Specyfikacje twardości dominują w projektach obróbki cieplnej kucia. Wiele rysunków nie przedstawia niczego poza wartościami HB lub HRC plus dopuszczalny margines zniekształceń. Jednak kontrola jakości oparta na projekcie-obejmuje głębsze-zlokalizowane strefy obróbki cieplnej, wymagania dotyczące głębokości obudowy w przypadku komponentów-utwardzanych powierzchniowo oraz twardość rdzenia wpływają na niezawodność końcowego komponentu. Cele wydajności determinują każdy wskaźnik.
Twardość: podstawowa metryka z krytycznym zastrzeżeniem
Testy twardości to weryfikacja jakości w hali produkcyjnej, która jest-szybka, nieniszcząca i-oszczędna. Korelacja między twardością a wytrzymałością na rozciąganie sprawia, że jest to praktyczny substytut oceny właściwości mechanicznych, gdy pełne badanie rozciągania nie jest praktyczne. ASTM A909/A909M wyraźnie łączy twardość z granicą plastyczności, wytrzymałością na rozciąganie, wydłużeniem i wymaganiami dotyczącymi ciągliwości w odkuwkach ze stali węglowej mikrostopowej.
Jednak ślepe poleganie na podręcznikowych wartościach twardości powoduje awarie w terenie. Analiza trybu awaryjnego musi określać docelowe wartości twardości.
Ilustruje to 10-tonowy pręt młotkowy do kucia matrycowego, wykonany z 40CrNi lub 35CrMo. Początkowe specyfikacje zalecały niską twardość (241-270 HBW) w oparciu o zakładane obciążenie-zdominowane przez uderzenia. Żywotność pręta pozostała krótka. Badanie awarii ujawniło, że głównym mechanizmem jest pękanie zmęczeniowe, a nie przeciążenie udarowe. Podniesienie twardości do 38-43 HRC radykalnie wydłużyło żywotność. Niższa twardość byłaby bezpieczniejsza w przypadku uderzenia; wyższa twardość okazała się właściwa dla zmęczenia.
Projektanci, którzy obliczają rozkłady naprężeń, stosują współczynniki bezpieczeństwa, przeliczają wymagania wytrzymałościowe za pomocą standardowych tabel konwersji twardości i ogłaszają, że wszystko jest gotowe,-całkowicie pomijają dyskusję na temat trybu awaryjnego. Matryce-do pracy na zimno oferują odwrotną lekcję. Prasy-o wysokiej precyzji wymagają narzędzi o wysokiej twardości. Jednakże słaba dokładność maszyny w połączeniu z dużą energią uderzenia preferuje nieco zmniejszoną twardość, aby zapobiec odpryskom krawędzi lub całkowitemu pęknięciu.
Siła-Równowaga wytrzymałości: związek uzupełniający
Gatunki stali wykazują wzajemnie wykluczające się właściwości wytrzymałościowe i udarnościowe. Odkuwki konstrukcyjne zaprojektowane z nadmiernymi marginesami wytrzymałości poświęcają wytrzymałość, napędzając ponadgabarytowe komponenty o ograniczonej trwałości zmęczeniowej. Z drugiej strony narzędzia i matryce zoptymalizowane wyłącznie pod kątem odporności na zużycie-maksymalnej twardości, minimalnej wytrzymałości-przedwczesnego pękania pod wpływem cyklicznych uderzeń.
Odpowiednia równowaga wynika z udokumentowanej analizy warunków pracy. Wartości wytrzymałości materiału mierzone na podstawie standardowych próbek testowych rzadko przekładają się bezpośrednio na wytrzymałość konstrukcyjną-elementów, wpływ rozmiaru, wrażliwość na karb i stany naprężeń szczątkowych, które w znacznym stopniu zmieniają rzeczywiste-działania. Siła na poziomie systemu- obejmująca sąsiadujące ze sobą komponenty dodaje kolejną zmienną.
Różnice twardości optymalizują żywotność zespołu. Łożyska toczne zwiększają żywotność, gdy kulka porusza się o 2 HRC twardiej niż bieżnia. Koła zębate napędu samochodowego osiągają lepsze wyniki, gdy twardość powierzchni przekracza współpracujące koło zębate o 2–5 HRC. I odwrotnie, identyczny materiał o identycznej twardości często daje słabą odporność na zużycie w kontakcie tarcia.
Koordynacja rdzenia i powierzchni w komponentach hartowanych
Części-nawęglane, azotowane węgloazotowane, utwardzane indukcyjnie, azotowane-wymagają określonej docelowej wytrzymałości rdzenia przy stałej głębokości obudowy. Nadmierna wytrzymałość rdzenia zmniejsza korzystne naprężenia szczątkowe ściskające powierzchnię, obniżając odporność zmęczeniową. Niewystarczająca wytrzymałość rdzenia przesuwa inicjację zmęczeniową do strefy przejściowej, przyspieszając propagację pęknięć.
ISO 18203 standaryzuje metody pomiaru głębokości obudowy w procesach termicznych, w tym hartowaniu płomieniowym, indukcji, wiązką elektronów i laserem, a także obróbce termochemicznej, takiej jak nawęglanie, węgloazotowanie i azotowanie. W dokumencie głębokość utwardzania nawęglania definiuje się jako pionową odległość od powierzchni do punktu pomiaru twardości osiągającą 550 HV zgodnie z normą ISO 6507-1. Głębokość twardości azotowania określa punkt, w którym twardość przekracza wartości rdzenia o 50 HV.
Optymalne współczynniki hartowania dla nawęglanych kół zębatych mieszczą się w zakresie od 0,1 do 0,15 względnej efektywnej głębokości obudowy. Wiele istniejących specyfikacji sięga znacznie głębiej, niż jest to konieczne. Zmniejszenie głębokości obudowy do tego zoptymalizowanego zakresu jednocześnie utrzymuje trwałość zmęczeniową, zapewniając jednocześnie wymierne oszczędności energii.
