Hartowanie powierzchniowe jest stosowane w celu zwiększenia twardości oraz odporności na ścieranie wierzchniej warstwy, przy zachowaniu odpowiedniej

ciągliwości rdzenia o znacznie niższej twardości. Osiąga się to poprzez szybkie nagrzanie warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu z szybkością, co najmniej równą szybkości krytycznej.

W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje

hartowania powierzchniowego:

- płomieniowe

- indukcyjne

- laserowe

- elektronowe

Hartowanie płomieniowe Polega na nagrzaniu powierzchni obrabianej cieplnie

palnikiem gazowym o dużej wydajności cieplnej, a następnie chłodzeniu strumieniem wody. Palniki płomieniowe są zasilane mieszaniną gazu palnego, przeważnie

acetylenem i tlenem, płomień taki w wierzchołku stożka wewnętrznego ma

temperaturę około 3100°C. Są one zwykle sprzężone z natryskiwaczami, które

umożliwiają bezpośrednie chłodzenie

Rodzaje hartowania płomieniowego:

a) jednoczesne

b) posuwowe

c) obrotowe

d) posuwowo-obrotowe

ad a.

Metoda ta polega na nagrzewaniu powierzchni szybko obracającego się przedmiotu (75÷100 obr/min) za pomocą płomienia gazowego i po osiągnięciu żądanej

temperatury na szybkim jego chłodzeniu. Metodę tę stosuje się do przedmiotów okrągłych o niedużych średnicach. Najczęściej używa się jej do hartowania czopów wałów korbowych, szyjek wałów i osi, kół zębatych. Chłodzenie może odbywać się pod strumieniem wody lub przez zanurzenie.

Ad b.

Metoda ta polega na stopniowym nagrzewaniu powierzchni nieruchomego lub powoli przesuwanego przedmiotu za pomocą płomienia gazowego, za którym znajduje się natrysk wodny w celu przeprowadzenia nagłego chłodzenia.

Istnieje szereg odmian tej metody, do najważniejszych należą:

• płomień palnika i natrysk wodny posuwają się prostoliniowo wzdłuż

powierzchni nieruchomego przedmiotu

• obrabiany przedmiot obraca się powoli przy nieruchomym płomieniu palnika i natrysku wodnym.

• płomień palnika i natrysk wodny przesuwają się prostoliniowo przy

jednoczesnym powolnym obrocie przedmiotu obrabianego, dzięki czemu

płomień palnika wykonuje ruch śrubowy - hartowanie śrub pociągowych

ad c.

Przedmiot obrabiany w czasie nagrzewania wykonuje ruch obrotowy, natomiast

palniki i dysze chłodzące pozostają w pozycji nieruchomej.

Ten rodzaj hartowania jest stosowany dla przedmiotów okrągłych np. osi, wałów.

Ad d.

Hartowanie płomieniowe posuwowo-obrotowe jest połączeniem sposobu

posuwowego z jednoczesnym ruchem obrotowym przedmiotu obrabianego cieplnie,

stosuje się je dla długich wałków oraz pomp

Hartowanie indukcyjne

Polega na nagrzaniu przedmiotów za pomocą prądu elektrycznego wysokiej

częstotliwości indukowanego przez zmienne pole magnetyczne.

W tym celu przedmiot umieszcza się wewnątrz lub bardzo blisko odpowiednio

ukształtowanego wzbudnika (induktora), przez który przepływa prąd zmienny.

Wytwarzane wokół wzbudnika zmienne pole magnetyczne wzbudza w przedmiocie

metalowym prądy wirowe, które nagrzewają przedmiot.

Metody hartowania indukcyjnego :

jednoczesna

• jednoczesno-obrotowa

• posuwowa

• posuwowo-obrotowa

• posuwowo-obwodowa

• posuwowa ze wstępnym podgrzewaniem

• posuwowo-obrotowa ze wstępnym podgrzewaniem

• posuwowo-obwodowa po spirali

• jednoczesno-skokowa

• jednoczesno-obrotowo-skokowa

1. Metoda ta jest stosowana do utwardzania powierzchniowego małych

przedmiotów. Przedmiot i nagrzewaj±cy go wzbudnik pozostaj± nieruchome, a

warstwa wierzchnia podlegaj±ca hartowaniu nagrzewana jest jednocze¶nie.

Po austenizacji przedmiot chłodzony jest poprzez zanurzenie lub natrysk

doprowadzony ze wzbudnika.

2. Podczas nagrzewania przedmiot walcowy obraca się we wzbudniku, dzięki

czemu uzyskuje się równomierne i jednoczesne nagrzewania całej hartowanej

strefy.

3. Wzbudnik pokrywa tylko małą część hartowanej powierzchni. Nagrzana strefa przesuwa się powoli wzdłuż całej hartowanej powierzchni na skutek ruchu

wzbudnika względem przedmiotu. Po wysunięciu się spod wzbudnika strefa

nagrzana jest stopniowo chłodzona, przeważnie za pomocą natrysku ze

wzbudnika lub oddzielnego natryskiwacza. Czasami chłodzenie zachodzi

przez stopniowe zanurzenie w kąpieli hartowniczej

4. Przebieg hartowania odbywa się podobnie jak w metodzie posuwowej.

Hartowane są tylko przedmioty cylindryczne, które podczas hartowania

obracają się wokół własnej osi.

5. Metoda ta jest stosowana do hartowania powierzchni walcowych o długiej

tworzącej. Wzbudnik nagrzewa wąską strefę wzdłuż tworzącej. Hartowanie

przebiega posuwowo na skutek powolnego obrotu przedmiotu dookoła własnej

osi. Chłodzenie przebiega jak w metodzie posuwowej.

6. Stosowana do hartowania powierzchni walcowych o długiej tworzącej.

Wzbudnik ustawiony wzdłuż tworzącej wykonuje względny ruch po obwodzie,

ponadto wykonuje równocześnie jednostajny ruch poosiowy tak dobrany, że

strefa zahartowana tworzy spiralę na powierzchni przedmiotu. Chłodzenie

przebiega podobnie jak w metodzie posuwowej

7. Nieruchomy przedmiot wstępnie podgrzewa się we wzbudniku do temperatury

austenityzacji, po czym włącza się posuw i natrysk chłodzący jak w metodzie

posuwowej. W przypadku, gdy wzbudnik musi mieć dodatkowy, oddzielny od

natryskiwacza obieg chłodzenia wodnego

8. Jest podobna do metody posuwowej ze wstępnym podgrzewaniem,

a przedmiot obrabiany dodatkowo wykonuje ruch obrotowy.

9. Jest stosowana do kolejnego hartowania tego samego przedmiotu w kilku

miejscach. Podczas nagrzewania kolejnych warstw przedmiot pozostaje nie

ruchomy względem wzbudnika. Po nagrzewaniu do temperatury austenityzacji

następuje szybki ruch przedmiotu względem wzbudnika, podczas którego

wzbudnik zostaje przemieszczony w obszar nagrzewania następnej warstwy,

a strefa nagrzana przemieszcza się pod natrysk chłodzący lub do ośrodka

chłodzącego.

10. Metoda podobna do metody jednoczesno-skokowej, a przedmiot obrabiany

dodatkowo obraca się.

Hartowanie laserowe

Polega na nagrzaniu obrabianego cieplnie przedmiotu do temperatury

austenityzowania i następnym samochłodzeniu. Chcąc ułatwić posługiwanie się

nagrzewnicami laserowymi opracowuje się wykresy i nomogramy pozwalające na

optymalizację parametrów obróbki cieplnej. W porównaniu z technikami tradycyjnymi hartowania przy hartowaniu laserowym uzyskuje się warstwy twardsze o ok. 30%, o bardziej drobnoziarnistej strukturze oraz o mniejszej grubości w zakresie 0,25 do 2,5

mm.

Hartowanie z użyciem wiązki laserowej zwiększa:

• twardość

• wytrzymałość statyczną i zmęczeniową w

wyniku uzyskania w warstwie wierzchniej

korzystnych naprężeń ściskających

• udarność i ciągliwość rdzenia

• odporność na zużycie przez tarcie

Hartowanie elektronowe

Hartownie powierzchniowe z wykorzystaniem nagrzewania elektronowego polega na krótkotrwałym (od ok. 1 ms do ok. 1 s) nagrzewaniu warstwy wierzchniej do

temperatury znacznie wyższej od Ac3 (lecz niższej od temperatury topnienia). Do

nagrzewania stosuje się nagrzewnice elektronowe o mocy od kilku do kilkudziesięciu kilowatów

Kształt elementów obrabianych powinien być tak dobrany, aby obrabiana

powierzchnia była możliwie prostopadła do wiązki elektronowej. Preferowane są powierzchnie długie płaskie i obrotowo-symetryczne. Najczęściej metodą

elektronową hartuje się powierzchniowo fragmenty maszyn lub narzędzi np. koła zębate, wały korbowe, wałki rozrządu, pierścienie tłokowe, przeguby kulowe,

popychacze, łopatki turbin, krawędzie tnące – frezów, noży tokarskich, wierteł oraz bieżnie łożysk tocznych

Przemiany zachodzące w stali podczas hartowania powierzchniowego:

Austenityczna (podczas nagrzewania) - Podczas hartowania powierzchniowego

następuje nagrzewanie stali do temperatury zapewniającej wystąpienie struktury austenitu. Proces tworzenia austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu

uwarunkowany jest nagrzaniem stali do temperatury wyższej od Ac1. W wyniku

nagrzania stali do tej temperatury, na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje jednorodne zarodkowanie austenitu.

Podczas wolnego chłodzenia w nagrzanej stali do temperatury austenityzowania zachodzą przemiany zgodnie z wykresem równowagi faz żelazo-cementyt. W czasie chłodzenia austenitu w zależności od temperatury przechłodzenia i szybkości

chłodzenia mogą zachodzić przemiany:

martenzytyczna

• bainityczna

• perlityczna

przemiana austenityczna

Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny. Ziarna, które powstają w pierwszej fazie procesu maj± bardzo zróżnicowane stężenie węgla. Sferoidalna postać cementytu utrudnia zarodkowanie austenitu. W następnych fazach procesu tworzenia austenitu następuje rozpuszczanie węglików i ujednorodnienie składu chemicznego austenitu.

Przemiana ferrytu w austenit o małym stężeniu węgla przebiega z dużą szybkością.

Ujednorodnienie austenitu jest procesem długotrwałym, nawet przy dużym

przegrzaniu stali powyżej temperatury Ac1.

Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do

temperatury Ms, początku tej przemiany, przy chłodzeniu

z szybkością większą od krytycznej vk. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana martenzytyczna zachodzi wtedy, gdy temperatura jest obniżana w sposób ciągły w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca.

W wyniku przemiany martenzyty-cznej w stalach mogą powstać

dwa rodzaje martenzytu:

- martenzyt listwowy

- martenzyt płytkowy

Przemiana bainityczna zawiera w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczenia węgla. Występuje przy przechłodzeniu stali do temperatury w

zakresie 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, który jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików.

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się:

- bainit górny - ziarna przesyconego węglem ferrytu z wydzieleniami

węglików oraz austenitu szczątkowego

- bainit dolny - przesycony węglem ferryt o postaci listwowej,

płytkowe węgliki oraz austenit szczątkowy

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej

temperatury Ar1. Powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z

przegrupowaniem atomów węgla. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel

powoduje zmniejszenie stężenia węgla w austenicie. Szybkość przemiany zależy od szybkości zarodkowania

Urządzenia do hartowania powierzchniowego:

- Przetwornica częstotliwości - TIV

- Przetwornica częstotliwości – TIC

- uniwersalna maszyna hartująca

- urządzenia do obróbki cieplnej

- cewki grzejne do hartowania indukcyjnego