Jaki jest cel hartowania stali konstrukcyjnej węglowej?

Jaki jest cel hartowania stali konstrukcyjnej węglowej?
Proces hartowania węglowej stali konstrukcyjnej obejmuje nagrzewanie stali do temperatury austenityzowania (zwykle 30-50 stopni powyżej Ac3, co wymaga całkowitego austenityzowania w przypadku stali podeutektoidalnej), utrzymywanie stali w tej temperaturze przez pewien czas, aby mikrostruktura mogła całkowicie przekształcić się w austenit, a następnie szybko schłodzić ją w ośrodku chłodzącym, takim jak woda lub olej. Jego głównym celem jest osiągnięcie „przełomowej” poprawy właściwości mechanicznych poprzez zmianę wewnętrznej mikrostruktury stali (przekształcenie austenitu w struktury nierównowagowe, takie jak martenzyt lub bainit), szczególnie pod kątem wymagań dotyczących wytrzymałości i twardości. Proces ten można podzielić na cztery główne cele:
1. Znacząco poprawić twardość stali i odporność na zużycie
Równowagowa mikrostruktura węglowej stali konstrukcyjnej (np. perlit + ferryt) ma stosunkowo niską twardość (np. twardość-stali Q235 walcowanej na gorąco wynosi około HB150-180, a stali 45 około HB170-210). To sprawia, że ​​nie nadaje się do zastosowań wymagających odporności na zużycie i zarysowania (np. odporne na zużycie powierzchnie części mechanicznych i krawędzie narzędzi). Podczas hartowania austenit szybko się ochładza (szybkość chłodzenia musi przekraczać „krytyczną szybkość chłodzenia”). Atomy nie mają czasu na dyfuzję i utworzenie perlitu równowagowego, zamiast tego są zmuszone do utworzenia martenzytu. Martenzyt jest przesyconym stałym roztworem węgla w -Fe, charakteryzującym się znacznymi zniekształceniami sieci i licznymi dyslokacjami wewnętrznymi. To znacznie zwiększa twardość:
Stal konstrukcyjna średnio-węglowa (taka jak stal 45) może po hartowaniu osiągnąć twardość HRC55-60, znacznie przekraczającą twardość stali walcowanej na gorąco.
Stal konstrukcyjna-wysokowęglowa (taka jak stal 65) może po hartowaniu osiągnąć nawet twardość HRC60-65, zbliżoną do poziomu zwykłej stali narzędziowej.
Ta wysoka twardość skutecznie poprawia odporność części na zużycie i zmniejsza zużycie podczas użytkowania (np. hartowanie prowadnic obrabiarek i boków zębów kół zębatych).
2. Znacząco poprawia wytrzymałość stali i odporność na odkształcenia
Oprócz twardości hartowanie znacznie zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i odporność na odkształcenia węglowej stali konstrukcyjnej. Ferryt w strukturze równowagowej ma wysoką plastyczność, ale niską wytrzymałość, natomiast perlit ma umiarkowaną wytrzymałość. Jednakże martenzyt może osiągnąć wzrost wytrzymałości o 50–100% w wyniku odkształcenia sieci i wzmocnienia dyslokacyjnego.
Na przykład stal 45 ma-wytrzymałość na rozciąganie po walcowaniu na gorąco wynoszącą około 600 MPa. Po hartowaniu (bez odpuszczania) wytrzymałość na rozciąganie wzrasta do ponad 1000 MPa, a granica plastyczności wzrasta z 355 MPa do ponad 800 MPa.
W przypadku części przenoszących obciążenia, odpornych na uderzenia lub odkształcenia (takich jak wały, korbowody i śruby) wysoka wytrzymałość po hartowaniu gwarantuje, że części nie odkształcą się ani nie pękną w skomplikowanych warunkach pracy, spełniając w ten sposób wymagania dotyczące obciążenia strukturalnego-nośności. 3.. Stanowi podstawę dla późniejszego procesu „odpuszczania”, w wyniku którego osiąga się „równowagę-wytrzymałości i wytrzymałości.
Chociaż węglowe stale konstrukcyjne osiągają po hartowaniu wyjątkowo wysoką twardość i wytrzymałość, mają one istotne wady: wysokie naprężenia wewnętrzne w strukturze martenzytu, słabą ciągliwość i wyjątkowo niską ciągliwość (podatność na kruche pękanie, przy absorpcji energii uderzenia zwykle tylko 5-10J). Bezpośrednie użycie może łatwo doprowadzić do awarii w wyniku niewielkich uderzeń lub koncentracji naprężeń. Dlatego hartowanie jest rzadko stosowane jako „końcowa obróbka cieplna”, ale raczej jako wstęp do procesu odpuszczania. Jego podstawową funkcją jest zapewnienie „podstawowej struktury o wysokiej-twardości i dużej wytrzymałości” umożliwiającej późniejszą regulację wydajności.
Późniejsze odpuszczanie w różnych temperaturach (odpuszczanie w niskiej-temperaturze 150-250 stopni, odpuszczanie w średniej-temperaturze 350-500 stopni i odpuszczanie w wysokiej temperaturze 500-650 stopni) może wyeliminować wewnętrzne naprężenia martenzytyczne i poprawić wytrzymałość, zachowując jednocześnie większość wytrzymałości po hartowaniu.
Na przykład po hartowaniu i odpuszczaniu-w wysokiej temperaturze (hartowanie i odpuszczanie) stali 45 twardość spada do 28-32 HRC, podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie utrzymuje się na poziomie powyżej 800 MPa, a pochłanianie energii uderzenia wzrasta do ponad 50J. Zapewnia to idealną równowagę „wysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości”, co czyni go najczęściej stosowanym kompleksowym rozwiązaniem do optymalizacji wydajności w produkcji maszyn.. 4. Poprawa lokalnej wydajności i spełnienie wymagań dotyczących „lokalnego wzmocnienia”
Niektóre części konstrukcyjne ze stali węglowej nie wymagają ogólnej wysokiej wytrzymałości (aby uniknąć ogólnej kruchości) i wymagają jedynie wzmocnienia krytycznych obszarów roboczych (takich jak powierzchnie ścieralne i obszary skupionych naprężeń). W takich przypadkach hartowanie może osiągnąć „lokalną poprawę wydajności” poprzez podejście „lokalne ogrzewanie + lokalne chłodzenie”.
Na przykład szyny prowadzące obrabiarek wymagają odporności na zużycie powierzchniowe (wysoka twardość), ale matryca szyny prowadzącej musi zachować wytrzymałość (aby uniknąć pękania udarowego). Można to osiągnąć poprzez „hartowanie indukcyjne powierzchni grzewczej”. Polega to na nagrzaniu do austenityzacji jedynie powierzchni prowadnicy i szybkim jej ochłodzeniu, w wyniku czego na powierzchni powstaje hartowany martenzyt (twardość HRC 50-55), przy jednoczesnym zachowaniu pierwotnej równowagi struktury osnowy (zachowaniu wytrzymałości).
W innym przykładzie łeb lub gwintowana część śruby wymaga odporności na ścinanie i zużycie. Lokalne hartowanie może osiągnąć krytyczną wydajność, unikając jednocześnie ogólnej kruchości i zmniejszając ryzyko awarii części.