O que é o endurecimento superficial do aço? Para que serve o endurecimento superficial?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

A arte do tratamento térmico de metais é conhecida da humanidade há muito tempo. Os artesãos envolvidos na fabricação de ferramentas, especialmente armas, dominavam-na por conta própria ou estudavam por muitos anos com outros especialistas mais experientes. Segredos foram mantidos em segredo, o que, é claro, retardou a disseminação da tecnologia, mas aumentou a competitividade de um determinado fabricante de produtos para uma finalidade específica. Uma das técnicas dos armeiros medievais era o endurecimento da superfície, que confere aos gumes e pontas das espadas e sabres uma dureza especial, aliada à flexibilidade da lâmina. Hoje, tais propriedades não surpreendem mais ninguém, as tecnologias se tornaram massivas e difundidas.

Por que uma pessoa comum saberia de tudo isso?

Este artigo para especialistas em metalurgia térmica provavelmente parecerá um conjunto de chavões e fatos bem conhecidos. Além disso, eles podem encontrar algumas imprecisões na terminologia. A informação apresentada não se destina a eles, destina-se a pessoas distantes da metalurgia, amadores,aqueles que estão interessados em como uma mesa comum ou faca dobrável difere em força de uma boa lâmina, endurecimento de superfície de endurecimento de volume e questões semelhantes. Ao comprar um ou outro item necessário na casa, o consumidor se depara com uma diferença significativa de preço. O vendedor nem sempre pode explicar de forma qualificada e compreensível por que uma ferramenta (uma chave inglesa, por exemplo) é muito mais cara do que outra com semelhança externa geral. Ele, muito provavelmente, tentará “pulverizar seus cérebros” com conceitos e termos que são incompreensíveis para o leigo médio. Traduzidas em linguagem comum, essas explicações significarão que a chave ajustável não quebrará ou durará mais, e a afiação será necessária com muito menos frequência (se o cliente quiser comprar uma faca). "Endurecimento da superfície!" - o vendedor indicará misteriosamente o motivo, revirando os olhos com prazer imaginário. O que é?

Propriedades opostas em um produto

Como fica claro pela frase, neste caso apenas a fina camada externa do produto é submetida a tratamento térmico. O fato de que o aço requer endurecimento é vagamente adivinhado por todos, mesmo aqueles que não sabem o que é. Isso é o que difere do usual "pedaço de ferro", macio e quebradiço. Mas por que é o superficial que goza de tal honra? O endurecimento é usado para alterar as propriedades do metal, e não para algum tipo de melhoria, como muitas vezes se declara. A qualidade, útil em alguns casos, torna-se prejudicial em outros. A lima é dura, porque é fácil para eles processarem ferro, alumínio ou bronze, mas se você tentar dobrá-laou bater com um martelo, ele vai rachar. O mesmo se aplica à lâmina de serra, que muitas vezes quebra no ângulo de corte errado. A fim de conferir dureza combinada com flexibilidade ou ductilidade, é aplicado o endurecimento da superfície. Depois disso, as propriedades do produto podem combinar qualidades, às vezes opostas, características de diferentes estruturas cristalinas. Agora precisamos nos aprofundar em alguns detalhes da ciência dos materiais.

As ideias mais simples sobre o polimorfismo dos metais

Um mesmo metal pode, dependendo da forma da rede cristalina, ter propriedades físicas diferentes (dureza, viscosidade, ductilidade, flexibilidade, elasticidade, etc.) Essa capacidade de alterar parâmetros mecânicos é chamada de polimorfismo. Há muito tempo, ao fabricar armas primitivas, as pessoas notavam que uma ou outra espada ou cutelo acabou sendo mais bem-sucedida, mantém sua afiação por mais tempo e não quebra. Claro, nossos ancestrais não estavam familiarizados com as estruturas moleculares do metal, eles chegaram a tudo de forma intuitiva e empírica. Então, empiricamente, eles descobriram que, se a ponta for aquecida, sua temperatura depende das tonalidades do brilho. Com o resfriamento rápido, algo muda no metal, torna-se mais duro ou mais flexível. Se for reaquecido, torna-se o mesmo novamente, e às vezes até pior. Naquela época, ideias bastante específicas foram formadas sobre o que, por exemplo, deveria ser uma faca de caça ideal. O endurecimento da superfície também foi usado na época, mas com mais frequênciafoi usado o chamado local, ou seja, aquele em que a ponta era sólida, o meio da lâmina era flexível e a parte da lâmina adjacente ao cabo era de plástico (deixe dobrar um pouco, mas não quebrar).

O que está acontecendo lá dentro

Sem entrar em detalhes particulares, deve-se notar que a estrutura do aço temperado é de três tipos principais: martensítico, troostita e sorbítico. As características mecânicas dependem da proporção dessas formações cristalinas. Neste caso, não importa qual deles e como afeta a dureza. O resultado depende da temperatura do metal e da rapidez com que esfria. Assim, o endurecimento superficial pode ocorrer com o aumento da temperatura da camada superior e posterior resfriamento, seja por transferência de calor para o ambiente externo (líquidos, na maioria das vezes óleo, água e salmoura, ar ou outros agentes), seja por à sua fuga parcial para o produto. Neste caso, as transformações polimórficas ocorrem em camadas, dependendo do grau de alcance da temperatura crítica, o que afeta a formação de uma nova estrutura cristalina.

Como resultado, há uma mudança nas seguintes zonas:

- Parte superior endurecida.

- Intermediário, parcialmente endurecido. Também é chamada de zona afetada pelo calor.

- Área de dureza reduzida.

- Interior não modificado.

Métodos de Endurecimento de Superfície

Crie uma camada superior comaumento da dureza, de várias maneiras. As molas dos vagões ferroviários são simplesmente disparadas com pequenas bolas de metal (tiro) que criam uma vedação de superfície, enquanto o volume interno do metal permanece plástico o suficiente para suportar o estresse mecânico a longo prazo. O método mais antigo é considerado o aquecimento rápido de um objeto em fogo aberto, acompanhado de pulverização ou fluxo de jato. É por esta tecnologia que é feita uma faca curva oriental tradicional (karambit). O endurecimento da superfície também pode ser realizado por meio de resfriamento intensivo. Gás-plasma, indução, laser e outros métodos também são conhecidos. Algumas delas merecem atenção.

HDTV

Em meados da década de 1930, o cientista soviético V. P. Vologdin inventou um método para transmitir uma determinada estrutura molecular não uniforme a grandes partes usando correntes de alta frequência. A engenharia mecânica desenvolveu-se rapidamente, a indústria precisava de tecnologias que garantissem a produção em massa sem sacrificar a qualidade. O endurecimento da superfície da HDTV é baseado no fenômeno da indução. A peculiaridade do método reside na dependência da espessura da camada aquecida da frequência e magnitude da corrente no circuito radiante. Nesse caso, o resultado é previsível com alto grau de probabilidade, portanto, o controle de qualidade é bastante simplificado. Além disso, o método é aplicável ao processamento de produtos e montagens em geral, como virabrequins e outros objetos grandes que podem ser movidos ao longo do indutor, sequencialmente.expondo todo o comprimento. Com essa tecnologia, fica difícil escolher os parâmetros para processar objetos pequenos e planos, como uma faca. O endurecimento da superfície com correntes de alta frequência é aplicável a produtos relativamente volumosos, cuja força e resistência ao desgaste dependem das propriedades mecânicas da camada superior.

Recursos do uso do método HDTV

O método foi desenvolvido nas condições de rápido desenvolvimento da indústria de construção de máquinas, a principal para o potencial de defesa da URSS, que se manifestou nas especificidades de sua aplicação. As partes mais importantes de tratores, tanques, automóveis ou aviões não são grandes o suficiente para serem colocadas na estrutura de um indutor compacto, era muito caro fabricar equipamentos para cada um deles, e se fosse feito com base nas maiores dimensões, então os custos de energia tornaram-se enormes. No entanto, o endurecimento por indução é aplicado a qualquer produto, desde os relativamente pequenos até os grandes. Por exemplo, as engrenagens são expostas a HDTV sequencialmente, girando dente por dente. Os elementos dos virabrequins e cardan são aquecidos de forma contínua e sequencial, movendo-se dentro da estrutura fixa do indutor, enquanto o resfriador (pulverizador) é incluído no processo tecnológico imediatamente após ele. Ao final da máquina, a peça é imediatamente borrifada com água (daí o nome, consoante “spray”).

Bem, produtos com uma pequena superfície de endurecimento são colocados no indutor como um todo e resfriados da mesma forma.

Laser

Este dispositivoem nosso tempo, amplamente utilizado em vários campos da atividade humana, encontrou aplicação na metalurgia. O método não requer resfriamento posterior, pois o impacto do feixe é de curta duração e afeta a camada mais superficial do metal, causando as alterações desejadas na estrutura cristalina. A "afiação a laser" realmente garante que não há necessidade de afiar a ferramenta de corte por muito tempo (é usado principalmente para eles), se esse método for realmente usado em sua fabricação. No entanto, deve-se ter em mente que em nossa época de falsificação, a inscrição no produto nem sempre corresponde à verdade. Às vezes, uma faca barata de “borboleta” vendida em uma barraca de rua também é decorada com essa marca. O endurecimento da superfície com um feixe de laser é uma tecnologia cara, disponível apenas para os principais fabricantes de ferramentas.

Frio

A base física do método foi a descoberta do fenômeno do aumento da dureza do aço como resultado da transição da estrutura austenítica para martensítica durante o ultracongelamento. Esse endurecimento da superfície é realizado de acordo com o método desenvolvido por A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich e S. S. Shtenberg na URSS. É aplicável ao carbono (contendo mais de 0,5 por cento C) e liga de aço para fins especiais, como aqueles produzidos para a fabricação de fresas de alta velocidade e outros produtos de ferramentas especiais.

Aquecimento elétrico

Em geral, é construído com o mesmo princípio do endurecimento por indução, com a única diferença de que o aquecimento é resistivo, devido àcorrente de passagem de grandes valores e a resistência da peça. A frequência da tensão de entrada afeta da mesma maneira a profundidade da camada aquecida e, quanto mais alta, mais fina ela é. A superfície de dureza aumentada pode variar de frações de milímetro a várias de suas unidades. Depende dos requisitos para o produto e suas dimensões. Comparado ao HDTV, o método eletrorresistivo possui uma faixa mais ampla de correntes, temperaturas e profundidades de camada. Com a ajuda dele, por exemplo, um item de qualidade tão grande e exigente como a faca de baioneta de um soldado pode ser feito. O endurecimento da superfície por aquecimento elétrico requer um regime de resfriamento tecnologicamente verificado em óleo, água ou outros agentes receptores de calor.

Conclusões

Então, a principal tarefa do endurecimento da superfície é essa distribuição da estrutura cristalina dentro do produto, na qual variedades de sorbita ou troostita permanecem dentro dele e uma camada de martensita é formada do lado de fora. Isso pode ser alcançado por diversos métodos, desde os mais simples e antigos até os mais avançados e modernos tecnologicamente. Em qualquer caso, o endurecimento de aço de alta qualidade requer alta qualificação e precisão em conformidade com os regulamentos de produção. Um produto feito de acordo com todas as regras não pode ser barato. Por esse motivo, tanto uma boa faca de cozinha quanto o karambit são caros. O endurecimento da superfície com um feixe de laser é mais comum apenas para ferramentas de corte.