Hartowanie stali to proces obróbki cieplnej, w którym stal nagrzewa się do odpowiedniej temperatury, wygrzewa, a następnie szybko chłodzi, aby zwiększyć jej twardość i wytrzymałość. Dzięki temu hartowanie stali wydłuża trwałość narzędzi, kół zębatych i innych elementów narażonych na ścieranie. Poniżej wyjaśniamy, na czym polega hartowanie stali, jak przebiega nagrzewanie, chłodzenie i odpuszczanie, jakie są rodzaje hartowania i kiedy warto zlecić je wykonawcy.
Spis treści:
- Czym jest hartowanie stali?
- Jak przebiega proces hartowania stali?
- Rodzaje hartowania stali
- Jakie stale można hartować?
- Właściwości stali po hartowaniu
- Hartowanie, wyżarzanie i odpuszczanie – czym się różnią?
- Najczęstsze problemy przy hartowaniu stali
- Hartowanie stali a obróbka CNC
- Zastosowanie hartowanej stali
- Kiedy warto zlecić hartowanie stali?
- Hartowanie stali – FAQ
Czym jest hartowanie stali?
Hartowanie to proces obróbki cieplnej stali. Polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzacji, wygrzaniu jej w tej temperaturze i szybkim schłodzeniu. Przy szybkim schłodzeniu w stali powstaje twarda mikrostruktura zwana martenzytem, dlatego stal staje się twardsza i bardziej wytrzymała. Szybkość chłodzenia decyduje o mikrostrukturze: przy wolniejszym chłodzeniu powstają struktury miększe, a przy szybkim schłodzeniu stal osiąga dużą twardość. Hartowanie zwiększa twardość i wytrzymałość, ale jednocześnie sprawia, że metal jest bardziej kruchy, dlatego jego celem jest poprawa właściwości mechanicznych w kontrolowany sposób. W wyższych temperaturach stal przechodzi w austenit, a przy szybkim schłodzeniu austenit zamienia się w martenzyt.
Hartowanie stali stosuje się zwykle na gotowym lub prawie gotowym przedmiocie, a nie na surowym bloku. Hartowanie całego bloku nie jest ekonomiczne, ponieważ duża część materiału zostanie usunięta podczas obróbki. Hartowana stal jest też trudniejsza w obróbce, bo duża twardość utrudnia pracę narzędziom skrawającym.
Jak przebiega proces hartowania stali?
Hartowanie składa się z trzech etapów: nagrzewania i wygrzewania, szybkiego chłodzenia oraz odpuszczania. Każdy z nich wpływa na właściwości mechaniczne gotowego elementu, więc wymaga kontroli temperatury i czasu. Zmiana któregokolwiek parametru zmienia twardość, wytrzymałość i ryzyko odkształceń.
Nagrzewanie i wygrzewanie
Hartowanie stali odbywa się w temperaturach od 800°C do 1000°C, a stal wysokostopowa może być hartowana nawet do 1300°C. Hartowanie stali wymaga precyzyjnej kontroli temperatury, bo temperatura austenityzacji wpływa na strukturę martenzytu. Zbyt niska temperatura nie daje pełnej twardości, a przegrzanie może prowadzić do pogorszenia struktury i pękania. Podczas wygrzewania element musi osiągnąć jednolitą temperaturę w całym przekroju, ale zbyt długi czas w wysokich temperaturach pogarsza właściwości stali.
Chłodzenie
Szybkość chłodzenia wpływa na to, czy w stali powstanie martenzyt. Im szybsze chłodzenie, tym większa twardość, ale też większe naprężenia. Chłodzenie odbywa się w medium chłodzącym, najczęściej w wodzie lub oleju. Hartowanie w wodzie jest jedną z najstarszych metod i daje bardzo szybkie chłodzenie, ale zwiększa naprężenia i ryzyko pęknięć. Hartowanie w oleju minimalizuje ryzyko pęknięć stali, dlatego wybiera się je dla elementów o skomplikowanych kształtach. Dobór medium chłodzącego zależy od rodzaju stali i kształtu przedmiotu, a w stalach stopowych często wystarcza łagodniejsze chłodzenie, bo pierwiastki stopowe ułatwiają powstanie martenzytu. Dla każdego rodzaju stali producent materiału podaje zalecaną temperaturę i sposób chłodzenia.
Odpuszczanie
Po hartowaniu stal jest bardzo twarda, ale krucha i łatwiej pęka pod wpływem udaru. Odpuszczanie polega na ponownym nagrzaniu zahartowanej stali do niższej temperatury i zmniejsza kruchość oraz naprężenia wewnętrzne. W praktyce odpuszczanie jest nieodzownym elementem procesu: hartowanie i odpuszczanie stosuje się zawsze razem, bo dopiero po odpuszczeniu stal ma dobrą wytrzymałość i odporność na uderzenia. Odpuszczanie przywraca część ciągliwości, kosztem niewielkiego spadku twardości.
Rodzaje hartowania stali
Główne metody hartowania stali to hartowanie objętościowe i powierzchniowe. Wybór metody zależy od gatunku stali i wymagań dotyczących właściwości, a procesowi hartowania poddaje się elementy, od których oczekuje się dużej twardości.
Hartowanie zwykłe (objętościowe)
Hartowanie objętościowe polega na nagrzewaniu całego przekroju elementu i jego szybkim schłodzeniu. Hartowanie zwykłe daje wysoką twardość w całej objętości przedmiotu i sprawdza się przy narzędziach oraz małych elementach.
Hartowanie powierzchniowe
Hartowanie powierzchniowe poprawia właściwości mechaniczne stali na powierzchni, a rdzeń elementu pozostaje bardziej ciągliwy. Dzięki temu element ma dużą odporność na ścieranie i jednocześnie wytrzymuje obciążenia udarowe. Hartowanie powierzchniowe obejmuje między innymi hartowanie indukcyjne i hartowanie płomieniowe.
Hartowanie indukcyjne polega na szybkim nagrzewaniu powierzchni prądami indukcyjnymi. Hartowanie płomieniowe wykorzystuje palnik gazowy do nagrzewania stali. W obu przypadkach nagrzewanie obejmuje tylko wierzchnią warstwę, po czym następuje szybkie chłodzenie.
Hartowanie stopniowe
Hartowanie stopniowe zmniejsza naprężenia strukturalne w stali. Element po szybkim schłodzeniu do określonej temperatury jest przez pewien czas utrzymywany w tej temperaturze, a dopiero potem chłodzony do końca. Dzięki temu rośnie bezpieczeństwo procesu przy skomplikowanych kształtach.
Hartowanie izotermiczne
Hartowanie izotermiczne polega na utrzymywaniu stali w stałej temperaturze, aż do zakończenia przemiany. Tego typu hartowanie zmniejsza ryzyko odkształceń i pęknięć, a stal ma dobrą ciągliwość.
Jakie stale można hartować?
O tym, czy stal można zahartować, decyduje przede wszystkim zawartość węgla. Stal o bardzo niskiej zawartości węgla niewiele zyskuje na hartowaniu, dlatego zwykłą stal można hartować tylko wtedy, gdy ma wystarczająco dużo węgla. Dobrze hartują się stale narzędziowe, a także wiele stali stopowych. Można hartować stal konstrukcyjną, jeśli ma wystarczającą zawartość węgla. Dotyczy to na przykład wałów i elementów przekładni. Koła zębate często hartuje się powierzchniowo, bo zęby muszą mieć twardą powierzchnię, a rdzeń odporny na udary. Pierwiastki stopowe zmieniają zachowanie stali podczas chłodzenia, więc dla danej stali dobiera się własne parametry.
Stal nierdzewną można hartować tylko wtedy, gdy ma strukturę martenzytyczną. Pozostałe gatunki nie zyskują twardości na drodze hartowania, więc jeśli chcesz hartować stal nierdzewną, trzeba sprawdzić gatunek. Odporność na korozję zależy od gatunku stali, a nie od samego hartowania, więc po hartowaniu trzeba ją ocenić osobno dla danego gatunku. Przed zleceniem warto więc podać rodzaj stali i jej gatunek, a w razie wątpliwości sprawdzić skład w atestach materiału.
Właściwości stali po hartowaniu
Hartowanie zwiększa twardość stali, czyniąc ją odporną na zużycie i ścieranie. Hartowanie zwiększa wytrzymałość mechaniczną stali na obciążenia, a hartowane elementy mają dłuższą żywotność dzięki większej odporności na zużycie. Życie narzędzi skrawających wydłuża się dzięki hartowaniu.
Zbyt twarda stal może być krucha i łatwiej pęka pod wpływem udaru, dlatego po hartowaniu stosuje się odpuszczanie. Hartowanie nie chroni samo w sobie przed korozją: odporność na korozję zapewnia skład stali, na przykład stal nierdzewna, a nie sama twardość. W trakcie szybkiego chłodzenia mogą też powstać odkształcenia i zniekształcenia elementu, więc po hartowaniu często potrzebne jest szlifowanie.
Hartowanie, wyżarzanie i odpuszczanie – czym się różnią?
Hartowanie, wyżarzanie i odpuszczanie to różne procesy obróbki cieplnej metalu. Hartowanie zwiększa twardość i wytrzymałość, wyżarzanie zmiękcza stal, zmniejsza naprężenia i poprawia ciągliwość, a odpuszczanie następuje po hartowaniu i zmniejsza kruchość. W stali pojęcie utwardzanie oznacza zazwyczaj właśnie hartowanie.
Wyżarzanie bywa potrzebne przed hartowaniem, gdy trzeba zmiękczyć stal, ułatwić obróbkę skrawaniem albo zmniejszyć naprężenia po wcześniejszych operacjach. Zmniejszenie naprężeń zmniejsza też ryzyko odkształceń podczas późniejszego hartowania.
Najczęstsze problemy przy hartowaniu stali
Najczęstsze problemy to pękanie, odkształcenia i zniekształcenia elementu. Pękanie wynika z naprężeń: powstawanie naprężeń zależy od przekroju, bo elementy o zmiennym przekroju stygną nierówno. Aby je ograniczyć, stosuje się hartowanie w oleju, hartowanie stopniowe i odpuszczanie zaraz po hartowaniu. Przegrzanie stali pogarsza jej strukturę, a zbyt długie wygrzewanie w wysokiej temperaturze osłabia wytrzymałość. Dlatego prawidłowe hartowanie wymaga doświadczenia i kontroli parametrów.
Hartowanie stali a obróbka CNC
W obróbce CNC hartowanie stali jest zwykle obróbką końcową. Typowy proces to frezowanie lub toczenie, hartowanie, a następnie wykańczanie. Po hartowaniu twardość utrudnia skrawanie, dlatego wykańcza się detale szlifowaniem albo obróbką elektroerozyjną. Więcej o tych etapach na stronach o obróbce cieplnej, szlifowaniu CNC i obróbce elektroerozyjnej.
Zastosowanie hartowanej stali
Hartowana stal jest używana w przemyśle narzędziowym. W przemyśle maszynowym hartowana stal jest stosowana do przekładni i kół zębatych. Hartowana stal jest też kluczowa w produkcji części motoryzacyjnych. Hartowanie stali zwiększa jej odporność na zużycie, dlatego jest nieodzownym elementem wielu technologii.
Kiedy warto zlecić hartowanie stali?
Hartowanie warto zlecić, gdy element ma pracować pod dużym obciążeniem, narażony jest na ścieranie albo ma mieć dłuższą żywotność. Zlecenie wykonawcy, który łączy obróbkę cieplną z frezowaniem, toczeniem i szlifowaniem, skraca drogę od materiału do gotowej części. Warto też ustalić z wykonawcą, czy po hartowaniu element będzie szlifowany, bo od tego zależą naddatki na obróbkę. Do wyceny wystarczy rysunek techniczny z podanym gatunkiem stali, wymaganą twardością i liczbą sztuk.
Hartowanie stali – FAQ
Na czym polega hartowanie stali?
Hartowanie stali polega na nagrzaniu do określonej temperatury, wygrzaniu i szybkim schłodzeniu, co zwiększa twardość i wytrzymałość. Po hartowaniu stosuje się odpuszczanie.
Jak prawidłowo zahartować stal?
Trzeba nagrzać stal do odpowiedniej temperatury, wygrzać ją, schłodzić w odpowiednim medium i odpuścić. Prawidłowe hartowanie wymaga kontroli temperatury i doboru parametrów do gatunku stali.
Czy zwykłą stal można hartować?
Zwykłą stal można hartować, jeśli ma wystarczającą zawartość węgla. Stal o bardzo niskiej zawartości węgla nie osiąga dużej twardości.
Jak się hartuje?
Stal nagrzewa się do temperatury austenityzacji, a następnie szybko chłodzi w wodzie lub oleju. Metody to między innymi hartowanie objętościowe, powierzchniowe, stopniowe i izotermiczne.