Hartowanie płomieniowe stali – proces, mikrostruktura, właściwości i zastosowanie

Hartowanie płomieniowe jest metodą powierzchniowej obróbki cieplnej, w której wybrana powierzchnia elementu stalowego jest szybko nagrzewana płomieniem do temperatury umożliwiającej austenityzację, a następnie intensywnie chłodzona. Jeżeli skład chemiczny i hartowność stali są odpowiednie, w nagrzanej warstwie powstaje po chłodzeniu twarda struktura hartownicza, najczęściej zawierająca martenzyt.
Proces umożliwia uzyskanie twardej i odpornej na zużycie warstwy wierzchniej przy zachowaniu właściwości rdzenia, który nie jest nagrzewany w całym przekroju do temperatury austenityzacji. Dzięki temu hartowanie płomieniowe znajduje zastosowanie między innymi w przypadku wałów, osi, kół zębatych, rolek, prowadnic, bieżni, dużych kół, elementów maszyn oraz innych części narażonych na zużycie powierzchniowe.
Pod względem celu technologicznego hartowanie płomieniowe jest zbliżone do hartowania indukcyjnego. Zasadnicza różnica polega na sposobie dostarczania energii: podczas hartowania płomieniowego powierzchnia jest ogrzewana za pomocą płomienia, natomiast podczas hartowania indukcyjnego energia jest wytwarzana w materiale wskutek oddziaływania zmiennego pola elektromagnetycznego.

Na czym polega hartowanie płomieniowe?

Hartowanie płomieniowe wykorzystuje intensywne źródło ciepła w postaci płomienia palnika. Energia cieplna przekazywana jest od powierzchni do materiału, a następnie rozchodzi się w głąb elementu na drodze przewodzenia ciepła.
Celem procesu nie jest nagrzanie całego przekroju części, lecz doprowadzenie określonej warstwy powierzchniowej do stanu umożliwiającego powstanie austenitu. Po osiągnięciu odpowiedniego stanu cieplnego następuje szybkie chłodzenie.
Proces można schematycznie przedstawić jako:

PŁOMIEŃ → SZYBKIE NAGRZEWANIE POWIERZCHNI → AUSTENITYZACJA WARSTWY → SZYBKIE CHŁODZENIE → MARTENZYTYCZNA WARSTWA ZAHARTOWANA

Rdzeń elementu może przy tym pozostać poniżej temperatury austenityzacji, dzięki czemu zachowuje w znacznym stopniu wcześniejszą mikrostrukturę i właściwości mechaniczne.

Etapy hartowania płomieniowego

Proces obejmuje kilka powiązanych etapów technologicznych:

1. Przygotowanie elementu – kontrola materiału, stanu powierzchni, geometrii i wcześniejszej obróbki cieplnej.
2. Ustawienie palnika – dobór rodzaju palnika, odległości, kąta oraz obszaru nagrzewania.
3. Nagrzewanie powierzchni – intensywne dostarczanie energii do wybranej części elementu.
4. Austenityzacja warstwy – uzyskanie w wymaganej strefie warunków umożliwiających powstanie austenitu.
5. Szybkie chłodzenie – odebranie ciepła z szybkością umożliwiającą uzyskanie wymaganej mikrostruktury.
6. Powstanie warstwy zahartowanej – w odpowiednio dobranej stali tworzy się twarda struktura hartownicza.
7. Kontrola jakości – pomiar twardości, głębokości warstwy, mikrostruktury oraz kontrola pęknięć i odkształceń.

Przygotowanie powierzchni przed hartowaniem płomieniowym

Stan powierzchni ma znaczenie dla równomierności nagrzewania. Zanieczyszczenia, grube warstwy zgorzeliny, oleje lub inne pozostałości technologiczne mogą utrudniać kontrolę procesu i wpływać na wymianę ciepła.
Przed hartowaniem powierzchnia może wymagać:

• odtłuszczenia,
• usunięcia luźnej rdzy i zgorzeliny,
• oczyszczenia mechanicznego,
• kontroli powierzchni pod kątem istniejących pęknięć i uszkodzeń,
• sprawdzenia geometrii obszaru przeznaczonego do hartowania.

Nie oznacza to jednak, że każda część musi być piaskowana lub szlifowana. Sposób przygotowania powierzchni powinien wynikać z jej rzeczywistego stanu i wymagań technologicznych.

Nagrzewanie płomieniem

Do nagrzewania stosuje się odpowiednio skonfigurowane palniki gazowe. Konstrukcja palnika i liczba dysz mogą być dostosowane do geometrii obrabianej powierzchni.
W zależności od instalacji stosowane są różne paliwa gazowe współpracujące z tlenem. Zadaniem układu jest uzyskanie intensywnego i możliwie równomiernego strumienia ciepła w wymaganym obszarze.
Na szybkość nagrzewania wpływają między innymi:

• rodzaj paliwa i warunki spalania,
• moc cieplna palnika,
• liczba i rozmieszczenie dysz,
• odległość palnika od powierzchni,
• kąt ustawienia palnika,
• prędkość przesuwu palnika lub elementu,
• geometria części,
• grubość elementu,
• przewodność cieplna materiału,
• temperatura początkowa elementu.

Austenityzacja podczas hartowania płomieniowego

Warunkiem uzyskania klasycznej warstwy zahartowanej jest doprowadzenie wybranego obszaru stali do temperatury, przy której może powstać odpowiednia ilość austenitu.
W stalach podeutektoidalnych istotnym punktem odniesienia jest temperatura Ac3, związana z zakończeniem przemiany w austenit podczas nagrzewania. Rzeczywista temperatura procesu musi jednak zostać dobrana do konkretnego gatunku, szybkości nagrzewania i wymaganej mikrostruktury.
Nie powinno się więc stosować jednej uniwersalnej temperatury hartowania płomieniowego dla wszystkich stali.
Zbyt niska temperatura może spowodować niepełną austenityzację i niedostateczną twardość po chłodzeniu. Zbyt wysoka temperatura lub zbyt długie nagrzewanie mogą natomiast prowadzić do przegrzania warstwy, niekorzystnych zmian wielkości ziarna, zwiększenia głębokości strefy wpływu ciepła i większego ryzyka odkształceń.

Dlaczego czas nagrzewania jest tak ważny?

Podczas hartowania płomieniowego ciepło jest dostarczane do powierzchni, a następnie przewodzone w głąb materiału. Oznacza to, że czas oddziaływania płomienia ma bezpośredni wpływ na głębokość nagrzanej warstwy.
Zbyt krótki czas może nie zapewnić odpowiedniej austenityzacji. Zbyt długie nagrzewanie powoduje natomiast przenikanie ciepła głębiej do rdzenia i może prowadzić do powstania warstwy o większej głębokości niż wymagana.
Dlatego o efekcie procesu decyduje kombinacja:

TEMPERATURA + INTENSYWNOŚĆ NAGRZEWANIA + CZAS + GEOMETRIA + CHŁODZENIE

Chłodzenie po nagrzewaniu płomieniowym

Po austenityzacji nagrzana warstwa musi zostać schłodzona z szybkością wystarczającą do uzyskania wymaganej struktury hartowniczej.
W zależności od gatunku stali, wymiarów elementu i technologii mogą być stosowane różne systemy chłodzenia. W praktyce szczególne znaczenie mają układy natryskowe umożliwiające rozpoczęcie chłodzenia bezpośrednio po przejściu strefy nagrzewania.
Jako media chłodzące mogą być stosowane między innymi:

• woda,
• wodne roztwory polimerowe,
• inne media dobrane do konkretnego materiału i procesu.

Nie każde medium jest odpowiednie dla każdego gatunku. Intensywność chłodzenia musi zapewniać wymaganą przemianę, ale jednocześnie ograniczać ryzyko pęknięć, nadmiernych naprężeń i deformacji.

Co dzieje się w warstwie podczas chłodzenia?

Po prawidłowej austenityzacji i odpowiednio szybkim chłodzeniu austenit w warstwie powierzchniowej może przekształcić się przede wszystkim w martenzyt.
Martenzyt charakteryzuje się dużą twardością, dzięki czemu powierzchnia uzyskuje zwiększoną odporność na wiele mechanizmów zużycia.
W zależności od materiału i parametrów w mikrostrukturze mogą znajdować się również inne składniki oraz austenit szczątkowy. Dlatego rzeczywistej struktury nie powinno się określać wyłącznie na podstawie informacji, że element został poddany hartowaniu płomieniowemu.

Budowa przekroju po hartowaniu płomieniowym

W uproszczeniu przekrój prawidłowo obrobionego elementu można podzielić na trzy obszary:

WARSTWA ZAHARTOWANA → STREFA PRZEJŚCIOWA → RDZEŃ

Głębokość warstwy zahartowanej

Głębokość warstwy uzyskanej podczas hartowania płomieniowego nie jest stałą cechą tej metody. Jest rezultatem przebiegu całego cyklu cieplnego.

Wpływają na nią przede wszystkim:

• moc i charakterystyka palnika,
• czas nagrzewania,
• prędkość przesuwu,
• odległość palnika od powierzchni,
• geometria i wielkość elementu,
• przewodzenie ciepła w materiale,
• temperatura początkowa,
• skład chemiczny stali,
• hartowność,
• stan mikrostruktury przed procesem,
• intensywność chłodzenia.

Z tego względu nie powinno się przypisywać hartowaniu płomieniowemu jednej uniwersalnej głębokości warstwy.

Profil twardości po hartowaniu płomieniowym

Twardość nie zmienia się skokowo na granicy warstwy i rdzenia. W rzeczywistym elemencie występuje profil twardości zależny od maksymalnej temperatury osiągniętej na poszczególnych głębokościach oraz od późniejszej szybkości chłodzenia.
Najwyższą twardość uzyskuje się zwykle w prawidłowo zahartowanej części warstwy powierzchniowej. Następnie występuje strefa przejściowa, po której osiągane są właściwości charakterystyczne dla rdzenia.
Dlatego przy ocenie jakości procesu ważny jest nie tylko pomiar twardości na samej powierzchni, lecz również określenie profilu twardości w głąb materiału.

Jakie stale można hartować płomieniowo?

Hartowanie płomieniowe nie wzbogaca powierzchni w węgiel. Oznacza to, że materiał przed rozpoczęciem procesu musi posiadać skład chemiczny umożliwiający uzyskanie wymaganej twardości po zahartowaniu.
Podstawowe znaczenie ma zawartość węgla. W praktyce do powierzchniowego hartowania płomieniowego często stosuje się stale średniowęglowe oraz stale stopowe przeznaczone do hartowania i ulepszania cieplnego.
Nie należy jednak traktować zakresu 0,3–0,6% C jako bezwzględnej granicy technologicznej. Zdolność do uzyskania wymaganej warstwy zależy również od pierwiastków stopowych, hartowności, geometrii elementu, intensywności chłodzenia i wymaganej twardości.

Znaczenie zawartości węgla

Zawartość węgla silnie wpływa na możliwą do uzyskania twardość martenzytu. Stale o bardzo małej zawartości węgla nie osiągną wysokiej twardości powierzchni wyłącznie dzięki szybkiemu nagrzaniu i chłodzeniu.
Jest to zasadnicza różnica w stosunku do nawęglania, podczas którego zawartość węgla w warstwie powierzchniowej jest celowo zwiększana przed późniejszym hartowaniem.

Wpływ pierwiastków stopowych

Oprócz węgla na zachowanie stali podczas hartowania wpływają pierwiastki stopowe zmieniające między innymi hartowność i kinetykę przemian austenitu.
Znaczenie mogą mieć między innymi chrom, mangan, molibden, nikiel, wanad i krzem.
Wpływu pierwiastków nie można jednak sprowadzać do prostego stwierdzenia, że każdy dodatek stopowy zwiększa twardość powierzchni. Poszczególne pierwiastki wpływają na różne właściwości materiału i przebieg obróbki cieplnej.

Przykładowe stale do hartowania płomieniowego

Do powierzchniowego hartowania płomieniowego mogą być stosowane różne stale zdolne do uzyskania wymaganej struktury po austenityzacji i szybkim chłodzeniu. Dobór powinien zawsze wynikać z dokumentacji materiałowej oraz wymagań konkretnego elementu.

Lista ma charakter przykładowy. Sam fakt przynależności stali do określonej grupy nie oznacza automatycznie, że hartowanie płomieniowe jest optymalną metodą dla każdego elementu wykonanego z tego materiału.

Hartowanie płomieniowe stali C45

C45 (1.0503) jest jednym z klasycznych przykładów średniowęglowej stali konstrukcyjnej, dla której może być stosowane hartowanie powierzchniowe. Zawartość węgla umożliwia uzyskanie znacznej twardości warstwy martenzytycznej, a rdzeń może zachować właściwości wynikające z wcześniejszej obróbki.
Stal C45 jest stosowana między innymi na wały, osie, sworznie, koła i inne części maszyn. Rzeczywista twardość oraz głębokość warstwy po hartowaniu płomieniowym zależą od stanu wyjściowego materiału, parametrów nagrzewania, wymiarów elementu i warunków chłodzenia.

Hartowanie płomieniowe stali stopowych

Stale stopowe mogą wykazywać większą hartowność niż proste stale węglowe. Pozwala to w odpowiednich warunkach uzyskiwać wymaganą strukturę przy innym przebiegu chłodzenia lub na większej głębokości.
Nie oznacza to jednak, że każda stal stopowa jest dobrym kandydatem do hartowania płomieniowego. W przypadku materiałów projektowanych przede wszystkim do nawęglania, azotowania lub innych specjalnych technologii należy rozpatrywać cały przewidziany cykl obróbki cieplnej.
Przykładem materiału stosowanego w złożonych cyklach obróbki powierzchniowej może być 38HMJ. Jest to jednak przede wszystkim stal kojarzona z azotowaniem, dlatego nie należy przedstawiać jej jako uniwersalnego wzorcowego gatunku do hartowania płomieniowego.

Hartowanie płomieniowe elementów wcześniej ulepszonych cieplnie

Hartowanie powierzchniowe może być wykonywane na elementach, których rdzeń wcześniej uzyskał wymagane właściwości w procesie ulepszania cieplnego.
Pozwala to uzyskać korzystny układ:

• wytrzymały i stosunkowo ciągliwy rdzeń,
• twardą warstwę powierzchniową,
• zwiększoną odporność powierzchni na zużycie,
• zdolność elementu do przenoszenia znacznych obciążeń mechanicznych.

Taki układ właściwości jest szczególnie użyteczny w przypadku wałów, osi, czopów, dużych kół i innych elementów maszyn.

Metody prowadzenia hartowania płomieniowego

Proces może być realizowany na różne sposoby w zależności od geometrii i wielkości elementu.

Hartowanie stacjonarne

Palnik nagrzewa określony obszar powierzchni bez ciągłego przesuwania strefy nagrzewania wzdłuż całego elementu. Po uzyskaniu odpowiedniej temperatury następuje chłodzenie.
Metoda może być stosowana do miejscowego hartowania określonych powierzchni lub fragmentów elementów.

Hartowanie postępowe

Palnik przesuwa się względem elementu lub element przemieszcza się względem palnika. Za strefą nagrzewania znajduje się strefa chłodzenia.
Proces jest przydatny do hartowania długich powierzchni, takich jak:

• wały,
• prowadnice,
• bieżnie,
• długie powierzchnie robocze.

Hartowanie obrotowe

Element obraca się względem układu palników, co umożliwia równomierne nagrzewanie powierzchni obwodowej. Rozwiązanie może być stosowane między innymi do wałów, rolek i innych części osiowo-symetrycznych.

Hartowanie konturowe

W przypadku bardziej złożonych elementów układ palników może być dopasowany do kształtu powierzchni. Proces wymaga szczególnie starannej kontroli rozkładu temperatury, ponieważ naroża, krawędzie i zmiany przekroju mogą nagrzewać się inaczej niż powierzchnie płaskie lub cylindryczne.

Hartowanie płomieniowe kół zębatych

Koła zębate są narażone na duże naciski kontaktowe, tarcie oraz obciążenia zmienne. Zwiększenie twardości powierzchni zębów może poprawić ich odporność na zużycie.
Hartowanie płomieniowe kół zębatych wymaga jednak precyzyjnego prowadzenia procesu. Wierzchołek, bok i podstawa zęba mają różną geometrię oraz warunki odprowadzania ciepła, co może prowadzić do nierównomiernego nagrzewania.
Dlatego dobór palnika, sposobu prowadzenia płomienia, czasu nagrzewania i chłodzenia ma podstawowe znaczenie dla uzyskania odpowiedniego profilu warstwy.

Hartowanie płomieniowe wałów, osi i czopów

Wały i osie należą do typowych elementów, dla których powierzchniowe hartowanie może być technologicznie korzystne. Powierzchnie czopów i miejsc współpracujących z łożyskami lub innymi elementami mogą wymagać wysokiej odporności na zużycie, podczas gdy rdzeń powinien zachować zdolność przenoszenia obciążeń zginających i skręcających.
W zależności od długości i średnicy elementu można zastosować nagrzewanie obrotowe, postępowe lub odpowiednio zaprojektowaną kombinację ruchów palnika i detalu.

Hartowanie płomieniowe dużych elementów

Jedną z istotnych zalet technologii płomieniowej jest możliwość lokalnej obróbki dużych elementów, dla których nagrzewanie całej objętości byłoby trudne, energochłonne lub niepotrzebne.
Dotyczy to między innymi:

• dużych kół zębatych,
• bieżni,
• rolek,
• prowadnic,
• wałów o dużych wymiarach,
• lokalnych powierzchni roboczych dużych części maszyn.

Twardość po hartowaniu płomieniowym

Nie istnieje jedna charakterystyczna wartość twardości po hartowaniu płomieniowym. Twardość zależy przede wszystkim od składu chemicznego stali i struktury uzyskanej podczas chłodzenia.
Wpływają na nią:

• zawartość węgla,
• skład stopowy,
• mikrostruktura wyjściowa,
• temperatura i czas nagrzewania,
• stopień austenityzacji,
• szybkość chłodzenia,
• głębokość pomiaru,
• ewentualne późniejsze odpuszczanie.

Dlatego wartości typu „50–62 HRC” mogą być właściwe dla określonych materiałów i procesów, ale nie powinny być przedstawiane jako ogólna właściwość każdego elementu hartowanego płomieniowo.

Odpuszczanie po hartowaniu płomieniowym

Po hartowaniu powierzchniowym może zostać zastosowane odpuszczanie. Jego zadaniem może być zmniejszenie naprężeń oraz dostosowanie twardości i odporności na pękanie do warunków pracy elementu.
Nie należy jednak automatycznie przyjmować jednego zakresu temperatury, np. 150–250°C, dla wszystkich stali. Temperatura i czas odpuszczania powinny wynikać z gatunku materiału, wymaganej twardości warstwy oraz warunków eksploatacji.

Naprężenia własne i odkształcenia

Hartowanie płomieniowe ogranicza objętość materiału poddawanego austenityzacji, ale nie eliminuje naprężeń hartowniczych. W warstwie i strefie przejściowej występują jednocześnie:

• duże gradienty temperatury,
• rozszerzalność i skurcz cieplny,
• zmiany objętości związane z przemianami fazowymi,
• różnice pomiędzy zachowaniem warstwy i rdzenia.

Niewłaściwy przebieg procesu może prowadzić do deformacji lub pęknięć. Ryzyko jest szczególnie istotne w pobliżu ostrych zmian przekroju, otworów, rowków, naroży i innych koncentratorów naprężeń.

Wpływ hartowania płomieniowego na odporność na zużycie

Zwiększenie twardości powierzchni może znacząco poprawić odporność na określone mechanizmy zużycia, szczególnie gdy powierzchnia współpracuje ciernie z innym elementem.
Rzeczywista trwałość zależy jednak nie tylko od twardości. Znaczenie mają również:

• mikrostruktura warstwy,
• głębokość utwardzenia,
• chropowatość powierzchni,
• rodzaj kontaktu,
• naciski jednostkowe,
• smarowanie,
• temperatura pracy,
• stan naprężeń własnych.

Dlatego większa twardość nie oznacza automatycznie proporcjonalnie większej trwałości w każdych warunkach eksploatacyjnych.

Wpływ na trwałość zmęczeniową

Odpowiednio wykonane hartowanie powierzchniowe może korzystnie wpływać na zachowanie elementów pod obciążeniami zmiennymi. Wynik zależy jednak od jakości warstwy, jej głębokości, stanu powierzchni, rozkładu naprężeń własnych i geometrii części.
Pęknięcia, przegrzanie, nieciągłości warstwy lub niewłaściwa strefa przejściowa mogą działać odwrotnie i obniżać trwałość zmęczeniową.

Hartowanie płomieniowe a hartowanie indukcyjne

Hartowanie płomieniowe a hartowanie objętościowe

Podczas hartowania objętościowego dąży się do nagrzania znacznej części lub całego przekroju elementu do odpowiedniego zakresu austenityzacji, a następnie przeprowadza się chłodzenie.
W hartowaniu płomieniowym austenityzowana jest przede wszystkim warstwa powierzchniowa. Pozwala to zachować inne właściwości rdzenia i ograniczyć ilość materiału poddawanego gwałtownemu cyklowi cieplnemu.

Hartowanie płomieniowe a nawęglanie

Nawęglanie jest procesem cieplno-chemicznym. Podczas nawęglania warstwa powierzchniowa zostaje wzbogacona w węgiel, a następnie poddawana odpowiedniej obróbce cieplnej.
Hartowanie płomieniowe nie powoduje celowego wzbogacenia powierzchni w węgiel. Z tego powodu materiał musi już przed procesem posiadać skład umożliwiający uzyskanie wymaganej twardości.

Hartowanie płomieniowe a azotowanie

Azotowanie wykorzystuje dyfuzję azotu do powierzchni materiału i prowadzi do powstania warstwy o innym charakterze niż martenzytyczna warstwa po hartowaniu płomieniowym.
Azotowanie nie wymaga klasycznego hartowania warstwy bezpośrednio po nasycaniu azotem, natomiast hartowanie płomieniowe opiera się właśnie na austenityzacji i szybkim chłodzeniu powierzchni.

Porównanie metod utwardzania powierzchni

Zalety hartowania płomieniowego

• Możliwość obróbki miejscowej – hartowane są tylko powierzchnie wymagające zwiększonej twardości.
• Zachowanie właściwości rdzenia – rdzeń nie musi przechodzić pełnej austenityzacji.
• Możliwość obróbki dużych elementów – metoda może być stosowana tam, gdzie pełne nagrzewanie części byłoby trudne lub nieuzasadnione.
• Stosunkowo prosta zasada procesu – źródłem ciepła jest palnik, bez konieczności indukowania prądów w materiale.
• Możliwość hartowania powierzchni o różnych kształtach – przy odpowiednim doborze palników i sposobu prowadzenia procesu.
• Wysoka twardość powierzchni – możliwa w odpowiednio dobranych stalach.
• Zwiększenie odporności na zużycie – wynikające z powstania twardej warstwy powierzchniowej.

Ograniczenia hartowania płomieniowego

• trudniejsza kontrola bardzo precyzyjnego rozkładu temperatury niż w dobrze zaprojektowanym procesie indukcyjnym,
• ryzyko przegrzania powierzchni i krawędzi,
• możliwość powstawania niejednorodnej głębokości warstwy,
• ryzyko pęknięć i odkształceń hartowniczych,
• konieczność prawidłowego doboru stali,
• duży wpływ prędkości prowadzenia palnika i jego odległości od powierzchni,
• możliwość utleniania powierzchni podczas nagrzewania,
• konieczność dokładnej synchronizacji nagrzewania i chłodzenia.

Najczęstsze błędy podczas hartowania płomieniowego

• Zbyt niska temperatura powierzchni – niepełna austenityzacja i zbyt mała twardość.
• Przegrzanie – możliwość pogorszenia mikrostruktury i zwiększenia odkształceń.
• Zbyt wolny przesuw palnika – nadmierne nagrzewanie i zbyt głęboka strefa wpływu ciepła.
• Zbyt szybki przesuw – niedostateczna austenityzacja.
• Nierównomierna odległość palnika – różnice temperatury i głębokości warstwy.
• Niewłaściwe chłodzenie – brak wymaganej struktury albo nadmierne naprężenia i pęknięcia.
• Hartowanie stali o niewłaściwym składzie – brak możliwości uzyskania oczekiwanej twardości.
• Nieuwzględnienie geometrii – lokalne przegrzanie naroży, krawędzi i zmian przekroju.

Kontrola jakości po hartowaniu płomieniowym

Kontrola gotowego elementu może obejmować:

• pomiar twardości powierzchniowej,
• wyznaczenie profilu twardości w głąb materiału,
• ocenę głębokości warstwy zahartowanej,
• badania mikrostruktury,
• kontrolę równomierności warstwy,
• badania na obecność pęknięć powierzchniowych,
• kontrolę wymiarową i ocenę odkształceń,
• kontrolę stanu powierzchni.

W elementach odpowiedzialnych szczególnie istotne jest sprawdzenie nie tylko maksymalnej twardości, lecz również przebiegu przejścia pomiędzy warstwą zahartowaną i rdzeniem.

Zastosowanie hartowania płomieniowego

Metoda znajduje zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie powierzchnia elementu wymaga zwiększonej twardości i odporności na zużycie, natomiast pełne zahartowanie całego przekroju nie jest wymagane lub byłoby niekorzystne.

Przemysł maszynowy

• wały i osie,
• czopy,
• koła zębate,
• krzywki,
• prowadnice,
• rolki,
• bieżnie,
• elementy ślizgowe.

Przemysł motoryzacyjny

• wybrane powierzchnie wałów,
• elementy przeniesienia napędu,
• sworznie i tuleje,
• elementy mechanizmów narażone na zużycie.

Kolejnictwo i ciężka budowa maszyn

• wybrane powierzchnie kół i elementów tocznych,
• duże koła zębate,
• prowadnice,
• elementy maszyn o dużych gabarytach wymagające miejscowego utwardzenia.

Maszyny rolnicze

• sworznie,
• wały,
• rolki,
• wybrane części robocze narażone na zużycie.

Hartowanie płomieniowe – najważniejsze parametry procesu

Hartowanie płomieniowe – najważniejsze informacje

Hartowanie płomieniowe jest metodą powierzchniowej obróbki cieplnej umożliwiającą lokalne zwiększenie twardości stali bez konieczności austenityzowania całego przekroju elementu. Powierzchnia jest szybko nagrzewana płomieniem, a następnie chłodzona z szybkością umożliwiającą powstanie wymaganej struktury hartowniczej.
W odpowiednio dobranej stali pozwala to uzyskać twardą i odporną na zużycie warstwę wierzchnią przy zachowaniu właściwości rdzenia wynikających z jego składu i wcześniejszej obróbki cieplnej.
O wyniku procesu nie decyduje jedna uniwersalna temperatura ani jedna zawartość węgla. Znaczenie mają równocześnie skład chemiczny, hartowność, mikrostruktura wyjściowa, moc palnika, czas nagrzewania, prędkość przesuwu, geometria elementu oraz intensywność chłodzenia.
W porównaniu z hartowaniem indukcyjnym metoda płomieniowa wykorzystuje inne źródło energii i oferuje inną charakterystykę kontroli procesu, ale obie technologie służą do lokalnego wytwarzania warstwy zahartowanej bez celowego wzbogacania powierzchni w pierwiastki chemiczne. Hartowanie płomieniowe pozostaje szczególnie użyteczne przy obróbce dużych elementów i powierzchni, dla których miejscowe nagrzewanie jest technologicznie korzystniejsze niż hartowanie całego przekroju.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Hartowanie płomieniowe jest tylko jednym z 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.