Nawęglanie - Case-hardening

Colt Peacemaker, z przebarwieniami spowodowanymi nawęglaniem

Utwardzanie powierzchniowe lub utwardzanie powierzchniowe to proces utwardzania powierzchni przedmiotu metalowego, przy jednoczesnym umożliwieniu metalowi znajdującemu się głębiej, aby pozostał miękki, tworząc w ten sposób cienką warstwę twardszego metalu na powierzchni. W przypadku żelaza lub stali o niskiej zawartości węgla , które same mają słabą lub żadną hartowność , proces nawęglania polega na wprowadzeniu dodatkowego węgla lub azotu do warstwy powierzchniowej. Utwardzanie powierzchniowe jest zwykle wykonywane po uformowaniu części w jej ostateczny kształt, ale może być również wykonane w celu zwiększenia zawartości pierwiastka utwardzającego w prętach, które mają być stosowane w spawaniu modelowym lub podobnym procesie. Termin utwardzanie twarzy jest również używany do opisania tej techniki, gdy mówimy o nowoczesnej zbroi .

Hartowanie jest pożądane w przypadku elementów metalowych, które mają kontakt ślizgowy z materiałami twardymi lub ściernymi, ponieważ utwardzony metal jest bardziej odporny na zużycie powierzchni. Jednakże, ponieważ utwardzony metal jest zwykle bardziej kruchy niż bardziej miękki metal, hartowanie na wskroś (tj. hartowanie metalu równomiernie w całym elemencie) nie zawsze jest odpowiednim wyborem. W takich okolicznościach nawęglanie może wytworzyć element, który nie pęknie (ze względu na miękki rdzeń, który może absorbować naprężenia bez pękania), ale także zapewnia odpowiednią odporność na zużycie na utwardzonej powierzchni.

Historia

Wczesne hutnictwo żelaza wykorzystywało dymarki, które wytwarzały dwie warstwy metalu: jedną o bardzo niskiej zawartości węgla, która jest przetwarzana na kute żelazo , a drugą o wysokiej zawartości węgla. Ponieważ żelazo wysokowęglowe jest krótkie na gorąco , co oznacza, że ​​pęka i kruszy się podczas kucia , nie było ono przydatne bez dalszego wytapiania. W rezultacie pozostała w dużej mierze nieużywana na zachodzie do czasu spopularyzowania kuźni ozdobnej . Kute żelazo, prawie bez węgla, było bardzo plastyczne i plastyczne, ale niezbyt twarde.

Utwardzanie powierzchniowe polega na umieszczeniu niskowęglowego żelaza w substancji o wysokiej zawartości węgla, a następnie podgrzaniu tego pakietu, aby zachęcić węgiel do migracji na powierzchnię żelaza. Tworzy to cienką warstwę powierzchniową stali o wyższej zawartości węgla, a zawartość węgla stopniowo zmniejsza się od powierzchni. Powstały produkt łączy w sobie dużą wytrzymałość rdzenia ze stali niskowęglowej z twardością i odpornością na zużycie zewnętrznej stali wysokowęglowej.

Tradycyjna metoda nakładania węgla na powierzchnię żelaza polegała na pakowaniu żelaza w mieszankę zmielonej kości i węgla drzewnego lub mieszaninę skóry , kopyt , soli i moczu , a wszystko to w szczelnie zamkniętym pudełku ( „skrzynce”) . Ten pakiet do nawęglania jest następnie podgrzewany do wysokiej temperatury, ale wciąż poniżej temperatury topnienia żelaza i pozostawiany w tej temperaturze na dłuższy czas. Im dłużej opakowanie jest trzymane w wysokiej temperaturze, tym głębiej węgiel wniknie w powierzchnię. Różne głębokości hartowania są pożądane do różnych celów: ostre narzędzia wymagają głębokiego hartowania, aby umożliwić szlifowanie i ponowne ostrzenie bez odsłaniania miękkiego rdzenia, podczas gdy części maszyn, takie jak koła zębate, mogą wymagać jedynie płytkiego hartowania w celu zwiększenia odporności na zużycie.

Otrzymana część utwardzona powierzchniowo może wykazywać wyraźne odbarwienie powierzchni, jeśli materiał węglowy jest mieszaną materią organiczną, jak opisano powyżej. Stal ciemnieje znacznie i pokazuje cętkowany wzór czerni, błękitu i fioletu, spowodowany różnymi związkami powstałymi z zanieczyszczeń w kościach i węglu drzewnym. Ta oksydowana powierzchnia działa podobnie do niebieszczenia , zapewniając pewien stopień odporności na korozję, a także atrakcyjne wykończenie. Kolorystyka obudowy nawiązuje do tego wzoru i jest powszechnie spotykana jako dekoracyjne wykończenie na broni palnej .

Stal do nawęglania łączy w sobie ekstremalną twardość i ekstremalną ciągliwość, co nie jest łatwe do osiągnięcia w przypadku stopów jednorodnych, ponieważ sama twarda stal ma skłonność do kruchości.

Chemia

Sam węgiel jest stały w temperaturach utwardzania, a więc jest nieruchomy. Transport na powierzchnię stali odbywał się w postaci gazowego tlenku węgla , generowanego przez rozkład związku nawęglającego i tlenu zapakowanego w szczelne pudełko. Odbywa się to z czystym węglem, ale zbyt wolno, aby było to wykonalne. Chociaż do tego procesu potrzebny jest tlen, jest on ponownie cyrkulowany przez cykl CO, dzięki czemu można go przeprowadzać w szczelnie zamkniętym pudełku („skrzynce”). Uszczelnienie jest konieczne, aby zapobiec wyciekowi CO lub jego utlenieniu do CO 2 przez nadmiar powietrza z zewnątrz.

Dodanie łatwo rozkładającego się „aktywatora” węglanu, takiego jak węglan baru, rozkłada się do BaO + CO 2, co pobudza reakcję

C (od dawcy) + CO 2 <—> 2 CO

zwiększenie ogólnej zawartości CO i aktywności związku nawęglającego. Powszechnie znanym błędem jest to, że nawęglanie wykonano z kością, ale jest to mylące. Chociaż użyto kości, głównym dawcą węgla było kopyto i róg. Kość zawiera trochę węglanów, ale jest to głównie fosforan wapnia (jako hydroksyapatyt ). Nie ma to korzystnego wpływu na zwiększenie produkcji CO, a także może wprowadzać do stopu stali fosfor jako zanieczyszczenie.

Nowoczesne zastosowanie

Do nawęglania nadają się zarówno stale węglowe, jak i stopowe ; zazwyczaj stosuje się stal miękką, o niskiej zawartości węgla , zwykle poniżej 0,3% ( więcej informacji można znaleźć w stali węglowej ). Te miękkie stale nie są zwykle hartowalne ze względu na małą ilość węgla, więc powierzchnia stali jest chemicznie zmieniana w celu zwiększenia hartowności. Stal nawęglana powstaje przez dyfuzję węgla ( nawęglanie ), azotu ( azotowanie ) i/lub boru ( borowanie ) do zewnętrznej warstwy stali w wysokiej temperaturze, a następnie obróbkę cieplną warstwy wierzchniej do pożądanej twardości.

Termin nawęglanie wywodzi się z praktycznych aspektów samego procesu nawęglania, który jest zasadniczo taki sam jak proces starożytny. Stalowy element obrabiany jest umieszczany w obudowie szczelnie zapakowanej pastą na bazie węgla do utwardzania powierzchni. Jest to zbiorczo nazywane pakietem do nawęglania. Pakiet umieszczany jest w gorącym piecu na zmienny czas. Czas i temperatura określają, jak głęboko w głąb powierzchni rozciąga się utwardzenie. Głębokość hartowania jest jednak ostatecznie ograniczona przez niezdolność węgla do głębokiej dyfuzji w litą stal, a typowa głębokość utwardzenia powierzchniowego tą metodą wynosi do 1,5 mm. W nowoczesnym nawęglaniu stosuje się również inne techniki, takie jak ogrzewanie w atmosferze bogatej w węgiel. Małe przedmioty można utwardzać poprzez wielokrotne podgrzewanie palnikiem i hartowanie w medium bogatym w węgiel, takim jak produkty handlowe Kasenit / Casenite lub „Cherry Red”. Starsze preparaty tych związków zawierają potencjalnie toksyczne związki cyjankowe , podczas gdy nowsze typy, takie jak Cherry Red, nie zawierają.

Procesy

Hartowanie płomieniowe lub indukcyjne

Utwardzona w płomieniu zębatka. Przebarwienia wokół zębów wyznaczają obszar, który został szybko nagrzany, a następnie wygaszony.

Hartowanie płomieniowe lub indukcyjne to procesy, w których powierzchnia stali jest bardzo szybko nagrzewana do wysokich temperatur (poprzez bezpośrednie zastosowanie płomienia gazowo-tlenowego lub przez nagrzewanie indukcyjne ), a następnie gwałtownie schładzana, zwykle przy użyciu wody; tworzy to „przypadek” martenzytu na powierzchni. Do tego typu utwardzania potrzebna jest zawartość węgla 0,3-0,6% wag. C. W przeciwieństwie do innych metod, hartowanie płomieniowe lub indukcyjne nie zmienia składu chemicznego materiału. Ponieważ jest to jedynie zlokalizowany proces obróbki cieplnej, są one zazwyczaj przydatne tylko w przypadku stali wysokowęglowych, które reagują wystarczająco na hartowanie.

Typowe zastosowania to pałąk zamka, w którym warstwa zewnętrzna jest utwardzona, aby była odporna na pilniki, oraz przekładnie mechaniczne, gdzie twarde powierzchnie siatek zębatych są potrzebne do utrzymania długiej żywotności, podczas gdy wytrzymałość jest wymagana do zachowania trwałości i odporności na katastrofalne uszkodzenia . Hartowanie płomieniowe polega na bezpośrednim uderzeniu płomienia tlenowo-gazowego na określoną powierzchnię. O wyniku procesu hartowania decydują cztery czynniki:

  • Konstrukcja głowicy płomienia
  • Czas ogrzewania
  • Temperatura docelowa do osiągnięcia
  • Skład obrabianego metalu

Nawęglanie

Nawęglanie jest procesem stosowanym do nawęglania stali o zawartości węgla między 0,1 a 0,3% wag. C. W tym procesie stal jest wprowadzana do środowiska bogatego w węgiel w podwyższonych temperaturach przez określony czas, a następnie hartowana, aby węgiel jest zamknięty w konstrukcji; jedną z prostszych procedur jest wielokrotne podgrzewanie części palnikiem acetylenowym z płomieniem bogatym w paliwo i gaszenie w płynie bogatym w węgiel, takim jak olej.

Nawęglanie jest procesem kontrolowanym przez dyfuzję, więc im dłużej stal jest utrzymywana w środowisku bogatym w węgiel, tym większa będzie penetracja węgla i wyższa zawartość węgla. Odcinek nawęglony będzie miał wystarczająco wysoką zawartość węgla, aby można go było ponownie utwardzić poprzez hartowanie płomieniowe lub indukcyjne.

Możliwe jest nawęglanie tylko części części, albo poprzez ochronę reszty w procesie, takim jak powlekanie miedzią, albo przez zastosowanie czynnika nawęglającego tylko do części części.

Węgiel może pochodzić ze źródła stałego, ciekłego lub gazowego; jeśli pochodzi ze stałego źródła, proces ten nazywa się nawęglaniem pakietowym . Uszczelnienie części ze stali niskowęglowej materiałem węglowym i ogrzewanie przez pewien czas powoduje dyfuzję węgla do warstw zewnętrznych. Kilkugodzinny okres ogrzewania może spowodować powstanie warstwy wysokowęglowej o grubości około jednego milimetra.

Nawęglanie płynne obejmuje umieszczanie części w kąpieli ze stopionego materiału zawierającego węgiel, często cyjanku metalu; nawęglanie gazowe polega na umieszczeniu części w piecu utrzymywanym z wnętrzem bogatym w metan.

Azotowanie

Azotowanie podgrzewa stalową część do 482-621°C (900-1150 °F) w atmosferze gazowego amoniaku i zdysocjowanego amoniaku. Czas, jaki część spędza w tym środowisku, dyktuje głębię sprawy. Twardość uzyskuje się poprzez tworzenie azotków. Aby ta metoda działała, muszą być obecne pierwiastki tworzące azotki; pierwiastki te obejmują chrom , molibden i aluminium . Zaletą tego procesu jest to, że powoduje on niewielkie zniekształcenia, dzięki czemu część może być utwardzana powierzchniowo po hartowaniu, odpuszczaniu i obróbce mechanicznej. Po azotowaniu nie wykonuje się hartowania.

Cyjanowanie

Cyjanowanie to proces utwardzania powierzchni, który jest szybki i wydajny; stosuje się go głównie na stalach niskowęglowych. Część jest podgrzewana do 871-954 °C (1600-1750 °F) w kąpieli cyjanku sodu, a następnie jest hartowana i płukana wodą lub olejem w celu usunięcia wszelkich pozostałości cyjanku.

2NaCN + O 2 → 2NaCNO
2NaCNO + O 2 → Na 2 CO 3 + CO + N 2
2CO → CO 2 + C

W wyniku tego procesu powstaje cienka, twarda skorupa (od 0,25 do 0,75 mm, od 0,01 do 0,03 cala), która jest twardsza niż ta wytwarzana przez nawęglanie i może zostać ukończona w ciągu 20 do 30 minut w porównaniu do kilku godzin, dzięki czemu części mają mniej możliwości zniekształcić się. Zwykle stosuje się go do małych części, takich jak śruby, nakrętki, śruby i małe koła zębate. Główną wadą cyjankowania jest to, że sole cyjankowe są trujące.

Węgloazotowanie

Węgloazotowanie jest podobne do cyjanowania, z tym wyjątkiem, że zamiast cyjanku sodu stosuje się gazową atmosferę amoniaku i węglowodorów. Jeśli część ma być hartowana, jest podgrzewana do 775-885 ° C (1427-1625 ° F); jeśli nie, to część jest podgrzewana do 649-788 ° C (1200-1450 ° F).

Węgloazotowanie ferrytyczne

Ferrytyczne azotonawęglanie powoduje dyfuzję głównie azotu i trochę węgla w przypadku przedmiotu obrabianego poniżej temperatury krytycznej, około 650 °C (1202 °F). Pod wpływem temperatury krytycznej mikrostruktura obrabianego przedmiotu nie przechodzi w fazę austenityczną , lecz pozostaje w fazie ferrytycznej , dlatego nazywa się to azotonawęglaniem ferrytycznym .

Aplikacje

Części, które są poddawane wysokim ciśnieniom i ostrym uderzeniom, są nadal powszechnie nawęglane. Przykłady obejmują iglice i czopy zamków karabinów lub wałki rozrządu silników . W takich przypadkach powierzchnie wymagające twardości można utwardzić selektywnie, pozostawiając większość części w jej pierwotnym, twardym stanie.

Broń palna była w przeszłości powszechnym przedmiotem utwardzanym powierzchniowo, ponieważ wymagała precyzyjnej obróbki najlepiej wykonywanej na stopach niskowęglowych, ale wymagała twardości i odporności na zużycie stopu o wyższej zawartości węgla. Wiele nowoczesnych replik starszej broni palnej, w szczególności rewolwerów typu single action , jest nadal wykonywanych z oprawkami utwardzonymi dyfuzyjnie lub w kolorze obudowy , który symuluje cętkowany wzór pozostawiony przez tradycyjne utwardzanie węglem i kością.

Innym powszechnym zastosowaniem nawęglania są wkręty, zwłaszcza wkręty samowiercące . Aby wkręty mogły wiercić, ciąć i wbijać w inne materiały, takie jak stal, ostrze wiertła i gwinty formujące muszą być twardsze niż materiał(y), w który jest wiercony. Jeśli jednak cała śruba jest jednolicie twarda, stanie się bardzo krucha i łatwo pęknie. Można to przezwyciężyć, zapewniając, że utwardzana jest tylko powierzchnia, a rdzeń pozostaje stosunkowo bardziej miękki, a tym samym mniej kruchy. W przypadku śrub i łączników nawęglanie uzyskuje się poprzez prostą obróbkę cieplną polegającą na podgrzaniu, a następnie hartowaniu.

Aby zapobiec kradzieży, szekle blokujące i łańcuchy są często utwardzone, aby były odporne na przecięcie, a jednocześnie pozostają mniej kruche wewnątrz, aby były odporne na uderzenia. Ponieważ elementy nawęglane są trudne w obróbce, są one zazwyczaj kształtowane przed utwardzeniem.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne