Hartowanie, odpuszczanie i normalizowanie – różnice w obróbce stali węglowych

Obróbka cieplna stali – podstawowe pojęcia i wykres żelazo-węgiel

Obróbka cieplna to kontrolowane nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie stali w stanie stałym, prowadzone po to, by zmienić strukturę i właściwości mechaniczne bez zmiany kształtu wyrobu. Terminologię porządkuje PN-EN 10052:1999 – słownik terminów obróbki cieplnej stopów żelaza (PKN, 1999). Trzy zabiegi: hartowanie, odpuszczanie i normalizowanie różnią się głównie jednym parametrem – szybkością chłodzenia z temperatury austenityzowania.

Kiedy rozmawiam z konstruktorem o stali C45 (1.0503), pierwsze pytanie nigdy nie brzmi „jaka twardość”. Brzmi: „w jakim stanie ma przyjechać materiał”. Bo ten sam gatunek w stanie +N i +QT to praktycznie dwa różne materiały konstrukcyjne, choć skład chemiczny identyczny.

Co dokładnie zmienia obróbka cieplna w stali?

Zmienia strukturę, czyli układ faz i wielkość ziarna – a przez to twardość, wytrzymałość, udarność i skrawalność. Skład chemiczny pozostaje ten sam. Dlatego atest 3.1 wg PN-EN 10204 zawsze podaje stan dostawy obok wyników próby rozciągania.

• Temperatura austenityzowania – dla stali podeutektoidalnych 30-50 °C powyżej linii A3, dla nadeutektoidalnych powyżej A1 (z zachowaniem cementytu wtórnego).
• Czas wygrzewania – orientacyjnie 1-1,5 min na 1 mm przekroju przy grzaniu w piecu komorowym; wsad musi wyrównać temperaturę w rdzeniu.
• Szybkość chłodzenia – zmienna rozstrzygająca: woda, olej, powietrze czy piec.
• Ośrodek i atmosfera pieca – atmosfera utleniająca powoduje odwęglenie warstwy wierzchniej, co potrafi zniszczyć efekt hartowania powierzchniowego.
• Przekrój wyrobu – im grubszy, tym wolniej stygnie rdzeń; dla stali niestopowych to główne ograniczenie.
• Kolejność zabiegów – odpuszczanie zawsze po hartowaniu, nigdy odwrotnie.

Dlaczego linie A1, A3 i Acm wyznaczają temperatury zabiegów?

Bo to granice przemian fazowych na wykresie Fe-Fe3C. Linia A1 leży przy 727 °C – poniżej niej austenit nie istnieje w stanie równowagi. Linia A3 wyznacza koniec przemiany ferrytu w austenit dla stali podeutektoidalnych (poniżej 0,77% C), a Acm – granicę rozpuszczalności cementytu wtórnego dla stali nadeutektoidalnych.

Praktyczna konsekwencja jest prosta. Grzejąc C45 do 830 °C jesteś pewnie w obszarze austenitu jednorodnego. Grzejąc do 780 °C zostawiasz w strukturze ferryt, który nie zamieni się w martenzyt – i dostajesz miękkie wyspy na przekroju. Zdarza mi się to widzieć przy hartowaniu w prowizorycznych piecach bez sprawdzonej termopary.

Które normy regulują te zabiegi?

Definicje – PN-EN 10052:1999. Warunki dostawy stali niestopowych do ulepszania cieplnego, w tym C22, C35, C45, C55 i C60 – PN-EN 10083-1:2008 i PN-EN 10083-2:2008. Stale konstrukcyjne walcowane na gorąco (S235, S355) – PN-EN 10025-2:2019-11. Wszystkie kupisz w sklepie Polskiego Komitetu Normalizacyjnego. Zanim zacytujesz konkretną tablicę właściwości, sprawdź aktualne wydanie – normy są nowelizowane.

Na czym polega hartowanie stali węglowej?

Hartowanie to nagrzanie stali do zakresu austenitu, wygrzanie i chłodzenie z szybkością większą od krytycznej, w wyniku czego powstaje martenzyt – przesycony roztwór węgla w żelazie alfa (definicja wg PN-EN 10052:1999). Dla C45 typowa temperatura to 820-850 °C, ośrodek: woda lub wodny roztwór polimeru, twardość powierzchniowa 55-58 HRC.

Czym różni się hartowanie stali podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych?

Różnicą jest punkt odniesienia temperatury. Stale poniżej 0,77% C (C22, C35, C45) austenityzuje się 30-50 °C powyżej A3 – cała osnowa musi przejść w austenit. Stale nadeutektoidalne (C70, stale narzędziowe typu N10) grzeje się tylko 30-50 °C powyżej A1, zostawiając nierozpuszczony cementyt wtórny.

Ten drugi zabieg bywa mylnie krytykowany jako „niedogrzanie”. Nic z tych rzeczy. Twarde węgliki w martenzytycznej osnowie podnoszą odporność na ścieranie, a niższa temperatura ogranicza ilość austenitu szczątkowego i ryzyko pęknięć.

Czy każdą stal węglową można zahartować?

Nie. Poniżej ok. 0,25% węgla powstający martenzyt jest zbyt niskowęglowy, by dać użyteczny przyrost twardości – dotyczy to C15, C22, a tym bardziej S235 i S355. Dodatkowo hartowność stali niestopowych jest bardzo mała, więc nawet przy odpowiednim węglu efekt sięga tylko warstwy wierzchniej.

• C15, C22, S235JR – hartowanie objętościowe bez sensu; alternatywa to nawęglanie (0,8-1,0 mm warstwy) albo normalizowanie.
• C35 – hartuje się, ale twardość rzędu 45-50 HRC i tylko przy energicznym chłodzeniu wodnym.
• C45 (1.0503) – klasyk warsztatowy, 55-58 HRC powierzchniowo, hartowanie na wskroś realne mniej więcej do 15-20 mm przekroju.
• C55, C60 – 58-62 HRC, materiał na sprężyny płaskie i elementy ścieralne.
• 42CrMo4 (40HM), 41Cr4 (40H) – stale stopowe o wielokrotnie większej hartowności, chłodzone w oleju.

Z mojej praktyki: przy wałach z C45 o średnicy powyżej 40 mm mówienie o „zahartowaniu na wskroś” jest iluzją. Rdzeń stygnie za wolno, powstaje w nim perlit, a twardy naskórek daje tylko fałszywe poczucie bezpieczeństwa. To zadanie dla 40HM.

Dlaczego stal po samym hartowaniu nie nadaje się do pracy?

Bo jest krucha i naprężona. Martenzyt ma objętość właściwą większą od austenitu, więc przemiana generuje naprężenia własne rzędu setek MPa. Udarność KV w stanie zahartowanym spada praktycznie do zera. Element potrafi pęknąć na stole warsztatowym, zanim ktokolwiek go zamontuje – widziałem tak rozłupany klin z C60, leżący spokojnie przez noc po hartowaniu w wodzie.

Na czym polega odpuszczanie i dlaczego zawsze następuje po hartowaniu?

Odpuszczanie to nagrzanie zahartowanej stali do temperatury poniżej A1 (praktycznie 150-680 °C), wygrzanie i chłodzenie – w efekcie martenzyt rozkłada się, naprężenia maleją, a twardość spada na rzecz udarności. Zabieg rozpoczyna się bezpośrednio po hartowaniu, zanim naprężenia doprowadzą do pęknięcia. Bez odpuszczania hartowanie nie ma sensu użytkowego.

Czym różni się odpuszczanie niskie, średnie i wysokie?

Zakresem temperatury i celem. Poniżej krótka mapa, z której korzystam przy pisaniu wymagań na rysunku:

1. Niskie 150-250 °C – twardość praktycznie zachowana (spadek 1-3 HRC), znikają naprężenia hartownicze. Narzędzia skrawające, sprawdziany, ostrza, sprężyny płaskie o wysokiej twardości.
2. Średnie 250-500 °C – struktura troostytu, maksymalna granica sprężystości. Sprężyny śrubowe i resory z C60, 50HS, 65G.
3. Wysokie 500-680 °C – struktura sorbityczna, twardość 200-300 HB, najlepszy kompromis Rm/KV. Wały, korbowody, koła zębate, śruby klas 8.8 i 10.9.
4. Czas wygrzewania – typowo 1-2 h po wyrównaniu temperatury; dłuższe wygrzewanie działa podobnie jak podwyższenie temperatury o kilkanaście stopni.
5. Chłodzenie po odpuszczaniu – dla stali węglowych obojętne (powietrze), dla niektórych stopowych wymagane szybkie, o czym niżej.

Czym jest kruchość odpuszczania i jakich zakresów unikać?

Kruchość odpuszczania to spadek udarności mimo obniżenia twardości, występujący w określonych przedziałach temperatur. Klasycznie omija się 250-400 °C (kruchość pierwszego rodzaju, nieodwracalna). W wielu stalach stopowych z chromem i manganem pojawia się dodatkowo kruchość odwracalna w okolicach 450-550 °C, którą ogranicza szybkie chłodzenie w wodzie lub oleju po odpuszczaniu.

„Odpuszczanie – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu przedmiotu zahartowanego do temperatury niższej od A1, wygrzaniu i ochłodzeniu, w celu zmniejszenia naprężeń własnych i nadania żądanych właściwości.” — parafraza definicji wg PN-EN 10052, Polski Komitet Normalizacyjny, 1999

W stalach niestopowych twardość po odpuszczaniu maleje monotonicznie wraz z temperaturą. Zjawiska twardości wtórnej – znanego ze stali szybkotnących HS6-5-2 czy NC11LV – tutaj po prostu nie ma. Ktoś, kto liczy na przyrost twardości po odpuszczeniu C45 przy 550 °C, myli gatunki.

Na czym polega normalizowanie i czym różni się od wyżarzania?

Normalizowanie to nagrzanie 30-50 °C powyżej A3 (lub Acm), wygrzanie i chłodzenie w spokojnym powietrzu. Efektem jest drobnoziarnista, jednorodna struktura ferrytyczno-perlityczna o twardości typowo 120-220 HB. Zabieg kasuje skutki przegrzania po walcowaniu, kuciu i spawaniu. Stan ten oznacza się symbolem +N, np. S355J2+N wg PN-EN 10025-2:2019-11.

Czym normalizowanie różni się od wyżarzania zupełnego?

Wyłącznie sposobem chłodzenia – i to wystarczy, by zmienić wynik. Wyżarzanie zupełne chłodzi z piecem, przez wiele godzin, dając grubsze ziarno, niższą twardość i lepszą skrawalność. Normalizowanie chłodzi w powietrzu, więc przemiana perlityczna zachodzi w niższej temperaturze, a płytki perlitu są cieńsze.

• Normalizowanie – A3+30-50 °C, chłodzenie w powietrzu, ferryt+perlit drobny, Rm wyższe o ok. 10-15% niż po wyżarzaniu.
• Wyżarzanie zupełne – A3+30-50 °C, chłodzenie z piecem, struktura gruboziarnista, maksymalna plastyczność.
• Wyżarzanie zmiękczające (+A) – okolice A1, sferoidyzacja cementytu, cel: skrawalność stali wysokowęglowych i narzędziowych.
• Wyżarzanie odprężające – 500-650 °C, bez przemian fazowych, usuwa naprężenia spawalnicze i po obróbce skrawaniem.
• Wyżarzanie ujednorodniające – 1050-1200 °C, dla wlewków i odlewów staliwnych, likwidacja segregacji.

Utożsamianie normalizowania z wyżarzaniem odprężającym to błąd, który regularnie widuję w specyfikacjach. To zabiegi o różnych temperaturach i różnym celu – jeden przebudowuje strukturę, drugi tylko odpręża.

Kiedy normalizowanie wystarczy zamiast ulepszania cieplnego?

Wtedy, gdy wymagana granica plastyczności mieści się w tym, co gatunek daje w stanie +N, a element nie pracuje pod obciążeniem zmiennym o wysokiej amplitudzie. Blachy kotłowe, konstrukcje spawane wyższej klasy, odkuwki przeznaczone do dalszej obróbki skrawaniem – tam normalizowanie jest standardem odbiorowym, a ulepszanie byłoby kosztem bez pokrycia.

Tabela porównawcza: temperatura, chłodzenie, struktura, efekt

Najkrótsza różnica: hartowanie i normalizowanie startują z tej samej temperatury, ale hartowanie chłodzi szybko (martenzyt), a normalizowanie wolno w powietrzu (ferryt+perlit); odpuszczanie to zabieg następczy poniżej A1, korygujący skutki hartowania. Największą twardość daje hartowanie – 50-62 HRC zależnie od zawartości węgla.

Zabieg	Temperatura	Ośrodek chłodzący	Struktura	Twardość	Cel praktyczny
Hartowanie	A3+30-50 °C (820-850 °C dla C45)	woda, roztwór polimeru, olej	martenzyt	50-62 HRC	maksymalna twardość i odporność na ścieranie
Odpuszczanie	150-680 °C (poniżej A1)	powietrze, olej, woda	martenzyt odpuszczony, troostyt, sorbit	20-58 HRC	usunięcie naprężeń, podniesienie udarności
Normalizowanie (+N)	A3+30-50 °C	spokojne powietrze	ferryt + perlit drobnoziarnisty	120-220 HB	ujednorodnienie, rozdrobnienie ziarna
Ulepszanie cieplne (+QT)	hartowanie + 500-680 °C	woda/olej, potem powietrze	sorbit	200-300 HB	kompromis Rm i KV dla części maszyn
Wyżarzanie zupełne	A3+30-50 °C	chłodzenie z piecem	ferryt + perlit gruby	110-180 HB	maksymalna plastyczność
Wyżarzanie zmiękczające (+A)	okolice A1 (680-720 °C)	piec	cementyt sferoidalny	150-200 HB	skrawalność stali wysokowęglowych
Wyżarzanie odprężające	500-650 °C	piec/powietrze	bez zmiany fazowej	bez zmian	usunięcie naprężeń spawalniczych

Uwaga do tabeli: wartości Rm, Re i twardości dla konkretnego wyrobu zależą od przekroju i wydania normy – dla stali niestopowych do ulepszania odniesieniem jest PN-EN 10083-2:2008, a potwierdzeniem dokument kontroli 3.1 wg PN-EN 10204:2006.

• Hartowanie i odpuszczanie to para nierozłączna – w dokumentacji nigdy nie zapisuj samego „hartować”.
• Normalizowanie jest zabiegiem samodzielnym i kompletnym.
• Ulepszanie cieplne to nazwa handlowa i normowa dla sekwencji hartowanie + odpuszczanie wysokie.

Struktury po zabiegach: martenzyt, sorbit, perlit drobnoziarnisty

Struktura decyduje o właściwościach, a nazwa struktury jest skrótem informacji o historii cieplnej materiału. Martenzyt oznacza szybkie chłodzenie, sorbit – odpuszczanie wysokie, drobny perlit z ferrytem – chłodzenie w powietrzu. Metalograf odczyta to ze zgładu w kilka minut, bez znajomości karty procesu.

Czym różni się martenzyt od sorbitu?

Martenzyt to przesycony roztwór węgla w żelazie alfa o siatce tetragonalnej, powstający bezdyfuzyjnie poniżej temperatury Ms. Sorbit to drobnodyspersyjna mieszanina ferrytu i cementytu, produkt odpuszczania wysokiego. Pierwszy daje twardość i kruchość, drugi – wytrzymałość zmęczeniową i udarność.

• Martenzyt – 55-65 HRC zależnie od % C, KV bliskie zeru, duże naprężenia własne.
• Martenzyt odpuszczony (150-250 °C) – 55-60 HRC, naprężenia zredukowane, nadal niska plastyczność.
• Troostyt (250-500 °C) – 35-45 HRC, wysoka granica sprężystości, materiał sprężynowy.
• Sorbit (500-680 °C) – 200-300 HB, najlepszy stosunek Rm do KV dla części maszynowych.
• Perlit drobnoziarnisty + ferryt – 120-220 HB, struktura stanu +N, dobra skrawalność i spawalność.
• Bainit – produkt przemiany izotermicznej, kompromis między martenzytem a perlitem; osobny zabieg (hartowanie izotermiczne), nie mylić z odpuszczaniem.

Jak rozpoznać strukturę bez laboratorium?

Orientacyjnie – pomiarem twardości i próbą iskrową, ale to zawsze przybliżenie. Twardomierz Rockwella odróżni 58 HRC od 220 HB w kilka sekund. Rozstrzygające pozostaje badanie metalograficzne zgładu trawionego nitalem, wykonywane przez akredytowane laboratorium. Przy sporach odbiorowych to jedyny argument, który się broni.

Ulepszanie cieplne (+QT) i dobór zabiegu do gatunku

Ulepszanie cieplne to hartowanie połączone z odpuszczaniem wysokim w zakresie 500-680 °C, oznaczane symbolem +QT. Dla C45 w przekrojach do 40 mm PN-EN 10083-2:2008 podaje Rm rzędu 630-780 MPa przy Re od ok. 430 MPa i twardości 200-230 HB. To najczęściej zamawiany stan dla wałów, kół zębatych i śrub klas 8.8 oraz 10.9.

Jak dobrać zabieg do gatunku: C22, C35, C45, C55, C60?

Zacznij od wymaganej granicy plastyczności w rdzeniu, nie od twardości powierzchni – to reguła, którą powtarzam każdemu młodszemu konstruktorowi. Twardość powierzchniowa jest łatwa do zmierzenia i dlatego bywa fetyszem, ale to Re decyduje, czy wał się nie odkształci.

• C22 (1.0402) – 0,17-0,24% C, słabo hartowna, typowy stan +N; materiał na elementy nawęglane, tuleje, kołki.
• C35 (1.0501) – +N lub +QT dla mniej obciążonych trzpieni i dźwigni, Rm po ulepszaniu ok. 550-700 MPa.
• C45 (1.0503) – koń roboczy: +QT dla wałów, +N dla elementów spawanych, hartowanie powierzchniowe indukcyjne dla czopów.
• C55 (1.0535) – ulepszanie lub hartowanie z odpuszczaniem średnim; klucze, sworznie, elementy ścieralne.
• C60 (1.0601) – sprężyny płaskie, resory, noże do cięcia papieru; odpuszczanie 300-450 °C.
• 41Cr4 (40H) i 42CrMo4 (40HM) – gdy przekrój przekracza ok. 40 mm albo wymagana jest jednorodność właściwości w rdzeniu.

Sprawdź też kartę gatunku C45 (1.0503) oraz 40HM / 42CrMo4 – stal do ulepszania cieplnego, jeśli ważysz decyzję między stalą niestopową a stopową. Przy narzędziach do pracy na zimno logika jest inna – opisałem ją w tekście o hartowaniu stali narzędziowych do pracy na zimno.

Kiedy przejść na stal stopową zamiast węglowej?

Gdy średnica przekracza 40-50 mm, gdy detal ma ostre karby i przejścia grubości, albo gdy wymagana jest powtarzalność właściwości między wytopami. Chrom i molibden w 42CrMo4 przesuwają krzywe CTPc w prawo, więc martenzyt powstaje przy chłodzeniu w oleju – łagodniejszym, a więc mniej ryzykownym dla geometrii. Dla S235 i S355 kwestia hartowania w ogóle nie stoi; ich rolę opisuje wpis o stalach konstrukcyjnych niestopowych S235 i S355.

Ośrodki chłodzące i wpływ zabiegów na właściwości mechaniczne

Wybór ośrodka chłodzącego to kompromis między twardością a ryzykiem pęknięcia. Woda chłodzi najostrzej i jest naturalnym wyborem dla stali węglowych o prostych kształtach; olej hartowniczy jest łagodniejszy i przeznaczony dla stali stopowych oraz detali o złożonej geometrii; powietrze służy normalizowaniu i hartowaniu stali samohartownych.

Jaki ośrodek chłodzący dla stali węglowej?

Woda lub wodny roztwór polimeru – i to drugie coraz częściej, bo polimer ogranicza film parowy odpowiedzialny za nierównomierne chłodzenie i pęknięcia.

1. Woda 20-30 °C – najintensywniejsze chłodzenie, standard dla C45 i C60 w prostych kształtach; wymaga ruchu detalu w kąpieli.
2. Wodny roztwór polimeru (PAG) – stężenie zwykle kilka do kilkunastu procent, zmienia intensywność między wodą a olejem; łagodzi ryzyko pęknięć.
3. Olej hartowniczy 40-80 °C – dla 40H, 40HM, NC11LV, WNL/1.2713 i detali z karbami.
4. Spokojne powietrze – normalizowanie oraz hartowanie stali wysokostopowych samohartownych.
5. Sprężone powietrze / mgła wodna – pośrednia intensywność, hartowanie powierzchniowe indukcyjne.
6. Chłodzenie z piecem – wyżarzanie zupełne i zmiękczające, nie hartowanie.

Jak zabiegi wpływają na twardość, wytrzymałość i udarność?

Twardość rośnie w kolejności: wyżarzanie < normalizowanie < ulepszanie < hartowanie. Udarność zachowuje się odwrotnie - po hartowaniu spada drastycznie, po odpuszczaniu wysokim i normalizowaniu wraca do użytecznego poziomu. Dla C45 orientacyjnie: +N ok. 180 HB, +QT 200-230 HB, po hartowaniu wodnym 55-58 HRC na powierzchni.

„Właściwości mechaniczne wyrobu potwierdza dokument kontroli 3.1, wystawiany przez wytwórcę na podstawie badań wytopu lub partii.” — parafraza wymagań PN-EN 10204:2006, Polski Komitet Normalizacyjny

Nie traktuj jednak hartowania jako uniwersalnego sposobu na „mocniejszy” element. W stanie zahartowanym rośnie twardość i wytrzymałość doraźna, ale udarność i odporność na obciążenia udarowe lecą w dół. Wartości zawsze weryfikuj w ateście 3.1 dla konkretnego wytopu i przekroju – dane katalogowe są orientacyjne.

Typowe błędy i oznaczanie stanu obróbki w dokumentacji

Najkosztowniejsze wady obróbki cieplnej to przegrzanie, spalenie, odwęglenie i pęknięcia hartownicze. Przegrzanie naprawia normalizowanie, spalenie nie naprawia nic – materiał idzie na złom. Drugi obszar strat to dokumentacja: brak podania stanu obróbki na rysunku to najczęstsza przyczyna sporów odbiorowych, jakie obserwuję.

Co to jest przegrzanie i spalenie stali?

Przegrzanie to nadmierny rozrost ziarna austenitu przy zbyt wysokiej temperaturze lub zbyt długim wygrzewaniu – skutkiem jest spadek udarności, a naprawą normalizowanie. Spalenie to utlenienie granic ziaren, zachodzące orientacyjnie powyżej 1200-1250 °C; struktura traci spójność nieodwracalnie i żaden zabieg tego nie cofnie.

• Przegrzanie – gruboziarnisty przełom, spadek KV; naprawialne przez normalizowanie lub podwójne normalizowanie.
• Spalenie – siatka tlenków na granicach ziaren, materiał kruszy się przy kuciu; wada nieodwracalna.
• Odwęglenie – miękka warstwa 0,1-0,5 mm przy grzaniu w atmosferze utleniającej; usuwana naddatkiem na obróbkę skrawaniem.
• Pęknięcia hartownicze – efekt zbyt ostrego chłodzenia, ostrych karbów i braku promieni przejść; wymagają badań MT lub PT.
• Odkształcenia i paczenie – szczególnie przy detalach o dużym stosunku długości do średnicy; ratunkiem prostowanie i naddatek szlifierski.
• Miękkie plamy – lokalny brak zwilżenia kąpieli lub odwęglenie; kontrola twardomierzem w kilku punktach.

Co oznaczają symbole +N, +QT, +A i +AR?

To symbole stanu dostawy wyrobu, dopisywane po oznaczeniu gatunku. +N oznacza wyrób normalizowany lub walcowany normalizująco (np. S355J2+N wg PN-EN 10025-2:2019-11), +QT – ulepszany cieplnie, +A – wyżarzany zmiękczająco, +AR – walcowany bez obróbki cieplnej, +AC – wyżarzany na strukturę sferoidalną.

Zasady zapisu na rysunku i w zamówieniu są proste: gatunek + stan + norma. Przykłady, które sam stosuję: C45+QT wg PN-EN 10083-2, C45+N wg PN-EN 10083-2, S355J2+N wg PN-EN 10025-2. Systematykę samych oznaczeń gatunków opisuje osobno tekst o systemie oznaczania stali wg PN-EN 10027. Dane sprawdzone: wydania norm aktualne wg katalogu PKN, stan na 2025 rok – przed powołaniem się w umowie zweryfikuj bieżące wydanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się hartowanie od normalizowania?

Oba zabiegi zaczynają się od nagrzania 30-50 °C powyżej temperatury A3, lecz różni je chłodzenie. Hartowanie chłodzi w wodzie lub oleju szybciej niż krytycznie i daje twardy, kruchy martenzyt o twardości 50-62 HRC. Normalizowanie chłodzi w spokojnym powietrzu i daje drobnoziarnisty ferryt z perlitem o twardości 120-220 HB, dobrze skrawalny i spawalny.

Dlaczego po hartowaniu trzeba odpuszczać?

Zahartowana stal ma strukturę martenzytu o maksymalnej twardości, ale znikomej udarności i dużych naprężeniach własnych. Bez odpuszczania element potrafi pęknąć jeszcze przed montażem, czasem samoistnie po kilkunastu godzinach. Odpuszczanie poniżej A1 rozkłada martenzyt, usuwa naprężenia i pozwala ustawić żądany kompromis między twardością a odpornością na uderzenia.

Czy stal S235 można zahartować?

Praktycznie nie. Zawartość węgla poniżej ok. 0,2% powoduje, że powstający martenzyt jest zbyt niskowęglowy, by dać użyteczny przyrost twardości, a hartowność stali niestopowych jest bardzo mała. Dla S235 stosuje się normalizowanie, a gdy potrzebna jest twarda warstwa wierzchnia – nawęglanie lub azotowanie zamiast hartowania objętościowego.

Jaką twardość ma C45 po ulepszaniu cieplnym?

W stanie +QT dla przekrojów do ok. 40 mm C45 osiąga typowo 200-230 HB przy Rm rzędu 630-780 MPa i Re od ok. 430 MPa. Dokładne wartości dla danego przekroju podaje PN-EN 10083-2:2008 oraz atest 3.1 wytopu. Przy grubszych przekrojach właściwości w rdzeniu wyraźnie spadają i warto rozważyć 42CrMo4.

Co oznacza symbol +N przy oznaczeniu stali?

To oznaczenie stanu dostawy – wyrób normalizowany lub walcowany normalizująco, na przykład S355J2+N. Symbol informuje, że materiał ma drobnoziarnistą, ujednorodnioną strukturę i deklarowane właściwości udarnościowe w niskiej temperaturze. Inne popularne symbole to +QT (ulepszony cieplnie), +A (wyżarzony zmiękczająco) i +AR (walcowany bez obróbki cieplnej).

W jakim zakresie temperatur nie należy odpuszczać?

Klasycznie omija się przedział 250-400 °C ze względu na kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju, przy której udarność spada mimo obniżenia twardości. W niektórych stalach stopowych z chromem i manganem występuje też kruchość odwracalna w zakresie 450-550 °C. Tę drugą ogranicza szybkie chłodzenie w wodzie lub oleju bezpośrednio po odpuszczaniu.

Czy normalizowanie usuwa skutki spawania?

Tak, normalizowanie jest jednym z podstawowych zabiegów usuwających rozrost ziarna w strefie wpływu ciepła po spawaniu i po kuciu. Nie usuwa jednak wad geometrycznych ani niezgodności spawalniczych – te wymagają badań NDT i naprawy spoiny. Spalenia materiału normalizowanie nie naprawia w żadnym zakresie.

Ile trwa wygrzewanie przed hartowaniem?

Orientacyjnie 1-1,5 minuty na każdy 1 mm przekroju po wyrównaniu temperatury w piecu komorowym, czyli dla wałka o średnicy 30 mm to około 30-45 minut. Zbyt długie wygrzewanie prowadzi do rozrostu ziarna i odwęglenia. Dokładne czasy dla konkretnego pieca i wsadu ustala technolog obróbki cieplnej na podstawie prób.

Źródła i literatura

1. PKN (1999): PN-EN 10052:1999 – Słownik terminów obróbki cieplnej stopów żelaza. Polski Komitet Normalizacyjny.
2. PKN (2008): PN-EN 10083-2:2008 – Stale do ulepszania cieplnego. Część 2: Warunki techniczne dostawy stali niestopowych. sklep.pkn.pl.
3. PKN (2008): PN-EN 10083-1:2008 – Stale do ulepszania cieplnego. Część 1: Ogólne warunki techniczne dostawy.
4. PKN (2019): PN-EN 10025-2:2019-11 – Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych. Część 2: Stale konstrukcyjne niestopowe.
5. PKN (2006): PN-EN 10204:2006 – Wyroby metalowe. Rodzaje dokumentów kontroli.

Podane zakresy temperatur i właściwości mają charakter orientacyjny i technologiczny. Parametry obróbki cieplnej dla konkretnego wyrobu ustala technolog na podstawie aktualnego wydania normy, atestu wytopu i prób technologicznych; treść nie zastępuje dokumentacji technologicznej ani konsultacji z uprawnionym inżynierem materiałowym.