Šta je površinsko kaljenje čelika? Za šta se koristi površinsko očvršćavanje?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Umetnost termičke obrade metala poznata je čovečanstvu od davnina. Majstori koji su se bavili izradom oruđa, a posebno oružja, sami su ga savladavali 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 određenog proizvođača proizvoda za određenu namjenu. Jedna od tehnika srednjovjekovnih oklopnika bilo je površinsko kaljenje, koje reznim ivicama i vrhovima mačeva i sablji daje posebnu tvrdoću, u kombinaciji sa fleksibilnošću oštrice. Danas takve nekretnine više nikoga ne iznenađuju, tehnologije su postale masovne i raširene.

Zašto bi običan čovjek sve ovo znao?

Ovaj članak stručnjacima za termičku obradu metala će najvjerovatnije izgledati kao skup floskula i dobro poznatih činjenica. Osim toga, mogu naći neke netačnosti u terminologiji. Predstavljene informacije nisu namijenjene njima, upućene su ljudima koji su daleko od metalurgije, amaterima,one koje zanima kako se običan stoni ili sklopivi nož razlikuje po snazi od dobre oštrice, površinskom otvrdnjavanju od zapreminskog kaljenja i sličnim pitanjima. Prilikom kupovine jedne ili druge stvari potrebne u domaćinstvu, potrošač se suočava sa značajnom razlikom u cijeni. Prodavac ne može uvijek na kvalifikovan i razumljiv način objasniti zašto je jedan alat (na primjer ključ) mnogo skuplji od drugog s općom vanjskom sličnošću. On će, najvjerovatnije, 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 duže trajati, a oštrenje će biti potrebno mnogo rjeđe (ako klijent želi kupiti nož). "Površinsko očvršćavanje!" - misteriozno će prodavac naznačiti razlog, kolutajući očima od zamišljenog oduševljenja. Šta je to?

Suprotna svojstva u jednom proizvodu

Kao što je jasno iz fraze, u ovom slučaju samo je vanjski tanak sloj proizvoda podvrgnut toplinskoj obradi. O činjenici da čelik zahtijeva kaljenje nejasno nagađaju svi, čak i oni koji uopće ne znaju šta je to. Po tome se razlikuje od uobičajenog "komada željeza", mekog i krhkog. Ali zašto površno uživa takvu čast? Kaljenje se koristi za promjenu svojstava metala, a ne radi nekog poboljšanja, kako se često deklarira. Kvalitet, koristan u nekim slučajevima, postaje štetan u drugim. Turpija je tvrda, jer im je lako obraditi gvožđe, aluminijum ili bronzu, ali ako pokušate da je savijeteili udarite čekićem, pukne. Isto važi i za list testere, koji se često lomi pod pogrešnim uglom rezanja. Kako bi se dala tvrdoća u kombinaciji sa 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 nauke o materijalima.

Najjednostavnije ideje o polimorfizmu metala

Isti metal može, u zavisnosti od oblika kristalne rešetke, imati različita fizička 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 molekularnom strukturom 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 ponovo zagreje, ponovo postaje isto, a ponekad i gore. Do tada su se formirale sasvim specifične ideje o tome šta bi, na primjer, trebao biti idealan lovački nož. Tada se koristilo i površinsko kaljenje, ali češćekorišten je tzv. lokalni, odnosno onaj u kojem je vrh čvrst, sredina oštrice fleksibilna, a dio oštrice uz dršku plastičan (neka se malo savija, ali ne lomi)

Šta se dešava unutra

Ne ulazeći u posebne detalje, treba napomenuti da je struktura kaljenog čelika tri glavna tipa: martenzitna, troostitna i sorbitna. Mehaničke karakteristike zavise od odnosa ovih kristalnih formacija. U ovom slučaju nije bitno koji od njih i kako utiče na tvrdoću. Rezultat ovisi o tome koliko je metal vruć i koliko brzo se hladi. Dakle, površinsko stvrdnjavanje može nastati povećanjem temperature gornjeg sloja i naknadnim hlađenjem, bilo kao rezultat prijenosa topline u vanjsko okruženje (tečnosti, najčešće ulje, voda i slanica, zrak ili drugi agensi), bilo zbog do njegovog djelomičnog izlaska u proizvod. U ovom slučaju polimorfne transformacije se javljaju u slojevima, u zavisnosti od stepena dostizanja kritične temperature, što utiče na formiranje nove kristalne strukture.

Kao rezultat toga, dolazi do promjene u sljedećim zonama:

- Gornji kaljeni.

- Srednji, djelimično očvrsnut. Naziva se i zona pogođena toplotom.

- Područje smanjene tvrdoće.

- Neizmijenjena unutrašnjost.

Metode površinskog očvršćavanja

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

HDTV

Sredinom 1930-ih, sovjetski naučnik V. P. Vologdin izumio je metodu za prenošenje date neuniformne molekularne strukture na velike dijelove koristeći visokofrekventne struje. Mašinsko inženjerstvo se brzo razvijalo, industriji su bile potrebne tehnologije koje su osiguravale masovnu proizvodnju bez žrtvovanja kvaliteta. Površinsko očvršćavanje HDTV-a zasniva se na fenomenu indukcije. Posebnost metode je u ovisnosti debljine zagrijanog sloja o frekvenciji i veličini struje u zračećoj petlji. U ovom slučaju, rezultat je predvidljiv sa visokim stepenom vjerovatnoće, stoga je kontrola kvaliteta 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.otkrivajući cijelu dužinu. Uz ovu tehnologiju, teško je odabrati parametre za obradu malih i ravnih predmeta, poput noža. Površinsko stvrdnjavanje strujama visoke frekvencije primjenjivo je na relativno glomazne proizvode, čija čvrstoća i otpornost na habanje zavise od mehaničkih svojstava gornjeg sloja.

Karakteristike korištenja HDTV metode

Metoda je razvijena u uslovima naglog razvoja mašinogradnje, glavne za odbrambeni potencijal SSSR-a, što se očitovalo u specifičnostima njene primene. Najvažniji dijelovi traktora, tenkova, automobila ili aviona nisu dovoljno veliki da bi se smjestili u okvir kompaktne induktorice, bilo je preskupo izrađivati opremu za svaki od njih, a ako je rađen po najvećim dimenzijama, tada su troškovi energije postali enormni. Međutim, indukcijsko očvršćavanje 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 kardanskog vratila se kontinuirano i uzastopno zagrijavaju, krećući se unutar fiksnog okvira induktora, dok se hladnjak (prskalica) uključuje u tehnološki proces odmah nakon njega. Na kraju mašine, radni komad se odmah poprska vodom (otuda i naziv, u skladu sa "spray").

Pa, proizvodi sa malom površinom za stvrdnjavanje se stavljaju u induktor kao celina 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, jer je utjecaj snopa kratkotrajan i djeluje na najgornji sloj metala, izazivajući željene promjene u kristalnoj strukturi. "Lasersko oštrenje" zaista osigurava da nema potrebe za dugotrajnim oštrenjem reznog alata (uglavnom se za njih koristi), ako se ova metoda zaista koristi u njegovoj izradi. Međutim, treba imati na umu da u naše doba krivotvorina 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 laserskim snopom je skupa tehnologija, dostupna je samo vodećim proizvođačima alata.

Hladno

Fizička osnova metode bilo je otkriće fenomena povećanja tvrdoće čelika kao rezultat prelaska austenitne strukture u martenzitnu tokom dubokog zamrzavanja. Takvo površinsko stvrdnjavanje se provodi 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 specijalnih alata.

Grijanje na struju

Uopšteno govoreći, izgrađen je na istom principu kao i indukcijsko kaljenje, sa 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 tanji. Površina povećane tvrdoće može se kretati od frakcija milimetra do nekoliko njegovih jedinica. Zavisi od zahtjeva za proizvod i njegovih dimenzija. U poređenju sa 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 posebnog kvaliteta kao što je vojnički bajonet-nož. Površinsko stvrdnjavanje električnim grijanjem zahtijeva tehnološki verifikovan režim hlađenja u ulju, vodi ili drugim agensima koji primaju toplotu.

Zaključci

Dakle, glavni zadatak površinskog stvrdnjavanja je takva distribucija kristalne strukture unutar proizvoda, u kojoj varijeteti sorbita ili troostita ostaju unutar njega, a spolja 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 kvalifikaciju i tačnost u skladu sa propisima o proizvodnji. Proizvod napravljen po svim pravilima ne može biti jeftin. Iz tog razloga su i dobar kuhinjski nož i karambit skupi. Površinsko očvršćavanje laserskim snopom najčešće je samo za alate za rezanje.