Układ żelazo–węgiel (Fe-C) to mapa, która pokazuje, jak zmienia się równowagowy stan stali przy nagrzewaniu i chłodzeniu. Najczęściej operujemy w obszarze stali, a więc poniżej około 2,1 % węgla.
W praktyce najważniejsze fazy to ferryt, czyli miękkie żelazo bogate w domieszki, austenit, czyli wysokotemperaturowa, podatna na przemiany faza, oraz cementyt, twardy węglik żelaza. Z tych składników powstają mieszaniny, które znamy jako perlit i ledeburyt. Co kluczowe, wykres Fe–C nie pokazuje wszystkiego, co rzeczywiście robimy ze stalą. Produkty szybkiego chłodzenia, takie jak martenzyt, oraz produkty przemian izotermicznych, takie jak bainit, powstają poza równowagą i dlatego na klasycznym wykresie ich nie widać. A właśnie kontrola powstawania tych „pozarównowagowych” struktur jest sercem obróbek hartowniczych.
W praktyce hutniczej i warsztatowej zanim cokolwiek zahartujemy, często chcemy stal „uspokoić”. Służy temu wyżarzanie, czyli nagrzanie do odpowiedniej temperatury, wygrzanie i wolne chłodzenie. Gdy potrzebujemy tylko uwolnić materiał od naprężeń po spawaniu, cięciu termicznym czy prostowaniu, wybierzemy wyżarzanie odprężające. W efekcie dwuteowniki i ceowniki zachowują się przewidywalnie
w montażu, a rury ze szwem mniej „pracują” w eksploatacji. Gdy po zimnym walcowaniu lub ciągnieniu na zimno blacha lub rura staje się twarda i krucha w obróbce, zastosujemy wyżarzanie rekrystalizujące: nowe, drobne ziarna odtwarzają plastyczność, a materiał znów daje się tłoczyć, giąć i ciągnąć. W stalach wysokowęglowych, z których wykonuje się elementy narzędziowe, zanim wjedzie frez i nóż, przychodzi czas na wyżarzanie zmiękczające, zwane sferoidyzującym. Dla odlewów, odkuwek i grubych przekrojów, które mają w sobie segregację składu lub niejednorodne ziarno po walcowaniu, stosujemy odmiany wyżarzania, które homogenizują skład i porządkują strukturę.
Jeśli wyżarzanie jest porządkowaniem, to normalizowanie jest swoistym „resetem” ziarna. Podnosimy temperaturę powyżej zakresu austenitu, wygrzewamy, a potem chłodzimy na powietrzu. Dzięki temu po procesach kucia i walcowania, po odlewaniu albo po intensywnej obróbce cieplno-mechanicznej wracamy do stanu drobnoziarnistej, jednorodnej mikrostruktury. Tak przygotowane blachy grube, dwuteowniki i rury bezszwowe lepiej znoszą spawanie i lepiej rozpraszają energię uderzenia. W praktyce oznacza to wyższą udarność, mniejszą wrażliwość na nieciągłość strukturalną i bardziej przewidywalne wartości granicy plastyczności oraz wytrzymałości na rozciąganie w całym przekroju. Normalizowanie bywa też etapem przygotowawczym przed dalszym hartowaniem, bo wyrównuje startowe warunki
w materiale.
Hartowanie to najbardziej kojarzona z „utwardzaniem” obróbka i zarazem ta, która najłatwiej potrafi skomplikować życie, jeśli wykona się ją nieodpowiednio. Zaczyna się od austenityzacji, czyli nagrzania do temperatury, w której cała stal jest austenitem, a kończy gwałtownym chłodzeniem, które zamienia austenit w martenzyt. Twardość rośnie wtedy skokowo, ale jednocześnie rosną naprężenia i kruchość. Zależnie od grubości przekroju, składu chemicznego i wymaganych tolerancji kształtu dobiera się środek chłodzący i reżim procesu. W grubszych elementach stosuje się hartowanie stopniowe, które zmniejsza ryzyko pęknięć i paczenia, a gdy celem jest uzyskanie bainitu i kompromisu między twardością,
a ciągliwością – hartowanie izotermiczne. Jeśli zależy nam na wzmocnieniu tylko wybranych stref, używamy hartowania powierzchniowego: indukcyjnego, płomieniowego lub laserowego. Zęby kół, bieżnie wałów, obrzeża formujących narzędzi blacharskich czy główki szyn zyskują twardą skórę
o głębokości od około jednego do kilku milimetrów, podczas gdy rdzeń pozostaje plastyczny i odporny na udary.
Mądre hartowanie niemal zawsze łączy się z odpuszczaniem. Krótko mówiąc, po zahartowaniu stal trzeba „odkruszyć”. Odpuszczamy po to, by skasować część naprężeń, wytrącić z martenzytu drobne węgliki
i ustawić materiał na docelowej pozycji równowagi między twardością a ciągliwością. Przy niskich temperaturach odpuszczania zachowujemy większość twardości, co ma znaczenie dla elementów narzędziowych i warstw nawęglanych. Przy średnich temperaturach budujemy sprężystość i odporność zmęczeniową, czego oczekują sprężyny czy resory. Przy wysokich temperaturach odpuszczania, czyli
w tzw. ulepszaniu cieplnym, uzyskujemy bardzo dobry zestaw własności dla części nośnych: wysoką wytrzymałość, rozsądną plastyczność i solidną udarność. To z tego powodu wały, sworznie, korpusy maszyn i elementy złączne w wykonaniu jakościowym tak często mają w certyfikacie wpis „Q&T”, czyli hartowane i odpuszczane.
Osobną rodziną procesów są obróbki cieplno-chemiczne. Tu nie tylko przemieniamy fazy, ale
i modyfikujemy skład chemiczny warstwy wierzchniej. W najpopularniejszym wariancie, nawęglaniu, wprowadzamy węgiel do powierzchni w wysokiej temperaturze, a następnie hartujemy. Rezultatem jest bardzo twarda, odporna na ścieranie warstwa o grubości od dziesiątych części do kilku milimetrów, przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwego rdzenia. To rozwiązanie stworzone dla kół zębatych, krzywek, wałków rozrządu czy sworzni, gdzie współistnieją dociski powierzchniowe, tarcie i obciążenia udarowe. W azotowaniu, realizowanym w niższych temperaturach, dyfunduje azot, tworząc ekstremalnie twarde azotki w cienkiej warstwie o niewielkiej grubości. Zaletą jest bardzo mała deformacja wymiarowa, co ceni się w tulejach, śrubach wysilenych, formach i matrycach; często nie ma potrzeby późniejszego hartowania, o ile rdzeń został wcześniej odpowiednio wzmocniony. Nitrokarburacja, czyli węgloazotowanie, łączy zalety obu procesów, dając płytką, śliską i odporną na zatarcia warstwę
w krótszym czasie. Dla wyrobów najwyższej precyzji bywa jeszcze jeden krok: obróbka podzerowa po hartowaniu, potocznie „mrożenie”. Wychłodzenie do temperatur poniżej zera, sięgających nawet ciekłego azotu, powoduje przemianę austenitu szczątkowego w dodatkowy martenzyt i stabilizuje wymiary, co jest kluczowe w łożyskach i narzędziach pomiarowych. Zawsze łączymy to z odpuszczaniem, by nie zostawić materiału w stanie nadmiernej kruchości.
Wszystkie te procesy mają sens tylko wtedy, gdy widać ich efekt w konkretnym wyrobie. Blachy walcowane na zimno po serii odkształceń wymagają wyżarzania rekrystalizującego, aby znów dało się je bezpiecznie tłoczyć i ciąć bez pęknięć przy krawędziach. Blachy grube do konstrukcji stalowych najlepiej sprawdzają się w stanie normalizowanym, który zapewnia jednorodną udarność na grubości i ułatwia spawanie bez niespodzianek. Blachy trudnościeralne to z kolei klasyka hartowania i niskiego odpuszczania: w kruszarkach, lemieszach i wykładzinach liczy się odporność powierzchni, a równocześnie materiał nie może rozsypywać się jak szkło. Kształtowniki – dwuteowniki, ceowniki i kątowniki – schodzą z walcowni z historią termomechaniczną, którą dobrze jest domknąć normalizowaniem, jeśli chcemy przewidywalnych własności w montażu hal i mostów. W elementach, w których konkretny obszar jest narażony na ścieranie, ale reszta ma przenosić udary, świetnie działa hartowanie indukcyjne głównego obciążonego pasa czy krawędzi. Rury ze szwem po formowaniu i spawaniu prawie zawsze korzystają na wyżarzaniu odprężającym, a przy wyższych wymaganiach mechanicznych – na normalizowaniu całego odcinka. Rury bezszwowe po przebijaniu i walcowaniu często normalizujemy, by wyrównać mikrostrukturę, a gdy są dalej ciągnione na zimno, wplatamy wyżarzanie rekrystalizujące, by utrzymać plastyczność. W zastosowaniach ciśnieniowych kluczowy jest stan ulepszony cieplnie, zapisany w normie dla danego gatunku.
Z perspektywy kupującego i projektanta ta wiedza przekłada się na kilka praktycznych pytań, które warto zadać dostawcy, choć nie trzeba ich od razu ubierać w żargon. Najpierw warto ustalić stan dostawy: czy materiał jest walcowany na gorąco bez dodatkowych zabiegów, czy był normalizowany, czy może przeszedł pełny cykl hartowania i odpuszczania. To rozstrzyga w dużej mierze o spawalności, udarności
i zachowaniu w montażu. Kolejna sprawa to właściwości mechaniczne, które powinny być potwierdzone atestem – interesuje nas granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie i udarność wraz z temperaturą badania, zwłaszcza jeśli konstrukcja będzie pracowała na mrozie. Jeśli planujemy dużo cięcia i obróbki skrawaniem, przydadzą się informacje o twardości oraz ewentualnym wyżarzaniu zmiękczającym. Dla spawalników istotny będzie skład i równoważnik węgla, który sygnalizuje konieczność podgrzewania wstępnego. Wreszcie względy geometryczne: płaskość i falowanie blach, prostoliniowość i owalność rur, tolerancje kształtowników. To wszystko powinno znaleźć odzwierciedlenie w dokumencie odbiorowym zgodnym z EN 10204 i odpowiednią normą wyrobu.
Dokładnie w centrum. To układ żelazo-węgiel podpowiada, kiedy austenityzować, jak wysoko podnieść temperaturę, by rozpuścić wydzielenia i jednocześnie nie przegrzać ziarna, a kiedy wystarczy zejść tuż pod przemianę, by ułożyć cementyt w kształt przyjazny dla obrabiarki. To on tłumaczy, dlaczego stałe niskowęglowe nie chcą się hartować przez cały przekrój i kiedy lepiej wybrać nawęglanie albo hartowanie powierzchniowe zamiast gonienia za nierealną twardością rdzenia. To wreszcie on uzasadnia, czemu elementy cienkościenne chłodzą się inaczej niż bloki o dużej masie i dlaczego w jednych detalach lepiej jest wybrać kąpiel olejową, a w innych zbalansowane hartowanie stopniowe.
źródło: inzynierjakosci.pl
Na koniec warto spiąć całość trzema prostymi obserwacjami. Po pierwsze, stal to materiał, który daje się programować. Dobierając obróbkę cieplną i cieplno-chemiczną, ustawiamy mikrostrukturę tak, by odpowiadała zadaniu: raz ma być miękko i plastycznie na etapie wytwarzania, innym razem twardo
i odpornie w eksploatacji, a najczęściej rozsądnie pośrodku. Po drugie, stan dostawy jest równie ważny jak gatunek. Ten sam S355 potrafi zachowywać się różnie zależnie od tego, czy wyszedł z pieca normalizującego, czy prosto z walcowni. Po trzecie, dobrze postawione pytania do dostawcy oszczędzają nerwy i pieniądze na placu budowy i w serwisie. Jeśli wiemy, czego oczekujemy od blach, kształtowników i rur, i umiemy to powiązać z procesami kształtującymi mikrostrukturę, dostajemy stal, która pracuje dla nas, a nie przeciwko nam.