Schopnosť odolávať oderu a odolávať vtlačeniu sú dva veľmi dôležité atribúty určitých typov kovov. Pri výbere typu kovu je dôležitým faktorom, ktorý treba brať do úvahy, jeho tvrdosť, ktorá je mierou týchto vlastností. Vonkajší povrch kovu je pravdepodobne najdôležitejšou časťou na určenie ideálnej tvrdosti. Je to spôsobené tým, že je to práve povrch, ktorý je najviac priamo zasiahnutý a odieraný. Niektoré kovy podstupujú proces nazývaný cementovanie, aby sa zmenila ich povrchová tvrdosť, aby sa zaručila vhodná tvrdosť kovového substrátu.
Čo je Case Hardening?
Povrchové tvrdenie je proces tepelného spracovania, ktorý vytvrdzuje povrch kovového substrátu pri zachovaní mäkšieho jadra. To umožňuje spojiť najlepšie vlastnosti mäkkého a tvrdého kovu do jedného dielu.
Mäkký materiál v porovnaní s tvrdou látkou ďaleko lepšie odoláva nárazovým tlakom. Okrem toho je pevnejší, ťažnejší a tvrdší, ale jeho odolnosť proti opotrebovaniu je nedostatočná. Aby sa zabezpečilo, že sa materiál neopotrebuje oderom alebo trením, je nevyhnutná dobrá odolnosť proti opotrebovaniu. Môžeme výrazne minimalizovať opotrebovanie materiálu bez toho, aby sme obetovali iné vlastnosti, a to iba vytvrdením exteriéru.
Tenký, tvrdený povrch možno získať rôznymi spôsobmi, vrátane pridávania ďalších komponentov na povrch alebo zmenou kryštálovej štruktúry. Vysoké teploty sú však na cementovanie takmer vždy potrebné, bez ohľadu na metódu.
Prečo práve Case Harden?
Existuje niekoľko dôvodov na cementovanie materiálu namiesto pokusu o kalenie celého kovového predmetu. Jedným z dôvodov je efektivita. Na zahriatie vonkajšieho povrchu kovu je potrebných menej energie a menej času v porovnaní s jeho celým prierezom. Táto efektívnosť môže viesť k obrovským úsporám nákladov vo veľkých výrobných operáciách. Ďalším dôvodom, prečo je cementovanie široko používané, je výkon. Môže byť výhodné mať kov s tvrdým vonkajším plášťom a ťažším vnútrom. Príkladom toho môže byť situácia, keď je potrebný kov, aby odolal oderu, ale stále musí byť schopný absorbovať náraz bez toho, aby došlo k úplnému krehkému lomu.
Ttypy metód cementovania
Princíp vytvrdzovania je celkom jednoduchý. Chceme, aby povrch vytvoril tvrdú štruktúru známu ako martenzit. Táto štruktúra sa však vytvára iba vtedy, keď sú oceľové komponenty kalené pri vysokých teplotách a za predpokladu, že obsah uhlíka v oceľovej zliatine je dostatočne vysoký.
Ak je obsah uhlíka dostatočný, stačí časť zahriať a uhasiť. Ak je však obsah uhlíka nízky alebo ak potrebujeme extrémnu tvrdosť, je potrebné na povrch materiálu pridať prvky ako uhlík a dusík. Pozrime sa teraz na rôzne procesy používané na dosiahnutie case hardeningu na základe vyššie uvedených princípov.
Kúrenie a kalenie
Zahrievanie a kalenie sa tradične používalo na kalenie v rade kovov. Jedným zo spôsobov cementovania kovu je aplikácia priameho kyslíkovo-plynového plameňa na oceľový komponent. Príležitostne sa používa indukčný ohrev. Povrchová teplota oceľového dielu sa v oboch scenároch rýchlo zvyšuje. Výsledkom je, že austenitová kryštálová štruktúra nahrádza perlitovú kryštálovú štruktúru.
Po dosiahnutí nastavenej teploty sa diel rýchlo ochladí, často ponorením do vody. To opäť mení kryštálovú štruktúru, tentoraz z austenitu na martenzit, čo je obzvlášť tvrdá štruktúra.
Pretože len povrch prechádza zmenou kryštálovej štruktúry, súčiastka stvrdne len na povrchu. Ale na to, aby dielec profitoval z tejto metódy, musí byť v pôvodnom materiáli dostatok uhlíka. V prípade nízkeho obsahu uhlíka (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Nauhličovanie
Ak sú úrovne uhlíka nižšie ako 0,3 %, musíme do dielu pridať viac uhlíka predtým, ako ho vystavíme zahrievaniu + ochladzovaniu. Jedným zo spôsobov, ako to urobiť, je nechať súčiastku procesom nauhličovania.
Nauhličovanie zahŕňa zahrievanie oceľového komponentu počas vopred stanoveného časového obdobia, kým je prítomný vonkajší zdroj uhlíka. Uhlík z uhlíkatej látky pri vysokých teplotách difunduje do kovu. Viac tepla a dlhšie časy ohrevu spôsobujú, že uhlík sa absorbuje do kovového povrchu hlbšie.
Akonáhle nauhličovanie zvyšuje obsah uhlíka v povrchovej vrstve ocele, podrobujeme ju kalením plameňom alebo indukčným kalením, aby sa zvýšila tvrdosť.
Nitridácia
Pre zliatinu ocele, ktorá obsahuje prvky ako hliník, chróm a molybdén, môžeme použiť nitridáciu na cementovanie.
Časť sa zahrieva v prítomnosti plynného dusíka a disociovaného amoniaku za vzniku nitridov. Nitridy tiež zvyšujú tvrdosť materiálu.
Pretože sa predmet zahrieva na 620 stupňov (1150 stupňov F), nitridácia zvyčajne prebieha pri nižších teplotách. Difúzia a následná tvrdosť bude tým hlbšia, čím dlhšie sa bude udržiavať pri tejto teplote.
Aké typy kovov je možné cementovať?
Kovy, ktoré možno cementovať, sú vo všeobecnosti obmedzené na železné materiály, aj keď existujú špeciálne prípady, ako je nitridácia niektorých zliatin titánu alebo hliníka. Železné kovy bežne kalené sú:
Nízko uhlíková oceľ
Oceľ s vysokým obsahom uhlíka
Liatina
Nízkolegovaná oceľ s vysokou pevnosťou
Nástrojová oceľ
Nehrdzavejúce ocele
Niektoré bežné komponenty, ktoré sú tvrdené, zahŕňajú:
Ozubené kolesá
Spojovacie prvky
Vačkové hriadele
Prúty
Špendlíky
