Khả năng chịu mài mòn và chống lõm là hai thuộc tính rất quan trọng của một số loại kim loại. Khi chọn một loại kim loại, một yếu tố quan trọng cần tính đến là độ cứng của nó, tức là thước đo các đặc tính đó. Bề mặt ngoài cùng của kim loại được cho là phần quan trọng nhất để xác định độ cứng lý tưởng. Điều này là do bề mặt bị va đập trực tiếp và bị mài mòn nhiều nhất. Một số kim loại trải qua một quá trình gọi là làm cứng vỏ để thay đổi độ cứng bề mặt của chúng nhằm đảm bảo độ cứng của chất nền kim loại là phù hợp.
Làm cứng vỏ là gì?
Làm cứng vỏ là một quá trình xử lý nhiệt nhằm làm cứng bề mặt của chất nền kim loại trong khi vẫn duy trì lõi mềm hơn. Điều này cho phép kết hợp các đặc tính tốt nhất của kim loại mềm và cứng thành một bộ phận.
So với vật liệu cứng, vật liệu mềm có thể chịu được áp lực va đập tốt hơn nhiều. Ngoài ra, nó bền hơn, dẻo hơn và cứng hơn nhưng khả năng chống mài mòn của nó không đủ. Để đảm bảo vật liệu không bị mài mòn hoặc ma sát, khả năng chống mài mòn tốt là điều cần thiết. Chúng ta có thể giảm thiểu đáng kể sự mài mòn của vật liệu mà không làm mất đi những đặc tính khác bằng cách chỉ làm cứng bề ngoài.
Một bề mặt mỏng, cứng có thể thu được bằng nhiều cách khác nhau, bao gồm bằng cách thêm các thành phần bổ sung vào bề mặt hoặc bằng cách thay đổi cấu trúc tinh thể. Nhưng nhiệt độ cao hầu như luôn luôn cần thiết để làm cứng vỏ, bất kể phương pháp nào.
Tại sao trường hợp cứng lại?
Có một số lý do để làm cứng một vật liệu thay vì cố gắng làm cứng toàn bộ vật kim loại. Một lý do là hiệu quả. Cần ít năng lượng hơn và ít thời gian hơn để làm nóng bề mặt ngoài cùng của kim loại so với toàn bộ mặt cắt ngang của nó. Những hiệu quả này có thể giúp tiết kiệm chi phí rất lớn trong hoạt động sản xuất quy mô lớn. Một lý do khác khiến việc làm cứng vỏ được sử dụng rộng rãi là vì hiệu suất. Sẽ có lợi hơn nếu sử dụng kim loại có lớp vỏ cứng bên ngoài và phần bên trong dẻo hơn. Một ví dụ về điều này là khi kim loại cần có khả năng chống mài mòn nhưng vẫn cần có khả năng hấp thụ lực tác động mà không dẫn đến gãy giòn hoàn toàn.
Tcác phương pháp làm cứng vỏ
Nguyên tắc làm cứng vỏ khá đơn giản. Chúng tôi muốn bề mặt tạo thành một cấu trúc cứng được gọi là martensite. Nhưng cấu trúc này chỉ hình thành khi các thành phần thép được tôi ở nhiệt độ cao và với điều kiện hàm lượng carbon trong hợp kim thép đủ cao.
Nếu hàm lượng carbon đủ thì chúng ta chỉ cần đun nóng và làm nguội bộ phận. Nhưng nếu hàm lượng carbon thấp hoặc nếu chúng ta cần độ cứng cực cao thì các nguyên tố như carbon và nitơ cần được thêm vào bề mặt vật liệu. Bây giờ chúng ta hãy xem xét các quy trình khác nhau được sử dụng để đạt được độ cứng trường hợp dựa trên các nguyên tắc nêu trên.
Sưởi ấm và làm nguội
Theo truyền thống, gia nhiệt và làm nguội đã được sử dụng để tiến hành làm cứng nhiều loại kim loại. Một phương pháp làm cứng vỏ kim loại là dùng ngọn lửa khí oxy trực tiếp vào thành phần thép. Việc sử dụng hệ thống sưởi cảm ứng thỉnh thoảng xảy ra. Nhiệt độ bề mặt của phần thép tăng nhanh trong cả hai trường hợp. Kết quả là cấu trúc tinh thể austenit thay thế cấu trúc tinh thể ngọc trai.
Khi đạt đến nhiệt độ cài đặt, bộ phận sẽ được làm lạnh nhanh chóng, thường bằng cách ngâm nó vào nước. Điều này làm thay đổi cấu trúc tinh thể một lần nữa, lần này từ austenite thành martensite, một cấu trúc đặc biệt cứng.
Vì chỉ có bề mặt trải qua sự thay đổi cấu trúc tinh thể nên phần này chỉ cứng lại ở bề mặt. Nhưng để bộ phận được hưởng lợi từ phương pháp này, phải có đủ lượng carbon trong vật liệu ban đầu. Trong trường hợp hàm lượng carbon thấp (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
thấm cacbon
Nếu mức carbon thấp hơn 0,3%, chúng ta phải bổ sung thêm carbon vào bộ phận trước khi cho nó vào quá trình đun nóng + làm nguội. Đưa một phần vào quá trình thấm cacbon là một cách để làm điều đó.
Quá trình cacbon hóa liên quan đến việc làm nóng thành phần thép trong một khoảng thời gian xác định trước khi có nguồn carbon bên ngoài. Cacbon từ chất cacbon khuếch tán vào kim loại ở nhiệt độ cao. Nhiệt lượng nhiều hơn và thời gian gia nhiệt lâu hơn khiến carbon được hấp thụ vào bề mặt kim loại sâu hơn.
Khi quá trình cacbon hóa làm tăng hàm lượng carbon của lớp bề mặt thép, chúng tôi đưa nó qua quá trình làm cứng bằng ngọn lửa hoặc làm cứng bằng cảm ứng để tăng độ cứng.
thấm nitơ
Đối với hợp kim thép có chứa các nguyên tố như nhôm, crom và molypden, chúng ta có thể sử dụng phương pháp thấm nitơ để làm cứng vỏ.
Bộ phận này được nung nóng với sự có mặt của khí nitơ và amoniac phân ly để tạo thành nitrua. Nitrua cũng làm tăng độ cứng của vật liệu.
Vì vật phẩm được làm nóng đến 620 độ (1150 độ F), quá trình thấm nitơ thường xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Sự khuếch tán và độ cứng tiếp theo sẽ sâu hơn khi nó được duy trì ở nhiệt độ này lâu hơn.
Những loại kim loại nào có thể được làm cứng?
Các kim loại có thể được làm cứng thường chỉ giới hạn ở vật liệu kim loại màu, mặc dù có những trường hợp đặc biệt như thấm nitơ vào một số hợp kim titan hoặc nhôm. Các kim loại màu thường được làm cứng là:
Thép carbon thấp
Thép với hàm lượng các bon cao
Gang thép
Thép hợp kim thấp cường độ cao
Thép công cụ
Thép không rỉ
Một số thành phần phổ biến được làm cứng bằng vỏ bao gồm:
bánh răng
Chốt
Trục cam
que
Ghim
