Objašnjenje očvršćivanja – kako funkcionira, prednosti i vrste

Kaljenje je metalurški proces koji nam omogućuje izradu posebnih dijelova s ​​jedinstvenim svojstvima. U ovom članku istražujemo što je to, njegov proces i njegove primjene.

Što je Case Hardening?

Kaljenje je postupak toplinske obrade kojim se stvrdnjava površina metalne podloge uz zadržavanje mekše jezgre. To omogućuje kombiniranje najboljih svojstava mekog i tvrdog metala u jednom dijelu.

Meki materijal može podnijeti udarne sile puno bolje od tvrdog materijala. Također je čvršći, rastegljiviji i jači, ali nema dovoljnu otpornost na trošenje. Dobra otpornost na trošenje ključna je kako bi se osiguralo da se materijal ne istroši uslijed abrazije ili trenja. Kaljenjem samo vanjske površine možemo značajno smanjiti trošenje materijala bez ugrožavanja ostalih svojstava.

Tanku otvrdnutu površinu možemo postići različitim sredstvima kao što je promjena kristalne strukture i/ili dodavanje novih elemenata na površinu. Ali bez obzira na proces, kaljenje gotovo uvijek zahtijeva povišene temperature.

Kada se koristi kaljenje?

Kaljenje koristimo kada trebamo poboljšati površinsku tvrdoću mekših materijala kao što su dijelovi od željeza ili čelika s niskim udjelom ugljika. Standardna praksa je da se to učini nakon svih operacija strojne obrade i oblikovanja jer to smanjuje obradivost dijela. Ali to možemo učiniti i tijekom ranijih faza proizvodnog procesa. Neki od primjera u kojima se koristi postupak kaljenja su sljedeći:

Niski budžet

Postoji značajna razlika u cijeni između čelika s niskim udjelom ugljika i čelika za alate kao što je brzorezni čelik. Razlika može biti više od 20x u nekim slučajevima. Stoga, kada je proračun problem, možemo koristiti čelik s niskim udjelom ugljika kaljen umjesto alatnog čelika.

Također, kaljenje zahtijeva manje energije i vremena u usporedbi s prolaznim kaljenjem budući da se ne kali cijeli poprečni presjek. Tako, uz troškove sirovina, možemo uštedjeti i resurse u proizvodnji.

Jedinstvena svojstva

Kombinacija meke unutarnje jezgre s tvrdim vanjskim slojem daje jedinstvena svojstva kao što je objašnjeno u prethodnom odjeljku. Kaljenje nam omogućuje da iskoristimo prednosti ovih svojstava. Kaljene spojke primjeri su dijelova koji pružaju izdržljivost i snagu. Mogu se nositi s malim neusklađenostima mnogo bolje od kaljenih dijelova.

Smanjena dostupnost materijala

Kada je dostupnost materijala problem, možemo se odlučiti za kaljeni niskougljični čelik; posebno u nekritičnim primjenama. Mnoga mjesta nemaju potrebne vrste alatnog čelika dostupne u različitim veličinama. Jedini način da ga nabavite, u tom slučaju, je kupiti mnogo veću veličinu od potrebne. Dakle, umjesto kupnje toga, možemo kupiti niskougljični čelik i dobiti ga kaljenog za naše primjene.

Upotreba temeljena na aplikaciji

Aplikacija ponekad zahtijeva samo tvrdu podlogu. U takvim slučajevima, umjesto prolaznog kaljenja, možemo ići samo na površinsko kaljenje. Prikladni primjeri su turpije, vijci i zupčanici.

U turpiji, na primjer, zubi obavljaju sav posao. Stoga ima smisla koristiti niskougljični čelik i samo očvrsnuti površinu. To bi bilo jeftinije od upotrebe alatnog čelika ili čak kaljenja.

Proširimo na primjeru zupčanika. Zupčanik treba veliku tvrdoću zuba kako bi bio otporan na habanje. Ali nije potrebno kaljenje. Zapravo, preporučuje se da jezgra bude mekana kako bi se izbjegao iznenadni kvar pod opterećenjem. Kaljeni zupčanik omogućuje nam integraciju fleksibilnosti i visoke površinske tvrdoće u isti dio.

Proces i metode kaljenja

Princip otvrdnjavanja kućišta je prilično jednostavan. Želimo da površina formira čvrstu strukturu poznatu kao martenzit. Ali ova se struktura formira samo kada se čelične komponente kale na visokim temperaturama i pod uvjetom da je sadržaj ugljika u čeličnoj leguri dovoljno visok.

Ako je sadržaj ugljika dovoljan, trebamo samo zagrijati i ugasiti dio. Ali ako je sadržaj ugljika nizak ili ako nam je potrebna ekstremna tvrdoća, elementi poput ugljika i dušika moraju se dodati na površinu materijala. Pogledajmo sada različite procese koji se koriste za postizanje stvrdnjavanja na temelju gore navedenih principa.

Grijanje i kaljenje

Tradicionalno, zagrijavanje i kaljenje su korišteni za provođenje kaljenja niza metala. Kada želimo cementirati metal, možemo koristiti izravni plamen kisika i plina na čeličnom dijelu. U nekim slučajevima koristi se indukcijsko grijanje. U svakom slučaju, površinska temperatura čeličnog dijela brzo raste. To uzrokuje promjenu kristalne strukture iz perlita u austenit.

Nakon što se postigne zadana temperatura, dio se brzo hladi, često uranjanjem u vodu. Ovo ponovno mijenja kristalnu strukturu, ovaj put od austenita do martenzita koji je posebno tvrda struktura.

Budući da samo površina prolazi kroz promjenu kristalne strukture, dio otvrdne samo na površini. Ali kako bi dio imao koristi od ove metode, mora biti dovoljno ugljika u izvornom materijalu. U slučaju niskog sadržaja ugljika (<0,3%) u metalnom dijelu, ova metoda neće dati povoljne rezultate.

Naugljičavanje

Ako su razine ugljika ispod 0,3%, moramo dodati više ugljika u dio prije nego što ga podvrgnemo zagrijavanju + kaljenju. Provođenje dijela kroz proces naugljičavanja je jedan od načina za to.

Kod naugljičavanja, čelični dio se zagrijava u prisutnosti vanjskog izvora ugljika određeno vrijeme. Na visokim temperaturama, ugljik iz materijala koji sadrži ugljik difundira u metal. Više temperature i dulja vremena zagrijavanja rezultiraju dubljom apsorpcijom ugljika u metalnu površinu.

Postoje tri glavne metode: pougljičenje u paketu, pougljičenje tekućinom i pougljičenje plinom. U usporedbi s naugljičenjem, pougljičavanje tekućinom i plinom bolje je u difuziji ugljika u materijal. Naugljičavanje se obično provodi na 930 °C (1700 °F).

Nakon što se pougljičenjem poveća sadržaj ugljika u površinskom sloju čelika, podvrgavamo ga kaljenju plamenom ili indukcijskim kaljenjem kako bismo povećali tvrdoću.

Nitriranje

Za čeličnu leguru koja sadrži elemente kao što su aluminij, krom i molibden, možemo koristiti nitriranje za kaljenje.

Dio se zagrijava u prisutnosti plinovitog dušika i disociranog amonijaka kako bi se formirali nitridi. Nitridi također povećavaju tvrdoću materijala.

Postoje tri glavne vrste procesa nitriranja. To su nitriranje u solnoj kupki, nitriranje plinom i nitriranje plazmom.

Nitriranje općenito radi s nižim temperaturama jer se dio zagrijava do 620 °C (1150 °F). Što se dulje drži na ovoj temperaturi, to je dublja difuzija i kasnije stvrdnjavanje.

Cijaniziranje

Cijanidiranje je vrsta procesa kaljenja koji difundira ugljik i dušik u prisutnosti soli na bazi cijanida. Dio se prvo zagrijava do 950 °C (1750 °F) tijekom unaprijed određenog trajanja.

Nakon što se apsorbira dovoljno ugljika i dušika, dio se gasi nakon čega slijedi ispiranje kako bi se uklonili ostaci cijanida. Posljednji korak je posebno važan jer je cijanid otrovan spoj i s njim treba pažljivo postupati.

Karbonitriranje

Karbonitriranje se odnosi na dodavanje ugljika i dušika tankom sloju čelične površine. Slično je pougljičenju plinom, ali u okruženju amonijaka.

Prisutnost amonijaka osigurava dušik za proces. Temperatura karbonitriranja je oko 840 °C (1550 °F) što je između temperatura nitriranja i naugljičavanja. Materijal se zatim gasi u ulju ili plinu.

Niža temperatura rezultira manjim izobličenjem tijekom kaljenja. Dobiveni materijal može imati tvrdoću do 60 HRC. Ova tvrdoća je veća od one koja se može postići postupkom naugljičavanja.

Karbonitrirani dijelovi također pružaju vrhunske performanse na povišenim temperaturama. Dok naugljičeni čelični dijelovi počinju gubiti svoju tvrdoću iznad 200 °C, karbonitrirani dijelovi zadržavaju svoju tvrdoću mnogo dulje zbog stabilnog nitridnog spoja difundiranog u matrici.

Većina proizvođača cementira radilice motora postupkom karbonitriranja.

Feritno nitrougljičenje

Feritno nitrougljičenje dodaje ugljik i dušik čeliku dok je još u feritnoj fazi. U navedenim procesima, zagrijavanjem materijala iznad kritične temperature dolazi do promjene mikrostrukture od ferita do austenita.

U feritnom nitrougljičenju ne približavamo se ovoj temperaturi. Materijal izlažemo atmosferi bogatoj ugljikom i dušikom dok je još u feritnoj fazi.

Postoje tri glavne vrste procesa: feritno nitrougljičenje u slanoj kupki, nitrougljičenje u plinovitom stanju i ionsko nitrougljičenje.

Zaključak

Kaljeni čelik danas je široko korišten postupak površinske obrade u industriji. Posebno je koristan u primjenama gdje su prisutne vibracije, udarna opterećenja i neusklađenost. Kaljenje osigurava izvrsnu tvrdoću u ovim primjenama bez povećanja lomljivosti.

Nadamo se da smo vam uspjeli dati pregled procesa otvrdnjavanja. Provjerite naše ostale objave o raznim metodama toplinske obrade i svakako se pretplatite na naš bilten kako biste primali nove članke i još mnogo toga iz domene strojarstva.