Hartowanie

Co obróbka cieplna zmienia w stali

Obróbka cieplna to proces polegający na kontrolowanym nagrzewaniu i chłodzeniu stopu w celu zmiany jego właściwości fizycznych i mechanicznych. Prawidłowo przeprowadzone hartowanie stali pozwala na uzyskanie optymalnego balansu między twardością a udarnością, co jest parametrem krytycznym w przypadku narzędzi tnących. W procesie tym całkowitej modyfikacji ulega sieć krystaliczna materiału. Zmiany te zależą od precyzyjnego utrzymania reżimu temperaturowego oraz czasu przebywania detalu w określonych warunkach. Do realizacji tych zadań w nowoczesnych warunkach warsztatowych wykorzystuje się najczęściej piec muflowy wyposażony w dokładne sterowniki mikroprocesorowe. Pozwala to na uniknięcie wahań temperatury, które mogłyby negatywnie wpłynąć na ostateczną strukturę stopu.

Przemiany fazowe: austenit, martenzyt, austenit szczątkowy

Podstawą procesu hartowania jest zjawisko polimorfizmu żelaza. Podczas nagrzewania struktura wyjściowa, którą najczęściej stanowi perlit lub sferoidyt, ulega przemianie w austenit. Faza ta charakteryzuje się układem krystalicznym ściennie centrowanym oraz wysoką rozpuszczalnością węgla. Odpowiedni czas austenityzacji pozwala na rozpuszczenie części węglików i nasycenie matrycy węglem oraz dodatkami stopowymi.

Szybkie chłodzenie z temperatury austenityzacji blokuje dyfuzję węgla, wymuszając bezdyfuzyjną przemianę w martenzyt – twardą, ale kruchą fazę o strukturze tetragonalnej przestrzennie centrowanej. W przypadku stali wysokostopowych przemiana martenzytyczna rzadko zachodzi do końca w temperaturze pokojowej. Pozostała, nieprzemieniona faza to austenit szczątkowy, który obniża twardość i stabilność wymiarową głowni. W celu jego redukcji i dokończenia przemiany martenzytycznej stosuje się wymrażanie w suchym lodzie lub ciekłym azocie. Celowe, miejscowe zróżnicowanie szybkości chłodzenia (np. poprzez nałożenie gliny izolującej na grzbiet głowni) pozwala na uzyskanie zróżnicowanej struktury i widocznej linii hartowania, znanej w tradycji japońskiej jako hamon.

Rola odpuszczania

Bezpośrednio po chłodzeniu struktura martenzytyczna charakteryzuje się wysokimi naprężeniami wewnętrznymi i skrajną kruchością, co dyskwalifikuje materiał z użycia mechanicznego. Odpuszczanie stali jest procesem bezwzględnie wymaganym do nadania głowni użyteczności. Polega ono na ponownym nagrzaniu detalu do stosunkowo niskiej temperatury i przetrzymaniu go w niej przez określony czas, zazwyczaj w dwóch dwugodzinnych cyklach. Proces ten powoduje wydzielanie się drobnych węglików przejściowych. W efekcie następuje nieznaczne obniżenie twardości, ale drastycznie wzrasta udarność i redukowane są naprężenia hartownicze. W stalach wysokostopowych stosuje się niekiedy odpuszczanie wysokie, które wywołuje zjawisko twardości wtórnej poprzez wydzielanie węglików stopowych.

Kucie a obróbka cieplna

Kształtowanie na gorąco stanowi wstęp do właściwej obróbki cieplnej i ma ogromny wpływ na jej późniejszy przebieg. Tradycyjne kowalstwo wykorzystuje podstawowe narzędzia, takie jak młot kowalski oraz kowadło, a źródłem ciepła jest najczęściej palenisko kowalskie zasilane węglem, koksem lub gazem. Odkształcanie plastyczne w wysokich temperaturach powoduje rozrost ziarna i wprowadza do materiału znaczne naprężenia. Z tego względu stal po kuciu wymaga normalizacji, czyli cyklicznego nagrzewania powyżej temperatury przemiany i chłodzenia w powietrzu. Pozwala to na rozdrobnienie ziarna i ujednorodnienie struktury przed hartowaniem. Choć kowalstwo artystyczne często pomija rygorystyczne procedury normalizacji ze względu na inny cel wyrobu, w nożownictwie jest to etap krytyczny dla późniejszej wytrzymałości mechanicznej ostrza.

Najczęstsze błędy warsztatowe

Większość problemów z obróbką cieplną wynika z niedokładnego pomiaru temperatury lub nieodpowiedniego przygotowania sprzętu. Nawet wysokiej klasy termopara typu k ulega z czasem degradacji w środowisku pieca i wymaga okresowej kalibracji lub wymiany. Zbyt wysoka temperatura austenityzacji prowadzi do nieodwracalnego rozrostu ziarna, co drastycznie obniża udarność gotowego noża. Z kolei zbyt wolne chłodzenie, oznaczające przekroczenie czasu krytycznego dla danego stopu, skutkuje powstaniem miękkich struktur perlitycznych lub bainitycznych zamiast pożądanego martenzytu.

Innym powszechnym błędem jest brak ochrony przed odwęgleniem podczas nagrzewania. Prowadzi to do utraty węgla w warstwie wierzchniej i uniemożliwia osiągnięcie zakładanej twardości na krawędzi tnącej. Poważnym błędem jest również opóźnianie odpuszczania – głownia pozostawiona w stanie świeżo zahartowanym na dłuższy czas jest niezwykle podatna na pęknięcia mikroskopijne wywołane naprężeniami strukturalnymi.

Źródła

• John D. Verhoeven, „Metallurgy of Steel for Bladesmiths & Others Who Heat Treat and Forge Steel”, 2005
• Larrin Thomas, „Knife Engineering: Steel, Heat Treating, Geometry”, 2020