🔥 Hartowanie Metali

W zależności od wymaganych własności wyrobów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna odbywać się może na zimno lub na gorąco. Obróbka plastyczna na zimno jest wykonywana w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, a obróbka plastyczna na gorąco powyżej tej temperatury. Wielkość odkształcenia plastycznego charakteryzuje geometryczna zmiana przekroju przedmiotu obrabianego plastycznie, określana stopniem gniotu Z: Z=[(S0 – S1): S0] . 100% gdzie: S0 i S1 – odpowiednio przekroje poprzeczne przedmiotu przed i po obróbce plastycznej. W zależności od warunków obróbki plastycznej, tzn. głównie od temperatury i stopnia gniotu, a także sposobu i szybkości odkształcenia, liczby przepustów i innych czynników technologicznych, o własnościach metalu obrabianego plastycznie decydują różne mechanizmy odkształcenia plastycznego oraz procesy aktywowane cieplnie, usuwające skutki umocnienia zgniotowego.

Hartowanie

Jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu przedmiotu do temperatury austenityzowania, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Stosowanie odpowiedniej temperatury hartowania stali zapewnia otrzymanie drobnoziarnistego austenitu, a przy chłodzeniu drobnoiglastego martenzytu. Austenit gruboziarnisty po przemianie inicjuje natomiast powstanie gruboiglastego martenzytu o gorszych własnościach wytrzymałościowych i zwiększonej kruchości. Dlatego też stale nadeutektoidalne hartuje się w temperaturach powyżej Ac1+(30-50 oC), a więc w zakresie, w którym cementyt wtórny przechodzi w bardzo małej ilości do roztworu.

Wygrzewanie stali w temperaturze powyżej Acm wpływa na powstanie gruboziarnistego (przegrzanie); po oziębieniu powstaje martenzyt gruboziarnisty zwany także gruboiglastym oraz austenit szczątkowy. Im wyższa jest temperatura przegrzania, tym większa jest ilość austenitu szczątkowego. Cementyt pozostający w strukturze stali po ogrzaniu do temperatury powyżej A1 jest składnikiem bardzo twardym.

Drobnoziarnisty cementyt nadaje stali hartowanej korzystne własności, zwłaszcza zwiększa jej odporność na ścieranie. Struktura wyjściowa (ferryt z cementytem ziarnistym) uzyskana w wyniku obróbki plastycznej (rozbicie cementytu) i wyżarzania zmiękczającego jest bardzo ważnym czynnikiem, od którego zależy otrzymanie korzystnej struktury po hartowaniu stali nadeutektoidalnej.

Przedmioty o skomplikowanych kształtach, ze stali stopowych, mające mniejszy współczynnik przewodności cieplnej należy podgrzewać do hartowania powoli; czas wygrzania powinien być możliwie krótki, lecz dostateczny do wygrzania na wskroś i do przebiegu austenityzowania.  Nagrzewanie odbywa się na ogół w powietrzu, ale lepiej w atmosferze obojętnej, aby zapobiec odwęglaniu, nawęglaniu lub utlenieniu stali. W zależności od rodzaju stali i sposobu chłodzenia rozróżnia się hartowanie ciągłe (zwykłe), stopniowe, z przemianą izotermiczną.

Hartowanie ciągłe (zwykłe)

Polega na nagrzaniu stali do temperatury 30-50 oC powyżej Ac3, wygrzaniu jej w tej temperaturze i bezpośrednim chłodzeniu z prędkością większą od krytycznej. Szybkość chłodzenia jest zależna od ciepła właściwego i przewodności cieplnej stali, rodzaju środka chłodzącego oraz kształtu i wielkości przedmiotów. Spośród tych czynników największy wpływ wywiera środek chłodzący, warunkujący szybkość oziębiania większą od szybkości krytycznej. W zakresie temperatur 700-450 oC, w którym austenit jest najmniej trwały, chłodzenie powinno być bardzo szybkie, zaś w temperaturach powyżej i poniżej tego zakresu może być wolniejsze, bo austenit znajduje się wówczas dłużej w stanie przechłodzonym.

Chłodzenie pomiędzy Ms i Mf powinno być wolniejsze, aby uniknąć naprężeń strukturalnych. Niestety nie ma takich ośrodków chłodzących, przy których stosowaniu chłodzenie przebiegałoby w ten sposób. Szybkość chłodzenia ośrodków w odniesieniu do przedmiotów o tej samej masie zmienia się z temperaturą. Wiadomo, że powietrze chłodzi wolniej niż ciecze.

Najogólniej chłodzenie odbywa się następująco: w pierwszym okresie ze spadkiem temperatury szybkość chłodzenia szybko zwiększa się, po czym zmniejsza się proporcjonalnie do różnicy temperatur przedmiotu i ośrodka. Przy chłodzeniu w powietrzu nie uzyskuje się szybkości krytycznych wymaganych dla stali węglowych. Jedynie stale wysokostopowe o małej szybkości krytycznej hartują się w powietrzu, są to tzw. Stale samohartujące się. Stale węglowe hartuje się na ogół w wodzie, stale stopowe najczęściej w oleju.

Oziębianie przy hartowaniu zwykłym można przeprowadzić:

– w cieczy spokojnej,
– w cieczy z wymuszonym obiegiem,
– za pomocą prasy hartowniczej.

Hartowanie stopniowe

Hartowanie stopniowe jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali powyżej temperatury Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze, wytrzymaniu w kąpieli solnej o temperaturze nieznacznie wyższej od Ms (potrzebnym do wyrównania temperatury na przekroju) i następnym chłodzeniu na powietrzu. Przetrzymanie przedmiotów w kąpieli ma na celu zmniejszenie (do minimum) naprężeń cieplnych, tworzących się przy hartowaniu.

Hartowanie stopniowe zmniejsza również naprężenia strukturalne przez przedłużenie przebiegu przemiany martenzytycznej. Zabieg zmniejsza częściowo również odkształcenia i nie dopuszcza do powstania pęknięć w przedmiocie. Hartowanie stopniowe stosowane jest w obróbce cieplnej przedmiotów o małych przekrojach (narzędzia, części maszyn), ze stali węglowych lub niskowęglowych oraz przedmiotów o skomplikowanym kształcie.

Hartowanie z przemiana izotermiczną

Hartowanie z przemianą izotermiczną jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu przedmiotu do temperatury wyższej od Ac3, wygrzaniu go w tej temperaturze, oziębieniu w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms, wytrzymaniu w tej kąpieli aż do zupełnego zakończenia przemiany bainitycznej i następnym dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia.
Po hartowaniu z przemianą izotermiczną uzyskuje się na ogół strukturę bainityczną. Równocześnie występują wszystkie dodatnie cechy hartowania stopniowego, a więc zmniejszenie naprężeń cieplnych, strukturalnych oraz zmniejszenie możliwości powstawania pęknięć i deformacji.

W zasadzie izotermicznie hartuje się części o małych przekrojach. Można również hartować części o większych przekrojach, ze stali wysokostopowych, których zakres trwałości austenitu jest duży. Pewną odmiana hartowania izotermicznego jest hartowanie w celu uzyskania bainitu i martenzytu. Przeprowadza się je w podobnych temperaturach jak hartowanie stopniowe, jednak czas wytrzymania w kąpieli solnej zostaje przedłużony aż do otrzymania częściowej przemiany bainitycznej.

Po wyjęciu z kąpieli solnej pozostały austenit rozpada się na martenzyt i w ten sposób otrzymuje się strukturę martenzytu i bainitu o pośrednich własnościach mechanicznych. Obróbce tej poddaje się najczęściej narzędzia w celu otrzymania dużej twardości i ciągliwości.

Hartowanie powierzchniowe.

Hartowanie powierzchniowe przeprowadza się najczęściej w celu otrzymania twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej i zachowania niezmienionych własności rdzenia. Polega ono na nagrzaniu warstwy zewnętrznej przedmiotu do temperatury o 50 oC wyższej od temperatury hartowania danej stali i następnym chłodzeniu tej warstwy z szybkością większą od krytycznej. Grubość warstwy zahartowanej zależy od grubości warstwy nagrzanej powyżej Ac3.

Przegrzanie powierzchni ponad właściwą temperaturę hartowania nie powoduje rozrostu ziaren austenitu ze względu na bardzo krótki czas nagrzewania, potrzebne jest tylko dla przyspieszenia przemiany w austenit. Hartuje się powierzchniowo stale węglowe (0,4 do 0,5% C) lub stale niskostopowe (0,3-0,6% C).  Cienka, zewnętrzna warstwa powierzchniowa wymaga bardzo szybkiego nagrzewania i natychmiastowego ochłodzenia, aby jej ciepło nie zdążyło na skutek przewodzenia nagrzać rdzenia przedmiotu. Rozróżnia się hartowania powierzchniowe płomieniowe i indukcyjne.

Hartowanie powierzchniowe metodą płomieniową polega na nagrzaniu powierzchni stalowego przedmiotu do właściwej temperatury za pomocą płomienia uzyskanego przez spalanie gazów i następnym szybkim oziębianiu przedmiotu natryskiem wodnym. Gazami palnymi są przede wszystkim: acetylen, gaz świetlny, gaz generatorowy wodny i inne.

Grubość warstwy zahartowanej metoda płomieniowa wynosi 1-5 mm. Spośród wielu metod hartowania płomieniowego, różniących się sposobem przekazywania ciepła z płomienia do metalu, najważniejszymi są: – metoda hartowania jednoczesnego (obrotowego) polegająca na nagrzaniu powierzchni szybko obracającego się przedmiotu i po osiągnięciu temperatury, na szybkim jednoczesnym oziębieniu całej powierzchni; – metoda hartowania ciągłego (posuwnego) polegająca na stopniowym nagrzewaniu powierzchni za pomocą wolno przesuwającego się płomienia gazowego, za którym znajduje się natrysk wodny do oziębiania. Hartowanie powierzchniowe indukcyjne polega na bardzo szybkim powierzchniowym nagrzaniu stali znacznie powyżej temperatury przemiany za pomocą szybkozmiennych prądów wzbudzonych i następnie oziębieniu natryskiem wodnym. Urządzeniem do wzbudzania prądów w przedmiocie hartowanym jest induktor (cewka), przez który płynie prąd wielkiej częstotliwości, wzbudzający w przedmiocie hartowanym, znajdującym się wewnątrz cewki, prądy wirowe za pośrednictwem zmiennego pola magnetycznego. Prądy wirowe skupiają się głównie w warstwie powierzchniowej przedmiotu, co powoduje jej nagrzanie.

Hartowanie indukcyjne wykazuje wiele zalet

• – możliwość grzania do żądanej głębokości oraz na wybranym małym obszarze,
• – bardzo duża wydajność procesu,
• – uniknięcie odkształceń przedmiotów i utworzenia się zgorzeliny,
• – możliwość całkowitego zautomatyzowania procesu.
• Stale węglowe hartowane indukcyjnie mogą być stosowane zamiast stali stopowych.

Odpuszczanie Metali

Struktury powstające z przechłodzenia austenitu odbiegają tym bardziej od warunków równowagi, im niższa była temperatura, przy której powstały. Zjawiska zachodzące podczas nagrzewania takich struktur nazywają się odpuszczaniem.
Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury poniżej Ac1, wytrzymaniu w niej i chłodzeniu do temperatury otoczenia. Zależnie od stosowanej temperatury rozróżnia się odpuszczanie w zakresie temperatur niskich, średnich i wysokich. Odpuszczanie niskie przeprowadza się w temperaturze 150-250 oC w celu usunięcia naprężeń hartowniczych przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie. Stosuje się głównie do narzędzi, sprężyn spiralnych, sprawdzianów.

Odpuszczanie średnie przeprowadzane jest w zakresie 250-500 oC i ma na celu uzyskanie dużej wytrzymałości i sprężystości; twardość zmniejsza się przy tym znacznie. Odpuszczaniu poddaje się sprężyny, matryce, resory, części mechanizmów (młotki pneumatyczne, części samochodowe itp.). Odpuszczanie wysokie odpuszczanie wysokie przeprowadza się w temperaturze powyżej 500 oC, a poniżej Ac1. Ma ono na celu uzyskanie najwyższej udarności możliwej dla danej stali. Zwiększa się również stosunek Re : Rm, który jest miarą ulepszania materiału przez obróbkę cieplną.

Stąd łącznie hartowanie i odpuszczanie średnie jest nazywane ulepszaniem cieplnym. Podczas odpuszczania poza zmianami strukturalnymi zachodzi jednocześnie usunięcie naprężeń powstałych podczas hartowania. Oprócz temperatury na własności po odpuszczaniu wpływa, choć w mniejszym stopniu, czas odpuszczania. W zależności od własności, jakie maja być otrzymane po odpuszczeniu, dobiera się więc odpowiednią temperaturę oraz czas procesu.

Przesycanie Metali

Przesycanie polega na nagrzaniu stopów do temperatury powyżej granicznej rozpuszczalności w celu przeprowadzenia wydzielonego składnika bez przemiany alotropowej do roztworu stałego, wygrzaniu a następnie oziębieniu dla zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze. Otrzymana w temperaturze otoczenia struktura przesyconego roztworu stałego, jako niezgodna z wykresem równowagi dla danych warunków, jest nietrwała i stosunkowo łatwo może przejść do stanu równowagi. Po przesyceniu nieznacznie zmniejszają się własności mechaniczne (H, Rm), plastyczne zaś zwiększają się, gdyż stop stał się jednofazowy. Przesycanie jest pierwszym zabiegiem obróbki cieplnej zwanej utwardzaniem dyspersyjnym, stosowanej szczególnie do stopów metali nieżelaznych. Jako celowy zabieg cieplny przesycanie stosowane jest do stali o strukturze austenitycznej (stale kwasoodporne chromowo-niklowe, stale o dużej zawartości manganu).

Temperatura tego zabiegu jest wysoka – około 1100 oC; chłodzenie odbywa się w wodzie. Celem tego zabiegu jest uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej przez przejście węglików do roztworu stałego. Pogarsza to wprawdzie nieco właściwości wytrzymałościowe, ale polepsza zdolność do odkształceń plastycznych na zimno oraz odporność na korozję, zwłaszcza międzykrystaliczną np. stali 18-8. Przesycanie stosuje się również przy obróbce nadstopów oraz stopów o specjalnych właściwościach magnetycznych.

Starzenie Metali

Starzenie obejmuje całokształt zjawisk związanych z rozpadem przesyconych roztworów stałych. Polega na nagrzaniu uprzednio przesyconego stopu do temperatury znacznie niższej od linii granicznej rozpuszczalności, przetrzymaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia zachodzą zmiany strukturalne zbliżające skład stopu do stanu równowagi, czyli następuje (zgodnie z teorią) wydzielenie składnika znajdującego się w nadmiarze w roztworze przesyconym. W niektórych stopach procesy starzenia rozpoczynają się już w temperaturze otoczenia, co określa się mianem starzenia samorzutnego. Natomiast w odniesieniu do stopów metali nieżelaznych (stopy Al, brązy berylowe) starzenie jest drugim zabiegiem utwardzania dyspersyjnego i podstawową obróbką cieplną.

Starzenie w pewnych przypadkach nie jest korzystne, np. w stalach niskowęglowych przeznaczonych do głębokiego tłoczenia oraz w stalach kotłowych, gdyż powoduje pogorszenie właściwości plastycznych i kruchość. Zjawisko to potęguje się w stalach nieuspokojonych, w których w ferrycie poza węglem (linia PQ) rozpuszczony jest także azot; pierwiastki te tworzą bowiem z żelazem roztwory międzywęzłowe, powodując odkształcenia w sieci Fea tym większe, im więcej rozpuszczonych jest atomów obcych w roztworze. Rozpuszczalność ta zależy także od gęstości defektów budowy krystalicznej. Przy chłodzeniu blach, np. z temperatury walcowania, rozpuszczalność C i N zmniejsza się, powodując wydzielenie się cementytu trzeciorzędowego na granicach ziaren oraz fazy międzywęzłowej odpowiadającej związkowi Fe4N.

Natomiast szybkie chłodzenie powoduje zatrzymanie prawie całej ilości rozpuszczonych składników w ferrycie, wydzielających się podczas starzenia. Starzenie to może zajść już w temperaturze otoczenia zwłaszcza przy dłuższym okresie magazynowania. Starzenie może zostać przyspieszone poprzez zgniot. Zwiększona pod wpływem zgniotu gęstość dyslokacji ułatwia dyfuzję. Stwierdzono, że w stalach uspokojonych efekt starzenia jest mniejszy, są to tzw. stale nie starzejące się lub stabilizowane.

Zjawisko te można wyjaśnić w następujący sposób: dodatek Al i Ti odtleniająco i odazotowująco, natomiast stal nie zawierająca tlenu i azotu nie podlega starzeniu. W stalach niskowęglowych rozróżnia się więc starzenie po przesyceniu i starzenie po zgniocie. Niekiedy oba rodzaje starzenia występują jednocześnie, co powoduje wzrost kruchości oraz skłonność do występowania korozji międzykrystalicznej.