нагрівання сталевого компонента протягом заданого періоду часу, поки присутній зовнішній джерело вуглецю. Вуглець з вуглецевої речовини дифундує в метал при високих температурах. Більше тепла та довший час нагрівання спричиняють глибше вбирання вуглецю в поверхню металу.
Після науглерожування збільшується вміст вуглецю в поверхневому шарі сталі, ми піддаємо його полум’яному або індукційному загартуванню для підвищення твердості.
Азотування
Для сталевого сплаву, який містить такі елементи, як алюміній, хром і молібден, ми можемо використовувати азотування для зміцнення.
Деталь нагрівають у присутності газоподібного азоту та дисоційованого аміаку з утворенням нітридів. Нітриди також збільшують твердість матеріалу.
Оскільки виріб нагрівається до 620 градусів (1150 градусів F), азотування зазвичай відбувається при нижчих температурах. Дифузія та наступна твердість будуть тим глибшими, чим довше він підтримується при цій температурі.
Які типи металів можна загартувати?
Метали, які можуть бути загартовані, як правило, обмежені чорними матеріалами, хоча є особливі випадки, такі як азотування деяких титанових або алюмінієвих сплавів. Чорні метали, які зазвичай цементують, це:
Низьковуглецева сталь
Високовуглецева сталь
Чавун
Високоміцна низьколегована сталь
Інструментальна сталь
Нержавіючі сталі
Деякі звичайні компоненти, які загартовані, включають:
Шестерні
Кріплення
Розподільні вали
Стрижні
Шпильки
