¿Qué es el endurecimiento superficial del acero? ¿Para qué se utiliza el endurecimiento superficial?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

El arte del tratamiento térmico de los metales es conocido por la humanidad desde hace mucho tiempo. Los artesanos involucrados en la fabricación de herramientas, y especialmente de armas, lo dominaban por sí mismos o estudiaban durante muchos años con otros especialistas más experimentados. Los secretos se mantuvieron en secreto, lo que, por supuesto, ralentizó la difusión de la tecnología, pero aumentó la competitividad de un fabricante particular de productos para un propósito específico. Una de las técnicas de los armeros medievales era el endurecimiento superficial, que dota a los filos y puntas de espadas y sables de una dureza especial, unida a la flexibilidad de la hoja. Hoy en día, tales propiedades ya no sorprenden a nadie, las tecnologías se han vuelto masivas y generalizadas.

¿Por qué una persona común sabría todo esto?

Este artículo para los especialistas en metalmecánica térmica probablemente les parecerá un conjunto de lugares comunes y hechos conocidos. Además, pueden encontrar algunas inexactitudes en la terminología. La información presentada no está destinada a ellos, está dirigida a personas alejadas de la metalurgia, aficionados,aquellos que están interesados en cómo una mesa ordinaria o un cuchillo plegable difieren en fuerza de una buena hoja, el endurecimiento de la superficie del endurecimiento del volumen y problemas similares. A la hora de comprar uno u otro artículo necesario en el hogar, el consumidor se enfrenta a una importante diferencia de precio. El vendedor no siempre puede explicar de manera calificada y comprensible por qué una herramienta (una llave inglesa, por ejemplo) es mucho más cara que otra con una similitud externa general. Lo más probable es que intente "empolvarse el cerebro" con conceptos y términos que son incomprensibles para el profano promedio. Traducidas al lenguaje común, estas explicaciones significarán que la llave ajustable no se romperá ni durará más, y se necesitará afilar con mucha menos frecuencia (si el cliente quiere comprar un cuchillo). "¡Endurecimiento de la superficie!" - el vendedor indicará misteriosamente el motivo, poniendo los ojos en blanco con un deleite imaginario. ¿Qué es?

Propiedades opuestas en un mismo producto

Como se desprende claramente de la frase, en este caso solo la fina capa exterior del producto se somete a tratamiento térmico. Todos adivinan vagamente el hecho de que el acero requiere endurecimiento, incluso aquellos que no saben en absoluto qué es. En esto se diferencia del habitual "trozo de hierro", blando y quebradizo. Pero, ¿por qué es lo superficial lo que goza de tal honor? El endurecimiento se utiliza para cambiar las propiedades del metal, y no en aras de algún tipo de mejora, como suele afirmarse. La calidad, útil en unos casos, se vuelve perjudicial en otros. El archivo es duro, porque es fácil para ellos procesar hierro, aluminio o bronce, pero si intenta doblarloo golpéalo con un martillo, se romperá. Lo mismo se aplica a la hoja de la sierra para metales, que a menudo se rompe en el ángulo de corte incorrecto. Para impartir dureza combinada con flexibilidad o ductilidad, se aplica el endurecimiento superficial. Después de eso, las propiedades del producto pueden combinar cualidades, a veces opuestas, propias de diferentes estructuras cristalinas. Ahora tenemos que profundizar en algunos detalles de la ciencia de los materiales.

Las ideas más simples sobre el polimorfismo de los metales

El mismo metal puede, dependiendo de la forma de la red cristalina, tener diferentes propiedades físicas (dureza, viscosidad, ductilidad, flexibilidad, elasticidad, etc.). Esta capacidad de cambiar los parámetros mecánicos se denomina polimorfismo. Hace mucho tiempo, al fabricar armas primitivas, la gente notó que una u otra espada o cuchilla resultó ser más exitosa, conserva su filo por más tiempo y no se rompe. Por supuesto, nuestros antepasados no estaban familiarizados con las estructuras moleculares del metal, llegaron a todo de manera intuitiva y empírica. Entonces, empíricamente, descubrieron que si la punta se calienta, su temperatura depende de los tonos del brillo. Con el enfriamiento rápido, algo cambia en el metal, se vuelve más duro o más flexible. Si se recalienta, vuelve a ser lo mismo y, a veces, incluso peor. En ese momento, se formaron ideas bastante específicas sobre lo que, por ejemplo, debería ser un cuchillo de caza ideal. En ese entonces también se usaba el endurecimiento superficial, pero más a menudo.se usaba el llamado local, es decir, uno en el que la punta era maciza, el medio de la hoja era flexible, y la parte de la hoja adyacente al mango era de plástico (que se doblara un poco, pero que no se rompiera)

Qué está pasando adentro

Sin entrar en detalles particulares, cabe señalar que la estructura del acero templado es de tres tipos principales: martensítica, troostita y sorbítica. Las características mecánicas dependen de la proporción de estas formaciones cristalinas. En este caso, no importa cuál de ellos y cómo afecta la dureza. El resultado depende de qué tan caliente esté el metal y qué tan rápido se enfríe. Por lo tanto, el endurecimiento de la superficie puede ocurrir con un aumento en la temperatura de la capa superior y el subsiguiente enfriamiento, ya sea como resultado de la transferencia de calor al ambiente externo (líquidos, más a menudo aceite, agua y salmuera, aire u otros agentes), o debido a a su escape parcial en el producto. En este caso, las transformaciones polimórficas ocurren en capas, dependiendo del grado de alcanzar la temperatura crítica, lo que afecta la formación de una nueva estructura cristalina.

Como resultado, hay un cambio en las siguientes zonas:

- Parte superior templada.

- Intermedio, parcialmente templado. También se denomina zona afectada por el calor.

- Zona de dureza reducida.

- Interior sin modificar.

Métodos de endurecimiento superficial

Crear una capa superior conaumento de la dureza, de varias maneras. Los resortes de los vagones de ferrocarril simplemente se disparan con pequeñas bolas de metal (tiro) que crean un sello en la superficie, mientras que el volumen interno del metal sigue siendo lo suficientemente plástico para resistir la tensión mecánica a largo plazo. Se considera que el método más antiguo es el calentamiento rápido de un objeto en un fuego abierto, acompañado de rociado o chorro de agua. Es por esta tecnología que se fabrica un cuchillo curvo oriental tradicional (karambit). El endurecimiento de la superficie también se puede llevar a cabo mediante un enfriamiento intensivo. También se conocen métodos de gas-plasma, inducción, láser y otros. Vale la pena detenerse en algunos de ellos.

HDTV

A mediados de la década de 1930, el científico soviético V. P. Vologdin inventó un método para impartir una estructura molecular no uniforme determinada a piezas grandes utilizando corrientes de alta frecuencia. La ingeniería mecánica se desarrolló rápidamente, la industria necesitaba tecnologías que aseguraran la producción en masa sin sacrificar la calidad. El endurecimiento de la superficie de HDTV se basa en el fenómeno de la inducción. La peculiaridad del método radica en la dependencia del grosor de la capa calentada de la frecuencia y la magnitud de la corriente en el bucle radiante. En este caso, el resultado es predecible con un alto grado de probabilidad, por lo que el control de calidad se simplifica enormemente. Además, el método es aplicable al procesamiento de productos y ensamblajes generales, como cigüeñales y otros objetos grandes que se pueden mover secuencialmente a lo largo del inductor.dejando al descubierto toda la longitud. Con esta tecnología, es difícil elegir los parámetros para procesar objetos pequeños y planos, como un cuchillo. El endurecimiento superficial con corrientes de alta frecuencia es aplicable a productos relativamente voluminosos, cuya resistencia y resistencia al desgaste dependen de las propiedades mecánicas de la capa superior.

Características del uso del método HDTV

El método se desarrolló en las condiciones de rápido desarrollo de la industria de construcción de maquinaria, la principal para el potencial de defensa de la URSS, que se manifestó en los detalles de su aplicación. Las partes más importantes de tractores, tanques, automóviles o aviones no son lo suficientemente grandes para ser colocadas en el marco de un inductor compacto, era demasiado costoso fabricar equipos para cada uno de ellos, y si se hacía en base a las dimensiones más grandes, entonces los costes energéticos se hicieron enormes. Sin embargo, el endurecimiento por inducción se aplica a cualquier producto, desde los relativamente pequeños hasta los más grandes. Por ejemplo, los engranajes se exponen secuencialmente a la HDTV, girando diente por diente. Los elementos de los cigüeñales y cardanes se calientan continua y secuencialmente, moviéndose dentro del marco fijo del inductor, mientras que el enfriador (rociador) se incluye en el proceso tecnológico inmediatamente después. Al final de la máquina, la pieza de trabajo se rocía inmediatamente con agua (de ahí el nombre, en consonancia con “spray”).

Bueno, los productos con una pequeña superficie de endurecimiento se colocan en el inductor como un todo y se enfrían de la misma manera.

Láser

Este dispositivoen nuestro tiempo, ampliamente utilizado en diversos campos de la actividad humana, ha encontrado aplicación en la metalurgia. El método no requiere un enfriamiento posterior, ya que el impacto del haz es de corta duración y afecta a la capa superior del metal, provocando los cambios deseados en la estructura cristalina. El "afilado por láser" realmente garantiza que no haya necesidad de afilar la herramienta de corte durante mucho tiempo (se usa principalmente para ellos), si este método realmente se usa en su fabricación. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que en nuestra era de falsificación, la inscripción en el producto no siempre corresponde a la verdad. A veces, algún cuchillo "mariposa" barato que se vende en un puesto callejero también está decorado con esa marca. El endurecimiento de superficies con un rayo láser es una tecnología costosa, solo está disponible para los principales fabricantes de herramientas.

Frío

La base física del método fue el descubrimiento del fenómeno del aumento de la dureza del acero como resultado de la transición de la estructura austenítica a martensítica durante la ultracongelación. Tal endurecimiento superficial se lleva a cabo de acuerdo con el método desarrollado por A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich y S. S. Shtenberg en la URSS. Es aplicable al carbono (que contiene más de 0,5 por ciento de C) y al acero aleado para fines especiales, como los producidos para la fabricación de cortadores de alta velocidad y otros productos de herramientas especiales.

Calefacción eléctrica

En general, se basa en el mismo principio que el endurecimiento por inducción, con la única diferencia de que el calentamiento es resistivo, debido acorriente de paso de valores grandes y la resistencia de la pieza. La frecuencia del voltaje de entrada afecta de la misma manera la profundidad de la capa calentada, y cuanto más alta es, más delgada es. La superficie de mayor dureza puede variar desde fracciones de milímetro hasta varias de sus unidades. Depende de los requisitos para el producto y sus dimensiones. En comparación con HDTV, el método electrorresistivo tiene una gama más amplia de corrientes, temperaturas y profundidades de capa. Con su ayuda, por ejemplo, se puede hacer un artículo tan masivo y que requiere una calidad especial como el cuchillo de bayoneta de un soldado. El endurecimiento de la superficie por calentamiento eléctrico requiere un régimen de enfriamiento verificado tecnológicamente en aceite, agua u otros agentes receptores de calor.

Conclusiones

Entonces, la tarea principal del endurecimiento de la superficie es tal distribución de la estructura cristalina dentro del producto, en el que las variedades de sorbita o troostita permanecen en su interior, y se forma una capa de martensita en el exterior. Esto se puede lograr por varios métodos, desde el más simple y antiguo hasta el más avanzado tecnológicamente y moderno. En cualquier caso, el endurecimiento de alta calidad del acero requiere una alta calificación y precisión en el cumplimiento de las normas de producción. Un producto hecho de acuerdo con todas las reglas no puede ser barato. Por esta razón, tanto un buen cuchillo de cocina como un karambit son caros. El endurecimiento de la superficie con un rayo láser es más común solo para herramientas de corte.