Hartowanie stali - omówienie zagadnień

Hartowanie stali to zabieg cieplny składający się z dwóch etapów:

1. Nagrzania stali, w wyniku czego ferryt i cementyt przekształca się w austenit.
2. Gwałtownego schłodzenia w celu przemiany austenitu w martenzyt lub bainit.

Austenit to roztwór stały węgla w żelazie γ, w większości stali występujący wyłącznie w wysokich temperaturach. Martenzyt to najtrwardsza, lecz jednocześnie krucha forma stali, która może wyglądać jak igiełki przecinające się pod kątem 60°, naprężone i twarde. Martenzyt bezpostaciowy, bez charakterystycznych igieł, nazywa się hardenitem. Bainit to struktura przypominająca martenzyt po odpuszczaniu, o na ogół dużej wytrzymałości, ale mniejszej kruchości .Zdjęcia mikroskopowe austenitu oraz martenzytu przedstawia ilustracja nr 1.

Wpływ na własności mechaniczne. Stal po hartowaniu jest bardzo twarda i wytrzymała, ale jednocześnie bardziej krucha i łamliwa. Dla poprawy plastyczności, stal po hartowaniu poddawana jest odpuszczaniu.

Do procesu hartowania przygotowuje się materiał przygotowany do obróbki cieplnej najczęściej w stanie zmiękczonym (wyżarzonym zmiękczająco), który jest już po obróbce plastycznej na zimno.

Ilustracja 1 - austenit w 100 krotnym powiększeniu i martenzyt w 1000 krotnym powiększeniu. Źródło: Atlas Metalograficzny struktur.

Najważniejsze rodzaje hartowania

Hartowanie jest pojęciem ogólnym. W zależności od sposobu nagrzewania i chłodzenia rozróżniamy różne rodzaje hartowania.

Ze względu na otrzymaną strukturę wyróżnia się:

• Hartowanie martenzytyczne
• Hartowanie bainityczne

Zależnie od sposobu nagrzewania przedmiotu hartowanego wyróżnia się:

• Hartowanie objętościowe / z grzaniem na wskroś, gdzie stal jest grzana na wskroś, a celem grzania jest uzyskanie struktury austenitu w całym przekroju przedmiotu. Głębokość przemiany w martenzyt / bainit zależy potem już tylko od przekroju przedmiotu i własności fizycznych stali. Zwykle nie jest tak, że cały element zostanie zahartowany, tj. że na całym przekroju elementu austenit przekształci się w martenzyt.
• Hartowanie powierzchniowe, gdzie celem jest utwardzenie jedynie powierzchniowej warstwy przedmiotu, a wnętrze przedmiotu zachowuje strukturę ferrytyczną.

Następnie procesy hartowania z grzaniem na wskroś dzieli się ze względu na sposób chłodzenia na:

• Hartowanie zwykłe
• Hartowanie stopniowe zupełne
• Hartowanie stopniowe niezupełne
• Hartowanie izotermiczne

Przy hartowaniu powierzchniowym szybkość chłodzenia nie ma większego znaczenia, a przedmioty chłodzi się zazwyczaj w wodzie natychmiast po ich gwałtownym nagrzaniu. Procesy hartowania powierzchniowego dzieli się dalej ze względu na środowisko nagrzewające przedmiot na:

• Hartowanie płomieniowe - nagrzewanie za pomocą palników gazowych.
• Hartowanie indukcyjne - nagrzewanie prądami wirowymi, umożliwia dużą powtarzalność i precyzję działania.
• Hartowanie kąpielowe (zanurzeniowe) - nagrzewanie w kąpieli solnej lub ołowiowej.

Hartowanie powierzchniowe jest zasadniczo odmienne od hartowania objętościowego i wymaga zupełnie innych maszyn i podejścia technologicznego. Przy hartowaniu powierzchniowym grzanie jest niezwykle gwałtowne i szybkie, w przeciwieństwie do hartowania „standardowego". Hartowanie objętościowe jest jak powolne gotowanie mięsa, hartowanie powierzchniowe - jak smażenie na patelni. Wzajemne powiązania między tymi terminami są przedstawione w Tabeli nr 1.

Głębokość austenizacji	Uzyskana struktura	Sposób chłodzenia	Sposób przekazania ciepła
Hartowanie objętościowe Hartowanie z grzaniem na wskroś	Hartowanie martenzytyczne	Hartowanie zwykłe
		Hartowanie stopniowe zupełne
	Hartowanie bainityczne	Hartowanie stopniowe niezupełne
		Hartowanie izotermiczne
Hartowanie powierzchniowe Hartowanie z grzaniem powierzchniowym	Hartowanie martenzytyczne		Hartowanie płomieniowe
			Hartowanie indukcyjne
			Hartowanie kąpielowe

Tabela nr 1 - Główne rodzaje hartowania

Hartowanie objętościowe / z grzaniem na wskroś

Temperatury nagrzewania określane są przez huty i instytucje badawcze oraz wprowadzane do norm. Ścisłe trzymanie się norm jest szczególnie ważne w przypadku stali stopowych. Poniższa lista zawiera kilka co ciekawszych przykładów.

• Konstrukcyjna węglowa C45: 820 - 860℃, chłodzenie: woda, olej
• Do ulepszania cieplnego 34CrNiMo6 / 1.6582: 830 - 860℃, woda, olej
• Do nawęglania 18CrNiMo7-6 - 1.6587: po I nawęglaniu: 840 - 870℃, po II nawęglaniu: 800 - 830℃, woda, olej
• Sprężynowa węglowa C67S: 830 - 850℃, olej
• Sprężynowa stopowa 51CrV4: 820-870℃, olej
• Kotłowa 21CrMoV5-7: 930 - 950℃ w wodzie, 940 - 960℃ w oleju
• Narzędziowa do pracy na gorąco WWV, X30WCRV9-3, 1.2581: ulepszenie cieplne z hartowaniem w 1120 - 1160℃ i chłodzeniem / odpuszczaniem w kąpieli solnej o temperaturze 450 - 550℃
• Narzędziowa do pracy na zimno NZ3: 850-880℃, olej

Dla stali węglowych można samodzielnie wyznaczyć temperaturę wygrzewania, znając tylko zawartość węgla w stali. Podeutektoidalne stale węglowe (<0,77% C) wygrzewać należy w temperaturze 30-50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej A₃. Pozwala to zupełne rozpuszczenie ferrytu i cementytu w austenit, i zmaksymalizowanie ilości martenzytu w procesie chłodzenia. Stale nadeutektoidalne (>0,77% C) należy nagrzewać do temperatury 760-780°C.

Czas nagrzewania powinien być najkrótszy możliwy do uzyskania pożądanych własności. Przemawiają za tym zarówno czynniki ekonomiczne, jak i jakość wyrobu końcowego. Jednocześnie zbyt szybkie nagrzewanie może powodować pękanie w wyniku naprężeń cieplnych. Z tego powodu w przypadku elementów o skomplikowanych kształtach i rozwiniętej powierzchni stosuje się nagrzewanie stopniowe z wygrzaniem w kilku temperaturach pośrednich. Dotyczy to również stali stopowych, ponieważ składniki stopowe obniżają przewodność cieplną stali. Przykładowo stale narzędziowe nagrzewane są dwu- lub nawet trzystopniowo.

Przykładowe czasy nagrzewania i wygrzewania stali węglowej przy grzaniu na wskroś:

• Przekrój 25 mm:
  • piece komorowe gazowe - Nagrzewanie: 20 min, Wygrzewanie: 5 min
  • piece wanny solne - Nagrzewanie: 7 min, Wygrzewanie: 3 min
• Przekrój 50 mm:
  • p.k.g. - N: 40 min, W: 10 min
  • p.w.s. - N: 17 min, W: 8 min
• Przekrój 75 mm:
  • p.k.g. - N: 60 min, W: 15 min
  • p.w.s. - N: 24 min, W: 12 min
• Przekrój 100 mm:
  • p.k.g. - N: 80 min, W: 20 min
  • p.w.s. - N: 33 min, W: 17 min
• Przekrój 125 mm:
  • p.k.g. - N: 100 min, W: 25 min
  • p.w.s. - N: 40 min, W: 20 min
• Przekrój 150 mm:
  • p.k.g. - N: 120 min, W: 30 min
  • p.w.s. - N: 50 min, W: 25 min
• Przekrój 175 mm:
  • p.k.g. - N: 140 min, W: 35 min
  • p.w.s. - N: 55 min, W: 30 min
• Przekrój 200 mm:
  • p.k.g. - N: 160 min, W: 40 min
  • p.w.s. - N: 65 min, W: 35 min

Dla stali stopowych czas nagrzewania należy przedłużyć o 25-40%.

Przykładowe czasy nagrzewania i wygrzewania gwintowników, rozwiertaków, wierteł, okrągłych przeciągaczy i narzędzi pełnych przy grzaniu wskroś w wannach solnych:

• I stopień podgrzewania do 550-600°C: t = bD
• II stopień podgrzewania do 800-850°C: t = cD
• Czas dogrzewania do temperatury hartowania: t = aD

Gdzie:

• t - czas grzania
• D - średnica części tnącej narzędzia w mm
• a: 0,09-012 dla stali szybkotnącej, 0,17-0,18 dla stali chromowej wysokostopowej, 0,15-0,20 dla stali stopowej
• b: 0,35-0,50 dla stali szybkotnącej, 0,30-0,40 dla stali chromowej wysokostopowej, 0,30-0,40 dla stali stopowej
• c: 0,30-0,35 dla stali szybkotnącej, 0,30-0,35 dla stali chromowej wysokostopowej

Wszystkie powyższe dane należy oczywiście traktować tylko jako orientacyjne. Optymalną długość i temperaturę nagrzewania wyznacza się eksperymentalnie, po badaniach mikroskopowych - obecność ferrytu w stali węglowej lub nadmiar węglików w stali stopowej wskazuje na zbyt niską temperaturę lub zbyt krótki czas nagrzewania.

Hartowanie zwykłe

Hartowanie zwykłe (hartowanie martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym) - przebieg chłodzenia odbywa się w sposób ciągły, z szybkością większą od krytycznej szybkości chłodzenia i bez zmiany szybkości chłodzenia, do temperatury M_s a niekiedy nawet M_f. Kolejnym etapem obróbki cieplnej jest odpuszczanie.

Chłodziwo: W praktyce stale węglowe chłodzi się w wodzie, a stopowe mogą być chłodzone w oleju, niekiedy nawet w powietrzu.

Docelowa struktura to martenzyt z austenitem szczątkowym oraz składnikami, które nie ulegają przemianą, np. węglikami lub wtrąceniami niemetalicznymi.

Własności mechaniczne: bardzo duża i niejednorodna twardość, wysoka wytrzymałość, bardzo niska ciągliwość i duża kruchość. Wymagane odpuszczanie.

Hartowanie stopniowe zupełne

Hartowanie stopniowe zupełne (lub hartowanie martenzytyczne stopniowe, ang. marquenching) jest stosowane do małych i drobnych przedmiotów oraz do przedmiotów o złożonych i zmiennych przekrojach. Przebieg chłodzenia ma trzy fazy:

• chłodzenie w kąpieli solnej lub w oleju o temperaturze nieco wyższej od temperatury przemiany martenzytycznej
• wytrzymanie w kąpieli do wyrównania temperatury w przekroju. Czas wstrzymania jest na tyle krótki, że nie rozpocznie się przemiana bainityczna.
• studzenie do temperatury otoczenia na powietrzu.

Docelowa struktura to martenzyt podobny do tego uzyskiwanego przez hartowanie zwykłe, lecz o mniejszych naprężeniach i odkształceniach.

Hartowanie stopniowe niezupełne

Hartowanie stopniowe niezupełne (lub hartowanie bainityczne zwykłe, ang. martempering) polega na chłodzeniu z szybkością mniejszą od krytycznej. W praktyce chłodzenie wygląda podobnie, jak w przypadku hartowania stopniowego zupełnego, przy czym czas wstrzymania jest na tyle długi, że rozpoczyna się przemiana bainityczna.

Docelowa struktura to bainit z martenzytem i austenitem szczątkowym, przedstawiony na ilustracji nr 2.

Własności mechaniczne: lepsze własności plastyczne i udarność w porównaniu do stali po hartowaniu martenzytycznym i odpuszczaniu.

Hartowanie z przemianą izotermiczną

Hartowanie izotermiczne (hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną, hartowanie z rozkładem izotermicznym przechłodzonego austenitu, ang. austempering) - Przebieg chłodzenia ma trzy fazy:

• chłodzenie austenitu przechłodzonego do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej
• wytrzymanie izotermiczne w kąpieli chłodzącej o temperaturze 250-400°C. Czas wstrzymania jest na tyle długi, że umożliwia zakończenie przemiany bainitycznej.
• studzenie do temperatury otoczenia na powietrzu.

Docelowa struktura to bainit. Obróbka ta jest jak gdyby hartowaniem połączonym z równoczesnym odpuszczaniem i często określana jest jako ulepszanie jednozabiegowe.

Własności mechaniczne to wyższa twardość i wytrzymałość przy znacznym ograniczeniu naprężeń. Dalsze odpuszczanie nie jest wymagane.

Ilustracja nr 2 - martenzyt z bainitem dolnym. Źródło: Atlas Metalograficzny struktur.

Chłodzenie w wodzie, oleju i innych chłodziwach

Na intensywność chłodzenia wpływa ośrodek chłodzący (jego lepkość, temperatura, przewodnictwo cieplne, ciepło właściwe, temperatura wrzenia, ciepło utajone parowania), ruch przedmiotu w stosunku do ośrodka chłodzącego, stan powierzchni przedmiotu oraz masa i wielkość powierzchni przedmiotu.

Ośrodki chłodzące można podzielić na cztery kategorie, ułożone od najsilniej chłodzącego do najsłabiej chłodzącego:

• Wodę i roztwory wodne
• Oleje i tłuszcze
• Stopione sole lub metale
• Sprężone powietrze

Względne szybkości chłodzenia w niektórych ośrodkach w zakresie temperatur 720-550°C, gdzie 1 to szybkość chłodzenia w wodzie:

• Woda 18°C: 1
• 10% NaOH: 2,05
• 10% NaCl: 1,96
• Stop 30% Sn i 70% Cd 180°C: 0,77
• Olej mineralny: 0,14-  0,22
• Powietrze: 0,028

Względne szybkości chłodzenia w niektórych ośrodkach w zakresie temperatur ok. 200°C, gdzie 1 to szybkość chłodzenia w wodzie:

• Woda 18°C: 1
• 10% NaOH: 1,36
• 10% NaCl: 0,98
• Olej mineralny: 0,022
• Powietrze: 0,007

Ruch przedmiotu w stosunku do ośrodka chłodzącego ma duże znaczenie praktyczne i może nawet kilkukrotnie zwiększyć intensywność hartowania.

Orientacyjne względne wartości intensywności hartowania w wodzie w zależności od ruchu przedmiotu:

• Żaden ruch: 1
• Powolny ruch: 1,0-1,3
• Średni ruch: 1,4-1,5
• Silny ruch: 1,6-2,0
• Gwałtowny ruch: 4,0

Stan powierzchni przedmiotu również wpływa na intensywność chłodzenia. Warstwa tlenków posiadających złe przewodnictwo cieplne obniża szybkość chłodzenia, zwłaszcza w oleju. Dlatego przedmioty grzane w kąpieli solnej hartują się lepiej i równomierniej niż przedmioty grzane w piecu komorowym.

Masa i wielkość powierzchni przedmiotu. Im bardziej zwarty przedmiot, tym wolniej przebiega proces chłodzenia. Odwrotnie - części wystające, zwężenia, naroża, krawędzie chłodzą się szybciej, co może prowadzić do odkształceń i pęknięć. Dlatego z punktu widzenia inżyniera, kształt przedmiotu wpływa zasadniczo na dobór odpowiedniego gatunku stali.

Hartowanie powierzchniowe

W przypadku hartowania powierzchniowego nawet znaczne przekroczenie temperatury austenizacji może nie mieć szkodliwego wpływu na skutek hartowania, gdyż czas grzania skrócony jest do kilku sekund. Istnieją różne techniki hartowania powierzchniowego. Ze względu na urządzenie grzewcze wyróżnia się:

• Hartowanie płomieniowe - nagrzewanie za pomocą palników gazowych
• Hartowanie indukcyjne - nagrzewanie prądami wirowymi, umożliwia dużą powtarzalność i precyzję działania
• Hartowanie kąpielowe (zanurzeniowe) - nagrzewanie w kąpieli solnej lub ołowiowej.

Przykładowe metody hartowania powierzchniowego to hartowanie jednoczesne, ciągłe i kąpielowe.

Metoda hartowania jednoczesnego polega na jednoczesnym nagrzaniu całej powierzchni przedmiotu i po osiągnięciu zadanej temperatury na jednoczesnym schłodzeniu. Można tu stosować cewki grzejne o profilu dopasowanym do przedmiotu. W ten sposób często hartuje się narzędzia. Wariantem jest metoda hartowania płomieniowego obrotowego, która polega na nagrzewaniu powierzchni szybko obracającego się przedmiotu (75-100 obr/min) za pomocą palnika gazowego i po osiągnięciu zadanej temperatury na jednoczesnym schłodzeniu całej powierzchni natryskiem ze wszystkich stron. Metoda stosowana na przedmioty o niedużych średnicach, wały korbowe, szyjki wałów i osi, koła zębate.

Metoda hartowania ciągłego (postępowego) polega na stopniowym nagrzewaniu powierzchni wolno przesuwającego się przedmiotu za pomocą płomienia gazowego lub cewki indukcyjnej, za czym znajduje się natrysk wodny do gwałtownego chłodzenia. Metoda stosowana do chłodzenia elementów bardzo długich, szyn, długich wałów, rur.

Metoda hartowania kąpielowego (zanurzeniowego) polega na powolnym podgrzaniu na wskroś stali w wannie solnej do temperatury poniżej przemiany A₁, a następnie na szybkim nagrzaniu powierzchni powyżej A₃ przez zanurzenie w kąpieli solnej lub ołowianej nagrzanej znacznie powyżej temperatury A₃, przetrzymaniu w kąpieli przez krótki czas i na gwałtownym ochłodzeniu w chłodziwie.

Przykład hartowania indukcyjnego jednoczesnego przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja nr 3 - Hartowanie indukcyjne jednoczesne. Źródło: Obróbka cieplna stali.

Zalety hartowania powierzchniowego

Hartowanie powierzchniowe jest szybkie i powtarzalne. Dużą zaletą jest też to, że może być stosowane do elementów już ulepszonych cieplnie, gdyż obróbka powierzchniowa nie niszczy ulepszenia cieplnego w rdzeniu. Dzięki temu można użyć tańszej stali węglowej zamiast droższej stopowej.

Wady hartownicze

Hartowanie niezupełne - jeśli przedmiot zostanie nagrzany ze zbyt niską temperaturą lub będzie wygrzewany ją zbyt krótko, wówczas ferryt nie rozpuści się całkowicie w austenit, a po zahartowaniu będzie się składał z nie rozpuszczonych ziarn ferrytu na tle martenzytu. Stal z taką strukturą oznacza się zmniejszoną twardością i gorszymi własnościami wytrzymałościowymi.

Przegrzanie stali. Poprawne hartowanie produkuje martenzyt drobnoziarnisty, mniej kruchy. Przegrzanie stali, to jest trzymanie jest zbyt długo w za wysokiej temperaturze, jak też i zbyt gwałtowne chłodzenie skutkuje martenzytem gruboziarnistym z igłami wyraźnie zarysowanymi na tle austenitu. Tak zahartowana stal jest nazbyt krucha. Porównanie martenzytu drobnoziarnistego i gruboziarnistego przedstawia ilustracja nr 4. Wyżarzanie normalizujące usuwa przegrzanie stali.

Ilustracja nr 4 - Martenzyt drobnoiglasty i gruboiglasty. Źródło: Metaloznawstwo i obróbka cieplna

Przepalenie stali to skrajny przykład przegrzania. O przepaleniu mówimy, gdy nastąpiło wewnętrzne utlenienie na granicy ziaren stali. Przepalenie jest wadą, której nie sposób usunąć.

Zbyt szybkie chłodzenie następuje na skutek zastosowania zbyt energicznego środka chłodzącego lub nieprawidłowego wprowadzenia przedmiotu do kąpieli i skutkuje pęknięciami i wykrzywieniami.

Zbyt wolne chłodzenie z kolei powoduje całkowity lub częściowy brak skutków hartowania.

Specjalne rodzaje hartowania

Hartowanie podzerowe wyróżnia się tym, że po schłodzeniu przedmiotu do temperatury otoczenia następuje (czasami po odpuszczaniu) etap wymrażania przedmiotu w ciekłym tlenie, mieszaninie stałego dwutlenku węgla, spirytusie lub w specjalnych chłodziarkach. Celem wymrażania jest zwiększenie twardości i innych własności przedmiotu zahartowanego przez dalszą przemianę szczątkowego austenitu w martenzyt.

Bibliografia

Mikołaj Scelina, Atlas Metalograficzny struktur, Wydawnictwa naukowo-techniczne, 1964

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, 1986

Kornel Wesołowski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Państwowe wydawnictwa szkolnictwa zawodowego

Paweł Kosieradzki, Obróbka cieplna stali, Państwowe wydawnictwa techniczne, 1954

Marek Blicharski Inżynieria materiałowa STAL, Wydawnictwo WNT, ISBN 978-83-01-18955-6