Was ist Oberflächenhärtung von Stahl? Wofür wird Oberflächenhärtung verwendet?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Die Kunst der Wärmebehandlung von Metallen ist der Menschheit seit langem bekannt. Die Handwerker, die an der Herstellung von Werkzeugen und insbesondere Waffen beteiligt waren, beherrschten es selbst oder lernten viele Jahre bei anderen erfahreneren Spezialisten. Geheimnisse wurden geheim geh alten, was natürlich die Verbreitung der Technologie verlangsamte, aber die Wettbewerbsfähigkeit eines bestimmten Herstellers von Produkten für einen bestimmten Zweck erhöhte. Eine der Techniken mittel alterlicher Waffenschmiede war das Oberflächenhärten, das den Schneiden und Spitzen von Schwertern und Säbeln eine besondere Härte verleiht, verbunden mit der Flexibilität der Klinge. Heute überraschen solche Eigenschaften niemanden mehr, Technologien sind massiv und weit verbreitet.

Warum sollte ein gewöhnlicher Mensch das alles wissen?

Dieser Artikel für Spezialisten in der thermischen Metallbearbeitung wird höchstwahrscheinlich wie eine Ansammlung von Plattitüden und bekannten Fakten erscheinen. Darüber hinaus können sie einige Ungenauigkeiten in der Terminologie finden. Die präsentierten Informationen sind nicht für sie bestimmt, sie richten sich an Personen, die weit von der Metallurgie entfernt sind, Amateure,diejenigen, die daran interessiert sind, wie sich ein gewöhnliches Tisch- oder Klappmesser in der Stärke von einer guten Klinge, der Oberflächenhärtung von der Volumenhärtung und ähnlichen Themen unterscheidet. Beim Kauf des einen oder anderen Artikels, der im Haush alt benötigt wird, sieht sich der Verbraucher mit einem erheblichen Preisunterschied konfrontiert. Der Verkäufer kann nicht immer qualifiziert und nachvollziehbar erklären, warum ein Werkzeug (z. B. ein Schraubenschlüssel) viel teurer ist als ein anderes mit allgemeiner äußerlicher Ähnlichkeit. Er wird höchstwahrscheinlich versuchen, sein Gehirn mit Konzepten und Begriffen zu „pudern“, die für den durchschnittlichen Laien unverständlich sind. Übersetzt in die Alltagssprache bedeuten diese Erklärungen, dass der verstellbare Schraubenschlüssel nicht bricht oder länger hält und dass das Schärfen viel seltener erforderlich ist (wenn der Kunde ein Messer kaufen möchte). "Oberflächenhärtung!" - Der Verkäufer wird auf mysteriöse Weise den Grund angeben und vor imaginärer Freude die Augen verdrehen. Was ist das?

Gegensätzliche Eigenschaften in einem Produkt

Wie aus dem Satz hervorgeht, wird in diesem Fall nur die äußere dünne Schicht des Produkts einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Tatsache, dass Stahl gehärtet werden muss, wird von allen vage erraten, auch von denen, die überhaupt nicht wissen, was es ist. Das unterscheidet es vom üblichen "Stück Eisen", weich und spröde. Aber warum genießt gerade das Oberflächliche eine solche Ehre? Das Härten dient der Veränderung der Eigenschaften des Metalls und nicht der Verbesserung, wie oft behauptet wird. Qualität, die in manchen Fällen nützlich ist, wird in anderen schädlich. Die Feile ist hart, weil sie Eisen, Aluminium oder Bronze leicht bearbeiten kann, aber wenn Sie versuchen, sie zu biegenoder schlagen Sie mit einem Hammer darauf, es wird brechen. Gleiches gilt für das Bügelsägeblatt, das bei falschem Schnittwinkel oft bricht. Um Härte kombiniert mit Flexibilität oder Duktilität zu verleihen, wird eine Oberflächenhärtung angewendet. Danach können die Eigenschaften des Produkts manchmal gegensätzliche Eigenschaften kombinieren, die für verschiedene Kristallstrukturen charakteristisch sind. Jetzt müssen wir uns mit einigen materialwissenschaftlichen Details befassen.

Die einfachsten Ideen über die Polymorphie von Metallen

Dasselbe Metall kann je nach Form des Kristallgitters unterschiedliche physikalische Eigenschaften (Härte, Zähigkeit, Duktilität, Flexibilität, Elastizität usw.) haben. Diese Fähigkeit, mechanische Parameter zu verändern, nennt man Polymorphie. Vor langer Zeit bemerkten die Menschen bei der Herstellung primitiver Waffen, dass sich das eine oder andere Schwert oder Beil als erfolgreicher herausstellte, seine Schärfe länger beibehielt und nicht brach. Natürlich waren unsere Vorfahren mit den molekularen Strukturen des Metalls nicht vertraut, sie kamen zu allem intuitiv und empirisch. So entdeckten sie empirisch, dass, wenn die Spitze erhitzt wird, ihre Temperatur von den Schattierungen des Glühens abhängt. Bei schneller Abkühlung verändert sich etwas im Metall, es wird entweder härter oder flexibler. Wenn es erneut erhitzt wird, wird es wieder dasselbe und manchmal sogar noch schlimmer. Zu dieser Zeit entstanden ganz konkrete Vorstellungen darüber, was zum Beispiel ein ideales Jagdmesser sein sollte. Die Oberflächenhärtung wurde auch damals verwendet, aber häufigerEs wurde das sogenannte Lokal verwendet, dh eines, bei dem die Spitze fest, die Mitte der Klinge flexibel und der Teil der Klinge neben dem Griff aus Kunststoff war (ein wenig biegen lassen, aber nicht brechen)..

Was ist drinnen los

Ohne auf besondere Details einzugehen, sollte beachtet werden, dass die Struktur von gehärtetem Stahl aus drei Haupttypen besteht: Martensit, Troostit und Sorbit. Die mechanischen Eigenschaften hängen vom Verhältnis dieser Kristallformationen ab. Dabei spielt es keine Rolle, welche davon und wie sich auf die Härte auswirkt. Das Ergebnis hängt davon ab, wie heiß das Metall ist und wie schnell es abkühlt. Daher kann eine Oberflächenverhärtung bei einer Erhöhung der Temperatur der oberen Schicht und anschließender Abkühlung auftreten, entweder als Ergebnis einer Wärmeübertragung an die äußere Umgebung (Flüssigkeiten, meistens Öl, Wasser und Sole, Luft oder andere Mittel) oder aufgrund zu seinem teilweisen Austritt in das Produkt. Dabei treten je nach Erreichen der kritischen Temperatur schichtweise polymorphe Umwandlungen auf, die sich auf die Bildung einer neuen Kristallstruktur auswirken.

Dadurch ergibt sich eine Änderung in folgenden Zonen:

- Oberteil gehärtet.

- Zwischenstufe, teilweise gehärtet. Sie wird auch Wärmeeinflusszone genannt.

- Bereich reduzierter Härte.

- Unveränderter Innenraum.

Oberflächenhärteverfahren

Erstelle eine oberste Ebene miterhöhte Härte, in mehrfacher Hinsicht. Waggonfedern werden einfach mit kleinen Metallkugeln (Schrot) beschossen, die eine Oberflächenversiegelung erzeugen, während das Innenvolumen des Metalls plastisch genug bleibt, um einer dauerhaften mechanischen Belastung standzuh alten. Als älteste Methode gilt das schnelle Erhitzen eines Objekts auf offenem Feuer, begleitet von Sprühen oder Strahlströmen. Durch diese Technologie wird ein traditionelles orientalisches gebogenes Messer (Karambit) hergestellt. Eine Oberflächenhärtung kann auch durch intensive Kühlung erfolgen. Bekannt sind auch Gasplasma-, Induktions-, Laser- und andere Verfahren. Einige von ihnen sind es wert, darüber nachzudenken.

HDTV

Mitte der 1930er Jahre erfand der sowjetische Wissenschaftler V. P. Vologdin ein Verfahren, um großen Teilen unter Verwendung von Hochfrequenzströmen eine bestimmte ungleichmäßige molekulare Struktur zu verleihen. Der Maschinenbau entwickelte sich rasant, die Industrie brauchte Technologien, die eine Massenproduktion ohne Qualitätseinbußen sicherstellten. Die Oberflächenhärtung von HDTV basiert auf dem Phänomen der Induktion. Die Besonderheit des Verfahrens liegt in der Abhängigkeit der Dicke der erhitzten Schicht von der Frequenz und Größe des Stroms in der Strahlerschleife. In diesem Fall ist das Ergebnis mit hoher Wahrscheinlichkeit vorhersagbar, wodurch die Qualitätskontrolle stark vereinfacht wird. Außerdem ist das Verfahren anwendbar auf die Verarbeitung von Gesamtprodukten und -baugruppen, wie etwa Kurbelwellen und anderen großen Objekten, die sequentiell entlang des Induktors bewegt werden können.die gesamte Länge freigelegt. Bei dieser Technologie ist es schwierig, die Parameter für die Bearbeitung kleiner und flacher Objekte, wie z. B. eines Messers, auszuwählen. Die Oberflächenhärtung mit Hochfrequenzströmen ist bei relativ voluminösen Produkten anwendbar, deren Festigkeit und Verschleißfestigkeit von den mechanischen Eigenschaften der Deckschicht abhängen.

Merkmale der Verwendung des HDTV-Verfahrens

Die Methode wurde unter den Bedingungen der schnellen Entwicklung der Maschinenbauindustrie entwickelt, der wichtigsten für das Verteidigungspotential der UdSSR, die sich in den Besonderheiten ihrer Anwendung manifestierte. Die wichtigsten Teile von Traktoren, Panzern, Automobilen oder Flugzeugen sind nicht groß genug, um in den Rahmen eines kompakten Induktors eingebaut zu werden, es war zu teuer, die Ausrüstung für jeden von ihnen herzustellen, und wenn sie auf der Grundlage der größten Abmessungen hergestellt wurde, dann wurden die Energiekosten enorm. Das Induktionseinsatzhärten wird jedoch auf alle Produkte angewendet, von relativ kleinen bis hin zu großen. Beispielsweise werden Zahnräder nacheinander mit HDTV belichtet und drehen sich Zahn für Zahn. Die Elemente der Kurbelwellen und Kardanwellen werden kontinuierlich und sequentiell erwärmt und bewegen sich im festen Rahmen des Induktors, während der Kühler (Sprayer) unmittelbar danach in den technologischen Prozess einbezogen wird. Am Ende der Maschine wird das Werkstück sofort mit Wasser besprüht (daher der Name, Konsonant zu „Spray“).

Nun, Produkte mit kleiner Härtefläche werden als Ganzes in den Induktor gelegt und auf die gleiche Weise gekühlt.

Laser

Dieses Gerätin unserer Zeit, die in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit ziemlich weit verbreitet ist, hat Anwendung in der Metallbearbeitung gefunden. Das Verfahren erfordert keine nachträgliche Abkühlung, da der Strahl nur kurzzeitig auftrifft und die oberste Schicht des Metalls beeinflusst, was zu den gewünschten Veränderungen der Kristallstruktur führt. "Laserschärfen" sorgt wirklich dafür, dass das Schneidwerkzeug nicht lange geschärft werden muss (es wird hauptsächlich für sie verwendet), wenn diese Methode wirklich bei seiner Herstellung angewendet wird. Allerdings ist zu bedenken, dass in unserem Fälschungszeit alter die Aufschrift auf dem Produkt nicht immer der Wahrheit entspricht. Manchmal ist auch ein billiges Schmetterlingsmesser, das an einem Straßenstand verkauft wird, mit einer solchen Marke verziert. Das Oberflächenhärten mit einem Laserstrahl ist eine teure Technologie, die nur führenden Werkzeugherstellern zur Verfügung steht.

k alt

Die physikalische Grundlage des Verfahrens war die Entdeckung des Phänomens der Erhöhung der Härte von Stahl als Folge des Übergangs der austenitischen Struktur zu martensitischer Struktur während des Tiefgefrierens. Eine solche Oberflächenhärtung wird nach dem von A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich und S. S. Shtenberg in der UdSSR entwickelten Verfahren durchgeführt. Es gilt für Kohlenstoff (mit mehr als 0,5 Prozent C) und legiertem Stahl für spezielle Zwecke, wie z. B. für die Herstellung von Hochgeschwindigkeitsschneidern und anderen Spezialwerkzeugprodukten.

Elektroheizung

Im Allgemeinen ist es nach dem gleichen Prinzip wie das Induktionshärten aufgebaut, mit dem einzigen Unterschied, dass die Erwärmung aufgrund von Widerstand erfolgtDurchgangsstrom von großen Werten und dem Widerstand des Teils. Die Frequenz der Eingangsspannung beeinflusst in gleicher Weise die Tiefe der erhitzten Schicht, und je höher sie ist, desto dünner ist sie. Die Oberfläche erhöhter Härte kann von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren seiner Einheiten reichen. Sie hängt von den Anforderungen an das Produkt und dessen Abmessungen ab. Im Vergleich zu HDTV hat das elektroresistive Verfahren einen größeren Bereich an Strömen, Temperaturen und Schichttiefen. Mit ihrer Hilfe kann zum Beispiel ein so massiver und von besonderer Qualität verlangender Gegenstand wie ein Soldatenbajonettmesser hergestellt werden. Die Oberflächenhärtung durch elektrische Erwärmung erfordert ein technologisch geprüftes Kühlregime in Öl, Wasser oder anderen wärmeaufnehmenden Medien.

Schlussfolgerungen

Die Hauptaufgabe der Oberflächenhärtung ist also eine solche Verteilung der Kristallstruktur im Inneren des Produkts, bei der Sorten von Sorbit oder Troostit darin verbleiben und außen eine Martensitschicht gebildet wird. Dies kann durch verschiedene Methoden erreicht werden, von den einfachsten und ältesten bis zu den technologisch fortschrittlichsten und modernsten. In jedem Fall erfordert das hochwertige Härten von Stahl eine hohe Qualifikation und Genauigkeit unter Einh altung der Produktionsvorschriften. Ein nach allen Regeln hergestelltes Produkt kann nicht billig sein. Aus diesem Grund sind sowohl ein gutes Küchenmesser als auch Karambit teuer. Das Oberflächenhärten mit einem Laserstrahl wird am häufigsten nur für Schneidwerkzeuge verwendet.