Sposobnost odpornosti proti obrabi in odpornosti proti vdolbinam sta dve zelo pomembni lastnosti nekaterih vrst kovin. Pri izbiri vrste kovine je pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati, njena trdota, ki je merilo teh lastnosti. Najbolj zunanja površina kovine je nedvomno najpomembnejši del za določitev idealne trdote. To je posledica dejstva, da je površina tista, ki je najbolj neposredno udarjena in odrgnjena. Nekatere kovine so podvržene postopku, imenovanemu kaljenje, da se spremeni njihova površinska trdota, da se zagotovi ustrezna trdota kovinske podlage.
Kaj je utrjevanje ohišja?
Kaljenje je postopek toplotne obdelave, ki utrdi površino kovinske podlage, hkrati pa ohrani mehkejše jedro. To omogoča združevanje najboljših lastnosti mehke in trde kovine v enem delu.
V primerjavi s trdo snovjo lahko mehak material veliko bolje prenese udarne pritiske. Poleg tega je močnejši, bolj duktilen in žilav, vendar je njegova odpornost proti obrabi nezadostna. Za zagotovitev, da se material ne obrabi zaradi drgnjenja ali trenja, je bistvenega pomena dobra odpornost proti obrabi. Obrabo materiala lahko močno zmanjšamo, ne da bi pri tem žrtvovali druge lastnosti, tako da utrdimo samo zunanjost.
Tanko, utrjeno površino lahko pridobimo na različne načine, tudi z dodajanjem dodatnih komponent na površino ali s spreminjanjem kristalne strukture. Toda visoke temperature so skoraj vedno potrebne za utrjevanje, ne glede na metodo.
Zakaj Case Harden?
Obstaja več razlogov za utrjevanje materiala namesto poskusa utrjevanja celotnega kovinskega predmeta. Eden od razlogov je učinkovitost. Manj energije in manj časa je potrebnih za segrevanje najbolj zunanje površine kovine v primerjavi s celotnim presekom. Te učinkovitosti lahko povzročijo velike prihranke pri stroških pri obsežnih proizvodnih operacijah. Drugi razlog, zakaj se ohišje široko uporablja, je zmogljivost. Lahko je koristno imeti kovino s trdo zunanjo lupino in bolj duktilno notranjostjo. Primer tega bi bil, ko je kovina potrebna za odpornost proti obrabi, vendar mora biti še vedno sposobna absorbirati udarec, ne da bi prišlo do popolnega krhkega zloma.
Tvrste metod kaljenja
Načelo utrjevanja je precej preprosto. Želimo, da površina tvori trdo strukturo, znano kot martenzit. Toda ta struktura se oblikuje šele, ko se jeklene komponente pogasijo pri visokih temperaturah in pod pogojem, da je vsebnost ogljika v jekleni zlitini dovolj visoka.
Če je vsebnost ogljika zadostna, moramo del samo segreti in pogasiti. Če pa je vsebnost ogljika nizka ali če potrebujemo izjemno trdoto, je treba na površino materiala dodati elemente, kot sta ogljik in dušik. Oglejmo si zdaj različne postopke, ki se uporabljajo za doseganje utrjevanja na podlagi zgoraj omenjenih načel.
Ogrevanje in kaljenje
Tradicionalno sta se segrevanje in kaljenje uporabljala za kaljenje različnih kovin. Ena od metod za utrjevanje kovine je uporaba neposrednega plamena s kisikom in plinom na jekleno komponento. Uporaba induktivnega ogrevanja se pojavlja občasno. Temperatura površine jeklenega dela se v obeh scenarijih hitro poveča. Posledično kristalna struktura avstenita nadomesti kristalno strukturo perlita.
Ko je dosežena nastavljena temperatura, se del hitro ohladi, pogosto s potopitvijo v vodo. To ponovno spremeni kristalno strukturo, tokrat iz avstenita v martenzit, ki je posebej trda struktura.
Ker se kristalna struktura spremeni samo na površini, se del strdi le na površini. Toda, da bi del imel koristi od te metode, mora biti v izvirnem materialu dovolj ogljika. V primeru nizke vsebnosti ogljika (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Naogljičenje
Če so ravni ogljika pod 0,3 %, moramo delu dodati več ogljika, preden ga izpostavimo segrevanju + kaljenju. Eden od načinov za to je, da del opravite s postopkom naogljičenja.
Naogljičenje vključuje segrevanje jeklene komponente za vnaprej določeno časovno obdobje, medtem ko je prisoten zunanji vir ogljika. Ogljik iz ogljikove snovi pri visokih temperaturah difundira v kovino. Več toplote in daljši časi segrevanja povzročijo, da se ogljik globlje absorbira v kovinsko površino.
Ko naogljičenje poveča vsebnost ogljika v površinskem sloju jekla, ga podvržemo plamenskemu ali indukcijskemu kaljenju, da povečamo trdoto.
Nitriranje
Za jekleno zlitino, ki vsebuje elemente, kot so aluminij, krom in molibden, lahko uporabimo nitriranje za utrjevanje.
Del se segreje v prisotnosti dušikovega plina in disociiranega amoniaka, da nastanejo nitridi. Nitridi povečajo tudi trdoto materiala.
Ker je predmet segret na 620 stopinj (1150 stopinj F), nitriranje običajno poteka pri nižjih temperaturah. Difuzija in posledična trdota bosta globlji, čim dlje se vzdržuje pri tej temperaturi.
Katere vrste kovin je mogoče kaliti?
Kovine, ki jih je mogoče utrditi, so na splošno omejene na železove materiale, čeprav obstajajo posebni primeri, kot je nitriranje nekaterih titanovih ali aluminijevih zlitin. Železne kovine, ki so običajno cementirane, so:
Nizkoogljično jeklo
Visokoogljično jeklo
Lito železo
Nizkolegirano jeklo visoke trdnosti
Orodno jeklo
Nerjavna jekla
Nekatere običajne komponente, ki so utrjene, vključujejo:
Zobniki
Pritrdilni elementi
Odmične gredi
Palice
Zatiči
