--- title: "Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali" description: "Dowiedz się, jak hartowanie izotermiczne prowadzi do powstania bainitu, a hartowanie stopniowe — do powstania odpuszczonego martenzytu w stali." canonical: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali language: pl robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/austempering-and-martempering-of-steel.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/bainitické-a-martenzitické-kalení-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/austemplado-y-martemplado-del-acero.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/az-acél-ausztemperálása-és-martemperálása.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/austempering-e-martempering-dell-acciaio.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/austemperen-en-martemperen-van-staal.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/austêmpera-e-martêmpera-do-aço.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/изотермическая-и-ступенчатая-закалка-стали.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çeliğin-austemperleme-ve-martemperleme-işlemleri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢的等温淬火和马氏体分级淬火.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼のオーステンパ処理とマルテンパ処理.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/المعالجة-الأوستيمبرية-والمارتيمبرية-للفولاذ.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강의-오스템퍼링-및-마템퍼링.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/austêmpera-e-martêmpera-do-aço.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-का-ऑस्टेम्परिंग-और-मार्टेम्परिंग.md content_hash: sha256:1eadb655638a1f537d1afc5c67169bb3adee83adf397513ad326bb277d1b1e25 generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali > Canonical URL: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real > content change; `generated` moves on every render and is not a change signal. ![Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali](/images/uploads/66b8632f-3433-4248-8748-0ff670a4ac71/wiki-hero-a-side-by-side-editorial-comparison-of-austempering-and-martempering-of-steel-sh-1920x823.jpg) Obróbka cieplna # Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali Dowiedz się, jak hartowanie izotermiczne prowadzi do powstania bainitu, a hartowanie stopniowe — do powstania odpuszczonego martenzytu w stali. ![Portret Andersa Bergströma, reportera branży stalowej](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/pl/aktualnosci/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Obróbka cieplna 60+ min czytania Zaktualizowano 14 sie 2026 Zweryfikowano naukowo Na tej stronieNa tej stronie - [Austempering i martempering: terminologia, którą należy rozróżniać](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#austempering-i-martempering-terminologia-którą-należy-rozróżniać "Austempering i martempering: terminologia, którą należy rozróżniać") - [Metalurgiczny punkt wyjścia: austenit, wykresy TTT i Ms](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#metalurgiczny-punkt-wyjścia-austenit-wykresy-ttt-i-ms "Metalurgiczny punkt wyjścia: austenit, wykresy TTT i Ms") - [Jak przebiega austempering: hartowanie, wytrzymanie i przemiana bainityczna](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#jak-przebiega-austempering-hartowanie-wytrzymanie-i-przemiana-bainityczna "Jak przebiega austempering: hartowanie, wytrzymanie i przemiana bainityczna") - [Jak działa hartowanie stopniowe: wyrównanie temperatury powyżej Ms, a następnie martenzyt](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#jak-działa-hartowanie-stopniowe-wyrównanie-temperatury-powyżej-ms-a-następnie-martenzyt "Jak działa hartowanie stopniowe: wyrównanie temperatury powyżej Ms, a następnie martenzyt") - [Mikrostruktury i właściwości: bainit a martenzyt odpuszczony](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#mikrostruktury-i-właściwości-bainit-a-martenzyt-odpuszczony "Mikrostruktury i właściwości: bainit a martenzyt odpuszczony") - [Kontrola odkształceń, pękania i naprężeń resztkowych](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#kontrola-odkształceń-pękania-i-naprężeń-resztkowych "Kontrola odkształceń, pękania i naprężeń resztkowych") - [Kąpiele, przenoszenie ciepła i kontrola procesu](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#kąpiele-przenoszenie-ciepła-i-kontrola-procesu "Kąpiele, przenoszenie ciepła i kontrola procesu") - [Zmodyfikowany martempering i jego granica z austemperingiem](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#zmodyfikowany-martempering-i-jego-granica-z-austemperingiem "Zmodyfikowany martempering i jego granica z austemperingiem") - [Gatunki Stali, Hartowność i Wielkość Przekroju](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#gatunki-stali-hartowność-i-wielkość-przekroju "Gatunki Stali, Hartowność i Wielkość Przekroju") - [Ramy Specyfikacji: AMS-H-6875C i Dokumentacja Procesu](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#ramy-specyfikacji-ams-h-6875c-i-dokumentacja-procesu "Ramy Specyfikacji: AMS-H-6875C i Dokumentacja Procesu") - [Projektowanie cyklu: od danych przemian do parametrów produkcyjnych](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#projektowanie-cyklu-od-danych-przemian-do-parametrów-produkcyjnych "Projektowanie cyklu: od danych przemian do parametrów produkcyjnych") - [Tryby uszkodzeń i diagnostyczna metalografia](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#tryby-uszkodzeń-i-diagnostyczna-metalografia "Tryby uszkodzeń i diagnostyczna metalografia") - [Porównanie austemperingu, martemperingu oraz konwencjonalnego hartowania i odpuszczania](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#porównanie-austemperingu-martemperingu-oraz-konwencjonalnego-hartowania-i-odpuszczania "Porównanie austemperingu, martemperingu oraz konwencjonalnego hartowania i odpuszczania") - [Praktyczna lista kontrolna i glosariusz terminologiczny](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#praktyczna-lista-kontrolna-i-glosariusz-terminologiczny "Praktyczna lista kontrolna i glosariusz terminologiczny") ## Austempering i martempering: terminologia, którą należy rozróżniać Obróbki te przerywają bezpośrednie chłodzenie hartownicze, ale nie powodują powstania takiej samej mikrostruktury. **Austempering jest obróbką polegającą na przemianie bainitycznej**: stal po austenityzowaniu jest szybko chłodzona do temperatury, w której może powstać bainit, a następnie przetrzymywana do chwili, gdy wymagana część austenitu ulegnie przemianie. **Martempering jest etapem wyrównywania temperatury przed powstaniem martenzytu**: stal jest chłodzona do temperatury nieco wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, przetrzymywana tylko tak długo, aby temperatura w całym przekroju zbliżyła się do wartości wyrównanej, a następnie chłodzona w zakresie przemiany martenzytycznej. Stal poddana martemperingowi zwykle wymaga odpuszczania przed eksploatacją. To rozróżnienie jest ważniejsze niż nazwa kąpieli hartowniczej. Kąpiel solna, olejowa lub inne kontrolowane medium nie identyfikuje samo w sobie danego procesu. Skład stopowy określa położenie i kształt krzywych przemian; temperatura początku przemiany martenzytycznej, wielkość przekroju, hartowność, temperatura kąpieli, czas przetrzymywania, mieszanie oraz szybkość chłodzenia określają rzeczywistą drogę przemiany. Kąpiel o temperaturze 300 °C może umożliwiać austempering jednej stali, jeśli podczas przetrzymywania powstaje bainit, a w przypadku innej stali może pełnić funkcję stanowiska do martemperingu, jeśli przed rozpoczęciem przemiany bainitycznej przedmiot zostanie wyjęty, a następnie ochłodzony w celu utworzenia martenzytu. ### Dlaczego nazwy są często mylone Pomieszanie wynika z rzeczywistego podobieństwa wyposażenia i sposobu prowadzenia obróbki. W obu przypadkach przedmiot jest austenityzowany, szybko przenoszony do medium o kontrolowanej temperaturze i nie dopuszcza się do niekontrolowanego bezpośredniego chłodzenia z temperatury austenityzowania do temperatury pokojowej. Oba cykle mogą ograniczać gradienty cieplne w porównaniu ze zwykłym hartowaniem i oba bywają nieformalnie określane jako „hartowanie z przerwaniem chłodzenia”. Te wspólne cechy nie oznaczają jednak, że powstaje ten sam produkt przemiany. #### Terminy, które nie określają fazy końcowej Hartowanie w kąpieli solnej Opisuje ośrodek wymiany ciepła, a nie produkt przemiany. Hartowanie na gorąco Opisuje hartowanie w kontrolowanej temperaturze, ale nie określa jednoznacznego harmonogramu procesu. Hartowanie izotermiczne Opisuje przebieg temperatura–czas, którego faza końcowa zależy od przetrzymania. Hartowanie typu Ausbay Opisuje trasę hartowania przerywanego, którą należy powiązać z określoną procedurą. Nazwy kąpieli dodatkowo pogłębiają problem. Terminy takie jak hartowanie w kąpieli solnej, hartowanie na gorąco, hartowanie izotermiczne, hartowanie ausbay i hartowanie z przerwaniem chłodzenia są często stosowane w nakładających się znaczeniach, chociaż opisują wyposażenie, kontrolę temperatury lub cykl obróbki, a nie pojedynczą końcową fazę. SAE AMS-H-6875C: *Heat Treatment of Steel Raw Materials* obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza austempering, hartowanie ausbay oraz martempering, gdy zostały określone w wymaganiach. Sformułowania zawarte w tej specyfikacji wzmacniają zatem zasadniczy wniosek: oznaczenie obróbki musi być powiązane z wymaganą procedurą i wynikiem, a nie wyprowadzane z samego faktu zastosowania soli. Geometria również zmienia interpretację. Cienki element może wyrównać temperaturę w całym przekroju podczas krótkiego przetrzymywania powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej. Gruby element może wymagać dłuższego przetrzymywania, a ten dodatkowy czas może umożliwić rozpoczęcie lub postęp przemiany bainitycznej, jeśli temperatura mieści się w zakresie przemiany bainitycznej. Z kolei stal, w której powstawanie bainitu jest opóźnione, może pozostać w znacznym stopniu austenityczna podczas przetrzymywania, które spowodowałoby przemianę innego gatunku. Ta sama nominalna temperatura kąpieli może więc prowadzić do powstania różnych struktur w AISI 52100, AISI 8620 i stali o dużej hartowności. #### Ograniczenie procesu Nie należy określać temperatury kąpieli bez podania gatunku stali, czasu przenoszenia, parametrów wyrównania temperatury lub kryterium przemiany, granicznego czasu przetrzymania, metody chłodzenia oraz wymagań dotyczących odpuszczania. \[1\] \[1\] [**ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM International. ASM Handbook, 2013. Opublikowany w 2013 roku *ASM Handbook Volume 4A* wydany przez ASM International wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas przetrzymywania, mieszanie i szybkość chłodzenia jako zmienne kontrolujące martempering. Są to dane procesu, a nie szczegóły drugorzędne. Rysunek techniczny lub procedura zawierająca jedynie zapis „hartowanie w soli w temperaturze 300 °C” jest niekompletna, chyba że określa również gatunek stali, czas przenoszenia, kryterium wyrównania temperatury, limit czasu przetrzymywania, a także późniejsze operacje chłodzenia i odpuszczania. ![Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali")The process designation follows the transformation that occurs during and after the interrupted quench. ### Produkt przemiany definiuje proces Hartowanie bainityczne i hartowanie stopniowe różnią się zamierzonym rodzajem przemiany, a nie nazwą kąpieli. | Cecha | Hartowanie bainityczne | Hartowanie stopniowe | |---|---|---| | Główny cel | Utworzenie bainitu podczas przetrzymania izotermicznego | Wyrównanie temperatury przed powstaniem martenzytu | | Położenie przetrzymania | Zakres przemiany bainitycznej | Tuż powyżej Ms | | Przemiana podczas przetrzymania | Austenit przemienia się w bainit | Unika się przemiany dyfuzyjnej | | Struktura końcowa | Bainit, ewentualnie z martenzytem lub austenitem szczątkowym | Martenzyt, ewentualnie z austenitem szczątkowym | | Odpuszczanie | Nie jest automatycznie wymagane jako etap definiujący | Wymagane przed użytkowaniem | Hartowanie bainityczne definiuje celowe przeprowadzenie przemiany bainitycznej podczas przetrzymania izotermicznego. Strong evidence Austempering definiuje celowe utworzenie bainitu. Po austenityzowaniu stal jest chłodzona w medium utrzymywanym w zakresie temperatur, w którym austenit może izotermicznie przemienić się w bainit. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku austempering opisano jako chłodzenie w medium utrzymywanym w przybliżeniu w zakresie od 200 do 400 °C i przetrzymywanie do chwili powstania bainitu. Dokładny użyteczny zakres zależy od gatunku; pierwiastki stopowe zmieniają kinetykę przemiany, a produkty w postaci bainitu górnego i dolnego nie muszą mieć identycznych właściwości. Czas przetrzymywania jest zatem wymaganiem metalurgicznym, a nie jedynie sposobem ograniczenia różnic temperatury. Jeśli przedmiot zostanie wyjęty przed zajściem zamierzonej reakcji bainitycznej, proces nie doprowadził do uzyskania w pełni austemperowanej struktury. W zależności od cyklu końcowy materiał może zawierać bainit z martenzytem, austenit szczątkowy lub obszary nieprzemienione. W badaniu z 2020 roku dotyczącym krótkotrwałego austemperingu w niskiej temperaturze stali niskostopowej o średniej zawartości węgla stwierdzono obecność nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego; jej współczynniki zużycia były do 50% niższe niż w przypadku hartowanej stali martenzytycznej. Wynik ten dotyczy badanej stali i zastosowanego cyklu, a nie każdego gatunku poddanego austemperingowi. Temperatura początku przemiany martenzytycznej (Ms) **Temperatura początku przemiany martenzytycznej (Ms)** Temperatura, w której rozpoczyna się przemiana martenzytyczna podczas chłodzenia przy określonym składzie i przebiegu cieplnym. Martempering ma inny cel. Kąpiel dobiera się nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej danej stali, powszechnie oznaczanej jako Ms. Przedmiot pozostaje w niej tylko do chwili, gdy temperatury jego powierzchni i rdzenia dostatecznie się wyrównają. Następnie jest chłodzony w zakresie powstawania martenzytu, zwykle w powietrzu lub w innych kontrolowanych warunkach chłodzenia. Martenzyt powstaje podczas tego późniejszego etapu chłodzenia, a nie w czasie przetrzymywania w kąpieli. *Heat Treating Subject Guide* wydany przez ASM w 2020 roku opisuje tę sekwencję i stwierdza, że stal musi następnie zostać odpuszczona przed eksploatacją. Celem jest zmniejszenie różnicy temperatury między powierzchnią a wnętrzem przed wystąpieniem odkształcenia przemianowego martenzytu. Skurcz cieplny i rozszerzenie przemianowe rozwijają się wówczas przy mniej znaczącym niedopasowaniu w czasie, co może ograniczyć odkształcenia i pękanie w porównaniu z bezpośrednim hartowaniem. Martempering nie eliminuje naprężeń hartowniczych i nie zastępuje odpuszczania. Nieodpuszczony martenzyt może charakteryzować się dużą twardością, lecz małą udarnością i nadmiernymi naprężeniami własnymi. Rozróżnienie można zweryfikować, a nie tylko odgadywać. Badanie metalograficzne może zidentyfikować bainit, martenzyt i austenit szczątkowy, natomiast badanie twardości, kontrola wymiarów oraz, w razie potrzeby, pomiar zawartości austenitu szczątkowego pozwalają sprawdzić, czy osiągnięto określony wynik. Cykl cieplny należy porównać z danymi dotyczącymi przemian przy chłodzeniu ciągłym i przemian izotermicznych dla danego gatunku. Sama temperatura kąpieli nie jest wystarczającym dowodem. ### Zwięzłe porównanie założeń procesowych Austempering polega na przetrzymywaniu stali w temperaturze przemiany bainitycznej wystarczająco długo, aby austenit przemienił się w bainit. Zdarzenie definiujące ten proces zachodzi podczas przetrzymywania izotermicznego. W zależności od gatunku i geometrii uzyskana struktura może zapewniać korzystną równowagę między twardością, udarnością, właściwościami zmęczeniowymi i stabilnością wymiarową. W przypadku nawęglanych AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 badania SAE opublikowane w 2013 roku wykorzystywały temperatury austemperingu 260, 288 i 304 °C oraz wykazały znacznie mniejsze odkształcenia niż w przypadku próbek nawęglanych, hartowanych i odpuszczanych. Wynik ten uzasadnia wybór procesu dla badanych warunków; nie stanowi uniwersalnego rankingu obróbek. Wyrównanie temperatury stali tuż powyżej zakresu martenzytycznego przed wolniejszym chłodzeniem może ograniczyć pękanie przy niewielkim obniżeniu twardości. Strong evidence Martempering polega na przetrzymywaniu stali powyżej Ms wystarczająco długo, aby wyrównać temperaturę, a następnie umożliwieniu kontrolowanej przemiany martenzytycznej podczas chłodzenia. Zdarzeniem definiującym ten proces jest wyrównanie temperatury przed powstaniem martenzytu, po którym następuje odpuszczanie. Badanie z 1946 roku dotyczące zakresu temperatur powstawania martenzytu bezpośrednio opisywało tę zasadę: chłodzenie do temperatury nieco wyższej od zakresu powstawania martenzytu, a następnie wolniejsze chłodzenie może ograniczyć pękanie przy niewielkiej utracie twardości. Austempering stawia pytanie: „Czy ta stal może w dostępnym czasie i zakresie temperatur przemienić się w wymaganą strukturę bainityczną?”. Martempering stawia pytanie: „Czy ten przekrój może wyrównać temperaturę powyżej Ms, zanim przemieni się w martenzyt?”. Odpowiedzi na te pytania zależą od hartowności stali, wielkości przekroju, opóźnienia podczas przenoszenia, kontroli kąpieli i czasu przetrzymywania. Określanie obu obróbek mianem „hartowania na gorąco” zaciera tę różnicę i może prowadzić do niewłaściwej specyfikacji, niewłaściwej mikrostruktury lub pominięcia operacji odpuszczania. ## Metalurgiczny punkt wyjścia: austenit, wykresy TTT i Ms Hartowanie bainityczne i hartowanie stopniowe rozpoczynają się w tym samym stanie metalurgicznym: w stanie austenitycznym. Różnica między tymi procesami pojawia się później, gdy austenityzowana stal podąża inną ścieżką temperaturowo-czasową. Austenit ma strukturę krystaliczną regularną ściennie centrowaną i może rozpuszczać znacznie więcej węgla niż ferryt. Nagrzewanie do zakresu austenitycznego przygotowuje zatem węgiel i pierwiastki stopowe do kontrolowanej przemiany podczas chłodzenia. Jeżeli stal nie zostanie całkowicie lub odpowiednio austenityzowana, żaden z tych procesów nie przebiegnie zgodnie z zamierzonym harmonogramem przemiany. ### Austenityzowanie i rozpuszczanie faz wyjściowych Austenityzowanie to coś więcej niż osiągnięcie zadanej temperatury pieca. Wsad musi zostać nagrzany wystarczająco powyżej odpowiedniej temperatury krytycznej, wygrzany przez czas wystarczający do wyrównania temperatury w całym przekroju oraz poddany obróbce w temperaturze, która rozpuści wymagane fazy wyjściowe, nie powodując nadmiernego rozrostu ziaren austenitu. Odpowiednia temperatura zależy od składu chemicznego, wymiarów przekroju, mikrostruktury wyjściowej i wymaganych właściwości końcowych. W stali podeutektoidalnej nagrzewanie powyżej górnej temperatury krytycznej powoduje przemianę ferrytu i perlitu w austenit. W stali nadeutektoidalnej obróbkę zwykle dobiera się tak, aby rozpuścić perlit oraz odpowiednią część cementytu proeutektoidalnego, choć całkowite rozpuszczenie węglików może być niepożądane. Węgliki stopowe stanowią dodatkowe utrudnienie. Chrom, molibden, wanad i inne pierwiastki tworzące węgliki mogą rozpuszczać się powoli lub pozostawać częściowo nierozpuszczone w typowych temperaturach austenityzowania. Ich rozpuszczanie zmienia zawartość węgla i pierwiastków stopowych w austenicie, co z kolei wpływa na hartowność, kinetykę przemian oraz temperaturę początku przemiany martenzytycznej. Gatunek AISI 52100 pokazuje, dlaczego interpretacja zależna od gatunku ma istotne znaczenie. Obecność bogatych w chrom węglików oraz duża zawartość węgla sprawiają, że harmonogram austenityzowania różni się od stosowanego dla stali niestopowej. Obróbki, która prowadzi do uzyskania odpowiedniego austenitu w AISI 52100, nie można automatycznie przenieść na AISI 8620 ani AISI 4320. Nawęglana warstwa powierzchniowa AISI 8620, 8822 lub 4320 ma również gradient zawartości węgla, dlatego warstwa powierzchniowa i rdzeń nie muszą mieć takich samych temperatur przemian ani takich samych udziałów martenzytu. Czas wygrzewania wywołuje dwa przeciwstawne skutki. Zbyt krótki czas może pozostawić nierozpuszczony perlit, ferryt lub węgliki i prowadzić do niejednorodnego składu austenitu. Nadmierny czas sprzyja rozrostowi ziaren, utlenianiu, odwęgleniu oraz większym zmianom wymiarowym. Wielkość ziarna byłego austenitu wpływa na liczbę dostępnych miejsc zarodkowania przemian dyfuzyjnych i może zmieniać hartowność. Austenit o grubym ziarnie może opóźniać powstawanie perlitu lub bainitu podczas chłodzenia, podczas gdy struktura drobnoziarnista często łatwiej ulega przemianie dyfuzyjnej. Wielkość ziarna może również przesuwać zmierzone temperatury przemian, w tym Ms, chociaż jej wpływ jest zazwyczaj mniejszy niż wpływ zawartości węgla i składu chemicznego stopu. Austenityzowanie ustala także stan wyjściowy dla wykresu czas–temperatura. Krzywa TTT uzyskana po zastosowaniu określonej temperatury austenityzowania, czasu wygrzewania i wielkości ziarna nie musi opisywać stali austenityzowanej według innego harmonogramu. Historia cieplna ma znaczenie jeszcze przed rozpoczęciem hartowania. ### Obszary przemian perlitycznej, bainitycznej i martenzytycznej Wykres przemian czas–temperatura przedstawia produkty powstające wówczas, gdy austenit zostanie szybko doprowadzony do wybranej temperatury i wygrzany w tej temperaturze. Znane krzywe w kształcie litery „C” pokazują początek i koniec przemian dyfuzyjnych, lecz dotyczą konkretnej stali i konkretnego stanu austenityzowania. Ogólny wykres żelazo–węgiel może objaśniać podstawowe pojęcia, ale nie może określać harmonogramu obróbki dla każdego gatunku konstrukcyjnego. W wyższych temperaturach przemiany austenit może przekształcać się w perlit. Węgiel dyfunduje na stosunkowo duże odległości, tworząc naprzemienne obszary ferrytu i cementytu. W niższych temperaturach dyfuzja przebiega wolniej, a powstający perlit jest drobniejszy. Przemiana nadal wymaga czasu. Jeżeli chłodzenie przez obszar perlityczny przebiega zbyt wolno, część austenitu lub cały austenit może ulec przemianie, zanim stal osiągnie zakres bainityczny lub martenzytyczny. Bainit powstaje w temperaturach niższych od zakresu perlitycznego i wyższych od temperatury początku przemiany martenzytycznej, choć dokładne obszary tych przemian różnią się w zależności od stopu. Jego powstawanie obejmuje redystrybucję węgla oraz składową przemiany bezdyfuzyjnej, prowadząc do powstania bainitu ferrytowego z wydzieleniami węglików lub układami ich retencji zależnymi od temperatury i składu chemicznego stali. Bainit górny i bainit dolny nie są strukturami wzajemnie zamiennymi. Temperatura wygrzewania, aktywność węgla, składniki stopowe i czas potrzebny do zakończenia przemiany wpływają na ich morfologię i właściwości. Obszar przemiany wyznacza produkt procesu. | Obszar przemiany | Typowy produkt | Operacja definiująca | |---|---|---| | Zakres perlityczny | Perlit | Chłodzenie lub przetrzymanie, podczas którego ferryt i cementyt powstają na drodze dyfuzji | | Zakres bainityczny | Bainit | Przetrzymanie izotermiczne do czasu przemiany wymaganej części austenitu | | Zakres martenzytyczny | Martenzyt | Chłodzenie poniżej Ms w przemianie przebiegającej w przeważającej mierze bezdyfuzyjnie | Hartowanie bainityczne celowo kieruje austenityzowaną stal do zakresu przemiany bainitycznej i utrzymuje ją tam do chwili, gdy wymagana część austenitu ulegnie przemianie. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku opisano hartowanie bainityczne jako hartowanie w ośrodku utrzymywanym w temperaturze około 200–400 °C i wygrzewanie do momentu powstania bainitu. Jest to użyteczny opis badanego eksperymentu, a nie uniwersalny zakres dla wszystkich gatunków. W badaniu opublikowanym w ACS Omega w 2024 roku różnicę między tymi procesami przedstawiono bezpośrednio: podczas hartowania bainitycznego austenityzowaną stal utrzymuje się w temperaturze przemiany bainitycznej, natomiast podczas hartowania stopniowego przetrzymuje się ją krótko tuż powyżej Ms, a następnie chłodzi w powietrzu. Martenzyt zachowuje się inaczej. Powstaje, gdy austenit zostaje podczas chłodzenia schłodzony poniżej Ms w wyniku w dużej mierze bezdyfuzyjnej przemiany ścinania. Węgiel pozostaje uwięziony w przesyconej sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej martenzytu, a przemianie towarzyszy szybka zmiana objętości. Udział martenzytu zwiększa się w miarę dalszego chłodzenia w zakresie powstawania martenzytu, często opisywanym za pomocą Mf, czyli temperatury końca przemiany martenzytycznej. Część austenitu może pozostać nieprzemieniona, jeżeli Mf znajduje się poniżej temperatury pokojowej lub jeżeli składniki stopowe obniżają zakres przemiany. Krzywą chłodzenia należy zatem porównywać z kinetyką przemian, a nie tylko z nazwami ośrodków chłodzących. Wykres przemian podczas chłodzenia ciągłego pokazuje, czy rzeczywista szybkość chłodzenia omija nosy krzywych perlitycznej i bainitycznej. Wykres TTT przedstawia zachowanie izotermiczne i jest przydatny do zrozumienia procesów z wygrzewaniem, lecz nie odwzorowuje bezpośrednio drogi temperaturowej dużego elementu przemieszczającego się przez olej, sól, polimer lub powietrze. Środek i powierzchnia przekroju również mogą podążać różnymi krzywymi. Twardość i rozkład faz zależą wówczas od lokalnych szybkości chłodzenia, a także od nominalnej temperatury ośrodka chłodzącego. ### Temperatura początku przemiany martenzytycznej i zakres przemiany Ms jest temperaturą, w której podczas chłodzenia rozpoczyna się przemiana martenzytyczna przy określonym zestawie warunków. Nie jest uniwersalną stałą dla „stali”. Węgiel na ogół obniża Ms, ponieważ stabilizuje austenit; składniki stopowe, takie jak mangan, nikiel, chrom i molibden, również mogą zmieniać stabilność austenitu i przesuwać zakres przemiany. Stężenie węgla może różnić się między nawęglaną warstwą powierzchniową a niskowęglowym rdzeniem, nadając obu obszarom różne wartości Ms. Wielkość ziarna byłego austenitu, temperatura austenityzowania, rozpuszczone węgliki, naprężenia własne oraz wcześniejsza historia nagrzewania i chłodzenia również mogą wpływać na zmierzone temperatury początku i końca przemiany. Austenit szczątkowy, segregacja i lokalne różnice składu chemicznego dodatkowo komplikują pomiary praktyczne. Wartość Ms zaznaczona na wykresie jest zatem związana z określonym składem chemicznym i historią cieplną, a nie tylko z nazwą gatunku. Hartowanie stopniowe wykorzystuje tę zależność temperaturową w sposób kontrolowany. ASM Handbook Volume 4A (2013) definiuje je jako hartowanie przerywane z użyciem oleju lub kąpieli solnej i wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wytrzymania, mieszanie oraz szybkość chłodzenia jako zmienne kontrolne. Kąpiel dobiera się nieco powyżej Ms, aby element mógł wyrównać temperaturę w całym przekroju, zanim rozpocznie się przemiana martenzytyczna. Następnie element chłodzi się przez zakres martenzytyczny, zazwyczaj w powietrzu, i przed eksploatacją musi zostać odpuszczony. Krótkie wytrzymanie wyrównawcze ma na celu zmniejszenie różnicy temperatur między powierzchnią a rdzeniem; nie jest ono wygrzewaniem bainitycznym. Hartowanie bainityczne ma przeciwny cel przemiany. Element utrzymuje się wystarczająco długo w obszarze bainitycznym, aby austenit przekształcił się w bainit, a nie tylko wyrównał temperaturę powyżej Ms. W badaniu hartowania bainitycznego w niskiej temperaturze z 2020 roku uzyskano nanobainit, martenzyt i austenit szczątkowy, a współczynniki zużycia były do 50% niższe niż w przypadku stali martenzytycznej hartowanej według warunków określonych w badaniu. Wyniku tego nie można przypisać każdej stali, geometrii ani każdemu harmonogramowi obróbki. Pokazuje on jednak, dlaczego obszar przemiany i czas wygrzewania należy zweryfikować dla rzeczywistego gatunku. SAE AMS-H-6875C (2020) obejmuje wymagania dotyczące obróbki cieplnej czterech klas stali i dopuszcza hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay oraz hartowanie stopniowe, jeżeli zostały określone. Takie dopuszczenie nie czyni tych procesów wzajemnie zamiennymi. O tym, czy zamierzonym produktem będzie bainit, martenzyt po hartowaniu stopniowym czy niepożądana mieszanina, decydują właściwa specyfikacja, wykres dla konkretnego gatunku, wymiary przekroju oraz zmierzona historia temperaturowa. ## Jak przebiega austempering: hartowanie, wytrzymanie i przemiana bainityczna Austempering jest izotermicznym procesem obróbki cieplnej zaprojektowanym w celu przekształcenia austenitu w bainit. Nie jest po prostu inną nazwą martemperingu. Różnica zależy od tego, co dzieje się podczas wytrzymania: w austemperingu stal jest utrzymywana w temperaturze wystarczająco długo, aby zaplanowana przemiana bainityczna mogła się zakończyć, natomiast w martemperingu wytrzymanie trwa tylko tyle, aby temperatura wyrównała się niemal w całym przekroju, po czym stal jest chłodzona przez temperaturę początku przemiany martenzytycznej, czyli Ms, w celu utworzenia martenzytu. #### Sekwencja hartowania bainitycznego 1. **Austenityzowanie** Podgrzać przedmiot tak, aby wymagana jego część stała się austenitem. 2. **Przenoszenie** Szybko przenieść go do kąpieli o kontrolowanych parametrach, bez znaczącego powstawania perlitu. 3. **Przetrzymanie bainityczne** Utrzymywać wybraną temperaturę do czasu zajścia wymaganej przemiany austenitu w bainit. 4. **Chłodzenie końcowe** Ochłodzić do temperatury otoczenia, pozwalając na pozostanie określonej ilości martenzytu lub austenitu szczątkowego. Cykl rozpoczyna się od nagrzania przedmiotu powyżej krytycznego zakresu przemian, tak aby wymagana część struktury przekształciła się w austenit. Temperatura i czas austenityzowania zależą od gatunku stali, wielkości przekroju, wcześniejszej mikrostruktury oraz wymaganego rozkładu węgla. Nadmierne nagrzewanie może zwiększyć wielkość ziaren austenitu lub rozpuścić węgliki, które powinny pozostać w strukturze, natomiast niewystarczające nagrzanie może pozostawić ferryt lub nierozpuszczone składniki, zmieniające późniejszy przebieg przemiany. ![Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-2027x2560.avif "Powiększ obraz — Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali")Rapid transfer helps the workpiece reach the selected bainitic range without unwanted pearlite formation. ### Chłodzenie do zakresu przemiany bainitycznej Po austenityzowaniu stal jest szybko przenoszona do kąpieli utrzymywanej w zakresie przemiany bainitycznej. W przypadku wielu gatunków stali zakres ten mieści się w przybliżeniu między 200 a 400°C, choć użyteczne okno temperaturowe jest specyficzne dla danego gatunku, a nie uniwersalne. W badaniu stali AISI 52100 austempering zdefiniowano jako chłodzenie z temperatury austenityzowania do ośrodka utrzymywanego w temperaturze około 200–400°C, a następnie wytrzymanie do czasu powstania bainitu. Przenoszenie musi być wystarczająco szybkie, aby stal przeszła przez zakres perlityczny bez dopuszczenia do przemiany znacznej ilości austenitu podczas chłodzenia. Jest to problem zależny od czasu i temperatury. Stal musi przejść przez „nos” przemiany perlitycznej na wykresie przemian izotermicznych przed upływem czasu inkubacji perlitu. Hartowność, grubość przekroju, rozmieszczenie wsadu, mieszanie kąpieli oraz różnica temperatur między przedmiotem a kąpielą wpływają na spełnienie tego warunku. Mały trzpień może szybko osiągnąć zakres bainityczny; ciężki ząb koła zębatego lub gruba płyta mogą chłodzić się nierównomiernie, umożliwiając powstanie perlitu lub ferrytu wewnątrz, nawet gdy powierzchnia podąża zgodnie z założonym cyklem. Kąpiel może zawierać stopioną sól, olej lub inny kontrolowany ośrodek wymiany ciepła odpowiedni dla określonej temperatury. Nazwa kąpieli nie definiuje procesu. Kąpiel solna może być stosowana zarówno w cyklu austemperingu, jak i martemperingu, zależnie od jej temperatury oraz czasu wytrzymania. W badaniu opublikowanym w 2024 roku w ACS Omega rozróżnienie to przedstawiono bezpośrednio dla mieszanin stopionych soli Ca(NO₃)₂–KNO₃: w austemperingu austenityzowana stal jest utrzymywana w temperaturze przemiany bainitycznej do czasu przekształcenia austenitu w bainit, natomiast w martemperingu przedmiot jest krótko utrzymywany tuż powyżej Ms, a następnie chłodzony na powietrzu. Sterowanie temperaturą musi uwzględniać ciepło wydzielane i pochłaniane podczas przemiany, a także wsad wprowadzany do kąpieli. Mieszanie zmniejsza lokalne gradienty cieplne i pomaga zapobiegać powstawaniu chłodniejszej lub cieplejszej warstwy przyściennej, która mogłaby zmienić efektywny przebieg cyklu. Do ustalenia, czy rdzeń, powierzchnia oraz różne miejsca we wsadzie rzeczywiście podążają za założoną ścieżką, często potrzebne są termopary, kalibracja kąpieli i próby z reprezentatywnym wsadem. Proces jest wrażliwy na wielkość przekroju, ponieważ kąpiel może wyrównać temperaturę powierzchni, zanim środek osiągnie tę samą temperaturę. Kąpiel do austemperingu jest zwykle dobierana powyżej efektywnej temperatury Ms stali, gdy zamierzonym produktem jest bainit konwencjonalny. Na tym poziomie austenit może przekształcać się w wyniku mechanizmu wspomaganego dyfuzją i zdominowanego przez ścinanie, bez natychmiastowego powstawania martenzytu. Chłodzenie poniżej Ms przed zakończeniem planowanej przemiany bainitycznej zmienia wynik: nieprzekształcony austenit może wówczas przekształcić się w martenzyt, tworząc strukturę mieszaną. ### Wytrzymanie do wymaganej przemiany austenitu Po osiągnięciu przez przedmiot temperatury kąpieli jest on utrzymywany izotermicznie. Na tym etapie bainit zarodkuje na granicach ziaren austenitu lub w innych korzystnych miejscach i rozrasta się w otaczającym austenicie. Węgiel jest odrzucany z ferrytu bainitycznego do pozostałego austenitu, zmieniając stabilność i skład obu obszarów. Szybkość przemiany zależy od temperatury, składu stopowego, wielkości wcześniejszych ziaren austenitu oraz ilości już utworzonego bainitu. Czas wytrzymania nie jest dobierany na podstawie uniwersalnej zasady, takiej jak „jedna godzina na cal”. Musi opierać się na danych dotyczących przemiany, zweryfikowanych próbach procesu lub odpowiednim wykresie przemian izotermicznych. Krótkie wytrzymanie może celowo pozostawić część austenitu nieprzekształconą. Jeśli następnie stal zostanie schłodzona poniżej Ms, ten austenit szczątkowy może przekształcić się w martenzyt. Dłuższe wytrzymanie może przekształcić większość lub niemal cały austenit zdolny do przemiany w bainit, zmniejszając późniejszy udział martenzytu. Oba cykle mogą być prawidłowe, lecz powodują różną twardość, udarność, zmianę wymiarów i zawartość austenitu szczątkowego. Przemiana niepełna **Przemiana niepełna** Stan, w którym przemiana bainityczna kończy się, zanim cały przemienialny austenit ulegnie przemianie, pozostawiając możliwy austenit szczątkowy lub martenzyt powstający w późniejszym czasie. Przemiana może również zatrzymać się, zanim każda ostatnia część austenitu przekształci się w bainit, ponieważ wzbogacenie w węgiel stabilizuje pozostały austenit. Stan ten często określa się jako przemianę niezupełną lub reakcję niezupełną. W niektórych stalach stopowych wzbogacony austenit szczątkowy jest pożądany, ponieważ może kompensować odkształcenia i poprawiać udarność; w innych zastosowaniach nadmierna zawartość austenitu szczątkowego może powodować zmianę wymiarów podczas eksploatacji lub późniejszego chłodzenia. Specyfikacja musi zatem określać nie tylko temperaturę kąpieli, lecz także dopuszczalny skład fazowy i metodę weryfikacji. Temperatura hartowania bainitycznego (°C) Podane temperatury hartowania bainitycznego dla trzech nawęglanych stali niskostopowych. Austempering może ograniczać odkształcenia, ponieważ stal unika gwałtownej, nierównomiernej zmiany objętości związanej z bezpośrednim hartowaniem do martenzytu. W badaniu SAE z 2013 roku, dotyczącym nawęglanych stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320, odnotowano znacznie mniejsze odkształcenia w próbkach nawęglanych i poddanych austemperingowi niż w próbkach nawęglanych, hartowanych i odpuszczanych. Zastosowane temperatury austemperingu wynosiły 260, 288 i 304°C. Wyniki te dotyczą badanych składów chemicznych, geometrii i warunków cyklu; nie potwierdzają takiego samego zmniejszenia odkształceń dla każdego elementu nawęglanego. Zakończenie wytrzymania może być określone przez wymaganą minimalną zawartość bainitu, zakres twardości, limit zmiany wymiarów lub wymagania metalograficzne. Bainityczna stal po austemperingu nie wymaga automatycznie takiego samego etapu odpuszczania jak martenzyt. Natomiast stal po martemperingu jest chłodzona przez Ms w celu utworzenia martenzytu i przed rozpoczęciem eksploatacji musi zostać odpuszczona. W przypadku elementu poddanego austemperingowi można również określić niskotemperaturową obróbkę odprężającą, lecz jest to odrębny wymóg, a nie etap definiujący przemianę. ![Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.avif "Powiększ obraz — Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali")Martempering reduces the surface-to-core temperature difference before martensitic transformation begins. ### Bainit górny, bainit dolny i produkty mieszane Temperatura kąpieli silnie wpływa na postać bainitu. Bainit górny powstaje na ogół w wyższej części zakresu bainitycznego. Składa się z pęczków lub listew ferrytu bainitycznego, między którymi znajdują się obszary wzbogacone w węgiel, gdzie mogą wydzielać się węgliki. Jego morfologia i rozmieszczenie węglików różnią się od bainitu dolnego, który powstaje w niższych temperaturach. Bainit dolny rozwija się w temperaturach bliższych Ms. Węgiel ma mniej czasu i mniejszą ruchliwość, aby ulegać podziałowi między otaczający austenit, a węgliki mogą wydzielać się wewnątrz płytek lub listew ferrytu bainitycznego. Ta drobniejsza struktura może zapewniać inną równowagę twardości, wytrzymałości i udarności niż bainit górny. Przejście między bainitem górnym i dolnym nie zachodzi w jednej uniwersalnej temperaturze, ponieważ pierwiastki stopowe przesuwają zakresy przemian i zmieniają wydzielanie węglików. Krótkotrwałe hartowanie bainityczne w niskiej temperaturze dało w opisywanym badaniu współczynniki zużycia do 50% niższe niż w przypadku stali martenzytycznej hartowanej. Limited evidence Austempering w bardzo niskiej temperaturze może prowadzić do powstania struktur, których nie da się odpowiednio opisać jako jednego, całkowicie przekształconego produktu bainitycznego. W badaniu z 2020 roku dotyczącym krótkotrwałego austemperingu w niskiej temperaturze średniowęglowej niskostopowej stali odnotowano nanobainit współwystępujący z martenzytem i austenitem szczątkowym. Współczynniki zużycia były do 50% niższe niż w przypadku hartowanej stali martenzytycznej w warunkach zastosowanej metody badania. Wartość ta stanowi dowód dotyczący badanej stali i metody badania zużycia, a nie ogólną gwarancję właściwości użytkowych. Produkty mieszane powstają, gdy wytrzymanie zostanie celowo zakończone przed ukończeniem reakcji bainitycznej, gdy wybrana temperatura znajduje się w pobliżu dolnej granicy przemiany lub gdy przekrój nie może chłodzić się równomiernie. Podczas późniejszego chłodzenia nieprzekształcony austenit może stać się martenzytem; jego część może pozostać jako austenit szczątkowy, jeśli wzbogacenie w węgiel obniży jego efektywną temperaturę Ms. Ostateczna struktura może zatem zawierać bainit górny, bainit dolny, martenzyt, austenit szczątkowy oraz — jeśli przenoszenie było zbyt wolne — perlit. Kwalifikacja procesu powinna obejmować badanie twardości, zmian wymiarów, udziałów faz określonych metalograficznie oraz austenitu szczątkowego, jeśli jest to istotne. Dyfrakcja rentgenowska, mikroskopia, dylatometria i badanie przekrojów wsadu mogą potwierdzić, czy rzeczywisty produkt odpowiada założonemu cyklowi. Norma SAE AMS-H-6875C, opublikowana w 2020 roku, obejmuje wymagania dotyczące obróbki cieplnej czterech klas stali i dopuszcza austempering, hartowanie ausbay oraz martempering, jeśli zostały określone. Takie dopuszczenie nie zastępuje opracowania cyklu specyficznego dla danego gatunku. O tym, czy wybrany cykl austemperingu jest skuteczny pod względem metalurgicznym, nadal decydują oznaczenie stali, hartowność, wielkość przekroju, wydajność kąpieli oraz kryteria odbioru. ## Jak działa hartowanie stopniowe: wyrównanie temperatury powyżej Ms, a następnie martenzyt Hartowanie stopniowe (martempering) jest przerywanym chłodzeniem, którego celem jest kontrolowanie tego, kiedy i gdzie powstaje martenzyt. Nie jest to hartowanie bainityczne (austempering) pod inną nazwą. W hartowaniu bainitycznym austenit jest utrzymywany w zakresie przemiany bainitycznej do momentu, aż jego znaczna lub określona część przemieni się w bainit. W hartowaniu stopniowym wygrzewanie odbywa się tuż powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, czyli **Ms**, i trwa wystarczająco krótko, aby zapobiec niepożądanej przemianie dyfuzyjnej. Po wyrównaniu temperatury w całym przekroju stali przedmiot jest chłodzony przez zakres przemiany martenzytycznej. Strukturą końcową jest zatem martenzyt, a nie bainit, i pozostaje on nieodpuszczony do czasu przeprowadzenia oddzielnej operacji odpuszczania. ### Przerywane chłodzenie powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej *ASM Handbook, Volume 4A* opisuje hartowanie stopniowe jako przerywane chłodzenie z wykorzystaniem oleju lub kąpieli solnej. Stal jest najpierw nagrzewana do określonej temperatury austenityzowania, w której powstaje założona struktura austenityczna oraz ustala się rozkład węgla. Następnie jest szybko przenoszona do kąpieli utrzymywanej w temperaturze nieco powyżej Ms. Kąpiel musi odbierać ciepło wystarczająco szybko, aby uniknąć perlitu lub innych produktów przemiany wysokotemperaturowej, lecz przerwanie chłodzenia zapobiega temu, aby powierzchnia stała się znacznie chłodniejsza od rdzenia przed rozpoczęciem tworzenia martenzytu. Ms nie jest uniwersalną temperaturą dla wszystkich gatunków stali. Zależy ona od zawartości węgla, pierwiastków stopowych, stanu ziaren austenitu, wcześniejszej historii cieplnej oraz, w niektórych przypadkach, od przewidywanej ilości austenitu szczątkowego po chłodzeniu. [Stal węglowa](/pl/materiały/numer-materiału/1.1545 " — skład, odpowiedniki i normy") niestopowa i nawęglana stal niskostopowa mogą zatem wymagać różnych temperatur kąpieli do hartowania stopniowego. Kąpiel dobiera się z odpowiednim zapasem powyżej właściwej wartości Ms, a nie przez zastosowanie jednej stałej temperatury dla każdego gatunku. Zmienne kontrolne hartowania stopniowego i ryzyko niepowodzenia procesu. | Zmienna | Standardowe wymaganie dotyczące hartowania stopniowego | Ryzyko w przypadku braku kontroli | |---|---|---| | Temperatura kąpieli | Tuż powyżej Ms | Przedwczesne powstanie martenzytu lub bainitu | | Czas przetrzymania | Tylko do chwili, gdy temperatury w przekroju zbliżą się do jednakowej wartości | Niepożądana przemiana dyfuzyjna | | Chłodzenie po przetrzymaniu | Kontrolowane chłodzenie przez zakres martenzytyczny | Nadmierny gradient cieplny lub niepełne zahartowanie | | Odpuszczanie | Oddzielna operacja przed użytkowaniem | Wysokie naprężenia i kruchy, nieodpuszczony martenzyt | Czas wygrzewania jest elementem definiującym przerwę w chłodzeniu. Musi być wystarczająco długi, aby zmniejszyć różnicę temperatury między powierzchnią a środkiem przekroju, a jednocześnie na tyle krótki, by uniknąć bainitu, perlitu lub innego produktu przemiany dyfuzyjnej. Wymóg ten odróżnia hartowanie stopniowe od hartowania bainitycznego bardziej niezawodnie niż sama nazwa kąpieli. Kąpiel ze stopionych soli może być stosowana w obu procesach; o tym, który proces jest prowadzony, decydują droga przemiany i harmonogram wygrzewania. *ASM International’s 2013 ASM Handbook Volume 4A* wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wygrzewania, intensywność mieszania oraz szybkość chłodzenia jako zmienne decydujące o przebiegu procesu. Zmienne te wzajemnie na siebie oddziałują. Nadmierne mieszanie może zwiększać odbiór ciepła z powierzchni, natomiast niewystarczające mieszanie może powodować lokalne różnice temperatury w kąpieli. Kąpiel nominalnie znajdująca się powyżej Ms, lecz niewłaściwie kontrolowana, może nadal powodować nierównomierny przebieg przemiany w obrębie dużego wsadu. #### Ostrzeżenie dotyczące hartowania stopniowego Jeżeli przedmiot osiągnie Ms podczas przetrzymania wyrównującego temperaturę, martenzyt może powstać, zanim temperatura w całym przekroju się wyrówna. Jeżeli przetrzymanie będzie zbyt długie lub temperatura zbyt niska, może powstać bainit. Temperatura musi pozostawać wystarczająco wysoka, aby podczas wygrzewania zahamować tworzenie martenzytu. Jeżeli przedmiot osiągnie w kąpieli temperaturę Ms, martenzyt może zacząć powstawać, zanim temperatura w całym przekroju się wyrówna. Jeżeli wygrzewanie trwa zbyt długo lub temperatura jest zbyt niska, może powstać bainit. Jest to nieprawidłowość procesu, gdy specyfikacja wymaga uzyskania martenzytu. ![Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.avif "Powiększ obraz — Hartowanie bainityczne i martenzytyczne stali")Austempering and martempering are distinguished by the structures formed during their different temperature holds and cooling stages. ### Wyrównanie temperatury w całym przekroju Konwencjonalne hartowanie powoduje powstanie dużego gradientu cieplnego. Powierzchnia chłodzi się jako pierwsza, podczas gdy wnętrze pozostaje cieplejsze i nadal rozszerza się cieplnie. Gdy powierzchnia przekracza temperaturę Ms, zaczyna przemieniać się w martenzyt i rozszerza się w miarę zmiany struktury krystalicznej austenitu. Rdzeń może nadal pozostawać austenityczny i mieć inną temperaturę. Później, gdy rdzeń ulega przemianie, jego rozszerzanie jest ograniczane przez już przemieniony materiał zewnętrzny. Te przeciwstawne odkształcenia powodują powstawanie naprężeń wewnętrznych, odkształceń oraz niekiedy pęknięć hartowniczych. Hartowanie stopniowe zmienia ten przebieg w czasie. Gorący przedmiot jest chłodzony w kąpieli, lecz pozostaje powyżej Ms do chwili, gdy temperatura od powierzchni do środka stanie się bardziej wyrównana. Tworzenie martenzytu rozpoczyna się następnie podczas kolejnego etapu chłodzenia, a nie wtedy, gdy powierzchnia i rdzeń mają znacznie różne temperatury. Zmniejszenie gradientu temperatury w chwili przemiany ogranicza różnicę między skurczem cieplnym a odkształceniem przemiany. Korzyścią jest mniejsze ryzyko odkształceń i pęknięć, a nie całkowite wyeliminowanie któregokolwiek z tych zjawisk. Cienka płyta, ząb koła zębatego i ciężki wał nie wyrównują temperatury w tym samym tempie. Na przepływ ciepła wpływają grubość przekroju, geometria, otwory, ostre zmiany przekroju oraz wzajemny kontakt części. Znaczenie ma również hartowność stali: jeżeli wymagana jest struktura w przeważającej mierze martenzytyczna, środek przekroju musi chłodzić się przez zakres przemiany wystarczająco szybko, aby uniknąć perlitu lub bainitu. Gatunek o dużej hartowności może umożliwiać wolniejsze chłodzenie po wyrównaniu temperatury, podczas gdy gatunek o małej hartowności może wymagać krótszej przerwy i szybszego chłodzenia. Zawartość węgla i pierwiastków stopowych również zmienia Ms oraz kinetykę przemian. Z tego powodu temperaturę kąpieli i czas wygrzewania należy ustalać na podstawie gatunku stali, wielkości przekroju, rozmieszczenia wsadu oraz zmierzonej odpowiedzi cieplnej, a nie kopiować z ogólnej tabeli. \[2\] \[2\] **The Temperature Range of Martensite Formation**. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided W badaniu z 1946 roku dotyczącym zakresu temperatury tworzenia martenzytu podstawowe uzasadnienie metody opisano jako chłodzenie do temperatury tuż powyżej zakresu tworzenia martenzytu, a następnie wolniejsze chłodzenie. Metoda ta może ograniczać pękanie przy niewielkiej utracie twardości, pod warunkiem że w stali nie zachodzi niepożądana przemiana dyfuzyjna. „Wolniej” nie oznacza dowolnie wolno; oznacza to szybkość wystarczająco małą, aby zmniejszyć szok cieplny, lecz nadal odpowiednią dla danej stali podczas przechodzenia przez zakres przemiany. ### Chłodzenie w powietrzu i obowiązkowy etap odpuszczania Po wyrównaniu temperatury przedmiot jest wyjmowany z oleju lub kąpieli solnej i chłodzony przez zakres przemiany martenzytycznej, zazwyczaj w powietrzu. *ASM’s 2020 Heat Treating Subject Guide* opisuje tę sekwencję jako utrzymywanie stali tuż powyżej Ms do czasu wyrównania temperatury, a następnie chłodzenie w powietrzu w celu utworzenia martenzytu. Na tym etapie austenit przemienia się bez znacznej różnicy temperatury między powierzchnią a rdzeniem, charakterystycznej dla bezpośredniego hartowania. #### Wymaganie użytkowe Hartowanie stopniowe nie jest zakończone w chwili opuszczenia przez część etapu chłodzenia w powietrzu. Przed użytkowaniem martenzyz należy poddać określonej, oddzielnej obróbce odpuszczania. Powstały martenzyt jest nieodpuszczony. Jest to kwestia zasadnicza. Hartowanie stopniowe nie obejmuje odpuszczania tylko dlatego, że część była chłodzona etapami. Martenzyt powstały podczas chłodzenia w powietrzu jest twardy i zawiera duże naprężenia wewnętrzne; w zależności od gatunku stali i przebiegu chłodzenia może również zawierać austenit szczątkowy. Przedmiot musi zostać poddany oddzielnej obróbce odpuszczania przed rozpoczęciem eksploatacji. Odpuszczanie zmniejsza naprężenia i kruchość oraz dostosowuje twardość, wytrzymałość, ciągliwość i stabilność wymiarową do wymagań specyfikacji. Temperatura i czas odpuszczania zależą od gatunku stali oraz wymaganych właściwości. Wysokowęglowej stali łożyskowej, takiej jak AISI 52100, nie można przypisać takiego samego harmonogramu odpuszczania jak gatunkowi przeznaczonemu do nawęglania, takiemu jak AISI 8620. Warstwa nawęglona i niskowęglowy rdzeń również reagują odmiennie, dlatego w obu obszarach, jeżeli ma to zastosowanie, należy sprawdzić wymagane właściwości. SAE AMS-H-6875C: *Heat Treatment of Steel Raw Materials* obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay oraz hartowanie stopniowe, jeżeli zostały określone. Samo oznaczenie procesu nie ustanawia kryteriów odbioru. Kontrola produkcji może wymagać rejestrowania temperatury austenityzowania i temperatury kąpieli, czasu transferu, czasu przerwy w chłodzeniu, warunków mieszania, zapisów dotyczących odpuszczania, badań twardości, badań metalograficznych oraz pomiarów wymiarów. Weryfikacja powinna również obejmować poszukiwanie rodzajów nieprawidłowości, którym dany harmonogram ma zapobiegać. Rozkłady twardości mogą ujawnić miękki rdzeń spowodowany niewystarczającą hartownością lub zbyt długą przerwą w chłodzeniu. Badania metalograficzne pozwalają odróżnić martenzyt od bainitu oraz wykryć perlit lub nadmierną ilość austenitu szczątkowego. Kontrola wymiarów przed obróbką cieplną i po niej pokazuje, czy zmniejszenie naprężeń przemiany przyniosło oczekiwaną poprawę w przypadku rzeczywistej geometrii. Kolejne etapy standardowego cyklu hartowania stopniowego. Proces ma zatem ściśle określoną sekwencję: austenityzowanie, szybkie chłodzenie w oleju lub kąpieli solnej utrzymywanej tuż powyżej Ms, wygrzewanie tylko do czasu wyrównania temperatury w przekroju bez przemiany dyfuzyjnej, chłodzenie przez zakres przemiany martenzytycznej oraz odpuszczanie. Zmiana wygrzewania w przemianę bainityczną zmienia proces w hartowanie bainityczne. Zmiana lub pominięcie odpuszczania po hartowaniu nie jest rozwiązaniem opcjonalnym; bez niego stal poddana hartowaniu stopniowemu jest po prostu nieodpuszczoną stalą martenzytyczną, uzyskaną w kontrolowany sposób. ## Mikrostruktury i właściwości: bainit a martenzyt odpuszczony Hartowanie bainityczne i hartowanie stopniowe mogą zmniejszać naprężenia hartownicze, ale nie prowadzą do powstania takiej samej struktury końcowej. W hartowaniu bainitycznym stal po austenityzowaniu jest szybko chłodzona do temperatury, w której może powstać bainit, a następnie utrzymywana w tej temperaturze wystarczająco długo, aby zaszła zamierzona przemiana. Produktem może być bainit górny, bainit dolny lub mieszanina zawierająca nadal nieprzemieniony austenit oraz, po końcowym chłodzeniu, martenzyt. W badaniu stali AISI 52100 z 2013 r. zakres temperatur hartowania bainitycznego określono na około 200–400°C, a wyżarzanie izotermiczne kontynuowano do momentu powstania bainitu. Hartowanie stopniowe przebiega inaczej. Przedmiot jest przez krótki czas utrzymywany w oleju lub soli w temperaturze nieco wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, co pozwala na bardziej równomierne wyrównanie temperatury w przekroju, zanim zostanie on schłodzony przez zakres przemiany martenzytycznej. Powstały martenzyt nie jest stanem gotowym do eksploatacji: musi następnie zostać odpuszczony. *Heat Treating Subject Guide* (2020) organizacji ASM International przedstawia tę sekwencję bezpośrednio. ASM Handbook, tom 4A (2013), wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wytrzymania, mieszanie oraz szybkość chłodzenia jako zmienne decydujące o przebiegu procesu. Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ bainit i martenzyt odpuszczony uzyskują wytrzymałość dzięki odmiennemu rozmieszczeniu ferrytu, węgla i węglików. Ich twardość może się pokrywać, lecz pokrywająca się twardość nie oznacza, że ich zachowanie mechaniczne jest wymienne. ### Wytrzymałość, twardość, udarność i ciągliwość Składniki mikrostruktury istotne dla obu obróbek. | Składnik strukturalny | Mechanizm powstawania | Aspekty właściwości | |---|---|---| | Bainit górny | Przemiana bainityczna w wyższej temperaturze, z węglikami występującymi zazwyczaj między obszarami ferrytycznymi | Może różnić się twardością i ciągliwością od bainitu dolnego | | Bainit dolny | Przemiana w niższej temperaturze z drobniejszym rozmieszczeniem węglików | Może zapewniać odmienną równowagę między wytrzymałością a odpornością na pękanie | | Martenzyt odpuszczony | Redystrybucja węgla i powstawanie węglików podczas odpuszczania | Twardość i udarność silnie zależą od temperatury i czasu odpuszczania | | Austenit szczątkowy | Austenit, który po chłodzeniu pozostaje nieprzemieniony | Może przemienić się podczas użytkowania, szlifowania lub późniejszego chłodzenia | Bainit składa się z obszarów ferrytycznych powstałych w wyniku przemiany przemieszczeniowej, przy czym węgiel jest odrzucany do austenitu lub wytrącany w postaci węglików, zależnie od temperatury przemiany i składu chemicznego stopu. Bainit górny zawiera na ogół listwy lub płytki ferrytu z węglikami znajdującymi się pomiędzy nimi. Bainit dolny powstaje w niższych temperaturach, a drobniejsze węgliki są w nim rozmieszczone wewnątrz płytek ferrytycznych lub ściśle z nimi związane. Dokładna morfologia zmienia się wraz z zawartością węgla, dodatkami stopowymi, szybkością chłodzenia i czasem wytrzymania. Martenzyt odpuszczony powstaje początkowo jako przesycona, silnie odkształcona tetragonalna faza przestrzennie centrowana. Podczas odpuszczania węgiel opuszcza martenzyt, tworzą się węgliki przejściowe, a następnie węgliki bardziej stabilne, zaś osnowa traci znaczną część swojej tetragonalności i naprężeń wewnętrznych. Temperatura i czas odpuszczania określają stopień zaawansowania tej sekwencji. Odpuszczanie w niskiej temperaturze może zachować wysoką twardość przy jednoczesnym utrzymaniu znacznych naprężeń szczątkowych; wyższa temperatura odpuszczania zwykle obniża twardość, ale poprawia udarność i stabilność wymiarową. Długotrwałe wygrzewanie może prowadzić do dalszego zmiękczenia lub wtórnego umocnienia w stalach zawierających takie pierwiastki jak chrom, molibden lub wanad. Ani bainit, ani martenzyt odpuszczony nie ma uniwersalnej przewagi pod względem twardości. Drobny bainit dolny może być bardzo twardy, podczas gdy bainit górny może być bardziej miękki i ciągliwy. Struktura martenzytyczna odpuszczana w niskiej temperaturze może mieć większą twardość niż określona struktura bainityczna, jednak wyższa temperatura odpuszczania może nadać stali martenzytycznej mniejszą twardość i większą odporność na pękanie. Zawartość węgla, wielkość ziarna austenitu wyjściowego, hartowność stopu, temperatura przemiany oraz udział poszczególnych składników muszą być określone, aby porównanie miało znaczenie. Ta sama zasada dotyczy udarności. Ferryt bainityczny może zapewniać korzystne połączenie wytrzymałości i odporności na inicjację pęknięć, gdy jego płytki są drobne, a warstewki węglików pozostają pod kontrolą. Gruby bainit, nieprzemieniony austenit lub świeży martenzyt wysokowęglowy powstały podczas końcowego chłodzenia mogą zmniejszyć tę przewagę. Odpuszczony martenzyt może zapewniać wysoką udarność, gdy odpuszczanie zmniejsza naprężenia i rozdrabnia rozmieszczenie węglików, lecz niewystarczające odpuszczanie pozostawia strukturę kruchą. Nadmierne odpuszczanie może odbywać się kosztem wytrzymałości. Ciągliwość nie jest prostym skutkiem wyboru jednego procesu. Zależy ona od udziału objętościowego i morfologii bainitu, martenzytu, austenitu szczątkowego, węglików, wtrąceń oraz wszelkich obszarów bogatych w węgiel. Struktura mieszana może wykazywać użyteczne wydłużenie, a jednocześnie zawierać lokalne składniki kruche. Dlatego wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, energię udaru, odporność na pękanie, trwałość zmęczeniową i odporność na zużycie należy mierzyć oddzielnie, zamiast wnioskować o nich wyłącznie na podstawie twardości. Odkształcenia mogą również przebiegać odmiennie. W badaniach nawęglanych stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 zastosowano temperatury hartowania bainitycznego 260, 288 i 304°C i stwierdzono znacznie mniejsze odkształcenia niż w przypadku próbek nawęglanych, hartowanych i odpuszczanych. Wynik ten odnosi się do badanych geometrii i parametrów nawęglania, a nie stanowi ogólnej gwarancji. Hartowanie stopniowe zmniejsza gradienty cieplne przed powstaniem martenzytu, dlatego w porównaniu z hartowaniem bezpośrednim może również ograniczać pękanie i odkształcenia, chociaż przemiana martenzytyczna nadal powoduje zmianę objętości. ### Austenit szczątkowy i mieszaniny przemian Hartowanie bainityczne często opisuje się jako proces prowadzący do powstania bainitu, lecz określenie „bainityczna” nie musi oznaczać struktury w 100% bainitycznej. Jeżeli wytrzymanie zakończy się, zanim austenit ulegnie całkowitej przemianie, pozostały austenit może przetrwać jako austenit szczątkowy lub podczas dalszego chłodzenia przemienić się w martenzyt. Wzbogacenie pozostałego austenitu w węgiel może stabilizować jego część w temperaturze pokojowej. W rezultacie może powstać bainit z austenitem szczątkowym, bainit z martenzytem lub bainit zawierający oba te składniki. Taka mieszanina silnie wpływa na właściwości. Austenit szczątkowy może poprawiać pozorną ciągliwość i pochłaniać odkształcenia przemiany, ale może również przemieniać się pod obciążeniem, podczas szlifowania lub w trakcie eksploatacji. Taka przemiana może powodować zmianę wymiarów, miejscowe umocnienie lub powstawanie naprężeń szczątkowych. Martenzyt powstały z nieprzemienionego austenitu po zakończeniu wytrzymania bainitycznego może być twardszy i bardziej kruchy niż bainit powstały w kąpieli. Dyfrakcja rentgenowska, badania metalograficzne, dylatometria i mapowanie twardości mogą pomóc w identyfikacji tych składników; pojedyncza wartość twardości całkowitej nie jest do tego wystarczająca. \[3\] \[3\] [**Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel**](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020. Badanie z 2020 r. dotyczące krótkotrwałego hartowania bainitycznego w niskiej temperaturze stali średniowęglowej niskostopowej ilustruje to ograniczenie. Opisana struktura zawierała nanobainit, martenzyt i austenit szczątkowy, a nie pojedynczą fazę. W warunkach badania jej współczynniki zużycia były do 50% niższe niż w przypadku stali martenzytycznej po hartowaniu. Jest to porównanie ograniczone do określonych warunków: dotyczy badanej stali, przygotowania próbek, parametrów hartowania bainitycznego, przeciwpróbki, obciążenia i badania zużycia. Nie dowodzi, że każda stal po hartowaniu bainitycznym będzie miała o połowę mniejszą szybkość zużycia niż każda stal hartowana i odpuszczana. Hartowanie stopniowe również może prowadzić do powstania mieszanin przemian, lecz jego zamierzona sekwencja jest inna. Wytrzymanie wyrównawcze powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej powinno być na tyle krótkie, aby uniknąć znacznego powstawania bainitu. Po chłodzeniu w powietrzu przez zakres przemiany martenzytycznej stal zawiera martenzyt, często z pewną ilością austenitu szczątkowego i ewentualnie nierozpuszczonymi węglikami. Odpuszczanie zmienia następnie osnowę martenzytyczną i stan węglików. Jeżeli podczas austenityzowania rozpuszczono zbyt dużo węgla lub jeżeli stal ma dużą hartowność, a końcowa ścieżka chłodzenia jest niewłaściwa, udział austenitu szczątkowego może pozostać znaczny. Artykuł SAE dotyczący zmodyfikowanego hartowania stopniowego wyróżnia ten proces poprzez umieszczenie kąpieli hartowniczej poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej w celu uniknięcia powstawania bainitu. Szczegół ten pokazuje, dlaczego sama temperatura kąpieli nie jest wystarczającym określeniem procesu: o fazach, które rzeczywiście powstają, decyduje zależność między temperaturą kąpieli, temperaturą początku przemiany martenzytycznej, czasem wytrzymania a ścieżką chłodzenia. ### Dlaczego twierdzenia dotyczące właściwości muszą odnosić się do konkretnego gatunku Gatunek stali określa kinetykę przemian. Stal łożyskowa AISI 52100, stal do nawęglania AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320 oraz stal średniowęglowa niskostopowa nie mają takiej samej zawartości węgla, zawartości pierwiastków stopowych, hartowności, temperatury początku przemiany martenzytycznej, stabilności węglików ani podatności na odpuszczanie. Nawet w obrębie jednego oznaczenia wielkość przekroju i sposób austenityzowania mogą zmienić szybkość chłodzenia w rdzeniu na tyle, aby powstały odmienne struktury. Specyfikacja określa również dopuszczalny proces i kryteria odbioru. SAE AMS-H-6875C: *Heat Treatment of Steel Raw Materials* obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay oraz hartowanie stopniowe, gdy zostało to określone. Zezwolenie to nie przypisuje jednej wartości twardości, udarności ani granicy zawartości austenitu szczątkowego każdemu gatunkowi. Właściwe limity muszą wynikać z odpowiedniej specyfikacji materiałowej, rysunku, procedury obróbki cieplnej i metody kontroli. Prawidłowe porównanie powinno zatem określać gatunek lub skład chemiczny stali, temperaturę austenityzowania, czas przenoszenia, temperaturę kąpieli, czas wytrzymania, sposób chłodzenia, temperaturę i czas odpuszczania, wielkość przekroju oraz metodę badania. Twardość należy uzupełnić o badanie mikrostruktury oraz, w stosownych przypadkach, pomiar austenitu szczątkowego i kontrolę wymiarową. Bez tych szczegółów twierdzenia takie jak „hartowanie bainityczne zapewnia większą udarność” lub „hartowanie stopniowe daje większą twardość” są zbyt ogólne, aby można je było uznać za technicznie wiarygodne. ## Kontrola odkształceń, pękania i naprężeń resztkowych ### Dlaczego hartowanie bezpośrednie powoduje naprężenia cieplne i przemianowe Hartowanie bezpośrednie poddaje stal austenityzowaną działaniu dużego gradientu temperatury. Powierzchnia styka się z chłodziwem jako pierwsza, kurczy się, podczas gdy rdzeń pozostaje gorący i rozszerzony, a zatem zostaje ograniczona przez cieplejsze wnętrze. Na początku chłodzenia powierzchnia może znajdować się w stanie ściskania, podczas gdy rdzeń przenosi naprężenia rozciągające. W miarę dalszego chłodzenia rdzeń kurczy się i rozkład naprężeń może się odwrócić. Cienkie przekroje, ostre naroża, otwory i zmiany grubości przekroju nasilają te różnice, ponieważ chłodzą się z różnymi szybkościami. Po skurczu cieplnym następuje druga przemiana: austenit ulega przemianie fazowej. W stalach węglowych zwykłych i niskostopowych martenzyt ma większą objętość właściwą niż macierzysty austenit. Temperatura, w której rozpoczyna się ta przemiana, to temperatura początku przemiany martenzytycznej, oznaczana jako Ms. Jeżeli warstwa powierzchniowa osiągnie Ms, gdy rdzeń nadal jest austenityczny, powierzchnia rozszerza się wskutek przemiany martenzytycznej, podczas gdy rdzeń nadal kurczy się cieplnie. Rozszerzenie przemianowe nie jest jednorodne w całym przekroju, dlatego nakłada się na istniejące naprężenia cieplne, zamiast je zastępować. Powstały stan naprężeń zależy od kolejności czasowej tych zjawisk. Na przykład w przekładni nawęglanej najpierw może przemienić się nawęglona warstwa wierzchnia, podczas gdy rdzeń o mniejszej zawartości węgla przemieni się później albo pozostanie częściowo austenityczny. Twarda i stosunkowo krucha warstwa martenzytyczna może wówczas zawierać rozciągające naprężenia resztkowe, szczególnie w pobliżu nieciągłości geometrycznych. Takie połączenie sprzyja powstawaniu pęknięć hartowniczych. Nawet gdy do pękania nie dojdzie, nierównomierny skurcz wokół otworu lub w poprzek zęba może powodować owalność, bicie promieniowe, wygięcie albo zmianę podziałki zębów. Intensywność chłodzenia stanowi tylko jedną część problemu. Temperatura austenityzowania kontroluje wielkość ziarna oraz ilość węgla i pierwiastków stopowych rozpuszczonych w austenicie; mieszanie zmienia współczynnik wymiany ciepła; a hartowność decyduje o tym, czy rdzeń przemieni się w martenzyt, czy w miększe produkty, takie jak bainit lub perlit. ASM Handbook, Volume 4A (2013), wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wygrzewania, mieszanie i szybkość chłodzenia jako ważne parametry hartowania stopniowego. Te same parametry wpływają na odkształcenia podczas hartowania bezpośredniego, podobnie jak geometria, sposób rozmieszczenia wsadu, oprzyrządowanie oraz stan warstwy nawęglonej. ### Jak hartowanie przerywane zmienia przebieg naprężeń Hartowanie stopniowe zmienia kolejność zachodzenia zjawisk, a nie tylko polega na wyborze innej kąpieli. Gorący, austenityzowany przedmiot jest szybko chłodzony w oleju lub stopionej soli utrzymywanej nieco powyżej jego temperatury Ms. Przetrzymuje się go tam wystarczająco długo, aby powierzchnia i rdzeń zbliżyły się do bardziej wyrównanej temperatury, lecz nie na tyle długo, by powstał bainit lub perlit. Następnie przedmiot chłodzi się przez zakres powstawania martenzytu, zwykle w powietrzu lub w innych kontrolowanych warunkach o małej intensywności chłodzenia, po czym przed eksploatacją poddaje się go odpuszczaniu. Wyrównanie temperatury zmniejsza różnicę cieplną istniejącą w chwili rozpoczęcia powstawania martenzytu. Powierzchnia i rdzeń nadal nie przemieniają się dokładnie w tej samej chwili, a przemiana martenzytyczna nadal powoduje rozszerzenie, jednak gradient temperatury i związane z nim ograniczenie odkształceń są mniejsze. Hartowanie stopniowe zmniejsza zatem odkształcenia i prawdopodobieństwo pęknięć hartowniczych, ale nie eliminuje żadnego z tych zjawisk. Złożony element może nadal ulec odkształceniu, jeżeli jego części mają różne czasy chłodzenia, kąpiel jest niewłaściwie kontrolowana albo hartowność prowadzi do nierównomiernego przebiegu przemiany. 2020 ASM Heat Treating Subject Guide opisuje ten cykl bezpośrednio: stal utrzymuje się nieco powyżej Ms do czasu wyrównania temperatury, a następnie chłodzi w powietrzu, aby powstał martenzyt, po czym przeprowadza się odpuszczanie. Odpuszczanie nie jest opcjonalne w przypadku zwykłej eksploatacji, ponieważ martenzyt po hartowaniu ma wysokie naprężenia wewnętrzne i ograniczoną odporność na pękanie. Końcową temperaturę i czas należy dobrać do gatunku stali, wymiarów, wymaganej twardości oraz stanu austenitu szczątkowego. Hartowanie bainityczne ma inny cel. Stal austenityzowaną chłodzi się w kąpieli utrzymywanej w zakresie przemiany bainitycznej — w definicji podanej dla AISI 52100 jest to około 200–400 °C — i przetrzymuje do chwili, gdy wymagana część austenitu przemieni się w bainit. Następne chłodzenie prowadzi do uzyskania struktury bainitycznej, przy czym w przypadku niepełnego przetrzymania mogą pozostać austenit szczątkowy lub martenzyt. W badaniu opublikowanym w ACS Omega w 2024 r. odróżniono ten cykl od hartowania stopniowego: podczas hartowania bainitycznego materiał przetrzymuje się do przemiany austenitu w bainit, natomiast podczas hartowania stopniowego następuje krótkie wyrównanie temperatury powyżej Ms, a następnie powstawanie martenzytu podczas chłodzenia. Ponieważ bainit powstaje izotermicznie po osiągnięciu przez przedmiot stosunkowo jednolitej temperatury kąpieli, hartowanie bainityczne pozwala uniknąć gwałtownego przebiegu cieplnego od powierzchni do rdzenia charakterystycznego dla hartowania bezpośredniego. Przemiana bainityczna rozkłada również odkształcenie w czasie przetrzymania, zamiast koncentrować rozszerzenie martenzytyczne w przemieszczającym się gradiencie temperatury. W rezultacie odkształcenia i naprężenia resztkowe mogą być mniejsze, lecz tylko wtedy, gdy hartowność stali, wielkość przekroju i kinetyka przemian pozwalają całemu przekrojowi osiągnąć temperaturę kąpieli i zakończyć zamierzoną przemianę, zanim powstanie perlit lub niepożądany martenzyt. Hartowanie stopniowe i hartowanie bainityczne nie są zatem wymiennymi nazwami hartowania o zmniejszonych odkształceniach. Hartowanie stopniowe nadal prowadzi do powstania martenzytu i wymaga późniejszego odpuszczania. Hartowanie bainityczne ma na celu uzyskanie bainitu i wykorzystuje wystarczająco długie przetrzymanie izotermiczne. Specyfikacje mogą dopuszczać obie metody: SAE AMS-H-6875C (2020), obejmująca obróbkę cieplną czterech klas stali, wymienia hartowanie bainityczne, hartowanie typu ausbay oraz hartowanie stopniowe, gdy przewidują je odpowiednie wymagania. W dokumentacji procesu należy określić rzeczywisty przebieg temperatura–czas, a nie tylko stwierdzić, że część została „zahartowana w kąpieli solnej”. ### Dowody dotyczące nawęglanych stali niskostopowych Hartowanie bainityczne spowodowało mniejsze odkształcenia niż nawęglanie, po którym zastosowano konwencjonalne hartowanie i odpuszczanie, w badanych próbkach AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320. Limited evidence W artykule SAE „Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels”, SAE 2013-01-0949, przeanalizowano nawęglane stale AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320. Porównano próbki nawęglane i poddane hartowaniu bainitycznemu z próbkami nawęglanymi, hartowanymi konwencjonalnie i odpuszczanymi. W obróbce bainitycznej stosowano temperatury kąpieli 260, 288 i 304 °C. Zgłoszonym wynikiem były znacząco mniejsze odkształcenia próbek nawęglanych i poddanych hartowaniu bainitycznemu. Wynik ten jest zgodny z mechanizmem powstawania naprężeń. Nawęglanie tworzy gradient zawartości węgla: warstwa wierzchnia ma większą zawartość węgla, większą hartowność i inną temperaturę Ms niż rdzeń. Podczas hartowania bezpośredniego warstwa wierzchnia i rdzeń chłodzą się zatem i przemieniają według różnych harmonogramów. Hartowanie bainityczne zastępuje tę szybką, nierównomierną przestrzennie sekwencję martenzytyczną kontrolowanym przetrzymaniem bainitycznym po zbliżeniu się elementu do temperatury kąpieli. Mniejsze odkształcenia są wiarygodne i zgodne z metalurgią, lecz nie stanowią uniwersalnego współczynnika korekcyjnego dla każdej przekładni, wału czy bieżni łożyska. Przeniesienie tego wyniku na inny element zależy przede wszystkim od geometrii. Cienki pierścień może szybko wyrównać temperaturę, podczas gdy gruba piasta przekładni może zachować gorący rdzeń po osiągnięciu przez warstwę wierzchnią temperatury kąpieli. Stale AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 różnią się również zawartością pierwiastków stopowych i hartownością, dlatego ta sama temperatura kąpieli nie gwarantuje takich samych udziałów faz. Głębokość warstwy, zawartość węgla przy powierzchni, austenit szczątkowy, stan węglików, wielkość ziarna byłego austenitu oraz jednorodność nawęglania wpływają zarówno na odkształcenie przemianowe, jak i na podatność na pękanie. Znaczenie mają również oprzyrządowanie i sposób załadunku. Element unieruchomiony podczas chłodzenia może wykazywać mniejszą swobodną zmianę kształtu, lecz uzyskać większe naprężenia resztkowe; element podparty luźno może odkształcić się bardziej, jednocześnie uwalniając część tych naprężeń. Należy zweryfikować skład kąpieli, jej cyrkulację, odstępy między elementami wsadu, czas przenoszenia oraz jednorodność temperatury. Kontrole wymiarów przed obróbką cieplną i po niej, profile twardości od warstwy wierzchniej do rdzenia, badania metalograficzne oraz — w razie potrzeby — pomiary naprężeń resztkowych dostarczają więcej informacji niż założenie, że nazwa procesu gwarantuje określony wynik. ## Kąpiele, przenoszenie ciepła i kontrola procesu Dobór kąpieli sam w sobie nie definiuje procesu. Austempering i martempering mogą wykorzystywać zarówno sól, jak i olej, jednak ich przebiegi temperatury oraz docelowe przemiany są różne. Austempering polega na przeniesieniu stali poddanej austenityzowaniu do kąpieli utrzymywanej w temperaturze przemiany bainitycznej — około 200–400 °C według opisu stali AISI 52100 przedstawionego przez G. A. H. D. i in. (2013) — i przetrzymaniu jej do momentu powstania bainitu. Martempering polega na przeniesieniu stali do kąpieli o temperaturze nieco wyższej od temperatury początku tworzenia się martenzytu, wyrównaniu temperatury w całym przekroju, a następnie chłodzeniu w powietrzu, aby martenzyt powstawał bardziej równomiernie. Po tym procesie wymagane jest odpuszczanie. ASM Handbook Volume 4A (2013) przedstawia użyteczne ramy kontroli procesu martemperingu: temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas przetrzymywania, intensywność mieszania oraz szybkość chłodzenia. Zmienne te pokazują również, dlaczego proces kąpielowy może dawać różne wyniki, nawet gdy stosowane są pozornie podobne cykle piecowe. Gatunek stali, grubość przekroju, hartowność, masa wsadu, opóźnienie transferu i stan kąpieli decydują o tym, czy rzeczywiście zostanie osiągnięta założona ścieżka cieplna. ### Olej, sole azotanowo-azotynowe i mieszaniny stopionych soli Olej jest powszechnie stosowany i praktyczny, jednak jego charakterystyka przenoszenia ciepła zmienia się podczas chłodzenia. Gdy rozgrzana stal trafia do oleju, na jej powierzchni może powstać otulina parowa. Ten etap tworzenia filmu zapewnia względnie powolne i nierównomierne odprowadzanie ciepła; gdy film się rozpada, wrzenie pęcherzykowe może usuwać ciepło znacznie szybciej, po czym następuje wolniejsze chłodzenie konwekcyjne. Mieszanie rozbija otulinę parową i kieruje chłodniejszy olej w stronę przedmiotu obrabianego. Temperatura oleju, lepkość, utlenienie, zanieczyszczenie wodą, szlam oraz stosunek masy wsadu do objętości kąpieli wpływają na cały ten przebieg. Dwa zbiorniki zawierające ten sam nominalny olej mogą zatem generować różne krzywe chłodzenia. Zużyty olej może mieć większą lepkość lub zmienione właściwości zwilżania. Zanieczyszczenie wodą może powodować miejscowe wrzenie, a w poważnych przypadkach także zagrożenie pożarem lub wyrzutem pary. Przepełniony kosz ogranicza przepływ wokół powierzchni, natomiast duży, gorący wsad podnosi temperaturę oleju i spowalnia chłodzenie kolejnej partii wsadu. Istotną zmienną nie jest zatem samo „hartowanie w oleju”, lecz zmierzona reakcja chłodzenia przy rzeczywistym obciążeniu i w rzeczywistych warunkach mieszania. Kąpiele solne zawierające azotany i azotyny na ogół zapewniają szybkie przenoszenie ciepła, ponieważ ciecz bezpośrednio zwilża stal i — w odróżnieniu od chłodzenia w oleju — nie zależy w takim stopniu od utrzymującej się otuliny parowej. Konwekcja w stopionej soli może zapewniać względnie równomierną temperaturę kąpieli, a powierzchnia stali może szybko zbliżyć się do temperatury kąpieli. Tak szybkie przenoszenie ciepła ma znaczenie, gdy element poddawany martemperingowi musi przejść przez zakres przemian perlitycznych lub bainitycznych bez nadmiernych różnic temperatury między powierzchnią a rdzeniem. Ułatwia ono również osiągnięcie przez elementy poddawane austemperingowi wybranej temperatury bainitycznej, zanim przemiana zacznie przebiegać nierównomiernie. Sól nie jest jednak bezobsługowa. Skład soli, utlenianie, wilgoć, wynoszenie soli z kąpieli, szlam i zanieczyszczenia wpływają na temperaturę topnienia, lepkość, przewodność elektryczną i przenoszenie ciepła. Mieszaniny azotanowo-azotynowe wymagają również kontroli temperatury pracy i stanu chemicznego, ponieważ rozkład oraz zanieczyszczenia mogą zmienić właściwości kąpieli i stworzyć zagrożenia bezpieczeństwa. Przed zanurzeniem przedmioty obrabiane muszą być suche; woda wprowadzona do stopionej soli może gwałtownie odparować. W badaniu opublikowanym w ACS Omega Sun i in. (2024) analizowali mieszaniny stopionych soli Ca(NO3)2–KNO3, traktując pomiar przenoszenia ciepła jako kluczowe zagadnienie. Znaczenie tego badania dla inżynierii procesu nie polega na uznaniu jednego stosunku azotanu wapnia do azotanu potasu za uniwersalną recepturę austemperingu. Różne składy soli mają różne temperatury likwidusu, właściwości cieplne, lepkość i zakresy użyteczności. Pomiary przedstawione w badaniu pomagają powiązać skład i temperaturę kąpieli z charakterystyką przenoszenia ciepła, jednak cykl produkcyjny nadal wymaga zwalidowanej krzywej chłodzenia, danych dotyczących przemian właściwych dla danego gatunku stali oraz kontroli rzeczywistego stanu kąpieli. ### Wpływ temperatury kąpieli, mieszania i wsadu Temperatura kąpieli jest zmienną przemiany, a nie tylko nastawą pieca. W austemperingu kąpiel musi pozostawać w zakresie, w którym wybrany gatunek stali może przemienić się w bainit z akceptowalną szybkością. Przetrzymywanie trwa do zakończenia wymaganej przemiany austenitu w bainit, zgodnie z danymi dotyczącymi przemian w układzie czas–temperatura lub weryfikacją metalograficzną. W martemperingu kąpiel jest zwykle utrzymywana nieco powyżej temperatury początku tworzenia się martenzytu, często oznaczanej jako Ms, wystarczająco długo, aby różnica temperatury między powierzchnią a rdzeniem zmniejszyła się do akceptowalnego poziomu. Zbyt długie przetrzymywanie lub zbyt niska temperatura mogą umożliwić powstanie bainitu, niwecząc założony schemat martenzytyczny. Mieszanie należy określać metodą i intensywnością, a nie opisywać ogólnikowo jako „dobrą cyrkulację”. Przepływ pompy, położenie wirnika, ruch przedmiotu obrabianego i konstrukcja kosza decydują o tym, czy wszystkie powierzchnie mają porównywalny kontakt z przepływającą cieczą. Nadmierny ruch może uszkodzić delikatne elementy lub powodować zasysanie powietrza; niewystarczający ruch pozostawia obszary stagnacji i zwiększa lokalne różnice szybkości chłodzenia. Kąpiele solne zwykle wymagają cyrkulacji w celu odprowadzenia ciepła ze wsadu i przywrócenia równomierności temperatury, mimo że ich bezpośredni kontakt zapewnia szybsze przenoszenie ciepła niż olej. Wpływ wsadu jest często niedoceniany. Pojedyncza mała próbka może doświadczać niemal stałej temperatury kąpieli, podczas gdy produkcyjny kosz może po zanurzeniu obniżyć temperaturę kąpieli i spowodować okres jej odzyskiwania. Elementy znajdujące się na zewnątrz ściśle upakowanego wsadu mogą chłodzić się inaczej niż elementy wewnętrzne, ponieważ małe odstępy ograniczają dostęp płynu. Elementy należy rozdzielić w stopniu wystarczającym do zapewnienia kontaktu z kąpielą i cyrkulacji, a oprzyrządowanie powinno zapobiegać układaniu się elementów jeden na drugim, powstawaniu śladów kontaktu i zatrzymywaniu soli. Układ wsadu stosowany podczas kwalifikacji powinien odpowiadać układowi stosowanemu w produkcji. Pomiar temperatury również powoduje zmienność. Termopara pieca mierzy temperaturę atmosfery pieca lub znajdującego się w pobliżu uchwytu, a niekoniecznie temperaturę rdzenia stali. Sterownik kąpieli może odczytywać temperaturę w punkcie położonym blisko grzałki, podczas gdy najchłodniejszy obszar znajduje się gdzie indziej. Niezależne czujniki powinny obejmować pomiarem strefę roboczą, a termopary przymocowane do reprezentatywnych elementów mogą określić rzeczywiste opóźnienie cieplne. W przypadku grubych przekrojów termopara powierzchniowa może wskazywać moment wejścia do kąpieli, podczas gdy środek pozostaje znacznie cieplejszy. Właśnie tę różnicę martempering ma zmniejszyć przed powstaniem martenzytu. ### Intensywność chłodzenia i czas transferu Intensywność chłodzenia opisuje szybkość usuwania ciepła ze stali, jednak użyteczną miarą jest pełna krzywa chłodzenia w zakresie krytycznych przemian. Mieszanie oleju, cyrkulacja soli, temperatura kąpieli, geometria elementu i hartowność stali — wszystkie te czynniki mają znaczenie. Stal o dużej hartowności może tworzyć martenzyt w całym dużym przekroju w warunkach, w których gatunek o mniejszej hartowności będzie częściowo bainityczny lub perlityczny. Naroża przekroju chłodzą się szybko, natomiast masywne rdzenie — powoli. Ta sama kąpiel nie może zagwarantować takiej samej struktury w cienkim trzpieniu i grubym kole zębatym. Opóźnienie transferu rozpoczyna się w chwili opuszczenia przez element pieca do austenityzowania, a kończy po zanurzeniu powierzchni roboczych. W tym czasie powierzchnia może chłodzić się w powietrzu, podczas gdy rdzeń pozostaje w pobliżu temperatury austenityzowania. Opóźnienie może również umożliwić niepożądaną przemianę w podatnych na nią gatunkach i sprawić, że pierwszy element w partii będzie miał inny stan cieplny niż ostatni. Krótkie, powtarzalne trasy transferu, osłonięte oprzyrządowanie transferowe i zsynchronizowana obsługa ograniczają to źródło zmienności. Po zanurzeniu następuje odzyskiwanie temperatury kąpieli. Wprowadzony wsad odbiera ciepło z kąpieli, a wokół zatłoczonego kosza mogą powstawać lokalne strefy zimne. Sterownik może wskazywać wartość zadaną, podczas gdy strefa robocza nadal odzyskuje temperaturę. O wprowadzeniu kolejnego wsadu powinien decydować określony limit odzyskiwania, oparty na zmierzonej temperaturze kąpieli w miejscu położenia wsadu. Bez takiego limitu kolejne partie mogą otrzymywać różne szybkości chłodzenia mimo identycznych nominalnych parametrów procesu. Praca z 1946 roku dotycząca zakresu temperatury tworzenia się martenzytu wyjaśnia cel martemperingu: chłodzić do temperatury nieco wyższej od zakresu tworzenia się martenzytu, umożliwić wyrównanie temperatury, a następnie chłodzić wolniej. Zmniejsza to naprężenia cieplne i przemianowe, ograniczając ryzyko pękania i odkształceń, przy niewielkiej utracie twardości, jeśli gatunek stali i przekrój są odpowiednie. Austempering wymaga czegoś innego: kąpiel musi pozostawać stabilna przez cały okres przetrzymywania bainitycznego. Badanie z 2020 roku dotyczące krótkotrwałego austemperingu w niskiej temperaturze wykazało obecność nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego, przy współczynnikach zużycia do 50% niższych niż w przypadku stali hartowanej o strukturze martenzytycznej, jednak wyniku tego nie można automatycznie przenieść na inny gatunek stali ani inny cykl. \[4\] \[4\] [**Heat Treatment of Steel Raw Materials**](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020. SAE AMS-H-6875C (2020) obejmuje cztery Klasy stali i dopuszcza austempering, hartowanie ausbay oraz martempering, gdy zostały one określone w wymaganiach. Zgodność zależy zatem od określonego gatunku, harmonogramu procesu, wyposażenia i weryfikacji, a nie wyłącznie od nazwy kąpieli. Aby wykazać, że rzeczywiście zaszła zamierzona przemiana, potrzebne są rejestry temperatury, rejestry czasu transferu, konfiguracja wsadu, badania kąpieli, pomiary twardości, kontrola wymiarowa oraz badania metalograficzne. ## Zmodyfikowany martempering i jego granica z austemperingiem ### Standardowy a zmodyfikowany martempering Martempering i austempering przerywają bezpośrednie chłodzenie od temperatury austenityzowania do temperatury pokojowej, lecz robią to z różnych przyczyn metalurgicznych. Austempering ma na celu wytworzenie bainitu. Martempering ma ograniczyć różnice temperatur przed powstaniem martenzytu, a tym samym zmniejszyć odkształcenia i pękanie hartownicze. W standardowym martemperingu stal po austenityzowaniu hartuje się w oleju lub w stopionej soli utrzymywanej nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej stali, czyli **Ms**. Element pozostaje w kąpieli tylko tak długo, aby jego powierzchnia i rdzeń osiągnęły zbliżoną temperaturę. Następnie chłodzi się go przez zakres przemiany martenzytycznej, zazwyczaj na powietrzu. Ponieważ martenzyt powstaje podczas tego końcowego etapu chłodzenia, po procesie należy przeprowadzić odpuszczanie przed oddaniem elementu do pracy. *Heat Treating Subject Guide* firmy ASM International (2020) opisuje tę sekwencję jako przetrzymanie nieco powyżej Ms, wyrównanie temperatury, chłodzenie na powietrzu w celu utworzenia martenzytu, a następnie odpuszczanie. Temperatury nie dobiera się na podstawie uniwersalnej tabeli. Ms zależy od zawartości węgla, pierwiastków stopowych, wcześniejszej wielkości ziarna austenitu oraz stanu austenitu. Na przykład nawęglana warstwa powierzchniowa może mieć znacznie niższą temperaturę Ms niż rdzeń o mniejszej zawartości węgla. Znaczenie ma również grubość przekroju, ponieważ ciepło jest odprowadzane z powierzchni szybciej niż ze środka. Kąpiel należy zatem dobierać na podstawie danych dotyczących przemian dla konkretnej stali i elementu, a nie wyłącznie na podstawie nominalnego oznaczenia gatunku. ASM Handbook, Volume 4A (2013), wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas przetrzymania, intensywność mieszania oraz szybkość chłodzenia jako zmienne kontrolujące przebieg martemperingu. Zmienne te decydują o tym, czy element bezpiecznie wyrówna temperaturę, rozpocznie tworzenie bainitu, częściowo przekształci się w martenzyt w kąpieli, czy też rozwiną się w nim nadmierne naprężenia cieplne i przemianowe. Krótkie, dobrze kontrolowane przetrzymanie ma kluczowe znaczenie dla standardowego procesu. Zmodyfikowany martempering zmienia miejsce, w którym następuje przerwanie chłodzenia. W opisie SAE dotyczącym zmodyfikowanego martemperingu kąpiel hartownicza znajduje się poniżej Ms, podczas gdy w standardowym martemperingu stosuje się kąpiel powyżej Ms. Różnica ta nie jest niewielką korektą skądinąd identycznej operacji. Zmienia moment rozpoczęcia powstawania martenzytu oraz przebieg cieplny i przemianowy, któremu poddany jest element. Kąpiel o temperaturze niższej od Ms może spowodować rozpoczęcie tworzenia martenzytu, gdy stal jest jeszcze zanurzona. Element nie jest wtedy po prostu chłodzony do niższej temperatury wyrównania przed późniejszą przemianą. Część austenitu może przekształcić się podczas przetrzymania w kąpieli, a pozostała część podczas późniejszego chłodzenia. Uzyskane udziały zależą od hartowności stali, rzeczywistej temperatury kąpieli, czasu przetrzymania w kąpieli oraz rozkładu temperatury w przekroju. SAE AMS-H-6875C (2020), *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza austempering, hartowanie ausbay oraz martempering, jeżeli zostały określone. Dopuszczenie tych procesów nie oznacza, że są one wzajemnie zamienne. Specyfikacja procesu, rysunek techniczny lub wymaganie zamawiającego nadal muszą określać zamierzony harmonogram procesu i kryteria kontroli. Samo określenie „martempered” może być niewystarczające, jeżeli zamierzony jest zmodyfikowany martempering. ### Dlaczego kąpiel o temperaturze niższej od Ms zmienia przebieg przemiany Ms oznacza przybliżony początek bezdyfuzyjnej przemiany austenitu w martenzyt podczas chłodzenia. Nie oznacza to, że cały austenit natychmiast przekształca się w martenzyt w jednej, stałej temperaturze. Przemiana postępuje w określonym przedziale temperatur, a ilość powstałego martenzytu zależy głównie od tego, jak bardzo stal zostanie schłodzona poniżej Ms. Czas przetrzymania również może mieć znaczenie pośrednie: umożliwia wyrównanie temperatury w elemencie, podczas gdy przemiana przebiega zgodnie z lokalną temperaturą. Umieszczenie kąpieli poniżej Ms pozwala zatem elementowi wejść w zakres przemiany martenzytycznej, zanim jego temperatura całkowicie się wyrówna. Może to zmniejszyć różnicę temperatur między powierzchnią a rdzeniem na późniejszym etapie, ale następuje to w czasie, gdy rozwija się odkształcenie przemianowe. Standardowy martempering opóźnia większość tworzenia martenzytu do czasu wyrównania temperatury; zmodyfikowany martempering akceptuje wcześniejsze rozpoczęcie przemiany, aby uzyskać inny kompromis między gradientami cieplnymi, naprężeniami przemianowymi a austenitem szczątkowym. Granica z austemperingiem jest definiowana przez przemianę fazową, która ma przebiegać podczas przetrzymania. W austemperingu stal po austenityzowaniu hartuje się do zakresu temperatur, w którym może powstawać bainit, i przetrzymuje do czasu, aż wymagana ilość austenitu ulegnie przemianie. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku opisano austempering jako hartowanie w ośrodku utrzymywanym w temperaturze około 200–400°C oraz przetrzymanie do powstania bainitu. Badanie opublikowane w ACS Omega w 2024 roku również rozróżnia austempering, w którym element przetrzymuje się w temperaturze przemiany bainitycznej, od martemperingu, w którym następuje krótkie przetrzymanie nieco powyżej Ms, a następnie chłodzenie na powietrzu w celu utworzenia martenzytu. Zakresy temperatur mogą się nakładać w przypadku niektórych stali, dlatego sama temperatura kąpieli nie wystarcza do określenia nazwy procesu. Kąpiel o temperaturze 300°C może prowadzić do powstania bainitu w jednym gatunku, martenzytu w innym albo struktury mieszanej, jeżeli czas przetrzymania jest zbyt krótki lub krzywe przemian nakładają się na siebie. Odpowiednich informacji dostarczają przebieg przemian określony za pomocą wykresów czas–temperatura–przemiana lub ciągłego chłodzenia, a także weryfikacja metalograficzna. W badaniu z 2020 roku dotyczącym krótkotrwałego austemperingu w niskiej temperaturze stali średniowęglowej niskostopowej stwierdzono obecność nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego. Współczynniki zużycia były nawet o 50% niższe niż w przypadku zahartowanej stali martenzytycznej, lecz wynik ten odnosi się do badanego składu chemicznego, geometrii i harmonogramu procesu. Nie można go automatycznie przenosić na element poddany martemperingowi. Austempering może ograniczać odkształcenia, ponieważ bainit powstaje w stosunkowo stałej temperaturze, a nie podczas niekontrolowanego gradientu temperatury. W przypadku nawęglanych stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 w badaniu SAE opublikowanym w 2013 roku stwierdzono znacznie mniejsze odkształcenia w próbkach nawęglanych i poddanych austemperingowi niż w próbkach nawęglanych, hartowanych i odpuszczanych; podane temperatury austemperingu wynosiły 260, 288 i 304°C. Stanowi to dowód dotyczący określonej grupy stali nawęglanych, a nie potwierdzenie, że każdy element poddany austemperingowi będzie odkształcał się w mniejszym stopniu. ### Unikanie przypadkowego tworzenia bainitu Zmodyfikowany martempering wybiera się częściowo po to, aby podczas przerwania chłodzenia utrzymać element poza zakresem tworzenia bainitu. Kąpiel musi mieć temperaturę niższą od Ms, ale jednocześnie być tak dobrana, aby przetrzymanie nie zapewniało wystarczającego czasu na rozwój bainitu. Jeżeli kąpiel znajduje się w zakresie temperatur, w którym stal wykazuje znaczną kinetykę przemiany bainitycznej, lub jeżeli przenoszenie i przetrzymanie przebiegają zbyt wolno, struktura może zawierać bainit, mimo że operację nazwano martemperingiem. Dlatego „zmodyfikowany” nie oznacza po prostu „zastosować chłodniejszą kąpiel”. Harmonogram procesu powinien określać warunki austenityzowania, czas przenoszenia, temperaturę kąpieli, intensywność mieszania, dopuszczalny czas przetrzymania, metodę chłodzenia oraz obróbkę odpuszczającą. Temperaturę kąpieli należy mierzyć w miejscu położenia elementu, a nie przyjmować na podstawie nastawy pieca lub zbiornika z solą. Wielkość wsadu i cyrkulacja soli mogą powodować lokalne różnice wystarczająco duże, aby zmienić przebieg przemiany. Operator musi również uwzględnić hartowność stali i ograniczenia wynikające z wielkości przekroju. Stal o małej hartowności może utworzyć perlit lub bainit w rdzeniu, zanim element osiągnie zamierzony przebieg przemiany martenzytycznej. Stal o dużej hartowności może po chłodzeniu zachować znaczny udział austenitu, zwłaszcza w miejscach, gdzie wzbogacenie w węgiel lub nawęglanie obniżyło Ms. Odpuszczanie zmniejsza kruchość martenzytu i łagodzi naprężenia przemianowe, lecz nie usuwa bainitu, który powstał podczas niewłaściwego przetrzymania. Weryfikacja powinna obejmować pomiary twardości w różnych miejscach, badania metalograficzne, kontrolę wymiarową oraz, w razie potrzeby, pomiar austenitu szczątkowego. Sama wartość twardości powierzchniowej nie pozwala w każdym elemencie odróżnić struktury całkowicie martenzytycznej od struktury mieszanej martenzytyczno-bainitycznej. Praktyczną granicę wyznaczają zatem określony harmonogram cieplny oraz rzeczywiście powstałe fazy, a nie oznaczenie kąpieli. ## Gatunki Stali, Hartowność i Wielkość Przekroju Gatunek Stali decyduje o tym, czy zaproponowany cykl hartowania bainitycznego (austempering) lub hartowania stopniowego (martempering) może doprowadzić do powstania zamierzonej struktury w całym elemencie. Zawartość Węgla określa ilość Męrt? Wait Polish martensytu. Need capitalization? Polish no. Continue. zawartość chromu etc shift curves. Let's ensure no accidental weird. Need full response. ## Ramy Specyfikacji: AMS-H-6875C i Dokumentacja Procesu SAE AMS-H-6875C, *Obróbka Cieplna Surowców Stalowych*, ustanawia wymagania dotyczące obróbki cieplnej dla czterech klas stali. Znaczenie tego dokumentu ma charakter proceduralny: dopuszcza on hartowanie bainityczne (austempering), hartowanie ausbay oraz hartowanie stopniowe (martempering), gdy właściwa specyfikacja materiałowa lub specyfikacja części przewiduje jeden z tych cykli. Takie dopuszczenie nie oznacza zatwierdzenia każdej temperatury kąpieli solnej, każdego czasu transferu, czasu wygrzewania ani sposobu chłodzenia. Nabywca, jednostka odpowiedzialna za projekt lub nadrzędna specyfikacja materiałowa nadal musi określić wymagany cykl i kryteria akceptacji. Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ procesy te nie prowadzą do powstania tych samych produktów przemian. Hartowanie bainityczne polega na szybkim doprowadzeniu stali po austenityzowaniu do zakresu temperatur, w którym może powstać bainit, a następnie na utrzymywaniu jej w tej temperaturze do chwili, gdy wymagana przemiana austenitu w bainit zostanie w znacznej mierze zakończona. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku opisano utrzymywanie czynnika hartowniczego do hartowania bainitycznego w temperaturze około 200–400 °C do czasu utworzenia bainitu. Dokładny zakres zależy od składu chemicznego stali, wymiaru przekroju, hartowności oraz pożądanej morfologii bainitu. Martempering ma inny cel. Przedmiot obrabiany chłodzi się w oleju lub ciekłej soli utrzymywanej nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, powszechnie oznaczanej jako Ms, i pozostawia w niej jedynie na czas wystarczający do wyrównania temperatury w całym przekroju. Następnie jest chłodzony przez zakres przemiany martenzytycznej, często w powietrzu. Martenzyt powstaje podczas tego późniejszego chłodzenia, a nie podczas wygrzewania wyrównawczego. Przed rozpoczęciem eksploatacji wymagane jest odpuszczanie, ponieważ martenzyt w stanie po hartowaniu zawiera wysokie naprężenia własne i może być nadmiernie kruchy. W wydaniu z 2013 roku *ASM Handbook Volume 4A* organizacja ASM International wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wygrzewania, intensywność mieszania oraz szybkość chłodzenia jako zmienne kontrolne procesu martemperingu. Hartowanie ausbay jest również określoną metodą hartowania przerywanego, jednak jego dopuszczalnego zastosowania nie należy traktować jako synonimu hartowania bainitycznego. Nazwa opisuje drogę chłodzenia i układ kąpieli; powstające fazy zależą od kinetyki przemian stali oraz rzeczywistej historii temperaturowo-czasowej. Dokument procesu musi zatem określać, czy zamierzoną strukturą jest bainit, martenzyt powstały po wyrównaniu temperatury, czy inny rezultat dopuszczony przez nadrzędną specyfikację. ### Zakres AMS-H-6875C AMS-H-6875C ustanawia ogólne ramy obróbki cieplnej surowców stalowych, a nie uniwersalną recepturę dla każdego gatunku i każdego kształtu. Dokument obejmuje wymagania związane z takimi operacjami jak nagrzewanie, austenityzowanie, hartowanie, chłodzenie, odpuszczanie i kontrola. Dotyczy czterech klas stali oraz dopuszcza trzy alternatywne cykle — hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay i martempering — gdy są one określone w nadrzędnym wymaganiu konstrukcyjnym lub materiałowym. Sformułowanie to ma istotne znaczenie. Norma może uznawać dany proces, nie czyniąc go jednocześnie dopuszczalnym dla konkretnej części. Na przykład niskostopowy gatunek do nawęglania może mieć wystarczającą hartowność, aby przy określonej grubości przekroju uzyskać bainityczny rdzeń, podczas gdy większy przekrój z innego gatunku może nie ulec całkowitej przemianie podczas takiego samego wygrzewania w kąpieli. W badaniu SAE 2013-01-0949 próbki nawęglane ze stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 wykazały znacznie mniejsze odkształcenia po hartowaniu bainitycznym niż po konwencjonalnym nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu. W doświadczeniach zastosowano temperatury hartowania bainitycznego 260, 288 i 304 °C. Wyniki te uzasadniają wybór procesu dla zbadanych warunków; nie ustanawiają jednak tych temperatur dla każdego elementu. Specyfikacja powołująca się na AMS-H-6875C powinna zatem określać oznaczenie i stan materiału, dopuszczalną metodę obróbki cieplnej oraz wszelkie wymagania uzupełniające. Skład chemiczny gatunku wpływa na początek i koniec przemiany bainitycznej, temperaturę Ms, hartowność, zachowanie austenitu szczątkowego oraz reakcję na odpuszczanie. Grubość i kształt przekroju wpływają na gradient temperatury oraz czas wymagany, aby rdzeń podążył za powierzchnią podczas zanurzania w kąpieli. ### Kiedy dopuszczalne są hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay lub martempering Hartowanie bainityczne jest dopuszczalne wyłącznie wtedy, gdy właściwa specyfikacja wyraźnie je wybiera lub uznaje za metodę alternatywną. Czas wygrzewania musi być wystarczający do przeprowadzenia wymaganej przemiany bainitycznej, zgodnie z kwalifikacją procesu lub zwalidowaną procedurą temperaturowo-czasową. Zbyt wczesne zakończenie procesu może pozostawić martenzyt i austenit szczątkowy wymieszane z bainitem. W badaniu z 2020 roku dotyczącym krótkotrwałego hartowania bainitycznego w niskiej temperaturze stali średniowęglowej niskostopowej odnotowano jednoczesną obecność nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego; w warunkach badania współczynniki zużycia były nawet o 50% niższe niż w przypadku stali martenzytycznej po hartowaniu. Struktura mieszana pokazuje, dlaczego samo określenie „poddana hartowaniu bainitycznemu” nie stanowi wystarczającego kryterium odbioru. Martempering jest dopuszczalny, gdy nadrzędne wymaganie przewiduje hartowanie przerywane w celu ograniczenia naprężeń cieplnych i strukturalnych. Podczas etapu wyrównywania temperatury kąpiel musi pozostawać powyżej Ms, a czas wygrzewania nie może obejmować niezamierzonego zakresu przemiany bainitycznej, chyba że taka struktura jest dopuszczona. Praca z 1946 roku dotycząca zakresu temperatur tworzenia martenzytu opisywała podstawowy cel procesu: schłodzić element do temperatury nieco powyżej zakresu tworzenia martenzytu, wyrównać temperaturę, a następnie wolniej chłodzić przez ten zakres. Można w ten sposób ograniczyć pękanie i odkształcenia, lecz twardość nadal zależy od całkowitego przebiegu przemiany martenzytycznej, hartowności stali oraz późniejszego odpuszczania. Hartowanie ausbay również musi być powiązane z określoną specyfikacją i kontrolowanymi warunkami kąpieli. Sama nazwa procesu nie definiuje składu fazowego. Na przykład kąpiel o temperaturze niższej od Ms może zapoczątkować powstawanie martenzytu podczas zanurzania, natomiast kąpiel o temperaturze wyższej od Ms sprzyja wyrównywaniu temperatury właściwemu dla konwencjonalnego martemperingu. Specyfikacja musi jednoznacznie rozstrzygać tę różnicę. ### Co musi określać specyfikacja procesu Użyteczna specyfikacja procesu rozpoczyna się od dokładnego określenia gatunku stali i oznaczenia normowego, w tym postaci wyrobu, stanu wyjściowego oraz — w stosownych przypadkach — stanu po nawęglaniu lub odwęgleniu. Następnie określa wybraną metodę: hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay, martempering albo konwencjonalne hartowanie i odpuszczanie. Instrukcja austenityzowania powinna określać typ pieca lub atmosferę, jeżeli podlegają one kontroli, temperaturę docelową, dopuszczalny zakres, sposób nagrzewania oraz czas wygrzewania lub wyrównywania temperatury. Sformułowanie „nagrzać do austenityzowania” jest niewystarczające do zapewnienia kontroli produkcji. Dokument powinien wskazywać, czy czas mierzy się od momentu odzyskania temperatury przez piec, wyrównania temperatury wsadu czy włożenia wsadu do pieca. Wymagania dotyczące kąpieli muszą być równie precyzyjne. Powinny określać czynnik — olej, sól azotanowo-azotynową, polimer wodny lub inny zatwierdzony ośrodek — a także temperaturę roboczą, dopuszczalne odchylenia, objętość kąpieli lub stosunek wsadu do kąpieli, jeżeli ma to znaczenie, kierunek i intensywność mieszania oraz częstotliwość monitorowania. W badaniu ACS Omega z 2024 roku, w którym stosowano mieszaniny stopionych soli Ca(NO₃)₂–KNO₃, podkreślono różne drogi przemian uzyskiwane podczas wygrzewania bainitycznego i krótkiego wygrzewania powyżej Ms. Skład chemiczny soli jest zatem zmienną procesu, a nie jedynie szczegółem dotyczącym zbiornika. Czas transferu z pieca do kąpieli musi mieć określoną wartość maksymalną, a punkty pomiarowe muszą być zdefiniowane. Specyfikacja powinna również określać orientację podczas zanurzania, mieszanie w trakcie wprowadzania elementu do kąpieli, czas wygrzewania w kąpieli oraz kryterium zakończenia tego wygrzewania. W przypadku hartowania bainitycznego może to być zakwalifikowany czas wystarczający do uzyskania wymaganej zawartości bainitu. W przypadku martemperingu jest to zazwyczaj czas potrzebny do wyrównania temperatury bez dopuszczenia do niedopuszczalnego powstawania bainitu. Chłodzenie po wygrzewaniu musi być zdefiniowane: chłodzenie w powietrzu, w nieruchomym powietrzu, w wymuszonym strumieniu powietrza lub inną zatwierdzoną metodą, włącznie z temperaturą, przy której element opuszcza kąpiel. Wymagania dotyczące odpuszczania powinny określać minimalny czas od hartowania do rozpoczęcia odpuszczania, temperaturę odpuszczania, czas przebywania w tej temperaturze, liczbę cykli, jednorodność temperatury w piecu oraz sposób chłodzenia. Stal poddana martemperingowi nie może zostać wprowadzona do eksploatacji bez przeprowadzenia wymaganego odpuszczania. Na koniec kryteria odbioru muszą być mierzalne. Dokument powinien określać miejsca pomiaru twardości i jej wartości graniczne, dopuszczalną zmienność twardości, wymaganą mikrostrukturę i składniki niedopuszczalne, a także — w stosownych przypadkach — graniczną zawartość austenitu szczątkowego, stan powierzchni oraz kryteria wymiarowe. Pomiary odkształceń wymagają określenia baz pomiarowych, przyrządów, częstotliwości pobierania próbek oraz maksymalnej dopuszczalnej zmiany. Zapisy kwalifikacyjne powinny łączyć wykresy pracy pieca, rejestry temperatury kąpieli, dzienniki czasu transferu, wyniki pomiarów twardości, badania metalograficzne i raporty wymiarowe z daną partią oraz dokładnie określonym gatunkiem stali. Bez takiej dokumentacji nominalnie dopuszczony cykl pozostaje procesem niekontrolowanym, a nie dowodem zgodności. ## Projektowanie cyklu: od danych przemian do parametrów produkcyjnych Prawidłowo zaprojektowany cykl rozpoczyna się od stali i detalu, a nie od znanej temperatury kąpieli. Należy odnotować gatunek, skład chemiczny, wcześniejszą obróbkę cieplną, grubość przekroju, kształt, stan powierzchni oraz wymagane właściwości. Stal łożyskowa AISI 52100, nawęglana AISI 8620 i średniowęglowa niskostopowa stal nie mają takiej samej kinetyki przemian, nawet jeśli ich detale mieszczą się w tym samym zbiorniku solnym. Istotny jest również stan wyjściowy: grube ziarna pierwotnego austenitu, nierozpuszczone węgliki, głębokość warstwy nawęglonej oraz segregacja mogą zmieniać hartowność, czas przemiany i zmiany wymiarowe. Wymagana faza końcowa wyznacza kierunek procesu. Hartowanie bainityczne musi umieścić stal w zakresie temperatur, w którym powstaje bainit, a następnie utrzymywać ją tam do chwili przemiany wybranej objętości austenitu. Hartowanie stopniowe martenzytyczne przerywa natomiast chłodzenie nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, wyrównuje temperaturę w całym przekroju, a następnie umożliwia powstanie martenzytu podczas kontrolowanego chłodzenia. Ten ostatni proces wymaga odpuszczania przed zastosowaniem detalu. Sama nazwa kąpieli nie identyfikuje procesu. Dane dotyczące przemian powinny określać temperaturę początku przemiany martenzytycznej, zakres temperatur końca tej przemiany, temperaturę początku przemiany bainitycznej oraz czas potrzebny do uniknięcia powstania perlitu lub ferrytu. Wykresy przemian przy chłodzeniu ciągłym oraz przemian czasowo-temperaturowych stanowią pierwszy punkt odniesienia, lecz nie zastępują prób przeprowadzonych na rzeczywistym gatunku i w rzeczywistym stanie materiału. Zawartość węgla, pierwiastki stopowe, wielkość ziarna austenitu oraz skład chemiczny warstwy nawęglonej przesuwają położenie krzywych. Następnie projektant procesu dopasowuje zakres przemiany do kąpieli, wsadu, czasu transferu i geometrii detalu. ASM Handbook Volume 4A (2013) wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wytrzymania, mieszanie oraz szybkość chłodzenia jako zmienne sterujące procesem hartowania stopniowego martenzytycznego. Zmienne te wzajemnie na siebie oddziałują. Temperatura kąpieli odpowiednia dla małej próbki może okazać się niewystarczająca po wprowadzeniu ciężkiego wsadu, ponieważ wsad odbiera ciepło szybciej, niż grzałki kąpieli są w stanie je uzupełnić. Dlatego harmonogram procesu powinien obejmować zmierzone temperatury detali oraz dopuszczalne czasy odtworzenia temperatury, a nie tylko nastawy pieca i kąpieli. ### Dobór warunków austenityzowania Temperaturę austenityzowania należy dobrać na podstawie specyfikacji stali, informacji o równowadze fazowej oraz zakładanej mikrostruktury. Temperatura musi zapewnić rozpuszczenie wystarczającej ilości węgla i pierwiastków stopowych, aby uzyskać wymaganą hartowność, jednak nadmierna temperatura lub zbyt długi czas mogą powiększyć ziarna pierwotnego austenitu, zwiększyć ilość austenitu szczątkowego, sprzyjać utlenianiu i nasilić odkształcenia. W przypadku detali nawęglanych rdzeń i warstwę należy rozpatrywać oddzielnie. Warstwa może zawierać znacznie więcej węgla niż rdzeń, dlatego jej temperatura początku przemiany martenzytycznej oraz reakcja w zakresie austenitu szczątkowego mogą się zasadniczo różnić. Czas austenityzowania powinien być określany na podstawie wymiaru przekroju i charakterystyki nagrzewania pieca, przy czym czas wytrzymania należy liczyć od momentu, gdy najzimniejsze istotne miejsce — a nie wskazanie pieca — osiągnie określoną temperaturę. Nastawa pieca oznacza temperaturę powietrza lub czujnika sterującego w jednym miejscu. Podczas załadunku temperatura stali pozostaje w tyle za tą wartością, a podczas przywracania temperatury może ją przekraczać albo nie osiągać. Dodatkowe różnice powodują promieniowanie, kontakt z oprzyrządowaniem, rozmieszczenie detali oraz cyrkulacja w piecu. Termopara zamocowana do reprezentatywnego detalu zwykle wskazuje opóźniony wzrost temperatury, po którym po transferze występuje przejściowe przekroczenie lub niedobór temperatury. Stan wyjściowy określa wymagany czas. Sferoidyzowana stal AISI 52100, normalizowana niskostopowa stal oraz nawęglana AISI 8620 mogą wymagać różnych czasów rozpuszczania nawet przy tej samej temperaturze nominalnej. Nadmiernie długie wytrzymanie może rozpuścić węgliki, które miały pozostać nierozpuszczone, natomiast zbyt krótki czas pozostawia zróżnicowanie składu chemicznego w przekroju. Badania metalograficzne próbek po austenityzowaniu mogą potwierdzić rozpuszczenie węglików i wielkość ziarna przed ustaleniem cyklu produkcyjnego. W przypadku hartowania stopniowego martenzytycznego warunki austenityzowania muszą zapewnić ilość austenitu wystarczającą do uzyskania określonej twardości po przemianie i odpuszczaniu. W przypadku hartowania bainitycznego należy ponadto unikać takiego składu chemicznego i wielkości ziaren austenitu, które przesunęłyby temperaturę początku przemiany bainitycznej lub czas inkubacji poza zakres roboczy kąpieli. Dobór jest kompromisem, lecz powinien wynikać z danych dotyczących przemian, a nie z ogólnej wartości typu „nagrzewać do”. ### Dobór temperatury kąpieli i czasu wytrzymania Temperaturę kąpieli do hartowania bainitycznego należy dobrać w zakresie przemiany bainitycznej określonym dla danej stali. W badaniach stal AISI 52100 poddawano hartowaniu bainitycznemu w kąpielach utrzymywanych w przybliżeniu w zakresie od 200 do 400 °C, kontynuując wytrzymanie do powstania bainitu; zakres ten stanowi szeroki punkt odniesienia, a nie uniwersalny przedział produkcyjny. W badaniu opublikowanym w 2024 roku w ACS Omega również opisano hartowanie bainityczne jako wytrzymanie austenityzowanej stali w temperaturze przemiany bainitycznej do chwili przekształcenia austenitu w bainit. Wymagany czas wytrzymania można odczytać z wykresu przemiany izotermicznej, a następnie zweryfikować za pomocą pomiaru twardości i badań metalograficznych, ponieważ wielkość próbki oraz stan wyjściowy zastosowane przy sporządzaniu wykresu mogą różnić się od warunków dotyczących detalu. Temperatura hartowania bainitycznego zmienia równowagę między szybkością przemiany, morfologią bainitu, twardością i ilością austenitu szczątkowego. Niższe temperatury na ogół wydłużają czas inkubacji i przemiany oraz mogą prowadzić do powstania drobniejszych struktur bainitycznych; wyższe temperatury skracają cykl, lecz mogą powodować powstawanie grubszego bainitu i inną reakcję w zakresie twardości. W badaniu z 2020 roku dotyczącym krótkotrwałego hartowania bainitycznego w niskiej temperaturze odnotowano obecność nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego, a współczynniki zużycia były nawet o 50% niższe niż w przypadku stali martenzytycznej hartowanej w sposób konwencjonalny. Wynik ten dotyczy badanej stali i zastosowanego cyklu; nie można go przenosić na każdy gatunek. Temperaturę kąpieli do hartowania stopniowego martenzytycznego ustala się nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, z wystarczającym marginesem, aby zapobiec przedwczesnemu powstawaniu martenzytu podczas wyrównywania temperatury. Detal pozostaje w kąpieli tylko do chwili, gdy temperatury w całym przekroju zbliżą się do siebie. Następnie wyjmuje się go w celu chłodzenia w powietrzu przez zakres przemiany martenzytycznej, a później poddaje odpuszczaniu. Zbyt długie wytrzymanie w tej temperaturze może, zależnie od stali, umożliwić powstanie bainitu lub innych przemian. Zmodyfikowane hartowanie stopniowe martenzytyczne celowo umieszcza kąpiel poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej i stanowi odmienny cykl, dlatego różnica ta musi być uwzględniona w pisemnej specyfikacji procesu. Pojemność kąpieli obejmuje więcej niż tylko objętość zbiornika. Należy zmierzyć równomierność temperatury, intensywność mieszania, cyrkulację, zdolność do odtworzenia temperatury oraz dopuszczalny stosunek masy wsadu do masy kąpieli. Kąpiel solna na bazie Ca(NO₃)₂–KNO₃, olejowa lub wykonana z innego medium przekazuje ciepło zależnie od lepkości, przewodności cieplnej, ruchu medium i temperatury roboczej. Po wprowadzeniu dużego lub gęsto upakowanego wsadu temperatura kąpieli może spaść, a jej przywrócenie może trwać długo. Jeżeli stal przejdzie przez obszar początku przemiany perlitycznej, zanim kąpiel odzyska temperaturę, zamierzony udział faz zostanie utracony. Należy rejestrować minimalną temperaturę kąpieli po załadunku oraz czas potrzebny do powrotu do pasma regulacji. Pomiar czasu wytrzymania należy rozpoczynać w chwili osiągnięcia przez detal temperatury docelowej, a niekoniecznie w chwili wprowadzenia stojaka do kąpieli. W przypadku grubych przekrojów wymaga to zastosowania termopary w rdzeniu albo zweryfikowanej zależności czasowej. Cienkie krawędzie mogą już ulegać przemianie, gdy rdzeń nadal się nagrzewa, dlatego ograniczenia dotyczące wymiaru przekroju i czasu transferu muszą być uwzględnione w procedurze. ### Zastosowanie termopar, próbek i prób przerywanych Termopary należy umieszczać w miejscach decydujących o przebiegu przemiany: w środku najgrubszego przekroju, na cienkiej krawędzi, na powierzchni wystawionej na działanie kąpieli oraz — w przypadku detali nawęglanych — w warstwie i rdzeniu, o ile jest to praktycznie możliwe. Należy stosować przewody i sposoby mocowania odporne na warunki panujące w piecu i kąpieli oraz sprawdzić kalibrację w całym zakresie roboczym. Zarejestrowany przebieg powinien obejmować nagrzewanie w piecu, austenityzowanie, transfer, wejście do kąpieli, wyrównywanie temperatury, wyjęcie detalu, chłodzenie w powietrzu oraz odpuszczanie. To przebieg temperatury detalu, a nie nastawa pieca, potwierdza prawidłowość cyklu. Próbki powinny odtwarzać materiał produkcyjny, jego stan wyjściowy, grubość przekroju i skład chemiczny powierzchni. Prosta, cienka próbka może reagować zbyt szybko i fałszywie sugerować wystarczającą wydajność kąpieli. Próbka stopniowana lub próbka kontrolna o kształcie detalu produkcyjnego może ujawnić opóźnienie cieplne między powierzchnią a rdzeniem. Podczas kwalifikacji próbki należy umieszczać w najchłodniejszych, najbardziej zagęszczonych oraz najbardziej reprezentatywnych miejscach wsadu. Próby przerywane dostarczają danych o przebiegu przemiany. Próbki należy wyjmować po kilku czasach wytrzymania, hartować lub chłodzić zgodnie ze zdefiniowaną metodą, a następnie badać zgłady pod kątem obecności bainitu, martenzytu, perlitu, węglików i austenitu szczątkowego. Należy mierzyć twardość od powierzchni do środka oraz w różnych kierunkach. Mapowanie twardości może ujawnić miękki rdzeń, nadmiernie przemienioną krawędź lub zmiany głębokości warstwy, których nie wykazałby pojedynczy pomiar metodą Rockwella. Pomiarom wymiarów powinny towarzyszyć te badania, lecz nie mogą ich zastępować. Należy rejestrować średnicę, płaskość, bicie, długość i odkształcenia przed obróbką cieplną oraz po niej, w kontrolowanych temperaturach. Próbki nawęglanych stali AISI 8620, 8822 i 4320 w badaniu SAE z 2013 roku wykazały znacznie mniejsze odkształcenia po hartowaniu bainitycznym niż po nawęglaniu, a następnie konwencjonalnym hartowaniu i odpuszczaniu, przy temperaturach hartowania bainitycznego wynoszących 260, 288 i 304 °C. Wynik ten potwierdza logikę procesu, lecz nie stanowi bezwarunkowej gwarancji dla każdej geometrii. Na koniec należy porównać badania metalograficzne, mapowanie twardości, pomiary austenitu szczątkowego, jeżeli są wymagane, oraz dane wymiarowe z obowiązującą specyfikacją. SAE AMS-H-6875C (2020) obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza hartowanie bainityczne, chłodzenie ausbay oraz hartowanie stopniowe martenzytyczne, jeżeli zostały określone. Zatwierdzony cykl powinien określać gatunek i stan materiału, zakres austenityzowania, limit transferu, temperaturę kąpieli i wymagania dotyczące odtworzenia temperatury, kryterium wyrównania temperatury lub zakończenia przemiany, metodę chłodzenia, obróbkę odpuszczającą oraz dowody z kontroli. Taki poziom definicji przekształca dane dotyczące przemian w powtarzalny parametr produkcyjny. ## Tryby uszkodzeń i diagnostyczna metalografia Wadliwy element po obróbce cieplnej należy diagnozować na podstawie ścieżki przemian, a nie wyłącznie nazwy kąpieli. Hartowanie bainityczne (austempering) ma na celu utrzymanie stali po austenityzowaniu w temperaturze przemiany bainitycznej do czasu powstania bainitu. Hartowanie stopniowe (martempering) przebiega inaczej: element jest chłodzony do temperatury tuż powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, utrzymywany w niej tylko przez czas wystarczający do wyrównania temperatury w przekroju, a następnie chłodzony tak, aby przed odpuszczaniem powstał martenzyt. Faza występująca w niewłaściwym miejscu lub w niewłaściwej ilości zwykle wskazuje na problem z harmonogramem procesu, wymianą ciepła albo hartownością. ### Perlit lub bainit powstały podczas niezamierzonego etapu Perlit w elemencie poddanym hartowaniu bainitycznemu zasadniczo wskazuje, że część austenitu weszła w zakres przemiany perlitycznej przed zaplanowanym przetrzymywaniem bainitycznym. Najczęstszą przyczyną jest niewystarczająca szybkość przenoszenia z pieca austenityzującego do kąpieli solnej lub olejowej. Długie przenoszenie w powietrzu, zbyt ciasne ułożenie wsadu albo opóźnienie podczas opuszczania elementu do kąpieli mogą umożliwić przemianę na powierzchni. Temperatura w piecu może być prawidłowa, a mimo to element może nie spełniać wymagań, ponieważ jego powierzchnia przekroczyła już krzywą początku przemiany perlitycznej. Niewłaściwa kontrola kąpieli prowadzi do takiego samego rezultatu. Kąpiel solna o słabej cyrkulacji, nadmierne obciążenie wsadem lub nieprawidłowo skalibrowana termopara mogą powodować występowanie lokalnych obszarów o temperaturze niższej od określonej. Pierwsze elementy trafiające do zimnej strefy mogą utworzyć perlit, zanim osiągną zamierzoną temperaturę hartowania bainitycznego. W badaniu AISI 52100 z 2013 r. opisano hartowanie bainityczne w zakresie około 200–400 °C, z przetrzymywaniem wsadu do czasu powstania bainitu; zakres ten nie oznacza, że można wybrać dowolną temperaturę bez sprawdzenia kinetyki przemian danej stali. Zawartość węgla, dodatki stopowe, wielkość ziarna austenitu i grubość przekroju zmieniają czas dostępny przed rozpoczęciem przemiany perlitycznej. W badaniu metalograficznym perlit występuje w postaci kolonii ferrytu i cementytu, często o budowie płytkowej przy odpowiednim powiększeniu. Gruby perlit w pobliżu powierzchni sugeruje powolne zanurzenie lub chłodzenie powierzchni, natomiast pasmo albo odosobniony obszar przebiegający przez przekrój wskazuje na niejednorodną temperaturę kąpieli lub kontakt z oprzyrządowaniem. Mapowanie twardości może ujawnić skutek: obszary perlityczne są znacznie bardziej miękkie niż obszary w pełni bainityczne lub martenzytyczne. Należy zbadać przekrój poprzeczny — od powierzchni do środka — oraz porównać kilka miejsc wokół elementu, zamiast opierać się na jednym wypolerowanym polu. Bainit może również powstać podczas procesu zaplanowanego w celu uzyskania martenzytu. W standardowym hartowaniu stopniowym przetrzymywanie powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, czyli Ms, służy wyrównaniu temperatury; nie jest to przetrzymywanie w celu przemiany bainitycznej. Nadmiernie długi czas przetrzymywania, temperatura kąpieli mieszcząca się w zakresie przemiany bainitycznej lub powolne chłodzenie przez ten zakres umożliwiają powstanie bainitu przed utworzeniem martenzytu. W otrzymanej strukturze mogą występować obok siebie bainit górny, bainit dolny i martenzyt. Badanie opublikowane w ACS Omega w 2024 r. wyraźnie rozróżnia te procesy: w hartowaniu bainitycznym stal jest utrzymywana w temperaturze przemiany bainitycznej do czasu przemiany austenitu, natomiast w hartowaniu stopniowym jest ona krótko utrzymywana tuż powyżej Ms, a następnie chłodzona w powietrzu. Przed przypisaniem winy składowi chemicznemu stali należy sprawdzić zapisy dotyczące kąpieli. ASM Handbook, tom 4A, wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas przetrzymywania, intensywność mieszania i szybkość chłodzenia jako zmienne kontrolujące proces hartowania stopniowego. Te same zmienne wpływają na to, czy hartowanie bainityczne doprowadzi do uzyskania zamierzonego zakresu faz. Uszkodzona termopara, przeciążony zbiornik lub niewystarczające mieszanie mogą wyjaśniać mikrostrukturę bardziej bezpośrednio niż niewielka różnica w składzie chemicznym. ### Niepełna przemiana i austenit szczątkowy Austenit szczątkowy powstaje, gdy austenit nie zakończy zamierzonej przemiany podczas chłodzenia lub przetrzymywania. W elemencie hartowanym stopniowo austenit powinien w znacznym stopniu przekształcić się w martenzyt podczas późniejszego kontrolowanego chłodzenia, lecz ilość powstałej fazy zależy od zawartości węgla, dodatków stopowych, szybkości chłodzenia i temperatury końcowej. Wysokowęglowe obszary warstwy wierzchniej, szczególnie w stalach nawęglanych, zazwyczaj mają niższe temperatury Ms i Mf niż rdzeń niskowęglowy. Po tym samym cyklu chłodzenia mogą zatem zawierać więcej austenitu szczątkowego. Hartowanie bainityczne charakteryzuje się innym trybem niepowodzenia. Jeśli przetrzymywanie zakończy się przed całkowitym zakończeniem przemiany bainitycznej, pozostaje nieprzemieniony austenit, który może później przekształcić się w martenzyt podczas chłodzenia, eksploatacji lub szlifowania. Powstaje wówczas struktura mieszana — bainit–martenzyt–austenit szczątkowy — zamiast planowanej struktury z przewagą bainitu. W badaniu z 2020 r. dotyczącym krótkotrwałego niskotemperaturowego hartowania bainitycznego stali średniowęglowej niskostopowej stwierdzono jednoczesne występowanie nanobainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego; podane zmniejszenie współczynnika zużycia, sięgające 50% w porównaniu z hartowaną stalą martenzytyczną, odnosi się do badanego materiału i zastosowanego harmonogramu procesu, a nie do każdego elementu z częściową przemianą. Austenitu szczątkowego nie można wiarygodnie identyfikować wyłącznie na podstawie twardości. Może on być na tyle miękki, że obniży wynik pomiaru, jednak przemiana indukowana odkształceniem podczas wciskania wgłębnika może podnieść wartość pozorną. Jako wstępne badanie należy zastosować metalografię optyczną po trawieniu nitalem, a następnie — jeśli jest to wymagane — potwierdzić istotną zawartość austenitu za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, metod magnetycznych lub ilościowej analizy obrazu. Należy zwrócić uwagę na zmiany wymiarów, opóźnione pękanie lub wzrost wymiarów podczas eksploatacji, ponieważ austenit szczątkowy może przekształcić się w świeży, nieodpuszczony martenzyt. W przypadku elementów nawęglanych warstwę wierzchnią i rdzeń należy badać oddzielnie. Profil twardości od warstwy wierzchniej do rdzenia należy nanieść na wykres wraz z zaobserwowanymi fazami. Twarda warstwa wierzchnia zawierająca austenit szczątkowy oraz bardziej miękki bainityczny lub perlityczny rdzeń wskazują na różne lokalne reakcje na przemianę, a niekoniecznie na wadę wytopu stali. Z kolei równomiernie niska twardość przy braku martenzytu w obu obszarach wskazuje na niewystarczające austenityzowanie, nadmierne opóźnienie przenoszenia, zbyt małą intensywność hartowania lub błąd temperatury kąpieli. ### Pęknięcia, strefy miękkie, odkształcenia i mikrostruktury mieszane Pęknięcia zwykle powstają wskutek łącznego działania naprężeń przemianowych, naprężeń cieplnych, ostrej geometrii, naprężeń własnych i nadmiernej twardości. Hartowanie stopniowe zmniejsza różnicę temperatur między powierzchnią a rdzeniem przed powstaniem martenzytu, co może ograniczać pękanie i odkształcenia w porównaniu z hartowaniem bezpośrednim, lecz nie eliminuje konieczności odpuszczania. ASM Heat Treating Subject Guide z 2020 r. stwierdza, że stal hartowana stopniowo musi zostać odpuszczona przed eksploatacją. Nieodpuszczony martenzyt, zwłaszcza w nawęglanej warstwie wierzchniej, pozostaje podatny na pękanie podczas szlifowania lub pod wpływem obciążenia. Powierzchnie pęknięć i wypolerowane przekroje poprzeczne należy badać oddzielnie. Pęknięcia hartownicze często przebiegają wzdłuż granic byłego ziarna austenitu albo rozprzestrzeniają się do wnętrza od naroży, rowków klinowych i nagłych zmian przekroju. Pęknięcia szlifierskie są zwykle płytkie i układają się zgodnie z kierunkiem szlifowania. Badanie penetracyjne może lokalizować pęknięcia otwierające się na powierzchnię, natomiast metalografia pokazuje, czy w pęknięciu występują tlenki, odwęglenie lub świeży martenzyt na jego brzegach. Strefy miękkie mogą wynikać ze słabego mieszania, osłaniania przez oprzyrządowanie, niewystarczającej cyrkulacji kąpieli, odwęglenia lub niewystarczającej hartowności dla danego rozmiaru przekroju. Odkształcenia mogą być skutkiem nierównomiernego nagrzewania, asymetrycznego nawęglania, niejednorodnego chłodzenia lub opóźnionej przemiany między obszarami cienkimi i grubymi. W badaniu SAE z 2013 r. dotyczącym nawęglanych stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 zastosowano temperatury hartowania bainitycznego 260, 288 i 304 °C oraz stwierdzono znacznie mniejsze odkształcenia niż w przypadku próbek nawęglanych, hartowanych i odpuszczanych; wyniki te nie wykluczają jednak odkształceń zależnych od geometrii ani od obciążenia. Mikrostruktury mieszane wymagają diagnozy przestrzennej. Należy porównać krawędź, obszar w połowie promienia, środek, stopę zęba i wierzchołek zęba, jeśli ma to zastosowanie. Każdy mikrofotogram należy skorelować z profilem twardości oraz zapisem czasowo-temperaturowym. Dopiero po zweryfikowaniu czasu przenoszenia, temperatury kąpieli, mieszania, obciążenia, austenityzowania i odpuszczania skład chemiczny, hartowność lub pomylenie materiału powinny stać się głównym wyjaśnieniem. ## Porównanie austemperingu, martemperingu oraz konwencjonalnego hartowania i odpuszczania Te trzy procesy mogą prowadzić do znacznie różniących się właściwości, nawet jeśli rozpoczyna się od tej samej stali po austenityzowaniu. Ich nazwy opisują harmonogramy przemian, a nie tylko ciecz używaną do hartowania. Olej, sól azotanowo-azotynowa i inne ośrodki mogą występować w więcej niż jednym harmonogramie; decydujące znaczenie mają przebieg temperaturowy, czas przebywania w każdej temperaturze oraz przemiana, której zachodzenie się dopuszcza. ### Droga przemian i końcowa mikrostruktura W przypadku konwencjonalnego hartowania i odpuszczania stal po austenityzowaniu jest chłodzona wystarczająco szybko, aby uniknąć w większości tworzenia perlitu i bainitu. Austenit przechodzi przez temperaturę początku przemiany martenzytycznej, Ms, i w miarę dalszego chłodzenia stopniowo przekształca się w martenzyt. Powstały martenzyt jest twardy, lecz silnie naprężony, dlatego przed rozpoczęciem eksploatacji przeprowadza się odpuszczanie. Odpuszczanie powoduje wydzielanie związków zawierających węgiel, zmniejsza naprężenia wewnętrzne oraz zmienia równowagę między twardością, wytrzymałością, ciągliwością i stabilnością wymiarową. Martempering zmienia moment zachodzenia tej sekwencji, a nie jej główny produkt. Przedmiot jest hartowany z temperatury austenityzowania w oleju lub stopionej kąpieli solnej utrzymywanej nieco powyżej Ms. Pozostaje w niej tylko tak długo, aby powierzchnia i rdzeń osiągnęły zbliżoną temperaturę. Następnie część jest chłodzona, zwykle w powietrzu, przez zakres tworzenia się martenzytu. Martenzyt powstaje zatem po wyrównaniu temperatury w znacznej części przekroju, a nie w obecności dużego gradientu temperatury między powierzchnią a rdzeniem. Martempering nie eliminuje konieczności odpuszczania. *Heat Treating Subject Guide* (2020), opublikowany przez ASM International, stwierdza, że stal poddana martemperingowi musi następnie zostać odpuszczona przed rozpoczęciem eksploatacji. Austempering przebiega według innej drogi przemian. Stal po austenityzowaniu jest hartowana w kąpieli utrzymywanej w zakresie przemiany bainitycznej i przetrzymywana do chwili, gdy wymagana część austenitu przekształci się w bainit. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku opisano zakres austemperingu wynoszący w przybliżeniu od 200 do 400°C, przy czym czas przetrzymywania kontynuowano do momentu powstania bainitu. W zależności od zawartości węgla, dodatków stopowych, temperatury i czasu przetrzymywania produktem może być bainit górny, bainit dolny albo mieszanina zawierająca martenzyt i austenit szczątkowy. Proces ten nie jest po prostu „martemperingiem z dłuższym czasem przetrzymywania”. W badaniu opublikowanym w 2024 roku w czasopiśmie *ACS Omega* wyraźnie rozróżniono austempering, w którym stal jest przetrzymywana do czasu przemiany bainitycznej, od martemperingu, w którym temperatura jest przez krótki czas wyrównywana powyżej Ms, a następnie stal jest chłodzona w powietrzu. Stal poddana austemperingowi może nadal wymagać późniejszej obróbki lub etapu stabilizacji, lecz nie poddaje się jej automatycznie tej samej operacji odpuszczania, która jest stosowana w przypadku całkowicie martenzytycznej stali hartowanej. Wymagany harmonogram zależy od określonej mikrostruktury i warunków eksploatacji. Krótkotrwały austempering w niskiej temperaturze może prowadzić do powstania nanobainitu obok martenzytu i austenitu szczątkowego. W badaniu stali średniowęglowej niskostopowej z 2020 roku taka struktura wykazała współczynniki zużycia nawet o 50% niższe niż zmierzone dla stali hartowanej o strukturze martenzytycznej. Wynik ten wskazuje na przewagę konkretnego procesu w ramach tego badania; nie ustanawia jednak uniwersalnego rankingu odporności na zużycie. ### Cele dotyczące odkształceń i pękania Konwencjonalne hartowanie naraża część na dwa główne źródła zmian wymiarowych: skurcz cieplny i odkształcenie związane z przemianą. Powierzchnia chłodzi się i ulega przemianie przed rdzeniem, dlatego w przekroju powstają zmieniające się naprężenia w miarę zmian temperatury i udziału fazowego na jego grubości. Szczególnie wrażliwe są kształty złożone, ostre naroża, otwory, przejścia od małej do dużej grubości oraz warstwy nawęglane. Jeżeli naprężenia przekroczą lokalną wytrzymałość materiału w stanie gorącym lub w trakcie przemiany, może dojść do pękania. Martempering ogranicza składową związaną z gradientem temperatury, ponieważ stal jest przetrzymywana w pobliżu Ms, lecz powyżej tej temperatury, zanim rozpocznie się tworzenie martenzytu. Powierzchnia i rdzeń ulegają wówczas przemianie w bardziej zbliżonym przedziale temperatury. W artykule z 1946 roku dotyczącym zakresu temperatur tworzenia się martenzytu zasadę tę opisano jako hartowanie do temperatury nieco powyżej zakresu martenzytycznego, a następnie powolne chłodzenie, co ogranicza pękanie przy niewielkiej utracie twardości. Proces ten zmniejsza odkształcenia, lecz nie gwarantuje kontroli wymiarów, ponieważ przemiana martenzytyczna nadal powoduje zmianę objętości i powstawanie naprężeń własnych. Austempering może ograniczać odkształcenia z innego powodu. Znaczna część przemiany zachodzi izotermicznie w postaci bainitu, a nie poprzez przemieszczający się front martenzytyczny podczas ciągłego spadku temperatury. Bainit również wiąże się z własnym odkształceniem przemianowym, a austenit szczątkowy może później przekształcać się podczas obróbki skrawaniem lub eksploatacji. W konsekwencji austempering może ograniczać jedną klasę odkształceń, jednocześnie powodując inne problemy ze stabilnością wymiarową, jeżeli przemiana jest niepełna lub niewłaściwie kontrolowana. \[5\] \[5\] [**Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels**](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. Dane dotyczące nawęglanych stali niskostopowych pokazują zależność wyników od geometrii i materiału. W artykule SAE 2013-01-0949 analizowano nawęglane stale AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320, stosując temperatury austemperingu 260, 288 i 304°C. W tych doświadczeniach próbki nawęglane i poddane austemperingowi wykazywały znacznie mniejsze odkształcenia niż próbki nawęglane, hartowane i odpuszczane. Wyniku tego nie można automatycznie przenosić na każdą głębokość warstwy nawęglonej, wielkość przekroju ani układ pieca i kąpieli. Hartowność decyduje o tym, czy rdzeń osiągnie zamierzony zakres przemiany, zanim powstanie perlit, natomiast intensywność mieszania, temperatura kąpieli, obciążenie oraz czas przenoszenia wpływają na rzeczywisty cykl cieplny. ### Kiedy porównanie nie jest technicznie miarodajne Stwierdzenie, że austempering zapewnia większą twardość, ciągliwość, odporność na zużycie lub stabilność wymiarową niż martempering albo konwencjonalne hartowanie i odpuszczanie, jest niepełne, jeśli w porównaniu nie kontroluje się zmiennych decydujących o przebiegu przemiany. Próbki muszą być wykonane z tego samego gatunku stali, w tym z tego samego wytopu i o takim samym stanie chemicznym; muszą mieć tę samą geometrię i grubość przekroju; należy zastosować tę samą temperaturę austenityzowania, czas wygrzewania, atmosferę i mikrostrukturę wyjściową, a także porównywalny stan powierzchni, chropowatość, odwęglenie i warstwę nawęgloną. Kryteria odbioru również muszą odpowiadać zamierzonemu zastosowaniu. Porównywanie wyłącznie twardości Rockwella może faworyzować strukturę martenzytyczną, pomijając podatność na pękanie, niestabilność austenitu szczątkowego, udarność lub odkształcenia. Próba zużycia przeprowadzona przy jednym obciążeniu, z jednym przeciwciałem i w jednym stanie smarowania nie może służyć do uszeregowania struktur dla każdego zastosowania w warunkach kontaktu. Pomiary wymiarów muszą określać moment ich wykonania, ponieważ austenit szczątkowy może przekształcać się po hartowaniu, austemperingu, obróbce skrawaniem lub podczas eksploatacji. Znaczenie ma również specyfikacja. SAE AMS-H-6875C (2020) obejmuje wymagania dotyczące obróbki cieplnej czterech klas stali i dopuszcza austempering, hartowanie ausbay oraz martempering, jeśli procedura jest określona. Weryfikacja powinna zatem obejmować wymaganą charakterystykę twardości, mikrostrukturę, głębokość warstwy nawęglonej, jeśli ma zastosowanie, granice odkształceń oraz potwierdzenie braku pęknięć i niedopuszczalnego odwęglenia. *ASM Handbook*, tom 4A (2013), wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas przetrzymywania, intensywność mieszania i szybkość chłodzenia jako zmienne sterujące w martemperingu. Zmiana którejkolwiek z nich może unieważnić bezpośrednie porównanie procesów. | Konwencjonalne hartowanie i odpuszczanie | Martempering | Austempering | |---|---|---| | Chłodzenie przez Ms bez wygrzewania wyrównującego, bezpośrednie tworzenie martenzytu, a następnie jego odpuszczanie. | Przerwanie chłodzenia nieco powyżej Ms, aby wyrównać temperaturę w przekroju przed kontrolowaną przemianą martenzytyczną; następnie konieczne jest odpuszczanie. | Hartowanie do zakresu bainitycznego i przetrzymywanie do chwili, gdy austenit przekształci się w bainit; końcowy harmonogram ustala się na podstawie zamierzonej struktury bainitycznej. | ## Praktyczna lista kontrolna i glosariusz terminologiczny ### Pytania, na które należy odpowiedzieć przed określeniem cyklu Należy zacząć od wymaganej mikrostruktury, a nie od nazwy kąpieli. Hartowanie bainityczne i hartowanie stopniowe mogą być prowadzone zarówno w stopionej soli, jak i w oleju, jednak ich przebieg przemian i produkty różnią się. Hartowanie bainityczne określa się wtedy, gdy zamierzoną strukturą jest bainit. Hartowanie stopniowe stosuje się wtedy, gdy w elemencie ma powstać martenzyt po przerwie zapewniającej wyrównanie temperatury, a następnie po odpuszczaniu. Należy dokładnie zidentyfikować oznaczenie stali zgodnie z dostarczoną specyfikacją, na przykład AISI 52100, AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320 lub odpowiednie oznaczenie SAE, ASTM, EN albo AMS. Skład chemiczny decyduje o hartowności, rozpuszczaniu węglików, kinetyce przemiany bainitycznej, temperaturze początku przemiany martenzytycznej oraz ilości austenitu szczątkowego. Cyklu opracowanego dla AISI 52100 nie można automatycznie przenieść na nawęglaną stal AISI 8620. Należy odnotować wymiar przekroju i kształt elementu, w tym zmiany grubości, otwory, rowki wpustowe, ostre naroża oraz masę wsadu. Cienki pierścień i gruby ząb koła zębatego nie chłodzą się z taką samą szybkością, nawet jeśli znajdują się w tej samej kąpieli. Należy ustalić, czy materiał jest nawęglany, czy nienawęglany. W przypadku elementów nawęglanych należy określić głębokość warstwy, docelową zawartość węgla na powierzchni, skład chemiczny rdzenia oraz to, czy zamierzona struktura bainityczna lub martenzytyczna ma dotyczyć warstwy, rdzenia czy obu tych obszarów. Temperaturę austenityzowania należy dobrać do gatunku i stanu materiału. Musi ona umożliwiać utworzenie wymaganej ilości austenitu bez nadmiernego rozrostu ziaren, niepożądanego rozpuszczania węglików lub nadmiernego powstawania austenitu szczątkowego. Specyfikacja powinna również określać atmosferę pieca, szybkość nagrzewania, jeżeli istotne jest odkształcenie, czas wygrzewania, rozmieszczenie wsadu oraz to, czy temperatura oznacza nastawę pieca, temperaturę elementu czy zmierzoną temperaturę efektywną. Należy określić czas transportu z pieca do kąpieli hartowniczej. Długi lub zmienny czas transportu może powodować chłodzenie powierzchni, powstawanie ferrytu lub perlitu w stali o niewystarczającej hartowności albo nierównomierne warunki cieplne w obrębie wsadu. Należy podać skład i temperaturę roboczą kąpieli, zamiast wpisywać jedynie „hartowanie w soli”. Sól azotanowo-azotynowa, olej lub inne medium mają różne właściwości wymiany ciepła i odmienne bezpieczne zakresy pracy. Mieszanie, cyrkulacja, obciążenie kąpieli oraz odzyskiwanie przez nią temperatury również należą do parametrów cyklu. W przypadku hartowania bainitycznego należy określić zakres przemiany bainitycznej oraz czas wymagany, aby wybrany przekrój osiągnął niemal jednorodną temperaturę i aby zakończyła się zamierzona przemiana. W przypadku hartowania stopniowego należy ustalić temperaturę początku przemiany martenzytycznej, czyli **Ms**, i ustawić przerwę powyżej tej temperatury. Wygrzewanie ma wyrównać temperaturę; nie jest przeznaczone do wytwarzania bainitu. Późniejsza szybkość chłodzenia musi umożliwiać powstanie martenzytu bez nadmiernych gradientów cieplnych. Należy ustalić, czy odrębne odpuszczanie jest obowiązkowe, oraz określić jego temperaturę, czas, atmosferę i liczbę cykli. Na koniec, jeszcze przed rozpoczęciem obróbki, należy określić dowody potwierdzające spełnienie wymagań. Sama twardość nie może potwierdzić, że hartowanie bainityczne doprowadziło do powstania bainitu ani że hartowanie stopniowe wytworzyło zamierzoną strukturę martenzytyczną. Należy wymagać badań metalograficznych, kontroli wymiarowej oraz pomiaru austenitu szczątkowego, jeżeli gatunek stali, zawartość węgla, nawęglana warstwa lub wymagania eksploatacyjne sprawiają, że austenit szczątkowy ma istotne znaczenie. ### Podstawowe terminy: Ms, bainit, martenzyt, hartowanie bainityczne, hartowanie stopniowe **Ms**, czyli temperatura początku przemiany martenzytycznej, jest temperaturą, w której podczas chłodzenia w określonych warunkach zaczyna powstawać martenzyt. Nie jest ona uniwersalną stałą dla „stali”; wpływają na nią zawartość składników stopowych, zawartość węgla w austenicie, wcześniejsza obróbka cieplna oraz stan naprężeń. Hartowanie stopniowe przerywa chłodzenie nieco powyżej Ms, aby różnice temperatur w elemencie mogły się zmniejszyć przed rozpoczęciem przemiany martenzytycznej. **Martenzyt** jest produktem bezdyfuzyjnej przemiany, powstającym wówczas, gdy austenit chłodzi się dostatecznie szybko, aby zahamować powstawanie produktów przemian dyfuzyjnych. Jego iglasto-listwowa lub płytkowa morfologia oraz wysoka twardość wynikają z przemiany przemieszczeniowej i przesycenia węglem. Martenzyt zwykle poddaje się następnie odpuszczaniu, ponieważ naprężenia po hartowaniu, kruchość i niestabilność wymiarowa mogą być niedopuszczalne w eksploatacji. **Bainit** powstaje z austenitu w zakresie temperatur poniżej zakresu perlitycznego i powyżej niższego zakresu martenzytycznego, chociaż dokładny zakres przemiany zależy od składu chemicznego i wcześniejszego stanu austenitu. Zawiera obszary ferrytu z wydzieleniami węglików lub wzbogaceniem w węgiel, a jego morfologia zmienia się wraz z temperaturą przemiany. Element poddany hartowaniu bainitycznemu może również zawierać martenzyt lub austenit szczątkowy, jeżeli wygrzewanie było zbyt krótkie, temperatura kąpieli była niewłaściwa albo kinetyka przemiany nie została w pełni określona. **Hartowanie bainityczne** oznacza hartowanie austenityzowanej stali do temperatury, w której powstaje bainit, wygrzewanie do chwili uzyskania określonej przemiany austenitu w bainit, a następnie chłodzenie do temperatury otoczenia. W badaniu AISI 52100 z 2013 roku opisano medium do hartowania bainitycznego utrzymywane w przybliżeniu w zakresie od 200 do 400 °C, z wygrzewaniem do chwili powstania bainitu. W przypadku nawęglanych stali AISI 8620, AISI 8822 i AISI 4320 zastosowano temperatury hartowania bainitycznego wynoszące odpowiednio 260, 288 i 304 °C; w badanych warunkach odnotowano mniejsze odkształcenia niż po konwencjonalnym nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu. Wartości te są danymi procesowymi, a nie uniwersalnymi nastawami. **Hartowanie stopniowe** jest hartowaniem z przerwą. ASM Handbook Volume 4A (2013) wskazuje temperaturę austenityzowania, temperaturę kąpieli, czas wygrzewania, mieszanie oraz szybkość chłodzenia jako zmienne sterujące procesem. Przedmiot utrzymuje się przez krótki czas w oleju lub soli, nieco powyżej Ms, aż do wyrównania jego temperatury, a następnie chłodzi przez zakres przemiany martenzytycznej. Zamierzonym produktem jest martenzyt, a nie bainit, a element musi następnie zostać odpuszczony przed rozpoczęciem eksploatacji. Obróbka opisana w 1946 roku w badaniu powstawania martenzytu uzasadniła mechanizm ograniczania pęknięć: należy zmniejszyć gradienty temperatury przed przemianą, poświęcając przy tym niewielką część możliwej do uzyskania twardości. Nazwy te opisują zatem zamierzony przebieg przemiany. Kąpiel solna nie czyni cyklu hartowaniem bainitycznym, a krótkie wygrzewanie nie czyni go hartowaniem stopniowym. O tym, czy zamierzony proces rzeczywiście zaszedł, decyduje zaobserwowana mikrostruktura. SAE AMS-H-6875C (2020) obejmuje cztery klasy stali i dopuszcza hartowanie bainityczne, hartowanie ausbay oraz hartowanie stopniowe, jeżeli zostały określone w specyfikacji; nadal obowiązują jednak wymagania dotyczące danego materiału i wyrobu. ### Minimalny zakres zapisów dla powtarzalnej obróbki cieplnej #### Minimalny zakres zapisów procesu - **Materiał** Oznaczenie stali, numer wytopu lub partii, rozmiar przekroju i stan po nawęglaniu. - **Nagrzewanie** Temperatura austenityzowania, atmosfera, czas nagrzewania i czas wygrzewania. - **Przenoszenie i kąpiel** Czas przenoszenia, skład kąpieli, temperatura, mieszanie, sposób załadunku i odtworzenie temperatury. - **Przemiana** Kryterium i czas wyrównania temperatury lub przetrzymania bainitycznego. - **Chłodzenie i odpuszczanie** Metoda chłodzenia końcowego, temperatura odpuszczania, czas, atmosfera i liczba cykli. - **Weryfikacja** Twardość, badania metalograficzne, ocena austenitu szczątkowego i kontrola wymiarów. Powtarzalny zapis łączy informacje o materiale, przebiegu cieplnym, stanie kąpieli oraz wynikach kontroli. Co najmniej należy odnotować: - oznaczenie stali, numer wytopu lub partii, wymiar przekroju, geometrię elementu, masę wsadu oraz stan nawęglony lub nienawęglony; - głębokość warstwy oraz informacje o zawartości węgla na powierzchni lub w rdzeniu, gdy stosowano nawęglanie; - temperaturę austenityzowania, atmosferę pieca, czas nagrzewania i wygrzewania oraz zmierzoną temperaturę wsadu; - czas transportu z pieca do kąpieli, skład kąpieli, jej temperaturę, mieszanie lub cyrkulację, odstępy między elementami oraz odzyskiwanie temperatury kąpieli; - w przypadku hartowania bainitycznego: czas wyrównywania temperatury, temperaturę i czas wygrzewania dla przemiany oraz dowody potwierdzające osiągnięcie przez reakcję bainityczną określonego stanu; - w przypadku hartowania stopniowego: wartość Ms, jeżeli została ustalona, temperaturę kąpieli powyżej Ms, wygrzewanie wyrównujące, końcową metodę i szybkość chłodzenia oraz moment, od którego umożliwiono przebieg przemiany martenzytycznej; - temperaturę odpuszczania, czas, atmosferę, metodę chłodzenia oraz liczbę cykli odpuszczania; - miejsce pomiaru twardości, metodę badania, skalę i wyniki; sposób przygotowania próbek metalograficznych i reprezentatywne obrazy; metodę oznaczania austenitu szczątkowego i jego zawartość procentową, jeżeli ma to znaczenie; a także pomiary wymiarów przed obróbką i po niej. Zapis cyklu powinien identyfikować wzorcowanie przyrządów oraz rzeczywiste przebiegi temperatury, a nie tylko nominalne nastawy. W przypadku występowania warstwy należy sprawdzać mikrostrukturę na powierzchni, w rdzeniu i w obszarze przejściowym. Kontrola wymiarowa powinna obejmować cechy najbardziej podatne na przemieszczenie: średnicę zewnętrzną, otwór, zarys zęba, płaskość, bicie oraz odkształcenia w miejscach zmian przekroju. **Szybka lista kontrolna:** należy określić oznaczenie stali, wymiar przekroju, stan nawęglony lub nienawęglany, temperaturę austenityzowania, czas transportu, skład i temperaturę kąpieli, mieszanie, wyrównywanie temperatury lub wygrzewanie dla przemiany, końcowe chłodzenie, odpuszczanie, twardość, badania metalograficzne, ocenę austenitu szczątkowego, jeżeli ma to znaczenie, oraz kontrolę wymiarową. Następnie należy zweryfikować strukturę. Bainit potwierdza zamiar hartowania bainitycznego; martenzyt powstały po wyrównaniu temperatury i poddany następnie odpuszczaniu potwierdza zamiar hartowania stopniowego. ## Źródła 1. \[1\] ASM International. [ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM Handbook, 2013. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#wiki-cite-ref-1) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1 2. \[2\] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#wiki-cite-ref-2) Source details supplied in the article; no URL provided 3. \[3\] [Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#wiki-cite-ref-3) https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6 4. \[4\] SAE International. [Heat Treatment of Steel Raw Materials](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE AMS-H-6875C, 2020. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#wiki-cite-ref-4) https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf 5. \[5\] SAE International. [Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali#wiki-cite-ref-5) https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949 **Na pierwszy rzut oka** Produkt hartowania bainitycznego Bainit Produkt hartowania stopniowego Martenzyt po kontrolowanym chłodzeniu Przetrzymanie w hartowaniu bainitycznym Temperatura przemiany bainitycznej Przetrzymanie w hartowaniu stopniowym Tuż powyżej Ms Odpuszczanie po obróbce Wymagane dla stali hartowanej stopniowo [Powrót do Obróbka cieplna](/pl/wiki/obróbka-cieplna "Obróbka cieplna — Steel Wiki")