Hartowanie stali i ulepszanie cieplne – proces, temperatura, mikrostruktura i właściwości

Hartowanie stali i ulepszanie cieplne należą do najważniejszych metod obróbki cieplnej stosowanych w celu kształtowania właściwości mechanicznych elementów stalowych. Hartowanie prowadzi przede wszystkim do uzyskania struktury o dużej twardości, najczęściej zawierającej martenzyt, natomiast ulepszanie cieplne obejmuje hartowanie i następujące po nim wysokie odpuszczanie, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie korzystnego połączenia wytrzymałości, plastyczności i odporności na obciążenia dynamiczne.
Oba procesy wykorzystują przemiany zachodzące podczas nagrzewania stali do zakresu austenitycznego oraz jej późniejszego chłodzenia. Końcowy rezultat zależy jednak nie tylko od temperatury, ale również od składu chemicznego stali, hartowności, wielkości elementu, czasu austenityzacji, szybkości chłodzenia oraz parametrów późniejszego odpuszczania.
Nie istnieje jedna temperatura hartowania ani jedna twardość możliwa do uzyskania dla wszystkich gatunków stali. Parametry obróbki cieplnej zawsze należy odnosić do konkretnego materiału, jego stanu wyjściowego, wymiarów elementu oraz wymaganych właściwości końcowych.

Co to jest hartowanie stali?

Hartowanie jest procesem obróbki cieplnej obejmującym nagrzanie stali do odpowiednio dobranej temperatury austenityzacji, wygrzanie umożliwiające uzyskanie wymaganego stanu austenitu, a następnie chłodzenie z szybkością wystarczającą do uzyskania wymaganej mikrostruktury.
W klasycznym hartowaniu stali konstrukcyjnych, narzędziowych i martenzytycznych stali nierdzewnych dąży się przede wszystkim do ograniczenia przemian dyfuzyjnych austenitu podczas chłodzenia i uzyskania struktury zawierającej martenzyt.
Martenzyt charakteryzuje się wysoką twardością i wytrzymałością, ale bezpośrednio po hartowaniu może wykazywać małą plastyczność oraz znaczne naprężenia wewnętrzne. Dlatego w praktyce przemysłowej po hartowaniu bardzo często wykonuje się odpuszczanie stali.

Na czym polega hartowanie?

Klasyczny proces hartowania można podzielić na trzy podstawowe etapy:

1. Nagrzewanie do temperatury austenityzacji – materiał nagrzewa się do zakresu temperatur właściwego dla danego gatunku stali.
2. Austenityzacja i wygrzewanie – materiał pozostaje w temperaturze umożliwiającej uzyskanie wymaganego stanu austenitu oraz odpowiednie rozpuszczenie składników struktury.
3. Chłodzenie hartownicze – stal chłodzi się z szybkością pozwalającą uzyskać wymaganą strukturę, najczęściej zawierającą martenzyt.

Każdy z tych etapów wpływa na końcową twardość, wytrzymałość, udarność, stabilność wymiarową i ryzyko powstawania odkształceń lub pęknięć.

Austenityzacja – pierwszy etap hartowania

Austenityzacja polega na nagrzaniu stali do zakresu temperatur, w którym powstaje austenit. Dokładny zakres zależy od składu chemicznego oraz rodzaju stali.
Dla stali podeutektoidalnych ważnym punktem odniesienia jest temperatura Ac3, czyli temperatura, przy której podczas nagrzewania kończy się przemiana struktury w austenit. Dla innych grup stali dobór temperatury może być związany również z temperaturą Ac1, Acm oraz zachowaniem węglików występujących w mikrostrukturze.
Temperatura hartowania nie powinna być utożsamiana z jedną uniwersalną wartością, np. 800–900°C. W zależności od gatunku może być znacznie niższa lub wyższa, szczególnie w przypadku wysokostopowych stali narzędziowych i szybkotnących.
Przykładowo dane producentów wysokostopowych stali narzędziowych pokazują, że niektóre gatunki wymagają austenityzacji powyżej 1000°C. Parametry powinny więc zawsze wynikać z dokumentacji konkretnego materiału.

Co dzieje się podczas austenityzacji?

Podczas nagrzewania zachodzą przemiany mikrostrukturalne prowadzące do powstania austenitu. Jednocześnie może następować rozpuszczanie cementytu i innych węglików oraz przechodzenie węgla i pierwiastków stopowych do roztworu stałego.
Stopień rozpuszczenia węglików wpływa później na skład chemiczny austenitu, temperaturę początku przemiany martenzytycznej, ilość austenitu szczątkowego oraz właściwości martenzytu powstającego podczas chłodzenia.
Z tego względu zarówno temperatura, jak i czas austenityzacji mają bardzo duże znaczenie technologiczne.

Dlaczego zbyt wysoka temperatura hartowania jest niekorzystna?

Podwyższanie temperatury austenityzacji nie prowadzi bez ograniczeń do poprawy właściwości. Nadmierna temperatura lub zbyt długie wygrzewanie mogą powodować między innymi:

• nadmierny rozrost ziarna austenitu,
• zbyt intensywne rozpuszczanie węglików,
• zwiększenie ilości austenitu szczątkowego w niektórych stalach,
• zmniejszenie udarności,
• zwiększenie podatności na odkształcenia,
• wzrost ryzyka pękania podczas chłodzenia,
• utlenianie i odwęglenie powierzchni przy niewłaściwej atmosferze pieca.

Dlatego temperatura austenityzacji powinna być dobierana do konkretnego gatunku stali i wymaganych właściwości, a nie maksymalizowana.

Chłodzenie podczas hartowania

Po zakończeniu austenityzacji materiał należy schłodzić w sposób pozwalający uzyskać wymaganą mikrostrukturę. Kluczowe znaczenie ma szybkość chłodzenia.
Jeżeli chłodzenie jest zbyt wolne, austenit może ulegać przemianom dyfuzyjnym prowadzącym do powstawania ferrytu, perlitu lub innych składników struktury zamiast wymaganej ilości martenzytu.
Z drugiej strony zbyt intensywne chłodzenie zwiększa gradient temperatury pomiędzy powierzchnią a rdzeniem elementu, co może prowadzić do powstawania dużych naprężeń, odkształceń, a w skrajnych przypadkach pęknięć hartowniczych.

Ośrodki chłodzące stosowane podczas hartowania

Dobór medium hartowniczego zależy od hartowności stali, wymiarów elementu, jego geometrii oraz wymaganej szybkości chłodzenia.

Hartowność a twardość – to nie jest to samo

Twardość i hartowność są różnymi właściwościami.
Twardość określa odporność materiału na miejscowe odkształcenie plastyczne, natomiast hartowność opisuje zdolność stali do uzyskania struktury hartowniczej na określoną głębokość przekroju podczas chłodzenia.
Stal może więc osiągać bardzo dużą twardość powierzchni po hartowaniu, a jednocześnie mieć stosunkowo niewielką hartowność. W dużym elemencie jego powierzchnia może wtedy zostać zahartowana, podczas gdy rdzeń będzie miał inną mikrostrukturę.

Co wpływa na hartowność stali?

Na hartowność wpływają przede wszystkim:

• zawartość węgla,
• rodzaj i zawartość pierwiastków stopowych,
• wielkość ziarna austenitu,
• temperatura i czas austenityzacji,
• stan mikrostruktury przed hartowaniem.

Pierwiastki stopowe takie jak chrom, molibden, mangan czy nikiel mogą w odpowiednich stalach przesuwać kinetykę przemian austenitu i zwiększać hartowność.

Przemiana martenzytyczna

Podczas odpowiednio szybkiego chłodzenia przechłodzony austenit może przekształcić się w martenzyt. W przeciwieństwie do przemian prowadzących do powstawania perlitu przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny.
Atomy nie przemieszczają się na duże odległości poprzez dyfuzję. Następuje skoordynowana zmiana ułożenia sieci krystalicznej, a węgiel pozostaje w przesyconym roztworze.
Powstała struktura charakteryzuje się wysoką twardością, której poziom zależy przede wszystkim od zawartości węgla oraz składu i stanu konkretnej stali.

Temperatury Ms i Mf

Przemiana austenitu w martenzyt nie rozpoczyna się natychmiast po rozpoczęciu chłodzenia.

• Ms (Martensite start) – temperatura początku przemiany martenzytycznej.
• Mf (Martensite finish) – temperatura, przy której przemiana martenzytyczna jest zasadniczo zakończona.

Położenie temperatur Ms i Mf zależy od składu chemicznego austenitu. W niektórych stalach temperatura Mf może znajdować się poniżej temperatury pokojowej, dlatego po hartowaniu w mikrostrukturze może pozostać austenit szczątkowy.

Austenit szczątkowy po hartowaniu

Austenit szczątkowy jest częścią austenitu, która nie przekształciła się w martenzyt podczas chłodzenia. Jego ilość zależy między innymi od zawartości węgla i pierwiastków stopowych w austenicie oraz zastosowanej temperatury austenityzacji.
Obecność austenitu szczątkowego może wpływać na twardość, stabilność wymiarową, odporność na zużycie i zachowanie materiału podczas późniejszego odpuszczania.
W niektórych stalach narzędziowych wykorzystuje się dodatkowe operacje technologiczne oraz wielokrotne odpuszczanie w celu uzyskania wymaganej stabilności mikrostruktury.

Naprężenia i pęknięcia hartownicze

Hartowanie jest procesem związanym z powstawaniem znacznych naprężeń. Wynikają one zarówno z nierównomiernego chłodzenia poszczególnych części przekroju, jak i ze zmian objętości towarzyszących przemianom fazowym.

Ryzyko odkształceń i pęknięć zwiększają między innymi:

• duże różnice grubości przekroju,
• ostre naroża i karby,
• zbyt agresywne medium chłodzące,
• nierównomierne nagrzewanie,
• nieprawidłowa temperatura austenityzacji,
• niekorzystne naprężenia pozostałe po wcześniejszej obróbce.

W przypadku elementów o skomplikowanej geometrii technologia hartowania musi więc uwzględniać nie tylko wymaganą twardość, ale również bezpieczeństwo procesu i stabilność wymiarową.

Dlaczego stal po hartowaniu jest odpuszczana?

Stan bezpośrednio po hartowaniu bardzo często nie jest optymalnym stanem użytkowym. Wysoka twardość martenzytu może być związana z małą plastycznością, ograniczoną udarnością oraz znacznymi naprężeniami wewnętrznymi.

Dlatego po hartowaniu stosuje się odpuszczanie. Polega ono na ponownym nagrzaniu zahartowanej stali do temperatury niższej od temperatury Ac1, wygrzaniu i odpowiednim chłodzeniu.

Podczas odpuszczania zachodzą zmiany w przesyconym martenzycie oraz procesy wydzieleniowe. Ich charakter zależy od temperatury, czasu i składu stali.

Odpuszczanie niskie, średnie i wysokie

W praktyce stosuje się różne zakresy temperatur odpuszczania. Ich dokładne granice nie są jednak absolutne i należy je odnosić do konkretnego gatunku stali.

Co to jest ulepszanie cieplne?

Ulepszanie cieplne stali jest obróbką składającą się z hartowania oraz następującego po nim wysokiego odpuszczania.
Jego celem nie jest uzyskanie maksymalnej możliwej twardości. Najważniejsze jest otrzymanie korzystnego zespołu właściwości mechanicznych, szczególnie wysokiej wytrzymałości połączonej z odpowiednią plastycznością, ciągliwością i odpornością na obciążenia dynamiczne.
Ulepszanie cieplne stosuje się dlatego między innymi do elementów konstrukcyjnych pracujących pod dużymi i zmiennymi obciążeniami.

Hartowanie a ulepszanie cieplne – podstawowa różnica

Hartowanie jest pojedynczym etapem obróbki cieplnej prowadzącym do uzyskania struktury hartowniczej. Ulepszanie cieplne nie jest innym sposobem hartowania – jest sekwencją dwóch procesów:

HARTOWANIE → WYSOKIE ODPUSZCZANIE → ULEPSZENIE CIEPLNE

Mikrostruktura po ulepszaniu cieplnym

W uproszczonych opisach strukturę po ulepszaniu cieplnym określa się często jako martenzyt odpuszczony. W rzeczywistej mikrostrukturze zachodzą jednak złożone procesy rozpadu przesyconego martenzytu i wydzielania węglików, a jej charakter zależy od składu stali oraz temperatury i czasu odpuszczania.
Dlatego nie należy przyjmować, że każda stal po ulepszaniu cieplnym ma identyczną strukturę lub określoną z góry twardość.

Stale do ulepszania cieplnego

Do ulepszania cieplnego przeznaczone są między innymi odpowiednie stale węglowe i stopowe, dla których skład chemiczny oraz hartowność umożliwiają uzyskanie wymaganych właściwości w przekroju elementu.

Do często spotykanych grup należą stale:

• węglowe do ulepszania cieplnego,
• chromowe,
• chromowo-molibdenowe,
• niklowo-chromowe,
• niklowo-chromowo-molibdenowe.

Przykładem szeroko stosowanego gatunku jest 42CrMo4 (1.7225), należący do stopowych stali do ulepszania cieplnego. Dobór parametrów hartowania i odpuszczania powinien jednak uwzględniać wymagania normy, stan dostawy, wielkość przekroju i wymagane właściwości mechaniczne.

Hartowanie stali węglowych

W stalach węglowych zdolność do uzyskania wysokiej twardości zależy w dużej mierze od zawartości węgla. Jednocześnie brak odpowiedniej ilości pierwiastków zwiększających hartowność oznacza, że uzyskanie struktury martenzytycznej w dużym przekroju może wymagać intensywnego chłodzenia.
Dobrym przykładem stali wysokowęglowej jest C75S (1.1248), klasyfikowana jako stal węglowa do zastosowań sprężynowych. Gatunek C75S jest ujęty m.in. w EN 10132. Nie oznacza to jednak, że dla każdego elementu z C75S można przypisać jedną twardość końcową – zależy ona od stanu materiału, grubości, parametrów hartowania i odpuszczania oraz wymagań produktu.

Hartowanie stali nierdzewnych martenzytycznych

Niektóre stale nierdzewne mają strukturę umożliwiającą hartowanie martenzytyczne. Należą do nich między innymi gatunki 1.4034, 1.4057 i 1.4122.
Stale te łączą możliwość zwiększania twardości poprzez hartowanie z odpornością korozyjną wynikającą z odpowiednio dużej zawartości chromu. Parametry hartowania i odpuszczania różnią się jednak pomiędzy poszczególnymi gatunkami.
Przykładowo 1.4057 jest klasyfikowana jako stal nierdzewna martenzytyczna odpowiadająca w przybliżeniu AISI 431, natomiast 1.4034 należy do grupy stali typu 420. Nie należy przenosić parametrów obróbki cieplnej jednego gatunku bezpośrednio na drugi.

1.4310 – ważny wyjątek: nie jest klasycznie hartowana cieplnie

1.4310 (X10CrNi18-8, AISI 301) jest stalą nierdzewną austenityczną. Nie należy więc umieszczać jej w tabeli razem ze stalami martenzytycznymi jako przykładu klasycznego hartowania i ulepszania cieplnego.
Wysoką wytrzymałość i właściwości sprężyste 1.4310 uzyskuje przede wszystkim poprzez umocnienie odkształceniowe podczas obróbki plastycznej na zimno. Nagrzewanie do wysokiej temperatury i późniejsze chłodzenie stosowane w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych jest związane z wyżarzaniem i obróbką prowadzącą do zmiękczenia materiału po zgniocie, a nie z klasycznym hartowaniem martenzytycznym.
Jest to fundamentalna różnica pomiędzy stalami nierdzewnymi austenitycznymi a hartowalnymi stalami nierdzewnymi martenzytycznymi.

Hartowanie powierzchniowe

Nie zawsze konieczne jest hartowanie całego przekroju elementu. W wielu zastosowaniach wymagana jest bardzo twarda i odporna na zużycie powierzchnia przy zachowaniu bardziej ciągliwego rdzenia.
W takich przypadkach wykorzystuje się metody hartowania powierzchniowego, między innymi:

• hartowanie indukcyjne – powierzchnia jest szybko nagrzewana za pomocą pola elektromagnetycznego,
• hartowanie płomieniowe – powierzchnia jest nagrzewana płomieniem, a następnie szybko chłodzona.

W obu przypadkach skład chemiczny materiału pozostaje zasadniczo niezmieniony. Jest to istotna różnica względem procesów cieplno-chemicznych takich jak nawęglanie czy azotowanie.

Hartowanie objętościowe a powierzchniowe

Wykresy CTP – dlaczego są ważne podczas projektowania hartowania?

Do analizy przemian austenitu wykorzystuje się wykresy przemian fazowych, między innymi wykresy CTPc opisujące przemiany podczas ciągłego chłodzenia. Pokazują one zależność pomiędzy temperaturą, czasem i rodzajem powstającej mikrostruktury.
Dzięki takim wykresom można określić, jak szybko materiał powinien być chłodzony, aby ograniczyć powstawanie struktur perlitycznych lub bainitycznych i uzyskać wymagany udział martenzytu.
Wykres CTP jest charakterystyczny dla określonego składu i warunków austenityzacji, dlatego nie istnieje jeden uniwersalny wykres właściwy dla wszystkich stali.

Najczęstsze błędy podczas hartowania

• Zbyt wysoka temperatura austenityzacji – możliwość rozrostu ziarna i pogorszenia ciągliwości.
• Zbyt niska temperatura – niepełna austenityzacja lub niewłaściwy stan węglików.
• Zbyt długi czas wygrzewania – możliwość rozrostu ziarna, utleniania i odwęglenia.
• Zbyt wolne chłodzenie – możliwość uzyskania niewystarczającej ilości martenzytu.
• Zbyt gwałtowne chłodzenie – zwiększone ryzyko odkształceń i pęknięć.
• Nieodpowiednie medium – niewłaściwa szybkość chłodzenia dla danego gatunku i przekroju.
• Brak właściwego odpuszczania – pozostawienie materiału w niekorzystnym stanie naprężeń i kruchości.

Co wpływa na efekt hartowania?

Zastosowanie hartowania

Hartowanie stosuje się w produkcji elementów, dla których wymagana jest wysoka twardość, odporność na zużycie lub określona wytrzymałość po późniejszym odpuszczaniu. Do typowych zastosowań należą między innymi:

• narzędzia skrawające i formujące,
• matryce i stemple,
• noże przemysłowe,
• koła zębate,
• wały i osie,
• elementy łożysk,
• sprężyny,
• części maszyn narażone na zużycie i duże obciążenia.

Zastosowanie ulepszania cieplnego

Ulepszanie cieplne jest szczególnie istotne dla części maszyn, w których sama maksymalna twardość nie jest najważniejszym parametrem. Element powinien jednocześnie przenosić duże obciążenia i zachowywać odpowiednią odporność na pękanie oraz obciążenia zmienne.

Typowe zastosowania obejmują:

• wały i osie,
• śruby o wysokiej wytrzymałości,
• korbowody,
• elementy przekładni,
• koła zębate,
• elementy maszyn i urządzeń pracujące pod dużymi obciążeniami,
• wybrane elementy przemysłu motoryzacyjnego i maszynowego.

Zalety hartowania

• możliwość uzyskania wysokiej twardości,
• zwiększenie odporności na zużycie w odpowiednich stalach,
• możliwość kształtowania właściwości poprzez późniejsze odpuszczanie,
• możliwość hartowania całego przekroju lub tylko powierzchni,
• szerokie zastosowanie w stalach konstrukcyjnych, narzędziowych i martenzytycznych nierdzewnych.

Ograniczenia hartowania

• ryzyko deformacji elementu,
• ryzyko pęknięć hartowniczych,
• powstawanie naprężeń własnych,
• ograniczona plastyczność stanu bezpośrednio po hartowaniu,
• konieczność odpowiedniego doboru medium chłodzącego,
• częsta konieczność wykonania późniejszego odpuszczania,
• silna zależność wyniku od składu chemicznego i wielkości przekroju.

Hartowanie i ulepszanie cieplne – najważniejsze informacje

Hartowanie stali jest procesem wykorzystującym austenityzację i odpowiednio szybkie chłodzenie do uzyskania struktury o wysokiej twardości, najczęściej zawierającej martenzyt. Wynik procesu zależy od składu chemicznego, hartowności, temperatury i czasu austenityzacji, wymiarów elementu oraz warunków chłodzenia.

Ulepszanie cieplne obejmuje hartowanie oraz następujące po nim wysokie odpuszczanie. Jego celem nie jest maksymalizacja twardości, lecz uzyskanie korzystnego zespołu właściwości: wysokiej wytrzymałości przy odpowiedniej plastyczności, ciągliwości i odporności na obciążenia dynamiczne.

Dobór parametrów obu procesów powinien być wykonywany dla konkretnego gatunku stali. Uniwersalne zakresy temperatur, twardości i czasów nie powinny być przenoszone pomiędzy różnymi materiałami bez uwzględnienia ich składu, mikrostruktury, hartowności oraz wymagań dotyczących gotowego elementu.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.