BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI STALI

  Dawni kowale nie znali rzecz jasna teoretycznych podstaw właściwości stali i żelaza, ale potrafili zastosować w praktyce liczne doświadczenia swoje i swoich poprzedników. Nie wiedzieli, czemu należy kuć żelazo tylko wtedy, kiedy świeci ono takim a nie innym kolorem żaru. Nie wiedzieli, czemu należy je ostudzić po osiągnięciu jakiegoś konkretnego koloru w konkretnej cieczy, aby się utwardziło. Nie wiedzieli, czemu dzieje się tak, a nie inaczej. Wiedzieli, że tak należy uczynić, bo tak nauczyło ich doświadczenie, tak robił ich ojciec i dziadek, bo tak robiono "od zawsze", bo tak "jest dobrze". Aby jednak zrozumieć, dlaczego takie recepty mają sens - lub go nie mają - trzeba choć pobieżnie zapoznać się z chemiczną i fizyczną budową stali i podstawami obróbki termicznej. Właściwości stali są przede wszystkim wynikiem zmiany rozpuszczalności węgla w żelazie w różnych temperaturach, oraz powstawania różnych związków żelaza z węglem i zmiany ich sieci krystalicznej, w zależności od zawartości węgla, szybkości chłodzenia i wielu innych czynników. Szczegółowe omówienie całości tego bardzo złożonego zagadnienia przerasta ramy niniejszego opracowania, dlatego odsyłam do licznej literatury fachowej. Spróbuję jednak omówić tutaj przynajmniej te zależności, które mają bezpośredni związek z wiedzą praktyczną dawnych kowali.
  Materiał, jakim dysponował starożytny kowal, był z chemicznego punktu widzenia nie żelazem a stalą, a więc stopem żelaza z węglem, gdyż termin żelazo odnosi się w zasadzie do pierwiastka chemicznego. Jednak potocznie żelazem określa się stop miękki, o małej zawartości węgla, a stalą - stop twardy, wysokowęglowy, dający się dodatkowo utwardzać na drodze hartowania. Termin żelazo stosuje się również wtedy, kiedy stop ten nie przeszedł w procesie otrzymywania przez fazę płynną, lecz co najwyżej osiągnął postać ciastowatą, a więc odnosi się to do żelaza dymarskiego. Stal współczesna ma prawie jednolitą strukturę i skład chemiczny, a jej właściwości zależą głównie od zawartości składników stopowych - podobnie jak w przypadku brązu - oraz od zastosowanej obróbki cieplnej. Stal historyczna, a więc żelazo, ma strukturę wybitnie pasmowatą, włóknistą, o niejednorodnym składzie chemicznym. Jest to wynikiem zgrzewania ze sobą a następnie "mieszania" drobnych kawałków uzyskanego w stanie ciastowatym żelaza o różnym składzie chemicznym.
  Bez względu na sposób uzyskania, stal jest stopem żelaza i wielu innych pierwiastków, z których najważniejszym składnikiem (poza samym żelazem, rzecz jasna) jest węgiel. To przede wszystkim od jego procentowej zawartości zależy kowalność, twardość, kruchość i udarność (odporność na uderzenia), a więc cechy najistotniejsze dla materiału z którego ma być wykuta głownia. Stop miedzi z cynkiem czy z cyną może mieć dowolny skład, gdyż te dwa metale mieszają się w dowolnych proporcjach. Natomiast ilość węgla w stali ograniczona jest jego niewielką rozpuszczalnością w żelazie, w dodatku zmieniającą się w zależności od temperatury. Stopy miedzi możemy dodatkowo utwardzać w zasadzie tylko poprzez kucie na zimno, stopy żelaza utwardzać można zarówno podczas kucia na zimno (w niewielkim stopniu), jak i poprzez zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej - hartowanie.
  W temperaturach czerwonego żaru (800 - 900°C) i wyższych, węgiel stosunkowo łatwo rozpuszcza się w żelazie, dlatego w piecu hutniczym czy kowalskim może nastąpić tzw. nawęglenie stali. W takich temperaturach powstaje roztwór stały węgla w żelazie, zwany AUSTENITEM. Poniżej 727°C (wiśniowy kolor żaru) rozpuszczalność węgla gwałtownie spada (0,02% - 0,008 %), AUSTENIT przestaje istnieć, gdyż nadmiar węgla wytrąca się jako różne formy związku węgla z żelazem (węglik żelaza - CEMENTYT) zawieszonego w prawie czystym żelazie (FERRYT). Istniejące w temperaturach niższych od 727°C kryształy mieszaniny węglika żelaza (CEMENTYTU) i czystego żelaza (FERRYTU) mają większą twardość od czystego żelaza i od roztworu węgla w żelazie (istniejącego w temperaturach wyższych od 727°C AUSTENITU), ale mniejszą plastyczność. Jeśli jednak stal wysokowęglową ogrzejemy do temperatury czerwonego żaru 750 - 800°C (aby rozpuścić węgiel w żelazie - ponownie powstanie AUSTENIT) a następnie ostudzimy wystarczająco szybko, węgiel rozpuszczony w żelazie nie zdąży się wytrącić (nie powstanie węglik żelaza - CEMENTYT) i pozostanie w postaci roztworu przesyconego. Kryształy takiego roztworu stałego, zwanego MARTENZYTEM mają znaczną twardość, tym większą, im więcej węgla zawierają. Tak ogrzana i ostudzona stal nie jest już mieszaniną czystego żelaza i cementytu (FERRYT + CEMENTYT), ale czystego żelaza, niewielkiej ilości cementytu, oraz MARTENZYTU. Została więc wzbogacona o igłokształtne, bardzo twarde kryształy (MARTENZYT). Martenzyt przerasta miękkie kryształy żelaza (FERRYT) zawierającego dodatkowo nieliczne wtrącenia węglika żelaza (CEMENTYT).

  Schematycznie można ująć te przemiany następująco:

   
 AUSTENIT 
 pomiędzy
 727 ~ 850 °C 
   
 poniżej 727 °C 
miękki
FERRYT i  CEMENTYT 
ogrzewanie
 szybkie chłodzenie 
 poniżej 727 °C 
miękki FERRYT z nielicznym  CEMENTYTEM  b. twardy  MARTENZYT 
     
     

  HARTOWANIE
   
 AUSTENIT 
 powyżej 727 °C 
   
 poniżej 727 °C 
miękki FERRYT z nielicznym  CEMENTYTEM  b. twardy  MARTENZYT 
ogrzewanie
 b. wolne chłodzenie 
 poniżej 727 °C 
miękki
FERRYT i  CEMENTYT 
     
     

  WYŻARZANIE
   
 spadek ilości i twardości
MARTENZYTU
 pomiędzy 125 a 600 °C 
   
miękki FERRYT z nielicznym   CEMENTYTEM  
b. twardy  MARTENZYT 
ogrzewanie
 chłodzenie 
miękki FERRYT z    CEMENTYTEM  
twardy  MARTENZYT 
     
     

  ODPUSZCZANIE
  Twardość zahartowanej w ten sposób stali uwarunkowana jest kilkoma czynnikami. Najważniejszymi z nich, są twardości samego MARTENZYTU i jego ilość. Twardość MARTENZYTU jest tym większa, im więcej węgla on zawiera i może ona osiągnąć wielkość rzędu 65-68 HRC przy maksymalnej możliwej dla stali zawartości węgla ~2%. Jednak ze wzrostem zawartości węgla w stali, maleje ilość MARTENZYTU na korzyść innych, bardziej miękkich struktur. Maksymalną twardość stali (będącą wypadkową twardości MARTENZYTU i pozostałych struktur) uzyskujemy przy całkowitej ilości węgla rzędu 0,7-1,0%, a dalszy wzrost zawartości węgla nie przynosi już wzrostu całkowitej twardości stali, a czasem nawet ją obniża.
Ilość otrzymanego w wyniku hartowania MARTENZYTU zależy przede wszystkim od szybkości chłodzenia hartowanej stali. W miarę zwiększania tej szybkości, rośnie ilość MARTENZYTU, maleje tym samym ilość CEMENTYTU. Po przekroczeniu pewnej granicznej, charakterystycznej dla każdego gatunku stali szybkości chłodzenia, otrzymujemy praktycznie tylko MARTENZYT. Dalsze zwiększanie szybkości chłodzenia nie przynosi już wzrostu jego ilości, natomiast zwiększa ryzyko pęknięcia, na skutek dużych różnic temperatury warstw zewnętrznych i rdzenia hartowanego przedmiotu, oraz ryzyko jego powichrowania. Graniczna prędkość hartowania jest tym większa, im mniejsza jest zawartość węgla w stali. Wynika z tego reguła, że stale twarde, wysokowęglowe, powinno się studzić wolniej od stali miękkich, niskowęglowych, a więc do ich hartowania stosować olej czy ciepłą wodę, w odróżnieniu od stali nisko i średniowęglowych, które do hartowania wymagają raczej zimnej wody, roztworu soli kuchennej, a nawet wody z lodem.

Środek chłodzący Szybkość chłodzenia w °C/s
10% NaOH w wodzie (18°C)
1200
10% NaCl w wodzie (18°C)
1100
10% H2SO4 w wodzie (18°C)
750
Woda (18 °C)
600
Woda (25 °C)
500
Olej
130
Woda (50 °C)
100
Emulsja oleju w wodzie
70
Woda z mydłem
30
Woda (75 °C)
30
   Szybkość chłodzenia w różnych ośrodkach
(dla temperatury ~ 600 °C)

Twardość MARTENZYTU, będąca cechą pożądaną, wiąże się jednak z bardzo poważną jego wadą - kruchością i małą wytrzymałością na uderzenia. Do tego dochodzi jeszcze jedno niepożądane, związane z hartowaniem zjawisko - występowanie różnych wewnętrznych naprężeń, spowodowanych gwałtownym chłodzeniem. Aby zniwelować naprężenia wewnętrzne, jak i zmniejszyć kruchość stali i zwiększyć jej sprężystość i udarność, stosuje się zabieg zwany ODPUSZCZANIEM. Polega on na ogrzaniu zahartowanego przedmiotu do temperatur rzędu 100-600°C. W zależności od temperatury i czasu wygrzewania, pewna ilość MARTENZYTU przekształca się w CEMENTYT. Dzięki temu znacznie maleje wypadkowa kruchość stali, niestety - choć w mniejszym stopniu - maleje też jej twardość.

Jesteś na stronie http://www.platnerz.com