Hartowanie metali i stopów to istotny proces obróbki cieplnej, który znacznie zwiększa wytrzymałość, twardość i odporność materiałów na zużycie. Jednym z kluczowych problemów przy hartowaniu jest niepożądane utlenianie i nawęglanie warstw powierzchniowych metalu. Aby zapobiec tym negatywnym zjawiskom, stosuje się atmosfery ochronne, które zapewniają optymalne warunki do przeprowadzenia procesu hartowania.
Problem utleniania i nawęglania
Podczas hartowania wyroby metalowe są nagrzewane do wysokich temperatur, po czym następuje ich szybkie chłodzenie. Proces ten może prowadzić do zmian chemicznych na powierzchni, co negatywnie wpływa na jakość i właściwości użytkowe materiału.
Utlenianie to proces, w którym metal reaguje z tlenem zawartym w otaczającym powietrzu, tworząc tlenki. Na powierzchni metalu może powstać zgorzelina — trwała warstwa tlenków, która pogarsza wygląd wyrobu oraz zmniejsza jego odporność na korozję i wytrzymałość.
Nawęglanie to proces przenikania węgla do powierzchni metalu, co prowadzi do zmian jego struktury i właściwości. Zjawisko to może zachodzić w wysokich temperaturach, gdy metal styka się ze środowiskami zawierającymi węgiel, np. paliwami lub olejami. Nawęglanie zmienia twardość i kruchość metalu, co nie zawsze jest pożądane w procesie technologicznym.
Dlaczego potrzebne są atmosfery ochronne?
Stosowanie atmosfer ochronnych przy hartowaniu pozwala uniknąć utleniania i nawęglania, tworząc środowisko zapobiegające reakcji metalu z tlenem i węglem. Głównym zadaniem takich atmosfer jest stworzenie wokół wyrobu atmosfery obojętnej lub redukującej, co minimalizuje niepożądane reakcje chemiczne.
Rodzaje atmosfer ochronnych
Istnieją różne rodzaje atmosfer ochronnych stosowanych w zależności od wymagań wobec produktu końcowego, składu materiału i specyfiki procesu technologicznego. Oto główne rodzaje atmosfer ochronnych stosowanych przy hartowaniu.
Gazy ochronne
Najczęściej stosowaną atmosferą ochronną jest gaz obojętny, taki jak azot, argon lub hel. Gazy te nie reagują z metalem w wysokich temperaturach, tworząc warunki zapobiegające utlenianiu.
Aby zapobiec nawęglaniu, można stosować gazowe atmosfery o niskiej zawartości węgla, takie jak wodór lub mieszaniny azotu i wodoru. Dzięki właściwościom redukującym wodór skutecznie usuwa tlenki z powierzchni metalu, co pozwala zachować czystość i jakość powierzchni.
Próżnia
Hartowanie w próżni to jedna z najskuteczniejszych metod zapobiegania utlenianiu i nawęglaniu. Piece próżniowe tworzą warunki, w których praktycznie nie ma tlenu ani innych gazów mogących wywołać niepożądane reakcje. Metoda ta jest szczególnie popularna przy obróbce stali wysokostopowych i innych materiałów wymagających dużej precyzji oraz czystości powierzchni.
Środowiska ciekłe
Hartowanie w środowiskach ciekłych, takich jak roztopione sole, oleje czy specjalne ciecze chłodzące, także pomaga chronić metal przed utlenianiem i nawęglaniem. Środowiska ciekłe tworzą barierę pomiędzy wyrobem a atmosferą, co zapobiega przenikaniu tlenu i węgla na powierzchnię metalu.
Roztopione sole są szczególnie często stosowane do obróbki cieplnej elementów, które wymagają precyzyjnej kontroli temperatury i szybkości chłodzenia. Zapewniają one równomierne chłodzenie i ochronę przed utlenianiem na wszystkich etapach procesu hartowania.
Środki proszkowe i pasty ochronne
Niektóre metody hartowania zakładają stosowanie past lub proszków ochronnych, które nakłada się na powierzchnię metalu przed nagrzewaniem. Składniki tych preparatów w wysokich temperaturach tworzą warstwę ochronną, zapobiegającą kontaktowi metalu z tlenem i węglem. Taki sposób jest szczególnie skuteczny dla elementów o skomplikowanych kształtach lub wymagających wysokiej jakości powierzchni.
Zalety hartowania w atmosferach ochronnych
Hartowanie w atmosferach ochronnych ma szereg zalet w porównaniu do tradycyjnych metod hartowania:
- Poprawa jakości powierzchni. Brak zgorzeliny i innych produktów utleniania pozwala zachować pierwotną gładkość i czystość powierzchni wyrobu, co jest szczególnie ważne dla części pracujących w warunkach tarcia lub wysokiej agresywności korozyjnej.
- Kontrola mikrostruktury. Atmosfery ochronne pomagają kontrolować proces chłodzenia, co umożliwia uzyskanie optymalnej mikrostruktury materiału i osiągnięcie wymaganych właściwości mechanicznych.
- Minimalizacja deformacji. Dzięki równomiernemu rozkładowi temperatury i szybkości chłodzenia można znacznie zmniejszyć wewnętrzne naprężenia i deformacje powstające podczas obróbki cieplnej.
- Obniżenie kosztów dalszej obróbki. Wyroby po hartowaniu nie wymagają dodatkowego oczyszczania ze zgorzeliny i warstw tlenkowych, co zmniejsza koszty obróbki mechanicznej i przyspiesza proces produkcyjny.
Hartowanie w atmosferach ochronnych to istotny etap w procesie produkcji wyrobów metalowych, który zapewnia ich wysoką jakość i trwałość. Dzięki zastosowaniu gazów, próżni, środowisk ciekłych i proszkowych atmosfer ochronnych można zapobiec utlenianiu i nawęglaniu, zachowując pierwotne właściwości materiału. Wybór odpowiedniej atmosfery ochronnej zależy od specyficznych warunków i wymagań wobec gotowego wyrobu oraz od cech procesu technologicznego.