Wat is oppervlakteverharding van staal? Waar wordt oppervlakteverharding voor gebruikt?

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

De kunst van de warmtebehandeling van metalen is al heel lang bekend bij de mensheid. De ambachtslieden die betrokken waren bij de vervaardiging van gereedschappen, en vooral wapens, beheersten het alleen of studeerden jarenlang met andere, meer ervaren specialisten. Geheimen werden geheim gehouden, wat natuurlijk de verspreiding van technologie vertraagde, maar het concurrentievermogen van een bepaalde fabrikant van producten voor een specifiek doel verhoogde. Een van de technieken van middeleeuwse wapensmeden was oppervlakteverharding, waardoor de snijkanten en punten van zwaarden en sabels een bijzondere hardheid krijgen, gecombineerd met de flexibiliteit van het lemmet. Tegenwoordig verrassen dergelijke eigenschappen niemand meer, technologieën zijn enorm en wijdverbreid geworden.

Waarom zou een gewoon mens dit allemaal weten?

Dit artikel zal voor specialisten in thermische metaalbewerking hoogstwaarschijnlijk een reeks gemeenplaatsen en bekende feiten lijken. Bovendien kunnen ze enkele onnauwkeurigheden in de terminologie aantreffen. De gepresenteerde informatie is niet voor hen bedoeld, het is bedoeld voor mensen die verre van metallurgie zijn, amateurs,degenen die geïnteresseerd zijn in hoe een gewone tafel of zakmes verschilt in sterkte van een goed mes, oppervlakteverharding van volumeverharding en soortgelijke problemen. Bij het kopen van een of ander artikel dat nodig is in het huishouden, wordt de consument geconfronteerd met een aanzienlijk prijsverschil. De verkoper kan niet altijd op een gekwalificeerde en begrijpelijke manier uitleggen waarom het ene gereedschap (bijvoorbeeld een sleutel) veel duurder is dan het andere met een algemene uiterlijke gelijkenis. Hij zal hoogstwaarschijnlijk proberen "zijn hersens te bepoederen" met concepten en termen die voor de gemiddelde leek onbegrijpelijk zijn. Vertaald in de gewone taal betekent deze uitleg dat de verstelbare sleutel niet kapot gaat of langer meegaat en dat slijpen veel minder vaak nodig is (als de klant een mes wil kopen). "Oppervlakteverharding!" - de verkoper zal op mysterieuze wijze de reden aangeven, terwijl hij met denkbeeldige verrukking met zijn ogen rolt. Wat is het?

Tegenovergestelde eigenschappen in één product

Zoals uit de zin blijkt, wordt in dit geval alleen de buitenste dunne laag van het product aan een warmtebehandeling onderworpen. Dat staal moet worden gehard, wordt door iedereen vaag geraden, zelfs degenen die helemaal niet weten wat het is. Dit is wat het verschilt van het gebruikelijke "stuk ijzer", zacht en broos. Maar waarom geniet het oppervlakkige zo'n eer? Verharden wordt gebruikt om de eigenschappen van het metaal te veranderen, en niet omwille van een of andere verbetering, zoals vaak wordt beweerd. Kwaliteit, in sommige gevallen nuttig, wordt in andere schadelijk. De vijl is hard, omdat ze gemakkelijk ijzer, aluminium of brons kunnen verwerken, maar als je hem probeert te buigenof er met een hamer op slaat, zal het barsten. Hetzelfde geldt voor het ijzerzaagblad, dat vaak breekt bij de verkeerde zaaghoek. Om hardheid te geven in combinatie met flexibiliteit of vervormbaarheid, wordt oppervlakteverharding toegepast. Daarna kunnen de eigenschappen van het product kwaliteiten combineren, soms tegengesteld, kenmerkend voor verschillende kristalstructuren. Nu moeten we ons verdiepen in enkele materiaalwetenschappelijke details.

De eenvoudigste ideeën over het polymorfisme van metalen

Hetzelfde metaal kan, afhankelijk van de vorm van het kristalrooster, verschillende fysische eigenschappen hebben (hardheid, viscositeit, vervormbaarheid, flexibiliteit, elasticiteit, enz.). Dit vermogen om mechanische parameters te veranderen wordt polymorfisme genoemd. Lang geleden, bij het maken van primitieve wapens, merkten mensen dat een of ander zwaard of hakmes succesvoller bleek te zijn, het zijn scherpte langer behoudt en niet breekt. Natuurlijk waren onze voorouders niet bekend met de moleculaire structuren van het metaal, ze kwamen tot alles intuïtief en empirisch. Dus, empirisch, ontdekten ze dat als de punt wordt verwarmd, de temperatuur ervan afhangt van de tinten van de gloed. Bij snelle afkoeling verandert er iets in het metaal, het wordt of harder of flexibeler. Als het opnieuw wordt verwarmd, wordt het weer hetzelfde, en soms zelfs erger. Tegen die tijd waren er heel specifieke ideeën ontstaan over wat bijvoorbeeld een ideaal jachtmes zou moeten zijn. Oppervlakteverharding werd toen ook gebruikt, maar vakerde zogenaamde local werd gebruikt, dat wil zeggen een waarbij de punt stevig was, het midden van het mes flexibel was en het deel van het mes naast het handvat van plastic was (laat het een beetje buigen, maar niet breken)

Wat gebeurt er binnen

Zonder op specifieke details in te gaan, moet worden opgemerkt dat de structuur van gehard staal uit drie hoofdtypen bestaat: martensitisch, troostiet en sorbiet. De mechanische eigenschappen zijn afhankelijk van de verhouding van deze kristallijne formaties. In dit geval maakt het niet uit welke van hen en hoe de hardheid beïnvloedt. Het resultaat hangt af van hoe heet het metaal is en hoe snel het afkoelt. Zo kan oppervlakteverharding optreden bij een verhoging van de temperatuur van de bovenste laag en daaropvolgende afkoeling, hetzij als gevolg van warmteoverdracht naar de externe omgeving (vloeistoffen, meestal olie, water en pekel, lucht of andere middelen), of door tot zijn gedeeltelijke ontsnapping in het product. In dit geval vinden polymorfe transformaties plaats in lagen, afhankelijk van de mate waarin de kritische temperatuur wordt bereikt, wat de vorming van een nieuwe kristalstructuur beïnvloedt.

Als gevolg hiervan is er een verandering in de volgende zones:

- Bovenzijde gehard.

- Gemiddeld, gedeeltelijk gehard. Het wordt ook wel de door warmte aangetaste zone genoemd.

- Gebied met verminderde hardheid.

- Ongewijzigd interieur.

Oppervlaktehardingsmethoden

Maak een toplaag metverhoogde hardheid, op verschillende manieren. Spoorwagenveren worden eenvoudig beschoten met kleine metalen kogels (shot) die een oppervlakteafdichting creëren, terwijl het interne volume van het metaal voldoende plastisch blijft om langdurige mechanische belasting te weerstaan. De oudste methode wordt beschouwd als het snel opwarmen van een object op een open vuur, vergezeld van sproeien of jetflow. Het is door deze technologie dat een traditioneel oosters gebogen mes (karambit) wordt gemaakt. Oppervlakteverharding kan ook door middel van intensieve koeling. Gasplasma, inductie, laser en andere methoden zijn ook bekend. Sommigen van hen zijn het waard om bij stil te staan.

HDTV

Halverwege de jaren dertig vond de Sovjetwetenschapper V. P. Vologdin een methode uit om met behulp van hoogfrequente stromen een bepaalde niet-uniforme moleculaire structuur aan grote onderdelen te geven. De machinebouw ontwikkelde zich snel, de industrie had technologieën nodig die massaproductie mogelijk maakten zonder in te boeten aan kwaliteit. Oppervlakteverharding van HDTV is gebaseerd op het fenomeen inductie. De eigenaardigheid van de methode ligt in de afhankelijkheid van de dikte van de verwarmde laag van de frequentie en grootte van de stroom in de stralingslus. In dit geval is het resultaat voorspelbaar met een hoge mate van waarschijnlijkheid, daarom wordt de kwaliteitscontrole sterk vereenvoudigd. Daarnaast is de methode toepasbaar op de verwerking van totale producten en samenstellingen, zoals krukassen en andere grote objecten die sequentieel langs de inductor kunnen worden verplaatst.de hele lengte bloot. Met deze technologie is het moeilijk om de parameters te kiezen om kleine en platte voorwerpen, zoals een mes, te verwerken. Oppervlakteverharding met hoogfrequente stromen is toepasbaar op relatief volumineuze producten, waarvan de sterkte en slijtvastheid afhankelijk zijn van de mechanische eigenschappen van de toplaag.

Kenmerken van het gebruik van de HDTV-methode

De methode is ontwikkeld in de omstandigheden van snelle ontwikkeling van de machinebouwindustrie, de belangrijkste voor het verdedigingspotentieel van de USSR, wat tot uiting kwam in de specifieke kenmerken van de toepassing ervan. De belangrijkste onderdelen van tractoren, tanks, auto's of vliegtuigen zijn niet groot genoeg om in het frame van een compacte inductor te worden geplaatst, het was te duur om voor elk van hen apparatuur te vervaardigen, en als het gemaakt was op basis van de grootste afmetingen, toen werden de energiekosten enorm. Inductieverharding wordt echter toegepast op alle producten, van relatief kleine tot grote. Tandwielen worden bijvoorbeeld achtereenvolgens blootgesteld aan HDTV, tand voor tand draaiend. De elementen van de krukassen en cardanassen worden continu en sequentieel verwarmd, bewegend in het vaste frame van de inductor, terwijl de koeler (sproeier) onmiddellijk daarna wordt opgenomen in het technologische proces. Aan het einde van de machine wordt het werkstuk onmiddellijk besproeid met water (vandaar de naam, consonant met "spray").

Nou, producten met een klein uithardend oppervlak worden als geheel in de spoel geplaatst en op dezelfde manier gekoeld.

Laser

Dit apparaatin onze tijd, vrij veel gebruikt op verschillende gebieden van menselijke activiteit, heeft toepassing gevonden in metaalbewerking. De methode vereist geen nakoeling, omdat de impact van de straal van korte duur is en de bovenste laag van het metaal aantast, waardoor de gewenste veranderingen in de kristalstructuur worden veroorzaakt. "Laserslijpen" zorgt er echt voor dat het snijgereedschap lange tijd niet hoeft te worden geslepen (het wordt voornamelijk voor hen gebruikt), als deze methode echt wordt gebruikt bij de vervaardiging ervan. Houd er echter rekening mee dat in ons namaaktijdperk de inscriptie op het product niet altijd overeenkomt met de waarheid. Soms is een goedkoop "vlindermes" dat bij een straatkraam wordt verkocht, ook versierd met zo'n merk. Oppervlakteverharding met een laserstraal is een dure technologie, het is alleen beschikbaar voor toonaangevende gereedschapsfabrikanten.

Koud

De fysieke basis van de methode was de ontdekking van het fenomeen van het verhogen van de hardheid van staal als gevolg van de overgang van de austenitische structuur naar martensitisch tijdens diepvriezen. Een dergelijke oppervlakteverharding wordt uitgevoerd volgens de methode die is ontwikkeld door A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich en S. S. Shtenberg in de USSR. Het is van toepassing op koolstof (met meer dan 0,5 procent C) en gelegeerd staal voor speciale doeleinden, zoals die voor de vervaardiging van hogesnelheidsfrezen en andere speciale gereedschapsproducten.

Elektrische verwarming

Over het algemeen is het gebaseerd op hetzelfde principe als inductieharden, met het enige verschil dat de verwarming resistief is vanwegepasserende stroom van grote waarden en de weerstand van het onderdeel. De frequentie van de ingangsspanning beïnvloedt op dezelfde manier de diepte van de verwarmde laag, en hoe hoger deze is, hoe dunner deze is. Het oppervlak met verhoogde hardheid kan variëren van fracties van een millimeter tot meerdere eenheden. Het hangt af van de vereisten voor het product en de afmetingen ervan. In vergelijking met HDTV heeft de elektroresistieve methode een breder scala aan stromen, temperaturen en laagdiepten. Met behulp hiervan kan bijvoorbeeld zo'n massief en bijzonder kwaliteitsartikel als een soldatenbajonetmes worden gemaakt. Oppervlakteverharding door elektrische verwarming vereist een technologisch geverifieerd koelregime in olie, water of andere warmteontvangende middelen.

Conclusies

Dus, de hoofdtaak van oppervlakteverharding is een dergelijke verdeling van de kristalstructuur in het product, waarin variëteiten van sorbiet of troostiet erin achterblijven en buiten een laag martensiet wordt gevormd. Dit kan op verschillende manieren worden bereikt, van de eenvoudigste en oudste tot de technologisch meest geavanceerde en moderne. In ieder geval vereist het hoogwaardig harden van staal een hoge kwalificatie en nauwkeurigheid in overeenstemming met de productievoorschriften. Een product dat volgens alle regels is gemaakt, kan niet goedkoop zijn. Om deze reden zijn zowel een goed keukenmes als karambit duur. Oppervlakteverharding met een laserstraal is het meest gebruikelijk, alleen voor snijgereedschappen.