Hartowanie stali – najważniejsze informacje

Na czym polega hartowanie stali – najważniejsze informacje

Stal jest używana prawie w każdym miejscu, jakie nas otacza. Niewiele osób jednak wie, że sama w sobie jest materiałem miękkim i o niskiej wytrzymałości. Dopiero hartowanie nadaje jej odpowiedniej twardości, wytrzymałości i odporności na procesy ścierania. W artykule poniżej opiszemy, jak hartować stal oraz jakie korzyści z tego płyną.
Stal jest to plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie stop żelaza z węglem. Zawartość drugiego składnika nie powinna przekraczać 2,11%. Jest to graniczna wartość rozpuszczalności węgla w żelazie. Hartowanie stali pozwala na polepszenie jej właściwości. Polega ono na nagrzaniu materiału do określonej temperatury. Najczęściej jest to około 30-50 stopni Celsjusza więcej niż temperatura przemiany austenitycznej. W większości przypadków docelowa temperatura to 800-1220 stopni Celsjusza i do jej osiągnięcia używany jest piec do hartowania. Następnie stan wygrzania jest utrzymywany do czasu uzyskania zmian w strukturze wewnętrznej. Jeśli hartowanie nie jest powierzchniowe, to zmiany muszą zajść w całym przekroju przedmiotu. Mikrostruktura zmienia się wtedy w jednorodny austenit. Dzięki temu zmniejsza się objętość właściwa materiału. Ostatnim krokiem jest szybkie chłodzenie poprzez umieszczenie najczęściej w wodzie lub oleju hartowanego przedmiotu. W niektórych przypadkach do chłodzenia wykorzystuje się również: sól, zawiesinę polimerową, azot lub powietrze czy hel pod wysokim ciśnieniem. Ważne jest aby zachować przy tym minimalną krytyczną szybkość chłodzenia. W przeciwnym razie może dojść do przemian dyfuzyjnych, które są zjawiskiem niepożądanym.

Hartowanie stali i korzyści – dlaczego warto poddawać stal hartowaniu?

Stal hartowana posiada zupełnie inne właściwości niż te przed procesem wzmacniania. Przede wszystkim hartowaniu poddaje się elementy, które pracują pod dużym obciążeniem. Dzięki temu uzyskują większą odporność na wysoką temperaturę. Zwiększona wytrzymałość pozwala też na projektowanie lżejszych i sztywniejszych elementów. Kolejną korzyścią jest uzyskanie wysokiej odporności na zużywanie i żarowytrzymałość, podczas gdy wiązkość elementu nie ulega zmianie. Jeśli hartujemy elementy, które będą w późniejszym czasie szlifowane, to ich chropowatość będzie niższa, co będzie skutkowało wyższą skrawalnością. Szczególnym przypadkiem są stale wykonane z tzw. stali martenzytycznej. Obróbka termiczna jest jedynym sposobem na uzyskanie odporności na korozję.

Metody hartowania stali

Istnieją różne rodzaje hartowania stali w zależności od pożądanych końcowych efektów. Różnią się one między innymi temperaturami czy sposobami chłodzenia.
1. Hartowanie martenzytyczne – inaczej nazywane zwykłym. Jest to najpopularniejsza metoda polepszania właściwości stali. Podczas tego procesu dochodzi do austenityzowania (nagrzewanie do uzyskania struktury austenitu, a następnie szybkie chłodzenie w oleju lub wodzie). Temperatura procesu powinna być dobrana w taki sposób, aby nie dochodziło do tzw. odkształceń hartowniczych. Proces ten pozwala na uzyskiwanie twardych, wytrzymałych oraz sztywnych elementów.

2. Stopniowe hartowanie – podczas tego procesu stal jest szybko chłodzona w stopionej saletrze. Stosuje się go do stali stopowych wysokowytrzymałych. Konieczne jest w nim dokładne określenie czasu kąpieli. W przeciwieństwie do zwykłego hartowania unikamy tutaj naprężeń, pęknięć i odkształceń. Tego typu obróbka stosowana jest przede wszystkim w lotnictwie i wojsku.

3. Hartowanie izotermiczne – Podczas tego procesu nie dochodzi do przemiany martenzytycznej. Zwiększa on twardość, ciągliwość i wytrzymałość stali oraz zmniejsza odkształcenia. Stosuje się go do części z blachy oraz do taśm o niewielkim przekroju. W trakcie trwania tego rodzaju hartowania stal jest nagrzewana, a następnie utrzymywana w kąpieli z ołowiu lub saletry o niezmiennej temperaturze.

4. Hartowanie powierzchniowe – Jak sama nazwa wskazuje, w tej obróbce nagrzewana jest jedynie wierzchnia warstwa przedmiotu. Zwiększana jest dzięki temu jej twardość oraz odporność na zużycie. Dodatkowo zwiększa się również wytrzymałość zmęczeniowa, a elastyczność rdzenia pozostaje niezmienna.

5. Inne sposoby hartowania stali – Powyżej wymienione sposoby hartowania stali są najczęściej spotykanymi. Poza nimi stosowane są jeszcze następujące metody: hartowanie podwójne, hartownie indukcyjne, hartowanie przerywane i hartowanie w prasach. Wszystkie sposoby prowadzą do wzmocnienia przedmiotu i polepszenia jego pierwotnych właściwości bez dodatkowych modyfikacji.

Jak przebiega proces hartowania stali

1. Przygotowanie stali: Zacznij od odpowiedniego przygotowania materiału. Upewnij się, że stal jest czysta i wolna od zabrudzeń, rdzy lub innych zanieczyszczeń.
2. Ogrzewanie: Umieść stal w piecu do hartowania i równomiernie ogrzewaj ją do odpowiedniej temperatury hartowania. Ta temperatura zależy od rodzaju stali i może wynosić od około 150°C do 1095°C. Użyj termometru, aby kontrolować temperaturę.
3. Trzymanie temperatury: Po osiągnięciu właściwej temperatury, utrzymuj ją przez odpowiedni czas. Ten czas zależy również od rodzaju stali i może wynosić od kilku minut do kilku godzin. Pozwala to na równomierne rozprowadzenie ciepła wewnątrz stali i przygotowanie jej do hartowania.
4. Szybkie schładzanie: Po utrzymaniu temperatury hartowania, szybko schłodź stal. Możesz to zrobić, zanurzając ją w kąpieli olejowej, oleju szybkochłodzącym, wodzie lub powietrzu w zależności od rodzaju stali i jej wymagań. Szybkie schładzanie jest kluczowe dla uzyskania odpowiedniej twardości.
5. Oczyszczenie: Po hartowaniu, usuń wszelkie pozostałości chłodziwa z powierzchni stali. Możesz to zrobić, szlifując lub płukając stal w odpowiednich środkach czyszczących.
6. Temperowanie (opcjonalne): Po hartowaniu, stal może stać się zbyt krucha. Aby przywrócić jej elastyczność i zmniejszyć ryzyko pęknięć, można przeprowadzić proces temperowania. Polega on na ponownym ogrzewaniu stali do niższej temperatury (ok. 150°C-300°C) przez określony czas, a następnie kontrolowanym schładzaniu.
7. Testowanie: Po zakończeniu hartowania i, jeśli to konieczne, temperowania, wykonaj testy, aby upewnić się, że osiągnięto odpowiednią twardość i wytrzymałość.
8. Ostateczne obróbki: Po hartowaniu i jeśli to konieczne, temperowaniu, przystąp do obróbki końcowej, takiej jak szlifowanie, ostrzenie lub kształtowanie, aby uzyskać pożądany kształt i wykończenie.

Jaki olej do hartowania?

Ważne jest, aby dokładnie zapoznać się z wymaganiami dotyczącymi hartowania dla konkretnej stali i dostosować wybór oleju lub innej substancji chłodzącej do tych wymagań. Nieprawidłowy wybór chłodziwa może prowadzić do niepożądanych wyników, takich jak pęknięcia czy utrata twardości. Zawsze warto również stosować odpowiednie środki bezpieczeństwa, takie jak okulary ochronne i rękawice, podczas procesu hartowania.

• Olej mineralny: Olej mineralny jest stosunkowo wolnym chłodziwem i jest używany do hartowania stali o niższej zawartości węgla, takiej jak stal nierdzewna. Jest stosunkowo bezpieczny w użyciu i zapewnia bardziej równomierne chłodzenie niż woda.
• Olej szybkochłodzący: Olejek szybkochłodzący jest bardziej efektywnym chłodziwem niż olej mineralny, ale mniej agresywny niż woda. Jest używany do hartowania stali narzędziowej i narzędzi skrawających. Ten rodzaj oleju zapewnia twardość i wytrzymałość przy jednoczesnym zmniejszeniu ryzyka pęknięć.
• Olej rzepakowy: Olej rzepakowy jest podobny do oleju sojowego i może być stosowany do hartowania stali o niskiej zawartości węgla. Jest stosunkowo bezpieczny w użyciu i może zapewnić równomierne chłodzenie.
• Olejówka: Olejówka to specjalny rodzaj oleju do hartowania, który jest bardziej agresywny niż olej szybkochłodzący, ale mniej agresywny niż woda. Jest używany do hartowania stali narzędziowej i często wykorzystywany w przemyśle.
• Woda: Woda jest najbardziej agresywnym chłodziwem i jest stosowana do hartowania wielu rodzajów stali o wysokiej zawartości węgla. Jednak stosowanie wody wymaga dużo ostrożności, ponieważ może prowadzić do pęknięć lub skrętu stali ze względu na szybkie chłodzenie.

W domowych warunkach może wystarczyć zwykły olej rzepakowy lub woda, wszystko zależy od efektu jaki chcemy osiągnąć oraz od właściwości hartowanej stali.

Stal do hartowania – rodzaje

Często pada pytanie „Jaka stal do hartowania”, wybór odpowiedniej stali do hartowania zależy od konkretnego zastosowania i wymagań, które masz wobec materiału. Stale różnią się składem chemicznym, twardością, wytrzymałością i odpornością na korozję. Oto kilka przykładów rodzajów stali, które często są hartowane:

• Stal narzędziowa (Tool Steel): Stal narzędziowa to rodzaj stali zaprojektowany specjalnie do produkcji narzędzi skrawających, matryc, wierteł i innych narzędzi. Jest hartowana, aby uzyskać wysoką twardość i wytrzymałość, co jest kluczowe dla trwałości narzędzi.
• Stal węglowa (Carbon Steel): Stal węglowa ma węgiel jako główny stopień domieszek i może być stosowana do hartowania. Jest wykorzystywana w produkcji noży, sprzętu rolniczego i innych przedmiotów wymagających twardości i ostrości.
• Stal nierdzewna (Stainless Steel): Stal nierdzewna jest często hartowana, aby poprawić jej wytrzymałość i twardość. Jest używana w różnych zastosowaniach, w tym w przemyśle spożywczym, chirurgii, produkcji narzędzi ręcznych i więcej.
• Stal stopowa (Alloy Steel): Stale stopowe zawierają różne domieszki, takie jak chrom, wanad, molibden, nikiel, co poprawia ich właściwości. Stale stopowe są często hartowane i używane w produkcji elementów maszyn, części samochodowych i innych aplikacji wymagających wytrzymałości i twardości.
• Stal sprężynowa (Spring Steel): Stal sprężynowa jest specjalnie zaprojektowana do produkcji sprężyn. Jest hartowana, aby uzyskać odpowiednią twardość i sprężystość, co pozwala na efektywne działanie sprężyn.
• Stal do narzędzi skrawających (High-Speed Steel): Stal do narzędzi skrawających, znana także jako HSS, jest używana do produkcji narzędzi tnących, takich jak wiertła, frezy i narzędzia tokarskie. Jest hartowana, aby utrzymać ostrość i wytrzymałość narzędzi przy wysokich temperaturach.
• Stal do obróbki cieplnej (Heat-Treatable Steel): Jest to ogólna kategoria stali, która może być hartowana i poddawana obróbce cieplnej w celu poprawy jej właściwości mechanicznych. W tym przypadku wybór konkretnego typu stali zależy od konkretnej aplikacji.

Przy wyborze odpowiedniej stali do hartowania należy wziąć pod uwagę wymagania dotyczące twardości, wytrzymałości, odporności na korozję, a także dostępność i koszty materiału. Jeśli nie jesteś pewien, jaki rodzaj stali jest odpowiedni dla twojego projektu, warto skonsultować się z ekspertem lub dostawcą materiałów stalowych.