1. Wstęp.

1. Hartowanie.

Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzewaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej. Nagrzewanie do temperatury austenityzowania musi odbywać się z szybkością uniemożliwiającą pęknięcia w wyniku naprężeń cieplnych. Z tego względu często, przede wszystkim w przypadku przedmiotów o skomplikowanym kształcie i rozwiniętej powierzchni, nagrzewanie jest stopniowe z wygrzaniem w kilku temperaturach pośrednich, w czasie umożliwiającym wyrównanie temperatury w całym przekroju obrabianego cieplnie przedmiotu.

Temperatura austenityzowania w przypadku stali węglowych podeutektoidalnych jest o 30 do 50 °C wyższa od temperatury A_c3. Wyższa temperatura austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziarn austenitu, co decyduje o uzyskaniu struktury martenzytu grubolistwowego w wyniku hartowania, powodującego pogorszenie własności mechanicznych i użytkowych oraz zwiększenie grubości stali.

Stale węglowe nadeutektoidalne austenizuje się w temperaturze od 30 do 50 °C wyższej od A_c1,3. Zwiększenie temperatury austenizowania powoduje pogorszenie własności martenzytu oraz wystąpienie siatki cementytu wtórnego na granicach ziarn austenitu pierwotnego, co - ze względu na bardzo dużą kruchość - dyskwalifikuje przedmiot tak obrobiony cieplnie.

Stale stopowe, zwłaszcza narzędziowe klasy nadeutektoidalnej lub ledeburytycznej, w tym szybkotnące, są austenityzowane w temperaturze znacznie wyższej. Dopiero w takich warunkach następuje rozpuszczenie węglików w austenicie i nasycenie go węglem oraz pierwiastkami stopowymi, co umożliwia uzyskanie wymaganych własności po całkowicie wykonanej obróbce cieplnej.

Hartowanie zwykłe - polega na oziębianiu w jednym ośrodku hartowniczym. Ujemną stroną jest wyzwalanie się znacznych naprężeń hartowniczych. Chłodzenie do temperatury poniżej przemiany martenzytycznej przebiega w sposób ciągły i bez gwałtownej przemiany szybkości chłodzenia. Dla stali wysokowęglowych hartowanie takie daje strukturę martenzytyczno - bainityczną .

.

Hartowanie stopniowe - występuje w dwóch ośrodkach i umożliwia dokładną regulację czasu wytrzymywania w pierwszej cieczy hartowniczej. Element oziębia się w kąpieli solnej o temperaturze M_s (30-50⁰C) i wychładza na powietrzu. Czas wychładzania w pierwszym ośrodku nie może przekroczyć czasu trwałości przechłodzonego austenitu. Sposób ten zmniejsza naprężenia hartownicze strukturalne i cieplne.

Hartowanie izotermiczne - jest hartowaniem bainitycznym, nie wymagającym, odpuszczania. Polega na oziębianiu przedmiotu w kąpieli o temperaturze wyższej od M_s (250-400⁰C) i wytrzymaniu w niej przez czas zapewniający całkowite zakończenie przemiany bainitycznej. Przy wysokiej twardości (45-55 HRC) uzyskuje się wyższą plastyczność i udarność niż przy hartowaniu martenzytycznym.

2. Odpuszczanie.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali poddanej uprzedniemu hartowaniu, w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego. Chłodzenie po wygrzewaniu odpuszczającym przeprowadza się w powietrzu lub - w celu uniknięcia kruchości odpuszczania - w oleju lub w wodzie.

3. Hartowność.

Hartownością nazywamy zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej wskutek odpowiednio szybkiego chłodzenia od temperatury austenityzowania. Hartowność określana jest jako grubość warstwy martenzytycznej lub częściowo martenzytycznej, mierzonej na przekroju hartowanego przedmiotu.

Warunkiem uzyskania struktury martenzytycznej po zahartowaniu stali jest chłodzenie jej z temperatury istnienia austenitu z szybkością równa lub większa od krytycznej.

Podczas chłodzenia przedmiotu, najszybciej chłodzi się jego powierzchnia a najwolniej środek. Uzyskanie więc w całym przekroju struktury martenzytycznej jest uzależnione od odpowiedniej szybkości chłodzenia jego środka. Z powodu zbyt dużego przekroju środkowa część przedmiotu może nie zahartować się gdyż jej chłodzenie będzie zbyt powolne. Otrzymamy wtedy strukturę martenzytyczną tylko w warstwie zewnętrznej. Dla przedmiotów z tej samej stali ale o różnych średnicach w danych warunkach chłodzenia można obliczyć największą średnicę przekroju dla której jest możliwe zahartowanie na wskroś. Średnica ta nosi nazwę średnicy krytycznej.

4. Zakres temperatur hartowania stali węglowej.

Temperatura nagrzewania przy hartowaniu zależna jest od składu chemicznego stali oraz co ważniejsze od zawartości węgla. Temperatura ta odczytywana jest z wykresu żelazo - węgiel.

Na powyższym rysunku przedstawiono zakres temperatur w jakich należy wygrzewać hartowany przedmiot .

• Ferryt - jest to roztwór stały węgla w żelazie α;

• Austenit - jest to roztwór stały węgla w żelazie γ;

• Cementyt - rozróżnia się następujące rodzaje cementytu:

• pierwotny - krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie;

• wtórny - wydzielający się w stanie stałym z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie γ;

• trzeciorzędowy - wydzielający się z ferrytu na skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie α.

• Perlit - jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu.

• A₁ - przemiana eutektoidalna (perlityczna) zachodząca w stałej temperaturze 727°C przy chłodzeniu (Ar₁) powstaje z austenitu mieszanina eutektoidalna (perlit), natomiast przy nagrzewaniu (Ac₁) z eutektoidu powstaje austenit;

• A₃ - przemiana alotropowa; zachodząca w czystym żelazie w temperaturze 912°C; w stopach przemiana A₃ oznacza początek wydzielania się ferrytu z austenitu (Ar₃ - przy chłodzeniu) lub koniec przemiany ferrytu w austenit (Ac₃ - przy nagrzewaniu);

• A_cm - początek wydzielania się cementytu wtórnego z austenitu (Ar_cm - przy chłodzeniu) lub koniec rozpuszczania się cementytu wtórnego w austenicie (Ac_cm - przy nagrzewaniu).

5. Wykres CTP.

Wykres CTP przedstawia przemianę austenitu pod wpływem chłodzenia.

Odległość między liniami początku i końca przemiany określa szybkość przemiany austenitu.

Z krzywych CTP możemy wywnioskować że poniżej temperatury A₁ trwałość austenitu jest bardzo duża dlatego mała jest szybkość przemiany, wraz ze wzrostem chłodzenia szybkość przemiany wzrasta osiągając największą wartość w zakresie od 550 ÷ 600°C. W skutek dalszego obniżania temperatury szybkość przemiany austenitu maleje. W temperaturze ok. 250 °C austenit osiąga ponownie dużą trwałość a szybkość jego rozkładu spada do minimum. Poniżej linii M_s przemiana austenitu ma charakter bezdyfuzyjny co tłumaczy zanik linii początku i końca przemiany poniżej tej linii.

Szybkość chłodzenia V_kr- jest to minimalna prędkość chłodzenia umożliwiająca przemianę martenzytyczną.

2. Przebieg ćwiczenia.

Na ćwiczeniach mieliśmy zahartować trzy próbki różnego rodzaju stali o różnej zawartości węgla i różnej twardości.

• 45 - stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,45%;

• 65 - stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,65%;

• N11E - stal węglowa narzędziowa płytko hartująca się o zawartości węgla równej 1,1%.

Jak wiadomo hartowanie ma na celu zwiększenie twardości dlatego też przed zahartowaniem poddaliśmy próbki badaniu twardości metodą Rockwella. Następnie umieściliśmy próbkę w piecu gdzie mieliśmy ją nagrzać do odpowiedniej temperatury. Temperaturę wygrzewania określamy z wykresu zakresu temperatur hartowania stali węglowych przedstawionym we wstępie .

Z wykresu zakresu temperatur hartowania stali węglowych określiliśmy dla poszczególnych próbek temperatury hartowania:

45 - 830-870°C;

65 - 780-830°C;

N11E - 750-790°C.

Następnym krokiem było włożenie próbek do pieca (po dwie próbki każdego rodzaju stali) rozgrzanego do temperatury ok. 850°. Po upływie tegoż czasu wyjmowaliśmy próbki z pieca i chłodziliśmy je w wodzie i oleju. Po ochłodzeniu wyjmowaliśmy próbki z wody i oleju i czyściliśmy je za pomocą papieru ściernego.. Pomiaru twardości po hartowaniu dokonaliśmy na tym samym twardościomierzu co przed hartowaniem. Twardość próbek mierzyliśmy metodą Rockwella na początku w skali HRB, zaś po zahartowaniu w skali HRC ,następnie przeliczyliśmy te wartości na jednostki twardości w skali Vickersa. Wynik przeprowadzonej próby przedstawiłem w poniższych tabelach.

Tabelka przedstawia twardość próbek przed hartowaniem

l.p.	1 próba	2 próba	średnia	hv
S45	66	59	62,5	772
S65	48	40	44	434
N11E	59	59	59	674

Tabelka przedstawia wyniki badania twardości próbek przeprowadzonych po hartowaniu w oleju:

l.p.	1próba	2próba	średnia	hv
S45	26	29	27,5	785
S65	55	58	56,5	630
N11E	40	41	40,5	402

Wykres przedstawiający twardość próbek przed i po hartowaniu w wodzie i oleju w zależności od zawartości węgla:

III. Wnioski

Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć jak istotną rolę dla hartowania ma wybór chłodziwa i jak bardzo zależy od tego twardość zahartowanej próbki. Zauważyliśmy że próbki chłodzone w wodzie mają większą twardość od tych chłodzonych w oleju , wynika z tego że chłodziwo szybciej odprowadzające ciepło ma większy wpływ na zwiększenie twardości próbki jednak może spowodować powstawanie naprężeń. Hartowanie umożliwia uzyskanie struktury nadającej stali dużą wytrzymałość i twardość .

Podsumowując:

1. hartowanie daje wzrost twardości

2. rodzaj chłodziwa ma wpływ na twardość

3. zawartość procentowa węgla ma wpływ na twardość po zahartowaniu.

---