Hartowanie i ulepszanie cieplne to dwa podstawowe procesy obróbki cieplnej stali, mające na celu modyfikację jej właściwości mechanicznych. Oba zabiegi są szeroko stosowane w przemyśle narzędziowym, motoryzacyjnym oraz konstrukcyjnym.
Definicje i podstawy
Hartowanie
Hartowanie to proces obróbki cieplnej, który polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzacji (zwykle 800-900°C w zależności od składu chemicznego), a następnie szybkim schłodzeniu w odpowiednim medium (woda, olej, gaz). Głównym celem hartowania jest uzyskanie maksymalnej twardości stali poprzez przemianę mikrostrukturalną austenitu w martenzyt. Typowy zakres temperatur dla stali niskostopowych wynosi 800-870°C, natomiast dla stali wysokostopowych może sięgać 1000°C.
Ulepszanie cieplne
Ulepszanie cieplne to bardziej złożony proces obejmujący dwa etapy:
- Hartowanie – identyczne jak opisane powyżej.
- Odpuszczanie – ponowne nagrzanie stali do temperatury 150-700°C, w celu zmniejszenia twardości i zwiększenia plastyczności poprzez częściową przemianę martenzytu w strukturę o bardziej zrównoważonych właściwościach mechanicznych. Temperatury odpuszczania dzieli się na:
- Niskie (150-250°C): minimalne zmniejszenie twardości, stosowane w narzędziach skrawających.
- Średnie (250-500°C): kompromis między twardością a sprężystością, np. sprężyny.
- Wysokie (500-700°C): redukcja twardości, poprawa plastyczności, stosowane w wałach i częściach mechanicznych.
Procesy technologiczne
Hartowanie
- Temperatura austenityzacji: 800-900°C (w zależności od gatunku stali).
- Media chłodzące: woda, olej, gaz ochronny (argon, azot).
- Struktura: martenzyt – twarda, ale krucha struktura.
- Przykłady gatunków stali: C45, 42CrMo4, X17CrNi16-2
Ulepszanie cieplne
- Etap 1: Hartowanie, identyczne jak powyżej.
- Etap 2: Odpuszczanie (150-700°C) – redukcja twardości i poprawa plastyczności.
- Struktura: martenzyt odpuszczony – kompromis między twardością a elastycznością.
Przykłady zastosowania
Hartowanie
- Narzędzia skrawające (wiertła, frezy).
- Ostrza przemysłowe i noże chirurgiczne.
- Elementy ścierne, takie jak młoty udarowe.
Ulepszanie cieplne
- Sprężyny zawieszenia.
- Resory samochodowe.
- Wały napędowe w przemyśle motoryzacyjnym.
Zalety i ograniczenia obu metod
Hartowanie:
- Zalety: maksymalna twardość, odporność na ścieranie.
- Ograniczenia: kruchość, podatność na pękanie.
Ulepszanie cieplne:
- Zalety: równowaga między twardością a plastycznością, lepsza odporność na obciążenia dynamiczne.
- Ograniczenia: mniejsza twardość niż po hartowaniu, bardziej złożony proces.
Przebieg procesów cieplnych: hartowanie i ulepszanie na podstawie kilku wybranych gatunków
1. Hartowanie
- Etapy:
- Podgrzewanie: Stopniowe nagrzewanie do temperatury austenityzacji.
- Austenityzacja: Utrzymanie w temp. powyżej punktu Ac3 lub Ac1 (w zależności od rodzaju stali).
- Hartowanie: Szybkie chłodzenie (w oleju, wodzie lub powietrzu w zależności od składu chemicznego).
- Temperatury austenityzacji:
- 2H17N2: 950-1000°C
- 3H17M: 1000-1050°C
- 4H13: 980-1050°C
- C75S: 800-830°C
- 1.4310: 1050-1100°C
- Medium chłodzące:
- 2H17N2, 3H17M, 4H13: powietrze lub olej
- C75S: olej
- 1.4310: powietrze lub wodna mgła
2. Ulepszanie cieplne
Ulepszanie cieplne to połączenie hartowania i odpuszczania w celu uzyskania kompromisu między twardością a plastycznością.
- Etapy:
- Hartowanie: Jak opisano powyżej.
- Odpuszczanie: Podgrzewanie stali po hartowaniu do określonej temperatury w celu zmniejszenia naprężeń i poprawy właściwości plastycznych.
- Temperatury odpuszczania:
- 2H17N2: 600-700°C
- 3H17M: 650-750°C
- 4H13: 650-700°C
- C75S: 400-500°C
- 1.4310: 300-400°C
- Medium chłodzące po odpuszczaniu:
- Powietrze dla wszystkich gatunków.
Różnice między hartowaniem a ulepszaniem
| Cecha | Hartowanie | Ulepszanie cieplne |
|---|---|---|
| Cel | Maksymalna twardość i odporność na ścieranie | Równowaga między twardością a plastycznością |
| Temperatura austenityzacji | Wyższa | Taka sama |
| Medium chłodzące | Olej, powietrze, woda | Powietrze |
| Struktura końcowa | Martenzyt | Zróżnicowana (martenzyt + bainit) |
| Twardość końcowa (HRC) | max. 60-65 | 45-55 |
| Plastyczność | Niska | Średnia |
| Zastosowanie | Narzędzia tnące, części o wysokiej odporności na ścieranie | Sprężyny, części maszyn, elementy poddawane dynamicznym obciążeniom |
| Odprężanie | Nie stosuje się (z wyjątkiem wstępnego odprężania) | Odpuszczanie obligatoryjne |
Charakterystyki i dane dla poszczególnych gatunków
2H17N2 (X6CrNiMoN17-12-2, 1.4057)
- Typ: Stal nierdzewna martenzytyczna.
- Skład: max 0,06% C, 17% Cr, 2% Mo, 2% Ni, N max 0,2%
- Hartowanie: 950-1000°C, chłodzenie powietrzem lub olejem.
- Twardość po hartowaniu: do 60 HRC
- Ulepszanie: odpuszczanie w 600-700°C
- Zastosowanie: Narzędzia chirurgiczne, sprężyny, elementy odpornie na korozję.
3H17M (X17CrNi16-2, 1.4122)
- Typ: Stal nierdzewna martenzytyczna.
- Skład: max 0,04% C, 17% Cr, 2% Mo, 2% Ni
- Hartowanie: 1000-1050°C, powietrze/olej.
- Twardość po hartowaniu: do 60 HRC
- Ulepszanie: 650-750°C
- Zastosowanie: Noże, sprężyny, elementy odpornie na korozję.
4H13 (X46Cr13, 1.4034)
- Typ: Stal nierdzewna martenzytyczna.
- Skład: 0,40-0,50% C, 13% Cr
- Hartowanie: 980-1050°C, chłodzenie w oleju.
- Twardość po hartowaniu: 52-58 HRC
- Ulepszanie: 650-700°C
- Zastosowanie: Noże, sprężyny, narzędzia chirurgiczne.
C75S (1.1248, 75)
- Typ: Stal sprężynowa węglowa.
- Skład: 0,70-0,80% C, max 0,4% Si, max 0,9% Mn
- Hartowanie: 800-830°C, chłodzenie w oleju.
- Twardość po hartowaniu: max. 64 HRC
- Ulepszanie: odpuszczanie 400-500°C
- Zastosowanie: Sprężyny, resory, narzędzia ręczne.
1.4310 (X10CrNi18-8, 1H18N9 )
- Typ: Stal austenityczna sprężynowa.
- Skład: 0,05-0,15% C, 17-19% Cr, 6-9% Ni
- Hartowanie: 1050-1100°C, chłodzenie w powietrzu.
- Twardość po hartowaniu: max. 50 HRC
- Ulepszanie: odpuszczanie 300-400°C
- Zastosowanie: Sprężyny, elementy o wysokiej elastyczności.
Właściwości po hartowaniu i ulepszaniu:
| Gatunek | Twardość po hartowaniu (HRC) | Twardość po ulepszaniu (HRC) | Temp. austenityzacji (°C) | Temp. odpuszczania (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 2H17N2 | 60-62 | 50-55 | 950-1000 | 600-700 |
| 3H17M | 60 | 50-55 | 1000-1050 | 650-750 |
| 4H13 | 58 | 50-52 | 980-1050 | 650-700 |
| C75S | max. 64 | 52-55 | 800-830 | 400-500 |
| 1.4310 | max. 50 | 40-45 | 1050-1100 | 300-400 |
Niektóre właściwości fizyczne i mechaniczne wybranych gatunków
| Gatunek stali |
Gęstość (g/cm³) |
Moduł sprężystości (GPa) |
Twardość po hartowaniu (HRC) |
Twardość po ulepszaniu (HRC) |
Wytrzymałość po hartowaniu (MPa) |
Wytrzymałość po ulepszaniu (MPa) |
Wytrzymałość w stanie miękkim (MPa) |
Granica plastyczności (MPa) |
Wydłużenie (%) |
Temperatura topnienia (°C) |
Przewodność cieplna (W/m·K) |
Współczynnik rozszerz. cieplnej (10⁻⁶/K) |
Odporność na korozję |
Maks temp pracy (°C) |
Charakterystyka mikrostrukturalna |
Zastosowanie |
Normy i standardy |
Inne |
| 2H17N2 1.4057 | 7,7 | 200 | 50-55 | 38-42 | 1500-1700 | 1200-1400 | 650-750 | 1200-1400 | 8-10 | 1450-1510 | 24 | 10,5 | Wysoka | 450 | Martenzyt | Sprężyny, części maszyn | PN, EN, ASTM | Stal nierdzewna, martenzytyczna |
| 3H17M 1.4122 | 7,7 | 200 | 48-53 | 36-40 | 1400-1600 | 1100-1300 | 600-700 | 1100-1300 | 10-12 | 1450-1510 | 24 | 10,5 | Wysoka | 450 | Martenzyt | Narzędzia chirurgiczne | PN, EN, ASTM | Stal nierdzewna, martenzytyczna |
| 4H13 1.4034 | 7,7 | 200 | 48-52 | 35-40 | 1300-1500 | 1000-1200 | 500-600 | 1000-1200 | 10-12 | 1450-1510 | 24 | 10,5 | Wysoka | 450 | Martenzyt | Noże, narzędzia tnące | PN, EN, ASTM | Stal nierdzewna, martenzytyczna |
| C75S 1.1248 | 7,85 | 210 | 58-63 | 50-55 | 1800-2000 | 1400-1600 | 500-600 | 1400-1600 | 6-8 | 1530-1570 | 46 | 11 | Niska | 300 | Perlit | Sprężyny, taśmy stalowe | PN, EN, ASTM | Stal sprężynowa węglowa |
| 1.4310 AISI301 | 7,9 | 200 | 45-50 | 35-40 | 1300-1600 | 1000-1300 | 500-600 | 1000-1300 | 8-10 | 1450-1510 | 15 | 16 | Wysoka | 400 | Austenit | Sprężyny, narzędzia precyzyjne | PN, EN, ASTM | Stal nierdzewna, austenityczna |