Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Hartowanie jest to operacja obróbki cieplnej, polegający na nagrzaniu stali podeutektoidalnej do temperatury powyżej A3, a dla nadeutektoidalnej powyżej A1, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie bardzo szybkim chłodzeniu.

Szybkość chłodzenia musi być większa od szybkości krytycznej, tzn. taka powyżej której nie następuje rozkład austenitu na struktury perlityczne.
Celem tej operacji jest uzyskanie struktury martenzytycznej, nadającej stali dużą twardość, jak również odporność na ścieranie i wytrzymałość.

Stale węglowe podeutektoidalne hartuje się od temperatur o 30-50 °C wyższych od A3 zaś stale nadeutektoidalne od temperatur o 30-50 °C wyższych od A1.

Dolna granica zakresu 30-50 °C wynika z konieczności ujednorodnienia austenitu pod względem zawartości węgla.
Tuż po przemianie podczas nagrzewania, austenit utworzony w obszarach uprzedniego występowania perlitu ma znacznie większą zawartość węgla niż austenit powstały w obszarach uprzedniego występowania ferrytu. W stalach nadeutektoidalnych natomiast zaraz po przekroczeniu temperatury A1 rozpoczyna się rozpuszczanie cementytu drugorzędowego, co daje lokalne wzbogacenie austenitu w węgiel.

Nagrzewanie natomiast do temperatur wyższych niż 50 °C od temperatur krytycznych (A3 czy A1) może doprowadzić do nadmiernego rozrostu ziarna austenitu w stalach podeutektoidalnych oraz rozpuszczenia zbyt dużych ilości cementytu drugorzędowego w stalach nadeutektoidalnych. Cementyt drugorzędowy w stalach nadeutektoidalnych jest fazą o wysokiej twardości (ok. 750 HB) i niecelowe byłoby jego rozpuszczanie, które doprowadziłoby do wzrostu zawartości węgla w austenicie. Spowodowałoby to silne obniżenie temperatur Ms i Mf oraz wzrost udziału austenitu szczątkowego i zwiększenie wielkości ziarna austenitu.

Stale węglowe podeutektoidalne hartuje się od temperatur o 30-50 °C wyższych od A3 zaś stale nadeutektoidalne od temperatur o 30-50 °C wyższych od A1.

Dolna granica zakresu 30-50 °C wynika z konieczności ujednorodnienia austenitu pod względem zawartości węgla.
Tuż po przemianie podczas nagrzewania, austenit utworzony w obszarach uprzedniego występowania perlitu ma znacznie większą zawartość węgla niż austenit powstały w obszarach uprzedniego występowania ferrytu.

W stalach nadeutektoidalnych natomiast zaraz po przekroczeniu temperatury A1 rozpoczyna się rozpuszczanie cementytu drugorzędowego, co daje lokalne wzbogacenie austenitu w węgiel. Nagrzewanie natomiast do temperatur wyższych niż 50 °C od temperatur krytycznych (A3 czy A1) może doprowadzić do nadmiernego rozrostu ziarna austenitu w stalach podeutektoidalnych oraz rozpuszczenia zbyt dużych ilości cementytu drugorzędowego w stalach nadeutektoidalnych.

Cementyt drugorzędowy w stalach nadeutektoidalnych jest fazą o wysokiej twardości (ok. 750 HB) i niecelowe byłoby jego rozpuszczanie, które doprowadziłoby do wzrostu zawartości węgla w austenicie. Spowodowałoby to silne obniżenie temperatur Ms i Mf oraz wzrost udziału austenitu szczątkowego i zwiększenie wielkości ziarna austenitu.

Nagrzewanie przedmiotów w czasie obróbki cieplnej przeprowadza się w specjalnych piecach.

Zależnie od sposobu nagrzewania rozróżnia się piece gazowe, elektryczne i z kąpielą.

Piece gazowe

Piece gazowe mogą mieć budowę komorową, gdzie paliwo spala się w osobnej komorze, a przedmiot nagrzewany jest przez spaliny przepływające do komory grzejnej.

W piecach o budowie muflowej spaliny nagrzewają zewnętrzne ściany ogniotrwałej komory zwanej muflą i przez promieniowanie cieplne nagrzewają przedmioty umieszczone w mufli.

Piece elektryczne

Piece elektryczne wytwarzają ciepło podczas przepływu prądu elektrycznego przez elementy grzewcze o dużym oporze elektrycznym

Te elementy wykonane np. z nikieliny, sylitu itp. Zaletą tych pieców jest utrzymanie stałej temperatury, a wadą znaczny koszt wykonania i eksploatacji.

Piece z kąpielą

Piece z kąpielą np. solną, budowane są w formie tygla stalowego wypełnionego solami, które pod wpływem nagrzania topią się tworząc kąpiel grzewczą.

Sól znajdująca się w wannie nagrzewana jest za pomocą dwóch elektrod, prądem płynącym z sieci przez transformator, a temperaturę kąpieli mierzy się za pomocą termoelementu. Piece tego typu mogą być ogrzewane prądem elektrycznym, gazem, koksem itp. Nagrzewanie przedmiotów odbywa się przez zanurzenie ich w gorącej kąpieli solnej.

Zależnie od sposobu nagrzewania rozróżnia się następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

• kąpielowe,
• indukcyjne,
• płomieniowe,
• wiązkowe (laserowe, wiązką elektronów).

Oziębianie - dmienne ośrodki chłodzące posiadają inne prędkości chłodzenia przedmiotów, dzięki czemu wykonując ten zabieg cieplny możemy otrzymać różne rodzaje struktury materiału.

W procesach obróbki cieplnej wykorzystuje się następujące ośrodki chłodzące:

• woda oraz wodne roztwory soli, zasad i polimerów,
• oleje hartownicze,
• kąpiele solne i metaliczne,
• ośrodki sfluidyzowane,
• powietrze i inne gazy.

Ośrodkami najintensywniej chłodzącymi są roztopione sole oraz kąpiele metaliczne. Dużą zdolność chłodzenia wykazują również wodne roztwory soli i zasad.
Mieszając w odpowiednich proporcjach wodę z olejami lub polimerami uzyskuje się emulsje o pośrednich intensywnościach chłodzenia. Najmniej intensywnie chłodzącym ośrodkiem jest powietrze. Własności chłodzące poszczególnych ośrodków ulegają zmianom ze zmianą ich temperatury oraz w wyniku ich ruchu (cyrkulacji).

Do urządzeń chłodzących zalicza się wanny hartownicze, które wypełnia się cieczami chłodzącymi. Wanny wykonane z blachy stalowej zaopatrzone są w urządzenia do dopływu i odpływu wody lub oleju. Wanny olejowe mają zazwyczaj podwójne ściany, między którymi przepływa woda.
Podczas hartowania przedmioty chłodzone są poruszane w celu oddzielania się od ich powierzchni pęcherzyków pary, które utrudniają chłodzenie.

Rozróżniamy kilka odmian hartowania:

• hartowanie objętościowe
  - hartowanie zwykłe
  - hartowanie stopniowe
  - hartowanie izometryczne
• hartowanie powierzchniowe

Hartowanie zwykłe (ciągłe)

Polega na nagrzaniu przedmiotu do odpowiedniej temperatury, czyli do stanu austenitycznego (powyżej linii GS), a następnie szybkim ochłodzeniu w kąpieli chłodzącej do temperatury poniżej temperatury przemiany martenzytycznej, zazwyczaj do temperatury równej lub zbliżonej do temperatury otoczenia, tzn. 15 - 60 °C

Hartowanie takie, najczęściej stosowane w praktyce, umożliwia uzyskanie największej twardości dzięki zachodzącej przemianie martenzytycznej.

Hartowanie stopniowe

Stosuje się w celu uniknięcia naprężeń wewnątrz stali. Polega ono na nagrzaniu przedmiotu jak przy hartowaniu zwykłym, szybkim chłodzeniu w kąpieli saletrzanej lub ołowiowej nagrzanej do pewnej temperatury pośredniej, czyli nieco powyższej temperatury początku przemiany martenzytycznej, wytrzymaniu w tej temperaturze, a następnie chłodzeniu w oleju lub powietrzu.

Hartowanie z przemianą izotermiczną

Zwane hartowaniem izotermicznym polega na nagrzaniu stali powyżej A3 - A1, wygrzaniu, a następnie oziębieniu w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms.

W kąpieli tej hartowany przedmiot wytrzymuje się aż do zakończenia przemiany austenitu na bainit, a dalsze chłodzenie odbywa się na powietrzu lub w wodzie. Dzięki uniknięciu przemiany martenzytycznej, która daje największe naprężenia własne oraz wyrównaniu temperatury na całym przekroju przed przemianą bainityczną ten sposób hartowania powoduje najmniejsze naprężenia i odkształcenia.

Temperatura kąpieli zależy od własności, jakie chcemy otrzymać i zwykle wynosi 250 - 350 °C w wyniku, czego otrzymuje się bainit o twardości 48-58 HRC. Hartowanie z przemianą izotermiczną stosuje się głównie dla przedmiotów wykonanych ze stali stopowych.

Odmianą hartowania izotermicznego jest hartowanie (ang.: martempering) polegające na chłodzeniu z przystankiem izotermicznym zapewniającym rozpoczęcie przemiany bainitycznej.

Wynikiem zabiegu jest struktura bainityczno - martenzytyczna o twardości większej od bainitu, a ciągliwości większej od martenzytu. Zabieg ten stosuje się w obróbce cieplnej dokładnych narzędzi tj. frezów modułowych, ponieważ powoduje minimalne naprężenia (odkształcenia) hartownicze.

Hartowanie powierzchniowe stosuje się w celu uzyskania dużej twardości wierzchniej warstwy przedmiotu, przy zachowaniu niezmienionych własności rdzenia. Zapewniona wówczas zostaje duża odporność powierzchni na ścieranie i jednocześnie wytrzymałość przedmiotu na uderzenie.

Zabieg ten polega na nagrzaniu warstwy zewnętrznej przedmiotu do temperatury o około 50 °C wyższej od temperatury hartowania dla danej stali i następnie chłodzeniu tej warstwy z szybkością większą od krytycznej.
Grubość warstwy zahartowanej zależy od grubości warstwy nagrzanej do temperatury austenityzowania.

Najważniejszymi parametrami hartowania powierzchniowego są: szybkość nagrzewania i oziębiania oraz temperatura austenityzacji.

Szybkość nagrzewania zależy głównie od rodzaju hartowania, wielkości przedmiotu oraz gatunku stali. Musi być ona duża, a ilość ciepła doprowadzona do powierzchni przedmiotu znacznie większa od ilości ciepła, które może przeniknąć w głąb materiału wskutek przewodnictwa. Jest to warunek konieczny, umożliwiający nagrzanie powierzchniowej warstwy do wymaganej temperatury. Osiągnięcie tej temperatury jest możliwe różnymi sposobami nagrzewania materiału.

Hartowanie powierzchniowe, które można przeprowadzić na wiele sposobów pozwala na osiągnięcie odpowiednich własności materiału dzięki wielu jego zaletom.
Do zasadniczych należą przede wszystkim:

• możliwość zastosowania do przedmiotów o niemal dowolnym rozmiarze i kształcie,
• otrzymanie twardej warstwy powierzchniowej o określonej grubości przy zachowaniu ciągliwego rdzenia,
• wyeliminowanie krzywienia się,
• zachowanie gładkiej nie utlenionej powierzchni,
• duża wydajność procesu.

Zależnie od sposobu nagrzewania rozróżnia się następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

• kąpielowe
• indukcyjne
• płomieniowe
• wiązkowe (laserowe, wiązką elektronów)

Hartowanie kąpielowe

Hartowanie kąpielowe polega na nagrzewaniu przedmiotu w kąpieli ołowiowej lub solnej, a następnie oziębieniu go w wodzie lub oleju.

Kąpiel ogrzewająca powinna mieć temperaturę wyższą od temperatury hartowania o ok. 50 - 100 °C, w celu nagrzania powierzchniowej warstwy przedmiotu zanurzonego na chwilę do temperatury, w której stal przejdzie w stan austenityczny i da się zahartować, przy czym środek przedmiotu nagrzewa się nieznacznie.

Hartowanie indukcyjne

Hartowanie indukcyjne polega na umieszczaniu przedmiotu obrabianego w cewce, przez którą przepływa prąd o bardzo wysokiej częstotliwości (10 MHz).

Strumień magnetyczny wytwarzany przez prąd zmienny przechodzący przez induktor (cewkę) wykonany w kształcie pętli lub spirali z rurek miedzianych wzbudza w przedmiocie metalowym umieszczonym wewnątrz induktora prądy wirowe, które w ciągu kilku sekund nagrzewają powierzchnię przedmiotu do temperatury hartowania. Przedmiot nagrzany powierzchniowo jest następnie oziębiany natryskiem cieczy oziębiającej.

Hartowanie płomieniowe

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

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.

Wśród hartowania wiązkowego wyróżniamy hartowanie laserowe i hartowanie wiązką elektronów.