Hartowanie i odpuszczanie: podstawy obróbki cieplnej Q&T

Co robią te dwa etapy

Hartowanie oznacza nagrzanie stali do zakresu austenitu i chłodzenie jej na tyle szybko, że austenit nie może rozpaść się na miękki ferryt i perlit. Zamiast tego przemienia się w martenzyt — twardą, silnie odkształconą strukturę, która daje stali potencjał wytrzymałości. Odpuszczanie następnie ponownie nagrzewa zahartowaną stal do umiarkowanej temperatury, wymieniając kontrolowaną ilość twardości na duży wzrost ciągliwości i plastyczności.

Żaden etap nie działa samodzielnie. Martenzyt po hartowaniu jest twardy, ale kruchy i pełen naprężeń wewnętrznych; to odpuszczanie czyni go użytecznym materiałem konstrukcyjnym.

Przebieg mikrostrukturalny

1. Austenityzowanie — zazwyczaj 30–50 °C powyżej górnej temperatury krytycznej dla danego gatunku. Węgiel i pierwiastki stopowe rozpuszczają się w austenicie; tutaj ustala się wielkość ziarna, więc przegrzanie jest kosztowne.
2. Hartowanie — olej, polimer, woda lub gaz pod wysokim ciśnieniem, dobierane według hartowności i tolerancji odkształceń. Szybkość chłodzenia musi przewyższać krytyczną szybkość chłodzenia stali w całym przekroju.
3. Odpuszczanie — prowadzone poniżej dolnej temperatury krytycznej (Ac1), zwykle w zakresie od około 150 °C do 650 °C w zależności od celu. Wydzielają się węgliki, naprężenia wewnętrzne ulegają relaksacji, a austenit szczątkowy rozpada się.

Równowaga twardość–wytrzymałość–ciągliwość

Temperatura odpuszczania jest głównym pokrętłem regulacyjnym. Niskie temperatury odpuszczania (mniej więcej 150–250 °C) utrzymują twardość blisko maksimum po hartowaniu i nadają się do narzędzi oraz części narażonych na zużycie. Odpuszczanie w średnim zakresie daje kombinacje sprężynowe. Wysokie temperatury odpuszczania (mniej więcej 500–650 °C) wytwarzają klasyczny stan po hartowaniu i odpuszczaniu dla zastosowań konstrukcyjnych: umiarkowaną twardość, wysoką granicę plastyczności i dobrą udarność — stan dostawy gatunków takich jak 4140 i 42CrMo4 w zastosowaniach na wały i śruby.

Przydatna zasada ogólna: każdy wzrost temperatury odpuszczania obniża wytrzymałość i podnosi ciągliwość, a projektant wybiera punkt na tej krzywej, którego potrzebuje zastosowanie.

Dlaczego wielkość przekroju ma znaczenie

Hartowanie chłodzi najpierw powierzchnię. W grubym przekroju rdzeń chłodzi się wolniej, może nie osiągnąć pełnego utworzenia martenzytu i kończy jako miększa mieszanina ferrytu/bainitu — a odpuszczanie nie może odzyskać twardości, której hartowanie nigdy nie wytworzyło. Dlatego:

• Normy określają właściwości mechaniczne według przekroju miarodajnego; ten sam gatunek gwarantuje mniej w pręcie 200 mm niż w pręcie 40 mm.
• Zawartość stopu (Cr, Mo, Ni, Mn, B) podnosi hartowność — głębokość, do której tworzy się martenzyt — dlatego duże części krytyczne wykorzystują gatunki stopowe, a nie zwykłą stal węglową.
• Twierdzenia o twardości na wskroś należy zawsze sprawdzać względem faktycznie obrabianego przekroju, najlepiej na próbce wyciętej z samej części.

Gdzie Q&T wpisuje się wśród obróbek

Hartowanie i odpuszczanie jest wysokowydajnym członkiem rodziny obróbki cieplnej. Normalizowanie i wyżarzanie przebudowują strukturę przy równowagowych szybkościach chłodzenia i dają umiarkowane właściwości; Q&T całkowicie omija równowagę, aby wykorzystać martenzyt, dlatego stal stopowa po hartowaniu i odpuszczaniu może zapewnić mniej więcej dwukrotnie wyższą granicę plastyczności niż ta sama stal po normalizowaniu. Kosztem jest kontrola procesu: odkształcenia, pęknięcia hartownicze i naprężenia szczątkowe są realnymi zagrożeniami, których wyżarzanie nigdy nie stwarza, a część zwykle potrzebuje naddatku na prostowanie, naddatku na szlifowanie lub obu. Ta wymiana — maksymalne właściwości w zamian za maksymalną dyscyplinę procesu — jest powodem, dla którego Q&T jest określane świadomie, część po części, a nie jako stan domyślny.