Hartowanie

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30 – 50 C powyżej Ac , wygrzaniu w tej temperaturze i następnym oziębianiem w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej.

Wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:
- hartowanie na wskroś
· martenzytyczne
· stopniowe
· izotermiczne (bainityczne)
· z wymrażaniem
· patentowanie

- hartowanie powierzchniowe
· martenzytyczne
· z wymrażaniem

Hartowaniem objętościowym nazywa się operację obróbki cieplnej stali składającą się z zabiegów nagrzewania na wskroś do temperatury austenityzowania, wygrzewania w tej temperaturze i chłodzenia z szybkością pozwalającą uzyskanie struktury martenzytycznej i bainitycznej.

Temperaturę austenityzowania stali przyjmuje się w granicach 30-50 C wyższą od Ac . Zależność tę należy traktować jako orientacyjną i odnoszącą się do stali niestopowych i niskostopowych. Prawidłowa temperatura austenityzowania stali może odbiegać od podanych zaleceń ramowych w zależności od rodzaju i zawartości pierwiastków stopowych i czynników technologicznych. Temperaturę austenityzowania stali stopowych ustala się eksperymentalnie bądź dobiera się z kart materiałowych lub wykresów CTP podających rzeczywiste temperatury Ac stali. Temperatury austenityzowania niektórych niestopowych i stopowych stali zestawiono w nastepującej tabeli (folia 2).

Temperatura oraz czas austenityzowania ograniczone są z jednej strony pożądaną ilością węgla i ewentualnie pierwiastków stopowych rozpuszczonych w austenicie, a z drugiej rozrostom ziarna austenitu. Przekroczenie optymalnej temperatury austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziarn austenitu co w konsekwencji prowadzi do uzyskania po hartowaniu gruboiglastego martenzytu.

W celu uzyskania austenitu jednorodnego w stali podeutektoidalnej niezbędne jest nagrzewanie powyżej temperatury Ac .W przypadku stali nadeutektoidalncyh rezygnuje się z całkowitego przeprowadzenia do austenitu cementytu, którego obecność w strukturze zahartowanej stali jest nawet pożądana. Cementyt, będąc fazą twardszą od martentytu, zwieksza twardośc tsruktory uzyskanej po hartowaniu. Poza tym zwiększenie nasycenia austenitu z węglem spowodowałoby wzrost ilości austenitu szczątkowego w strukturze zahartowanej stali obniżając jej twardość. Przy doborze temperatury austenityzowania należy brać również pod uwage wielkość przedmiotu. Przedmioty duże austenityzuję się w nieco wyższych temperaturach (50-70 C powyżej Ac ), zwiększając w ten sposób trwałośc austenitu przechłodzonego. Podobne w skutkach jest wydłużenie czasu wygrzewania w temperaturze austenityzowania. Najkrótszych czasów austenityzowania wymagają podeutektoidalne stale niestopowe o perlitycznej strukturze wyjściowej, natomiast najdłuższych, nadeutektoidalne stale stopowe z dużą zawartością pierwiastków węglikotwórczych o strukturze wyjściowej sferoidytu.czas austenityzacji powinien być możliwie krótki, wystarczający do przejścia węgla i pierwiastków stopowych do roztworu austenitu, nie powodujący rozrostu ziaren austenitu. Czas austenityzowania stali w praktyce wynosi zwykle ok. 30% czasu nagrzewania.

Szybkość chłodzenia po austenityzacji zależy od rodzaju stali i w pewnej mierze od kształtu przedmiotu. Szybkość chłodzenia przy martenzytycznym hartowaniu objętościowym nie powinna być mniejsza od tzw. szybkości krytycznej – nie tylko na powierzchni, ale również w rdzeniu

Szybkość krytyczna stanowi miernik trwałości austenitu przechłodzonego w perlitycznym lub bainitycznym zakresie temperatury. Trwałość ta zależy przede wszystkim od składu chemicznego, a ponadto od stopnia jednorodności chemicznej i wielkości ziarna austenitu. Wynika stąd, że nawet dla tego samego gatunku krytyczna szybkość chłodzenia może być zawarta w pewnych granicach. Dlatego jej wartość okreslona na podstawie pojedynczego wykresu termokinetycznego jest wartością przybliżoną. Dane literaturowe dotyczące krytycznej szybkości chłodzenia różnych stali są rozbieżne. Wynika z nich, że orientacyjnie przyjmuje się szybkość chłodzenia dla stali niestopowych ok. 1000-100 C/s, a dla stali stopowych ok. 100-10C/s i mniej. Krytyczną szybkość chłodzenia należy osiągnąć przy hartowaniu martenzytycznym nie w całym zakresie temperatur chłodzenia, lecz tylko w zakresie najmniejszej trwałości austenitu. Natomiast w pozostałych zakresach temperatur, a zwłaszcza podczas przemiany martenzytycznej szybkośc ta powinna być znacznie mniejsza.

Krytyczna szybkość chłodzenia stanowi główne, chociaż nie jedyne kryterium doboru ośrodka chłodzącego dla określonego gatunku stali. Stale o dużej szybkości krytycznej chłodzenia hartuje się zazwyczaj w wodzie, a o mniejszej w odpowiednio dobranych olejach lub innych osrodkach chłodzących.

Wytworzenie w procesie hartowania struktury martenzytycznej lub bainitycznej przy zapewnieniu wymagań określonego rozkładu i poziomu naprężeń własnych na przekroju i minimalnych odkształceń wymaga doboru właściwego ośrodka chłodzącego oraz sposobu realizacji zabiegu chłodzenia. Stosownie do tego rozróżnia się trzy główne rodzaje hartowania objętościowego, tj. obejmującego austenityzowanie i chłodzenie przedmiotu na całym jego przekroju:
- hartowanie martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym
- hartowanie martenzytyczne z chłodzeniem stopniowym
- hartowanie bainityczne z chłodzeniem izotermicznym

Hartowanie martenzytyczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym ze względu na prostotę realizacji znalazło najszersze zastosowanie. Hartowanie zwykłe stosowane jest na ogół dla przedmiotów o małych przekrojach. Polega ono na ciągłym chłodzeniu do temperatury bliskiej M w ośrodku zapewniającym szybkośc chłodzenia większą od krytycznej nie tylko na powierzchni, lecz i w rdzeniu przedmiotu. Takie warunki obróbki powinny zapewnic na całym przekroju przedmiotu strukturę martenzytyczną z niewielką ilością austenitu szczątkowego i węglików w stalach nadeutektoidalnych.

W praktyce biorąc pod uwagę rozkład naprężeń użytecznych na przekroju części maszyn, za wystarczającą uważa się zawartość 90% martenzytu w najsilniej obciążonej części przekroju i nie mniej niż 50% w pozostałej. Zawartość 50% martenzytu w strukturze zahartowanej stali przyjęta jest jako graniczna w stalach konstrukcyjnych.

Miarą skuteczności hartowania zwykłego jest określona twardość przedmiotu. Twardośc stali podeutektoidalnej zależy od stężenia węgla i ilości martenzytu w strukturze. W przypadku zahartowanych stali nadeutektoidalnych twardość zależy dodatkowo od ilości austenitu szczątkowego i ilości nie rozpuszczonych węglików wtórnych podczas austenityzowania.

W wyniku hartowania stopniowego uzyskuje się również martenzyt jako przeważający składnik struktury. Hartowanie stopniowe jest operacją trudną technologicznie. Jest stosowane do przedmiotów o małych wymiarach oraz o złożonych kształtach i zmiennych przekrojach.

Zastosowanie hartowania stopniowego jest ograniczone do przedmiotów o przekrojach od 10 do 15mm ze stali niestopowych i do 50mm ze stali stopowych. Operacji tej poddaje się elementy, które ze względu na kształt są szczególnie podatne na odkształcenia hartownicze.

Na zakres zastosowania hartowania stopniowego wpływa również łatwość prostowania, a także nadawania kształtu w odpowiednich przyrządach, bezpośrednio po wyjęciu części z gorącej kapieli. Metoda kształtowania jest wykorzystywana w produkcji takich przedmiotów, jak sprężyny, matryce, długie narzędzia.

Chłodzenie przedmiotu podczas hartowania stopniowego polega na:
- chłodzeniu w gorącej kąpieli (sól, olej) od temperatury austenityzacji do temperatury wyższej o 20-40 C od temperatury M
- wytrzymanie w gorącej kapieli w czasie niezbędnym do wyrównania się temperatury na całym przekroju, lecz nie dłuższym od czasu trwałości austenitu (zazwyczaj od kilku sekund do kilku minut)
- powolnym chłodzeniu ( zwykle w powietrzu) do temperatury otoczenia

Główną zaletą hartowania stopniowego jest znaczne zmniejszenie naprężeń i odkształceń cieplnych i strukturalnych w porównaniu z hartowaniem zwykłym. Zmniejszenie naprężeń cieplnych jest spowodowane mniejszą różnicą temperatury na przekroju podczas pierwszego i drugiego etapu chłodzenia. Przyczyną zmniejszenia naprężeń strukturalnych jest prawie równoczesny przebieg przemiany martenzytycznej w całej objętości wskutek powolnego chłodzenia w trzecim etapie. Folia numer 3 z podanymi temperaturami austenityzowania i gorącej kapieli przy hartowaniu stopniowym niektórych stali.

Czas wytrzymania w gorącej kąpieli zależy w głównej mierze od wielkości przekrojów obrabianych przedmiotów i zdolności chłodzenia kąpieli.

Wszystkie stale hartujące się sposobem zwykłym w oleju nadają się do hartowania stopniowego. Kryteriami przydatności stali do hartowania stopniowego są:
- trwałość austenitu przechłodzonego w zakresie przemiany perlitycznej lub bainitycznej
- zakres temperatur przemiany martenzytycznej M – M

Obróbkę cieplną podzerową zwaną też wymrażaniem stosuje się celem zmniejszenia ilości materiału szczatkowego w strukturze zahartowanej stali.

Hartowanie stali w ośrodkach o temperaturze otoczenia nie zawsze doprowadza do wytworzenia struktur zawierających 100% martenzytu. Stale zwłaszcza wysokowęglowe i wysokostopowe mają temperaturę końca przemiany martenzytycznej M poniżej temperatury otoczenia i po hartowaniu zachowują w strukturze znaczne ilości austenitu szczątkowego. Oziębienie takich stali po zahartowaniu od temperatury otoczenia do temperatury bliskiej M zmniejsza znacznie ilość austenitu szczątkowego. Obróbka podzerowa powiększa twardość zahartowanej stali, zapewnia jej stabilność wymiarową w temperaturze otoczenia.

Wymrażania nie można prowadzić bezposrednio z temperatury austenityzacji, gdyż taki zabieg połączony z bardzo dużym spadkiem temperatury wywołałby zbyt duże naprężenia własne. Wobec tego dopiero po hartowaniu w wodzie, oleju itp. stosuje się wymrażanie za pomocą ciekłych lub stałych ośrodków chłodząych. Wyniki obróbki podzerowej są tym skuteczniejsze, im prędzej po zakończeniu hartowania jest ona przeprowadzona. Z uwagi na stabilizację austenitu szczatkowego zachodzącą podczas wytrzymania stali w zakresie temperatur między M i M nie można przedłużać czasu pomiędzy hartowaniem a wymrażaniem. Wymrażanie należy prowadzić, jeżeli jest to tylko technologicznie możliwe, bezpośrednio po hartowaniu.

Temperaturę wymrażania dostosowuje się do temperatury M dla danej stali. Dla większości stali temperatura M nie przekracza –70 C, chociaż są stale charakteryzujące się niższą temperatura M .
Realizację obróbki podzerowej umożliwiają urządzenia okresowego działania – wymrażarki. Przeznaczone są do wykonywania zabiegu chłodzenia w temperaturach, praktycznie do –110 C.

Hartowanie bainityczne można realizować:
- stosując chłodzenie ciagłe w zakresie bainitycznym
- wykorzystując przemianę izotermiczną austenitu w bainit
- wykorzystując częściową przemianę izotermiczną austenitu w bainit i częściową przemianę austenitu na martenzyt przy spadku temperatury
- stosując chłodzenie izotermiczne w temperaturze zbliżonej do temperatury B (patentowanie)

Hartowanie bainityczne ciągłe polega na chłodzeniu stali z taką szybkością, aby otrzymać strukturę wyłącznie bainityczną. Hartowanie tego typu jest możliwe tylko dla pewnych stali stopowych wykazujących małą trwałość austenitu przechłodzonego w zakresie temperatur przemiany bainitycznej.

Hartowanie bainityczne z chłodzeniem izotermicznym składa się z nastepujących zabiegów:
- austenityzowania
- chłodzenia z szybkością umożliwiającą przechłodzenie austenitu do temperatury niższej od temperatury B
- wytrzymania w kapieli chłodzącej o stałej temperaturze wyższej od M (najczęściej w zakresie 260 – 400 C) do czasu ukończenia przemiany bainitycznej
- chłodzenia do temperatury otoczenia z dowolną szybkością (zwykle w powietrzu)

Rezultatem hartowania izotermicznego jest struktura bainitu dolnego o twardości w zakresie 52-58 HRC. Hartowanie bainityczne zapewnia minimalizację naprężeń cieplnych dzięki wyrównaniu temperatury na przekroju obrabianego przedmiotu i przemianie bainitycznej wywołują cej mniejsze naprężenia strukturalne aniżeli przemiana martenzytyczna. W wyniku hartowania bainitycznego zmiany objętości i wymiarów liniowych stali są mniejsze w porównaniu z hartowaniem martenzytycznym.

Głównym celem hartowania z przemianą izotermiczną, okreslającym zarazem asortyment wyrobów, do których może być racjonalnie zastosowane, jest osiągnięcie wyższych własności plastycznych, niż to jest możliwe po ulepszeniu cieplnym. Folia 4 czyli przykłady zastosowania hartowania bainitycznego z przemiana izotermiczną.

Proces technologiczny hartowania bainitycznego z przemianą izotermiczną jest wykonywany w różnego rodzaju urządzeniach i różnych ośrodkacj, w zależności od wielkości produkcji i rodzaju obrabianych przedmiotów.

Austenityzowanie przedmiotów przeprowadza się w kapielacj solnych, chlorokowych oraz w piecach okresowego i ciągłego działania z atmosferami ochronnymi. Stosuje się temperatury austenityzowania w zasadzie takie same jak przy hartowaniu martenzytycznym. Ochrona powierzchni w procesie nagrzewania ma duże znaczenie, ponieważ warstwa tlenków hamuje wymianę ciepła w kapieli hartowniczej.

Ośrodkiem chłodzącym stosowanym w przeważającej mierze są sole saletrzane. Temperaturę kapieli chłodzącej dobiera się w zależności od położenia temperatury M dla danej stali i wymaganej twardości po operacji hartowania. Po zahartowaniu nastepuje mycie w gorącej wodzie i suszenie wyrobu. Często stosuje się dochładzanie w gorącej wodzie, co ułatwia wypłukanie soli np. z otworów. Ograniczenia hartowania z przemianą izotermiczna są okreslone poprzez warunki chłodzenia i izotermiczna przemianę.

Warunek minimalnej szybkości chłodzenia w gorącej kapieli ogranicza gatunki stali do tych, dla których czas inkubacji przemiany perlitycznej jest nie mniejszy niż sekunda, a wymiary przekroju przedmiotu obrabianego cieplnie do wartości, przy których w środku przedmiotu szybkośc chłodzenia będzie wystarczająca (tj. ok. 5mm dla stali niestopowych i 20mm i więcej dla stali stopowych).

Czas trwania izotermicznej przemiany bainitycznej jest dalszym po szybkości chłodzenia ograniczeniem tej metody hartowania. Jeżeli przemiana bainityczna trwa dłużej niż godzinę, to w produkcji seryjnej występują trudności zarówno natury technologicznej, jak i ekonomicznej. Natomiast w produkcji jednostkowej stosuje się czasem obróbkę cieplną stali, których czas przemiany jest rzędu kilku godzin, lecz w większości przypadków czas ten zawiera się w granicach od kilku minut do godziny.

Hartowanie z częściową przemianą bainityczną jest realizowane poprzez chłodzenie izotermiczne w kąpieli solnej w czasie warunkującym rozpoczęcie przemiany bainitycznej, a nastepnie po wyjęciu z kapieli solnej ciągle chłodzenie na powietrzu zapewniające przebieg przemiany martenzytycznej. Rezultatem przeprowadzonego w ten sposób hartowania jest struktura bainityczno-martenzytyczna, o twardości przewyższającej twardość bainitu i ciągliwości większej od martenzytu. Operację tę stosuje się na ogół w obróbce cieplnej dokładnych narzędzi, np. frezów modułowych.

Szczególnym rodzajem hartowania izotermicznego jest patentowanie, operacja stosowana do obróbki cieplnej drutów i tasm stalowych. Polega na austenityzowaniu stali w temperaturze wyższej od Ac i chłodzenia do temperatury izotermicznego wytrzymania (zwykle ok. 500 C) w zakresie maksymalnej szybkości przemiany, przeprowadzeniu przemiany do końca i dalszym chłodzeniu na powietrzu. W wyniku uzyskuje się strukturę będącą mieszaniną perlitu drobnego i bainitu górnego. Uzyskana w wyniku patentowania struktura charakteryzuje się dobra podatnością na odkształcenia plastyczne.
Do czynników technologicznych patentowania zalicza się:
- temperaturę i czas austenityzacji
- rodzaj ośrodka chłodzącego i jego temperaturę
- czas chłodzenia

Temperaturę austenityzowania dobiera się w zależności od stężenia węgla w stali i średnicy drutu.

Operację patentowania przeprowadza się wyłącznie w piecach i agregatach przelotowych (o działaniu ciągłym). Polega ona na austenityzowaniu rozwiniętego drutu lub tasmy w temperaturach znacznie podwyższających Ac oraz chłodzeniu go i wytrzymaniu w ciagu odpowiedniego czasu w kapieli metalowej (ołów, silumin), solnej (saletrzanej) o temperaturze w zakresie 410-550 C.

Chłodzenie przeprowadza się również w strumieniu powietrza, szczególnie dla drutów cienkich. Do udanych przemysłowych wdrożeń należy chłodzenie w złożach fluidalnych drutów o średnich i małych średnicach.
Temperatury chłodzącej kapieli ołowiowej przy patentowaniu obejmują zakres temperatur cynkowania drutów stalowych (od 450 do 490 C), co stwarza mozliwości patentowania w kapieli cynkowej zamiast ołowiowej z jednoczesnym ocynkowaniem drutu. W tym przypadku kapiel cunkowa służy więc zarówno jako ośrodek do izotermicznego chłodzenia, jak i pokrycia powierzchni drutu.

Niedokładności i nieprawidłowości w technologiach operacji hartowania mogą być przyczyna powstawania różnych wad w przedmiotach zahartowanych. Najczęściej spotyka się takie wady, jak niewystraczająca twardość, miękkie plamu, duże naprężenia własne, powodujące paczenie się, a nawet pekanie przedmiotów.

Hartowanie stosuje się również dla niektórych stopów metali nieżelaznych tworzących układ równowagi fazowej z przemianą typu eutektoidalnego. Wśród takich stopów przykładowo można wymienic stopy miedzi i aluminium (brązale) o stężeniu aluminium ok. 10%, a także stopy tytanu z aluminium i innymi pierwiastkami.

Hartowanie wiąże się ściśle z tzw. hartownością czyli zdolnością materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania po uprzednim nagrzaniu do temperatur powyżej temperatury przemiany; dla stali – zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperatury austenityzowania (miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej).

Najpowszechniej stosowaną metodą okreslania hartowności stali konstrukcyjnych jest tzw. metoda hartowania od czoła opracowana przez Jominy’ego. Metoda ta polega na chłodzeniu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej po austenityzowaniu jej w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali. Nastepnie na próbkach zahartowanych przeprowadza się pomiar twardości wzdłuż zeszlifowanych przeciwległych tworzących próbki w funkcji odległości od chłodzonego czoła próbki. W dalszej kolejności sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła próbki, zwany krzywą hartowności, nanosząc średnie wyniki pomiarów z dwóch przeciwległych tworzących. Uwzględniając rozrzut składu chemicznego stali (dopuszczalnego prze normy), dla stali tego samego gatunku z poszczególnych wytopów uzyskuje się krzywe hartownosci różniące się między sobą. Dla scharakteryzowania określonego gatunku stali przyjeto nie pojedynczą krzywą hartowności, lecz pasmo rozrzutu twardości w funkcji odległości od czoła próbek pobranych z wielu wytopów. Obszar między maksymalnymi i minimalnymi wartościami twardości jest nazywany pasmem hartowności.