Hartowanie nalezy do najwcześniej opanowanych procesów obróbki cieplnej.

Najstarszymi z metod konwencjonalnych jest hartowanie płomieniowe i piecowe.

Młodszą technologią jest hartowanie indukcyjne a także powierzchniowe hartowanie wiązką laserową, które stosowane jest z powodzeniem w przemyśle od około 10 lat.

Proces obróbki „twardych” materiałów powinien zostać optymalnie

przeprowadzony. Rosnący udział tworzyw sztucznych i kompozytów w konstrukcjach powoduje, że elementy metalowe współpracujące z tworzywami sztucznymi wzmacnianymi włóknem szklanym są narażone na zwiększoną ścieralność. W związku z tym dużą uwagę poświęca się hartowaniu współpracujących powierzchni.

Wszystkie metody hartowania charakteryzują się wprowadzeniem dużej ilości

energii do wnętrza materiału. W przypadku tradycyjnych metod hartowania wymagane jest stosowanie naddatków na dalszą obróbkę, a konieczność usunięcia naprężeń hartowniczych wiąże się dodatkowymi kosztami. Koszty te można zminimalizować poprzez takie przeprowadzenie procesu hartowania, by hartowany detal nie wymagał dalszej obróbki.

Przy wymaganiach stawianych nowoczesnym konstrukcjom wybór technologii hartowania powinien być podyktowany wymogami technicznymi, a nie

możliwościami wykonawczymi. Musi się on opierać na uzasadnionych technicznie przesłankach, a nie na dotychczasowym doświadczeniu czy też o konieczność stosowania tradycyjnych metod.

Hartowanie płomieniowe polega na nagrzewaniu obrabianego przedmiotu palnikami gazowymi i szybkim chłodzeniu.

Hartowanie płomieniowe polega na miejscowym nagrzaniu części przedmiotu, który chcemy zahartować, palnikiem gazowym (acetylenowo-tlenowym) i następnie intensywnym chłodzeniu strumieniem wody z dyszy

Metody hartowania płomieniowego są podobne do metod hartowania indukcyjnego. Palniki są zwykle sprzężone z natryskiwaczami, co umożliwia bezpośrednie chłodzenie. Hartowanie płomieniowe może być stosowane w przypadku obróbki cieplnej wałków, kół zębatych, zwłaszcza o dużych modułach (np. 12 mm), prowadnic łóż obrabiarek, tulei i innych dużych przedmiotów.

Powierzchniowe hartowanie płomieniowe. Hartowanie płomieniowe polega na miejscowym nagrzaniu części przedmiotu, który chcemy zahartować, palnikiem gazowym i następnie intensywnym chłodzeniu strumieniem wody z dyszy. Nagromadzone podczas grzania ciepło powoduje szybki wzrost temperatury w warstwie powierzchniowej, podczas gdy środek pozostaje nie nagrzany, wskutek czego po hartowaniu pozostaje miękki i ciągli wy rdzeń.

Proste urządzenie do hartowania płomieniowego można wykonać wykorzystując do tego celu starą tokarkę. Na suporcie tokarki zamiast imaka nożowego ustawia się uchwyty do zamocowania palnika i dyszy. Urządzenia bardziej specjalne, zautomatyzowane, wykonywane są fabrycznie. Hartowanie płomieniowe wałów korbowych, mimo olbrzymiego postępu w dziedzinie hartowania indukcyjnego, znajduje szerokie zastosowanie.

Hartowanie płomieniowe pozwala na osiągnięcie głębokości zahartowania od około 2 do 8 mm, przy minimalnej średnicy przedmiotu 20 mm.

W zależności od kształtu i wymiaru powierzchni, która ma być zahartowana, stosuje się następujące rodzaje hartowania:

-hartowanie jednoczesne,

-hartowanie obrotowe,

-hartowanie posuwowe,

-hartowanie posuwowo – obrotowe.

Metoda jednoczesnego hartowania polega na nagrzewaniu od razu całej powierzchni przedmiotu i po osiągnięciu właściwej temperatury na jej szybkim ochłodzeniu. Najczęściej spotykaną odmianą tego sposobu jest hartowanie obrotowe, w czasie którego palnik jest nieruchomy, a przedmiot obraca się z określoną prędkością . Sposób ten stosowany jest do przedmiotów okrągłych o niewielkich średnicach.

Metoda hartowania ciągłego polega na postępowym ciągłym nagrzewaniu powierzchni i postępującym za nim oziębianiu ciągłym za pomocą natryskiwacza znajdującego się za palnikiem. Metodę tę stosuję się do przedmiotów o dużej powierzchni płaskiej lub krzywoliniowej, długich przedmiotów walcowych (hartowanie posuwowo-obrotowe oraz przedmiotów o dużej średnicy.

Zależnie od kształtu i wielkości hartowanego przedmiotu rozróżnia się dwa sposoby hartowania: hartowanie jednoczesne obrotowe oraz hartowanie ciągłe posuwowe lub posuwowo-obrotowe.

Hartowaniu płomieniowemu poddaje się przedmioty wykonane ze stali węglowych o zawartości 0,45 ¸0,60% C oraz niektóre gatunki stali manganowych chromowych i chromowo-wanadowych. Największe zastosowanie ta metoda hartowania znalazła przy miejscowym utwardzaniu dużych części maszyn rwanych pojedynczo lub w niewielkich seriach. Stosowana jest również przy hartowaniu kół zębatych o dużych modułach oraz wałów o dużych średnicach I długości do 10 m.

Na wyniki hartowania mają wpływ takie czynniki, jak: wydajność palnika, kształt jego końcówek, szybkość posuwu palnika lub przedmiotu, odległość palnika od powierzchni, czas upływający między końcem grzania a początkiem chłodzenia, intensywność chłodzenia.

TECHNIKI WIĄZKOWE (ELEKTRONOWE, LASEROWE)

Wśród hartowania wiązkowego wyróżniamy hartowanie laserowe i hartowanie wiązką elektronów.

Techniki wiązkowe należą do technik nowej generacji otrzymywania powłok przciwzużyciowych. Stwarzają one duże możliwości techniczne i technologiczne sterowania parametrami procesów wytwarzania warstw powierzchniowych. Stopniowo są wprowadzane do praktyki przemysłowej rokując duże perspektywy rozwojowe.

HARTOWANIE ELEKTRONOWE

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

Technologie elektronowe należą do technik skoncentrowanego nagrzewu. Do tego celu służą nagrzewnice elektronowe posiadające dwa źródła energii. Pierwszym z nich jest emiter elektronów (katoda), a drugim zespół przyspieszający i formujący wiązkę elektronów. Razem stanowią wyrzutnię elektronową będącą podstawowym elementem nagrzewnic elektronowych [1].

Schemat nagrzewnicy elektronowej przedstawiono na rysunku 1.

Ponieważ kierowana na materiał wiązka elektronów jest źródłem mocy kilkudziesięciu kW, skoncentrowanym na niewielkiej powierzchni (zwykle kilka mm2), szybkość nagrzewu musi osiągać 103 ÷ 105 K/s. Można więc w nadzwyczaj krótkim czasie nagrzać lub roztopić cienką warstwę powierzchniową materiału [1].

Do chłodzenia nie używa się żadnych środków chłodzących. Różnica temperatur między nagrzaną warstwą i materiałem położonym głębiej pozwala na tzw. samochłodzenie. Jeżeli masa (objętość) materiału nie nagrzanego jest przynajmniej 5 - krotnie większa od masy materiału nagrzanego, to szybkość chłodzenia może być porównywalna z szybkością nagrzewania. Czas nagrzewu może zawierać się w zakresie od mikrosekundy do sekundy [1].

Procesom superszybkiego nagrzewu i oziębiania towarzyszą zjawiska strukturalne pociągające za sobą modyfikację właściwości warstwy wierzchniej na skalę niemożliwą, a przynajmniej trudną do uzyskania innymi metodami [1].

Technologia nagrzewu elektronowego może być stosowana w następujących procesach: wyżarzania, hartowania bez przetopienia lub z przetopieniem, stopowania, natapiania, przetapiania uszczelniającego, szkliwienia itp. Z wykorzystaniem tej technologii można wytwarzać warstwy kompozytowe, wprowadzać pierwiastki stopowe, rafinować warstwę wierzchnią metali i stopów.

Na szczególną uwagę zasługuje konieczność demagnetyzacji części przed obróbką elektronową. Po technologiach bezprzetopieniowych w zasadzie nie jest wymagana dalsza obróbka wykańczająca, po technologiach przetopieniowych zwykle stosuje się mechaniczną obróbkę wykańczającą w celu nadania obrabianym powierzchniom odpowiedniej gładkości [2].

Obróbce elektronowej – impulsowej lub ciągłej – mogą podlegać części o różnej chropowatości i o różnym kształcie oraz różne fragmenty części. Chropowatość powierzchni obrabianych elektronowo części nie powinna przekraczać 40 μm. Kształt części powinien być taki, aby obrabiana powierzchnia była możliwie prostopadła do wiązki elektronowej [2]. Możliwe jest również nagrzewanie elektronowe powierzchni nie prostopadłych do osi wiązki elektronowej pod warunkiem, iż odchylenie nie będzie przekraczało kilku – kilkunastu stopni [4].

Technologia hartowania elektronowego stosowana jest przy produkcji części dla przemysłu motoryzacyjnego, takich jak np.: wały korbowe, pierścienie tłokowe, wałki rozrządu, krzywki, popychacze, tuleje, przeguby kulowe, koła zębate a także krawędzie tnące matryc i narzędzi skrawających, ostrza pił, łopatki turbin itp.

Kształt elementów obrabianych powinien być tak dobrany, aby obrabiana powierzchnia była możliwie prostopadła do wiązki elektronowej.

Preferowane są powierzchnie długie płaskie i obrotowo-symetryczne.

Zaletą obróbek elektronowych jest [2]:

 możliwość obrabiania powierzchni nieobrabialnych w sposób konwencjonalny;

 czystość obróbki;

 wyeliminowanie odkształceń i zmian wymiarowych wsadu;

 możliwość precyzyjnego komputerowego sterowania wiązką;

 dokładna kontrola parametrów nagrzewania;

 możliwość obrabiania fragmentów powierzchni obrobionego w zasadzie wsadu o skomplikowanych kształtach;

 duża powtarzalność wyników;

 łatwość automatyzacji;

 możliwość uzyskania dużej precyzji obróbki (tolerancje rzędu mikrometrów);

 duża wydajność;

 bardzo mała energochłonność (sprawność energetyczna dochodzi do 80÷90%);

 wyeliminowanie ośrodków chłodzących.

Do wad należą [2]:

 duży koszt nagrzewnic elektronowych;

 zastosowanie ograniczone do wybranych kształtów i niezbyt dużych wsadów zwykle nie przekraczających długości kilku metrów;

 konieczność stosowania próżni;

 ochrona przed promieniowaniem rentgenowskim (w przypadku wysokich napięć przyspieszających – około 150 kV).

Technologie elektronowe pod względem jakości obróbki są porównywalne z technologiami laserowymi.

HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE DIODOWYM LASEREM WYSOKIEJ MOCY

Hartowanie laserowe jest procesem, w którym wiązka lasera oddziałuje bezpośrednio na obrabiany przedmiot dostarczając mu energię. Wiązka laserowa rozgrzewa się miejscowo w powierzchniowych warstwach obrabianego przedmiotu do temperatury przemiany austenitycznej obrabianego materiału. Prowadzi to do homogenizacji atomów węgla oraz rozrostu austenitu w materiale.

W zależności od materiału temperatura przemiany austenitycznej wynosi od ok. 900 °C do 1400 °C a czas jej utrzymywania się od ok. 3s do 10s.

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

ZALETY HARTOWANIA LASEROWEGO:

-Stosowane do wszystkich dających się hartować stali z wystarczającą zawartością węgla

-Szerokość śladu hartowniczego wynosi od 1 do 50 mm w zależności od zastosowanego układu optycznego oraz maksymalnej mocy lasera

-Głębokość hartowania wynosi max. do 1,5 mm i jest uzależniona od rodzaju materiału

-Dzięki możliwości szybkiego, miejscowego wprowadzenia dużej ilości ciepła w bardzo krótkim czasie, możliwe jest zmniejszenie stosowania naddatków materiału na dalszą obróbkę

ZALETY HARTOWANIA LASEROWEGO c.d.:

-Temperatura hartowania jest kontrolowana z dokładnością do +/- 10°K

-Wybiórcze hartowanie powierzchni detalu.

-Powstaje twarda warstwa powierzchniowa z miękkim rdzeniem oraz obszary niezmodyfikowane w procesie hartowania.

-Brak konieczności stosowania dodatkowych mediów chłodzących jak woda i powietrze

OGRANICZENIA TECHNICZNE:

-niemożliwe jest nakładanie na siebie śladów hartowniczych, minimalna odległość śladów hartowniczych wynosi ok. 1,0 - 1,5 mm

-hartowanie większych powierzchni polega na pokrywaniu tego obszaru równoległymi lub meandrycznymi ścieżkami hartowniczymi

-w zależności od zastosowanego układu optycznego odstęp głowicy lasera od obrabianego przedmiotu wynosi od ok. 100 - 350 mm

-konieczność zagwarantowania swobodnego dostępu głowicy lasera do obrabianego przedmiotu

-konieczność stosowania zabezpieczeń oraz środków ochrony osobistej z uwagi na szkodliwy wpływ promieniowania laserowego

-skomplikowana budowa nagrzewnic laserowych i ich duży koszt

NAJCZĘŚCIEJ WIĄZKĄ LASEROWĄ OBRABIA SIĘ:

-długie powierzchnie płaskie lub o przekroju pryzmatycznym (np. prowadnice),

-powierzchnie obrotowo – symetryczne (powierzchnie trące łożysk ślizgowych, wałów korbowych, tłoków, cylindrów, pierścieni uszczelniających, zacisków, bieżnie łożysk),

-specjalne powierzchnie kształtowe (krzywki, tarcze, sprzęgła, gniazda zaworów)

-powierzchnie tworzące geometrię ostrza (narzędzi wykrawających i skrawających – noży i pił)

-kształtujących geometrię narzędzia (np. do obróbki plastycznej)

Hartowanie laserowe- powierzchniowe hartowanie za pomocą wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany przedmiot miejscowo. Głowica lasera umieszczona jest na manipulatorze laserowym, zaś ślad hartowniczy wyznaczany jest komputerowo CAD/CAM. Podczas hartowania laserowego do obrabianego detalu wprowadza się stosunkowo niewielką ilość ciepła co ogranicza rozrost ziarna a w konsekwencji krzywienie powierzchni. Nie są wymagane dodatkowe media chłodzące, obrabiany przedmiot schładza się samoistnie na zasadzie przewodnictwa cieplnego.