Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Металл бұйымның бетін қатайту процесі – ағаш өңдеу термині.
Process of hardening the surface of a metal object
the woodworking term
Case hardening немесе Carburization – төмен көміртекті темір немесе, көбінесе, төмен көміртекті болат бұйымның бетін қатайту үшін көміртекті енгізу процесі. Көміртегінің мөлшері 0,02%-дан жоғары болатын темір болат деп аталады. Көміртегінің мөлшері 0,25%-дан жоғары болатын болатты 600°С-қа дейін қыздырып, содан кейін суға батырып тез суыту арқылы тікелей қатайтуға болады. Қаттылау металл компоненттер үшін қажет, себебі ол беріктікті және тозуға төзімділікті арттырады, бірақ қаттыланған болат әдетте жұмсақ күйіндегіден осал және пішімделмейтін болады. Көміртегі 0,2%-дан аз болатын болаттардың бетін қатайту үшін, көміртегімен бай заттарды, мысалы, ұнтақ көмір немесе көмірсутекті газды қыздыру арқылы болатқа енгізуге болады. Бұл көміртектің болат бетіне таралуына себеп болады. Бұл жоғары көміртекті қабаттың тереңдігі уақытқа байланысты, бірақ 0,5 мм – әдеттегі тереңдік. Мұны жасағаннан кейін болатты қыздырып, көміртегі жоғары "қабығын" қатайту үшін сөндіру керек. Бұл қабық астындағы болаттың ядросы төмен көміртегі мөлшеріне байланысты жұмсақ болып қалады.
Case hardening or Carburization is the process of introducing carbon to the surface of a low carbon iron or much more commonly low carbon steel object in order to enable the surface to be hardened. Iron which has a carbon content greater than ~0.02% is known as steel. Steel which has a carbon content greater than ~0.25% can be direct hardened by heating to around 600C and then quickly cooling, often by immersing in water, this being known as quenching. Hardening is desirable for metal components because it gives increased strength and wear resistance, the trade off being that hardened steel is generally more brittle and less malleable than when it is in its softer state. In order to produce a hard skin on steels which have less than ~0.2% carbon, carbon can be introduced into the surface by heating steel in the presence of some carbon rich substance such as powdered charcoal or hydrocarbon gas. This causes carbon to diffuse into the surface of the steel. The depth of this high carbon layer depends on the exposure time, but 0.5mm is a typical case depth. Once this has been done the steel must be heated and quenched to harden this higher carbon 'skin'. Below this skin, the steel core will remain soft due to its low carbon content.
Тарих
Ерте темір балқытуда темір кенін металл темірге айналдыратын, оны от пен ағаш көмірін жанған пешке қыздырып, гүлдену залдарын қолданған. Бұл әдіспен қол жеткізілетін температуралар, әдетте, темірдің балқу нүктесінен төмен болғандықтан, ол шын мәнінде балқытылмаған, бірақ оның орнына кеуекті металл темір / шлак матрицасына айналдырылған. Бұл матрицаға кейін қышқылдан мүмкіндігінше көп бөлігін алу үшін қайта қыздыру және соғу қажет болды, содан кейін құралдар жасауға болатын төмен көміртегілі, иілгіш темірді өндіру үшін. Көміртегі мөлшері аз болғандықтан, балқытылған темір өте жұмсақ, сондықтан пышақ сияқты нәрсені өте өткір ұстауға болмайды; ол тез тойып, оңай бүгіледі. Отынды балқыту техникасы жақсарған сайын, пештің температурасы жоғары болды, ол темірді толық балқытуға жеткілікті болды. Алайда, осы процесте темірді қыздыру үшін пайдаланылған көміртек немесе кокс көміртекті сіңірді. Нәтижесінде 3% -ға жуық көміртегі бар балқытылған темір пайда болды, ол құйма темір деп аталды. Бұл сұйық темір күрделі пішіндерге құйылуы мүмкін, бірақ оның құрамында көміртегі көп болғандықтан, ол өте сымбатты, мүлдем иілмейтін және пышақ сияқты нәрсеге мүлдем жарамсыз болды. Қосымша өңдеу құйма темірден артық көміртегін алып тастау және иілгіш балқытылған темірді жасау үшін қажет болды (оның соңғы дамуы Бессемер конвертері және Сименс процесі). Құйма темірден көміртегінің барлық бөлігіне жуық бөлігін алып тастағаннан кейін, металл өте икемді және серпімді, бірақ қатты емес, сондай-ақ қыздыру және сөндіру арқылы қатайтуға қабілетті болды. Бұл жағдай қаптаманы қатайтуды енгізуге әкелді. Нәтижесінде қалың қатқылданған өнімде төмен көміртекті болаттан жасалған өзектің иілгіштігі мен беріктігі, жоғары көміртекті болаттан жасалған сыртқы қабықтың қаттылығы мен беріктігі біріктіріледі. Көміртекті темірдің бетіне жағудың дәстүрлі әдісі темірді көміртекті материалға бай қоспаға, мысалы, ұсақ сүйек пен ағаш көміріне немесе былғары, тырнақ, тұз және зәр қоспасына, барлығы жақсы бекітілген қорапқа ("жәшік") салуды білдіреді. Осы карбюрациялау пакетін жоғары температураға дейін қыздырады, бірақ темірдің балқу температурасынан төмен және сол температурада ұзақ уақыт қалдырылады. Қаптама жоғары температурада қаншалықты ұзақ сақталса, көміртек темірдің бетінде соншалықты терең таралады. Әр түрлі мақсаттар үшін әртүрлі қатаю тереңдігі қажет: өткір құралдар жұмсақ өзекті ашпай, ұнтақтау мен қайта қайрауды қамтамасыз ету үшін терең қатаюды қажет етеді, ал тісті дөңгелектер сияқты машина бөлшектері тозуға төзімділігін арттыру үшін тек қана беткі қатаюды қажет етуі мүмкін. Егер көміртек материалы жоғарыда сипатталғандай органикалық заттардың араласқыны болса, онда алынған қатқылданған бөлікте айқын бетінің түсі өзгеруі байқалуы мүмкін. Болат қатты қарарып, сүйек пен көмірдің қоспасынан түзілген түрлі қоспалардан пайда болған қара, көк және қызғылт түсті бояулар болады. Бұл оксид беті көкшілденуге ұқсас жұмыс істейді, ол коррозияға төзімділік дәрежесін, сондай-ақ тартымды бітіруді қамтамасыз етеді. Қаптаманың бояуы осы үлгіге қатысты және оны атыс қаруларының сәндік бітіруі ретінде жиі кездестіреді. Қалқалы қатқылданған болат өте қаттылық пен өте беріктікті біріктіреді, бұл біртекті қорытпалармен оңай сәйкес келмейді, өйткені қатты біртекті болаттар, әсіресе қаттылығы тек көміртегі құрамына байланысты болаттар, сынық болады. Никель, хром және/немесе молибденді құрайтын қорытпа болаттардың қаттылығы, беріктігі немесе серпімділік мәндері өте жоғары болуы мүмкін, бірақ төмен көміртекті өзегі бар қаптамалы қатты бұйымға қарағанда қымбат.
Early iron smelting made use of bloomeries which converted iron ore into metallic iron by heating it in a furnace which burnt wood and charcoal. Because the temperatures that could be achieved by this method were generally below the melting point of iron, it was not truly smelted, but instead converted into a spongy metallic iron/slag matrix. This matrix then required re heating and hammering to extract as much of the slag as possible, in order to produce a low carbon malleable wrought iron which could then be forged into tools etc. Due to its low carbon content, wrought iron is quite soft, so something like a knife blade could not be kept very sharp; it would blunt quickly and bend easily. As smelting techniques improved, higher furnace temperatures could be achieved which were sufficient to fully melt iron. However, in the process, the iron picked up carbon from the charcoal or coke used to heat it. This resulted in molten iron with a carbon content of around 3%, which was termed cast iron. This liquid iron could be cast into complex shapes, but due to its high carbon content, it was very brittle, not at all malleable, and totally unsuitable for something like a knife blade. Further processing was required to remove the excess carbon from cast iron and create malleable wrought iron (the ultimate developments of this being the Bessemer converter and the Siemens process). After the removal of almost all carbon from cast iron, the result was a metal that was very malleable and ductile but not very hard, nor capable of being hardened by heating and quenching. This led to the introduction of case hardening. The resulting case hardened product combines much of the malleability and toughness of a low carbon steel core with the hardness and resilience of the outer high carbon steel skin. The traditional method of applying the carbon to the surface of the iron involved packing the iron in a mixture of carbon rich material such as ground bone and charcoal or a combination of leather, hooves, salt and urine, all inside a well sealed box (the "case"). This carburizing package is then heated to a high temperature but still under the melting point of the iron and left at that temperature for a length of time. The longer the package is held at the high temperature, the deeper the carbon will diffuse into the surface. Different depths of hardening are desirable for different purposes: sharp tools need deep hardening to allow grinding and resharpening without exposing the soft core, while machine parts like gears might need only shallow hardening for increased wear resistance. The resulting case hardened part may show distinct surface discoloration, if the carbon material is mixed organic matter as described above. The steel darkens significantly and shows a mottled pattern of black, blue, and purple caused by the various compounds formed from impurities in the bone and charcoal. This oxide surface works similarly to bluing, providing a degree of corrosion resistance, as well as an attractive finish. Case colouring refers to this pattern and is commonly encountered as a decorative finish on firearms. Case hardened steel combines extreme hardness and extreme toughness, which is not readily matched by homogeneous alloys since hard homogeneous steels tend to be brittle especially those steels whose hardness relies on carbon content alone. Alloy steels containing nickel, chromium, and/or molybdenum can have very high hardness, strength, or elongation values, but at a greater cost than a case hardened item with a low carbon core.
Қазіргі заманғы қолданысы
Көміртекті және қорытпалы болаттар корпусты қатайтуға жарамды; әдетте, төмен көміртекті, әдетте 0,3%-дан кем көміртегі мөлшері бар жұмсақ болаттар қолданылады (толық ақпарат алу үшін қарапайым көміртекті болатқа қараңыз). Бұл жұмсақ болаттар көміртегінің аз мөлшеріне байланысты қатайтылмайды, сондықтан қатайту қабілетін арттыру үшін болаттың беткі қабаты химиялық түрде өңделеді. Корпусты қатайту – болаттың сыртқы қабатына жоғары температурада көміртекті (карбюризациялау), азотты (нитридтеу) және/немесе борды (боридтеу) диффузиялау арқылы, содан кейін беткі қабатын қажетті қаттылыққа дейін жылумен өңдеу нәтижесінде пайда болады. "Корпусты қатайту" термині карбюризация процесінің ерекшеліктерінен туындаған, ол негізінен ежелгі технологиямен бірдей. Болат өнімшесі көміртекті негізгі қосылыстармен тығыз толтырылған корпус ішіне орналастырылады. Бұл жиынтық түрде карбюризациялық пакет деп аталады. Пакет белгілі бір уақытқа ыстық пешке салынады. Уақыт пен температура беткі қабаттың қаншалықты терең қатайтынын анықтайды. Дегенмен, қатаю тереңдігі қатты болатқа көміртектің терең диффузиялану мүмкін еместігімен шектеледі, ал осы әдіспен беткі қабатты қатайту тереңдігі 1,5 мм-ге дейін жетеді. Қазіргі заманғы карбюризацияда көміртегіге қаныққан атмосферада қыздыру сияқты басқа да әдістер қолданылады. Кішкентай бұйымдарды отпен қайталап қыздыру және көміртегіге қаныққан ортада (мысалы, Kasenit / Casenite немесе "Cherry Red" сияқты коммерциялық өнімдер) сөндіру арқылы корпусты қатайтуға болады. Бұл қосылыстардың ескі түрлерінде улы цианидтер болуы мүмкін, ал "Cherry Red" сияқты жаңа түрлерінде олар жоқ.
Both carbon and alloy steels are suitable for case hardening; typically mild steels are used, with low carbon content, usually less than 0.3% (see plain carbon steel for more information). These mild steels are not normally hardenable due to the low quantity of carbon, so the surface of the steel is chemically altered to increase the hardenability. Case hardened steel is formed by diffusing carbon (carburization), nitrogen (nitriding) and/or boron (boriding) into the outer layer of the steel at high temperature, and then heat treating the surface layer to the desired hardness. The term case hardening is derived from the practicalities of the carburization process itself, which is essentially the same as the ancient process. The steel work piece is placed inside a case packed tight with a carbon based case hardening compound. This is collectively known as a carburizing pack. The pack is put inside a hot furnace for a variable length of time. Time and temperature determines how deep into the surface the hardening extends. However, the depth of hardening is ultimately limited by the inability of carbon to diffuse deeply into solid steel, and a typical depth of surface hardening with this method is up to 1.5 mm. Other techniques are also used in modern carburizing, such as heating in a carbon rich atmosphere. Small items may be case hardened by repeated heating with a torch and quenching in a carbon rich medium, such as the commercial products Kasenit / Casenite or "Cherry Red". Older formulations of these compounds contain potentially toxic cyanide compounds, while the more recent types such as Cherry Red do not.
Карбюрациялау
Карбюрациялау – 0,1-0,3 массалық % С көміртегі мөлшеріне ие болаттарды беттік қатайту үшін қолданылатын процесс. Бұл процесте темір көміртегіге қаныққан ортаға белгілі бір уақыт бойы жоғары температурада ұшыратылады, содан кейін көміртектің құрылымға сіңіп қалуы үшін сөндіріледі; ең қарапайым әдістердің бірі – ацетилен оттығымен жалынмен бір бөлікті қайта-қайта қыздыру және оны май сияқты көміртегіге қаныққан сұйықтықта сөндіру. Карбюрациялау – диффузиямен басқарылатын процесс, сондықтан болат көміртегіге қаныққан ортада неғұрлым ұзақ ұсталса, көміртектің енуі соғұрлым терең болады және көміртегінің мөлшері де соғұрлым артады. Карбюрацияланған бөліктің көміртегі мөлшері оны жалынмен немесе индукциялық қатайту арқылы қайтадан қатайтуға жеткілікті деңгейде болады. Бөлшектің тек бір бөлігін ғана карбюрациялауға болады, қалған бөлігін мыспен қаптау сияқты әдіспен қорғау арқылы немесе тек бір бөлігіне карбюрациялау ортасын қолдану арқылы. Көміртек қатты, сұйық немесе газ тәрізді көзден алынуы мүмкін; егер ол қатты көзден алынса, бұл процесс пакеттік карбюрациялау деп аталады. Аз көміртекті болат бөлшектерін көміртекті материалмен қаптау және белгілі бір уақыт бойы қыздыру көміртектің сыртқы қабаттарға таралуына әкеледі. Бірнеше сағаттық қыздыру кезінде бір миллиметрге жуық қалыңдығы бар жоғары көміртекті қабат пайда болуы мүмкін. Сұйық карбюрациялау – бөлшектерді көміртегі бар балқыған материалға, көбінесе металл цианидіне, батыруды қамтиды; газ карбюрациялау – бөлшектерді метанға қаныққан ортасы бар пешке орналастыруды қамтиды.
Carburizing is a process used to case harden steel with a carbon content between 0.1 and 0.3 wt% C. In this process iron is introduced to a carbon rich environment at elevated temperatures for a certain amount of time, and then quenched so that the carbon is locked in the structure; one of the simpler procedures is repeatedly to heat a part with an acetylene torch set with a fuel rich flame and quench it in a carbon rich fluid such as oil. Carburization is a diffusion controlled process, so the longer the steel is held in the carbon rich environment the greater the carbon penetration will be and the higher the carbon content. The carburized section will have a carbon content high enough that it can be hardened again through flame or induction hardening. It is possible to carburize only a portion of a part, either by protecting the rest by a process such as copper plating, or by applying a carburizing medium to only a section of the part. The carbon can come from a solid, liquid or gaseous source; if it comes from a solid source the process is called pack carburizing. Packing low carbon steel parts with a carbonaceous material and heating for some time diffuses carbon into the outer layers. A heating period of a few hours might form a high carbon layer about one millimeter thick. Liquid carburizing involves placing parts in a bath of a molten carbon containing material, often a metal cyanide; gas carburizing involves placing the parts in a furnace maintained with a methane rich interior.
Нитридтеу
Нитридтеу процесінде сталь бөлшек аммиак газы және диссоциацияланған аммиак атмосферасында қыздырылады. Бөлшек осы ортада қанша уақыт өткізсе, беттік қабатының тереңдігі соғұрлым анықталады. Қаттылық нитридтердің түзілуі арқасында қол жеткізіледі. Бұл әдіс жұмыс істеуі үшін нитрид түзетін элементтердің болуы қажет; осы элементтерге хром, молибден және алюминий жатады. Бұл процестің артықшылығы – ол аз деформация тудырады, сондықтан бөлшек сөндіріліп, қайта қатаңдатылып, өңделгеннен кейін беттік қабаты қатайтылуы мүмкін. Нитридтеуден кейін сөндіру жасалмайды.
Nitriding heats the steel part to in an atmosphere of ammonia gas and dissociated ammonia. The time the part spends in this environment dictates the depth of the case. The hardness is achieved by the formation of nitrides. Nitride forming elements must be present for this method to work; these elements include chromium, molybdenum, and aluminum. The advantage of this process is that it causes little distortion, so the part can be case hardened after being quenched, tempered and machined. No quenching is done after nitriding.
Көміртегі нитридтеу
Карбонитридтеу цианидтеуге ұқсас, бірақ натрий цианиді орнына аммиак пен көмірсутектердің газ тәрізді атмосферасы қолданылады. Егер бөлшекті сөндіру қажет болса, ол қыздырылады; әйтпесе, бөлшекті қыздырылады.
Carbonitriding is similar to cyaniding except a gaseous atmosphere of ammonia and hydrocarbons is used instead of sodium cyanide. If the part is to be quenched, it is heated to ; if not, then the part is heated to .
Ферритті нитрокарбуризация
Ферриттік нитрокарбуризацияда негізінен азот және аздаған көміртектің жұмыс дайындамасының беткі қабатына, қызыл температурадан төмен температурада таратылады. Қызыл температурадан төмен температурада дайындаманың микроқұрылымы аустениттік фазаға өспейді, ферриттік фазада қалады, сондықтан бұл процеске ферриттік нитрокарбуризация деп аталады.
Ferritic nitrocarburizing diffuses mostly nitrogen and some carbon into the case of a workpiece below the critical temperature, approximately Under the critical temperature the workpiece's microstructure does not convert to an austenitic phase, but stays in the ferritic phase, which is why it is called ferritic nitrocarburization.
Қолданбалар
Жоғары қысымға және күшті соққыларға ұшырайтын бөлшектер әлі де жиі қаптамамен қатайтылады. Мысалдарға, оқ ату механизмінің инелері мен мылтық доңғалағының беттері, немесе қозғалтқыштың майлы саптамалары жатады. Мұндай жағдайларда, қаттылық қажетті беттер таңдап қатайтылуы мүмкін, ал бөлшектің негізгі бөлігі бастапқы беріктігін сақтайды. Бұрын атыс қарулары жиі қаптамамен қатайтылатын заттардың бірі болды, себебі олардың өңделуі үшін төмен көміртекті қорытпалар қажет болды, бірақ жоғары көміртекті қорытпалардың қаттылығы мен тозуға төзімділігі де керек еді. Көне атыс қаруларының көптеген заманауи көшірмелері, әсіресе бір әрекетті револьверлер, әлі де қаптамасы қатайтылған рамалармен немесе қаптама түсімен жасалады, ол дәстүрлі көмір және сүйек қаптамасының қатаюынан қалған өрнекті имитациялайды. Каптамамен қатайтудың тағы бір кең таралған қолданылуы – бұрандалар, әсіресе өздігінен бұрғылайтын бұрандалар. Бұрандалардың бұрғылау, кесу және басқа материалдарға, мысалы болатқа енуі үшін, бұрғылау ұшы мен қалыптасқан жіптер бұрғыланатын материалдан қатты болуы керек. Дегенмен, егер бұранданың барлық бөлігі біркелкі қатты болса, ол өте хруптты болып, оңай сынып қалуы мүмкін. Бұл мәселе тек бетінің қатайтылуын және өзегінің салыстырмалы түрде жұмсақ болуын қамтамасыз ету арқылы шешіледі, соның салдарынан ол аз хруптты болады. Бұрандалар мен бекіткіштер үшін қаптамамен қатайту қарапайым жылулық өңдеу арқылы жүзеге асырылады, ол қыздырудан және содан кейін суытудан тұрады. Ұрлықтың алдын алу үшін құлыптың тілшелері мен тізбектері жиі қаптамамен қатайтылады, осылайша оларды кесуге төзімді етуге болады, ал ішкі бөлігі хруптты болмай, соққыға төзімділік сақталатынын қамтамасыз етеді. Қаптамамен қатайтылған бөлшектерді өңдеу қиын болғандықтан, олар әдетте қатайтудан бұрын пішімделді.
Parts that are subject to high pressures and sharp impacts are still commonly case hardened. Examples include firing pins and rifle bolt faces, or engine camshafts. In these cases, the surfaces requiring the hardness may be hardened selectively, leaving the bulk of the part in its original tough state. Firearms were a common item case hardened in the past, as they required precision machining best done on low carbon alloys, yet needed the hardness and wear resistance of a higher carbon alloy. Many modern replicas of older firearms, particularly single action revolvers, are still made with case hardened frames, or with case coloring, which simulates the mottled pattern left by traditional charcoal and bone case hardening. Another common application of case hardening is on screws, particularly self drilling screws. In order for the screws to be able to drill, cut and tap into other materials like steel, the drill point and the forming threads must be harder than the material(s) that it is drilling into. However, if the whole screw is uniformly hard, it will become very brittle and it will break easily. This is overcome by ensuring that only the surface is hardened, and the core remains relatively softer and thus less brittle. For screws and fasteners, case hardening is achieved by a simple heat treatment consisting of heating and then quenching. For theft prevention, lock shackles and chains are often case hardened to resist cutting, whilst remaining less brittle inside to resist impact. As case hardened components are difficult to machine, they are generally shaped before hardening.