Методы определения твердости металлов и способы ее повышения

Закалка металлов и сплавов (упрочнение поверхности) — это процесс, включающий в себя широкий спектр технологических методов, который используется для повышения износостойкости деталей без воздействия на более мягкую и прочную внутреннюю часть. Увеличение твёрдости металла полезно при изготовлении таких деталей, как кулачковая или кольцевая шестерня, подшипники или валы, рабочие органы плугом и культиваторов, которые должны иметь очень твёрдую поверхность для сопротивления износу, а также жёсткую внутреннюю поверхность для сопротивления ударам, возникающим во время эксплуатации. Твёрдость металлов и сплавов играет основную роль в процессе закалки.

ТВЁРДОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ: ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Твёрдость металлов может характеризоваться как сопротивление проникновению, царапанию, резанию или истиранию. В зависимости от того, какое из перечисленных выше обстоятельств является наиболее интересным в конкретном случае, используются различные виды испытаний на твёрдость. Компоненты, влияющие на твёрдость металлов, включают микроструктуру, размер зерна, деформационное упрочнение и т. д. Обычно увеличение твёрдости металла до желаемого уровня осуществляется методом термической обработки или закалки.

Когда металлы подвергаются термической обработке, это влияет на их микроструктуру и позволяет легко изменять уровень твёрдости. Для определения твёрдости металлов широко используются следующие методы:

Испытание на твёрдость. Используется стальной шарик, который вдавливается в образец под действием различной нагрузки, которая поддерживается в течение 15-30 секунд. Затем рассчитывается число твёрдости по Бринеллю. Оно основано на площади вдавливания. Обычно это делается с помощью микроскопа. Если диаметр вмятины больше, это соответствует более низкому числу Бринелля и более мягкому материалу.

Испытание на твёрдость по Роквеллу. Проникающие элементы, используемые в твердомере Роквелла, варьируются от очень маленьких алмазных наконечников до стального шарика диаметром 3-4 см. Маленькие наконечники обычно используются для более твёрдых материалов, которые демонстрируют большую устойчивость к вдавливанию. Для различных материалов используются различные шкалы силы.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЗАКАЛКИ МЕТАЛЛА

Существует два совершенно разных подхода к различным методам поверхностной закалки:

• Методы, предполагающие намеренное наращивание или добавление нового слоя.
• Методы, предусматривающие модификацию поверхности и подповерхности без намеренного наращивания или увеличения размеров детали.

Методы первой группы включают использование тонких плёнок, покрытий или накладок на сварные швы которые обычно становятся менее рентабельными при увеличении объёмов производства, особенно когда необходимо повысить прочность всей поверхности деталей. Усталостные характеристики плёнок, покрытий и накладок также могут быть ограничивающим фактором, в зависимости от прочности связи между основой и дополнительным слоем.

ДИФФУЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ЗАКАЛКИ МЕТАЛЛА

Методы упрочнения диффузией включают несколько вариантов упрочняющих элементов (таких как углерод, азот или бор) и технологического метода, используемого для обработки и транспортировки упрочняющих элементов к поверхности детали. Технологические методы воздействия предполагают использование упрочняющих элементов в таких формах, как газ, жидкость или ионы. Эти вариации процесса естественным образом приводят к различиям в типичной глубине и твёрдости корпуса. Факторы, влияющие на пригодность конкретного метода диффузии, включают тип стали, желаемую твёрдость корпуса, глубину корпуса, желаемый профиль корпуса и стоимость.

НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ И КАРБОНИТРИРОВАНИЕ

Науглероживание — это добавление углерода к поверхности низкоуглеродистой стали при температуре обычно между 850 и 980 ºC, при которой аустенит с его высокой растворимостью для углерода является стабильной кристаллической структурой. Закалка металлов и сплавов осуществляется, когда высокоуглеродистый поверхностный слой закаливается для формирования мартенситного слоя с хорошим сопротивлением износу и усталости, наложенного на прочную сердцевину из низкоуглеродистой стали. Из различных диффузионных методов наиболее широко используется газовое науглероживание, за которым следуют газовое азотирование и карбонитрирование.

АЗОТИРОВАНИЕ И НИТРОКАРБЮРИЗАЦИЯ

Азотирование — это поверхностно-упрочняющая термическая обработка, при которой азот вводится в поверхность стали при температуре от 500 до 550 °C, пока она находится в ферритном состоянии. Поскольку азотирование не включает нагрев до фазы аустенита с закалкой для образования мартенсита, основная цель закалки металла данным методом заключается в создании минимального искажения и точного контроля размеров.