Schopnost odolávat otěru a odolávat vtlačení jsou dva velmi důležité atributy určitých typů kovů. Při výběru typu kovu je důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu, jeho tvrdost, která je měřítkem těchto vlastností. Vnější povrch kovu je pravděpodobně nejdůležitější částí pro určení ideální tvrdosti. Je to dáno tím, že se nejvíce přímo naráží a odírá povrch. Některé kovy procházejí procesem zvaným cementování, aby se změnila jejich povrchová tvrdost, aby bylo zaručeno, že tvrdost kovového substrátu je vhodná.
Co je Case Hardening?
Cementing je proces tepelného zpracování, který vytvrzuje povrch kovového substrátu při zachování měkčího jádra. To umožňuje spojit nejlepší vlastnosti měkkého a tvrdého kovu do jednoho dílu.
Ve srovnání s tvrdou látkou snese měkký materiál daleko lépe rázové tlaky. Navíc je pevnější, tažnější a houževnatější, ale jeho odolnost proti opotřebení je nedostatečná. Aby se zajistilo, že se materiál neopotřebovává oděrem nebo třením, je nezbytná dobrá odolnost proti opotřebení. Můžeme výrazně minimalizovat opotřebení materiálu, aniž bychom obětovali jiné kvality, pouze vytvrzením vnějšího povrchu.
Tenký, tvrzený povrch lze získat různými způsoby, včetně přidání dalších složek na povrch nebo změnou krystalové struktury. Ale pro cementování jsou téměř vždy potřeba vysoké teploty, bez ohledu na metodu.
Proč Case Harden?
Existuje několik důvodů, proč cementovat materiál místo pokusu o kalení celého kovového předmětu. Jedním z důvodů je efektivita. K zahřátí vnějšího povrchu kovu je zapotřebí méně energie a méně času než jeho celý průřez. Tato efektivita může vést k obrovským úsporám nákladů ve velkých výrobních operacích. Dalším důvodem, proč je cementování široce používáno, je výkon. Může být výhodné mít kov s tvrdou vnější skořepinou a tažnějším vnitřkem. Příkladem toho může být situace, kdy je potřeba kov, aby odolal otěru, ale přesto musí být schopen absorbovat náraz, aniž by došlo k úplnému křehkému lomu.
Ttypy metod cementování
Princip case-hardingu je docela jednoduchý. Chceme, aby povrch tvořil tvrdou strukturu známou jako martenzit. Tato struktura se však vytváří pouze tehdy, když jsou ocelové součásti kaleny při vysokých teplotách a za předpokladu, že obsah uhlíku v ocelové slitině je dostatečně vysoký.
Pokud je obsah uhlíku dostatečný, stačí součást pouze zahřát a uhasit. Pokud je však obsah uhlíku nízký nebo pokud potřebujeme extrémní tvrdost, je třeba na povrch materiálu přidat prvky jako uhlík a dusík. Podívejme se nyní na různé procesy používané k dosažení case hardening založené na výše uvedených principech.
Topení a Hašení
Tradičně se zahřívání a kalení používá k provádění kalení v řadě kovů. Jedním ze způsobů cementování kovu je aplikace přímého kyslíko-plynového plamene na ocelovou součást. Příležitostně se používá indukční ohřev. Povrchová teplota ocelového dílu se v obou scénářích rychle zvyšuje. Výsledkem je, že krystalová struktura austenitu nahrazuje krystalovou strukturu perlitu.
Jakmile je dosaženo nastavené teploty, díl se rychle ochladí, často ponořením do vody. Tím se znovu mění krystalická struktura, tentokrát z austenitu na martenzit, což je zvláště tvrdá struktura.
Protože ke změně krystalové struktury dochází pouze na povrchu, ztvrdne součást pouze na povrchu. Ale aby díl z této metody těžil, musí být v původním materiálu dostatek uhlíku. V případě nízkého obsahu uhlíku (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Nauhličování
Pokud jsou úrovně uhlíku pod 0,3 %, musíme do součásti přidat více uhlíku, než ji vystavíme zahřívání + kalení. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je nechat součást projít procesem nauhličování.
Nauhličování zahrnuje zahřívání ocelové součásti po předem stanovenou dobu, zatímco je přítomen vnější zdroj uhlíku. Uhlík z uhlíkaté látky při vysokých teplotách difunduje do kovu. Větší teplo a delší doba ohřevu způsobí, že uhlík se absorbuje do kovového povrchu hlouběji.
Jakmile nauhličení zvýší obsah uhlíku v povrchové vrstvě oceli, podrobíme ji kalení plamenem nebo indukčnímu kalení pro zvýšení tvrdosti.
Nitridace
U slitiny oceli, která obsahuje prvky jako hliník, chrom a molybden, můžeme pro cementování použít nitridaci.
Část se zahřívá v přítomnosti plynného dusíku a disociovaného amoniaku za vzniku nitridů. Nitridy také zvyšují tvrdost materiálu.
Protože se předmět zahřeje na 620 stupňů (1150 stupňů F), k nitridaci obvykle dochází při nižších teplotách. Difúze a následná tvrdost bude tím hlubší, čím déle se bude při této teplotě udržovat.
Jaké typy kovů lze cementovat?
Kovy, které lze cementovat, jsou obecně omezeny na železné materiály, i když existují zvláštní případy, jako je nitridace některých slitin titanu nebo hliníku. Železné kovy běžně cementované jsou:
Nízkouhlíková ocel
Vysoce uhlíková ocel
Litina
Vysoce pevná nízkolegovaná ocel
Nástrojová ocel
Nerezové oceli
Některé běžné součásti, které jsou cementované, zahrnují:
ozubená kola
Spojovací materiál
Vačkové hřídele
Pruty
Piny
