Evnen til at modstå slid og modstå fordybninger er to meget vigtige egenskaber ved visse typer metaller. Når du vælger en type metal, er en vigtig faktor at tage højde for dens hårdhed, som er en måling af disse egenskaber. Den yderste overflade af et metal er uden tvivl den mest afgørende del at bestemme den ideelle hårdhed for. Det skyldes, at det er overfladen, der bliver direkte ramt og slidt mest. Nogle metaller gennemgår en proces kaldet kassehærdning for at ændre deres overfladehårdhed for at garantere, at hårdheden af et metalsubstrat er passende.
Hvad er Case Hardening?
Case-hærdning er en varmebehandlingsproces, der hærder overfladen af et metalsubstrat, mens den bevarer en blødere kerne. Dette gør det muligt at kombinere de bedste egenskaber af et blødt og hårdt metal i én del.
Sammenlignet med et hårdt stof kan et blødt materiale modstå slagtryk langt bedre. Derudover er den stærkere, mere duktil og sejere, men dens slidstyrke er utilstrækkelig. For at sikre, at materialet ikke slides væk fra slid eller friktion, er god slidstyrke afgørende. Vi kan i høj grad minimere materialeslid uden at ofre andre kvaliteter ved kun at hærde det ydre.
En tynd, hærdet overflade kan opnås på en række forskellige måder, herunder ved at tilføje yderligere komponenter til overfladen eller ved at ændre krystalstrukturen. Men høje temperaturer er næsten altid nødvendige for saghærdning, uanset metoden.
Hvorfor Case Harden?
Der er flere grunde til at hærde et materiale i stedet for at forsøge at hærde en hel metalgenstand. En grund er effektivitet. Der kræves mindre energi og mindre tid til at opvarme den yderste overflade af et metal i modsætning til hele dets tværsnit. Disse effektivitetsgevinster kan resultere i enorme omkostningsbesparelser i storskala produktionsoperationer. En anden grund til, at saghærdning er meget udbredt, er på grund af ydeevne. Det kan være fordelagtigt at have et metal med en hård yderskal og et mere duktilt indre. Et eksempel på dette vil være, når et metal er nødvendigt for at modstå slid, men stadig skal være i stand til at absorbere et stød uden at resultere i et fuldstændigt sprødt brud.
Ttyper af kassehærdningsmetoder
Saghærdningsprincippet er ret ligetil. Vi ønsker, at overfladen danner en hård struktur kendt som martensit. Men denne struktur dannes kun, når stålkomponenter bratkøles ved høje temperaturer og forudsat at kulstofindholdet i stållegering er højt nok.
Hvis kulstofindholdet er tilstrækkeligt, skal vi kun opvarme og bratkøle delen. Men hvis kulstofindholdet er lavt, eller hvis vi har brug for ekstrem hårdhed, skal elementer som kulstof og nitrogen tilføres materialets overflade. Lad os nu se på de forskellige processer, der bruges til at opnå sagshærdning baseret på de ovennævnte principper.
Opvarmning og slukning
Traditionelt er opvarmning og bratkøling blevet brugt til at udføre hærdning i en række metaller. En metode til kassehærdning af metal er at påføre en direkte oxy-gas flamme på stålkomponenten. Brugen af induktiv opvarmning forekommer lejlighedsvis. Ståldelens overfladetemperatur stiger hurtigt i begge scenarier. Som et resultat erstatter austenit krystalstruktur perlit krystalstruktur.
Når en indstillet temperatur er nået, afkøles delen hurtigt, ofte ved at nedsænke den i vand. Dette ændrer krystalstrukturen igen, denne gang fra austenit til martensit, som er en særlig hård struktur.
Da kun overfladen gennemgår ændringen i krystalstrukturen, hærder delen kun ved overfladen. Men for at delen kan drage fordel af denne metode, skal der være nok kulstof i det originale materiale. I tilfælde af lavt kulstofindhold (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Karburering
Hvis kulstofniveauerne er under 0,3 %, skal vi tilføje mere kulstof til delen, før vi udsætter den for opvarmning + bratkøling. At sætte en del gennem karbureringsprocessen er en måde at gøre det på.
Karburering involverer opvarmning af stålkomponenten i en forudbestemt periode, mens en ekstern kulstofkilde er til stede. Kulstoffet fra det kulstofholdige stof diffunderer ind i metallet ved høje temperaturer. Mere varme og længere opvarmningstider får kulstof til at blive absorberet i metaloverfladen dybere.
Når først karburering øger kulstofindholdet i ståloverfladelaget, udsætter vi det gennem flammehærdning eller induktionshærdning for at øge hårdheden.
Nitrering
For en stållegering, der indeholder elementer som aluminium, krom og molybdæn, kan vi bruge nitrering til hærdning af sagen.
Delen opvarmes i nærvær af nitrogengas og dissocieret ammoniak for at danne nitrider. Nitriderne øger også materialets hårdhed.
Da emnet opvarmes til 620 grader (1150 grader F), sker nitrering normalt ved lavere temperaturer. Diffusionen og den deraf følgende hårdhed vil være dybere, jo længere den holdes ved denne temperatur.
Hvilke typer metaller kan kassehærdes?
Metaller, der kan kassehærdes, er generelt begrænset til jernholdige materialer, selvom der er særlige tilfælde, såsom nitrering af nogle titanium- eller aluminiumlegeringer. De jernholdige metaller, der almindeligvis hærdes, er:
Lavt kulstofstål
Højt kulstofstål
Støbejern
Højstyrke lavlegeret stål
Værktøjsstål
Rustfri stål
Nogle almindelige komponenter, der er kassehærdede inkluderer:
Gear
Fastgørelsesmidler
Knastaksler
Stænger
Pins
