Làm cứng bề mặt thép là gì? Làm cứng bề mặt được sử dụng để làm gì?

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Nghệ thuật nhiệt luyện kim loại đã được nhân loại biết đến từ rất lâu. Những người thợ thủ công liên quan đến việc chế tạo công cụ, và đặc biệt là vũ khí, phải tự mình làm chủ nó hoặc nghiên cứu trong nhiều năm với các chuyên gia khác có kinh nghiệm hơn. Bí mật được giữ bí mật, tất nhiên, điều này làm chậm sự lan truyền của công nghệ, nhưng lại tăng khả năng cạnh tranh của một nhà sản xuất sản phẩm cụ thể cho một mục đích cụ thể. Một trong những kỹ thuật của thợ rèn thời Trung cổ là làm cứng bề mặt, giúp cho các cạnh và mũi cắt của kiếm và kiếm có độ cứng đặc biệt, kết hợp với tính linh hoạt của lưỡi kiếm. Ngày nay, những đặc tính như vậy không còn khiến ai ngạc nhiên nữa, công nghệ đã trở nên khổng lồ và phổ biến.

Tại sao một người bình thường lại biết tất cả những điều này?

Bài viết này dành cho các chuyên gia trong lĩnh vực gia công kim loại nhiệt rất có thể sẽ giống như một tập hợp các phạm vi và sự kiện nổi tiếng. Ngoài ra, họ có thể tìm thấy một số điểm không chính xác trong thuật ngữ. Thông tin được trình bày không dành cho họ, nó được gửi đến những người ở xa ngành luyện kim, nghiệp dư,những người quan tâm đến độ bền của bàn hoặc dao gấp thông thường khác như thế nào so với một lưỡi dao tốt, độ cứng bề mặt so với độ cứng thể tích và các vấn đề tương tự. Khi mua một hoặc một vật dụng cần thiết trong gia đình, người tiêu dùng phải đối mặt với sự chênh lệch giá đáng kể. Không phải lúc nào người bán cũng có thể giải thích một cách có đủ điều kiện và dễ hiểu tại sao một công cụ (ví dụ: cờ lê) lại đắt hơn nhiều so với một công cụ khác có điểm giống bên ngoài nói chung. Anh ta, rất có thể, sẽ cố gắng “nhồi sọ” những khái niệm và thuật ngữ mà người bình thường không thể hiểu được. Được dịch sang ngôn ngữ thông thường, những giải thích này sẽ có nghĩa là cờ lê có thể điều chỉnh sẽ không bị gãy hoặc tồn tại lâu hơn và việc mài sẽ ít thường xuyên hơn (nếu khách hàng muốn mua một con dao). "Bề mặt cứng lại!" - người bán sẽ chỉ ra lý do một cách bí ẩn, đảo mắt vì thích thú tưởng tượng. Nó là gì?

Thuộc tính đối lập trong một sản phẩm

Như đã nói rõ trong cụm từ, trong trường hợp này chỉ lớp mỏng bên ngoài của sản phẩm được xử lý nhiệt. Thực tế là thép đòi hỏi độ cứng được mọi người đoán ra một cách mơ hồ, ngay cả những người không biết nó là gì. Đây là những gì nó khác với "miếng sắt" thông thường, mềm và giòn. Nhưng tại sao người bề ngoài lại được hưởng vinh dự như vậy? Làm cứng được sử dụng để thay đổi các đặc tính của kim loại, chứ không phải vì lợi ích của một số loại cải tiến, như thường được tuyên bố. Chất lượng, hữu ích trong một số trường hợp, trở nên có hại trong một số trường hợp khác. Dũa rất cứng, vì họ có thể dễ dàng gia công sắt, nhôm hoặc đồng, nhưng nếu bạn cố gắng uốn cong nóhoặc dùng búa đập vào nó, nó sẽ nứt. Điều tương tự cũng áp dụng cho lưỡi cưa sắt, thường bị gãy ở góc cắt sai. Để tạo ra độ cứng kết hợp với độ dẻo hoặc độ dẻo, người ta áp dụng phương pháp làm cứng bề mặt. Sau đó, các thuộc tính của sản phẩm có thể kết hợp các phẩm chất, đôi khi đối lập, đặc trưng của các cấu trúc tinh thể khác nhau. Bây giờ chúng ta cần đi sâu vào một số chi tiết về khoa học vật liệu.

Những ý tưởng đơn giản nhất về tính đa hình của kim loại

Cùng một kim loại có thể, tùy theo hình dạng của mạng tinh thể mà có các tính chất vật lý khác nhau (độ cứng, độ nhớt, độ dẻo, tính linh hoạt, độ đàn hồi, v.v.) Khả năng thay đổi các thông số cơ học này được gọi là tính đa hình. Cách đây rất lâu, khi chế tạo vũ khí thô sơ, người ta nhận thấy rằng thanh kiếm hay dao rựa này thành công hơn cả, nó giữ được độ sắc lâu hơn và không bị gãy. Tất nhiên, tổ tiên của chúng ta không quen thuộc với các cấu trúc phân tử của kim loại, họ đến với mọi thứ bằng trực giác và kinh nghiệm. Vì vậy, theo kinh nghiệm, họ phát hiện ra rằng nếu đầu kim được đốt nóng, thì nhiệt độ của nó phụ thuộc vào các sắc thái của ánh sáng. Với việc làm nguội nhanh chóng, một thứ gì đó sẽ thay đổi trong kim loại, nó trở nên cứng hơn hoặc trở nên linh hoạt hơn. Nếu nó được hâm nóng lại, nó sẽ trở lại như cũ, và đôi khi thậm chí còn tồi tệ hơn. Vào thời điểm đó, những ý tưởng khá cụ thể đã được hình thành về việc, ví dụ, một con dao săn lý tưởng nên có là gì. Làm cứng bề mặt cũng được sử dụng sau đó, nhưng thường xuyên hơncái gọi là cục bộ đã được sử dụng, nghĩa là, một cái trong đó có điểm rắn, phần giữa của lưỡi dao mềm dẻo, và phần lưỡi tiếp giáp với tay cầm là nhựa (hãy để nó uốn cong một chút, nhưng không bị gãy).

Chuyện gì đang xảy ra bên trong

Không đi vào chi tiết cụ thể, cần lưu ý rằng cấu trúc của thép cứng gồm ba loại chính: mactenxit, troostit và sorbitic. Các đặc tính cơ học phụ thuộc vào tỷ lệ của các kết tinh này. Trong trường hợp này, không quan trọng cái nào trong số chúng và ảnh hưởng đến độ cứng như thế nào. Kết quả phụ thuộc vào độ nóng của kim loại và tốc độ nguội đi của kim loại. Do đó, hiện tượng cứng bề mặt có thể xảy ra khi nhiệt độ của lớp trên tăng lên và quá trình làm nguội sau đó, do truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài (chất lỏng, thường là dầu, nước và nước muối, không khí hoặc các tác nhân khác), hoặc do để thoát một phần vào sản phẩm. Trong trường hợp này, sự biến đổi đa hình xảy ra theo từng lớp, tùy thuộc vào mức độ đạt đến nhiệt độ tới hạn, điều này ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc tinh thể mới.

Do đó, có sự thay đổi trong các khu vực sau:

- Thượng cứng.

- Chất trung gian, cứng một phần. Nó còn được gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt.

- Vùng giảm độ cứng.

- Nội thất chưa qua sửa chữa.

Phương pháp làm cứng bề mặt

Tạo lớp trên cùng vớităng độ cứng, theo một số cách. Lò xo của toa xe lửa được bắn vào đơn giản bằng những quả bóng kim loại nhỏ (bắn) để tạo ra một bề mặt kín, trong khi thể tích bên trong của kim loại vẫn đủ dẻo để chịu được ứng suất cơ học lâu dài. Phương pháp cổ xưa nhất được coi là đốt nóng nhanh một vật thể trên ngọn lửa trần, kèm theo phun hoặc dòng tia. Đó là nhờ công nghệ này mà một con dao cong truyền thống phương Đông (karambit) được tạo ra. Làm cứng bề mặt cũng có thể được thực hiện bằng phương pháp làm mát chuyên sâu. Khí-plasma, cảm ứng, laser và các phương pháp khác cũng được biết đến. Một số trong số đó đáng để ở.

HDTV

Vào giữa những năm 1930, nhà khoa học Liên Xô V. P. Vologdin đã phát minh ra phương pháp truyền một cấu trúc phân tử không đồng nhất cho các bộ phận lớn bằng cách sử dụng dòng điện tần số cao. Cơ khí phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp này cần những công nghệ đảm bảo sản xuất hàng loạt mà không ảnh hưởng đến chất lượng. Sự cứng bề mặt của HDTV dựa trên hiện tượng cảm ứng. Tính đặc biệt của phương pháp này nằm ở sự phụ thuộc của độ dày của lớp nung nóng vào tần số và cường độ của dòng điện trong vòng bức xạ. Trong trường hợp này, kết quả có thể dự đoán được với mức độ xác suất cao, do đó, việc kiểm soát chất lượng được đơn giản hóa rất nhiều. Ngoài ra, phương pháp này có thể áp dụng để gia công các sản phẩm và cụm tổng thể, chẳng hạn như trục khuỷu và các vật thể lớn khác có thể di chuyển tuần tự dọc theo cuộn cảm.lộ toàn bộ chiều dài. Với công nghệ này, rất khó để lựa chọn các thông số để gia công các vật nhỏ và phẳng, chẳng hạn như một con dao. Làm cứng bề mặt bằng dòng điện tần số cao được áp dụng cho các sản phẩm tương đối cồng kềnh, độ bền và khả năng chống mài mòn của chúng phụ thuộc vào các đặc tính cơ học của lớp trên cùng.

Tính năng của việc sử dụng phương pháp HDTV

Phương pháp này được phát triển trong điều kiện phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp chế tạo máy, phương pháp chính tạo nên tiềm lực quốc phòng của Liên Xô, được thể hiện qua các chi tiết cụ thể của ứng dụng. Các bộ phận quan trọng nhất của máy kéo, xe tăng, ô tô hoặc máy bay không đủ lớn để đặt trong khung của cuộn cảm nhỏ gọn, quá đắt để sản xuất thiết bị cho từng bộ phận đó và nếu nó được chế tạo dựa trên kích thước lớn nhất, sau đó chi phí năng lượng trở nên rất lớn. Tuy nhiên, làm cứng vỏ cảm ứng được áp dụng cho bất kỳ sản phẩm nào, từ tương đối nhỏ đến lớn. Ví dụ, các bánh răng tiếp xúc với HDTV một cách tuần tự, biến từng răng một. Các phần tử của trục khuỷu và trục cardan được đốt nóng liên tục và tuần tự, chuyển động bên trong khung cố định của cuộn cảm, trong khi bộ làm mát (máy phun) được đưa vào quy trình công nghệ ngay sau đó. Vào cuối máy, phôi ngay lập tức được phun nước (do đó có tên, phụ âm với “phun”).

Chà, các sản phẩm có bề mặt cứng nhỏ được đặt toàn bộ trong cuộn cảm và được làm nguội theo cách tương tự.

Laser

Thiết bị nàytrong thời đại của chúng ta, được sử dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của con người, đã được tìm thấy ứng dụng trong gia công kim loại. Phương pháp này không yêu cầu làm lạnh sau đó, vì tác động của chùm tia là ngắn hạn và nó ảnh hưởng đến lớp trên cùng của kim loại, gây ra những thay đổi mong muốn trong cấu trúc tinh thể. "Mài sắc bằng tia laze" thực sự đảm bảo rằng không cần phải mài dụng cụ cắt trong thời gian dài (nó chủ yếu được sử dụng cho chúng), nếu phương pháp này thực sự được sử dụng trong sản xuất của nó. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong thời đại hàng giả của chúng ta, dòng chữ trên sản phẩm không phải lúc nào cũng tương ứng với hàng thật. Đôi khi một số con dao “bướm” rẻ tiền được bán ở một quầy hàng trên phố cũng được trang trí bằng một nhãn hiệu như vậy. Làm cứng bề mặt bằng tia laze là một công nghệ đắt tiền, nó chỉ dành cho các nhà sản xuất dụng cụ hàng đầu.

Lạnh

Cơ sở vật lý của phương pháp này là phát hiện ra hiện tượng tăng độ cứng của thép do sự chuyển đổi cấu trúc Austenit thành Mactenxit trong quá trình đóng băng sâu. Việc làm cứng bề mặt như vậy được thực hiện theo phương pháp do A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich và S. S. Shtenberg ở Liên Xô phát triển. Nó có thể áp dụng cho cacbon (chứa hơn 0,5% C) và thép hợp kim cho các mục đích đặc biệt, chẳng hạn như được sản xuất để sản xuất máy cắt tốc độ cao và các sản phẩm công cụ đặc biệt khác.

Sưởi điện

Nói chung, nó được xây dựng trên nguyên tắc tương tự như làm cứng cảm ứng, với sự khác biệt duy nhất là sự gia nhiệt là điện trở, dodòng điện có giá trị lớn đi qua và điện trở của bộ phận. Tần số của điện áp đầu vào theo cách tương tự ảnh hưởng đến độ sâu của lớp được nung nóng, và càng cao, nó càng mỏng. Bề mặt có độ cứng tăng lên có thể dao động từ phần nhỏ của milimet đến một số đơn vị của nó. Nó phụ thuộc vào các yêu cầu đối với sản phẩm và kích thước của nó. So với HDTV, phương pháp điện di có phạm vi rộng hơn về dòng điện, nhiệt độ và độ sâu lớp. Ví dụ, với sự trợ giúp của nó, một vật phẩm lớn và đòi hỏi chất lượng đặc biệt như một con dao lưỡi lê của người lính có thể được chế tạo. Làm cứng bề mặt bằng cách gia nhiệt điện yêu cầu chế độ làm mát đã được kiểm chứng về công nghệ trong dầu, nước hoặc các chất tiếp nhận nhiệt khác.

Kết luận

Vì vậy, nhiệm vụ chính của việc làm cứng bề mặt là sự phân bố cấu trúc tinh thể bên trong sản phẩm, trong đó các loại sorbite hoặc troostite vẫn còn bên trong nó, và một lớp martensite được hình thành bên ngoài. Điều này có thể đạt được bằng một số phương pháp, từ đơn giản nhất và cổ xưa nhất đến công nghệ tiên tiến và hiện đại nhất. Trong mọi trường hợp, thép cứng chất lượng cao đòi hỏi trình độ chuyên môn cao và độ chính xác tuân thủ các quy định sản xuất. Một sản phẩm được làm theo tất cả các quy tắc không thể rẻ. Vì lý do này, cả dao nhà bếp tốt và karambit đều đắt tiền. Làm cứng bề mặt bằng chùm tia laze là phổ biến nhất chỉ đối với các công cụ cắt.