Какво е повърхностното втвърдяване на стоманата? За какво се използва повърхностното втвърдяване?

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Изкуството на топлинна обработка на метали е известно на човечеството от дълго време. Занаятчиите, занимаващи се с производството на инструменти, и особено на оръжия, го овладяха самостоятелно или учеха дълги години при други по-опитни специалисти. Тайните бяха пазени в тайна, което, разбира се, забави разпространението на технологиите, но увеличи конкурентоспособността на конкретен производител на продукти за конкретна цел. Една от техниките на средновековните оръжейници е повърхностното закаляване, което придава на режещите ръбове и върховете на мечовете и сабите специална твърдост, съчетана с гъвкавостта на острието. Днес подобни имоти вече не изненадват никого, технологиите станаха масови и широко разпространени.

Защо обикновен човек би знаел всичко това?

Тази статия на специалистите по термична металообработка най-вероятно ще изглежда като набор от банални думи и добре известни факти. Освен това те могат да намерят някои неточности в терминологията. Представената информация не е предназначена за тях, тя е насочена към хора, които са далеч от металургията, аматьори,тези, които се интересуват от това как обикновена маса или сгъваем нож се различава по сила от добро острие, повърхностно втвърдяване от обемно втвърдяване и подобни проблеми. При закупуване на един или друг артикул, необходим в домакинството, потребителят е изправен пред значителна разлика в цената. Продавачът не винаги може да обясни по квалифициран и разбираем начин защо един инструмент (например гаечен ключ) е много по-скъп от друг с общо външно сходство. Той най-вероятно ще се опита да „напудри мозъка си“с понятия и термини, които са неразбираеми за обикновения лаик. Преведени на обикновен език, тези обяснения ще означават, че регулируемият ключ няма да се счупи или да издържи по-дълго, а заточването ще се изисква много по-рядко (ако клиентът иска да закупи нож). "Повърхностно втвърдяване!" - продавачът мистериозно ще посочи причината, завъртайки очи от въображаема наслада. Какво е?

Противоположни свойства в един продукт

Както става ясно от фразата, в този случай на термична обработка се подлага само външният тънък слой на продукта. Фактът, че стоманата изисква втвърдяване, смътно се предполага от всички, дори и тези, които изобщо не знаят какво е това. Това е, което се различава от обичайното "парче желязо", меко и крехко. Но защо повърхностното се радва на такава чест? Втвърдяването се използва за промяна на свойствата на метала, а не за някакво подобрение, както често се декларира. Качеството, полезно в някои случаи, става вредно в други. Пилът е твърд, защото им е лесно да обработват желязо, алуминий или бронз, но ако се опитате да го огънетеили го удари с чук, ще се спука. Същото важи и за ножовката, която често се чупи при грешен ъгъл на рязане. За да се придаде твърдост, съчетана с гъвкавост или пластичност, се прилага повърхностно втвърдяване. След него свойствата на продукта могат да съчетават качества, понякога противоположни, характерни за различните кристални структури. Сега трябва да се задълбочим в някои подробности от материалната наука.

Най-простите идеи за полиморфизма на металите

Един и същ метал може, в зависимост от формата на кристалната решетка, да има различни физични свойства (твърдост, вискозитет, пластичност, гъвкавост, еластичност и др.) Тази способност за промяна на механичните параметри се нарича полиморфизъм. Преди много време при правенето на примитивни оръжия хората забелязаха, че един или друг меч или нож се оказва по-успешен, той запазва остротата си по-дълго и не се счупва. Разбира се, нашите предци не са били запознати с молекулярните структури на метала, те са стигнали до всичко интуитивно и емпирично. И така, емпирично те откриха, че ако върхът се нагрява, тогава температурата му зависи от нюансите на сиянието. При бързо охлаждане нещо се променя в метала, той става или по-твърд, или става по-гъвкав. Ако се прегрее отново става същото, а понякога дори по-лошо. По това време се формират доста конкретни идеи за това какъв трябва да бъде например идеалният ловен нож. Тогава също се използваше повърхностно втвърдяване, но по-честоизползван е т. нар. локален, тоест такъв, в който върхът е твърд, средата на острието е гъвкава, а частта от острието, съседна на дръжката, е пластмасова (нека се огъне малко, но не се счупи)

Какво става вътре

Без да навлизаме в конкретни подробности, трябва да се отбележи, че структурата на закалената стомана е три основни типа: мартензитна, трооститна и сорбитна. Механичните характеристики зависят от съотношението на тези кристални образувания. В този случай няма значение кой от тях и как влияе на твърдостта. Резултатът зависи от това колко горещ е металът и колко бързо се охлажда. По този начин може да настъпи повърхностно втвърдяване с повишаване на температурата на горния слой и последващо охлаждане, било в резултат на пренос на топлина към външната среда (течности, най-често масло, вода и саламура, въздух или други агенти), или поради до частичното му изтичане в продукта. В този случай полиморфните трансформации настъпват на слоеве, в зависимост от степента на достигане на критичната температура, което влияе върху образуването на нова кристална структура.

В резултат на това има промяна в следните зони:

- Горна закалена.

- Междинно, частично втвърдено. Нарича се още зона на топлинно въздействие.

- Зона с намалена твърдост.

- Непроменен интериор.

Методи за втвърдяване на повърхността

Създайте горен слой сповишена твърдост по няколко начина. Пружините на железопътните вагони просто се прострелват с малки метални топчета (изстрел), които създават повърхностно уплътнение, докато вътрешният обем на метала остава достатъчно пластичен, за да издържи дългосрочно механично натоварване. Най-древният метод се счита за бързото нагряване на обект на открит огън, придружено от пръскане или струя. По тази технология се произвежда традиционен ориенталски извит нож (карамбит). Повърхностното втвърдяване може да се извърши и чрез интензивно охлаждане. Известни са и газоплазмени, индукционни, лазерни и други методи. На някои от тях си струва да се спрем.

HDTV

В средата на 30-те години на миналия век съветският учен В. П. Вологдин изобретява метод за придаване на дадена нееднородна молекулярна структура на големи части с помощта на високочестотни токове. Машиностроенето се развива бързо, индустрията се нуждае от технологии, които осигуряват масово производство, без да се жертва качеството. Повърхностното втвърдяване на HDTV се основава на явлението индукция. Особеността на метода е в зависимостта на дебелината на нагретия слой от честотата и големината на тока в излъчващия контур. В този случай резултатът е предвидим с висока степен на вероятност, следователно контролът на качеството е значително опростен. В допълнение, методът е приложим за обработка на цялостни продукти и възли, като колянови валове и други големи предмети, които могат да се движат последователно по индуктора.излагане на цялата дължина. С тази технология е трудно да се изберат параметрите за обработка на малки и плоски предмети, като например нож. Повърхностното втвърдяване с високочестотни токове е приложимо за относително обемисти продукти, чиято якост и устойчивост на износване зависят от механичните свойства на горния слой.

Характеристики на използването на метода HDTV

Методът е разработен в условията на бурно развитие на машиностроителната индустрия, основна за отбранителния потенциал на СССР, което се проявява в спецификата на неговото приложение. Най-важните части на трактори, танкове, автомобили или самолети не са достатъчно големи, за да бъдат поставени в рамката на компактен индуктор, беше твърде скъпо да се произвежда оборудване за всеки от тях, а ако е направено въз основа на най-големите размери, тогава разходите за енергия станаха огромни. Въпреки това, индукционното закаляване се прилага за всякакви продукти, от относително малки до огромни. Например, зъбните колела се излагат на HDTV последователно, завъртайки зъб по зъб. Елементите на коляновия и карданния вал се нагряват непрекъснато и последователно, като се движат вътре в неподвижната рамка на индуктора, докато охладителят (пръскачката) се включва в технологичния процес непосредствено след него. В края на машината детайлът веднага се напръсква с вода (оттук и името, съзвучно със „спрей“).

Е, продукти с малка втвърдяваща повърхност се поставят в индуктора като цяло и се охлаждат по същия начин.

Лазер

Това устройствов наше време, използван доста широко в различни области на човешката дейност, намери приложение в металообработването. Методът не изисква последващо охлаждане, тъй като въздействието на лъча е краткотрайно и засяга най-горния слой на метала, причинявайки желаните промени в кристалната структура. "Лазерното заточване" наистина гарантира, че няма нужда от заточване на режещия инструмент за дълго време (той се използва основно за тях), ако този метод наистина се използва при производството му. Трябва обаче да се има предвид, че в нашата фалшива епоха надписът върху продукта не винаги отговаря на истината. Понякога някой евтин нож „пеперуда“, продаван на уличен щанд, също е украсен с такава марка. Повърхностното втвърдяване с лазерен лъч е скъпа технология, достъпна е само за водещи производители на инструменти.

Студено

Физическата основа на метода е откриването на феномена на повишаване на твърдостта на стоманата в резултат на прехода на аустенитната структура към мартензитна по време на дълбоко замразяване. Такова повърхностно втвърдяване се извършва по метода, разработен от A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich и S. S. Shtenberg в СССР. Приложим е за въглерод (съдържащ повече от 0,5 процента C) и легирана стомана за специални цели, като тези, произведени за производството на високоскоростни фрези и други продукти от специални инструменти.

Електрическо отопление

Като цяло е изграден на същия принцип като индукционното втвърдяване, с единствената разлика, че нагряването е резистивно, порадипреминаващ ток с големи стойности и съпротивлението на частта. Честотата на входното напрежение по същия начин влияе на дълбочината на нагретия слой и колкото по-висока е тя, толкова по-тънка е тя. Повърхността с повишена твърдост може да варира от части от милиметъра до няколко от нейните единици. Зависи от изискванията към продукта и неговите размери. В сравнение с HDTV, електрорезистивният метод има по-широк диапазон от токове, температури и дълбочини на слоя. С него, например, може да се направи такъв масивен и изискващ специално качество артикул като войнишки щик-нож. Повърхностното втвърдяване чрез електрическо нагряване изисква технологично проверен режим на охлаждане в масло, вода или други топлоприемащи агенти.

Заключения

И така, основната задача на повърхностното втвърдяване е такова разпределение на кристалната структура вътре в продукта, при което вътре в него остават разновидности на сорбит или троостит, а отвън се образува слой мартензит. Това може да се постигне чрез няколко метода, от най-простите и древни до най-технологичните и съвременни. Във всеки случай, висококачественото закаляване на стоманата изисква висока квалификация и точност при спазване на производствените разпоредби. Продукт, направен по всички правила, не може да бъде евтин. Поради тази причина и добър кухненски нож, и карамбит са скъпи. Повърхностното втвърдяване с лазерен лъч е най-често срещано само за режещи инструменти.