Hartowanie

Hartowanie

Hartowanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury wyższej o około 30°C od temperatury przemiany A3 (linia GSK), wygrzaniu jej w tej temperaturze i szybkim oziębieniu (z szybkością zwykle większą od szybkości krytycznej) .

Celem hartowania jest uzyskanie struktury materiału o większej twardości . Zwiększenie twardości stali zahartowanej jest spowodowane utworzeniem się tzw. martenzytu. Jeżeli stal nagrzana powyżej temperatury oznaczonej na rys. 23-3 linią GSK ostygnie powoli, to powróci do swej pierwotnej struktury typu perlitycznego.

Szybkie chłodzenie, podobnie jak szybkie grzanie materiału, powoduje powstawanie tzw. naprężeń hartowniczych. Korzystne jest zatem zmniejszenie szybkości chłodzenia , zwłaszcza podczas przemiany martenzytycznej. Szybkość chłodzenia dobiera się dla danego gatunku stali. Największą szybkość chłodzenia uzyskuje się w wodzie, mniejszą woleju, a najmniejszą w powietrzu.

Zależnie od sposobu nagrzewania rozróżnia się hartowanie z ogrzewaniem:

1. hartowanie na wskroś 
2. hartowanie powierzchniowe.

Hartowanie z ogrzewaniem na wskroś dzieli się na zwykłe, stopniowe i z przemianą izotermiczną .

• Hartowanie zwykle polega na nagrzaniu stali do temperatury powyżej linii GSK, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu . Odmianą hartowania zwykłego jest hartowanie przerywane. Przedmiot po ochłodzeniu w wodzie do temperatury około 300"C wyjmuje się i zanurza w oleju lub pozostawia w powietrzu, aby przemiana austenitu w martenzyt odbywała się wolniej w celu zmniejszenia naprężeń własnych i kruchości . Po hartowaniu zwykłym stosuje się przeważnie odpuszczanie. Hartowanie zwykłe stosuje się do nieskomplikowanych części wykonanych ze stali węglowych oraz różnych części ze stali stopowych. 
• Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu i wygrzaniu sta li jak w czasie hartowania zwykłego, oziębieniu w kąpieli (najczęściej solnej) o temperaturze nieco wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej , krótkim wygrzaniu w tej kąpieli do wyrównania temperatury w przekroju przedmiotu i następnie chłodzeniu w powietrzu. Zaletą tej obróbki jest uzyskanie budowy martenzytycznej bez powstawania naprężeń towarzyszących hartowaniu zwykłemu. Hartowanie stopniowe stosuje się do obróbki części o skomplikowanych kształtach, wykonanych zwykle ze stali stopowych. 
• Hartowanie z przemianą izotermiczną polega na ochłodzen iu stali w kąpieli o temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej i utrzymaniu przedmiotu w tej kąpieli, aż do zakończenia przemiany austenitu w bainit. Obróbka ta wymaga stosowania odpuszczania . Hartowanie z przemianą izotermiczną stosuje się do drobnych części ze stali węglowych. Zaletą tego hartowania jest uniknięcie naprężeń, które powodują odkształcanie, a niekiedy pęknięcia przedmiotów hartowanych. 

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim ogrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury wyższej od temperatury krytycznej i oziębieniu . Celem tego hartowania jest uzyskanie twardej powierzchni odpornej na ścieranie z zachowaniem plastycznego rdzenia, który przy zmiennych obciążeniach nie ulega pęknięciu.

W zależności od sposobu nagrzewania rozróżnia się hartowanie powierzchniowe:

• płomieniowe, polegające na nagrzewaniu przedmiotu palnikiem gazowym,

• indukcyjne, polegające na nagrzewaniu przedmiotu prądami wirowymi wzbudzonymi w warstwie powierzchniowej przedmiotu oraz prądami szybkozmiennymi w induktorze (wzbudniku),

• kąpielowe, polegające na nagrzewaniu przez krótkie zanurzenie przedmiotu w kąpieli solnej lub ołowiowej , o temperaturze dużo większej od temperatury hartowania stali.

Podczas hartowania trzeba zwracać uwagę , aby zbyt nie przekroczyć temperatury grzania, ponieważ powoduje to przegrzanie stali , a w konsekwencji jej gruboziarnistość i kruchość.

Wyżarzanie

Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu go w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia po wyżarzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian powinna być niewielka. Szybkie chłodzenie uniemożliwiałoby bowiem powstanie faz zgodnych ze stanem równowagi stopu. Po wyżarzeniu w zakresie temperatury poniżej temperatury przemian szybkość chłodzenia może być dowolna, gdyż nie zachodzą w tym zakresie żadne przemiany fazowe. W praktyce rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzania: ujednorodniające, normalizujące, odprężające, zmiękczające, rekrystalizujące i odprężające. 

• Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizacja)

Wyżarzanie ujednorodniające najczęściej jest stosowane do wlewków ze stali stopowych, które po odlaniu wykazują niejednorodność składu chemicznego powstałą podczas krzepnięcia stali. Wyżarzanie ujednorodniające ma na celu usunięcie przez dyfuzję w stanie stałym segregacji dendrytycznej w obszarach ziarn. Ujednorodnienie stali osiąga się przez wygrzewanie wlewków w temperaturze 1000÷1250°C w ciągu 12÷15 godzin. Po wyżarzaniu ujednorodniającym, które jest wykonywane w hucie, następuje obróbka plastyczna wlewka, polegająca na kuciu lub walcowaniu.

• Wyżarzanie normalizujące

Wyżarzanie normalizujące ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej, która zapewnia lepsze właściwości mechaniczne niż gruboziarnista. Przebieg procesu normalizowania stali zależy w pewnej mierze od jej składu chemicznego. Stale podeutektoidalne ogrzewa się podczas wyżarzania normalizującego do temperatury wyższej o około 50°C od temperatury przemiany A3. Następnie wyjęte z pieca przedmioty chłodzi się na powietrzu. Podczas przemiany perlitu w austenit, jak wiemy, następuje rozdrobnienie ziarna.

Stale nadeutektoidalne można wyżarzać w celu znormalizowania w temperaturze wyższej o około 50°C od temperatury określonej linią Acm lub o około 50°C wyższej od temperatury określonej linią A1.

Odmianą wyżarzania normalizującego jest wyżarzanie zupełne, które różni się od poprzedniego sposobem chłodzenia. Podczas normalizowania stal jest ogrzewana do temperatury wyższej od temperatury określonej linią GSE oraz chłodzona na wolnym powietrzu. Podczas wyżarzania zupełnego chłodzenie, do takiej samej temperatury jak przy wyżarzaniu normalizującym, odbywa się w piecu bardzo wolno stygnącym. Dzięki temu przemiany fazowe przebiegają w stali zgodnie ze stanem równowagi. W wyniku takiego wyżarzania uzyskuje się dobrą plastyczność stali, małą twardość i dobrą obrabialność. Wyżarzanie zupełne jest stosowane głównie do stali stopowych, które przy większych szybkościach chłodzenia wykazują skłonność do powstawania struktur twardych,

np. martenzytu.

• Wyżarzanie zmiękczające

Wyżarzanie zmiękczające stosuje się głównie do tych stali, w których występują duże kryształy cementytu w perlicie oraz siatka cementytu otaczająca pierwotne ziarna austenitu. Wyżarzanie zmiękczające polega na nagrzaniu stali do temperatury określonej w przybliżeniu przemianą A1 i następnie studzeniu po długotrwałym (kilkunastogodzinnym) wygrzewaniu.

Niekiedy podczas zmiękczania stosuje się tzw. wygrzewanie wahadłowe stali. Polega ono na ogrzaniu stali do temperatury przekraczającej temperaturę przemiany Acl oraz na studzeniu do temperatury niższej od temperatury przemiany Arl. Taki cykl zmian temperatury powtarza się kilkakrotnie. Wygrzewanie wahadłowe w temperaturze punktu A1 wywołuje rozdrobnienie cementytu. Podczas ogrzewania do temperatury przekraczającej temperaturę przemiany A1 w stalach nadeutektoidalnych następuje przemiana perlitu w austenit i w miarę wzrostu temperatury – powolne rozpuszczanie się cementytu w austenicie. Ponieważ siatka cementytu rozpuszcza się w austenicie równomiernie, przy niecałkowitym rozpuszczeniu się cementytu siatka zostanie poprzerywana. Dalsze, powtarzane cykle chłodzenia wahadłowego będą sprzyjać powstawaniu struktury ziarnistej cementytu na tle ferrytycznym. Zabiegi cieplne zmierzające do uzyskania cementytu kulkowego na tle ferrytycznym nazywamy niekiedy sferoidyzacją.

• Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych powstałych w materiale wskutek zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania lub obróbki plastycznej odbywającej się w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji tj. na zimno. Wyżarzanie wykonywane w celu usunięcia naprężeń własnych stosowane najczęściej do stali, należy prowadzić w temperaturze nie przekraczającej temperatury przemiany A1 (zazwyczaj 550÷650°).

Usunięcie naprężeń zależy od czasu i temperatury zabiegu. Im wyższa jest temperatura, tym krótszy może być czas trwania procesu wyżarzania.