Hartowanie indukcyjne stali – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i hartowanie warstwy wierzchniej

Hartowanie indukcyjne jest metodą powierzchniowej obróbki cieplnej stali, w której warstwa wierzchnia elementu jest bardzo szybko nagrzewana za pomocą indukcji elektromagnetycznej do temperatury umożliwiającej austenityzację, a następnie intensywnie chłodzona. W zahartowanej warstwie powstaje struktura o dużej twardości, najczęściej zawierająca martenzyt, podczas gdy rdzeń elementu może zachować wcześniejszą mikrostrukturę i właściwości mechaniczne.
Podstawową zaletą procesu jest możliwość uzyskania twardej i odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu bardziej ciągliwego rdzenia. Z tego względu hartowanie indukcyjne stosuje się między innymi do wałów, osi, czopów, kół zębatych, bieżni, sworzni, rolek, elementów przekładni i innych części maszyn narażonych na zużycie powierzchniowe oraz obciążenia zmienne.
W przeciwieństwie do nawęglania i azotowania, hartowanie indukcyjne nie polega na wzbogacaniu warstwy powierzchniowej w węgiel lub azot. Jest procesem cieplnym wykorzystującym skład chemiczny już obecny w materiale.

Na czym polega hartowanie indukcyjne?

Podczas hartowania indukcyjnego element stalowy znajduje się w zmiennym polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez wzbudnik, nazywany również induktorem lub cewką indukcyjną. Przepływ prądu przemiennego przez wzbudnik powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego, które indukuje prądy wirowe w nagrzewanym elemencie.
Przepływ prądów wirowych przez materiał powoduje wydzielanie ciepła wskutek jego oporu elektrycznego. Energia cieplna powstaje więc bezpośrednio w nagrzewanym materiale, a nie jest przekazywana z zewnętrznego źródła ciepła przez powierzchnię elementu.
Dzięki odpowiedniemu doborowi częstotliwości, mocy, czasu nagrzewania oraz geometrii wzbudnika możliwe jest skoncentrowanie procesu przede wszystkim w warstwie powierzchniowej.
Po osiągnięciu wymaganej temperatury warstwa wierzchnia zostaje szybko schłodzona, najczęściej za pomocą odpowiednio dobranego natrysku lub innego systemu chłodzącego. Jeżeli stal ma odpowiednią zawartość węgla i hartowność, a szybkość chłodzenia jest wystarczająca, austenit powstały w nagrzanej warstwie przekształca się przede wszystkim w martenzyt.

Hartowanie indukcyjne krok po kroku

Typowy proces można przedstawić jako następującą sekwencję:

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE → PRĄDY WIROWE → SZYBKIE NAGRZEWANIE POWIERZCHNI → AUSTENITYZACJA → SZYBKIE CHŁODZENIE → WARSTWA ZAHARTOWANA

1. Umieszczenie elementu względem wzbudnika – geometria i położenie cewki są dobierane do kształtu hartowanej powierzchni.
2. Wzbudzenie pola elektromagnetycznego – przez wzbudnik przepływa prąd przemienny o określonej częstotliwości i mocy.
3. Powstanie prądów wirowych – energia elektromagnetyczna jest przekształcana w ciepło w materiale.
4. Szybkie nagrzewanie warstwy wierzchniej – temperatura powierzchni wzrasta do zakresu austenityzacji.
5. Austenityzacja warstwy – w nagrzanym obszarze powstaje austenit.
6. Intensywne chłodzenie – warstwa jest chłodzona z szybkością wystarczającą do uzyskania wymaganej struktury hartowniczej.
7. Powstanie warstwy zahartowanej – powierzchnia uzyskuje dużą twardość, podczas gdy rdzeń może zachować wcześniejsze właściwości.

Indukcja elektromagnetyczna – podstawa procesu

Hartowanie indukcyjne wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zmienny prąd przepływający przez wzbudnik wytwarza zmienne pole magnetyczne. Jeżeli w tym polu znajduje się przewodzący materiał, powstają w nim prądy indukowane.

W przypadku stali przepływ tych prądów prowadzi do szybkiego wydzielania energii cieplnej. Dodatkowe znaczenie podczas nagrzewania materiałów ferromagnetycznych mogą mieć zjawiska magnetyczne występujące przed osiągnięciem temperatury Curie.
W praktyce oznacza to możliwość dostarczenia dużej ilości energii do wybranego obszaru elementu w bardzo krótkim czasie. Dzięki temu cały detal nie musi być nagrzewany tak jak podczas klasycznego hartowania piecowego.

Prądy wirowe podczas nagrzewania indukcyjnego

Prądy wirowe są prądami elektrycznymi indukowanymi wewnątrz przewodzącego materiału przez zmienne pole elektromagnetyczne. Ich przepływ powoduje nagrzewanie materiału.
Rozkład prądów wirowych nie jest jednak równomierny w całym przekroju. Ich gęstość jest zwykle największa w pobliżu powierzchni i maleje wraz z głębokością. Zjawisko to ma podstawowe znaczenie dla możliwości wykorzystania indukcji do hartowania powierzchniowego.

Efekt naskórkowy – dlaczego nagrzewa się przede wszystkim powierzchnia?

Efekt naskórkowy powoduje koncentrację prądu przemiennego w pobliżu powierzchni przewodnika. Im dalej od powierzchni, tym mniejsza jest gęstość prądu indukowanego.
Charakterystyczną wielkością opisującą to zjawisko jest głębokość wnikania prądu. Zależy ona między innymi od:

• częstotliwości prądu,
• rezystywności elektrycznej materiału,
• przenikalności magnetycznej,
• temperatury materiału.

Wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejsza się charakterystyczna głębokość penetracji prądu. Nie oznacza to jednak, że częstotliwość sama określa głębokość zahartowania. Na rzeczywistą głębokość warstwy wpływają również moc, czas nagrzewania, przewodzenie ciepła w materiale, geometria elementu, konstrukcja wzbudnika, odległość wzbudnika od powierzchni i właściwości konkretnej stali.

Częstotliwość a głębokość nagrzewania

Dobór częstotliwości jest jednym z najważniejszych elementów projektowania procesu hartowania indukcyjnego. Ogólnie można przyjąć zasadę:

WYŻSZA CZĘSTOTLIWOŚĆ → BARDZIEJ POWIERZCHNIOWA KONCENTRACJA NAGRZEWANIA

NIŻSZA CZĘSTOTLIWOŚĆ → WIĘKSZA MOŻLIWOŚĆ NAGRZEWANIA GŁĘBSZEJ WARSTWY

Jest to jednak zależność jakościowa. Nie powinno się przypisywać jednej częstotliwości jednej uniwersalnej głębokości hartowania, ponieważ rzeczywisty profil temperatury jest wynikiem współdziałania parametrów elektrycznych i cieplnych.

Efekt zbliżeniowy i geometria wzbudnika

Na rozkład nagrzewania wpływa nie tylko efekt naskórkowy, ale również efekt zbliżeniowy. Rozkład pola elektromagnetycznego zależy od wzajemnego położenia wzbudnika i elementu oraz od geometrii samej części.
Dlatego konstrukcja wzbudnika jest jednym z kluczowych elementów technologii. Wzbudnik powinien umożliwiać uzyskanie odpowiedniego rozkładu temperatury w obszarze przeznaczonym do zahartowania.
W praktyce stosuje się między innymi wzbudniki:

• pierścieniowe,
• konturowe,
• jednozwojowe i wielobojowe,
• wewnętrzne do powierzchni otworów,
• profilowane do zębów i innych złożonych powierzchni,
• przeznaczone do hartowania metodą skanowania.

Odległość wzbudnika od powierzchni

Odległość pomiędzy wzbudnikiem a hartowaną powierzchnią wpływa na sprzężenie elektromagnetyczne i rozkład energii dostarczanej do elementu.

Niewłaściwe ustawienie może prowadzić do:

• nierównomiernego nagrzewania,
• lokalnego przegrzania,
• niedogrzania części powierzchni,
• różnic w głębokości warstwy zahartowanej,
• powstawania niepożądanych stref przejściowych.

W przypadku elementów o złożonej geometrii projekt wzbudnika i sposób prowadzenia procesu mają często równie duże znaczenie jak sama moc urządzenia.

Austenityzacja podczas hartowania indukcyjnego

Warunkiem klasycznego hartowania indukcyjnego jest nagrzanie warstwy przeznaczonej do zahartowania do temperatury umożliwiającej powstanie odpowiedniej ilości austenitu.
Proces różni się jednak od austenityzacji prowadzonej w piecu. Szybkość nagrzewania indukcyjnego może być bardzo duża, a czas przebywania materiału w wysokiej temperaturze – bardzo krótki.
Ma to wpływ na:

• kinetykę powstawania austenitu,
• rozpuszczanie cementytu i innych węglików,
• jednorodność austenitu,
• wielkość ziarna,
• ilość węgla i pierwiastków stopowych znajdujących się w austenicie.

Dlatego parametrów austenityzacji stosowanych podczas klasycznego nagrzewania piecowego nie należy bezpośrednio przenosić na bardzo szybkie nagrzewanie indukcyjne.

Temperatura hartowania indukcyjnego

Nie istnieje jedna temperatura właściwa dla wszystkich procesów hartowania indukcyjnego. Wymagana temperatura zależy od gatunku stali, mikrostruktury wyjściowej, szybkości nagrzewania i wymaganych właściwości warstwy.
Dla stali podeutektoidalnych punktem odniesienia jest między innymi temperatura Ac3, związana z zakończeniem przemiany w austenit podczas nagrzewania. Przy bardzo szybkim nagrzewaniu rzeczywisty przebieg przemian może różnić się od warunków równowagowych i wolniejszego nagrzewania piecowego.
Zbyt niska temperatura może prowadzić do niepełnej austenityzacji i niewystarczającej twardości po chłodzeniu. Zbyt wysoka temperatura może natomiast zwiększać ryzyko przegrzania, niekorzystnych zmian mikrostruktury i pogorszenia właściwości.

Chłodzenie po nagrzewaniu indukcyjnym

Po osiągnięciu wymaganej temperatury powierzchnia musi zostać odpowiednio szybko schłodzona. W wielu urządzeniach wzbudnik współpracuje z układem natryskowym, dzięki czemu chłodzenie może rozpocząć się bezpośrednio po nagrzaniu określonego obszaru.
Stosowane media i systemy chłodzenia zależą od technologii. Mogą obejmować między innymi wodę oraz odpowiednio dobrane wodne roztwory polimerowe.
Intensywność chłodzenia musi być wystarczająca do uzyskania wymaganej mikrostruktury, ale jednocześnie powinna ograniczać ryzyko:

• pęknięć hartowniczych,
• nadmiernych naprężeń,
• deformacji,
• nierównomiernej twardości,
• niekontrolowanych zmian w strefie przejściowej.

Mikrostruktura warstwy po hartowaniu indukcyjnym

Jeżeli warstwa została prawidłowo austenityzowana i odpowiednio szybko schłodzona, jej mikrostruktura zawiera przede wszystkim martenzyt. W zależności od gatunku stali i parametrów procesu mogą występować również inne składniki mikrostruktury oraz austenit szczątkowy.
Pod warstwą zahartowaną znajduje się strefa przejściowa, w której maksymalna temperatura osiągnięta podczas nagrzewania była niższa. Jeszcze głębiej znajduje się rdzeń, który w prawidłowo zaprojektowanym procesie może zachować w znacznym stopniu mikrostrukturę wynikającą z wcześniejszej obróbki materiału.
Przekrój elementu można więc schematycznie przedstawić jako:

WARSTWA ZAHARTOWANA → STREFA PRZEJŚCIOWA → RDZEŃ

Warstwa zahartowana – czym różni się od rdzenia?

Głębokość hartowania indukcyjnego

Jednym z najważniejszych parametrów technologicznych jest głębokość warstwy o wymaganych właściwościach. Nie należy jej jednak utożsamiać wyłącznie z elektromagnetyczną głębokością wnikania prądu.
Rzeczywista głębokość zahartowania jest wynikiem całego przebiegu cieplnego procesu. Wpływają na nią między innymi:

• częstotliwość,
• moc generatora,
• czas nagrzewania,
• szybkość przemieszczania wzbudnika lub elementu,
• geometria wzbudnika,
• odległość wzbudnika od powierzchni,
• średnica i geometria elementu,
• przewodnictwo cieplne materiału,
• skład chemiczny i hartowność stali,
• mikrostruktura przed hartowaniem,
• sposób i intensywność chłodzenia.

Efektywna głębokość warstwy zahartowanej

W praktyce przemysłowej ocena warstwy zahartowanej nie powinna opierać się wyłącznie na wizualnym obrazie mikrostruktury. W zależności od wymagania technicznego stosuje się kryteria związane z profilem twardości mierzonym od powierzchni w kierunku rdzenia.
Dlatego przy określaniu wymaganej warstwy należy jednoznacznie zdefiniować, czy chodzi o głębokość przemiany mikrostrukturalnej, głębokość warstwy o określonej minimalnej twardości czy inną wielkość wynikającą z dokumentacji technicznej i odpowiedniej normy.

Jakie stale nadają się do hartowania indukcyjnego?

Hartowanie indukcyjne nie zwiększa zawartości węgla w powierzchni. Materiał musi więc już przed procesem posiadać skład chemiczny umożliwiający uzyskanie wymaganej twardości po hartowaniu.
Szczególnie ważna jest zawartość węgla, ponieważ wpływa ona na możliwą do uzyskania twardość martenzytu.
Do hartowania indukcyjnego stosuje się między innymi odpowiednio dobrane:

• stale średniowęglowe,
• stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego,
• stale stopowe o odpowiedniej hartowności,
• wybrane stale narzędziowe i specjalne.

Przydatność konkretnego gatunku zależy również od wymaganej głębokości warstwy, wymiarów elementu i oczekiwanej twardości.

Znaczenie węgla podczas hartowania indukcyjnego

Węgiel ma kluczowe znaczenie dla twardości martenzytu. Jeżeli jego zawartość jest zbyt mała, samo bardzo szybkie nagrzanie i chłodzenie nie zapewni wysokiej twardości powierzchni.
Jest to jedna z podstawowych różnic pomiędzy hartowaniem indukcyjnym a nawęglaniem. Podczas nawęglania zawartość węgla w warstwie powierzchniowej jest celowo zwiększana, natomiast hartowanie indukcyjne wykorzystuje skład materiału już istniejący przed rozpoczęciem procesu.

Wpływ pierwiastków stopowych

Pierwiastki stopowe wpływają przede wszystkim na hartowność, kinetykę przemian austenitu, zachowanie węglików oraz właściwości końcowe materiału.
Istotną rolę mogą odgrywać między innymi chrom, mangan, molibden i nikiel.
Większa hartowność może umożliwiać uzyskanie wymaganej struktury przy mniej intensywnym chłodzeniu lub na większej głębokości, ale efekt zawsze należy analizować dla konkretnego gatunku i geometrii elementu.

Hartowanie indukcyjne stali po ulepszaniu cieplnym

W wielu zastosowaniach hartowanie indukcyjne wykonuje się na elementach, których rdzeń został wcześniej poddany ulepszaniu cieplnemu.

Pozwala to połączyć:

• odpowiednią wytrzymałość i plastyczność rdzenia,
• wysoką twardość warstwy powierzchniowej,
• zwiększoną odporność powierzchni na zużycie,
• korzystne właściwości elementu przy obciążeniach zmiennych.

Jest to szczególnie korzystne w przypadku wałów, osi, sworzni i innych części maszyn, w których rdzeń musi przenosić obciążenia mechaniczne, a powierzchnia jest narażona na intensywne zużycie.

Hartowanie indukcyjne metodą stacjonarną

W metodzie stacjonarnej określony obszar elementu znajduje się w polu wzbudnika przez cały czas nagrzewania. Po osiągnięciu wymaganej temperatury następuje chłodzenie.
Rozwiązanie może być stosowane do elementów i powierzchni, których geometria pozwala na jednoczesne nagrzanie całej wymaganej strefy.
W przypadku elementów obrotowych możliwy jest obrót części podczas nagrzewania w celu poprawy równomierności rozkładu temperatury.

Hartowanie indukcyjne metodą skanowania

Przy hartowaniu skanującym wzbudnik i układ chłodzący przemieszczają się względem elementu albo element przemieszcza się względem stacjonarnego układu.
Kolejne fragmenty powierzchni są nagrzewane i chłodzone w sposób ciągły. Metoda jest szczególnie użyteczna w przypadku długich powierzchni, takich jak czopy i powierzchnie wałów.
Na wynik procesu wpływa wtedy również prędkość skanowania. Jej zmiana wpływa na czas oddziaływania pola na określony fragment powierzchni i tym samym na profil temperatury oraz głębokość warstwy.

Hartowanie indukcyjne kół zębatych

Koła zębate należą do ważnych zastosowań hartowania indukcyjnego. Powierzchnie zębów są narażone na naciski kontaktowe, tarcie i obciążenia zmienne, dlatego wymagają wysokiej twardości i odporności na zużycie.
Hartowanie może obejmować większą część obwodu lub być prowadzone w sposób dopasowany do profilu zęba. Konstrukcja wzbudnika i parametry procesu muszą uwzględniać koncentrację pola przy krawędziach oraz złożoną geometrię powierzchni.
Niewłaściwy rozkład temperatury może prowadzić do różnic w głębokości warstwy pomiędzy wierzchołkiem, bokiem i podstawą zęba.

Hartowanie indukcyjne wałów i osi

Wały, osie i czopy są szczególnie odpowiednimi elementami do hartowania indukcyjnego. Proces pozwala utwardzić powierzchnie robocze bez konieczności nagrzewania całej objętości elementu do temperatury austenityzacji.
W zależności od długości i średnicy elementu można zastosować hartowanie stacjonarne lub skanujące.
Połączenie ulepszonego cieplnie rdzenia z zahartowaną indukcyjnie powierzchnią pozwala uzyskać korzystny układ właściwości dla części przenoszących moment obrotowy, obciążenia zginające i naciski powierzchniowe.

Twardość po hartowaniu indukcyjnym

Nie istnieje jedna wartość twardości charakterystyczna dla hartowania indukcyjnego. Możliwa do uzyskania twardość zależy przede wszystkim od:

• zawartości węgla,
• składu stopowego,
• stanu mikrostruktury przed hartowaniem,
• temperatury i czasu nagrzewania,
• stopnia austenityzacji,
• szybkości chłodzenia,
• późniejszego odpuszczania.

Dlatego wymagania dotyczące twardości powinny być definiowane dla konkretnego materiału, elementu i warstwy, a nie dla samej metody hartowania.

Profil twardości od powierzchni do rdzenia

Charakterystyczną cechą prawidłowo zahartowanego indukcyjnie elementu jest zmiana twardości wraz z odległością od powierzchni. Warstwa zewnętrzna osiąga wysoką twardość wynikającą z przemiany martenzytycznej, następnie występuje strefa przejściowa, a głębiej twardość odpowiada stanowi rdzenia.
Pomiar profilu twardości pozwala ocenić nie tylko twardość powierzchniową, ale również rzeczywistą głębokość skutecznie zahartowanej warstwy.

Naprężenia własne po hartowaniu indukcyjnym

Podobnie jak inne procesy hartowania, hartowanie indukcyjne powoduje powstawanie naprężeń własnych wynikających z gradientów temperatury oraz zmian objętości towarzyszących przemianom fazowym.
Odpowiednio zaprojektowany rozkład naprężeń może być korzystny dla odporności zmęczeniowej powierzchni, jednak niewłaściwy proces może prowadzić do nadmiernych naprężeń, deformacji lub pęknięć.
Na stan naprężeń wpływają między innymi:

• głębokość warstwy,
• szybkość nagrzewania,
• intensywność chłodzenia,
• geometria elementu,
• mikrostruktura rdzenia,
• przejście pomiędzy obszarem zahartowanym i niehartowanym.

Odpuszczanie po hartowaniu indukcyjnym

Po hartowaniu indukcyjnym może być stosowane odpuszczanie w celu zmniejszenia naprężeń i dostosowania twardości oraz odporności na pękanie do wymagań eksploatacyjnych.
Parametry odpuszczania muszą być dobrane do gatunku materiału, wymaganej twardości warstwy i zastosowania elementu. Zbyt intensywne odpuszczanie może nadmiernie zmniejszyć twardość uzyskaną podczas hartowania.

Hartowanie indukcyjne a hartowanie objętościowe

Hartowanie indukcyjne a hartowanie płomieniowe

Hartowanie płomieniowe również umożliwia miejscowe nagrzanie warstwy powierzchniowej i jej późniejsze zahartowanie. Różnica dotyczy przede wszystkim sposobu dostarczania energii.

Hartowanie indukcyjne a nawęglanie

Hartowanie indukcyjne i nawęglanie mogą prowadzić do uzyskania twardej powierzchni i bardziej ciągliwego rdzenia, ale mechanizm jest zupełnie inny.
Podczas nawęglania następuje dyfuzyjne wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel, a następnie odpowiednia obróbka cieplna. Hartowanie indukcyjne nie zwiększa zawartości węgla – jedynie nagrzewa i hartuje istniejący materiał.
Z tego powodu nawęglanie jest szczególnie przydatne dla stali o stosunkowo małej zawartości węgla w rdzeniu, natomiast przy hartowaniu indukcyjnym materiał powierzchni musi już posiadać skład umożliwiający uzyskanie wymaganej twardości.

Hartowanie indukcyjne a azotowanie

Azotowanie jest procesem cieplno-chemicznym polegającym na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej azotem. Powstająca warstwa ma inny charakter niż warstwa martenzytyczna uzyskana w hartowaniu indukcyjnym.
Hartowanie indukcyjne wykorzystuje przemianę austenitu podczas szybkiego chłodzenia. Azotowanie opiera się natomiast na dyfuzji azotu i tworzeniu odpowiednich faz w warstwie powierzchniowej.

Porównanie hartowania indukcyjnego, płomieniowego, nawęglania i azotowania

Zalety hartowania indukcyjnego

• Bardzo szybkie nagrzewanie – energia jest dostarczana bezpośrednio do obrabianego materiału.
• Możliwość hartowania miejscowego – obrabiane są tylko powierzchnie wymagające zwiększonej twardości.
• Zachowanie właściwości rdzenia – cały element nie musi być austenityzowany.
• Wysoka powtarzalność – po ustaleniu parametrów proces dobrze nadaje się do produkcji seryjnej.
• Możliwość automatyzacji – łatwe sterowanie mocą, czasem, częstotliwością, ruchem elementu i chłodzeniem.
• Krótki cykl technologiczny – znacznie krótszy niż w wielu procesach piecowych.
• Ograniczone nagrzewanie całej objętości – może zmniejszać skalę zmian wymiarowych w porównaniu z pełnym nagrzewaniem elementu.
• Brak konieczności wzbogacania powierzchni w węgiel lub azot – proces nie wymaga dyfuzyjnej zmiany składu warstwy.
• Możliwość precyzyjnego kształtowania strefy nagrzewanej – dzięki odpowiedniej konstrukcji wzbudnika.

Ograniczenia hartowania indukcyjnego

• konieczność stosowania specjalistycznych generatorów i wzbudników,
• duża zależność wyniku od geometrii elementu,
• konieczność indywidualnego projektowania wzbudników dla wielu detali,
• możliwość przegrzewania naroży i krawędzi wskutek koncentracji pola,
• ograniczenia wynikające ze składu chemicznego materiału,
• ryzyko niejednorodnej głębokości warstwy przy nieprawidłowym ustawieniu procesu,
• możliwość powstawania pęknięć i odkształceń hartowniczych,
• konieczność kontroli temperatury, mocy, czasu, częstotliwości i chłodzenia.

Najczęstsze błędy podczas hartowania indukcyjnego

• Zbyt mała energia nagrzewania – warstwa nie osiąga wymaganej temperatury austenityzacji.
• Zbyt duża energia lub zbyt długi czas – możliwość przegrzania powierzchni i uzyskania zbyt głębokiej strefy nagrzanej.
• Nieprawidłowa częstotliwość – niewłaściwy rozkład energii w stosunku do wymaganej warstwy.
• Nieodpowiedni wzbudnik – nierównomierny rozkład temperatury.
• Niewłaściwa szczelina pomiędzy wzbudnikiem a elementem – zmiana sprzężenia i lokalnego nagrzewania.
• Zbyt mała intensywność chłodzenia – niewystarczający udział wymaganej struktury hartowniczej.
• Zbyt intensywne chłodzenie – zwiększone ryzyko pęknięć i deformacji.
• Nieuwzględnienie krawędzi i zmian przekroju – możliwość lokalnego przegrzewania.
• Niewłaściwa mikrostruktura wyjściowa – może prowadzić do nierównomiernej odpowiedzi materiału podczas bardzo szybkiej austenityzacji.

Kontrola jakości warstwy hartowanej indukcyjnie

Ocena jakości procesu powinna obejmować więcej niż pomiar pojedynczej wartości twardości powierzchniowej. W zależności od wymagań kontroluje się między innymi:

• twardość powierzchni,
• profil twardości w głąb materiału,
• efektywną głębokość warstwy zahartowanej,
• mikrostrukturę warstwy i strefy przejściowej,
• równomierność warstwy na obwodzie lub długości elementu,
• obecność pęknięć,
• odkształcenia po procesie,
• stan powierzchni,
• w uzasadnionych przypadkach rozkład naprężeń własnych.

Zastosowanie hartowania indukcyjnego

Hartowanie indukcyjne znajduje szerokie zastosowanie w produkcji seryjnej i jednostkowej części maszyn. Szczególnie dobrze sprawdza się tam, gdzie wymagane jest połączenie twardej powierzchni z wytrzymałym i bardziej ciągliwym rdzeniem.
Typowe zastosowania obejmują:

• wały i osie,
• czopy wałów,
• sworznie,
• koła zębate,
• wałki wielowypustowe,
• bieżnie i powierzchnie współpracujące,
• rolki,
• krzywki,
• wały korbowe i wybrane powierzchnie czopów,
• elementy przekładni,
• części maszyn narażone na tarcie i zużycie,
• elementy pracujące pod obciążeniami zmiennymi.

Hartowanie indukcyjne – najważniejsze parametry procesu

Hartowanie indukcyjne – najważniejsze informacje

Hartowanie indukcyjne umożliwia bardzo szybkie i lokalne nagrzanie warstwy wierzchniej stali za pomocą zmiennego pola elektromagnetycznego. Prądy wirowe indukowane w materiale powodują bezpośrednie wydzielanie ciepła, a efekt naskórkowy sprzyja koncentracji nagrzewania w pobliżu powierzchni.
Po osiągnięciu wymaganej temperatury austenityzacji powierzchnia jest szybko chłodzona, dzięki czemu w odpowiednio dobranej stali może powstać twarda warstwa martenzytyczna. Rdzeń elementu nie musi być przy tym nagrzewany do temperatury austenityzacji i może zachować właściwości uzyskane podczas wcześniejszej obróbki, na przykład ulepszania cieplnego.
Najważniejszą cechą procesu jest możliwość kontrolowania miejsca i intensywności nagrzewania. Rzeczywista głębokość warstwy zahartowanej nie zależy jednak wyłącznie od częstotliwości. Jest wynikiem współdziałania częstotliwości, mocy, czasu nagrzewania, konstrukcji wzbudnika, geometrii elementu, przewodzenia ciepła, składu stali i warunków chłodzenia.
Hartowanie indukcyjne jest szczególnie korzystne w przypadku części maszyn wymagających wysokiej twardości i odporności na zużycie powierzchni przy zachowaniu wytrzymałego i bardziej ciągliwego rdzenia. Dzięki dużej szybkości, powtarzalności i możliwości automatyzacji metoda jest szeroko stosowana w produkcji wałów, osi, kół zębatych, sworzni, rolek oraz innych elementów pracujących pod dużymi obciążeniami mechanicznymi.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Hartowanie indukcyjne jest tylko jedną z grup procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak nawęglanie, azotowanie i inne.

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.