Pengkarbonan dan Pengerasan Kes: Asas-asasnya

Ideanya

Sesetengah bahagian memerlukan dua sifat bercanggah: permukaan yang menahan haus dan lesu sentuhan, dan teras yang menyerap kejutan tanpa retak. Pengkarbonan memberikan kedua-duanya daripada satu keping keluli karbon rendah. Bahagian ditahan pada kira-kira 880–950 °C dalam atmosfera kaya karbon; karbon meresap ke dalam permukaan, dan pelindapan kejut berikutnya mengeraskan hanya lapisan yang diperkaya itu — kes — manakala teras berkarbon rendah kekal agak lembut dan liat.

Kedalaman kes

Kedalaman kes ditentukan sebagai kedalaman di mana kekerasan jatuh kepada tahap tertakrif — lazimnya 550 HV dalam amalan Eropah (CHD, kedalaman pengerasan kes). Dua kedalaman penting:

• Kedalaman kes berkesan (hingga 550 HV): lazimnya kira-kira 0.3–2.5 mm untuk gear dan aci, dipadankan dengan tegasan sentuhan dan modul gear.
• Kedalaman kes jumlah: zon resapan penuh, sentiasa lebih dalam daripada kedalaman berkesan.

Kes lebih dalam memerlukan masa relau yang lebih panjang secara tidak berkadar, kerana kedalaman resapan membesar dengan punca kuasa dua masa — menggandakan kedalaman mengambil kira-kira empat kali lebih lama.

Potensi karbon

Atmosfera relau dikawal kepada potensi karbon — tahap karbon permukaan yang akan dihasilkan oleh atmosfera dalam besi tulen pada suhu. Ia lazimnya dijalankan agak di bawah atau berhampiran wilayah eutektoid hingga tepu, selalunya sekitar 0.8–1.0% C pada permukaan dalam peringkat rangsangan. Potensi terlalu tinggi membentuk jelaga, rangkaian karbida dan austenit tertahan berlebihan; terlalu rendah memberikan kes cetek dan lembut. Kitaran pengeluaran sering menggunakan corak rangsangan–resapan: potensi tinggi untuk memacu karbon masuk dengan cepat, kemudian peringkat berpotensi lebih rendah untuk menetapkan karbon permukaan akhir dan kecerunan.

Teras berbanding kes selepas pelindapan kejut

Selepas pengkarbonan, bahagian dilindap kejut (secara langsung, atau selepas panasan semula untuk penghalusan butiran) dan dibaja pada suhu rendah, kira-kira 150–200 °C. Kes berkarbon tinggi berubah menjadi martensit keras, lazimnya sekitar 58–62 HRC pada permukaan. Teras — masih hanya kira-kira 0.15–0.25% karbon — mengeras hanya sejauh yang dibenarkan kebolehkerasannya, kekal lebih lembut dan memberikan keliatan yang direka di sekeliling bahagian.

Keluli direka untuk pengkarbonan

Keluli pengerasan kes ialah karbon rendah mengikut reka bentuk, dialoi untuk kekuatan teras dan kebolehkerasan:

• 8620 (AISI): keluli gear kegunaan am Amerika Utara, teras Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): keluli gear standard China; titanium menambat butiran semasa kitaran pengkarbonan yang panjang.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): pekerja Eropah untuk gear kecil dan sederhana.
• Varian tugas lebih tinggi menambah nikel (cth. 18CrNiMo7-6) di tempat kekuatan teras dalam keratan besar adalah kritikal.

Menentukan bahagian berkarbon bermaksud menentukan kedalaman kes, kekerasan permukaan dan kekerasan teras bersama-sama — mana-mana satu sahaja ialah keperluan tidak lengkap.

Varian gas, pek dan tekanan rendah

Pengkarbonan pek tradisional dalam sebatian karbon pepejal kini sebahagian besarnya bersejarah. Pengeluaran moden menggunakan pengkarbonan gas dalam relau atmosfera, di mana potensi karbon diukur dan dikawal secara berterusan, atau pengkarbonan tekanan rendah (vakum), di mana gas hidrokarbon berdenyut dalam relau vakum memberikan kes sangat seragam pada geometri gear kompleks tanpa pengoksidaan permukaan — lazimnya diikuti pelindapan kejut gas bertekanan tinggi. Metalurgi yang ditentukan oleh pereka ialah sama dalam ketiga-tiga; yang berubah ialah keseragaman, kebersihan, ekonomi kitaran dan kelakuan herotan yang mesti diserap oleh kemasan gear.