Hartowanie i ulepszanie cieplne podobieństwa i różnice

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:

1. Hartowanie – identyczne jak opisane powyżej.
2. 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:
  1. Podgrzewanie: Stopniowe nagrzewanie do temperatury austenityzacji.
  2. Austenityzacja: Utrzymanie w temp. powyżej punktu Ac3 lub Ac1 (w zależności od rodzaju stali).
  3. 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:
  1. Hartowanie: Jak opisano powyżej.
  2. 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

Charakterystyki i dane dla poszczególnych gatunków

2H17N2 (X6CrNiMoN17-12-2, 1.4057)

• Typ: Stal nierdzewna martenzytyczna.
• Skład: max 0,06% C-węgiel, 17% Cr-chrom, 2% Mo-molibden, 2% Ni, N-azot 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-wegiel, 17% Cr-chrom, 2% Mo-molibden, 2% Ni-nikiel
• 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.

Konwerter twardości  – konwersja twardości Brinella, Rockwella, Vickersa, Mohsa 

Właściwości po hartowaniu i ulepszaniu:

Niektóre właściwości fizyczne i mechaniczne wybranych gatunków

Porównanie metod obróbki cieplnej stali – tabela