Hartowanie to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu oraz wygrzaniu stali w temperaturze nieco wyższej od Ai A(od 30 do 50oC) a następnie chłodzeniu w wodzie lub oleju. Szybkość chłodzenia musi być na tyle duża, aby austenit przemienił się w strukturę martenzytyczną przynajmniej częściowo, ale w znacznym procencie. W praktyce za warstwę zahartowaną uważa się warstwę, której struktura zawiera przynajmniej 50% martenzytu. Twardość martenzytu zależy od zawartości węgla w stali oraz od temperatury wygrzewania.
Hartownością stali określa się jej zdolność do tworzenia się struktury martenzytycznej wskutek szybkiego chłodzenia się do temp. austenizacji. Hartowność mierzy się głębokością warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu . Warunkiem na to, aby stal po zahartowaniu wytworzyła strukturę martenzytu jest jej chłodzenie z szybkością większą od szybkości krytycznej. Jeżeli hartujemy w ośrodku oziębiającym pewien przedmiot to jego zewnętrzna warstwa zewnętrzna chłodzi się najszybciej , a im bardziej warstwy oddalają się od powierzchni tym ochładzają się wolniej. Opierając się na definicji szybkości krytycznej tylko te warstwy danego przedmiotu otrzymają strukturę martenzytyczną , których szybkość chłodzenia będzie większa od krytycznej dla danej stali. Jeżeli będzie to pręt o dużej średnicy to nie zahartuje się jego część wewnętrzna gdyż chłodzi się ona powoli, a powstaną tam struktury troostytu, bainitu czy też perlitu z ferrytem lub cementytem nadeutektoidalnym.
Hartowność to również przydatność do obróbki cieplnej uwzględniając wielkość ziarna w warstwie zahartowanej, głębokość hartowania i skłonność do powstawania pęknięć.
Hartowność stali zależy od:
zawartości węgla w stali- im %C jest większy tym temp. krytyczna maleje;
pierwiastków stopowych;
wzrostu ziarna- stale gruboziarniste hartują się głębiej niż drobnoziarniste;
jednorodności ziaren austenitu- im austenit jest bardziej jednorodny tym hartowność jest większa;
szybkości chłodzenia;
przekroju przedmiotu hartowanego;
Węgiel i wszystkie inne pierwiastki stopowe oprócz kobaltu zwiększają hartowność stali, dlatego stale węglowe są mniej hartowne od stali stopowych. Dzięki pierwiastkom stopowym można również zmniejszyć szybkość chłodzenia nie zmniejszając przy tym twardości otrzymanego martenzytu. Zastosowanie oleju do schładzania stali zmniejsza ryzyko powstawania pęknięć, a naprężenia i odkształcenia w hartowanym przedmiocie są mniejsze.
Miarą hartowności stali jest średnica krytyczna, czyli maksymalna średnica próbki zahartowanej na wskroś, w danych warunkach chłodzenia. Inaczej można powiedzieć, że miarą hartowności stali jest maksymalna głębokość na jaką daną stal da się zahartować.
Hartowanie zwykłe.
Hartowaniem zwykłym nazywamy takie hartowanie martenzytyczne, w którym przebieg chłodzenia przedmiotu od temperatury wygrzewania do temperatury przemiany martenzytycznej odbywa się w sposób ciągły bez gwałtownej zmiany szybkości chłodzenia w środowisku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej. Stale węglowe hartuje się na ogół w wodzie, a stopowe w oleju.
Przy chłodzeniu w powietrzu jedynie stale wysokostopowe o małej szybkości krytycznej chłodzenia ulegają zahartowaniu i dlatego nazywa się je stalami samohartującymi się.
Szybkość chłodzenia musi być zbliżona do szybkości krytycznej i wystarczająco duża, żeby umożliwić przynajmniej częściowe dojście przechłodzonego austenitu do przemiany martenzytycznej.
Hartowanie zwykłe, najczęściej w oleju, stosuje się głównie do stali wysokowęglowych otrzymując w rezultacie strukturę martenzytyczno-bainityczną.
Hartowanie miejscowe.
Przeprowadza się je w następujący sposób, że cały przedmiot nagrzewa się do temperatury hartowania, a następnie ochładza się w wodzie lub oleju tylko to miejsce, które ma być zahartowane. Można też ogrzewając tylko to miejsce, które ma być hartowane, a oziębiając cały przedmiot w cieczy chłodzącej. Struktura martenzytu powstanie tylko w tych miejscach gdzie wystąpi nagrzanie do temp. austenizacji i ochłodzenie będzie z szybkością większą krytycznej.
Hartowanie stopniowe.
Stosowane jest w celu uniknięcia powstawania naprężeń cieplnych i strukturalnych,będących przyczyną deformacji lub pęknięć występujących przy zwykłym hartowaniu martenzytycznym.
Hartowanie stopniowe jest to hartowanie z pierwszym stopniem oziębienia w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyższej od temp. początku przemiany martenzytycznej M w ciągu czasu niezbędnego do oziębienia całego przekroju przedmiotu do temperatury kąpieli, i z drugim stopniem oziębiania w powietrzu.
Czas przetrzymywania w kąpieli nie może być dłuższy niż wynosi czas trwałości austenitu w tej temperaturze.
Hartowanie stopniowe jest stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów o niedużych wymiarach lub /i skomplikowanych kształtach.
Hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną.
Stal nagrzewamy do temp. austenizacji , a następnie oziębiamy do temperatury wygrzewania M leżącej powyżej przemiany martenzytycznej, a poniżej zakresu przemiany perlitycznej. Przedmiot przetrzymujemy w tej temperaturze tak długo, aby nastąpiło całkowite przejście austenitu w bainit. Austenit rozpada się wtedy na :
bainit niższy w temp. kąpieli wyższej M;
bainit wyższy w temp. bliskiej zakresu perlitycznego;
bainit średni w temp. pośredniej;
Następnie chłodzimy z dowolną szybkością np. na wolnym powietrzu. Temperatura kąpieli pośredniej jest zależna od gatunku stali i wynosi przeważnie około od 250 do 350°C.
Ten rodzaj hartowania zapewnia zmniejszenie naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszenie możliwości powstania pęknięć i deformacji. Stal bainityczna jest mniej twarda od stali martenzytycznej, ale jest bardziej ciągliwa i ma większą udarność.
Hartowanie na mieszaninę bainitu z martenzytem przeprowadza się celowo chcąc uzyskać twardość wyższą niż bainit, a ciągliwość wyższą niż martenzytu. Przeprowadza się je w temp. podobnych do temp. hartowania stopniowego. Czas przetrzymywania w kąpieli solnej wydłuża się do momentu zajścia częściowej przemiany na bainit. Po wyjęciu z kąpieli austenit rozpada się na martenzyt.
Hartowanie ciągłe na bainit polega na ochłodzeniu stali z taką szybkością aby otrzymać strukturę wyłącznie bainistyczną. Hartowanie tego typu jest możliwe tylko dla niektórych rodzajów stali.
Patentowanie stosuje się do drutów lub taśm stalowych. Przeprowadza się je przed ciągnięciem na zimno lub między poszczególnymi ciągami drutu stalowego. Polega ono na austenityzowaniu w wysokiej temp.850-1180°C i oziębieniu do temp. przemiany izotermicznej 400-550°C, wytrzymaniu w tej temp. aby zaszła przemiana na bainit i następnie studzeniu na powietrzu. Uzyskuje się wtedy strukturę odporną na przeciąganie.
Metody hartowania stali.
Rozróżnia się kilka typów hartowania w zależności od tego jakiego rodzaju materiał potrzebujemy. Są to hartowanie:
Powierzchniowe przeprowadza się w celu otrzymania twardej, odpornej na ścieranie i wysokiej wytrzymałości warstwy powierzchniowej zachowując niezmienne własności środka przedmiotu. Warstwę tą nagrzewa się powyżej temp. Ac3 i chłodzi z szybkością większą od krytycznej.
Powierzchniowe płomieniowe nagrzanie następuje poprzez użycie płomienia otrzymanego przy spalaniu w powietrzu lub tlenie gazów takich jak acetylen, gaz świetlny lub generatorowy. Palnik nagrzewa się do temp 2500-3000°C i ogrzewa powierzchnię po czym chłodzi się ją cieczą w celu niedopuszczenia do zahartowania warstw głębszych.
Powierzchniowe indukcyjne polega na nagrzaniu warstwy powierzchniowej prądami o wysokiej częstotliwości i natychmiastowym ochłodzeniu wodą.
Powierzchniowe kąpielowe polega na nagrzaniu przedmiotu do temp. powyżej Ac3 poprzez zanurzenie w kąpieli solnej o temp. 1100-1200°C na kilka sekund i natychmiastowym ostudzeni w odzie lub oleju.
Martenzytyczne polega na ciągłym oziębianiu z szybkością większą od krytycznej w środowisku o temp. niższej od temp. początku przemiany martenzytycznej. Stale węglowe hartują się w wodzie, stopowe w oleju, a jedynie wysokostopowe w powietrzu.
Wady i zalety hartowania.
Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali związane są z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej. Wykorzystując fizykochemiczne zjawiska występujące podczas ogrzewania i oziębiania stali można doprowadzić do powstania najbardziej odpowiedniej struktury. Stal w stanie ulepszonym jako materiał konstrukcyjny znacznie bardziej nadaje się niż ta w stanie nie ulepszonym. Do najważniejszych zalet hartowania można zaliczyć podwyższenie twardości materiału i wzrost odporności na ścieranie zahartowanych powierzchni.
Do wad można zaliczyć zmniejszenie ciągliwości materiału, wzrost kruchości i podatności materiału na uszkodzenia udarnościowe. Wady te wynikają z charakterystyki struktury martenzytycznej i bainitycznej otrzymywanej w wyniku hartowania. Niekorzystne są także rozrost ziaren i naprężenia hartownicze.
Naprężenia hartownicze.
Podczas hartowania występują tak duże naprężenia hartownicze, że przedmioty krzywią się a nawet często pękają. Przedmioty o dużych wymiarach, o skomplikowanych kształtach należy bardzo starannie układać w piecu, równomiernie wygrzewać w całej objętości oraz studzić równomiernie cały materiał. Równomierne chłodzenie jest bardzo często niemożliwe. Przedmioty o bardzo skomplikowanych kształtach trudno jest więc zahartować. Szczególnie ważny jest moment wkładania przedmiotu do wody. Jeżeli jest to wałek, to należy wkładać go do wody w kierunku jego osi, ruchem spokojnym, w przeciwnym przypadku wystąpi znaczne wykrzywienie. Poruszanie przedmiotu w cieczy chłodzącej też powoduje krzywienie, aczkolwiek zwiększa intensywność chłodzenia.
Wyróżniamy takie naprężenia jak:
cieplne powstające na skutek różnej szybkości chłodzenia powierzchni i rdzenia;
strukturalne zachodzące na skutek przemian fazowych, które są połączone z dużymi zmianami objętościowymi.
WYŻARZANIE.
Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzewaniu materiału do wymaganej temperatury, wygrzewanie w tej temperaturze i następnie studzenie z małą szybkością. Celem wyżarzania jest osiągnięcie odpowiednich własności materiału.
Wyżarzanie ujednoradniające.
Inaczej nazywane homogenizacją lub wyżarzaniem dyfuzyjnym. Polega na nagrzaniu stali do temperatury w zakresie 1100oC do 1300oC. Zabieg ten przeprowadza się zwykle na wlewkach ze stali stopowej lub odlewach staliwnych. Celem ujednorodnienia jest usunięcie niejednorodności chemicznej ziaren i częściowo wydzieleń na ich granicach.
Proces ujednorodnienia struktury stali odbywa się przeważnie w temperaturze od 1100oC do 1300oC w czasie 12 do 15 godzin, a powolne studzenie przeprowadza się do temperatury około 250oC.
Obróbkę tę stosuje się tylko do stopów, które krzepną jako niejednorodne roztwory stałe.
Wyżarzanie normalizujące.
Nazywane inaczej normalizowaniem. Polega na nagrzaniu staliwa lub stali do temperatury 50oC powyżej przemiany A3 lub Acm, wygraniu aż do osiągnięcia roztworu węgla w żelazie γ i powolnym studzeniu. Normalizowanie przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń własnych oraz otrzymania jednorodnej i rozdrobnionej struktury, która polepsza własności wytrzymałościowe stali i jej przydatność do obróbki skrawaniem.
Wyżarzanie zupełne.
Jest odmianą normalizowania z zachowaniem tych samych parametrów obróbki z tą jednak różnicą, że studzenie stali jest powolniejsze i odbywa się w piecu lub w popiele.
Wyżarzanie zupełne umożliwia uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi, a więc otrzymuje się stale zmiękczone.
Wyżarzanie sferoidyzujące.
Sferoidyzowanie inaczej wyżarzanie zmiękczające lub Wyżarzanie na cementyt kulkowy. Polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do AC1, wygrzaniu w niej i wolnym chłodzeniu. W efekcie otrzymujemy strukturę cementytu kulkowego na tle ferrytu.
Temperatura wyżarzania sferoidyzującego stali węglowych jest zmienna i wzrasta wraz zawartością węgla w stali. Uzyskana struktura zależy od rodzaju stali, temperatury, czasu wygrzewania i skłonności stali do grubo- lub drobnoziarnistości.
Wyżarzanie rekrystalizujące.
Przeprowadza się dla materiałów poddanych obróbce plastycznej na zimno, czyli poniżej temperatury rekrystalizacji. Temperatura rekrystalizacji zależy od zawartości węgla w stali. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest odbudowa pierwotnej struktury materiału zmienionej pod wpływem zgniotu.
Rekrystalizację przeprowadza się w dwóch etapach. Najpierw przy niskich temperaturach przebiega proces zdrowienia, którego szybkość maleje z czasem. Podczas zdrowienia w materiale zachodzi spadek naprężeń, własności mechaniczne ulegają niewielkim zmianom, a struktura pozostaje bez zmian.
Drugim etapem jest rekrystalizacja, która zachodzi pod wpływem wyższych temperatur. Następuje wówczas zmiana struktury i powstają nowe zarodki wolnych od defektów ziaren, które się rozrastają.
Wyżarzanie odprężające.
Przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych bez zmiany jego budowy strukturalnej. Usuwa się naprężenia występujące w spoinach, odlewach, w częściach zahartowanych lub poddanych odkształceniu plastycznemu na zimno. Naprężenia te mogą niekiedy być bliskie wartościom naprężeń niszczących, które są bardzo niekorzystne.
Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu materiału do odpowiedniej temperatury (materiały umocnione zgniotem do temperatury niższej od temp. rekrystalizacji), wygrzaniu w tej temperaturze przez kilka godzin i powolnym chłodzeniu.
Temperatura i czas wygrzewania zależy od rodzaju materiału, jego stanu oraz od przyczyn wywołujących naprężenia.
Zwykle czas wygrzewania wynosi kilka godzin i skraca się wraz ze wzrostem temperatury.
Wyżarzanie stabilizujące.
Inaczej zwane stabilizowaniem lub sezonowaniem. Jest to zabieg cieplny, polegający na wygrzewaniu przedmiotów stalowych w temperaturze nie przekraczającej zwykle 150oC.
Celem wygrzewania stabilizującego jest zapewnienie niezmienności wymiarów przedmiotu oraz zmniejszenie naprężeń wewnętrznych. Często sezonowanie stosuje się dla materiałów wykorzystywanych na sprawdziany i dla odlewów żeliwnych.
Wady wyżarzania.
Podczas wyżarzania w wysokich temperaturach może nastąpić wzrost ziarna tzw. przegrzanie stali, otrzymamy wtedy przy wolnym chłodzeniu gruby perlit o słabej udarności i plastyczności. Również wygrzewanie stali w wysokich temperaturach może doprowadzić do innego niepożądanego zjawiska - przepalenia. Na granicach ziaren austenitu powstają wówczas tlenki żelaza.
Przepalenie stali wiąże się z jej zniszczeniem i zamienieniem w złom. Stal przepalona jest bardzo krucha, a ponowna obróbka cieplna nie usunie skutków przepalenia.
ODPUSZCZANIE.
Odpuszczanie jest obróbką cieplną, którą stosuje się do stali uprzednio zahartowanej. Stal podawaną odpuszczaniu wygrzewa się w temperaturze niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzi na wolnym powietrzu do temperatury otoczenia. Podczas odpuszczania zasadniczy składnik strukturalny zahartowanej stali węglowej - martenzyt rozpada się przez wydzielenie dyspersyjnych ziarenek cementytu i powstają takie struktury jak troostyt odpuszczania oraz sorbit odpuszczania.
- 4 -