Proces hartowania bainitu dolnego

I. Podstawowa zasada hartowania dolnego bainitu

II. Kroki i parametry procesu hartowania dolnego bainitu

1. Etap austenityzacji (ogrzewanie i utrzymywanie)

• Cel: Całkowite rozpuszczenie węglików w stali i uzyskanie jednorodnej, drobnoziarnistej struktury austenitycznej, stanowiącej podstawę dla późniejszej transformacji.
• Parametry procesu:
  • Temperatura austenityzacji: Określana przez skład stali, zazwyczaj 30~50°C powyżej Ac3 (dla stali podeutektoidalnych) lub pomiędzy Ac1 i Ac3 (dla stali nadeutektoidalnych, aby uniknąć węglików sieciowych). Na przykład:
    • Stale średniowęglowe (np. stal 45): 820~860°C;
    • Stale niskostopowe średniowęglowe (np. 40Cr): 840~880°C;
    • Stale wysokowęglowe (np. stal T8): 780~820°C (aby zapobiec przegrzaniu i grubym ziarnom).
  • Czas utrzymywania: Określany przez grubość przedmiotu obrabianego i obciążenie, aby zapewnić homogenizację austenitu. Zazwyczaj 1~3 godziny (krócej dla małych przedmiotów obrabianych, do 30 minut; dłużej dla dużych przedmiotów obrabianych), unikając niedogrzania (niepełna austenityzacja) lub przegrzania (grube ziarna, prowadzące do obniżenia wydajności).

2. Etap szybkiego chłodzenia (unikanie stref perlitu/górnego bainitu)

• Cel: Szybkie schłodzenie przedmiotu obrabianego po austenityzacji do zakresu temperatur transformacji dolnego bainitu (200~350°C), zapobiegając przedwczesnej transformacji w strefach perlitu (500~600°C) lub górnego bainitu (350~500°C), zapewniając "kierunkową" transformację austenitu w dolny bainit.
• Parametry procesu:
  • Medium chłodzące: Musi zapewniać wystarczającą szybkość chłodzenia (przekraczającą krytyczną szybkość chłodzenia stali). Typowe media to:
    • Sole stopione (np. kąpiele azotanowo-azotynowe, o niskich temperaturach topnienia i łatwej kontroli temperatury);
    • Oleje mineralne (odpowiednie dla małych przedmiotów obrabianych, z nieco wolniejszym chłodzeniem niż sole stopione);
    • Roztwory polimerowe (np. roztwory alkoholu poliwinylowego, o regulowanej zdolności chłodzenia).
  • Punkt końcowy chłodzenia: Szybko schłodzić przedmiot obrabiany do 200~350°C (konkretna temperatura określona przez krzywą TTT stali; np. 250~300°C dla stali niskostopowych).

3. Etap transformacji izotermicznej (kluczowy krok)

• Cel: Utrzymywać w ustawionej niskiej temperaturze, aby w pełni przekształcić austenit w dolny bainit (minimalizując austenit szczątkowy).
• Parametry procesu:
  • Temperatura izotermiczna: Zazwyczaj 200~350°C (charakterystyczny zakres dla dolnego bainitu). Niższe temperatury wytwarzają drobniejsze listwy dolnego bainitu, zwiększając wytrzymałość i twardość, ale spowalniając transformację (wymagając dłuższego utrzymywania); wyższe temperatury (blisko 350°C) mogą tworzyć częściowy górny bainit, zmniejszając udarność.
  • Czas izotermiczny: Określony przez krzywą TTT stali, aby zapewnić całkowitą transformację austenitu. Przykłady:
    • Stal 40Cr w 280°C: ~2~4 godziny;
    • Stal sprężynowa 60Si2Mn w 250°C: ~3~5 godzin.
  • Kryteria oceny: Kontrola mikrostruktury (dolny bainit pojawia się jako ciemne struktury iglaste/blaszkowate bez perlitu lub martenzytu) lub wzory empiryczne (np. wydłużenie czasu o 0,5~1 godzinę na 10 mm grubości).

4. Chłodzenie po izotermicznym utrzymywaniu

• Po izotermicznym utrzymywaniu przedmiot obrabiany może być chłodzony powietrzem do temperatury pokojowej (nie ma potrzeby dalszego szybkiego chłodzenia). Austenit został już w pełni przekształcony w dolny bainit, więc chłodzenie powietrzem unika tworzenia się martenzytu lub innych niekorzystnych struktur i zapobiega pękaniu naprężeniowemu spowodowanemu nadmierną szybkością chłodzenia.

III. Odpowiednie gatunki stali

• Stale średniowęglowe: 45, 50 itp.;
• Stale niskostopowe średniowęglowe: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo itp.;
• Stale sprężynowe: 60Si2Mn, 50CrVA itp.;
• Stale łożyskowe: GCr15 (kontrolować temperaturę austenityzacji, aby uniknąć grubych ziaren).

IV. Charakterystyka wydajności i zastosowania

• Zalety wydajności: Dolny bainit ma twardość HRC45~55 (zbliżoną do martenzytu), ale 2~3 razy wyższą udarność (αk) niż martenzyt (np. 40Cr po hartowaniu dolnego bainitu ma αk≥80J/cm² vs. 30~50J/cm² dla hartowania martenzytycznego), z doskonałą wytrzymałością zmęczeniową i odpornością na zużycie.
• Zastosowania: Części wymagające "równowagi wytrzymałości i udarności", takie jak koła zębate, wały napędowe, korbowody, sprężyny i pierścienie łożyskowe.

V. Kluczowe punkty procesu i środki ostrożności

1. Kontrola austenityzacji: Zbyt wysokie temperatury powodują grube ziarna austenitu i szorstki dolny bainit, zmniejszając udarność; niskie temperatury prowadzą do niepełnej austenityzacji, z resztkowymi węglikami pogarszającymi jednorodność transformacji.
2. Szybkość chłodzenia: Musi szybko przejść przez strefę perlitu (500~600°C); w przeciwnym razie tworzy się perlit, drastycznie zmniejszając wytrzymałość (wybierz media o odpowiedniej zdolności chłodzenia, np. kąpiele solne, aby zapewnić, że szybkości przekraczają wartości krytyczne).
3. Parametry izotermiczne: Ściśle przestrzegaj krzywych TTT dla temperatury i czasu—odchylenia powodują nadmierny austenit szczątkowy (zmniejszona twardość) lub częściowy górny bainit (zmniejszona udarność).
4. Geometria przedmiotu obrabianego: W przypadku dużych lub złożonych części kontroluj szybkość nagrzewania/chłodzenia, aby uniknąć pękania naprężeniowego (użyj stopniowego nagrzewania lub wstępnego chłodzenia do wyższych temperatur przed izotermicznym utrzymywaniem).