--- title: "Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na…" description: "Dobierz odpowiednią obróbkę cieplną stali, uwzględniając gatunek, twardość, głębokość, geometrię oraz ryzyko odkształceń." canonical: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach language: pl robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/steel-heat-treatment-process-selection.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/výběr-procesu-tepelného-zpracování-oceli-průvodce-založený-na-normách.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/auswahl-des-wärmebehandlungsverfahrens-für-stahl-ein-normenbasierter-leitfaden.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/selección-del-proceso-de-tratamiento-térmico-del-acero-una-guía-basada-en-normas.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/sélection-des-procédés-de-traitement-thermique-de-l-acier-guide-fondé-sur-les-normes.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/az-acél-hőkezelési-folyamatának-kiválasztása-szabványokon-alapuló-útmutató.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/selezione-del-processo-di-trattamento-termico-dell-acciaio-una-guida-basata-sugli-standard.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/selectie-van-warmtebehandelingsprocessen-voor-staal-een-op-normen-gebaseerde-gids.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/seleção-do-processo-de-tratamento-térmico-do-aço-um-guia-baseado-em-normas.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/выбор-процесса-термической-обработки-стали-руководство-на-основе-стандартов.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelik-isıl-işlem-süreci-seçimi-standartlara-dayalı-kılavuz.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢材热处理工艺选择-基于标准的指南.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の熱処理プロセス選定-規格に基づくガイド.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/اختيار-عملية-المعالجة-الحرارية-للفولاذ-دليل-قائم-على-المعايير.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강-열처리-공정-선정-표준-기반-가이드.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/seleção-de-processos-de-tratamento-térmico-de-aços-um-guia-baseado-em-normas.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-की-ऊष्मा-उपचार-प्रक्रिया-का-चयन-मानक-आधारित-मार्गदर्शिका.md content_hash: sha256:734ffd7993039e4f60c41898851a71d8050acec71f786959a530231ed09799a9 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/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach > Canonical URL: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach > 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. ![Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach](/images/uploads/41e1e333-2646-4d91-a80f-d97765ab4ccf/wiki-hero-a-steel-gear-shaft-and-forged-component-moving-through-a-controlled-heat-treatme-1920x823.jpg) Obróbka cieplna # Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach Dobierz odpowiednią obróbkę cieplną stali, uwzględniając gatunek, twardość, głębokość, geometrię oraz ryzyko odkształceń. ![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 45 min czytania Zaktualizowano 14 sie 2026 Zweryfikowano naukowo Na tej stronieNa tej stronie - [1. Co właściwie oznacza wybór procesu obróbki cieplnej](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#1-co-właściwie-oznacza-wybór-procesu-obróbki-cieplnej "1. Co właściwie oznacza wybór procesu obróbki cieplnej") - [2. Zacznij od wymagań eksploatacyjnych, a nie od temperatury w piecu](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#2-zacznij-od-wymagań-eksploatacyjnych-a-nie-od-temperatury-w-piecu "2. Zacznij od wymagań eksploatacyjnych, a nie od temperatury w piecu") - [3. Gatunek stali, zawartość węgla, dodatki stopowe i hartowność](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#3-gatunek-stali-zawartość-węgla-dodatki-stopowe-i-hartowność "3. Gatunek stali, zawartość węgla, dodatki stopowe i hartowność") - [4. Dobór konwencjonalnej technologii hartowania na wskroś](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#4-dobór-konwencjonalnej-technologii-hartowania-na-wskroś "4. Dobór konwencjonalnej technologii hartowania na wskroś") - [5. Kiedy właściwym wyborem jest wyżarzanie, normalizowanie lub odprężanie](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#5-kiedy-właściwym-wyborem-jest-wyżarzanie-normalizowanie-lub-odprężanie "5. Kiedy właściwym wyborem jest wyżarzanie, normalizowanie lub odprężanie") - [6. Wybór hartowania bainitycznego i stopniowego w celu kontrolowania przemiany i odkształceń](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#6-wybór-hartowania-bainitycznego-i-stopniowego-w-celu-kontrolowania-przemiany-i-odkształceń "6. Wybór hartowania bainitycznego i stopniowego w celu kontrolowania przemiany i odkształceń") - [7. Dobór procesów utwardzania powierzchniowego i warstwowego](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#7-dobór-procesów-utwardzania-powierzchniowego-i-warstwowego "7. Dobór procesów utwardzania powierzchniowego i warstwowego") - [8. Stosowanie decyzji: proces wyboru oparty na normach](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#8-stosowanie-decyzji-proces-wyboru-oparty-na-normach "8. Stosowanie decyzji: proces wyboru oparty na normach") - [9. Częste błędy przy doborze i sposoby ich zapobiegania](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#9-częste-błędy-przy-doborze-i-sposoby-ich-zapobiegania "9. Częste błędy przy doborze i sposoby ich zapobiegania") ## 1. Co właściwie oznacza wybór procesu obróbki cieplnej Wybór procesu obróbki cieplnej nie polega na odczytaniu temperatury z tabeli dla danego pieca. Jest to łańcuch decyzji łączących skład chemiczny stali, stan wyjściowy, geometrię elementu, wymaganą twardość i udarność, dopuszczalne zmiany wymiarów oraz wymogi dotyczące kontroli produkcji. Wybrany cykl musi wytworzyć wymaganą mikrostrukturę w miejscach, w których jest ona potrzebna, bez powodowania pęknięć, nadmiernych naprężeń własnych, niedopuszczalnych odkształceń ani niemożliwych do zrealizowania wymagań kontrolnych. Hartowność **Hartowność** Zdolność stali do uzyskania wymaganej zahartowanej struktury na określoną głębokość podczas zdefiniowanego cyklu chłodzenia; różni się od twardości zmierzonej w jednym miejscu. Dobór stali do hartowania zależy przede wszystkim od wymaganej twardości po hartowaniu oraz od głębokości poniżej powierzchni, do której ta twardość musi sięgać. Strong evidence \[1\] \[1\] [**Steel Selection for Hardening**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/9/chapter-abstract/114179/Steel-Selection-for-Hardening-1). ASM International. ASM Handbook Online, 1991.Pierwsze pytanie nie brzmi: „Czy ten element należy zahartować?”. Brzmi ono: jaka twardość jest wymagana i jak głęboko pod powierzchnię musi sięgać? ASM International wyraźnie rozróżniła te kwestie w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), stwierdzając, że wybór jest przede wszystkim uzależniony od wymaganej twardości po hartowaniu oraz głębokości, na której ma ona występować. Twardość opisuje odporność na wciskanie po obróbce. Hartowność opisuje, jak głęboko i jak równomiernie w całym przekroju stal może się zahartować podczas określonej obróbki. Wysoka twardość powierzchni nie dowodzi, że zahartował się również rdzeń. Różnica ta zmienia decyzję dotyczącą gatunku. SAE J1268 (1995) definiuje minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych i stopowych z pasmem hartowności H, na podstawie standardowych danych z próby hartowania od czoła. Krzywa hartowności Jominy'ego lub analiza Grossmanna pozwalają zatem powiązać hartowność stali z wymiarem przekroju i intensywnością chłodzenia, zamiast traktować wszystkie nominalnie podobne stale jako zamienne. *The Bofors Handbook* (1981) również łączy hartowność z hartowaniem i odpuszczaniem, zmianami wymiarów oraz badaniem hartowności metodą od czoła. ### Od wymaganych właściwości do cyklu cieplnego Wybór rozpoczyna się od wymagań eksploatacyjnych. Wał może wymagać rdzenia z odpuszczonego martenzytu o określonej wytrzymałości na rozciąganie i udarności; koło zębate może wymagać twardej, odpornej na zużycie warstwy wierzchniej na ciągliwym rdzeniu niskowęglowym; sprężyna może wymagać dużej granicy sprężystości przy kontrolowanych naprężeniach własnych; obrobiona płyta może wymagać odprężenia przed końcowym cięciem. Wymagania te określają, czy proces powinien zmienić strukturę całego przekroju, tylko powierzchni, czy przede wszystkim stan naprężeń własnych i stan wymiarowy. Znaczenie ma również stan początkowy. Materiał walcowany na gorąco, kuty, przerabiany na zimno, normalizowany, wyżarzony lub wcześniej zahartowany nie reaguje w taki sam sposób. Wielkość ziarna, segregacja, uprzednio powstały martenzyt, zachowane naprężenia oraz rozmieszczenie węglików wpływają na austenityzowanie, przemiany, skrawanie i odkształcenia. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 r. wskazuje austenityzowanie, wyżarzanie, normalizowanie, obróbkę hartowania i odpuszczania, podwójne odpuszczanie, kontrolę wielkości ziarna oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji — a nie opcjonalne szczegóły dodawane po wybraniu nazwy procesu. #### Sekwencja cyklu cieplnego 1. **Nagrzewanie** Kontrolować szybkość nagrzewania, atmosferę, sposób załadunku oraz równomierność temperatury w przekroju. 2. **Austenityzowanie lub obróbka** Osiągnąć kwalifikowaną temperaturę i utrzymać ją przez czas wymagany do uzyskania przemiany lub dyfuzji. 3. **Przenoszenie i chłodzenie** Kontrolować czas przenoszenia, szybkość chłodzenia, czynnik chłodzący, stan kąpieli oraz jej mieszanie. 4. **Odpuszczanie lub starzenie** Regulować twardość, udarność, naprężenia własne i stabilność wymiarową, gdy wymaga tego wybrana metoda. Cykl cieplny jest uporządkowaną sekwencją kontrolowanych operacji, a nie pojedynczym ustawieniem temperatury pieca. Cykl cieplny staje się następnie kontrolowaną sekwencją obejmującą szybkość nagrzewania, temperaturę austenityzowania lub przesycania, czas wygrzewania, atmosferę, czas transferu, szybkość chłodzenia, ośrodek chłodzący oraz ewentualne późniejsze odpuszczanie lub starzenie. Temperatury i czasu nie można rozpatrywać w oderwaniu od grubości przekroju. Środek dużego odkuwania może osiągnąć temperaturę zadaną dla pieca długo po jego powierzchni, podczas gdy cienka krawędź może się przegrzać lub ulec przemianie w trakcie tej samej operacji. Rodziny procesów należy dobierać do wymaganej struktury i właściwości użytkowych, a nie wybierać wyłącznie na podstawie temperatury. | Proces | Główny cel | Typowy stan końcowy | |---|---|---| | Odprężanie | Zmniejszenie naprężeń własnych | W dużej mierze zachowana istniejąca mikrostruktura | | Wyżarzanie | Zmniejszenie twardości i poprawa skrawalności | Miękka struktura ferrytyczno-perlityczna lub sferoidalna, zależnie od gatunku | | Normalizowanie | Rozdrobnienie lub odtworzenie struktury | Struktura ferrytyczno-perlityczna chłodzona w powietrzu, typowa dla wielu stali węglowych i niskostopowych | | Hartowanie i odpuszczanie | Połączenie wytrzymałości, twardości i udarności | Odpuszczony martenzyt | | Hartowanie bainityczne | Kontrolowanie przemiany bainitycznej i zmian wymiarowych | Bainit | | Hartowanie stopniowe | Zmniejszenie gradientów cieplnych przed powstaniem martenzytu | Odpuszczony martenzyt po późniejszym odpuszczaniu | Różne procesy rozwiązują różne problemy. Odprężanie zmniejsza naprężenia własne bez celowego wywoływania pełnej przemiany związanej z hartowaniem. Wyżarzanie obniża twardość i poprawia skrawalność; normalizowanie rozdrabnia lub odtwarza strukturę poprzez nagrzewanie powyżej zakresu krytycznego, a następnie chłodzenie w powietrzu. Austenityzowanie przygotowuje stal do przemiany, lecz samo w sobie nie stanowi kompletnej obróbki. Hartowanie wytwarza martenzyt tylko w tych miejscach, w których chłodzenie hamuje przemiany dyfuzyjne, a odpuszczanie dostosowuje uzyskaną twardość, udarność i stan naprężeń. Hartowanie stopniowe może zmniejszyć gradienty cieplne przed powstaniem martenzytu. Hartowanie izotermiczne bainityczne prowadzi do powstania struktur bainitycznych, jeżeli stal i wymiar przekroju umożliwiają wymaganą drogę przemiany. Nawęglanie i węgloazotowanie wprowadzają węgiel lub węgiel i azot do warstwy powierzchniowej przed hartowaniem. Azotowanie tworzy utwardzoną, wzbogaconą w azot warstwę wierzchnią w niższej temperaturze i może eliminować potrzebę oddzielnego hartowania. Utwardzanie wydzieleniowe stosuje się wyłącznie do odpowiednich stopów utwardzanych wydzieleniowo. Powłoki dyfuzyjne są obróbką zmieniającą skład powierzchni, a nie zamiennikiem każdej obróbki cieplnej objętościowej. Stale węglowe i stopowe, takie jak C45 i 42CrMo4 objęte normą ISO 683-1:2016, należy przed wyborem którejkolwiek z tych metod ocenić pod kątem określonego składu, hartowności i zamierzonego stanu. ### Dlaczego gatunek stali, wymiar przekroju i geometria muszą być rozpatrywane łącznie Skład chemiczny gatunku i geometria elementu muszą być oceniane łącznie. | Zmienna wyboru | Co kontroluje | Dane do weryfikacji | |---|---|---| | Zawartość węgla | Potencjalna twardość martenzytu | Skład chemiczny gatunku oraz wymagana twardość powierzchni lub rdzenia | | Pierwiastki stopowe | Hartowność i przebieg przemian | Granice składu chemicznego i dane dotyczące hartowności | | Wymiar przekroju | Historia chłodzenia od powierzchni do środka | Wymiar kontrolny i koncentracja masy | | Geometria | Lokalne chłodzenie i koncentracja naprężeń | Naroża, otwory, rowki wpustowe, żebra i przejścia przekrojów | | Stan początkowy | Wielkość ziarna, segregacja, naprężenia i rozmieszczenie węglików | Stan po kuciu, walcowaniu, wyżarzaniu, normalizowaniu lub obróbce na zimno | ISO 683-1:2016 określa wymagania dotyczące dostawy oraz zamierzone zastosowania obróbki dla objętych nią stali niestopowych, ale nie oznacza, że każda obróbka jest odpowiednia dla każdego gatunku lub geometrii. Strong evidence Oznaczenie stali wyznacza punkt wyjścia, a nie gotową recepturę. Norma ISO 683-1:2016 obejmuje stale niestopowe przeznaczone na ogół do wykonywania części maszyn ulepszanych cieplnie, hartowanych izotermicznie bainitycznie, hartowanych płomieniowo, hartowanych indukcyjnie oraz, w niektórych przypadkach, normalizowanych. Norma ISO 4885:2018 podaje ujednoliconą terminologię dotyczącą obróbki cieplnej materiałów żelaznych oraz tabelę faz układu żelazo–węgiel. Żadna z tych norm nie eliminuje potrzeby dopasowania składu chemicznego i hartowności do rzeczywistego elementu. #### Ostrzeżenie dotyczące ryzyka hartowania Nie należy przenosić warunków hartowania z jednego kształtu na inny bez sprawdzenia wymiaru przekroju, karbów, mieszania, intensywności chłodzenia, profilu twardości i ryzyka pękania. Wymiar przekroju decyduje o przebiegu temperatury i chłodzenia od powierzchni do środka. Geometria wprowadza dodatkowe komplikacje: ostre naroża chłodzą się szybciej, cienkie żebra mogą zahartować się na wskroś, otwory mogą chłodzić się inaczej niż powierzchnie zewnętrzne, a rowki wpustowe lub nagłe zmiany przekroju powodują koncentrację naprężeń. Szybkie hartowanie w wodzie może zapewnić wymaganą twardość rdzenia w grubym elemencie ze stali 1045, a jednocześnie doprowadzić do pęknięcia cienkiego elementu z karbem; olej, polimer, gaz, chłodzenie stopniowe lub hartowanie indukcyjne mogą zmniejszyć to ryzyko, lecz każda z tych metod zmienia możliwy do uzyskania profil twardości. Odkształcenia są również wynikiem wzajemnego oddziaływania wielu czynników konstrukcyjnych i procesowych. Nierównomierne nagrzewanie, niejednorodne chłodzenie, zmiana objętości podczas przemiany fazowej oraz naprężenia własne mogą przesuwać otwory, wyginać wały lub zmieniać płaskość. Uchwyty, orientacja wsadu, intensywność mieszania, atmosfera ochronna, podgrzewanie wstępne, hartowanie przerywane oraz naddatek na obróbkę skrawaniem powinny być uwzględnione przy wyborze procesu. Akceptowalnym wynikiem nie jest po prostu określona liczba oznaczająca twardość, lecz element, który zachowuje wymagany kształt i integralność. ### Różnica między nazwą procesu a określoną obróbką „Hartowanie i odpuszczanie” to rodzina procesów. Specyfikacja musi określać oznaczenie i stan stali, zakres temperatur austenityzowania, sposób nagrzewania, efektywny czas wygrzewania, atmosferę pieca, dopuszczalny czas transferu, ośrodek chłodzący i intensywność jego mieszania, temperaturę i czas odpuszczania, liczbę operacji odpuszczania, graniczne wartości twardości lub właściwości mechanicznych oraz metodę kontroli. „Wyżarzać w temperaturze 700 °C” pozostaje zapisem niekompletnym, jeżeli nie są znane szybkość nagrzewania, podstawa określenia czasu wygrzewania, szybkość chłodzenia i wymagana struktura końcowa. *The Manufacturing Process Selection Handbook* ujmuje tę decyzję poprzez przydatność materiału, warianty procesu, ograniczenia konstrukcyjne, zagadnienia jakościowe, ekonomikę produkcji oraz integralność elementu. Kategorie te zapobiegają sprowadzeniu wyboru do jednego ustawienia pieca. Cykl, który spełnia wymagania dotyczące twardości, lecz powoduje pęknięcia, nie zapewnia integralności elementu; cykl, który działa na próbce laboratoryjnej, ale nie pozwala kontrolować atmosfery ani szybkości chłodzenia, nie zapewnia kontroli produkcji. Obróbka cieplna jest określona dopiero wtedy, gdy zdefiniowano zarówno wymagany wynik, jak i środki jego uzyskania oraz weryfikacji. ## 2. Zacznij od wymagań eksploatacyjnych, a nie od temperatury w piecu Dobór obróbki cieplnej należy rozpoczynać od wymaganych właściwości użytkowych elementu, a nie od temperatury w piecu skopiowanej z tabeli. Przed wyborem gatunku stali lub cyklu cieplnego należy określić obciążenia eksploatacyjne, dopuszczalne rodzaje uszkodzeń, zakres twardości, poziom wytrzymałości, wymagania dotyczące udarności, stan zapewniający skrawalność, głębokość utwardzenia, tolerancję wymiarową oraz ograniczenia produkcyjne. Temperatura, czas wygrzewania, szybkość nagrzewania i szybkość chłodzenia wzajemnie na siebie oddziałują; zmiana jednego z tych parametrów może wpłynąć na wielkość ziarna austenitu, produkty przemiany, naprężenia własne, odkształcenia oraz właściwości końcowe. Pierwsze pytanie kwalifikacyjne brzmi: czy specyfikacja wymaga struktury objętościowej odpuszczonego martenzytu, struktury normalizowanej, zmiękczonego stanu wyżarzonego, twardej warstwy wierzchniej nad ciągliwszym rdzeniem czy elementu odprężonego. Odprężanie może być wystarczające w przypadku części spawanej lub intensywnie obrabianej, której wytrzymałość i mikrostruktura są już odpowiednie. Normalizowanie może rozdrobn ić lub odtworzyć strukturę oraz wytworzyć strukturę ferrytyczno-perlityczną odpowiednią dla niektórych części maszyn. Wyżarzanie ma na celu przede wszystkim zmniejszenie twardości i poprawę skrawalności. Obróbka hartowania i odpuszczania służy uzyskaniu kontrolowanej kombinacji wytrzymałości i udarności, natomiast nawęglanie, węgloazotowanie, azotowanie, hartowanie płomieniowe lub hartowanie indukcyjne mogą być stosowane wtedy, gdy główne wymaganie dotyczące twardości odnosi się do powierzchni. ASM International stwierdziła w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że „dobór stali do hartowania zależy przede wszystkim od wymaganej twardości po hartowaniu oraz głębokości poniżej powierzchni, do której twardość ta musi sięgać”. Jest to podstawowe kryterium oceny decyzji dotyczących hartowania na wskroś. Stal musi umożliwiać osiągnięcie wymaganej twardości po hartowaniu na odpowiedniej głębokości przekroju, przy dostępnej intensywności chłodzenia, a następnie odpuszczanie powinno zmniejszyć kruchość i skorygować końcową równowagę właściwości. ### Twardość, wytrzymałość, udarność i skrawalność Twardość jest odpornością na wciskanie lub miejscowe odkształcenie plastyczne. Nie zastępuje ona w pełni wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, odporności zmęczeniowej ani udarności. Dwie stale o podobnej twardości Rockwella w skali C mogą różnić się właściwościami wytrzymałościowymi, udziałem wtrąceń, wielkością ziarna, zawartością austenitu szczątkowego oraz zachowaniem podczas próby udarności. Liczba określająca twardość jest świadectwem jednej reakcji materiału, a nie pełną specyfikacją właściwości mechanicznych. \[2\] \[2\] [**Hardenability Bands for Carbon and Alloy H Steels**](https://saemobilus.sae.org/standards/j1268_199505-hardenability-bands-carbon-alloy-h-steels). SAE International. SAE Standard J1268, 1995. Hartowność należy również odróżniać od twardości. Twardość opisuje wartość osiągniętą w danym miejscu; hartowność opisuje, jak głęboko i jak równomiernie stal może przemienić się w martenzyt podczas określonej obróbki. Stal niskostopowa może osiągać wysoką twardość powierzchni, lecz szybko tracić twardość w kierunku środka dużego przekroju. Stal o większej hartowności może zachować wymaganą strukturę po hartowaniu głębiej pod powierzchnią, często przy zastosowaniu mniej intensywnego chłodzenia i przy mniejszym ryzyku odkształceń. Norma SAE J1268 (1995) określa minimalne i maksymalne granice hartowności dla węglowych i stopowych stali typu H-band, dla których ustalono standardowe dane z próby hartowania od czoła. Wyniki próby Jominy’ego oraz analiza Grossmanna pomagają zatem powiązać dobór gatunku z wymiarem przekroju i warunkami chłodzenia; nie zastępują jednak walidacji przeprowadzonej na rzeczywistej geometrii. Wyższa twardość może być sprzeczna z odpornością na udarność i stabilnością wymiarową. Nadmierna ilość nieodpuszczonego martenzytu powoduje kruchość, natomiast zbyt intensywne chłodzenie zwiększa naprężenia cieplne i naprężenia przemiany. Wał określony wyłącznie jako „bardzo twardy” może pękać przy rowku wpustowym, tracić trwałość zmęczeniową wskutek uszkodzeń szlifierskich lub odkształcać się poza tolerancję gniazda łożyskowego. Temperaturę i czas odpuszczania należy dobierać z uwzględnieniem wymaganej granicy plastyczności, energii udarności, obciążeń zmęczeniowych i temperatury pracy. Kurs dotyczący obróbki cieplnej, opublikowany przez ASTM International w 2024 r., wskazuje austenityzowanie, wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie, podwójne odpuszczanie, kontrolę wielkości ziarna oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji, a nie jako odosobnione nastawy pieca. Skrawalność może wymagać innego stanu wyjściowego niż końcowy stan eksploatacyjny. Materiał wyżarzony lub normalizowany można obrabiać bardziej przewidywalnie niż materiał zahartowany, lecz nadmierne zmiękczenie może w przypadku niektórych gatunków zmniejszyć stabilność produkcji wskutek tworzenia się narostu lub niewłaściwego łamania wióra. Plan procesu może zatem przewidywać obróbkę skrawaniem przed hartowaniem, pozostawienie naddatku na szlifowanie oraz odpuszczanie lub odprężanie przed ostatecznym wymiarowaniem. ### Wymagania dotyczące powierzchni a wymagania dotyczące całego przekroju Należy określić, w którym miejscu wymagana właściwość ma występować. Ząb koła zębatego, krzywka, bieżnia łożyska lub tor zużycia mogą wymagać twardej powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwszego, bardziej odpornego na uszkodzenia rdzenia. Nawęglanie i węgloazotowanie wprowadzają w pobliżu powierzchni węgiel albo węgiel i azot przed hartowaniem. Azotowanie tworzy twardą, wzbogaconą w azot warstwę wierzchnią przy ograniczonej przemianie rdzenia, natomiast hartowanie indukcyjne i płomieniowe powodują przemianę kontrolowanej warstwy powierzchniowej wskutek szybkiego, miejscowego nagrzewania i chłodzenia. Powłoki dyfuzyjne oraz powiązane z nimi obróbki powierzchniowe służą innym celom chemicznym i związanym ze zużyciem, dlatego nie można ich dobierać wyłącznie na podstawie twardości. Element hartowany na wskroś stawia inne wymagania. Jego rdzeń musi po odprowadzeniu ciepła przez cały przekrój spełniać wymagania dotyczące twardości lub właściwości mechanicznych. Istotne zmienne obejmują skład chemiczny gatunku, wielkość ziarna austenitu pierwotnego, grubość przekroju, naroża, otwory, zmiany masy oraz intensywność mieszania czynnika chłodzącego. Norma ISO 683-1:2016 określa wymagania dostawy dla stali niestopowych przeznaczonych zasadniczo do hartowania i odpuszczania, hartowania bainitycznego, hartowania płomieniowego, hartowania indukcyjnego oraz, w niektórych przypadkach, do normalizowanych części maszyn. Zakres tej normy nie oznacza, że każda z wymienionych obróbek ma zastosowanie do każdego gatunku lub każdej geometrii. ### Naprężenia własne, stabilność wymiarowa i rodzaje uszkodzeń eksploatacyjnych Proces jest nieodpowiedni, jeżeli zapewnia wymaganą twardość, lecz jednocześnie powoduje pęknięcia, niedopuszczalne bicie, przyrost lub skurcz wymiarów albo niestabilność wymiarową. Przyczyniają się do tego nierównomierne nagrzewanie, gradienty warstwy nawęglonej, moment przemiany martenzytycznej, gwałtowne zmiany przekroju oraz intensywność chłodzenia. Hartowanie stopniowe może ograniczyć różnice temperatur podczas przemiany; hartowanie bainityczne może prowadzić do powstania struktur bainitycznych o innej równowadze naprężeń i odkształceń; podwójne odpuszczanie może być wymagane tam, gdzie austenit szczątkowy przemienia się po pierwszym odpuszczaniu. Są to decyzje powiązane z geometrią i ryzykiem uszkodzeń, a nie automatyczne ulepszenia procesu. #### Tryby uszkodzeń podlegające weryfikacji - **Zużycie** Może wymagać twardej powierzchni lub warstwy poddanej obróbce dyfuzyjnej. - **Wyłamanie zęba** Może wymagać twardej warstwy wierzchniej z bardziej ciągliwym rdzeniem. - **Wżery zmęczeniowe w styku tocznym** Wymagają kontroli twardości powierzchni, głębokości warstwy wierzchniej i podparcia podpowierzchniowego. - **Pękanie zmęczeniowe** Wymaga uwzględnienia naprężeń własnych, karbów, stanu powierzchni i udarności. - **Pękanie przeciążeniowe** Może przemawiać za zrównoważonym stanem wytrzymałości i udarności zamiast maksymalnej twardości. - **Niestabilność wymiarowa** Może wymagać odprężania, kontrolowanego hartowania, odpuszczania lub metody ograniczającej odkształcenia. Przed wyborem cyklu należy określić rzeczywiste rodzaje uszkodzeń eksploatacyjnych: zużycie, pękanie zębów, wżery zmęczeniowe w styku tocznym, pękanie zmęczeniowe, pękanie przeciążeniowe, zatarcie, utratę napięcia wstępnego lub dryf wymiarowy. Element odprężony może być lepszym rozwiązaniem niż element twardszy, jeżeli o uszkodzeniu decydują naprężenia własne po spawaniu. Norma ISO 4885:2018 zawiera ujednoliconą terminologię dotyczącą obróbki cieplnej materiałów żelaznych oraz tabelę układu żelazo–węgiel, pomagając w specyfikacjach odróżniać nazwy obróbek od struktur i przemian, które mają one wywołać. Prawidłowa kolejność postępowania jest jasna: określić wymagane właściwości użytkowe, ustalić wymagania dotyczące powierzchni lub całego przekroju, ocenić hartowność i geometrię, a następnie wybrać stal oraz okno procesu. Temperatura w piecu pojawia się dopiero później. ## 3. Gatunek stali, zawartość węgla, dodatki stopowe i hartowność Cyklu obróbki cieplnej nie można dobierać wyłącznie na podstawie temperatury w piecu. Oznaczenie stali określa dostępną zawartość węgla, pierwiastków stopowych, wymagania dotyczące czystości oraz przewidywany przebieg przemian; element określa drogę chłodzenia i dopuszczalne naprężenia cieplne. ASM International stwierdziło w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że „dobór stali do hartowania jest przede wszystkim determinowany wymaganą twardością po hartowaniu oraz głębokością od powierzchni, do której ta twardość musi sięgać”. Jest to decyzja materiałowo-procesowa, a nie wyszukiwanie gotowej receptury. #### Kluczowe terminy przy wyborze gatunku Twardość Odporność mierzona w określonym miejscu po obróbce. Hartowność Głębokość i rozkład zahartowania uzyskane podczas określonego cyklu chłodzenia. Twardość po hartowaniu Twardość uzyskana bezpośrednio po hartowaniu, przed zmianą równowagi właściwości wskutek odpuszczania. Stal o określonym zakresie hartowności Stal węglowa lub stopowa dostarczana z określonymi granicami hartowności na podstawie wyników standardowej próby hartowania od czoła. Rozróżnienie między twardością a hartownością musi pozostać jednoznaczne. Twardość jest odpornością mierzoną w określonym miejscu elementu. Hartowność opisuje, jak głęboko dana stal może wytworzyć martenzyt lub wymaganą frakcję martenzytyczną podczas określonego chłodzenia. Mały sworzeń i duże koło zębate mogą być wykonane z tego samego gatunku stali i hartowane w tym samym oleju, a mimo to wykazywać zupełnie inną strukturę w rdzeniu, ponieważ różnią się szybkością chłodzenia. ### Zawartość węgla i osiągalna twardość martenzytyczna Węgiel bezpośredniej niż większość pierwiastków stopowych wpływa na potencjalną twardość martenzytu. Podczas austenityzowania węgiel rozpuszcza się w austenicie, a następnie szybkie chłodzenie zatrzymuje go w przesyconej, tetragonalnej przestrzennie centrowanej sieci martenzytycznej. Wraz ze wzrostem zawartości węgla martenzyt po hartowaniu staje się na ogół twardszy, jednak wzrost ten w końcu przynosi coraz mniejsze korzyści praktyczne i może zwiększać kruchość, ryzyko pękania oraz udział austenitu szczątkowego. Wyznacza to granicę tego, co można osiągnąć przez hartowanie. Stal niskowęglowa może chłodzić się wystarczająco szybko, aby na powierzchni i w rdzeniu przekształcić znaczną część austenitu w martenzyt, a mimo to uzyskać umiarkowaną twardość, ponieważ martenzyt zawiera niewiele węgla. Z kolei stal wysokowęglowa może wytworzyć bardzo twardy martenzyt powierzchniowy, lecz nie zahartować się w rdzeniu, jeśli chłodzenie w tym obszarze jest zbyt wolne. Węgiel determinuje zatem osiągalną twardość martenzytyczną, ale sam nie gwarantuje zahartowania całego przekroju. Wymaganą właściwość należy określać dla konkretnego miejsca. „Wysoka twardość” powierzchni jest określeniem niepełnym, jeśli również podstawa zęba przenoszącego obciążenie, środek wału lub gniazdo łożyska muszą spełniać wymagania dotyczące twardości albo mikrostruktury. W grubym przekroju w pobliżu zahartowanej powierzchni może występować martenzyt, dalej w kierunku wnętrza bainit lub perlit, a w rdzeniu bardziej miękka struktura mieszana. Taki gradient może być dopuszczalny w elemencie celowo utwardzanym powierzchniowo, lecz stanowi wadę, gdy specyfikacja wymaga zahartowania na wskroś. Węgiel wpływa również na temperatury przemian i reakcję na chłodzenie. Zwiększenie zawartości węgla zazwyczaj obniża temperaturę początku przemiany martenzytycznej i może zwiększać udział austenitu szczątkowego po hartowaniu. Temperatura austenityzowania i czas wygrzewania muszą zapewniać rozpuszczenie zamierzonych faz zawierających węgiel bez nadmiernego rozrostu ziaren. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 roku wskazuje austenityzowanie, kontrolę wielkości ziarna, praktykę hartowania i odpuszczania, podwójne odpuszczanie oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji, a nie niezależne ustawienia pieca. \[3\] \[3\] [**Heat Treatment of Ferrous Materials — Vocabulary**](https://www.iso.org/standard/87711.html). International Organization for Standardization. ISO 4885:2018, 2018. ISO 683-1:2016 obejmuje stale niestopowe przeznaczone zasadniczo do wykonywania części maszyn poddawanych hartowaniu i odpuszczaniu, hartowaniu izotermicznemu, hartowaniu płomieniowemu, hartowaniu indukcyjnemu, a w niektórych przypadkach także normalizowaniu. Należy jednak nadal sprawdzać oznaczenie i stan dostawy: gatunek przeznaczony do hartowania i odpuszczania nie jest automatycznie odpowiedni do nawęglania, azotowania ani obróbki wydzieleniowej. ISO 4885:2018 podaje ujednoliconą terminologię dotyczącą obróbki cieplnej żelaza i stali oraz terminologię faz w układzie żelazo–węgiel stosowaną przy definiowaniu tych wyborów. ### Wpływ dodatków stopowych na hartowność i przebieg przemian Dodatki stopowe należy oceniać oddzielnie od zawartości węgla. Mangan, chrom, molibden, nikiel oraz bor, w odpowiednio kontrolowanych ilościach, zazwyczaj opóźniają przemiany dyfuzyjne, takie jak tworzenie perlitu i ferrytu. Dzięki temu stal może tworzyć martenzyt przy mniejszej szybkości chłodzenia i na większej głębokości podczas tego samego chłodzenia. Krzem również wpływa na przebieg przemian i reakcję podczas odpuszczania, natomiast chrom, molibden i wanad mogą tworzyć węgliki stopowe, których rozpuszczanie zależy od temperatury i czasu austenityzowania. Jest to główny powód, dla którego stal taka jak SAE 4140 może hartować się głębiej niż gatunek stali węglowej o podobnej zawartości węgla. Jej zawartość dodatków stopowych zmienia przebieg przemian w układzie czas–temperatura, zapewniając wnętrzu więcej czasu na przejście przez zakres przemian bez tworzenia dużych ilości miękkiego ferrytu lub perlitu. Nikiel na ogół zwiększa hartowność i ciągliwość, podczas gdy chrom i molibden mogą również poprawiać odporność na zmiękczanie podczas odpuszczania. Ich działanie nie jest wzajemnie równoważne, a jego wielkość zależy od składu chemicznego, wyjściowej mikrostruktury, wielkości ziarna austenitu i historii cieplnej. Dodatki stopowe nie eliminują potrzeby zastosowania odpowiedniej zawartości węgla. Niskowęglowa stal stopowa może hartować się głęboko, lecz martenzyt w tej stali może mieć ograniczoną maksymalną twardość ze względu na zawartość węgla. Wysokowęglowa stal niestopowa może osiągać bardzo wysoką twardość powierzchni, ale do zahartowania rdzenia może wymagać intensywnego chłodzenia, co zwiększa ryzyko odkształceń i pękania. W wielu konstrukcjach średniowęglowa stal stopowa, a następnie hartowanie i odpuszczanie, zapewniają łatwiejszy do kontrolowania kompromis niż samo zwiększanie zawartości węgla. Przebieg przemian determinuje również wybór procesu. Stale zawierające molibden mogą tolerować wolniejsze chłodzenie, podczas gdy stal niestopowa może wymagać hartowania w wodzie lub polimerze, aby osiągnąć wymaganą twardość rdzenia, co wiąże się z większym ryzykiem zmian wymiarowych. Stale zawierające nikiel i chrom mogą charakteryzować się niższymi temperaturami przemian oraz większą podatnością na powstawanie austenitu szczątkowego. Odpuszczanie należy zatem określać na podstawie końcowej twardości, wytrzymałości, ciągliwości i stabilności, a nie na podstawie temperatury przyjętej bez weryfikacji z innego gatunku. ![Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach](/images/uploads/11b81839-0bf0-4fe6-88b9-4c54f18d4e4c/wiki-inline-a-jominy-end-quench-specimen-beside-a-hardness-versus-distance-profile-and-a-rou-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/11b81839-0bf0-4fe6-88b9-4c54f18d4e4c/wiki-inline-a-jominy-end-quench-specimen-beside-a-hardness-versus-distance-profile-and-a-rou-1920x1434.avif "Powiększ obraz — Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach")Jominy data help connect steel hardenability with the hardness profile of a real section. ### Stale z pasmem H, dane Jominy’ego i wpływ wielkości przekroju SAE J1268, znowelizowana w 1995 roku, określa minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych i stopowych z pasmem H, dla których ustalono standardowe dane dotyczące hartowności w próbie hartowania od czoła. Oznaczenie „H” identyfikuje gatunek o kontrolowanej hartowności, taki jak odmiana stali węglowej lub stopowej z pasmem H, dla której wymagany zakres hartowności wyrażono za pomocą standardowych wyników próby hartowania od czoła. Nie oznacza ono, że każdy element z tego gatunku będzie miał taką samą twardość na każdej głębokości, ani nie zastępuje kontroli zawartości węgla, wielkości ziarna, parametrów austenityzowania czy warunków chłodzenia. Próba Jominy’ego hartowania od czoła umożliwia porównanie hartowności w określonych warunkach laboratoryjnych. Znormalizowaną próbkę cylindryczną austenityzuje się i chłodzi na jednym końcu, a następnie mierzy się twardość w rosnących odległościach od chłodzonego końca. Uzyskana krzywa twardości w funkcji odległości pokazuje, jak szybko stal traci twardość martenzytyczną wraz ze zmniejszaniem się lokalnej szybkości chłodzenia. SAE J1268 wykorzystuje takie ustalone dane do określania minimalnych i maksymalnych pasm hartowności. Specyfikacja produkcyjna może dzięki temu odrzucać wytopy wykraczające poza wybrane pasmo, zamiast opierać się wyłącznie na nominalnym składzie chemicznym. #### Dane z badań należy interpretować uważnie Odległość od czoła w próbie hartowania Jominy’ego charakteryzuje reakcję stali w określonych warunkach laboratoryjnych. Przed wykorzystaniem jej do prognozowania twardości elementu należy odnieść ją do rzeczywistego wymiaru przekroju, geometrii, intensywności hartowania i chłodzenia produkcyjnego. Odległość Jominy’ego nie jest tym samym co rzeczywista głębokość w elemencie. Wał, blacha, koło zębate lub odkuwka chłodzą się w trzech wymiarach, a przebieg chłodzenia od powierzchni do rdzenia zależy od wielkości i kształtu przekroju, naroży, koncentracji masy, czasu przenoszenia z pieca, intensywności mieszania, temperatury czynnika chłodzącego oraz jego stanu. Rdzeń grubego przekroju okrągłego może chłodzić się zbyt wolno, aby osiągnąć wymaganą twardość, nawet gdy pomiar twardości powierzchni daje wynik zadowalający. Analiza Grossmanna stanowi połączenie między laboratoryjną hartownością a geometrią elementu. Oddziela reakcję stali od intensywności chłodzenia i wiąże idealną średnicę krytyczną z rzeczywistym przekrojem oraz warunkami chłodzenia. Dane Jominy’ego charakteryzują stal, natomiast koncepcje Grossmanna pomagają ocenić, czy dana stal i zastosowane chłodzenie umożliwią zahartowanie wymaganego przekroju. Wynik należy zweryfikować za pomocą pomiarów twardości wzdłuż przekroju, badań metalograficznych oraz, w razie potrzeby, prób produkcyjnych. Rzetelny dobór powinien zatem określać oznaczenie stali, granice zawartości węgla i dodatków stopowych, wymaganie dotyczące pasma H lub równoważnej hartowności, docelową mikrostrukturę, wymaganą twardość w zdefiniowanych miejscach, wielkość przekroju oraz ograniczenia dotyczące chłodzenia — jeszcze przed wyborem cyklu pieca. Temperatura, czas wygrzewania, szybkość nagrzewania i szybkość chłodzenia działają łącznie; zmiana jednego z tych parametrów może zmienić wynik, nawet gdy nominalny gatunek stali pozostaje bez zmian. ## 4. Dobór konwencjonalnej technologii hartowania na wskroś Konwencjonalne hartowanie na wskroś oznacza austenityzowanie, hartowanie i odpuszczanie całego przekroju, a nie tylko utwardzanie jego powierzchni. Technologię tę wybiera się, gdy element musi uzyskać kontrolowaną kombinację twardości, wytrzymałości i ciągliwości na znacznej głębokości. Decyzję należy rozpocząć od określenia wymaganej twardości po zahartowaniu oraz głębokości, na której twardość ta musi zostać osiągnięta. ASM International stwierdziło w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że te dwa wymagania przede wszystkim determinują dobór stali; nie można ich zastąpić doborem temperatury pieca. Hartowność jest właściwością materiału mającą tu zasadnicze znaczenie. Twardość opisuje odporność na wciskanie po obróbce, natomiast hartowność opisuje, jak głęboko i równomiernie stal może wytworzyć strukturę zahartowaną w określonym cyklu chłodzenia. Przekrój ze stali C45 i przekrój ze stali 42CrMo4 mogą osiągać podobną twardość powierzchniową, jednak ich rozkłady twardości mogą znacznie się różnić, ponieważ na przemianę wpływają zawartość składników stopowych, wielkość przekroju, wielkość ziarna byłego austenitu oraz warunki chłodzenia. SAE J1268:1995 określa minimalne i maksymalne granice hartowności dla węglowych i stopowych stali z pasmem H, dla których ustalono znormalizowane dane z próby hartowania od czoła. Wyniki próby Jominy’ego oraz metody Grossmanna pomagają zatem porównać gatunek stali z elementem, lecz nie eliminują potrzeby przeprowadzenia prób produkcyjnych. ISO 683-1:2016 obejmuje stale niestopowe przeznaczone zasadniczo na części maszyn ulepszane cieplnie, hartowane izotermicznie, hartowane płomieniowo, hartowane indukcyjnie oraz, w niektórych przypadkach, normalizowane. ISO 4885:2018 zawiera terminologię dotyczącą obróbki cieplnej oraz definicje faz w układzie żelazo–węgiel stosowane do opisu tej technologii. Wybrany gatunek musi również spełniać wymagania dotyczące składu chemicznego, wielkości przekroju, właściwości mechanicznych, spawalności i kontroli. Hartowanie na wskroś jest niewłaściwym wyborem, jeżeli rdzeń nie może osiągnąć wymaganej struktury bez niedopuszczalnego ryzyka pękania albo jeżeli uzyskana twardość uniemożliwia późniejszą obróbkę skrawaniem. ### Austenityzowanie i kontrola wielkości ziarna Pierwszym etapem jest nagrzanie do zakresu austenitycznego z szybkością zapobiegającą powstawaniu nadmiernych gradientów cieplnych i uszkodzeniom powierzchni. Określona temperatura austenityzowania zależy od gatunku stali, stanu wyjściowego, atmosfery pieca, grubości przekroju, sposobu załadunku oraz wymaganej wielkości ziarna. Wytrzymanie musi trwać wystarczająco długo, aby najchłodniejsza część przekroju osiągnęła wymaganą temperaturę oraz aby zaszły wymagane rozpuszczanie i ujednorodnienie. Nie jest to po prostu kwestia umieszczenia każdego elementu w stałym harmonogramie „minut na milimetr”. Nadmierna temperatura lub zbyt długi czas sprzyjają rozrostowi ziaren austenitu. Grube ziarna byłego austenitu mogą zmniejszać ciągliwość, zwiększać podatność na pękanie podczas hartowania oraz zmieniać przebieg przemian. Mogą również pogarszać zmienność wymiarową, ponieważ przemiana w elemencie zachodzi mniej równomiernie. Z tego względu zwykle preferuje się najniższe, zatwierdzone parametry austenityzowania, które zapewniają wymaganą strukturę, zamiast niepotrzebnie wysokiego ustawienia pieca. Nie oznacza to jednak, że dopuszczalne jest niedogrzanie: nierozpuszczone węgliki, niepełne austenityzowanie lub niewystarczające wyrównanie temperatury mogą prowadzić do niskiej twardości i nierównomiernego profilu. Kontrola wielkości ziarna obejmuje więcej niż tylko temperaturę pieca. Znaczenie mają również czystość stali, wcześniejsza przeróbka plastyczna na gorąco, historia normalizowania lub wyżarzania, szybkość nagrzewania, sposób załadunku pieca oraz czas przebywania powyżej temperatur krytycznych. Kurs dotyczący obróbki cieplnej ASTM International z 2024 r. wskazuje austenityzowanie, kontrolę wielkości ziarna, wymagania dotyczące właściwości mechanicznych oraz wybór technologii, takich jak wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie oraz podwójne odpuszczanie, jako czynniki specyfikacji. Kalibracja pieca i rozmieszczenie termopar są niezbędne, gdy przekrój jest duży lub tolerancja właściwości jest wąska. ![Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach](/images/uploads/64cf0bf6-7e7f-4b3b-8165-29006ad035a5/wiki-inline-a-steel-shaft-with-a-keyway-undergoing-quenching-showing-uneven-cooling-transfor-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/64cf0bf6-7e7f-4b3b-8165-29006ad035a5/wiki-inline-a-steel-shaft-with-a-keyway-undergoing-quenching-showing-uneven-cooling-transfor-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach")Quench severity must be matched to section size and geometry to control cracking and distortion. ### Hartowanie: intensywność chłodzenia, pękanie i odkształcenia Po austenityzowaniu element chłodzi się wystarczająco szybko, aby przed wystąpieniem nadmiernej dyfuzji przejść przez odpowiednie zakresy przemian perlitycznej i bainitycznej, umożliwiając powstanie martenzytu tam, gdzie pozwalają na to gatunek stali i wielkość przekroju. Wymagana szybkość chłodzenia nie jest największą dostępną szybkością. Jest to szybkość, która zapewnia wymagany profil twardości, jednocześnie utrzymując naprężenia cieplne i przemianowe w granicach tolerowanych przez element. Woda, roztwór polimeru, olej, gaz oraz hartowanie przerywane lub stopniowe zapewniają różną intensywność chłodzenia. Woda może zapewniać intensywne chłodzenie powierzchni, lecz może powodować znaczne gradienty, zwłaszcza w ostrych narożach, rowkach wpustowych, otworach i miejscach zmiany grubości ścianki. Olej jest zwykle łagodniejszy, natomiast ciśnienie gazu i stężenie polimeru można regulować w ramach zatwierdzonych zakresów. Rzeczywisty cykl chłodzenia zmieniają również mieszanie, temperatura kąpieli, rozmieszczenie wsadu, czas przenoszenia oraz zanieczyszczenie ośrodka hartowniczego. Sama nazwa nominalnego ośrodka hartowniczego nie stanowi zatem specyfikacji procesu. Intensywność hartowania jest kwestią związaną z konstrukcją elementu, a nie rywalizacją o największą szybkość. Gruby wał może wymagać intensywnego chłodzenia, aby zahartować jego środek, podczas gdy cienki ząb koła zębatego może pęknąć w tych samych warunkach. Geometria określa miejscowe odprowadzanie ciepła i koncentrację naprężeń. Zaokrąglenia, łagodne przejścia, równomierna grubość ścianki, prawidłowe oprzyrządowanie oraz kontrolowane ułożenie mogą ograniczyć odkształcenia i pękanie, zanim element trafi do zbiornika. Hartowanie stopniowe może zostać wybrane, gdy ograniczenie gradientów cieplnych jest ważniejsze niż uzyskanie najkrótszego cyklu; wyrównuje ono temperaturę powyżej zakresu początku przemiany martenzytycznej przed przeprowadzeniem końcowej przemiany. Hartowanie bainityczne jest inną technologią, prowadzącą do powstania struktur bainitycznych podczas wytrzymania izotermicznego, i nie powinno być traktowane jako zwykły zamiennik hartowania i odpuszczania. ### Odpuszczanie i końcowy bilans właściwości #### Wymóg odpuszczania Nie należy dopuścić zahartowanego elementu do dalszego użycia bez określonej obróbki odpuszczania. Nieodpuszczony martenzyt może powodować wysokie naprężenia własne i pękać podczas przenoszenia, obróbki skrawaniem lub eksploatacji. Stal bezpośrednio po hartowaniu rzadko jest gotowa do pracy. Martenzyt jest twardy, lecz charakteryzuje się wysokim poziomem naprężeń szczątkowych i może zawierać austenit szczątkowy; element nieodpuszczony może pęknąć podczas przenoszenia, obróbki skrawaniem lub eksploatacji. Odpuszczanie polega na ponownym nagrzaniu zahartowanej stali poniżej odpowiedniej temperatury przemiany i wytrzymaniu jej przez czas wystarczający do redystrybucji węgla, tworzenia węglików, odprężenia oraz uzyskania zamierzonej zmiany właściwości mechanicznych. Twardość i wytrzymałość na ogół maleją wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania, natomiast ciągliwość i stabilność wymiarowa zwykle się poprawiają, choć reakcja silnie zależy od gatunku stali i struktury wyjściowej. Końcowym celem jest bilans właściwości, a nie maksymalna twardość. Gniazdo łożyskowe, wał obciążony ciśnieniem oraz sworzeń obciążony udarowo mogą wymagać różnych parametrów odpuszczania, nawet jeśli wykonano je z tego samego nominalnego gatunku stali. Odpuszczanie wpływa również na naprężenia szczątkowe i zmiany wymiarowe, dlatego specyfikacja powinna obejmować miejsce pomiaru twardości, wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie lub udarności, jeśli mają zastosowanie, dopuszczalne odkształcenia oraz wszelkie zabronione zakresy odpuszczania związane z kruchością odpuszczania lub niepożądanymi reakcjami węglików. Podwójne odpuszczanie może być określane dla stali wysokostopowych, stali narzędziowych oraz elementów, w których austenit szczątkowy przemienia się podczas pierwszego odpuszczania lub późniejszego chłodzenia. Drugie odpuszczanie obejmuje wówczas nowo powstały, nieodpuszczony martenzyt i zmniejsza ryzyko opóźnionych zmian wymiarowych lub pękania. Nie jest ono automatycznie wymagane dla każdej stali węglowej ani niskostopowej. Dokładne temperatury, czasy przenoszenia, czasy wytrzymania, szybkości nagrzewania, szybkości chłodzenia oraz odstępy między operacjami odpuszczania muszą wynikać z normy dla danego gatunku, specyfikacji obróbki cieplnej, geometrii elementu, praktyki dotyczącej pieca i ośrodka hartowniczego oraz zatwierdzonych danych procesu. Opracowanie dotyczące obróbki cieplnej opublikowane w ScienceDirect w 2024 r. wskazuje rodzaj stali i wymagane właściwości jako czynniki doboru, a temperaturę, czas wytrzymania, szybkość nagrzewania i szybkość chłodzenia jako zmienne wzajemnie na siebie oddziałujące. Dlatego wiarygodna technologia hartowania na wskroś jest zatwierdzana na podstawie pomiarów twardości, kontroli mikrostruktury, pomiarów odkształceń oraz, w razie potrzeby, walidacji z wykorzystaniem próby Jominy’ego lub elementu produkcyjnego, a nie kopiowana z ogólnej receptury pieca. ## 5. Kiedy właściwym wyborem jest wyżarzanie, normalizowanie lub odprężanie Nie każdy element wymaga hartowania. Jeżeli wymaganymi właściwościami są skrawalność, stabilność wymiarowa lub kontrolowana wyjściowa struktura ferrytyczno-perlityczna, obróbka polegająca na wolniejszym chłodzeniu może być bardziej uzasadniona niż cykl hartowania i odpuszczania. Dobór nadal rozpoczyna się od oznaczenia stali, jej wyjściowej mikrostruktury, grubości przekroju, wcześniejszej historii przeróbki plastycznej lub spawania oraz operacji, które będą wykonywane później. Sama temperatura nie definiuje obróbki: czas wygrzewania, szybkość nagrzewania, szybkość chłodzenia i odpowiedź cieplna przekroju współdziałają ze sobą. ASM International stwierdza w publikacji *Dobór stali do hartowania* (1991), że „dobór stali do hartowania jest determinowany przede wszystkim wymaganą twardością po zahartowaniu oraz głębokością pod powierzchnią, do której ta twardość musi sięgać”. Kryterium to ma znaczenie, gdy hartowanie jest wymagane, lecz nie uzasadnia hartowania każdego stalowego elementu. Norma ISO 683-1:2016 obejmuje stale niestopowe przeznaczone do wytwarzania części maszyn poddawanych hartowaniu i odpuszczaniu, hartowaniu bainitycznemu, hartowaniu płomieniowemu, hartowaniu indukcyjnemu, a w niektórych przypadkach także normalizowaniu. Określony stan dostawy i zamierzone zastosowanie stanowią zatem część decyzji. ### Wyżarzanie w celu zmiękczenia i poprawy skrawalności Wyżarzanie wybiera się wtedy, gdy materiał musi stać się bardziej miękki, mniej odporny na skrawanie lub mniej podatny na zmienność zachowania podczas obróbki. Wyżarzanie zupełne zwykle obejmuje nagrzewanie do zakresu austenitu, a następnie powolne chłodzenie w piecu, co w przypadku wielu stali węglowych zwykłej jakości i stali niskostopowych prowadzi do powstania stosunkowo gruboziarnistej struktury ferrytyczno-perlitycznej. Dokładny rezultat zależy od zawartości węgla, pierwiastków stopowych, wcześniejszego odkształcenia oraz wielkości przekroju. Stal podeutektoidalna, taka jak C45E, nie reaguje w ten sam sposób jak wysokowęglowa stal narzędziowa lub gatunek chromowo-molibdenowy. Zmiękczenie może zmniejszyć siły skrawania i zużycie narzędzia, lecz określenie „wyżarzony” nie jest uniwersalnym synonimem określenia „skrawalny”. Wyżarzanie sferoidyzujące może być bardziej odpowiednie w przypadku stali wysokowęglowych, ponieważ zaokrąglone cząstki cementytu zmniejszają opór skrawania i poprawiają podatność na odkształcenia przed hartowaniem. Z drugiej strony nadmierny rozrost ziaren może obniżyć udarność i pozostawić niekorzystną strukturę wyjściową do dalszej obróbki. Cienkie przekroje chłodzą się szybciej niż ciężkie przekroje, natomiast duże odkuwki mogą wymagać wydłużonego wyrównywania temperatury, aby zapobiec powstaniu twardej warstwy zewnętrznej i bardziej miękkiego rdzenia. Należy sprawdzić wcześniejszą historię materiału. Przeróbka na zimno zwiększa gęstość dyslokacji i może powodować właściwości kierunkowe; wyżarzanie może usunąć znaczną część tego stanu. Element spawany może zawierać strefę wtopienia, strefę wpływu ciepła i metal rodzimy o różnych strukturach, dlatego jeden cykl piecowy może nie doprowadzić do uzyskania identycznych właściwości w całym elemencie. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 roku wymienia wyżarzanie, kontrolę wielkości ziarna i wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako odrębne czynniki specyfikacji. Rozróżnienie to jest użyteczne: celem nie jest jedynie obniżenie twardości, lecz uzyskanie określonej struktury i przewidywalnego zachowania podczas następnej operacji. ### Normalizowanie w celu kształtowania struktury i regulacji właściwości Normalizowanie wybiera się na ogół w celu odtworzenia lub dostosowania struktury po kuciu, walcowaniu lub innej obróbce cieplnej. Stal nagrzewa się do zakresu austenitu i chłodzi na spokojnym powietrzu, uzyskując większą szybkość chłodzenia niż podczas wyżarzania w piecu. W przypadku wielu stali węglowych i niskostopowych prowadzi to do powstania drobniejszej struktury ferrytyczno-perlitycznej, zwiększenia wytrzymałości w porównaniu ze stanem po wyżarzaniu zupełnym oraz ograniczenia części pasmowości lub niejednorodności wywołanych wcześniejszą obróbką. Normalizowanie nie zastępuje hartowania, gdy wymagana jest zahartowana warstwa martenzytyczna lub duża hartowność na wskroś. Jest kontrolowanym stanem wyjściowym, a nie automatycznie końcowym stanem o wysokiej wytrzymałości. Może również służyć jako obróbka wstępna przed obróbką skrawaniem lub późniejszym austenityzowaniem, szczególnie gdy historia kucia elementu jest niepewna. W przypadku konieczności rozdrobnienia ziarna można zalecić wielokrotne cykle normalizowania, jednak powtarzane nagrzewanie może zwiększać ilość zgorzeliny, odwęglenie, odkształcenia i czas produkcji. Grubość przekroju zmienia szybkość chłodzenia, a tym samym końcowe właściwości. Mały wał po normalizowaniu może uzyskać drobniejszy perlit i większą wytrzymałość niż gruba płyta z tego samego gatunku. Znaczenie ma również geometria: nagłe zmiany przekroju mogą powodować różne warunki chłodzenia i naprężenia własne. Norma ISO 4885:2018 dostarcza kontrolowanej terminologii dotyczącej obróbki cieplnej materiałów żelaznych oraz zależności fazowych w układzie żelazo–węgiel, niezbędnych do dokładnego opisywania tych przemian. Z kolei SAE J1268:1995 definiuje minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych i stopowych typu H-band; granice te pomagają odróżnić reakcję stali na chłodzenie od wyniku samego cyklu normalizowania. ### Odprężanie przed obróbką skrawaniem lub spawaniem albo po niej Odprężanie zmniejsza naprężenia własne, lecz nie jest równoważne wyżarzaniu zupełnemu ani odpuszczaniu. Element nagrzewa się poniżej zakresu przemian, wygrzewa wystarczająco długo, aby wyrównać temperaturę i umożliwić relaksację naprężeń, a następnie chłodzi w sposób kontrolowany. Ponieważ podczas tej obróbki nie dochodzi celowo do ponownego austenityzowania stali, nie należy jej określać tak, jak gdyby miała wytworzyć ferrytyczno-perlityczną strukturę charakterystyczną dla wyżarzania lub odpuszczony martenzyt uzyskiwany w wyniku hartowania i odpuszczania. Przed obróbką skrawaniem odprężanie może ograniczyć przemieszczenia podczas usuwania materiału z odlewu, odkuwki, blachy ciętej płomieniowo lub silnie zgniotanego na zimno półfabrykatu. Ma to istotne znaczenie tam, gdzie wymagane są ścisłe wymiary końcowe, a niezrównoważony rozkład naprężeń mógłby spowodować wygięcie podczas obróbki zgrubnej. Praktyczna sekwencja może obejmować obróbkę zgrubną, odprężanie i obróbkę wykańczającą, zamiast natychmiastowej obróbki wykańczającej po procesie formowania. Po spawaniu odprężanie może zmniejszyć naprężenia własne i ograniczyć ryzyko zmian wymiarowych podczas eksploatacji lub późniejszej obróbki skrawaniem. Nie usuwa ono różnic między metalem spoiny a strefą wpływu ciepła ani nie koryguje niewłaściwej konstrukcji złącza, uszkodzeń wodorowych lub nieodpowiedniej technologii spawania. W przypadku grubych przekrojów należy zwrócić uwagę na gradienty nagrzewania i chłodzenia; szybkie załadowanie pieca, nierównomierne podparcie lub miejscowe nagrzewanie mogą wywołać nowe odkształcenia. Wykaz procesów ASTM umieszcza wymagania związane z naprężeniami obok austenityzowania, normalizowania, wyżarzania, obróbki hartowania i odpuszczania oraz podwójnego odpuszczania, ponieważ obróbki te rozwiązują różne problemy dotyczące właściwości materiału. Dobór powinien zatem wynikać z wymaganego stanu końcowego, a nie z nawyku stosowania najbardziej intensywnego cyklu cieplnego. ## 6. Wybór hartowania bainitycznego i stopniowego w celu kontrolowania przemiany i odkształceń ### Hartowanie bainityczne i przemiana bainityczna Hartowanie bainityczne zmienia drogę przemiany, a nie tylko ośrodek chłodzący. Stal jest nagrzewana do zakresu austenitycznego, szybko chłodzona na tyle, aby przejść przez obszar perlitu, a następnie przetrzymywana w temperaturze, w której powstaje bainit. Przedmiot pozostaje w tej temperaturze do chwili, gdy przemieni się wymagana frakcja austenitu, po czym jest chłodzony do temperatury pokojowej. Powstałą strukturą jest bainit, niekiedy z austenitem szczątkowym, a nie struktura w przeważającej mierze martenzytyczna, uzyskiwana podczas bezpośredniego hartowania. Temperatura wytrzymania decyduje o tym, czy produktem przemiany będzie bainit górny czy dolny, natomiast czas kontroluje postęp przemiany. Wybrany cykl musi opierać się na charakterystyce przemian czas–temperatura dla danej stali, a nie na ogólnej „temperaturze bainitycznej”. Dodatki stopowe przesuwają krzywe przemian i zmieniają czas wymagany do uniknięcia powstawania perlitu. Na tę odpowiedź wpływają między innymi węgiel, mangan, chrom, molibden i nikiel. Hartowanie bainityczne może ograniczyć strome gradienty cieplne związane z bezpośrednim hartowaniem oraz zapewnić korzystne połączenie wytrzymałości, ciągliwości i stabilności wymiarowej. Nie jest ono automatycznie zamiennikiem każdego procesu hartowania i odpuszczania o mniejszych odkształceniach. Jeśli przekrój jest zbyt gruby, powierzchnia może wejść w zakres przemiany bainitycznej, podczas gdy rdzeń będzie nadal zbyt gorący, albo rdzeń może przemieniać się zbyt wolno, aby uzyskać wymaganą strukturę. Niepełna przemiana może pozostawić nadmierną ilość austenitu szczątkowego lub strukturę mieszaną. Wymagana twardość pozostaje pierwszym kryterium wstępnej oceny. ASM International stwierdziła w publikacji *Dobór stali do hartowania* (1991), że „dobór stali do hartowania zależy przede wszystkim od wymaganej twardości po hartowaniu oraz od głębokości pod powierzchnią, do której ta twardość musi sięgać”. W przypadku hartowania bainitycznego pytanie to należy uzupełnić o drugie: czy cały krytyczny przekrój może osiągnąć zakres przemiany bainitycznej i pozostać w nim, zanim powstanie perlit lub inne niepożądane produkty przemiany? Oznaczenie gatunku stali ma znaczenie. ISO 683-1:2016 obejmuje stale niestopowe przeznaczone zasadniczo do wytwarzania części maszyn hartowanych i odpuszczanych, hartowanych bainitycznie, hartowanych płomieniowo, hartowanych indukcyjnie oraz, w niektórych przypadkach, normalizowanych. Stwierdzenie to nie oznacza, że każdy gatunek objęty normą może wytworzyć taką samą strukturę bainityczną przy tej samej wielkości przekroju. Stal niestopowa o zawartości węgla około 0,45%, taka jak C45, może mieć ograniczoną głębokość hartowania bainitycznego, podczas gdy gatunki stopowe o większej hartowności mogą umożliwiać obróbkę grubszych przekrojów, z zastrzeżeniem ich rzeczywistego składu i dostarczonych danych dotyczących hartowności. ### Hartowanie stopniowe i ograniczenie gradientów cieplnych Hartowanie stopniowe, nazywane również hartowaniem marquenching, przerywa chłodzenie w temperaturze powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej lub w jej pobliżu, powszechnie oznaczanej jako Ms. Stal jest krótko przetrzymywana w gorącej kąpieli lub w kontrolowanym środowisku gazowym, aż do zmniejszenia różnic temperatury między powierzchnią a rdzeniem. Następnie jest chłodzona przez zakres przemiany martenzytycznej, zwykle po czym poddaje się ją odpuszczaniu. Hartowanie bainityczne i hartowanie stopniowe w różny sposób sterują przemianą i nie są wzajemnie zamienne. | Metoda | Cel przemiany | Struktura końcowa | Główne kryterium wyboru | |---|---|---|---| | Hartowanie bainityczne | Izotermiczna przemiana bainityczna | Bainit, niekiedy z austenitem szczątkowym | Przekrój musi ulec przemianie w dostępnym zakresie przemiany bainitycznej | | Hartowanie stopniowe | Wyrównanie temperatury przed powstaniem martenzytu | Odpuszczony martenzyt po odpuszczaniu | Kontrola kąpieli i czasu muszą ograniczać odkształcenia bez dopuszczenia do niepożądanej przemiany | | Bezpośrednie hartowanie i odpuszczanie | Utworzenie martenzytu podczas chłodzenia ciągłego, a następnie odpuszczanie | Odpuszczony martenzyt | Intensywność hartowania musi zapewnić wymaganą głębokość bez powodowania pęknięć | Różnica jest zasadnicza: podczas hartowania bainitycznego stal przetrzymuje się dostatecznie długo, aby powstał bainit; hartowanie stopniowe opóźnia powstawanie martenzytu, lecz nie ma na celu wytworzenia bainitu. Końcową strukturą po hartowaniu stopniowym jest zwykle martenzyt odpuszczony. Odpuszczanie jest niezbędne, ponieważ nieodpuszczony martenzyt charakteryzuje się wysokimi naprężeniami szczątkowymi i może być kruchy. Bezpośrednie hartowanie w oleju lub wodzie może chłodzić powierzchnię znacznie szybciej niż wnętrze. Różnica ta powoduje naprężenia cieplne, natomiast zachodząca później przemiana martenzytyczna wywołuje odkształcenie przemianowe. Hartowanie stopniowe zmniejsza różnicę temperatury przed rozpoczęciem przemiany, dzięki czemu oba źródła naprężeń z mniejszym prawdopodobieństwem będą się wzajemnie wzmacniać. Ryzyko odkształceń i pęknięć może zatem ulec zmniejszeniu, zwłaszcza w przypadku elementów z ostrymi zmianami przekroju, rowkami wpustowymi, otworami lub niesymetryczną geometrią. Kontrola procesu pozostaje wymagająca. Kąpiel musi mieć odpowiednią wydajność, stabilną temperaturę, skuteczną cyrkulację oraz znaną reakcję na obciążenie wsadem. Zbyt długie wytrzymanie może umożliwić powstanie bainitu lub perlitu, natomiast zbyt wolne chłodzenie po wytrzymaniu wyrównawczym może prowadzić do powstania produktów niemartenzytycznych. Wybrana temperatura kąpieli musi również pozostawać powyżej Ms lub dostatecznie blisko tej temperatury, aby zapobiec przedwczesnej przemianie powierzchni, podczas gdy rdzeń osiąga wymaganą temperaturę. ### Przydatność procesu, wielkość przekroju i hartowność stali Żaden z tych procesów nie powinien być wybierany wyłącznie dlatego, że hartowanie w oleju powoduje odkształcenia. Decyzja uwzględnia skład chemiczny, hartowność, wielkość przekroju, geometrię, wymaganą strukturę, właściwości mechaniczne oraz możliwości urządzeń. ISO 4885:2018 podaje terminologię dotyczącą obróbki cieplnej materiałów żelaznych oraz zależności fazowych w układzie żelazo–węgiel, niezbędne do spójnego opisywania tych przemian. Hartowność nie jest tym samym co twardość. Twardość opisuje odporność na wciskanie po obróbce, natomiast hartowność określa, jak głęboko stal może uzyskać wymaganą przemianę w określonych warunkach chłodzenia. SAE J1268:1995 definiuje minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych oraz stopowych stali z pasmem H, wykorzystując standardowe dane z próby hartowania od czoła. Granice te pomagają określić, czy dany gatunek może przemienić się zgodnie z wymaganiami w środku pręta, zęba koła zębatego, wału lub płyty. Dane z próby Jominy’ego oraz obliczenia dotyczące wielkości przekroju powinny zatem poprzedzać ustalanie harmonogramu pracy pieca. Stal o małej hartowności może być odpowiednia dla cienkiego elementu hartowanego bainitycznie, lecz nie zapewnić powstania bainitu w całym grubym przekroju. Stal o dużej hartowności może osiągnąć strukturę martenzytyczną w całym dużym przekroju podczas hartowania stopniowego, jednak zawartość dodatków stopowych może przesunąć temperaturę Ms, wydłużyć czasy wytrzymania i zwiększyć ryzyko powstania austenitu szczątkowego. Geometria może uniemożliwić zastosowanie procesu, który sprawdza się w przypadku jednolitego pręta testowego. Wymaganą strukturę należy określić na rysunku lub w specyfikacji procesu: bainit z określonym zakresem twardości albo martenzyt odpuszczony o określonej twardości, ciągliwości i granicach odchyłek wymiarowych. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 roku wskazuje austenityzowanie, kontrolę wielkości ziarna, praktykę hartowania i odpuszczania, podwójne odpuszczanie oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji. Temperatura, szybkość nagrzewania, czas wytrzymania i szybkość chłodzenia oddziałują na siebie; zmiana jednego z tych parametrów bez ponownej oceny pozostałych może unieważnić proces. W przypadku małych, jednolitych części, dla których właściwości bainityczne są dopuszczalne, hartowanie bainityczne może zapewnić kontrolowaną metodę o zmniejszonych odkształceniach. W przypadku części wymagających martenzytu odpuszczonego i lepszej kontroli wymiarowej podczas hartowania zwykle bardziej spójnym wyborem jest hartowanie stopniowe. W obu przypadkach o tym, czy wybrana droga przemiany zostanie osiągnięta w elemencie, a nie tylko odnotowana w rejestrze pieca, decydują jednorodność kąpieli, rozmieszczenie wsadu, czas transferu oraz weryfikacja po obróbce. ## 7. Dobór procesów utwardzania powierzchniowego i warstwowego Utwardzanie powierzchniowe i warstwowe należy dobierać wtedy, gdy element musi mieć odporną na zużycie i zmęczenie powierzchnię, bez utraty większej ciągliwości wnętrza. Hartowanie na wskroś zmienia strukturę w całym przekroju: po austenityzowaniu i hartowaniu określona stal tworzy martenzyt, bainit lub odpuszczoną strukturę złożoną z tych składników, do głębokości wynikającej z jej hartowności. Obróbka warstwowa koncentruje natomiast twardość w pobliżu powierzchni, pozostawiając rdzeń o mniejszej twardości i na ogół większej ciągliwości. O wyborze decyduje rozróżnienie między twardością a hartownością. Twardość jest odpornością uzyskaną w określonym miejscu; hartowność opisuje, jak głęboko stal może wytworzyć wymaganą strukturę zahartowaną podczas określonego cyklu cieplnego. ASM International stwierdziła w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że dobór jest przede wszystkim określany przez wymaganą twardość po hartowaniu oraz głębokość poniżej powierzchni, do której twardość ta musi sięgać. W przypadku koła zębatego utwardzanego warstwowo głębokość ta może być określona w milimetrach przy podanej twardości, podczas gdy rdzeń może wymagać odrębnej wytrzymałości na rozciąganie, udarności lub zakresu twardości. Specyfikacja procesu musi zatem określać więcej niż tylko temperaturę pieca. Głębokość warstwy, twardość powierzchni, właściwości rdzenia, potencjał węglowy lub azotowy, czas nagrzewania i wygrzewania, warunki chłodzenia, ograniczenia dotyczące warstwy związków, naddatek na odkształcenia oraz wykańczanie po obróbce należą do tej samej decyzji. ISO 4885:2018 podaje kontrolowaną terminologię dotyczącą obróbki cieplnej materiałów żelaznych i zawiera tablicę faz układu żelazo–węgiel; jest przydatna przy rozróżnianiu nawęglania, azotowania, hartowania, odpuszczania i procesów dyfuzyjnych w specyfikacji technicznej. ![Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach](/images/uploads/659b6efe-de7a-40d3-b4e9-6f9949e34995/wiki-inline-a-polished-cross-section-of-a-carburized-steel-gear-tooth-showing-a-hard-martens-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/659b6efe-de7a-40d3-b4e9-6f9949e34995/wiki-inline-a-polished-cross-section-of-a-carburized-steel-gear-tooth-showing-a-hard-martens-2027x2560.avif "Powiększ obraz — Wybór procesu obróbki cieplnej stali: przewodnik oparty na normach")Case hardening places high surface hardness over a core selected for toughness and support. ### Nawęglanie i węgloazotowanie w celu uzyskania utwardzonych warstw Nawęglanie wprowadza węgiel do austenitycznej powierzchni stali niskowęglowej, zwykle w temperaturach nawęglania powyżej zakresu krytycznej przemiany stali. Wzbogacona warstwa jest następnie hartowana, w wyniku czego na powierzchni powstaje martenzyt wysokowęglowy, natomiast niskowęglowy rdzeń tworzy strukturę o większej ciągliwości i mniejszej twardości. Niskowęglowe stale stopowe, takie jak 16MnCr5 określona w EN ISO 683-3 oraz SAE 8620, są typowymi przykładami materiałów, dla których wymagane właściwości warstwy i rdzenia dobiera się łącznie. Pierwiastki stopowe, takie jak chrom, mangan, molibden i nikiel, wpływają na hartowność, austenit szczątkowy, przebieg przemian oraz odkształcenia. Węgloazotowanie wprowadza zarówno węgiel, jak i azot, zwykle w niższej temperaturze i na mniejszą głębokość niż nawęglanie. Dodatek azotu może zwiększyć twardość powierzchni i hartowność, jednak nadmierny potencjał azotowy lub węglowy może prowadzić do powstania austenitu szczątkowego, węglików albo niedopuszczalnie kruchej powierzchni. Proces ten jest często rozważany w przypadku małych elementów, cienkich przekrojów oraz części, dla których wystarczająca jest stosunkowo płytka warstwa. Nie zastępuje on głębokiego nawęglania, gdy naprężenia stykowe sięgają znacznie poniżej powierzchni. Atmosfera musi być regulowana za pomocą potencjału węglowego, a w przypadku węgloazotowania również potencjału azotowego. Sama nominalna temperatura nie może określać wyniku procesu. Przepływ gazu, załadunek pieca, czas transportu, intensywność chłodzenia oraz początkowa wielkość ziarna stali wpływają na jednorodność warstwy. Złożone koła zębate, wielowypusty, otwory nieprzelotowe i ostre przejścia powodują nierównomierne nagrzewanie, dostęp atmosfery i szybkości chłodzenia. Cechy te mogą prowadzić do nadmiernego wzrostu warstwy, powstania miękkich miejsc, pęknięć hartowniczych lub zmian wymiarowych. Części nawęglane zwykle wymagają hartowania i odpuszczania, a następnie szlifowania, honowania lub innej operacji wykańczającej. Naddatek należy ustalić przed obróbką, ponieważ usunięcie zbyt dużej ilości materiału podczas szlifowania może zmniejszyć efektywną głębokość warstwy lub odsłonić obszar o niedopuszczalnej zawartości austenitu szczątkowego. Prostowanie po hartowaniu również wymaga odpowiednich środków kontroli, aby zapobiec pękaniu i zachować określony profil twardości. ### Azotowanie i powłoki dyfuzyjne Azotowanie wprowadza azot do powierzchni ferrytycznej lub stopowej stali, zwykle bez austenityzowania i hartowania całego elementu. Pierwiastki stopowe, takie jak glin, chrom, molibden i wanad, tworzą drobne azotki stopowe, które zwiększają twardość powierzchni oraz poprawiają odporność na zużycie adhezyjne i ścierne. Azotowanie gazowe, azotowanie plazmowe i azotowanie w kąpieli solnej różnią się sposobem dostarczania azotu, regulacją jonów lub gazu, równomiernością temperatury oraz czasem obróbki. Ponieważ azotowanie zachodzi poniżej temperatury przemiany austenitycznej, odkształcenia są często mniejsze niż po nawęglaniu i hartowaniu. Nie oznacza to jednak ich całkowitego braku. Wzrost wymiarów wskutek powstawania warstw związków i azotków, naprężenia własne, naprężenia powstałe podczas wcześniejszej obróbki skrawaniem oraz nierównomierny skład chemiczny powierzchni nadal mogą zmieniać wymiary. Podłoże musi już mieć wystarczającą wytrzymałość; azotowanie nie wytworzy mocnego rdzenia w miękkiej, nieodpowiedniej stali. Przed azotowaniem często określa się stale stopowe w stanie ulepszonym cieplnie, aby rdzeń zachował wymagane właściwości mechaniczne w temperaturze azotowania. Warstwę związków, nazywaną niekiedy warstwą białą, należy określić w specyfikacji, a nie traktować jako automatycznej korzyści. Warstwa azotków żelaza może poprawiać odporność na zużycie i korozję, jednak jej nadmierna grubość może zmniejszać ciągliwość lub sprzyjać pękaniu i łuszczeniu. Poniżej niej strefa dyfuzji zapewnia stopniowy profil zawartości azotu i twardości. Na rysunkach należy określić grubość warstwy związków, głębokość dyfuzji, twardość powierzchni, twardość rdzenia oraz ewentualną dopuszczalną porowatość. Powłoki dyfuzyjne, takie jak borowanie, chromowanie dyfuzyjne i aluminowanie, modyfikują powierzchnię poprzez dyfuzję do wnętrza boru, chromu lub glinu. Borowanie może tworzyć bardzo twarde borki żelaza, podczas gdy aluminowanie wybiera się wtedy, gdy odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze jest ważniejsza niż maksymalna twardość przy zmęczeniu stykowym. Obróbki te różnią się chemicznie od azotowania i nawęglania, a ich kruche fazy, grubość powłoki, przyczepność, przyrost wymiarów oraz wymagania dotyczące wykańczania należy oceniać w odniesieniu do obciążenia. Twarda powłoka na niewystarczająco podpartym podłożu może ulec uszkodzeniu wskutek pękania lub delaminacji. ### Hartowanie płomieniowe i indukcyjne Hartowanie płomieniowe i indukcyjne nagrzewa tylko powierzchnię do zakresu austenityzowania, a następnie szybko ją chłodzi. W przeciwieństwie do nawęglania i azotowania metody te zwykle nie zmieniają składu chemicznego powierzchni; przekształcają istniejący węgiel w stali w martenzyt. Zawartość węgla na powierzchni wyznacza zatem praktyczną granicę możliwej do uzyskania twardości. Stale średniowęglowe, takie jak C45E lub SAE 1050, mogą być odpowiednie, gdy wymagana głębokość zahartowania i wytrzymałość rdzenia odpowiadają geometrii przekroju, natomiast stale niskowęglowe na ogół nie mogą wytworzyć powierzchni martenzytycznej o wysokiej twardości bez wcześniejszego wzbogacenia w węgiel. ISO 683-1:2016 określa stale niestopowe przeznaczone do hartowania i odpuszczania, hartowania bainitycznego, hartowania płomieniowego, hartowania indukcyjnego oraz, w niektórych przypadkach, do normalizowanych części maszyn. Takie oznaczenie nie eliminuje potrzeby sprawdzenia zawartości węgla, hartowności, wielkości przekroju i stanu dostawy. SAE J1268:1995 określa minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych i stopowych z pasmem H, wykorzystując standardowe dane z próby hartowności od czoła; granice te pomagają ustalić, czy wybrany gatunek może zapewnić wymaganą twardość na określonej głębokości. Hartowanie płomieniowe zależy od wielkości palnika, składu chemicznego płomienia, prędkości przesuwu, odległości od powierzchni oraz momentu rozpoczęcia chłodzenia. Hartowanie indukcyjne dodatkowo zależy od częstotliwości, gęstości mocy, geometrii cewki, sprzężenia, prędkości skanowania i sposobu doprowadzania chłodziwa. Wyższa częstotliwość na ogół koncentruje nagrzewanie bliżej powierzchni, podczas gdy niższa częstotliwość umożliwia większą penetrację, jednak rzeczywisty profil zależy również od rezystywności elektrycznej, przenikalności magnetycznej, geometrii i czasu nagrzewania. Cewki indukcyjne muszą obejmować wymagane powierzchnie; rowki wewnętrzne, profile przerywane i nierówne przekroje mogą wymagać oddzielnych przejść grzewczych lub zastosowania innego procesu. Obie metody mogą ograniczać odkształcenia związane z obróbką w piecu, jednak duże gradienty temperatury mogą powodować naprężenia własne, strefy miękkie i pęknięcia hartownicze. Należy określać efektywną głębokość warstwy przy przyjętym kryterium twardości, a nie jedynie głębokość nagrzania. Szlifowanie po hartowaniu, odpuszczanie, kontrola przypaleń szlifierskich i weryfikacja wymiarów dopełniają procesu doboru. Uzasadniony wybór to taki, który dopasowuje gradient twardości i właściwości rdzenia do obciążenia, a jednocześnie zapewnia kontrolę dostępu, składu chemicznego, źródła ciepła, odkształceń i wykańczania. ## 8. Stosowanie decyzji: proces wyboru oparty na normach ### Macierz wyboru krok po kroku Wybór obróbki cieplnej należy rozpoczynać od części, a nie od pieca. Pierwszą pozycją w karcie doboru jest wymaganie eksploatacyjne: wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, udarność, odporność zmęczeniowa, odporność na zużycie, skrawalność, stabilność wymiarowa lub określony zakres twardości. Sama twardość nie jest wystarczającym wymaganiem projektowym. Element może osiągać docelową twardość powierzchni, zachowując jednocześnie nieodpowiednią strukturę rdzenia lub nadmierne naprężenia własne. Dokumentacja doboru oparta na normach łączy wymagania eksploatacyjne z kontrolą procesu i dowodami odbioru. | Etap podejmowania decyzji | Wymagane pytanie | Dane lub wynik | |---|---|---| | Warunki eksploatacji | Jakie obciążenia, temperatury, naprężenia kontaktowe i tryby uszkodzeń występują? | Wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i twardości | | Identyfikacja materiału | Jaki jest dokładny gatunek, norma, postać wyrobu i stan dostawy? | Świadectwo materiałowe i właściwa norma materiałowa | | Wymagany stan | Czy część ma zostać wyżarzona, znormalizowana, odprężona, zahartowana i odpuszczona, poddana hartowaniu bainitycznemu lub hartowaniu powierzchniowemu? | Zdefiniowany stan metalurgiczny | | Głębokość zahartowania | Jaką twardość należy osiągnąć i na jakiej głębokości od powierzchni? | Profil twardości i wymaganie dotyczące hartowności | | Geometria | Jakie są wymiary kontrolnych przekrojów, otwory, rowki wpustowe, ostre naroża i przejścia grubości? | Ocena nagrzewania, hartowania i odkształceń | | Droga cieplna | Jaki cykl nagrzewania, austenityzowania, chłodzenia, odpuszczania lub dyfuzji jest dopuszczalny? | Specyfikacja procesu i receptura pieca | | Odbiór | W jaki sposób będą sprawdzane twardość, struktura, wymiary i wady? | Plan kontroli i kryteria dopuszczenia | Macierz wyboru powinna następnie łączyć każde wymaganie z decyzją dotyczącą materiału i procesu: | Etap podejmowania decyzji | Wymagane pytanie | Dowód lub wynik | |---|---|---| | Warunki eksploatacji | Jakie obciążenia, temperatury, naprężenia kontaktowe i mechanizmy uszkodzeń występują? | Wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i twardości | | Identyfikacja materiału | Jaki jest dokładny gatunek, numer normy, postać wyrobu i stan dostawy? | Świadectwo materiałowe i właściwa norma materiałowa | | Wymagany stan | Czy część ma być wyżarzana, normalizowana, odprężana, hartowana i odpuszczana, hartowana bainitycznie czy też utwardzana powierzchniowo? | Zdefiniowany stan metalurgiczny | | Głębokość utwardzenia | Jaką twardość należy osiągnąć i na jakiej głębokości od powierzchni? | Profil twardości i wymaganie dotyczące hartowności | | Geometria | Jakie są decydujące wymiary przekrojów, otwory, rowki wpustowe, ostre naroża i przejścia grubości? | Ocena drogi przenoszenia obciążenia, nagrzewania, hartowania i odkształceń | | Przebieg cieplny | Jaki cykl nagrzewania, austenityzowania, chłodzenia, odpuszczania lub dyfuzji jest dopuszczalny? | Specyfikacja procesu i receptura pieca | | Kryteria odbioru | W jaki sposób zostaną sprawdzone twardość, struktura, wymiary i wady? | Plan kontroli i kryteria zwolnienia wyrobu | Identyfikacja materiału musi być dokładna. Określenie „stal średniowęglowa” nie jest wystarczającym oznaczeniem. W dokumentacji należy podać na przykład **C45**, **42CrMo4** lub inne oznaczenie dokładnie w brzmieniu określonym w obowiązującej normie, a także numer normy, postać wyrobu, numer wytopu i stan dostawy. Pręt normalizowany i pręt wyżarzony wykonane z tego samego gatunku nie trafiają do pieca z taką samą strukturą ziarnistą, skrawalnością ani reakcją na nagrzewanie. ISO 683-1:2016 określa wymagania dotyczące dostawy stali niestopowych przeznaczonych zasadniczo na części maszyn hartowane i odpuszczane, hartowane bainitycznie, hartowane płomieniowo, hartowane indukcyjnie oraz, w niektórych przypadkach, części normalizowane. Norma ta nie zastępuje rysunku części ani nie określa wszystkich parametrów pieca. ISO 4885:2018 podaje terminologię dotyczącą obróbki cieplnej materiałów żelaznych oraz terminologię przemian w układzie żelazo–węgiel, niezbędną do dokładnego opisywania przemian. Są to normy materiałowe i terminologiczne; zakładowa specyfikacja procesu nadal musi określać urządzenia, atmosferę, sposób załadunku, równomierność temperatury, warunki hartowania oraz kontrolę. Kolejną decyzją jest wybór wymaganej drogi obróbki metalurgicznej. Normalizowanie można wybrać w celu rozdrobnienia lub przygotowania struktury oraz poprawy jej jednorodności przed obróbką skrawaniem lub późniejszym hartowaniem. Wyżarzanie może być wymagane w celu zmniejszenia twardości i poprawy skrawalności. Odprężanie służy zmniejszeniu naprężeń własnych po spawaniu, intensywnej obróbce skrawaniem lub kształtowaniu, lecz nie zastępuje obróbki hartowania i odpuszczania. Hartowanie na wskroś wymaga odpowiedniej zawartości węgla i hartowności w całym decydującym przekroju. Utwardzanie powierzchniowe może być natomiast właściwe, gdy wymagane są ciągliwy rdzeń i odporna na zużycie powierzchnia; możliwe procesy obejmują nawęglanie, węgloazotowanie, azotowanie, hartowanie płomieniowe i hartowanie indukcyjne. Utwardzanie wydzieleniowe i powłoki dyfuzyjne należą do innych rodzin materiałów i procesów i nie powinny być przypisywane stali wyłącznie dlatego, że wymagana jest wysoka twardość powierzchni. Wielkość przekroju i geometria decydują o tym, czy wybrana szybkość chłodzenia pozwoli uzyskać wymaganą strukturę. Duże przekroje chłodzą się w środku wolniej niż na powierzchni. Cienki kołnierz, otwór, wrąb wielowypustu i ostre podcięcie mogą chłodzić się z różnymi szybkościami w obrębie jednego elementu. Różnice te mogą prowadzić do powstania martenzytu w jednym miejscu, bainitu lub perlitu w innym oraz rozciągających naprężeń własnych w pobliżu hartowanej powierzchni. Intensywność hartowania należy zatem rozpatrywać wraz ze wskaźnikiem przekroju, oprzyrządowaniem, mieszaniem i temperaturą ośrodka hartowniczego, a nie wybierać w oderwaniu jako decyzję dotyczącą oleju, wody lub polimeru. ### Walidacja za pomocą kontroli twardości, hartowności i mikrostruktury ASM International stwierdziło w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że dobór jest determinowany przede wszystkim przez wymaganą twardość po hartowaniu oraz głębokość poniżej powierzchni, do której twardość ta musi sięgać. Ustanawia to zasadnicze rozróżnienie między twardością a hartownością. Twardość jest odpornością mierzoną w określonym miejscu po obróbce. Hartowność opisuje głębokość i rozkład zahartowania uzyskane w wyniku określonej obróbki. Wymaganą hartowność należy oszacować przed próbami produkcyjnymi. Dane z próby hartowania od czoła Jominy’ego zapewniają znormalizowaną zależność między odległością od hartowanego końca a twardością. *Bofors Handbook* (1981) wskazuje metody Jominy’ego i Grossmanna jako narzędzia oceny hartowności. Dla stali dostarczanych z wymaganiami H-band norma SAE J1268:1995 określa minimalne i maksymalne granice hartowności dla stali węglowych i stopowych z pasmem H, dla których ustalono standardowe dane z próby hartowania od czoła. Gatunek, który osiąga wymaganą twardość powierzchni, może nadal nie spełnić wymagań w środku dużego przekroju, jeżeli jego pasmo hartowności jest zbyt niskie. Kontrola produkcyjna powinna obejmować badanie rozkładu twardości, a nie tylko jeden pomiar wykonany na dostępnej powierzchni. Miejsca pomiarowe powinny reprezentować powierzchnię, warstwę przypowierzchniową, rdzeń oraz każdy przekrój decydujący o funkcji elementu. Pomiar wzdłużny na przeciętej próbce może wykazać, czy określona twardość sięga wymaganej głębokości. Metody Rockwella, Vickersa lub Brinella muszą być dobrane do zakresu twardości, stanu powierzchni i właściwej normy badania. Twardość nie pozwala zidentyfikować każdej niedopuszczalnej struktury. Badanie metalograficzne powinno potwierdzić obecność odpuszczonego martenzytu w elemencie hartowanym i odpuszczanym, a jednocześnie obejmować kontrolę bainitu, ferrytu i perlitu, austenitu szczątkowego, odwęglenia, głębokości warstwy nawęglonej, charakterystyki warstwy azotowanej, rozrostu ziaren, pęknięć hartowniczych i innych cech związanych z procesem. Kryterium odbioru powinno określać strukturę dopuszczalną oraz wykluczenia; określenie „prawidłowo obrobiony cieplnie” nie ma mierzalnego znaczenia. Kontrola wymiarów jest częścią walidacji metalurgicznej. Należy rejestrować krytyczne średnice, płaskość, bicie, położenie otworów i odkształcenia przed obróbką oraz po niej. Zagrożenie naprężeniami własnymi rośnie wraz z intensywnym hartowaniem, niesymetryczną geometrią, ostrymi przejściami, spawaniem oraz dużymi różnicami przemian między powierzchnią a rdzeniem. Odpuszczanie musi być wystarczające z punktu widzenia wymaganej udarności i stabilności, a podwójne odpuszczanie może być wymagane dla określonych stali stopowych lub w przypadku ryzyka przemiany austenitu szczątkowego. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 r. wskazuje austenityzowanie, wyżarzanie, normalizowanie, praktykę hartowania i odpuszczania, podwójne odpuszczanie, kontrolę wielkości ziaren oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji. ### Specyfikacja, dokumentacja i działania korygujące Specyfikacja procesu powinna określać pełny przebieg cieplny: stan załadunku, atmosferę pieca, w uzasadnionych przypadkach szybkość nagrzewania, zakres temperatury austenityzowania lub obróbki, podstawę ustalania czasu wygrzewania, czas transferu, rodzaj i stan ośrodka hartowniczego, mieszanie, punkt końcowy chłodzenia, temperaturę i czas odpuszczania oraz ewentualne powtórne odpuszczanie. Temperatura, czas wygrzewania, szybkość nagrzewania i szybkość chłodzenia wzajemnie na siebie oddziałują; zmiana jednego z tych parametrów może zmienić uzyskaną strukturę, nawet gdy nominalna nastawa pieca pozostaje bez zmian. Specyfikacja powinna również określać środki zapobiegania odkształceniom i pękaniu. Mogą one obejmować podgrzewanie wstępne, stopniowe nagrzewanie, atmosferę ochronną, obróbkę próżniową, hartowanie przerywane, hartowanie stopniowe, hartowanie bainityczne, zmodyfikowane oprzyrządowanie, mniejszą intensywność hartowania lub dopuszczalne granice prostowania po obróbce. Każdy środek musi pozostawać zgodny z wymaganą twardością i mikrostrukturą. Dokumentacja powinna łączyć część z wytopem stali, świadectwem dostawcy, stanem wejściowym, identyfikacją pieca, układem załadunku, wynikami pomiarów termoparami lub badań rozkładu temperatury, danymi dotyczącymi atmosfery, stanem ośrodka hartowniczego, wykresem cyklu, zapisem odpuszczania, operatorem oraz wynikami kontroli. Normy materiałowe określają, czym jest stal; specyfikacje procesu określają sposób obróbki części. Mieszanie tych ról utrudnia obronę decyzji dotyczącej odbioru. W przypadku niezgodności działania korygujące powinny wynikać z mechanizmu uszkodzenia lub przyczyny niezgodności. Niska twardość rdzenia może wskazywać na niewystarczającą hartowność, zbyt duży przekrój, niewystarczające austenityzowanie lub zbyt wolne chłodzenie. Nadmierna twardość powierzchni przy niewystarczającej udarności może wskazywać na niedostateczne odpuszczanie. Odkształcenia mogą wymagać zmian geometrii, oprzyrządowania, transferu lub hartowania, a nie podwyższenia temperatury pieca. Niepomyślny wynik badania rozkładu twardości powinien uruchomić przegląd wzorcowania, miejsca pomiaru, odwęglenia i sposobu pobierania próbek, zanim odrzucony zostanie gatunek materiału. Dopiero po wykonaniu tych kontroli należy zmieniać materiał, cykl cieplny lub konstrukcję. ## 9. Częste błędy przy doborze i sposoby ich zapobiegania ### Mylenie twardości z hartownością Twardość i hartowność odpowiadają na różne pytania. Twardość to odporność mierzona w określonym miejscu, zazwyczaj metodą Rockwella, Brinella lub Vickersa. Hartowność opisuje, jak głęboko w stali może powstać martenzyt, a tym samym jak twardość rozkłada się od powierzchni w kierunku środka podczas określonego chłodzenia. Mała próbka może osiągnąć na powierzchni 60 HRC, podczas gdy wał o średnicy 75 mm wykonany z tego samego gatunku nominalnego może mieć znacznie bardziej miękki rdzeń. Różnica ta nie musi oznaczać awarii pieca. Odprowadzanie ciepła zależy od wielkości przekroju, kształtu, intensywności mieszania, temperatury chłodziwa oraz właściwości przemiany stali. Zawartość węgla w dużej mierze wpływa na twardość martenzytu, natomiast pierwiastki stopowe i wielkość ziarna austenitu silnie wpływają na głębokość, do której może powstać martenzyt. ASM International stwierdza w publikacji *Steel Selection for Hardening* (1991), że „dobór stali do hartowania jest determinowany przede wszystkim przez wymaganą twardość po hartowaniu oraz głębokość poniżej powierzchni, do której ta twardość musi sięgać”. Zasada ta powinna kierować specyfikacją. Wymaganie takie jak 58–62 HRC jest niekompletne, jeśli nie określa również miejsca pomiaru, efektywnej głębokości warstwy utwardzonej lub głębokości zahartowania, wielkości przekroju oraz dopuszczalnego stanu rdzenia. SAE J1268:1995 odnosi się do tego problemu poprzez stale węglowe i stopowe z pasmem H. Norma określa minimalne i maksymalne granice hartowności na podstawie standardowych wyników próby hartowania od czoła, umożliwiając konstruktorowi odróżnienie oznaczenia chemicznego gatunku od oczekiwanego zakresu hartowności. Dane Jominy’ego, obliczenia Grossmanna lub zwalidowane próby produkcyjne można następnie porównać z wymaganą charakterystyką twardości. Sam gatunek nominalny nie pozwala ustalić wyniku. ### Określanie chłodziwa bez zdefiniowania pełnego cyklu „Hartowanie w oleju” lub „hartowanie w wodzie” nie jest kompletną instrukcją obróbki cieplnej. Wynik zależy również od temperatury austenityzowania, szybkości nagrzewania, atmosfery, czasu wygrzewania, czasu transferu, temperatury kąpieli, intensywności mieszania, rozmieszczenia wsadu oraz stanu chłodziwa. Temperatura i czas nie są wzajemnie wymienne: zbyt długie wygrzewanie może powiększyć ziarna austenitu lub zwiększyć utlenianie, natomiast niewystarczający czas wygrzewania może pozostawić nierozpuszczone węgliki lub doprowadzić do powstania niejednorodnej struktury austenitycznej. Szybkość chłodzenia należy rozpatrywać łącznie z charakterystyką przemian zachodzących w warunkach chłodzenia ciągłego lub z wykresem przemian czas–temperatura danej stali. Stal niskostopowa może wymagać oleju lub polimeru, aby uniknąć nadmiernego pękania, podczas gdy stal niestopowa o tej samej wielkości przekroju może wymagać szybszego chłodzenia w celu uzyskania określonej głębokości warstwy martenzytycznej. Hartowanie stopniowe może ograniczyć odkształcenia przez przerwanie chłodzenia w pobliżu temperatury początku przemiany martenzytycznej; hartowanie bainityczne wytwarza inną mikrostrukturę i nie może być stosowane zamiennie tylko dlatego, że oba procesy ograniczają szok cieplny. Nawęglanie, węgloazotowanie, azotowanie i powłoki dyfuzyjne również wymagają odmiennego składu chemicznego powierzchni, zakresów temperatur, kontroli czasu oraz kryteriów odbioru. Proces musi określać, co dzieje się przed hartowaniem i po nim. Nagrzewanie wstępne, kontrola atmosfery, oprzyrządowanie, mycie, opóźnienie przed odpuszczaniem, temperatura odpuszczania, czas odpuszczania oraz — w niektórych przypadkach — dwukrotne odpuszczanie wpływają na stan końcowy. Kurs obróbki cieplnej ASTM International z 2024 roku wskazuje austenityzowanie, wyżarzanie, normalizowanie, hartowanie i odpuszczanie, dwukrotne odpuszczanie, kontrolę wielkości ziarna oraz wymagania dotyczące właściwości mechanicznych jako czynniki specyfikacji. Ich pominięcie zmusza operatorów do samodzielnego odtwarzania cyklu, co jest błędem kontroli procesu, a nie jedynie drobną luką redakcyjną. ### Pomijanie geometrii, stanu wyjściowego i odpuszczania po obróbce Harmonogram obróbki cieplnej dobrany na podstawie płaskiej próbki może nie sprawdzić się w przypadku zęba koła zębatego, rowka wpustowego, kołnierza, cienkiego żebra lub długiego wału. Ostre przejścia powodują koncentrację naprężeń cieplnych i wynikających z przemian fazowych. Cienkie krawędzie chłodzą się szybko i mogą ulec nadmiernemu zahartowaniu lub pękaniu, natomiast masywna piasta chłodzi się powoli i w jej środku może pozostać bainit lub perlit. Otwory i powierzchnie przerywane zmieniają lokalny przepływ ciepła. Oprzyrządowanie może również ograniczać skurcz i powodować odkształcenia. Znaczenie ma także stan wyjściowy. Normalizowanie, wyżarzanie, wcześniejsze hartowanie, stopień przeróbki plastycznej podczas kucia, segregacja, zgniot na zimno oraz uszkodzenia po obróbce skrawaniem wpływają na powstawanie austenitu i przemiany fazowe. Materiał poddany zgniotowi na zimno może wprowadzać naprężenia własne do pieca; duże ziarna w stanie wyjściowym mogą sprzyjać głębszemu hartowaniu, ale zmniejszają udarność oraz zwiększają ryzyko odkształceń lub pękania. Dlatego wielkość ziarna należy uwzględnić w specyfikacji procesu, jeśli wpływa ona na działanie elementu. Odpuszczanie nie jest opcjonalnym zabiegiem kosmetycznym po hartowaniu. Martenzyt bezpośrednio po hartowaniu jest silnie naprężony i często zbyt kruchy do pracy. Odpuszczanie zmniejsza naprężenia własne oraz pozwala dostosować twardość, wytrzymałość, ciągliwość i stabilność wymiarową. Przy doborze temperatury należy również uwzględnić kruchość odpuszczania, twardnienie wtórne oraz możliwość obniżenia twardości poniżej wymagania projektowego wskutek zastosowania wysokiej temperatury odpuszczania. Dane laboratoryjne dotyczące hartowności i normy wspierają dobór procesu, lecz nie zastępują walidacji na elemencie produkcyjnym i stosowanym wyposażeniu. Limited evidence ISO 683-1:2016 określa stale niestopowe przeznaczone zasadniczo do wytwarzania części maszyn poddawanych hartowaniu i odpuszczaniu, hartowaniu bainitycznemu, hartowaniu płomieniowemu, hartowaniu indukcyjnemu oraz — w niektórych przypadkach — normalizowaniu. To sformułowanie ma znaczenie: przeznaczenie określone w normie nie oznacza, że każdą obróbkę można zastosować do każdego gatunku. ISO 4885:2018 podaje terminologię dotyczącą obróbki cieplnej oraz terminologię faz w układzie żelazo–węgiel; nie zastępuje jednak prób na rzeczywistych elementach. Normy i poradniki określają gatunki, terminy, metody badań, dane dotyczące hartowności oraz zasady prowadzenia procesu. Ostateczny cykl nadal wymaga walidacji na rzeczywistej stali, geometrii, urządzeniach i przyjętym sposobie rozmieszczenia wsadu. #### Końcowa lista kontrolna sterowania procesem - **Dobór gatunku** Nie należy wybierać stali wyłącznie na podstawie nominalnej twardości; trzeba zweryfikować zawartość węgla, pierwiastki stopowe, stan dostawy i hartowność. - **Miejsce pomiaru** Nie należy traktować wyniku uzyskanego na powierzchni jako potwierdzenia wymaganego stanu rdzenia. - **Hartowanie** Nie należy stosować jednego ośrodka do każdej geometrii ani pomijać kontroli mieszania, stanu kąpieli i przenoszenia. - **Odpuszczanie** Należy określić temperaturę odpuszczania, czas, liczbę odpuszczań oraz końcowe właściwości odbiorowe. - **Historia i geometria** Należy przeanalizować wielkość ziarna, segregację, wcześniejszą obróbkę na zimno, wcześniejszą historię cieplną, zmiany przekroju i oprzyrządowanie mocujące. - **Odbiór** Należy określić miejsca pobierania próbek, głębokość zahartowania, właściwości rdzenia, granice wymiarowe, mikrostrukturę oraz wykluczenia dotyczące wad. Powtarzające się błędy należy sprawdzać w sposób wyraźny: - dobór stali wyłącznie na podstawie nominalnej twardości; - założenie, że wynik uzyskany na powierzchni reprezentuje cały przekrój; - stosowanie jednego chłodziwa do wszystkich geometrii; - pomijanie odpuszczania lub nieokreślanie jego czasu i temperatury; - nieuwzględnianie wielkości ziarna, segregacji, wcześniejszego zgniotu na zimno lub wcześniejszej historii cieplnej; - stosowanie obróbki wykraczającej poza możliwości danego gatunku stali; - nieokreślenie miejsc odbioru, głębokości warstwy utwardzonej, właściwości rdzenia oraz dopuszczalnych gradientów właściwości. Rzetelna specyfikacja powinna zatem określać gatunek i stan materiału, wymagane właściwości powierzchni i rdzenia, miejsca pobierania próbek, kompletny cykl cieplny, parametry hartowania, wymagania dotyczące odpuszczania, granice odkształceń oraz metodę walidacji. Jeśli tych szczegółów brakuje, instrukcja jest jedynie recepturą temperaturową, a nie potwierdzonym procesem obróbki cieplnej. ## Źródła 1. \[1\] ASM International. [Steel Selection for Hardening](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/9/chapter-abstract/114179/Steel-Selection-for-Hardening-1). ASM Handbook Online, 1991. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#wiki-cite-ref-1) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/9/chapter-abstract/114179/Steel-Selection-for-Hardening-1 2. \[2\] SAE International. [Hardenability Bands for Carbon and Alloy H Steels](https://saemobilus.sae.org/standards/j1268_199505-hardenability-bands-carbon-alloy-h-steels). SAE Standard J1268, 1995. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#wiki-cite-ref-2) https://saemobilus.sae.org/standards/j1268\_199505-hardenability-bands-carbon-alloy-h-steels 3. \[3\] International Organization for Standardization. [Heat Treatment of Ferrous Materials — Vocabulary](https://www.iso.org/standard/87711.html). ISO 4885:2018, 2018. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/wyb%C3%B3r-procesu-obr%C3%B3bki-cieplnej-stali-przewodnik-oparty-na-normach#wiki-cite-ref-3) https://www.iso.org/standard/87711.html **Na pierwszy rzut oka** Podstawowe kryteria wyboru Wymagana twardość i głębokość hartowności Odpowiednie normy ISO 683-1:2016; ISO 4885:2018; SAE J1268:1995 Typowe metody walidacji Pomiary twardości, badania metalograficzne, kontrola wymiarów, analiza Jominy’ego i Grossmanna Główne rodziny procesów Wyżarzanie, normalizowanie, odprężanie, hartowanie i odpuszczanie, hartowanie bainityczne, hartowanie stopniowe oraz hartowanie powierzchniowe [Powrót do Obróbka cieplna](/pl/wiki/obróbka-cieplna "Obróbka cieplna — Steel Wiki")