Stal jest niezwykle istotnym materiałem w skali globalnej. W połączeniu żelaza i węgla otrzymujemy wyjątkowo wytrzymały stop, który tworzy budynki, zbiorniki samochodów oraz szeroko pojętą infrastrukturę. Jedną z tych właściwości tego materiału jest twardość, czyli odporność na odkształcenia spowodowane wgnieceniem, uderzeniem lub zużyciem. Pamiętajmy, że stal posiada swoją twardość, która nie zawsze jest wystarczająca do określonych działań. Celem rozwiązania tego problemu stworzono metody znacznego zwiększenia twardości i innych właściwości stali. Metody o których mówimy dotyczą hartowania stali. Dlaczego warto używać kąpieli chłodzącej? Jaka metoda ma najlepszą szybkość chłodzenia? Czy można doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu? O samej technice, jej zaletach oraz skutkach piszemy poniżej!
Czym jest hartowanie stali?
Hartowanie powierzchniowe stali odbywa się zwykle na gotowym produkcie, a nie na surowcu. W obróbce CNC hartowanie stali jest procesem obróbki końcowej wykonywanym na przedmiocie obrabianym. Wynika to z faktu, że hartowanie całego bloku stali nie jest ekonomiczne, ponieważ duża jego część zostanie usunięta podczas obróbki. Również hartowana stal jest trudniejsza w obróbce, ponieważ twardość przedmiotu obrabianego utrudnia penetrację narzędzia.
Konstrukcje wewnętrzne ze stali i ich twardość
Pamiętajmy o tym, że stal w zależności od zastosowania może mieć różny skład. To, co ją wyróżnia, to jej wewnętrzna konstrukcja. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na metale o wyższej wytrzymałości konieczne staje się hartowanie stali. Stal w swojej najbardziej podstawowej postaci ma stosunkowo niską wytrzymałość i twardość. Jednak dzięki możliwości modyfikacji jej struktury możemy tworzyć jej mocniejszą wersję. Hartowanie stali wzmacnia jej twardość i wytrzymałość. Co do jej wewnętrznej struktury należy przedstawiać niniejsze pojęcia:
Martenzyt
Jest to najtwardsza forma wewnętrznej struktury krystalicznej stali, gdzie zachodzi przemiana martenzytyczna. Szybkie chłodzenie żelaza austenitycznego tworzy martenzyt. Ze względu na błyskawiczne tempo chłodzenia, węgiel jest uwięziony w roztworze stałym, powodując twardnienie danej części. Martenzyt ma mikrostrukturę przypominającą igłę, która wygląda jak płytki soczewkowe lub płytki oddzielające ziarna fazy macierzystej, zawsze stykające się, ale nigdy nie przecinające się.
Austenit
Austenit jest drugą po martenzycie najtwardszą stalową budową w zakresie wewnętrznym. Odnosi się on do stopu żelaza zwanym żelazem gamma. Zwykle występuje poniżej 1500°C i powyżej 723°C.
Perlit
Perlit różni się od martenzytu tym, że strukturę perlitu tworzy powolne chłodzenie. Jest to układ warstwowy ferrytu i cementytu. W temperaturze 723ºC żelazo gamma przekształca się ze swojej struktury FCC w żelazo alfa, wypychając węglik żelaza (cementyt) z roztworu.
Jakie są metody hartowania stali?
Istnieją różne metody hartowania stali. Wyróżnia się w szczególności techniki:
- termiczne (np. hartowanie izotermiczne),
- mechaniczne,
- chemiczne
- kombinacją dwóch lub więcej z nich.
Proces hartowania termicznego jest najczęstszą metodą hartowania stali. Zwykle obejmuje trzy podstawowe etapy, w tym podgrzewanie stali, utrzymywanie jej w określonej temperaturze i chłodzenie. Pierwszy krok polega na podgrzaniu metalu do temperatury wystarczająco wysokiej, aby spowodować wewnętrzne zmiany strukturalne. Ułatwia również pracę na metalu, np. zmianę jego kształtu. Różne sposoby hartowania stali to:
Obróbka na zimno
Jak hartować stal na zimno? Obróbka na zimno często zmienia właściwości stali lub metalu. Ta metoda hartowania stali po prostu odkształca metal w temperaturze poniżej jego temperatury topnienia. W owym wypadku zwiększają się takie właściwości jak granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość, maleją plastyczność i odkształcalność materiału. Podczas gdy około 90% energii jest rozpraszana w postaci ciepła podczas obróbki na zimno, reszta jest magazynowana w sieci krystalicznej, zwiększając jej energię wewnętrzną.
Hartowanie stopu w roztworze
Niniejsza technika polega na dodaniu pierwiastków stopowych do metalu podstawowego w celu utworzenia roztworu stałego. Po tym momencie metal twardnieje z powodu obecności atomów stopowych w sieci metalu podstawowego. Różnica wielkości między atomami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika wpływa na skuteczność roztworów stałych. Gdy atomy substancji rozpuszczonej są większe niż atomy rozpuszczalnika, pojawia się pole naprężeń ściskających. Z drugiej strony, jeśli atomy rozpuszczalnika są większe niż atomy substancji rozpuszczonej, istnieje pole naprężenia rozciągającego. Rozpuszczone atomy, które skręcają sieć w strukturę czworokątną, powodują szybkie utwardzenie.
Hartowanie i odpuszczanie
Dzięki tej metodzie stal jest podgrzewana do temperatury krytycznej powyżej zakresu austenitu, utrzymywana w niej, a następnie szybko schłodzona lub częściej hartowana w wodzie, oleju lub stopionej soli. W przypadku stali podeutektoidalnych temperatura nagrzewania wynosi 30-50ºC powyżej linii rozpuszczania austenitu. W przypadku stali nadeutektoidalnych temperatura jest wyższa od temperatury eutektoidalnej. Hartowanie powoduje przemianę martenzytyczną, która znacznie hartuje stal. Niestety musimy pamiętać, że stal hartowana jest bardzo krucha i trzeba uważać na ten element powierzchni metalowej.
Hartowanie indukcyjne i hartowanie płomieniowe
Jest to odmiana obróbki cieplnej powierzchni, gdzie element szybko się podgrzewa aby zapobiec uszkodzeniu środka materiału. Materiał ulega wtedy szybszemu utwardzeniu. W ten sposób na powierzchni powstaje wysoki poziom martenzytu.
Utwardzanie dyfuzyjne (azotowanie)
Wiąże się to ze zmianami składu strefy przypowierzchniowej. Drobne cząstki ulegają rozproszeniu, umożliwiając wybranemu gazowi reakcję i dyfuzję do stali. Podczas tego procesu stal jest poddawana obróbce cieplnej w kierunku uzyskania odpuszczonej struktury martenzytycznej. Następnie element jest wystawiany na działanie atmosfery amoniaku w temperaturze około 550°C przez 12-36 godzin. Niewielkie ilości pierwiastków stopowych, takich jak Al lub Cr, zwiększają tworzenie się drobno zdyspergowanych azotków, co znacznie poprawia twardość powierzchni i odporność na zużycie. Ta kompozycja azotkowa znacznie przewyższa martenzyt pod względem twardości.
Nawęglanie
Wiąże się to z wystawieniem stali na działanie atmosfery zawierającej węgiel w wysokich temperaturach. Atmosfera węglowa może być wytwarzana z wysokiej jakości węgla lub rozłożonego gazu ziemnego. Atomy węgla dyfundują pod powierzchnią metalu, tworząc wysokowęglową powłokę, która jest następnie hartowana, aby utworzyć twardą, odporną na zużycie powierzchnię martenzytyczną.
Jak testować twardość stali?
Chociaż hartowanie zwykłe może wpływać na twardość stali, to warto jeszcze znać maksymalną głębokość hartowania oraz metody badania utwardzenia. Twardość nie ma określonej jednostki miary. Zamiast tego jest opisana numerem indeksu. Istnieją różne testy twardości, a metryka używana do opisania twardości materiału zależy od zastosowanego testu. Niektóre typowe testy twardości to:
- Test twardości Brinella – W tym teście stalową kulkę o znanej średnicy przykłada się do powierzchni materiału jako obciążenie.
- Test twardości Vickersa – W testach twardości Vickersa obciążenie opiera się na kwadratowej piramidzie diamentowej. Obciążenie przykładane jest do powierzchni materiału przez około 30 sekund. Obliczany jest ślad piramidy, który jest następnie używany do obliczenia twardości metalu.
- Test mikrotwardości Knoopa – Ten test twardości jest przeznaczony do cienkich blach lub bardzo kruchych materiałów. Końcówka piramidy rombowej tworzy w materiale bardzo małe wgłębienie. Wykonane rowki są następnie badane pod mikroskopem i wykorzystywane do obliczenia twardości materiału.
- Test twardości Rockwella – Twardość Rockwella służy do pomiaru różnicy twardości stali przed i po obróbce cieplnej. Penetratorem może być stalowa kulka lub diamentowy penetrator stożkowy. Twardość mierzy się głębokością penetracji materiału. Zwykle używane są dwa obciążenia.
Gatunki stali, które można hartować
Obecnie uważa się, że najpopularniejsze gatunki stali do hartowania to:
- Stal węglowa
- Stal stopowa,
- Stal nierdzewna
- Stal narzędziowa
Podstawowymi elementami stali są żelazo i węgiel. Jednak różne ilości węgla i innych pierwiastków stopowych określają właściwości każdego gatunku. Zawartość węgla w każdej stali decyduje o jej hartowności i maksymalnej osiągalnej twardości. Dotyczy to zwłaszcza hartowania, ponieważ węgiel sprzyja tworzeniu się martenzytu.
Podsumowanie
Hartowanie stali jest elementem niezbędnym do wzmacniania materiału, który w naturze wymaga poprawy. Pamiętajmy jednak, żeby robić to w sposób profesjonalny i zgodnie z wyżej wymienionymi wytycznymi.