Na czym polega hartowanie?

25-11-2022

Hartowanie jest procesem polegającym na nagrzaniu obrabianego materiału do odpowiedniej temperatury.

Hartowanie

Na czym polega hartowanie?

Według najprostszej definicji Hartowanie jest procesem polegającym na nagrzaniu obrabianego materiału do odpowiedniej temperatury (zwanej temperaturą hartowania), wytrzymanie w niej przez określony okres czasu, a następnie ochłodzenie z odpowiednią prędkością chłodzenia. Celem procesu jest uzyskanie twardej struktury martenzytycznej

Jeżeli chodzi o sens strukturalny to hartowanie jest operacją, która ma na celu powstanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Dla stali podeutektoidalnej temperatura nagrzewania to od 30 do 50 o C powyżej temperatury A3, a następnie schłodzenie z prędkością większą od prędkości krytycznej, poniżej temperatury Ms, przy hartowaniu bainitycznym stal wytrzymuje się w stałej temperaturze, powyżej Ms. Stale nadeutektoidalne hartuje się w temperaturze od 30 do 50 o C wyższej od A1, a więc w temperaturze niższej niż stale podeutektoidalne, ze względu na występowanie twardego składnika – cementytu, którego rozpuszczanie byłoby bezcelowe ze względu na zmniejszenie twardości (po co rozpuszczać twardy węglik? ????), zwiększenie udziału niepożądanego austenitu szczątkowego oraz rozrost ziarna, nie wspominając o niepotrzebnym zużyciu energii.

Brzmi skomplikowanie, prawda?

Już wyjaśniamy!

  • Czym jest struktura martenzytyczna i bainityczna, a także dlaczego powinno nam na niej zależeć?

Martenzyt – w stali jest to przesycony, międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α. Jest fazą, ma skład fazy wyjściowej czyli austenitu. Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna, zachodząca z bardzo dużą prędkością, zbliżoną do prędkości rozchodzenia się dźwięku w stali (1000 - 7000 m/s). Stal ze strukturą martenzytyczną jest twarda i krucha, nie nadaje się z tego powodu do codziennego użytku i musi zostać poddana procesowi odpuszczania.

Bainit – Jest mieszaniną faz: przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Wyróżniamy dwa typy bainitu: bainit górny i bainit dolny, które powstają w zależności od temperatury i prędkości chłodzenia.

Bainit górny - ma budowę określaną przez niektórych jako „pierzastą”, posiada nieregularny kształt ferrytu, z nieregularnymi węglikami i austenitem szczątkowym. Powstaje w zakresie temperatur 350 – 550 °C w wyniku zajścia przemiany pośredniej z austenitu. Nie jest pożądany w stali, ponieważ ma niską twardość ok. 45 HRC, niską ciągliwość, charakteryzuje się niekorzystnymi właściwościami wytrzymałościowymi (mogą być poprawione przez odpuszczanie) i ma bardzo słabą odporność na pękanie.

Bainit dolny – składa się z przesyconego węglem ferrytu w postaci listowej, zbliżonej do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach oraz austenitu szczątkowego. Ma wysoką twardość ok. 55 HRC, znaczną odporność na ścieranie i stosunkowo dobrą odporność na pękanie, ma również świetną ciągliwość (wyższą niż bainit górny).

Na potrzeby dalszej części artykułu powiedzmy sobie od razu czym jest cementyt.

Cementyt – jest metastabilnym węglikiem żelaza Fe3C (węgiel stanowi 25% atomów, co odpowiada 6,67% masy cząsteczki). Jest to jeden z głównych składników stali i żeliw. Jest twardy i kruchy o twardości ok. 65 HRC, a także wysoce odporny chemicznie.

  • Co to są stale podeutektoidalne i nadeutektoidalne?

Stal podeutektoidalna – w najprostszej definicji jest to stal posiadająca poniżej 0,77% węgla. W temperaturze pokojowej posiada strukturę perlityczno – ferrytyczną. Po hartowaniu stale te mają strukturę martenzytu bez oddzielnej fazy cementytu.

Stal nadeutektoidalna – stal zawierająca powyżej 0,77% węgla. W temperaturze pokojowej posiada strukturę perlitu z cementytem. Po hartowaniu otrzymujemy strukturę martenzytu z cementytem.

Struktura zależy jednak mocno od dodatków stopowych, w odpowiednich warunkach stale mogą zachować strukturę podeutektoidalną pomimo większej zawartości węgla.

  • Czym więc są temperatury A3, A1 i Ms?

Aby pisać o tych temperaturach musimy uciec się do wykresu fazowego żelazo – węgiel. (Wykres fazowy jest graficzną reprezentacją współistnienia poszczególnych faz w układzie, w dużym uproszczeniu, w tym przypadku roztworu stałego węgla w żelazie (czyli stopu), odnosi się on do zależności żelaza i węgla, a więc nie bierze pod uwagę innych dodatków).

Rys. 1 Wykres fazowy żelazo – węgiel oraz zakres hartowania stali węglowych. Źródło: J. Pacyna et al., Metaloznawstwo, wybrane zagadnienia, Wydawnictwa AGH, Kraków, 2005.

Jak widzimy na obrazie powyżej na wykresie fazowym żelazo węgiel znajdują się pewne charakterystyczne linie i szczególne punkty, które są swego rodzaju przewodnikiem, mapą lub instrukcją do uzyskania żądanej fazy w stali, przy określonym stężeniu węgla. Na tej podstawie widzimy, że:

Linia A3 - wyznacza po prostu temperaturę, w której ferryt ulega całkowitej przemianie w austenit. Dlaczego więc nagrzewamy stal 30 – 50 °C powyżej tej temperatury? Otóż po to, żeby mieć pewność, że cały miękki ferryt uległ już przemianie w austenit i przy odpowiednim chłodzeniu otrzymamy z niego martenzyt lub bainit.

Linia A1 ma stałą wartość, jest to linia wyznaczająca przemianę ferrytu w austenit w stalach nadeutektoidalnych. Cementyt jest węglikiem żelaza o wzorze Fe3C, o znacznej twardości (ok. 65 HRC) jego roztapianie byłoby bezcelowe, bo na twardości i wzmocnieniu stali nam zależy. Dlatego podczas nagrzewania należy uważać, żeby nie przekroczyć linii Acm, co doprowadzi do rozpuszczenia pożądanego, twardego składnika.

Temperatura Ms – od martenzyt start, jest to temperatura początku przemiany martenzytycznej, która dla danych stali zmienia się w zależności od składu chemicznego i zawartości węgla.

Temperatura Mf - jeśli istnieje temperatura Ms, to występuje również temperatura Mf (ang. Martensite finish) czyli martenzyt stop, koniec. Jest to temperatura po przekroczeniu której martenzyt już się nie pojawia, a pozostały austenit zmienia się w niepożądany austenit szczątkowy. Na Mf również w znacznym  stopniu wpływa skład chemiczny stali. Austenit szczątkowy jest niepożądany, ponieważ jego obecność może wpływać na zmniejszenie twardości stali.