Förmågan att motstå nötning och motstå intryck är två mycket viktiga egenskaper hos vissa typer av metaller. När du väljer en typ av metall är en viktig faktor att ta hänsyn till dess hårdhet, som är ett mått på dessa egenskaper. Den yttersta ytan på en metall är utan tvekan den mest avgörande delen att bestämma den ideala hårdheten för. Detta beror på att det är ytan som blir direkt träffad och sliten mest. Vissa metaller genomgår en process som kallas härdning för att ändra deras ythårdhet för att garantera att hårdheten hos ett metallsubstrat är lämplig.
Vad är fallhärdning?
Case-härdning är en värmebehandlingsprocess som härdar ytan på ett metallsubstrat samtidigt som den behåller en mjukare kärna. Detta gör det möjligt att kombinera de bästa egenskaperna hos en mjuk och hård metall till en del.
Jämfört med ett hårt ämne kan ett mjukt material stå emot stöttryck mycket bättre. Dessutom är den starkare, duktilare och segare, men dess slitstyrka är otillräcklig. För att säkerställa att materialet inte slits bort från nötning eller friktion är det viktigt med god slitstyrka. Vi kan avsevärt minimera materialslitage utan att ge avkall på andra egenskaper genom att bara härda utsidan.
En tunn, härdad yta kan erhållas på en mängd olika sätt, inklusive genom att lägga till ytterligare komponenter till ytan eller genom att ändra kristallstrukturen. Men höga temperaturer behövs nästan alltid för härdning, oavsett metod.
Varför Case Harden?
Det finns flera anledningar till att härda ett material istället för att försöka härda ett helt metallföremål. En anledning är effektivitet. Mindre energi och mindre tid krävs för att värma den yttersta ytan på en metall i motsats till hela dess tvärsnitt. Dessa effektivitetsvinster kan resultera i enorma kostnadsbesparingar i storskalig tillverkning. En annan anledning till att höljeshärdning används ofta är på grund av prestanda. Det kan vara fördelaktigt att ha en metall med ett hårt ytterskal och ett mer segt inre. Ett exempel på detta skulle vara när en metall behövs för att motstå nötning, men ändå måste kunna absorbera en stöt utan att resultera i en fullständig spröd fraktur.
Ttyper av härdningsmetoder
Fallhärdningsprincipen är ganska enkel. Vi vill att ytan ska bilda en hård struktur som kallas martensit. Men denna struktur bildas endast när stålkomponenter kyls vid höga temperaturer och förutsatt att kolhalten i stållegeringen är tillräckligt hög.
Om kolhalten är tillräcklig behöver vi bara värma och kyla delen. Men om kolhalten är låg eller om vi behöver extrem hårdhet behöver element som kol och kväve tillföras materialets yta. Låt oss nu titta på de olika processer som används för att uppnå fallhärdning baserat på ovan nämnda principer.
Uppvärmning och släckning
Traditionellt har uppvärmning och härdning använts för att utföra härdning i en rad metaller. En metod för att härda metall är att applicera en direkt syrgasflamma på stålkomponenten. Användningen av induktiv uppvärmning förekommer ibland. Ståldelens yttemperatur ökar snabbt i båda scenarierna. Som ett resultat ersätter austenitkristallstrukturen perlitkristallstruktur.
När en inställd temperatur har uppnåtts kyls delen snabbt, ofta genom att sänka den i vatten. Detta förändrar kristallstrukturen igen, denna gång från austenit till martensit, vilket är en särskilt hård struktur.
Eftersom endast ytan genomgår förändringen i kristallstrukturen, hårdnar delen endast vid ytan. Men för att delen ska dra nytta av denna metod måste det finnas tillräckligt med kol i originalmaterialet. Vid låg kolhalt (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Förkolning
Om kolhalterna är under 0,3 % måste vi lägga till mer kol till delen innan vi utsätter den för uppvärmning + släckning. Att sätta en del genom uppkolningsprocessen är ett sätt att göra det.
Förkolning innebär att stålkomponenten värms upp under en förutbestämd tidsperiod medan en yttre kolkälla är närvarande. Kolet från det kolhaltiga ämnet diffunderar in i metallen vid höga temperaturer. Mer värme och längre uppvärmningstider gör att kol absorberas djupare i metallytan.
När uppkolning ökar kolhalten i stålytskiktet, utsätter vi det genom flamhärdning eller induktionshärdning för att öka hårdheten.
Nitrering
För en stållegering som innehåller element som aluminium, krom och molybden kan vi använda nitrering för härdning av hölje.
Delen värms upp i närvaro av kvävgas och dissocierad ammoniak för att bilda nitrider. Nitriderna ökar också materialets hårdhet.
Eftersom föremålet värms upp till 620 grader (1150 grader F), sker nitrering vanligtvis vid lägre temperaturer. Diffusionen och den efterföljande hårdheten blir djupare ju längre den hålls vid denna temperatur.
Vilka typer av metaller kan härdas?
Metaller som kan härdas är i allmänhet begränsade till järnhaltiga material, även om det finns speciella fall som nitrering av vissa titan- eller aluminiumlegeringar. De järnhaltiga metallerna som vanligtvis härdas är:
Lågkolhaltigt stål
Högkolhaltigt stål
Gjutjärn
Höghållfast låglegerat stål
Verktygsstål
Rostfritt stål
Några vanliga komponenter som är härdade är:
Kugghjul
Fästelement
Kamaxlar
Stavar
Pins
