Jak uzyskiwane są stale do nawęglania?

Wśród wszystkich materiałów wykorzystywanych w różnych zastosowaniach przemysłowych niewiele jest takich, które mogą być używane tak szeroko, jak stal. Wynika to przede wszystkim z tego, że stal może być wytwarzana w ogromnej liczbie gatunków, które różniąc się swoim składem chemicznym oraz metodą pozyskiwania i końcowego ulepszania są w stanie zapewnić bardzo szeroki zakres właściwości fizyko-chemicznych. Dodatkowym atutem stali jest to, że poszczególne parametry mogą być poprawiane na różnych etapach przetwarzania, dając możliwość osiągnięcia wymaganych właściwości w optymalnym momencie procesu technologicznego. Jest to możliwe dzięki korzystaniu z metod obróbki cieplnej oraz cieplno-chemicznej. Szczególnie często wykorzystuje się techniki, pozwalające na wprowadzenie do struktury metalu dodatkowych pierwiastków, np. ulepszając stale do nawęglania czy azotowania. Zobaczmy, na czym polega proces nawęglania stali i jakie gatunki mogą być w nim wykorzystywane.

W jaki sposób można poprawić parametry wytrzymałościowe stali?

Stal jest bardzo często wykorzystywana do produkcji wyrobów, które muszą mieć specjalne właściwości, jeśli chodzi o odporność na różne czynniki zewnętrzne związane z warunkami, w jakich będzie eksploatowana. Dotyczy to zwłaszcza elementów różnych maszyn i urządzeń, które pracują z dużymi obciążeniami mechanicznymi i termicznymi. Będą to np. części i podzespoły do silników spalinowych, układów przenoszenia napędu, w tym wszelkiego rodzaju koła zębate, wały, ramiona czy tuleje, ale także części korpusów lub obudów. Występujące w takich przypadkach tarcie czy znaczne udary sprawiają, że wymagania wobec poszczególnych elementów, a zwłaszcza ich powierzchni wystawionych na bezpośrednie oddziaływanie dużych sił muszą być bardzo wysokie.

Sposobem na podnoszenie wytrzymałości mechanicznej i termicznej powierzchni metalu jest stosowanie różnych metod obróbki cieplnej. Element wykonany ze stali po ukończeniu jego obróbki mechanicznej, np. wytoczeniu, frezowaniu odpowiednich powierzchni i wywierceniu potrzebnych otworów może zostać ulepszony cieplnie przez wystawienie na działanie wysokiej temperatury, która doprowadzi do zmiany wewnętrznej struktury materiału, przekładając się na poprawę właściwości, np. twardości czy odporności na ścieranie.

Procesy ulepszania cieplnego stali noszą nazwę hartowania i odpuszczania. Mogą być wykonywane zarówno przy produkowaniu samych półproduktów, np. prętów kutych o różnych przekrojach, profilów czy blach, jak i po ich obróbce. W ramach hartowania metal jest ogrzewany do odpowiedniej temperatury w ściśle określonym czasie, a następnie ochładzany w tempie dopasowanym do efektu, jaki ma zostać uzyskany.

W ramach obróbki cieplne wykonuje się również wyżarzanie oraz przesycanie. W pierwszym przypadku celem jest odprężenie materiału oraz ujednolicenie jego struktury, w drugim, stosowanym do rozmaitych stopów chodzi o równomierne rozmieszczenie poszczególnych pierwiastków w całej strukturze.

Obróbka cieplna w postaci hartowania i odpuszczania może być z powodzeniem stosowana zarówno do całego elementu, jak i jedynie do jego warstwy zewnętrznej. Jeszcze dalej idące efekty można jednak uzyskać, przeprowadzając wcześniej proces nasycania stali wybranymi pierwiastkami, np. węglem. W tym celu jeszcze przed hartowaniem i odpuszczaniem materiał jest poddawany nawęglaniu.

Proces nawęglania stali

Proces nawęglania stali polega na wprowadzeniu do struktury stali dodatkowych atomów węgla. Ze względu na krystaliczną strukturę materiału, żeby było to możliwe, niezbędne jest ogrzanie jego powierzchni do temperatury, która umożliwi włączenie węgla w ich strukturę. Zmiana składu chemicznego powierzchni stali wymaga również zapewnienia odpowiedniego stężenia atomów węgla w bezpośrednim sąsiedztwie ulepszanej powierzchni.

Atomy węgla są wprowadzane w strukturę stali dzięki zjawisku dyfuzji. Umożliwia ono adsorpcję znajdującego się w otoczeniu pierwiastka aż do wyrównania poziomu stężeń, a następnie dyfuzję w głąb. Wolne atomy węgla mogą być dostarczane na powierzchnię nawęglanego metalu zarówno w postaci gazowej, jak i odpowiedniego roztworu cieczy, a także ciała stałego. Po aktywowaniu metalu za pomocą oddziaływania termicznego węgiel przedostaje się przez wolne przestrzenie sieci krystalicznej i zajmuje kolejne wolne węzły. Tempo dyfuzji jest związane zarówno z temperaturą, do jakiej rozgrzano nawęglane podłoże, jak i z dostępnością wolnych atomów węgla.

Nawęglanie może być prowadzone w różnych ośrodkach. Stosuje się obecność ciała stałego, np. w postaci proszku z węgla drzewnego z dodatkiem aktywatorów bez dostępu powietrza. W przypadku cieczy wykorzystuje się wybrane sole – np. chlorki metali alkalicznych czy węglany. Często stosowaną metodą, która daje znakomitą kontrolę nad składem środowiska, w którym jest prowadzone nawęglanie, a zatem i nad ilością dostępnego węgla, jest nawęglanie gazowe. Zwykle wykorzystuje się w nim metan lub tlenek węgla. Możliwe jest także nawęglanie próżniowe, czyli przy znacznie zmniejszonym ciśnieniu lub jonizacyjne, z wytworzeniem plazmy.

Przeprowadzenie nawęglania wymaga rozgrzania materiału powyżej punktu tworzenia się austenitu, czyli do 850–950°C. Wyższej temperatury wymagają te stale, w których zawartość węgla jest niższa.

Proces nawęglania znacząco zwiększa twardość powierzchni metalu, a jednocześnie poprawia jego odporność na ścieranie, choć wymaga jeszcze przeprowadzenia dodatkowych zabiegów związanych z hartowaniem. W zależności od użytego stopu oraz zastosowanych procedur uzyskana twardość może się kształtować na poziomie od 55 do 62 HRC.

Zaletą metody nawęglania jest jednoczesne zachowanie ciągliwości i wytrzymałość materiału znajdującego się w rdzeniu, czyli poza strefą nawęglania. W praktyce grubość wytworzonej warstwy o podwyższonej zawartości węgla wynosi około 0,5–2 mm, a zawartość węgla w tej strefie wynosi między 1 a 1,1%.

Jakie stale są przeznaczone do nawęglania?

Procesowi nawęglania poddaje się najczęściej stale wysokiej jakości. Mogą to być zarówno stale stopowe, jak i niestopowe o zawartości węgla od 0,08 do 0,25%. Najlepsze efekty można uzyskać przy nawęglaniu stali drobnoziarnistych, ponieważ dyfuzja atomów łatwiej zachodzi na granicy poszczególnych ziaren niż w ich wnętrzu.

Istnieje wiele gatunków stali do nawęglania dostępnych w różnych postaciach – np. jako kute pręty okrągłe, płaskie bądź o przekroju prostokątnym, a także jak płyty lub blachy. W przypadku produkcji wyrobów, które będą poddawane toczeniu, jako półprodukt posłużą najlepiej pręty okrągłe, zaś przy różnych rodzajach frezowania przydatne mogą być również wszelkie inne typy wyrobów hutniczych.

Wśród stali przeznaczonych do nawęglania szczególną popularnością cieszy się stal 17HNM (wg PN). Jest ona również znana jako stal 1.6587, a według norm europejskich 18CrNiMo7-6. Jest to stal konstrukcyjna stopowa, która zawiera od 0,14 do 0,19% węgla, między 1,5 a 1,8% chromu, a także w granicach 1,4–1,7% niklu. W stopie znajduje się również od 0,25 do 0,35 molibdenu, który znacznie poprawia hartowność stopu. W składzie materiału jest też 0,4–07 manganu, a ponadto 0,17–1,37 krzemu oraz co najwyżej 0,035% zanieczyszczeń w postaci fosforu i siarki.

Stal 17HNM może być poddawana kuciu, walcowaniu, a także azotowaniu lub węgloazotowaniu. Po nawęglaniu można ją poddawać hartowaniu I (czyli hartowaniu rdzenia dla wytworzenia niskowęglowego martenzytu drobnoiglastego oraz w warstwie nawęglonej iglastego, z szybkim chłodzeniem w oleju albo wodzie), a także hartowaniu II (czyli hartowaniu warstwy nawęglonej do powstania martenzytu drobnoiglastego wraz z siatką węglików). Stal 1.6587 może być także wyżarzana normalizująco lub zmiękczająco oraz odpuszczana.

Stali 18CrNiMo7-6 używa się zwykle na elementy konstrukcyjne, które muszą się odznaczać wytrzymałością zmęczeniową, sprężystością oraz odpornością na obciążenia dynamiczne, a także naciski powierzchniowe i ścieranie. Materiału można użyć wszędzie tam, gdzie konieczna jest wysoka twardość powierzchni, przy jednoczesnej dużej ciągliwości rdzenia. Ze stali 18CrNiMo7-6 wytwarza się wałki i pierścienie łożysk tocznych, koła zębate, wałki rozrządu, a także ślimaki i elementy przekładni.

Wpływ obróbki cieplno-chemicznej na właściwości stali

Obróbka cieplno-chemiczna, tak jak nawęglanie, pozwala na uzyskanie stali o bardziej zrównoważonych właściwościach. Dzięki wprowadzeniu dodatkowych pierwiastków do struktury stali, można osiągnąć pożądane parametry wytrzymałościowe, twardości czy odporności na ścieranie. W zależności od zastosowania, procesy takie jak azotowanie czy węgloazotowanie mogą być stosowane w celu uzyskania jeszcze lepszych wyników.

Azotowanie polega na wprowadzeniu azotu do struktury stali, co prowadzi do powstania warstwy azotowanej o wysokiej twardości i odporności na ścieranie. Proces ten jest często stosowany w przypadku elementów pracujących w warunkach dużego tarcia, takich jak wałki czy korbowody. Węgloazotowanie łączy zalety nawęglania i azotowania, wprowadzając jednocześnie węgiel i azot do struktury stali. Dzięki temu uzyskuje się materiał o jeszcze lepszych parametrach wytrzymałościowych i twardości.

Wybór odpowiedniej metody obróbki cieplno-chemicznej zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj stali, wymagane właściwości końcowe czy warunki eksploatacji elementów. Dlatego też, w praktyce przemysłowej, często stosuje się różne kombinacje tych procesów, aby uzyskać optymalne rezultaty.

Zastosowanie stali do nawęglania w różnych gałęziach przemysłu

Stale do nawęglania znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja, lotnictwo, energetyka czy maszynoznawstwo. Dzięki swoim wyjątkowym właściwościom, takim jak wysoka twardość powierzchni i dobra ciągliwość rdzenia, są one idealnym materiałem na elementy pracujące w trudnych warunkach eksploatacji.

W przemyśle motoryzacyjnym stale do nawęglania są wykorzystywane na przykład do produkcji wałków rozrządu, końcówek drążków kierowniczych czy łożysk tocznych. W energetyce znajdują zastosowanie jako elementy turbiny parowej czy wałki przekładni. W lotnictwie używa się ich na przykład do produkcji przekładni śmigła czy wałków silników lotniczych.