Czym jest hartowanie płomieniowe?
Hartowanie płomieniowe to jedna z metod powierzchniowej obróbki cieplnej, polegająca na szybkim nagrzaniu określonych obszarów powierzchni materiału do temperatury austenityzacji za pomocą palnika gazowego, a następnie ich gwałtownym schłodzeniu wodą lub emulsją wodno-olejową. Dzięki temu w warstwie wierzchniej zachodzi przemiana martenzytyczna, co znacząco zwiększa twardość i odporność na zużycie. Jednocześnie rdzeń materiału pozostaje niezmieniony, zachowując swoje pierwotne właściwości mechaniczne, takie jak ciągliwość i udarność.
Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku elementów narażonych na intensywne tarcie i zużycie, gdzie konieczne jest zwiększenie twardości powierzchni bez ryzyka nadmiernych naprężeń wewnętrznych i odkształceń całego detalu.
Hartowanie płomieniowe – proces
Hartowanie płomieniowe składa się z kilku kluczowych etapów:
Przygotowanie powierzchni
- Usunięcie rdzy, zgorzeliny, smarów oraz innych zanieczyszczeń, które mogłyby zakłócić równomierne nagrzewanie materiału.
- Często stosuje się piaskowanie lub szlifowanie powierzchni, aby uzyskać odpowiednią czystość.
Podgrzewanie powierzchniowe
- Wykorzystuje się palniki acetylenowo-tlenowe, propanowo-tlenowe lub inne mieszanki gazowe.
- Temperatura nagrzewania wynosi zazwyczaj od 850 do 1050°C, w zależności od gatunku stali.
- Ważne jest, aby temperatura była osiągana równomiernie na całej powierzchni hartowanej.
Natychmiastowe chłodzenie
- Po osiągnięciu temperatury austenityzacji następuje szybkie chłodzenie wodą, emulsją chłodzącą lub sprężonym powietrzem.
- Proces ten prowadzi do przemiany martenzytycznej w warstwie powierzchniowej, co znacznie zwiększa twardość materiału.
Odpuszczanie (opcjonalne)
- Po hartowaniu powierzchniowym często stosuje się niskotemperaturowe odpuszczanie (150–250°C) w celu redukcji naprężeń wewnętrznych i poprawy odporności na obciążenia dynamiczne.
Stale stosowane w hartowaniu płomieniowym
Nie każda stal nadaje się do hartowania płomieniowego. Aby proces był skuteczny, materiał powinien zawierać od 0,3 do 0,6% węgla. Zbyt niska zawartość węgla (<0,3%) nie pozwala na uzyskanie wystarczającej twardości, natomiast zbyt wysoka (>0,6%) może prowadzić do nadmiernej kruchości.
Przykładowe gatunki stali, które nadają się do hartowania płomieniowego:
Stale węglowe nadające się do hartowania płomieniowego
(Powinny zawierać od 0,3 do 0,6% węgla, aby osiągnąć odpowiednią twardość)
- 35 (C35, 1.0501) – średniowęglowa stal konstrukcyjna o umiarkowanej hartowności.
- 45 (C45, 1.0503) – popularna stal konstrukcyjna węglowa, dobrze reagująca na hartowanie płomieniowe, powszechnie stosowana w wałach, kołach zębatych i częściach maszyn.
- 55 (C55, 1.0535) – stal o wyższej zawartości węgla, dobra do narzędzi i elementów ściernych.
- 60 (C60, 1.0601) – twarda stal węglowa, stosowana w elementach wymagających dużej odporności na ścieranie.
Stale stopowe nadające się do hartowania płomieniowego
(Stale niskostopowe zawierające dodatki poprawiające hartowność)
- 30H (30Cr4, 1.7033) – stal chromowa o dobrej hartowności i wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej.
- 35H (35Cr4, 1.7034) – podobna do 30H, ale o wyższej wytrzymałości na ścieranie.
- 40H (41Cr4) – stal o podwyższonej hartowności, stosowana w elementach wymagających dużej wytrzymałości zmęczeniowej.
- 38HMJ (38CrMoAl8-5, 1.8509) – stal do azotowania z dodatkiem molibdenu i aluminium, stosowana w częściach wysoko obciążonych.
- 34CrMo4 (1.7220) – stal chromowo-molibdenowa o bardzo dobrej odporności na zmęczenie.
- 37HS – stal do ulepszania cieplnego o dobrej hartowności i wysokiej odporności na zużycie. Dzięki dodatkom chromu i molibdenu dobrze reaguje na hartowanie powierzchniowe, uzyskując wysoką twardość warstwy wierzchniej.
- 50CrMo4 (1.7228) – stal o wysokiej odporności na uderzenia i ścieranie, stosowana w wałach i narzędziach.
Stale manganowe nadające się do hartowania płomieniowego
(Stale zawierające mangan, poprawiający odporność na ścieranie)
- 20MnCr5 (1.7147) – stal do nawęglania, ale nadająca się również do hartowania płomieniowego w niektórych zastosowaniach.
- 30MnB5 (1.5530) – stal borowa o wysokiej odporności na ścieranie, stosowana w częściach rolniczych.
- 40Mn4 (1.7045) – stal manganowa, stosowana w elementach narażonych na intensywne tarcie.
Stale zawierające wanad i krzem do hartowania płomieniowego
(Stale specjalne o podwyższonej wytrzymałości)
- 50HF (51CrV4, 1.8159, 50CrV4) – stal sprężynowa o wysokiej wytrzymałości i odporności na ścieranie, często stosowana w narzędziach i sprężynach, które wymagają utwardzonej powierzchni.
- 60SiMn5 (1.5122) – stal o bardzo wysokiej wytrzymałości, stosowana w narzędziach.
- 65Si7 (1.5027) – stal sprężynowa stosowana w elementach mechanicznych wymagających wysokiej twardości powierzchniowej.
Właściwości uzyskane po hartowaniu płomieniowym
Hartowanie płomieniowe znacząco poprawia właściwości powierzchniowe materiału, zachowując jednocześnie korzystne parametry rdzenia.
- Zwiększona twardość warstwy wierzchniej – osiągana twardość może wynosić od 50 do 62 HRC, w zależności od gatunku stali i warunków procesu.
- Wysoka odporność na ścieranie – dzięki utwardzeniu warstwy powierzchniowej poprawia się odporność na zużycie.
- Zachowanie właściwości plastycznych rdzenia – rdzeń pozostaje ciągliwy i odporny na uderzenia, co minimalizuje ryzyko pękania.
- Lepsza trwałość zmęczeniowa – utwardzona powierzchnia zwiększa odporność materiału na cykliczne obciążenia i zmęczenie mechaniczne.
Hartowanie płomieniowe – zastosowanie
Hartowanie płomieniowe jest szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, gdzie kluczowe jest połączenie wysokiej odporności na zużycie i odpowiedniej plastyczności rdzenia.
Przemysł maszynowy
- Wały napędowe i korbowody.
- Koła zębate i krzywki.
- Prowadnice i elementy ślizgowe.
Przemysł motoryzacyjny
- Elementy zawieszenia i układu kierowniczego.
- Zębatki, przeguby i wały napędowe.
- Tuleje i sworznie w układach przeniesienia napędu.
Kolejnictwo
- Hartowanie szyn kolejowych i zwrotnic.
- Koła wagonowe i elementy wózków kolejowych.
Przemysł rolniczy
- Noże i elementy tnące.
- Części pługów i bron.
Inne zastosowania
- Narzędzia ręczne i matryce kuźnicze.
- Sprężyny i elementy konstrukcyjne narażone na intensywne tarcie.
Hartowanie płomieniowe to skuteczna metoda lokalnego utwardzania powierzchni stalowych, pozwalająca na uzyskanie wysokiej twardości warstwy wierzchniej przy zachowaniu ciągliwości i odporności na uderzenia rdzenia. Jest szeroko stosowane w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym i rolniczym, a także w produkcji narzędzi i komponentów kolejowych. Dzięki zastosowaniu odpowiednich gatunków stali, takich jak 37HS, 38HMJ (38CrMoAl8-5, 1.8509), 50HF czy 50HS, można uzyskać optymalne właściwości użytkowe w zależności od wymagań konkretnego zastosowania.