Odporność na ścieranie i wgniatanie to dwie bardzo ważne cechy niektórych rodzajów metali. Twardość, będąca miarą tych właściwości, jest kluczowym czynnikiem przy podejmowaniu decyzji o wyborze metalu. Aby zapewnić odpowiednią twardość podłoża metalowego, niektóre metale zmieniają swoją twardość powierzchniową metodą zwaną hartowaniem powierzchniowym.

Hartowanie powierzchniowe to technika poprawy trwałości i wyglądu powierzchni metalu, w której powierzchnia metalu jest wzmacniana przez dodanie cienkiej warstwy na górnej powierzchni innego stopu metalu. Cienka warstwa stopu jest zwykle twardsza i bardziej wytrzymała niż oryginalny metal.

Co to jest hartowanie powierzchniowe?

Hartowanie powierzchniowe nazywane jest także "hartowaniem powierzchniowym". Jest to proces obróbki cieplnej, który powoduje utwardzenie powierzchni części metalowej przy zachowaniu względnej miękkości jej wnętrza.

W przypadku żelaza lub stali o niskiej zawartości węgla utwardzanie powierzchniowe polega zwykle na dodaniu do powierzchni dodatkowego węgla lub azotu. Metale w stanie stałym zawierają cząsteczki i atomy, które są ciasno upakowane w strukturze krystalicznej. Gdy węgiel dyfunduje z materiału węglowego na powierzchni stali niskowęglowej lub stali stopowej do struktury krystalicznej, wytrzymałość i twardość warstwy zewnętrznej gwałtownie wzrasta. Głębokość dyfuzji węgla w powłoce może być precyzyjnie kontrolowana w celu określenia właściwości mechanicznych powłoki.

Dlaczego warto hartować powierzchniowo?

Istnieje wiele powodów, dla których warto hartować materiał powierzchniowo, zamiast próbować zahartować cały metalowy przedmiot. Jednym z nich jest efektywność. W porównaniu z całym przekrojem poprzecznym metalu, nagrzanie jego zewnętrznej powierzchni wymaga mniej energii i czasu. W przypadku produkcji wielkoseryjnej taka efektywność może przynieść znaczne oszczędności.

Części hartowane powierzchniowo są bardzo przydatne w przypadku części, które mają stały kontakt z częściami twardymi lub ściernymi, ponieważ części hartowane powierzchniowo są bardziej odporne na zużycie i są zwykle mocniejsze niż części poddane procesowi hartowania, ponieważ rdzeń części hartowanych powierzchniowo jest miękki, więc może wytrzymać większe naprężenia bez pękania. W procesie hartowania powierzchniowego niższe temperatury są również stosowane do różnych metali (np. cienkich warstw stali) podczas procesu produkcyjnego, aby zapobiec ich deformacji.

Rodzaje metod hartowania powierzchniowego

Nagrzewanie i hartowanie

Nazywane również hartowaniem płomieniowym lub indukcyjnym. Jak sama nazwa wskazuje, w tym procesie hartowania powierzchniowego metali wykorzystuje się płomień lub ciepło. W tym procesie elementy ze stali wysokowęglowej są podgrzewane do ekstremalnych temperatur za pomocą płomienia tlenowego lub ogrzewania indukcyjnego, a następnie podgrzane elementy ze stali węglowej są szybko chłodzone za pomocą chłodziwa (zwykle wody). Takie hartowanie płomieniowe daje dobre efekty tylko w przypadku stali lub żelaza o odpowiedniej zawartości węgla. Zawartość węgla musi wynosić 0,3-0,6wt%C. W przypadku stali lub żelaza o zawartości węgla niższej od tej wartości stosuje się inne procesy, takie jak azotowanie i nawęglanie.

Azotowanie

Azotowanie to kolejna forma technologii hartowania powierzchniowego. W tym procesie części stalowe są podgrzewane do temperatury 484-621°C w środowisku amoniaku i zdysocjowanego amoniaku. Głębokość utwardzonej powierzchni zależy od tego, jak długo element stalowy pozostaje w środowisku amoniaku. W tej metodzie do utwardzenia powierzchni części stalowych należy wykorzystać takie pierwiastki, jak chrom, molibden i aluminium, które tworzą azotki. Podwyższona temperatura i kontakt z azotem sprzyjają powstawaniu azotków, które są z natury bardzo twarde i odporne na zużycie. Proces ten jest skuteczny tylko wtedy, gdy metal hartuje się z udziałem pierwiastków, które mogą tworzyć azotki (takich jak chrom i molibden). Azotowanie wymaga zwykle niższej temperatury niż nagrzewanie i hartowanie, a także nie wymaga procesu hartowania, co zmniejsza deformację.

Nawęglanie

Nawęglanie to kolejna forma hartowania powierzchniowego, która jest szeroko stosowana do poprawy właściwości mechanicznych substratów stalowych. W procesie nawęglania stop stali jest podgrzewany do wysokiej temperatury, a następnie poddawany działaniu dużej ilości węgla na jego powierzchni. W zależności od wymagań danego zastosowania, zewnętrznym źródłem węgla może być gaz, ciecz lub ciało stałe. Duża ilość węgla z zewnątrz tworzy węgliki z innymi pierwiastkami na powierzchni stali. Węgliki te zapewniają wyższą twardość i odporność na zużycie. Podobnie jak w przypadku azotowania, wymagania dotyczące nagrzewania są zwykle niższe i mogą powodować mniejsze odkształcenia.

Zalety hartowania powierzchniowego

1. Hartowanie powierzchniowe zwiększa trwałość i ekonomiczność części stalowych

Jedną z głównych zalet hartowania powierzchniowego jest to, że zapewnia ono większą trwałość elementów stalowych. Wytrzymałość mechaniczna i twardość powierzchni uzyskana w wyniku hartowania powierzchniowego, a także zachowanie miękkiego rdzenia, znacznie poprawiają odporność na zużycie i trwałość zmęczeniową elementu. Zachowanie bardziej miękkiego rdzenia może poprawić zdolność do pochłaniania energii wyzwolonej przez obciążenie udarowe, co przyczynia się do wydłużenia okresu eksploatacji i daje korzyści ekonomiczne.

2. Hartowanie powierzchniowe umożliwia wykorzystanie stali o doskonałej obrabialności do ciężkich zastosowań

Stopy używane do pracy przy dużych obciążeniach charakteryzują się zazwyczaj niską skrawalnością, ponieważ muszą być twardsze i wytrzymalsze. W tym przypadku proces hartowania powierzchniowego umożliwia wykorzystanie stali niskowęglowej o doskonałej skrawalności do produkcji broni i pistoletów, a także do innych zastosowań wymagających wytrzymałości mechanicznej, dokładnej obróbki powierzchni i precyzyjnej geometrii. Hartowanie powierzchniowe po obróbce zapewnia doskonałą odporność na ścieranie i twardość powierzchni precyzyjnie obrabianych części.

3. Hartowanie powierzchniowe poprawia spawalność stali

Hartowanie powierzchniowe poprawia spawalność stali, co jest ważne w niektórych zastosowaniach inżynierskich.

4. Hartowanie powierzchniowe przez azotowanie może zminimalizować odkształcenia

Hartowanie powierzchniowe stali przez azotowanie pozwala uzyskać tanią, odporną na zużycie powierzchnię nośną o minimalnym odkształceniu. W temperaturze około 150°C (302°F) azotowana powierzchnia nie traci twardości jak stal nawęglana.

Wniosek

W zastosowaniach, w których elementy są narażone na obciążenia udarowe, wibracje i niewspółosiowość, stal nawęglana jest najlepszym wyborem. W odróżnieniu od stali hartowanej przelotowo, stal niskowęglowa i stopowa hartowana powierzchniowo staje się twarda, mocna, wytrzymała i nie jest krucha. Hartowanie powierzchniowe pozwala także uzyskać powierzchnię odporną na ścieranie, zapewniając trwałość i niezawodność.