Što je površinsko kaljenje čelika? Za što se koristi površinsko stvrdnjavanje?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Umjetnost toplinske obrade metala poznata je čovječanstvu već dugo vremena. Obrtnici koji su se bavili izradom oruđa, a posebno oružja, sami su je svladavali ili su se godinama školovali kod drugih iskusnijih stručnjaka. Tajne su se čuvale u tajnosti, što je, naravno, usporavalo širenje tehnologije, ali je povećavalo konkurentnost pojedinog proizvođača proizvoda za određenu namjenu. Jedna od tehnika srednjovjekovnih oklopnika bilo je površinsko kaljenje, koje oštricama i vrhovima mačeva i sablji daje posebnu tvrdoću, u kombinaciji s fleksibilnošću oštrice. Danas takve nekretnine više nikoga ne iznenađuju, tehnologije su postale masovne i raširene.

Zašto bi obična osoba sve ovo znala?

Ovaj će se članak stručnjacima za termičku obradu metala najvjerojatnije činiti kao skup floskula i dobro poznatih činjenica. Osim toga, mogu pronaći neke netočnosti u terminologiji. Predstavljene informacije nisu namijenjene njima, upućene su ljudima koji su daleko od metalurgije, amaterima,one koje zanima kako se običan stolni ili sklopivi nož razlikuje po snazi od dobre oštrice, površinskom otvrdnjavanju od volumnog otvrdnjavanja i sličnim pitanjima. Kupnjom jednog ili drugog artikla potrebnog u kućanstvu potrošač se suočava sa značajnom razlikom u cijeni. Prodavatelj ne može uvijek na kvalificiran i razumljiv način objasniti zašto je jedan alat (na primjer ključ) mnogo skuplji od drugog s općom vanjskom sličnošću. On će, najvjerojatnije, pokušati "napudrati mozak" pojmovima i pojmovima koji su prosječnom laiku nerazumljivi. Prevedeno na običan jezik, ova objašnjenja će značiti da se podesivi ključ neće slomiti niti dulje trajati, a oštrenje će biti potrebno znatno rjeđe (ako klijent želi kupiti nož). "Površinsko stvrdnjavanje!" - tajanstveno će naznačiti razlog prodavač, kolutajući očima od zamišljenog oduševljenja. Što je to?

Suprotna svojstva u jednom proizvodu

Kao što je jasno iz fraze, u ovom slučaju samo je vanjski tanki sloj proizvoda podvrgnut toplinskoj obradi. Da čelik zahtijeva kaljenje, nejasno nagađaju svi, čak i oni koji uopće ne znaju što je to. Po tome se razlikuje od uobičajenog "komada željeza", mekanog i krhkog. Ali zašto površno uživa takvu čast? Stvrdnjavanje se koristi za promjenu svojstava metala, a ne radi nekakvog poboljšanja, kako se često deklarira. Kvaliteta, korisna u nekim slučajevima, postaje štetna u drugima. Turpija je tvrda, jer im je lako obraditi željezo, aluminij ili broncu, ali ako je pokušate savitiili udarite čekićem, puknut će. Isto vrijedi i za oštricu nožne pile, koja se često lomi pod pogrešnim kutom rezanja. Kako bi se dala tvrdoća u kombinaciji s fleksibilnošću ili duktilnošću, primjenjuje se površinsko kaljenje. Nakon toga, svojstva proizvoda mogu kombinirati kvalitete, ponekad suprotne, karakteristične za različite kristalne strukture. Sada moramo uroniti u neke detalje o materijalnoj znanosti.

Najjednostavnije ideje o polimorfizmu metala

Isti metal može, ovisno o obliku kristalne rešetke, imati različita fizikalna svojstva (tvrdoću, viskoznost, duktilnost, fleksibilnost, elastičnost itd.) Ova sposobnost promjene mehaničkih parametara naziva se polimorfizam. Davno, prilikom izrade primitivnog oružja, ljudi su primijetili da se jedan ili drugi mač ili sjekač pokazao uspješnijim, duže zadržava oštrinu i ne lomi se. Naravno, naši preci nisu bili upoznati s molekularnim strukturama metala, do svega su dolazili intuitivno i empirijski. Tako su empirijski otkrili da ako se vrh zagrije, tada njegova temperatura ovisi o nijansama sjaja. Brzim hlađenjem nešto se mijenja u metalu, on postaje ili tvrđi ili postaje fleksibilniji. Ako se ponovno zagrije, opet postaje isto, a ponekad i gore. Do tada su se formirale sasvim specifične ideje o tome što bi, na primjer, trebao biti idealan lovački nož. Tada se također koristilo površinsko kaljenje, ali češćekorišten je tzv. lokalni, odnosno onaj kod kojeg je vrh čvrst, sredina oštrice savitljiva, a dio oštrice uz dršku plastičan (neka se malo savija, ali se ne lomi)

Što se događa unutra

Ne ulazeći u posebne detalje, treba napomenuti da je struktura kaljenog čelika tri glavne vrste: martenzitna, troostitna i sorbitna. Mehaničke karakteristike ovise o omjeru tih kristalnih formacija. U ovom slučaju, nije važno koji od njih i kako utječe na tvrdoću. Rezultat ovisi o tome koliko je metal vruć i koliko se brzo hladi. Dakle, površinsko stvrdnjavanje može nastati povećanjem temperature gornjeg sloja i naknadnim hlađenjem, bilo kao posljedica prijenosa topline u vanjski okoliš (tekućine, najčešće ulje, voda i slana otopina, zrak ili druga sredstva), bilo zbog do njegovog djelomičnog bijega u proizvod. U ovom slučaju polimorfne transformacije se javljaju u slojevima, ovisno o stupnju postizanja kritične temperature, što utječe na stvaranje nove kristalne strukture.

Kao rezultat toga, dolazi do promjene u sljedećim zonama:

- Gornji dio očvrsnut.

- Srednji, djelomično očvrsnut. Naziva se i zona utjecaja topline.

- Područje smanjene tvrdoće.

- Nepromijenjen interijer.

Metode površinskog stvrdnjavanja

Napravi gornji sloj spovećana tvrdoća, na nekoliko načina. Opruge željezničkih vagona jednostavno se gađaju malim metalnim kuglicama (pucanjem) koje stvaraju površinsko brtvljenje, dok unutarnji volumen metala ostaje dovoljno plastičan da izdrži dugotrajno mehaničko opterećenje. Najstarijom metodom smatra se brzo zagrijavanje predmeta na otvorenoj vatri, popraćeno prskanjem ili strujanjem mlaza. Ovom tehnologijom izrađuje se tradicionalni orijentalni zakrivljeni nož (karambit). Površinsko stvrdnjavanje može se izvesti i intenzivnim hlađenjem. Poznate su i plinsko-plazma, indukcijska, laserska i druge metode. Na nekima od njih vrijedi se zadržati.

HDTV

Sredinom 1930-ih, sovjetski znanstvenik V. P. Vologdin izumio je metodu za prenošenje određene neujednačene molekularne strukture na velike dijelove pomoću visokofrekventnih struja. Strojarstvo se brzo razvijalo, industriji su bile potrebne tehnologije koje su osiguravale masovnu proizvodnju bez žrtvovanja kvalitete. Površinsko stvrdnjavanje HDTV-a temelji se na fenomenu indukcije. Posebnost metode leži u ovisnosti debljine zagrijanog sloja o frekvenciji i veličini struje u zračećoj petlji. U ovom slučaju, rezultat je predvidljiv s visokim stupnjem vjerojatnosti, stoga je kontrola kvalitete uvelike pojednostavljena. Osim toga, metoda je primjenjiva na obradu cjelokupnih proizvoda i sklopova, kao što su radilice i drugi veliki objekti koji se mogu pomicati duž induktora, uzastopno.izlažući cijelu dužinu. Uz ovu tehnologiju, teško je odabrati parametre za obradu malih i ravnih predmeta, poput noža. Površinsko stvrdnjavanje visokofrekventnim strujama primjenjivo je na relativno glomazne proizvode čija čvrstoća i otpornost na habanje ovise o mehaničkim svojstvima gornjeg sloja.

Značajke korištenja HDTV metode

Metoda je razvijena u uvjetima naglog razvoja strojarske industrije, glavne za obrambeni potencijal SSSR-a, što se očitovalo u specifičnostima njezine primjene. Najvažniji dijelovi traktora, tenkova, automobila ili aviona nisu dovoljno veliki da bi se smjestili u okvir kompaktne induktorice, za svaki od njih bila je preskupa izrada opreme, a ako je rađena po najvećim dimenzijama, tada su troškovi energije postali enormni. Međutim, indukcijsko stvrdnjavanje se primjenjuje na sve proizvode, od relativno malih do velikih. Na primjer, zupčanici su uzastopno izloženi HDTV-u, okrećući se zub po zub. Elementi radilice i kardanske osovine kontinuirano se i uzastopno zagrijavaju, krećući se unutar fiksnog okvira induktora, dok se hladnjak (prskalica) uključuje u tehnološki proces neposredno nakon njega. Na kraju stroja obradak se odmah poprska vodom (otuda naziv, u skladu sa "spray").

Pa, proizvodi s malom površinom stvrdnjavanja stavljaju se u induktor kao cjelina i hlade na isti način.

Laser

Ovaj uređaju naše vrijeme, koji se prilično široko koristi u različitim područjima ljudske djelatnosti, našao je primjenu u obradi metala. Metoda ne zahtijeva naknadno hlađenje, budući da je utjecaj snopa kratkotrajan i utječe na najgornji sloj metala, uzrokujući željene promjene u kristalnoj strukturi. "Lasersko oštrenje" doista osigurava da nema potrebe za dugotrajnim oštrenjem reznog alata (uglavnom se za njih koristi), ako se ova metoda stvarno koristi u njegovoj izradi. Međutim, treba imati na umu da u naše krivotvoreno doba natpis na proizvodu ne odgovara uvijek istini. Ponekad je i neki jeftini nož "leptir" koji se prodaje na uličnom štandu također ukrašen takvim brendom. Površinsko kaljenje laserskom zrakom je skupa tehnologija, dostupna je samo vodećim proizvođačima alata.

hladno

Fizička osnova metode bilo je otkriće fenomena povećanja tvrdoće čelika kao rezultat prijelaza austenitne strukture u martenzitnu tijekom dubokog zamrzavanja. Takvo površinsko stvrdnjavanje provodi se prema metodi koju su razvili A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich i S. S. Shtenberg u SSSR-u. Primjenjivo je na ugljik (koji sadrži više od 0,5 posto C) i legirani čelik za posebne namjene, kao što su oni proizvedeni za proizvodnju brzih rezača i drugih proizvoda posebnih alata.

Grijanje na struju

Općenito, izgrađen je na istom principu kao i indukcijsko stvrdnjavanje, s jedinom razlikom što je zagrijavanje otporno, zbogprolazna struja velikih vrijednosti i otpor dijela. Frekvencija ulaznog napona na isti način utječe na dubinu zagrijanog sloja, a što je veća, to je tanja. Površina povećane tvrdoće može se kretati od frakcija milimetra do nekoliko svojih jedinica. Ovisi o zahtjevima za proizvod i njegovim dimenzijama. U usporedbi s HDTV-om, elektrootporna metoda ima širi raspon struja, temperatura i dubine sloja. Uz pomoć njega, na primjer, može se napraviti tako masivan i zahtjevan predmet posebne kvalitete kao što je vojnički bajunet-nož. Površinsko stvrdnjavanje električnim grijanjem zahtijeva tehnološki provjereni režim hlađenja u ulju, vodi ili drugim sredstvima koja primaju toplinu.

Zaključci

Dakle, glavna zadaća površinskog stvrdnjavanja je takva raspodjela kristalne strukture unutar proizvoda, u kojoj unutar njega ostaju različite vrste sorbita ili troostita, a izvana se formira sloj martenzita. To se može postići na nekoliko metoda, od najjednostavnijih i najstarijih do tehnološki najnaprednijih i modernih. U svakom slučaju, visokokvalitetno kaljenje čelika zahtijeva visoku kvalificiranost i točnost u skladu s proizvodnim propisima. Proizvod napravljen po svim pravilima ne može biti jeftin. Zbog toga su i dobar kuhinjski nož i karambit skupi. Površinsko stvrdnjavanje laserskom zrakom najčešće je samo za alate za rezanje.