การคาร์บูไรซิงและการทำผิวแข็ง: พื้นฐาน

แนวคิด

ชิ้นส่วนบางชนิดต้องการสมบัติสองอย่างที่ขัดแย้งกัน: ผิวที่ทนการสึกหรอและความล้าจากการสัมผัส และแกนกลางที่ดูดซับแรงกระแทกโดยไม่แตกร้าว การคาร์บูไรซิง ให้ทั้งสองอย่างจากเหล็กคาร์บอนต่ำชิ้นเดียว ชิ้นงานถูกคงไว้ที่ประมาณ 880–950 °C ในบรรยากาศที่อุดมด้วยคาร์บอน คาร์บอนแพร่เข้าสู่ผิว และการชุบแข็งที่ตามมาจะทำให้เฉพาะชั้นที่ได้รับการเสริมนั้นแข็ง — นั่นคือ ชั้นผิวแข็ง — ในขณะที่ แกนกลาง คาร์บอนต่ำยังคงค่อนข้างอ่อนและเหนียว

ความลึกของชั้นผิวแข็ง

ความลึกของชั้นผิวแข็งถูกกำหนดเป็นความลึกที่ความแข็งลดลงถึงระดับที่กำหนดไว้ — โดยทั่วไปคือ 550 HV ในแนวปฏิบัติของยุโรป (CHD ความลึกของการทำผิวแข็ง) มีความลึกสองค่าที่สำคัญ:

• ความลึกชั้นผิวแข็งที่มีประสิทธิผล (ถึง 550 HV): โดยทั่วไปประมาณ 0.3–2.5 mm สำหรับเฟืองและเพลา โดยจับคู่กับความเค้นสัมผัสและโมดูลของเฟือง
• ความลึกชั้นผิวแข็งทั้งหมด: โซนการแพร่ทั้งหมด ซึ่งลึกกว่าความลึกที่มีประสิทธิผลเสมอ

ชั้นผิวแข็งที่ลึกกว่าต้องการเวลาเตานานกว่าอย่างไม่เป็นสัดส่วน เพราะความลึกของการแพร่เติบโตตามรากที่สองของเวลา — การเพิ่มความลึกเป็นสองเท่าต้องใช้เวลานานกว่าประมาณสี่เท่า

ศักย์คาร์บอน

บรรยากาศของเตาถูกควบคุมไว้ที่ ศักย์คาร์บอน — ระดับคาร์บอนที่ผิวซึ่งบรรยากาศจะสร้างขึ้นในเหล็กบริสุทธิ์ ณ อุณหภูมินั้น โดยทั่วไปจะดำเนินการต่ำกว่าเล็กน้อยหรือใกล้เคียงช่วงยูเท็กตอยด์ถึงอิ่มตัว มักอยู่ที่ประมาณ 0.8–1.0% C ที่ผิวในขั้นตอนเร่ง การมีศักย์สูงเกินไปจะก่อให้เกิดเขม่า เครือข่ายคาร์ไบด์ และออสเทนไนต์ตกค้างมากเกินไป ต่ำเกินไปจะให้ชั้นผิวแข็งที่ตื้นและอ่อน วงจรการผลิตมักใช้รูปแบบ เร่ง–แพร่: ศักย์สูงเพื่อขับคาร์บอนเข้าไปอย่างรวดเร็ว จากนั้นขั้นตอนศักย์ต่ำลงเพื่อกำหนดคาร์บอนที่ผิวขั้นสุดท้ายและการไล่ระดับ

แกนกลางกับชั้นผิวแข็งหลังการชุบแข็ง

หลังการคาร์บูไรซิง ชิ้นงานจะถูกชุบแข็ง (โดยตรง หรือหลังการให้ความร้อนซ้ำเพื่อปรับเกรนให้ละเอียด) และอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำ ประมาณ 150–200 °C ชั้นผิวแข็งคาร์บอนสูงจะเปลี่ยนรูปเป็นมาร์เทนไซต์แข็ง โดยทั่วไปประมาณ 58–62 HRC ที่ผิว ส่วนแกนกลาง — ซึ่งยังมีคาร์บอนเพียงประมาณ 0.15–0.25% — จะแข็งได้เท่าที่ความสามารถในการชุบแข็งของมันอนุญาตเท่านั้น จึงยังคงอ่อนกว่ามากและให้ความเหนียวที่ชิ้นงานถูกออกแบบมาโดยรอบ

เหล็กที่ออกแบบมาสำหรับการคาร์บูไรซิง

เหล็กสำหรับทำผิวแข็งเป็นเหล็กคาร์บอนต่ำโดยการออกแบบ โดยผสมเพื่อความแข็งแรงของแกนกลางและความสามารถในการชุบแข็ง:

• 8620 (AISI): เหล็กเฟืองเอนกประสงค์ของอเมริกาเหนือ แกนกลาง Ni-Cr-Mo
• 20CrMnTi (GB): เหล็กเฟืองมาตรฐานของจีน ไทเทเนียมช่วยตรึงเกรนระหว่างวงจรคาร์บูไรซิงที่ยาวนาน
• 16MnCr5 (EN 1.7131): เหล็กหลักของยุโรปสำหรับเฟืองขนาดเล็กและกลาง
• รุ่นงานหนักกว่าจะเพิ่มนิกเกิล (เช่น 18CrNiMo7-6) ในกรณีที่ความแข็งแรงของแกนกลางในหน้าตัดขนาดใหญ่มีความสำคัญ

การกำหนดชิ้นงานที่ผ่านการคาร์บูไรซิงหมายถึงการกำหนดความลึกของชั้นผิวแข็ง ความแข็งที่ผิว และความแข็งของแกนกลางร่วมกัน — อย่างใดอย่างหนึ่งเพียงอย่างเดียวเป็นข้อกำหนดที่ไม่สมบูรณ์

รูปแบบแบบแก๊ส แบบแพ็ก และแบบแรงดันต่ำ

การคาร์บูไรซิงแบบแพ็กดั้งเดิมในสารประกอบคาร์บอนแข็งปัจจุบันเป็นเรื่องในอดีตเป็นส่วนใหญ่ การผลิตสมัยใหม่ใช้ การคาร์บูไรซิงด้วยแก๊ส ในเตาบรรยากาศ ซึ่งศักย์คาร์บอนถูกวัดและควบคุมอย่างต่อเนื่อง หรือ การคาร์บูไรซิงแรงดันต่ำ (สุญญากาศ) ซึ่งพัลส์ของแก๊สไฮโดรคาร์บอนในเตาสุญญากาศให้ชั้นผิวแข็งที่สม่ำเสมอมากบนรูปทรงเฟืองที่ซับซ้อนโดยไม่มีการออกซิเดชันที่ผิว — โดยทั่วไปตามด้วยการชุบแข็งด้วยแก๊สแรงดันสูง โลหะวิทยาที่ผู้ออกแบบกำหนดเหมือนกันในทั้งสามแบบ สิ่งที่เปลี่ยนไปคือความสม่ำเสมอ ความสะอาด เศรษฐศาสตร์ของวงจร และพฤติกรรมการบิดงอที่การเก็บผิวเฟืองต้องรองรับ