Hartowanie stali

Obróbka cieplna zwykła 
W celu zmiany własności metali i ich stopów należy zastosować jeden z podstawowych procesów technologicznych, którym jest obróbka cieplna. Zmiany własności mechanicznych związane są ze zmianą struktury metali, która zachodzi w wyniku zmiany temperatury w określonym czasie . Każda operacja obróbki cieplnej zawiera podstawowe zabiegi tj. nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie. Aby zrozumieć zasadność prowadzenia obróbki cieplnej, ważna jest znajomość układu żelazo-węgiel Fe-Fe3C oraz przemian fazowych zachodzących w materiale pod wpływem zmiany temperatury. 

Hartowanie objętościowe
Podstawowym i bardzo znanym zabiegiem jest hartowanie. Hartowanie objętościowe jest operacją obróbki cieplnej, składającą się z zabiegu nagrzewania elementu do temperatury austenityzowania, wygrzewania w tej temperaturze, a następnie chłodzenia z szybkością pozwalającą na uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Przyjmuje się, że temperatura austenityzowania jest o 30÷50℃ wyższa od temperatury Ac3, którą można odczytać z układu żelazo-węgiel Fe-Fe3C (rys. 1).

Rys. 1. Fragment wykresu Fe-Fe3C z zaznaczonymi zakresami hartowania i wyżarzania stali węglowych (źródło: L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT)

Nagrzewanie elementu często odbywa się stopniowo z wygrzewaniem w kilku temperaturach pośrednich, tak aby uniknąć pęknięć powstałych w wyniku naprężeń cieplnych. Temperatura austenityzowania czyli wygrzewania również musi zostać starannie dobrana, aby uniknąć rozrostu ziarn austenitu, który w konsekwencji wpłynąłby na uzyskanie martenzytu grubolistwowego i tym samym na pogorszenie własności mechanicznych i użytkowych oraz zwiększenie kruchości stali. Dokładna temperatura wygrzewania zależy od składu chemicznego stali, a w szczególności od zawartości węgla.  

Hartowanie bainityczne różni się sposobem chłodzenia, które odbywa się w sposób ciągły z szybkością mniejszą od krytycznej, tak aby mogła zajść przemiana bainityczna. Po takiej obróbce struktura stali to bainit, ewentualnie z martenzytem lub austenitem szczątkowym. Taka ostateczna struktura stali wpływa korzystnie na własności plastyczne i udarność stali oraz poprawia odporność stali na zmęczenie, ale jednocześnie obniża granicę sprężystości i plastyczności. Można także przeprowadzić hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną, które jest procesem wielozabiegowym i polega na oziębianiu austenitu, wytrzymaniu izotermicznemu w zakresie temperatury 250-400℃ i chłodzeniu do temperatury pokojowej w spokojnym powietrzu. W ten sposób wyrób będzie charakteryzował się małymi naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi oraz mniejszą możliwością powstawania pęknięć i odkształceń.   

Informacje dotyczące struktury stali, w zależności od temperatury i czasu chłodzenia są zawarte na wykresach przemian austenitu przechłodzonego podczas chłodzenia izotermicznego i ciągłego, są to tzw. krzywe CTP (czas – temperatura - przemiana). To na ich podstawie określane są parametry chłodzenia, w celu uzyskania pożądanej struktury, która w konsekwencji odpowiada za własności mechaniczne wyrobów gotowych (rys. 2).

Rys. 2. Wykresy przemian austenitu przechłodzonego stali węglowej podeutektoidalnej: a) CTPi przy chłodzeniu izotermicznym, b) CTPc przy chłodzeniu ciągłym; ɣ - austenit, P – perlit, B – bainit, M – martenzyt (źródło: L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT)

Innym rodzajem hartowania jest hartowanie powierzchniowe, w którym szybko nagrzewana jest tylko warstwa powierzchniowa elementu, a następnie szybko chłodzona. Nie wywołuje ono dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. 

Dodatkowe symbole w oznaczeniach stali

W oznaczeniach gatunków stali, spotykamy dodatkowe symbole, które często określają w jakim stanie dany wyrób jest dostarczany do klienta.
Tak też, częstymi oznaczeniami są np. +N, +AR, +M, +QT.

• +N oznacza, że wyrób został poddany wyżarzaniu normalizującemu czyli nagrzewaniu do temperatury 30-50℃ powyżej Ac3, następnie wygrzaniu w tej temperaturze i spokojnym studzeniu. Operacja prowadzi do uzyskania drobnoziarnistej struktury, która korzystnie wpływa na własności mechaniczne.  Normalizowanie jest przede wszystkim przeprowadzane na elementach ze stali niestopowych konstrukcyjnych, w celu ujednorodnienia struktury, najczęściej przed dalszą obróbką cieplną. 
• +AR oznacza, że obróbka cieplna nie jest wymagana 
• +M świadczy o tym, że wyrób był poddany walcowaniu termomechanicznemu
• +QT określa, że wyrób był ulepszany cieplnie tj. przeprowadzone zostało hartowanie i odpuszczanie. 

 

Wróć na główną stronę bloga

Wróć na bloga