V plánoch tepelného spracovania dominujú špecifikácie tvrdosti. Mnohé výkresy nenesú nič nad rámec hodnôt HB alebo HRC plus prípustnú hranicu skreslenia. Ale dizajn-riadenie kvality riadi hlbšie-lokalizované zóny tepelného spracovania, požiadavky na hĺbku puzdra pre povrchové-tvrdené komponenty a tvrdosť jadra spolupôsobia na spoľahlivosti konečného komponentu. Výkonnostné ciele určujú každý ukazovateľ.
Tvrdosť: Primárna metrika s kritickým upozornením
Testovanie tvrdosti dominuje overovaniu kvality v dielni-rýchlym, nedeštruktívnym a nákladovo{1} efektívnym. Korelácia medzi tvrdosťou a pevnosťou v ťahu z neho robí praktickú náhradu pre hodnotenie mechanických vlastností, keď úplné skúšanie ťahom nie je praktické. ASTM A909/A909M explicitne spája tvrdosť s medzou klzu, pevnosťou v ťahu, predĺžením a požiadavkami na ťažnosť vo výkovkoch z mikrolegovanej uhlíkovej ocele.
Ale slepé spoliehanie sa na hodnoty tvrdosti z príručky spôsobuje zlyhania v teréne. Analýza režimu zlyhania musí riadiť ciele tvrdosti.
Ilustruje to 10-tonová kladivová tyč na zápustkové kovanie vyrobená z 40CrNi alebo 35CrMo. Počiatočné špecifikácie predpisovali nízku tvrdosť (241-270 HBW) na základe predpokladaného zaťaženia-prevládajúceho nárazom. Život prúta zostal krátky. Vyšetrovanie porúch odhalilo ako primárny mechanizmus únavovú zlomeninu – nie nárazové preťaženie. Zvýšením tvrdosti na 38-43 HRC sa dramaticky predĺžila životnosť. Nižšia tvrdosť by bola bezpečnejšia pre náraz; vyššia tvrdosť sa ukázala ako správna pre únavu.
Dizajnéri, ktorí počítajú rozloženie napätia, aplikujú bezpečnostné faktory, konvertujú požiadavky na pevnosť prostredníctvom štandardných prevodových tabuliek tvrdosti a označujú to za ukončené,-úplne vynechávajú konverzáciu o režime zlyhania. Studené-kocky na prácu ponúkajú opačnú lekciu. Vysoko presné{4}}lisy vyžadujú nástroje s vysokou tvrdosťou. Nízka presnosť stroja v kombinácii s veľkou energiou nárazu však uprednostňuje mierne zníženú tvrdosť, aby sa zabránilo vylamovaniu hrán alebo úplnému zlomeniu.
Sila-Vyváženosť húževnatosti: Doplnkový vzťah
Druhy ocele vykazujú navzájom sa vylučujúce správanie v oblasti pevnosti a húževnatosti. Konštrukčné výkovky navrhnuté s nadmernými okrajmi húževnatosti obetujú pevnosť a poháňajú nadrozmerné komponenty s obmedzenou únavovou životnosťou. Naopak, nástroje a matrice optimalizované čisto pre odolnosť proti opotrebeniu-maximálna tvrdosť, minimálna húževnatosť-predčasne lomia pri cyklickom náraze.
Príslušná bilancia vyplýva z analýzy zdokumentovaného servisného stavu. Hodnoty pevnosti materiálu namerané zo štandardizovaných skúšobných vzoriek sa len zriedka premietajú priamo do vplyvu veľkosti štrukturálnej pevnosti súčiastok,{1}}veľkosti, citlivosti na vruby a zvyškových napätí, menia výkon v reálnom-svete o značné rozdiely. Sila systémovej{4}}úrovne zahŕňajúca susediace interagujúce komponenty pridáva ďalšiu premennú.
Diferenciály tvrdosti optimalizujú životnosť zostavy. Valivé ložiská zvyšujú životnosť, keď guľa beží o 2 HRC tvrdšie ako obežná dráha. Automobilové hnacie pastorky dosahujú vyššiu výkonnosť, keď tvrdosť povrchu prekročí protiľahlé ozubené koleso o 2–5 HRC. Identický materiál pri rovnakej tvrdosti, naopak, často vytvára slabú odolnosť proti opotrebovaniu pri trecom kontakte.
Koordinácia jadra a povrchu v tvrdených komponentoch
Púzdro-kalené diely-karburizované, karbonitridované, indukčne kalené, nitridované-požadujú špecifické ciele pevnosti jadra pri pevnej hĺbke puzdra. Nadmerná pevnosť jadra znižuje priaznivé povrchové kompresné zvyškové napätie, čím sa znižuje odolnosť proti únave. Nedostatočná pevnosť jadra posúva iniciáciu únavy do prechodovej zóny, čím sa urýchľuje šírenie trhliny.
ISO 18203 štandardizuje metódy merania hĺbky puzdra v rámci tepelných procesov vrátane plameňa, indukcie, elektrónového lúča a laserového kalenia, ako aj termochemických úprav, ako je nauhličovanie, karbonitridácia a nitridácia. Dokument definuje hĺbku cementovania ako vertikálnu vzdialenosť od povrchu k bodu merania tvrdosti dosahujúcu 550 HV podľa ISO 6507-1. Hĺbka nitridačnej tvrdosti udáva bod, kde tvrdosť presahuje hodnoty jadra o 50 HV.
Optimálne pomery kalenia pre nauhličované ozubené kolesá sú medzi 0,1 a 0,15 relatívnej efektívnej hĺbky puzdra. Mnohé existujúce špecifikácie siahajú podstatne hlbšie, ako je potrebné. Zníženie hĺbky puzdra na tento optimalizovaný rozsah súčasne zachováva únavovú životnosť a zároveň prináša merateľné úspory energie.
