Ochrona komponentów przed zużyciem dzięki twardym powierzchniom

W inżynierii mechanicznej duża liczba komponentów jest narażona na duże obciążenia mechaniczne, zarówno w postaci zginania, ściskania, rozciągania i skręcania, jak i często również jako obciążenie cierne. To ostatnie oznacza, że dwa ciała są dociskane do siebie, a następnie poruszają się względem siebie. Powoduje to duże lokalne obciążenia na powierzchni i skutkuje różnymi formami zużycia, takimi jak zużycie ścierne.

Ponieważ wielokrotna wymiana tych komponentów nie jest szczególnie opłacalna, wymogiem jest również osiągnięcie jak najdłuższej żywotności. Powierzchnie komponentów muszą być zatem chronione przed zużyciem, co można osiągnąć na różne sposoby. Na przykład, powierzchnia może być pokryta bardzo twardą warstwą chroniącą przed zużyciem. Alternatywnie, można ją również utwardzić lokalnie przy użyciu określonych procesów produkcyjnych. Można to zrobić na przykład za pomocą procesu hartowania laserowego. Alternatywnie, powierzchnie mogą być również odkształcane mechanicznie, a właściwości strefy krawędziowej specjalnie zmieniane.

Ale co dokładnie dzieje się w tym procesie i czym jest "twardość" materiału w szczegółach? Powierzchnia jest elementem komponentu, który ma bezpośredni kontakt z otoczeniem. Jest to to, co można zobaczyć na komponencie. Poniżej powierzchni znajduje się tak zwana strefa krawędziowa. Charakteryzuje się ona tym, że proces produkcyjny zmienia właściwości materiału bezpośrednio pod powierzchnią, tak że różnią się one od właściwości podstawowej struktury. Typowe właściwości obejmują mikrostrukturę, teksturę, naprężenia szczątkowe i twardość. Różne procesy produkcyjne zapewniają różne głębokości penetracji strefy krawędziowej. Na przykład, chociaż proces wstępny czasami pozwala na wprowadzenie znacznych szczątkowych naprężeń ściskających, zmiany te mają wpływ tylko w obrębie kilku mikrometrów. Z drugiej strony, proces głębokiego walcowania również wprowadza ogromne szczątkowe naprężenia ściskające, ale w tym przypadku efekt głębokości jest znacznie większy. Wynikowa strefa krawędziowa jest również większa podczas walcowania głębokiego.

Twardość to właściwość materiału przeciwdziałająca penetracji innego obiektu. Twardość nie jest zatem klasyczną właściwością, taką jak przewodność cieplna lub wytrzymałość na rozciąganie. Jest to raczej wynik określonej procedury testowej. Oznacza to, że komponent o twardości 55 HRC zapewnia, że określona próbka testowa, która jest wciskana z określoną siłą testową, penetruje tylko na określoną głębokość.

Istnieją różne metody pomiaru twardości, takie jak test twardości według Vickersa, Brinella lub Rockwella. Nie będziemy jednak tutaj omawiać poszczególnych metod testowych.

Wnikanie obiektu w powierzchnię może wystąpić, gdy materiał jest odkształcony plastycznie. Wyjaśnia to również, że twardość jako właściwość koreluje z wytrzymałością materiału. Metal składa się zazwyczaj z regularnie ułożonej sieci. W idealnej sieci metalowej odległość między atomami jest zawsze jednolita. Odkształcenie plastyczne w takiej sieci jest spowodowane ruchem płaszczyzn sieci względem siebie.

Im bardziej regularna i jednolita jest taka sieć, tym łatwiej jest płaszczyznom sieci przesuwać się względem siebie. Aby temu zapobiec, kraty muszą być wyposażone w blokady. Na szczęście żadna normalna metalowa kratka nie jest idealna i zazwyczaj jest pełna "wad". Te błędy konstrukcyjne kraty zapewniają, że przesuwanie się płaszczyzn siatki jest utrudnione, zwiększając w ten sposób wytrzymałość komponentu.

Efekt ten jest również wykorzystywany podczas hartowania. Ogólnie rzecz biorąc, im twardszy jest materiał, tym więcej defektów zawiera i tym trudniej jest płaszczyznom sieciowym poruszać się względem siebie. Dwa typowe defekty sieci, które występują w tym kontekście, to obce atomy i dyslokacje. Jeśli sieć zawiera obcy atom, sieć staje się napięta, jak widać na rysunku, a ruch ślizgowy staje się trudniejszy. To samo dotyczy dyslokacji. One również utrudniają przesuwanie się płaszczyzn sieci.

Efekt ten jest wykorzystywany podczas hartowania stali. Podgrzewając stal, więcej atomów węgla może ułożyć się w sieci. Jeśli stal jest następnie gwałtownie hartowana, sieć zmienia się z sieci sześciennej skoncentrowanej na powierzchni z powrotem w sieć sześcienną skoncentrowaną na ciele. Jednak węgiel nie ma już czasu na wydostanie się, pozostaje rozpuszczony i napina siatkę.

Podczas analizy stanu powierzchni, szczególnie w kontekście mechanicznej obróbki powierzchni, należy dokonać rozróżnienia między mikrotwardością a makrotwardością. Różnica polega zasadniczo na zastosowanej sile testowej i rozmiarze próbki testowej:

Makrotwardość = duża siła testowa z dużą próbką testową

Mikrotwardość = mała siła testowa z małą próbką testową

Dzięki pomiarowi twardości w skali makro, który jest typowym pomiarem do charakterystyki materiału, można ocenić całe obszary materiału. Ze względu na duży analizowany obszar, efekty są uśredniane i tworzone jest ogólne wrażenie twardości.

W przypadku mikrotwardości można analizować szczegółowe obszary. W zależności od metody testowej, różnice w twardości można rozróżnić w poszczególnych ziarnach materiału. To rozróżnienie jest ważne dla analizy powierzchni. Często analizowany jest wpływ obróbki powierzchni. Z reguły stosuje się w tym celu pomiar twardości w skali makro, dzięki czemu twardość jest zasadniczo mierzona przez twardszą warstwę. W rezultacie twardość nie wzrasta. Prowadzi to do fałszywego wniosku, że mechaniczna obróbka powierzchni nie prowadzi do wzrostu twardości.

Z drugiej strony, jeśli stosowana jest metoda pomiaru mikrotwardości, np. według Vickersa z HV0,01, wówczas różne wartości twardości można zidentyfikować nawet w strefie krawędziowej. Można utworzyć tak zwane krzywe głębokości twardości, które zapewniają szczegółowy obraz krzywej twardości w strefie krawędziowej. Jeśli ta metoda jest stosowana, wzrost twardości spowodowany mechaniczną obróbką powierzchni, taką jak głębokie walcowanie, może być zidentyfikowany w prawie wszystkich przypadkach.

Podczas walcowania głębokiego walec jest dociskany do powierzchni z określoną siłą. W strefie styku powstają bardzo duże naprężenia, a materiał ulega miejscowemu odkształceniu plastycznemu. Jeśli rolka przesuwa się teraz nad elementem z ruchem posuwowym, odkształcenia pozostają w strefie krawędzi. Skutkuje to wysokimi szczątkowymi naprężeniami ściskającymi i utwardzeniem mikrostruktury. Podczas walcowania gęstość dyslokacji znacznie wzrasta, co z kolei zwiększa twardość na powierzchni i w strefie krawędziowej. Z tego powodu walcowanie głębokie może być stosowane jako ukierunkowany sposób zwiększania odporności powierzchni na zużycie.