Austenit szczątkowy i obróbka kriogeniczna: kiedy wymrażanie się opłaca

Czym jest austenit szczątkowy

Hartowanie przekształca austenit w martenzyt pomiędzy temperaturami początku martenzytu (Ms) i końca martenzytu (Mf). W zwykłych stalach niskowęglowych Mf znajduje się powyżej temperatury pokojowej i przemiana się kończy. W stalach wysokowęglowych i wysokostopowych — stalach narzędziowych, gatunkach do nawęglania, stalach łożyskowych — zawartość węgla i stopu obniża Ms i Mf, a część austenitu po prostu nigdy się nie przekształca: austenit szczątkowy, miękka faza zmieszana w utwardzonej strukturze.

Ilości różnią się szeroko w zależności od gatunku i praktyki austenityzowania; w wysokostopowych stalach narzędziowych hartowanych z górnej części ich zakresu temperatur zgłaszane są wartości od kilku procent do mniej więcej 20–30%.

Dlaczego ma to znaczenie

• Twardość i zużycie: austenit szczątkowy jest miększy niż martenzyt, więc nadmierne ilości kosztują twardość i odporność na zmęczenie kontaktowe (stale łożyskowe są z tego powodu ściśle określane).
• Stabilność wymiarowa: austenit szczątkowy jest metastabilny. Może przekształcić się później — pod naprężeniem, ciepłem szlifowania lub zmianą temperatury — a przemiana rozszerza część. Sprawdziany, matryce precyzyjne i elementy łożyskowe, które w eksploatacji wychodzą poza tolerancję, są klasycznym objawem.
• Nie jest w całości zły: mała, kontrolowana ilość może korzystnie wpływać na ciągliwość i zachowanie przy kontakcie tocznym, a samo odpuszczanie przekształca go w dużej części (zobacz poniżej).

Środki zaradcze, w kolejności

1. Odpuszczanie. Prawidłowo dobrane odpuszczanie (a dla stali narzędziowych drugie odpuszczanie) rozkłada austenit szczątkowy i odpuszcza powstały świeży martenzyt. Dla wielu narzędzi jest to wystarczające i żadna obróbka na zimno nie jest potrzebna.
2. Obróbka wymrażania — chłodzenie świeżo zahartowanej części do około −70 do −85 °C (zakres suchego lodu lub chłodzenia mechanicznego) i krótkie trzymanie, przybliżające przemianę do Mf. Szeroko stosowana dla elementów łożyskowych i nawęglanych.
3. Głęboka obróbka kriogeniczna — chłodzenie do temperatur ciekłego azotu, około −196 °C, przy powolnym kontrolowanym chłodzeniu i ogrzewaniu, zazwyczaj trzymana przez wiele godzin i zawsze zakończona odpuszczaniem. Poza dokończeniem przemiany austenitu twierdzi się, że głębokie wymrażanie sprzyja bardzo drobnemu wydzielaniu węglików w stalach narzędziowych; korzyść dla stabilności wymiarowej jest dobrze ustalona, podczas gdy wielkość korzyści dla trwałości przy zużyciu różni się w zależności od gatunku i badania.

Zasady kolejności, które decydują o sukcesie

• Obrabiaj niezwłocznie po hartowaniu — opóźnione części mogą ustabilizować austenit, a części naprężone mogą pęknąć, jeśli zostaną pozostawione po hartowaniu.
• Chłodź i ogrzewaj stopniowo; cienkie przekroje i złożone matryce są wrażliwe na szok termiczny w obu kierunkach.
• Zawsze odpuszczaj później. Świeży martenzyt utworzony na zimno jest nieodpuszczony i kruchy; cykl kriogeniczny, który kończy się w temperaturze pokojowej bez odpuszczania, pogorszył część.

Kiedy się opłaca

Obróbka wymrażania lub kriogeniczna zarabia na swój koszt przy: sprawdzianach i wzorcach precyzyjnych, wysokiej klasy narzędziach tnących i formujących, elementach łożyskowych o wąskich limitach austenitu szczątkowego oraz matrycach, których tolerancje nie mogą pochłonąć wzrostu w eksploatacji. Dla ogólnych części maszynowych ze stali średniowęglowych — które na początku zachowują niewiele austenitu — dodaje koszt bez mechanizmu, który by go spłacił.