Čo je povrchové kalenie ocele? Na čo slúži povrchové kalenie?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Umenie tepelného spracovania kovov je ľudstvu známe už dlho. Remeselníci zaoberajúci sa výrobou nástrojov, a najmä zbraní, to zvládli sami, prípadne sa dlhé roky učili u iných skúsenejších odborníkov. Tajomstvá boli utajované, čo samozrejme spomalilo šírenie technológií, no zvýšilo konkurencieschopnosť konkrétneho výrobcu produktov na konkrétny účel. Jednou z techník stredovekých zbrojárov bolo povrchové kalenie, ktoré dodáva ostriam a hrotom mečov a šablí špeciálnu tvrdosť spojenú s pružnosťou čepele. Dnes už takéto vlastnosti nikoho neprekvapujú, technológie sa stali masívnymi a rozšírenými.

Prečo by toto všetko mal vedieť obyčajný človek?

Tento článok bude odborníkom na tepelné spracovanie kovov s najväčšou pravdepodobnosťou pripadať ako súbor hlúpostí a známych faktov. Okrem toho môžu nájsť určité nepresnosti v terminológii. Prezentované informácie nie sú určené pre nich, sú určené ľuďom, ktorí majú ďaleko od metalurgie, amatérom,tých, ktorých zaujíma, ako sa obyčajný stolný alebo zatvárací nôž líši pevnosťou od dobrej čepele, povrchovým kalením od objemového kalenia a podobnými záležitosťami. Pri kúpe jedného alebo druhého predmetu potrebného v domácnosti sa spotrebiteľ stretáva s výrazným cenovým rozdielom. Predajca nemôže vždy kvalifikovane a zrozumiteľne vysvetliť, prečo je jeden nástroj (napríklad kľúč) oveľa drahší ako iný so všeobecnou vonkajšou podobnosťou. S najväčšou pravdepodobnosťou sa pokúsi „naprášiť si mozog“pojmami a termínmi, ktoré sú pre bežného laika nepochopiteľné. Preložené do bežného jazyka budú tieto vysvetlenia znamenať, že nastaviteľný kľúč sa nezlomí alebo vydrží dlhšie a ostrenie bude potrebné oveľa menej často (ak si klient chce kúpiť nôž). "Povrchové kalenie!" - predavač záhadne naznačí dôvod a s pomyselnou rozkošou prevráti oči. Čo je to?

Opačné vlastnosti v jednom produkte

Ako je zrejmé z frázy, v tomto prípade je tepelne spracovaná iba vonkajšia tenká vrstva produktu. To, že oceľ vyžaduje kalenie, tuší každý, dokonca aj ten, kto vôbec nevie, čo to je. To je to, čo sa líši od obvyklého "kúsku železa", mäkkého a krehkého. Prečo sa však takej cti požíva práve povrchnosť? Kalenie sa používa na zmenu vlastností kovu a nie za účelom nejakého zlepšenia, ako sa často deklaruje. Kvalita, v niektorých prípadoch užitočná, sa v iných stáva škodlivou. Pilník je tvrdý, pretože je pre nich ľahké spracovať železo, hliník alebo bronz, ale ak sa ho pokúsite ohnúťalebo ho udrie kladivom, praskne. To isté platí pre pílový list, ktorý sa často zlomí pri nesprávnom uhle rezu. Aby sa udelila tvrdosť kombinovaná s pružnosťou alebo ťažnosťou, používa sa povrchové kalenie. Potom môžu vlastnosti produktu spájať kvality, niekedy opačné, charakteristické pre rôzne kryštálové štruktúry. Teraz sa musíme ponoriť do niektorých detailov materiálovej vedy.

Najjednoduchšie myšlienky o polymorfizme kovov

Ten istý kov môže mať v závislosti od tvaru kryštálovej mriežky rôzne fyzikálne vlastnosti (tvrdosť, viskozitu, ťažnosť, pružnosť, elasticitu atď.) Táto schopnosť meniť mechanické parametre sa nazýva polymorfizmus. Už dávno, pri výrobe primitívnych zbraní, si ľudia všimli, že jeden alebo druhý meč alebo sekáčik sa ukázal byť úspešnejší, zachováva si svoju ostrosť dlhšie a neláme sa. Samozrejme, že naši predkovia nepoznali molekulárne štruktúry kovu, ku všetkému prichádzali intuitívne a empiricky. Empiricky teda zistili, že ak sa hrot zahrieva, jeho teplota závisí od odtieňov žiary. Prudkým ochladením sa v kove niečo zmení, buď stvrdne, alebo sa stane pružnejším. Ak sa znovu zahreje, stane sa to isté a niekedy ešte horšie. V tom čase sa už vytvorili celkom konkrétne predstavy o tom, aký by mal byť napríklad ideálny lovecký nôž. Vtedy sa tiež používalo povrchové kalenie, ale častejšiepoužívala sa takzvaná lokálka, teda taká, pri ktorej bol hrot pevný, stred čepele ohybný a časť čepele priliehajúca k rukoväti plastová (nech sa trochu ohne, ale nezlomí).

Čo sa deje vo vnútri

Bez toho, aby sme zachádzali do konkrétnych detailov, treba poznamenať, že štruktúra kalenej ocele je troch hlavných typov: martenzitická, troostitová a sorbitická. Mechanické charakteristiky závisia od pomeru týchto kryštalických útvarov. V tomto prípade nezáleží na tom, ktorý z nich a ako ovplyvňuje tvrdosť. Výsledok závisí od toho, ako horúci je kov a ako rýchlo sa ochladzuje. K povrchovému spevňovaniu teda môže dôjsť pri zvýšení teploty vrchnej vrstvy a následnom ochladzovaní, či už v dôsledku prestupu tepla do vonkajšieho prostredia (kvapaliny, najčastejšie olej, voda a soľanka, vzduch alebo iné prostriedky), alebo v dôsledku k jeho čiastočnému úniku do produktu. V tomto prípade dochádza k polymorfným premenám vo vrstvách v závislosti od stupňa dosiahnutia kritickej teploty, ktorá ovplyvňuje tvorbu novej kryštálovej štruktúry.

V dôsledku toho došlo k zmene v nasledujúcich zónach:

- Zvršok kalený.

- Stredná, čiastočne vytvrdená. Nazýva sa aj tepelne ovplyvnená zóna.

- Oblasť so zníženou tvrdosťou.

- Neupravený interiér.

Metódy povrchového kalenia

Vytvorte hornú vrstvu pomocouzvýšená tvrdosť niekoľkými spôsobmi. Pružiny železničných vozňov sa jednoducho nastrelia malými kovovými guľôčkami (výstrelmi), ktoré vytvoria povrchové tesnenie, pričom vnútorný objem kovu zostáva dostatočne plastový, aby odolal dlhodobému mechanickému namáhaniu. Za najstaršiu metódu sa považuje rýchle zahriatie predmetu na otvorenom ohni sprevádzané striekaním alebo prúdením prúdom. Práve touto technológiou je vyrobený tradičný orientálny zakrivený nôž (karambit). Povrchové vytvrdzovanie sa môže uskutočňovať aj pomocou intenzívneho chladenia. Známe sú aj metódy plyn-plazma, indukcia, laser a iné. Niektoré z nich stojí za to sa nad nimi pozastaviť.

HDTV

V polovici tridsiatych rokov vynašiel sovietsky vedec V. P. Vologdin metódu na dodanie danej nejednotnej molekulárnej štruktúry veľkým častiam pomocou vysokofrekvenčných prúdov. Strojárstvo sa rýchlo rozvíjalo, priemysel potreboval technológie, ktoré zabezpečili masovú výrobu bez obetovania kvality. Povrchové tvrdenie HDTV je založené na fenoméne indukcie. Zvláštnosť metódy spočíva v závislosti hrúbky vyhrievanej vrstvy od frekvencie a veľkosti prúdu vo vyžarovacej slučke. V tomto prípade je výsledok predvídateľný s vysokou mierou pravdepodobnosti, preto je kontrola kvality značne zjednodušená. Okrem toho je spôsob použiteľný na spracovanie celkových produktov a zostáv, ako sú kľukové hriadele a iné veľké predmety, ktoré sa môžu pohybovať pozdĺž induktora, postupne.odhalenie celej dĺžky. Pri tejto technológii je ťažké zvoliť parametre na spracovanie malých a plochých predmetov, ako je napríklad nôž. Povrchové vytvrdzovanie vysokofrekvenčnými prúdmi je použiteľné pre relatívne objemné výrobky, ktorých pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu závisí od mechanických vlastností vrchnej vrstvy.

Funkcie používania metódy HDTV

Metóda bola vyvinutá v podmienkach rýchleho rozvoja strojárskeho priemyslu, hlavného pre obranný potenciál ZSSR, čo sa prejavilo v špecifikách jej aplikácie. Najdôležitejšie časti traktorov, tankov, automobilov či lietadiel nie sú dostatočne veľké na to, aby sa dali umiestniť do rámu kompaktnej tlmivky, výroba zariadenia pre každú z nich bola príliš nákladná a ak bola vyrobená na základe najväčších rozmerov, potom boli náklady na energiu obrovské. Indukčné kalenie sa však aplikuje na akékoľvek produkty, od relatívne malých až po tie obrovské. Napríklad ozubené kolesá sú vystavené HDTV postupne, pričom sa otáčajú zub po zube. Prvky kľukových hriadeľov a kardanových hriadeľov sú kontinuálne a sekvenčne ohrievané, pričom sa pohybujú vo vnútri pevného rámu tlmivky, pričom bezprostredne za ním je do technologického procesu zaradený chladič (rozprašovač). Na konci stroja je obrobok okamžite postriekaný vodou (odtiaľ názov, v súlade so „sprejom“).

Produkty s malou kaliacou plochou sa vložia do induktora ako celok a ochladia sa rovnakým spôsobom.

Laser

Toto zariadeniev našej dobe, pomerne široko používaný v rôznych oblastiach ľudskej činnosti, našiel uplatnenie v kovoobrábaní. Metóda nevyžaduje následné ochladzovanie, pretože dopad lúča je krátkodobý a ovplyvňuje najvrchnejšiu vrstvu kovu, čo spôsobuje požadované zmeny v kryštálovej štruktúre. „Laserové ostrenie“skutočne zaisťuje, že rezný nástroj nie je potrebné dlho brúsiť (využíva sa hlavne na ne), ak sa pri jeho výrobe skutočne používa tento spôsob. Malo by sa však pamätať na to, že v našom veku falzifikátov nápis na produkte nie vždy zodpovedá pravde. Niekedy je takouto značkou zdobený aj nejaký lacný „motýľový“nôž predávaný v pouličnom stánku. Povrchové kalenie laserovým lúčom je drahá technológia, je dostupná len popredným výrobcom nástrojov.

Studené

Fyzikálnym základom metódy bolo objavenie fenoménu zvyšovania tvrdosti ocele v dôsledku prechodu austenitickej štruktúry na martenzitickú pri hlbokom mrazení. Takéto povrchové vytvrdzovanie sa uskutočňuje podľa metódy vyvinutej A. P. Gulyaevom, N. A. Minkevichom a S. S. Shtenbergom v ZSSR. Je použiteľný na uhlíkovú (obsahujúcu viac ako 0,5 percenta C) a legovanú oceľ na špeciálne účely, ako sú ocele vyrábané na výrobu vysokorýchlostných fréz a iných špeciálnych nástrojov.

Elektrické kúrenie

Vo všeobecnosti je postavené na rovnakom princípe ako indukčné kalenie, len s tým rozdielom, že ohrev je odporový, kvôliprechádzajúci prúd veľkých hodnôt a odpor časti. Frekvencia vstupného napätia rovnakým spôsobom ovplyvňuje hĺbku vyhrievanej vrstvy a čím je vyššia, tým je tenšia. Povrch so zvýšenou tvrdosťou sa môže pohybovať od zlomkov milimetra až po niekoľko jeho jednotiek. Závisí to od požiadaviek na výrobok a jeho rozmerov. V porovnaní s HDTV má elektroodporová metóda širší rozsah prúdov, teplôt a hĺbok vrstiev. S jeho pomocou sa dá vyrobiť napríklad taký masívny a mimoriadne kvalitný predmet, akým je vojak bajonetový nôž. Povrchové vytvrdzovanie elektrickým ohrevom vyžaduje technologicky overený chladiaci režim v oleji, vode alebo iných teplo- prijímajúcich prostriedkoch.

Závery

Hlavnou úlohou povrchového kalenia je teda také rozloženie kryštálovej štruktúry vo vnútri produktu, v ktorej zostanú odrody sorbitu alebo troostitu a vonku sa vytvorí vrstva martenzitu. Dá sa to dosiahnuť niekoľkými metódami, od najjednoduchších a najstarších až po technologicky najvyspelejšie a najmodernejšie. V každom prípade si kvalitné kalenie ocele vyžaduje vysokú kvalifikáciu a presnosť pri dodržaní výrobných predpisov. Produkt vyrobený podľa všetkých pravidiel nemôže byť lacný. Z tohto dôvodu je dobrý kuchynský nôž aj karambit drahý. Povrchové kalenie laserovým lúčom je najbežnejšie len pre rezné nástroje.