Sposobnost podnošenja abraziji i otpornosti na udubljenje dva su vrlo važna svojstva određenih vrsta metala. Prilikom odabira vrste metala, jedan važan čimbenik koji treba uzeti u obzir je njegova tvrdoća, koja je mjera tih svojstava. Krajnja vanjska površina metala vjerojatno je najvažniji dio za određivanje idealne tvrdoće. To je zbog činjenice da je površina ta koja se najviše izravno udara i haba. Neki se metali podvrgavaju procesu koji se naziva kaljenje kako bi se promijenila njihova površinska tvrdoća kako bi se zajamčila odgovarajuća tvrdoća metalne podloge.
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.
U usporedbi s tvrdom tvari, mekani materijal može daleko bolje podnijeti udarne pritiske. Osim toga, čvršći je, rastegljiviji i čvršći, ali mu je otpornost na trošenje nedovoljna. Kako bi se osiguralo da se materijal ne troši od abrazije ili trenja, neophodna je dobra otpornost na habanje. Možemo uvelike minimizirati habanje materijala bez žrtvovanja drugih kvaliteta tako što ćemo očvrsnuti samo vanjski dio.
Tanka, stvrdnuta površina može se dobiti na različite načine, uključujući dodavanjem dodatnih komponenti na površinu ili promjenom kristalne strukture. Ali visoke temperature su gotovo uvijek potrebne za otvrdnjavanje, bez obzira na metodu.
Zašto Case Harden?
Postoji nekoliko razloga za kaljenje materijala umjesto pokušaja kaljenja cijelog metalnog predmeta. Jedan od razloga je učinkovitost. Manje energije i manje vremena potrebno je za zagrijavanje vanjske površine metala u odnosu na njegov cijeli presjek. Ove učinkovitosti mogu rezultirati velikim uštedama troškova u velikim proizvodnim operacijama. Još jedan razlog zašto se kaljenje naširoko koristi je izvedba. Može biti korisno imati metal s tvrdom vanjskom ljuskom i duktilnijom unutrašnjošću. Primjer za to bi bio kada je metal potreban da se odupre abraziji, ali još uvijek treba biti u stanju apsorbirati udar bez rezultiranja potpunim krtim lomom.
Tvrste metoda 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. Jedna od metoda kaljenja metala je primjena izravnog plamena kisika i plina na čeličnu komponentu. Povremeno se koristi indukcijsko grijanje. Temperatura površine čeličnog dijela brzo raste u oba scenarija. Kao rezultat toga, kristalna struktura austenita zamjenjuje kristalnu strukturu perlita.
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%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
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.
Naugljičavanje uključuje zagrijavanje čelične komponente tijekom unaprijed određenog vremenskog razdoblja dok je prisutan vanjski izvor ugljika. Ugljik iz ugljične tvari difundira u metal na visokim temperaturama. Više topline i dulje vrijeme zagrijavanja uzrokuju da se ugljik dublje apsorbira u metalnu površinu.
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.
Budući da se predmet zagrijava na 620 stupnjeva (1150 stupnjeva F), nitriranje se obično odvija na nižim temperaturama. Difuzija i posljedična tvrdoća bit će dublja što se dulje održava na ovoj temperaturi.
Koje vrste metala mogu biti kaljene?
Metali koji se mogu kaliti uglavnom su ograničeni na željezne materijale, iako postoje posebni slučajevi kao što je nitriranje nekih legura titana ili aluminija. Željezni metali koji se obično cementiraju su:
Niskougljični čelik
Visoko ugljični čelik
Lijevano željezo
Niskolegirani čelik visoke čvrstoće
Alatni čelik
Nehrđajući čelici
Neke uobičajene komponente koje su kaljene uključuju:
Zupčanici
Pričvršćivači
Bregaste osovine
Šipke
Igle
