Nawęglanie stali – proces, metody, warstwa nawęglona i właściwości

Nawęglanie stali jest procesem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy wierzchniej stali w węgiel. Proces prowadzi się w podwyższonej temperaturze, w której stal znajduje się w stanie austenitycznym, dzięki czemu możliwe jest rozpuszczanie węgla w austenicie i jego stopniowa dyfuzja w głąb materiału.
Samo nawęglanie zwiększa zawartość węgla w warstwie powierzchniowej, ale nie jest jeszcze równoznaczne z uzyskaniem końcowej wysokiej twardości. Typowa technologia obejmuje następnie hartowanie oraz zwykle niskie odpuszczanie. Dopiero odpowiednio zaprojektowany cały cykl nawęglania i obróbki cieplnej pozwala otrzymać twardą, odporną na zużycie warstwę powierzchniową przy zachowaniu bardziej ciągliwego i odpornego na obciążenia dynamiczne rdzenia.
Technologia ta jest szczególnie ważna w produkcji kół zębatych, wałków, sworzni, tulei, elementów przekładni i innych części maszyn, których powierzchnia jest narażona na duże naciski kontaktowe, tarcie i obciążenia zmienne.

Na czym polega nawęglanie stali?

Podstawą nawęglania jest wytworzenie na powierzchni stali warunków umożliwiających dostarczenie węgla, jego absorpcję przez austenit oraz dalszą dyfuzję w kierunku rdzenia.

ŹRÓDŁO WĘGLA → TRANSPORT DO POWIERZCHNI → ABSORPCJA WĘGLA → DYFUZJA W AUSTENICIE → WARSTWA NAWĘGLONA → HARTOWANIE → ODPUSZCZANIE

Proces nie tworzy ostrej granicy pomiędzy materiałem nawęglonym i rdzeniem. Powstaje gradient zawartości węgla: jego stężenie jest największe w pobliżu powierzchni, a następnie stopniowo zmniejsza się wraz z odległością od powierzchni, aż do osiągnięcia zawartości charakterystycznej dla rdzenia stali.

Dlaczego do nawęglania stosuje się stale o małej zawartości węgla?

Klasyczne stale do nawęglania posiadają stosunkowo niewielką zawartość węgla w rdzeniu. Dzięki temu po końcowej obróbce cieplnej rdzeń może zachować korzystne połączenie wytrzymałości, ciągliwości i odporności na obciążenia udarowe.
Warstwa powierzchniowa zostaje natomiast wzbogacona w węgiel podczas nawęglania. Po hartowaniu jej podwyższona zawartość węgla umożliwia powstanie twardej mikrostruktury martenzytycznej.
Właśnie ta różnica składu chemicznego pomiędzy powierzchnią i rdzeniem umożliwia otrzymanie elementu o funkcjonalnie zróżnicowanych właściwościach:

TWARDA WARSTWA POWIERZCHNIOWA + WARSTWA PRZEJŚCIOWA + WYTRZYMAŁY I CIĄGLIWY RDZEŃ

Mechanizm nawęglania stali

Nawęglanie jest procesem dyfuzyjnym. Jego przebieg można podzielić na kilka wzajemnie powiązanych etapów.

1. Dostarczenie węgla do powierzchni

Źródło węgla zależy od zastosowanej technologii. W nawęglaniu gazowym wykorzystywana jest kontrolowana atmosfera nawęglająca, natomiast w nawęglaniu niskociśnieniowym stosowane są odpowiednie węglowodory dozowane do komory procesowej.

2. Reakcje na powierzchni stali

Na granicy atmosfera–metal zachodzą reakcje prowadzące do udostępnienia węgla, który może zostać zaabsorbowany przez powierzchnię stali.
W klasycznych atmosferach nawęglających istotną rolę mogą odgrywać między innymi reakcje związane z tlenkiem węgla i węglowodorami. Ich równowaga zależy od składu atmosfery, temperatury oraz potencjału węglowego.

3. Rozpuszczanie węgla w austenicie

Nawęglanie prowadzi się w zakresie austenitycznym, ponieważ austenit może rozpuszczać znacznie większą ilość węgla niż ferryt. Węgiel dostarczony do powierzchni przechodzi do roztworu stałego w austenicie.

4. Dyfuzja węgla

Różnica stężenia węgla pomiędzy powierzchnią i rdzeniem powoduje jego transport w głąb materiału. Dyfuzja jest procesem zależnym przede wszystkim od temperatury, czasu oraz gradientu stężenia.
Im wyższa temperatura, tym większa ruchliwość atomów węgla i szybsza dyfuzja. Zwiększenie temperatury może więc skrócić czas potrzebny do uzyskania wymaganej głębokości warstwy, ale jednocześnie wpływa na rozrost ziarna, stan powierzchni i przebieg późniejszej obróbki cieplnej.

Temperatura nawęglania

Nawęglanie prowadzi się w temperaturze zapewniającej austenityczną strukturę obrabianej stali. W klasycznych procesach przemysłowych często spotykane są temperatury rzędu około 850–950°C, jednak nie należy traktować tego zakresu jako uniwersalnego ograniczenia technologii.
Nowoczesne procesy, szczególnie nawęglanie niskociśnieniowe, mogą być prowadzone również w wyższych temperaturach, jeżeli pozwala na to materiał, konstrukcja elementu i technologia urządzenia. Wyższa temperatura znacznie przyspiesza dyfuzję węgla, ale wymaga odpowiedniej kontroli mikrostruktury i wzrostu ziarna.
Temperaturę dobiera się więc do:

• gatunku stali,
• wymaganej głębokości warstwy,
• metody nawęglania,
• dopuszczalnego czasu procesu,
• wymaganej mikrostruktury,
• późniejszego sposobu hartowania.

Gradient zawartości węgla w warstwie nawęglonej

Jedną z najważniejszych cech warstwy nawęglonej jest zmienna zawartość węgla na jej przekroju. W pobliżu powierzchni zawartość węgla jest największa, natomiast wraz ze wzrostem odległości od powierzchni stopniowo zbliża się do zawartości charakterystycznej dla rdzenia.
Po hartowaniu gradient chemiczny przekłada się na gradient mikrostruktury i właściwości mechanicznych. W rezultacie twardość jest zwykle największa w strefie przypowierzchniowej i stopniowo maleje w kierunku rdzenia.

Warstwa nawęglona a warstwa zahartowana

Pojęcia warstwa nawęglona i warstwa zahartowana nie oznaczają dokładnie tego samego.
Warstwa nawęglona powstaje podczas dyfuzyjnego wzbogacania stali w węgiel. Jej charakter można opisywać poprzez profil zawartości węgla.
Po hartowaniu powstaje natomiast warstwa o określonym profilu twardości i mikrostruktury. W praktycznej kontroli technologicznej bardzo ważna jest więc efektywna głębokość warstwy utwardzonej, wyznaczana według przyjętego kryterium twardości.

Efektywna głębokość warstwy nawęglonej

Głębokości warstwy nie powinno się definiować wyłącznie na podstawie wizualnej obserwacji przekroju. W praktyce stosuje się pomiary twardości wykonywane od powierzchni w kierunku rdzenia.
Na podstawie profilu twardości można określić efektywną głębokość warstwy utwardzonej, czyli odległość od powierzchni do miejsca, w którym twardość osiąga wartość określoną przez przyjęte kryterium badawcze.
Dlatego informacja „warstwa nawęglona 1 mm” powinna być interpretowana wraz z metodą jej wyznaczenia.

Czas nawęglania

Czas procesu zależy przede wszystkim od wymaganej głębokości warstwy, temperatury i zastosowanej technologii.
Ponieważ proces jest kontrolowany przez dyfuzję, wzrost głębokości warstwy nie jest liniowy w czasie. Dwukrotne wydłużenie czasu nie oznacza automatycznie dwukrotnego zwiększenia głębokości nawęglenia.
Przy projektowaniu cyklu technologicznego uwzględnia się zależności dyfuzyjne oraz modele numeryczne umożliwiające przewidywanie profilu węgla i końcowej głębokości warstwy.

Potencjał węglowy atmosfery

W nawęglaniu gazowym jednym z podstawowych parametrów jest potencjał węglowy atmosfery. Określa on zdolność atmosfery do ustalenia określonego poziomu węgla na powierzchni stali w danych warunkach równowagi.
Kontrola potencjału węglowego pozwala sterować nasyceniem powierzchni i ograniczać niepożądane zjawiska, takie jak nadmierne nawęglenie lub powstawanie niekorzystnych wydzieleń węglikowych.
Nie należy przyjmować jednej uniwersalnej wartości potencjału węglowego dla wszystkich procesów. Parametr ten jest zmieniany w zależności od gatunku stali, etapu procesu i wymaganej charakterystyki warstwy.

Etap nasycania i etap dyfuzji

W przemysłowych procesach nawęglania można sterować atmosferą tak, aby rozdzielić cykl na etapy o różnej intensywności dostarczania węgla.
W fazie intensywnego nasycania powierzchni zapewnia się odpowiednio wysoką aktywność węgla. Następnie można zastosować etap dyfuzyjny, podczas którego węgiel przemieszcza się głębiej, a jego profil w warstwie ulega wyrównaniu.
Takie sterowanie umożliwia uzyskanie wymaganej głębokości bez nadmiernego wzbogacenia samej powierzchni.

Metody nawęglania stali

Nawęglanie gazowe

Nawęglanie gazowe jest jedną z najważniejszych przemysłowych metod nawęglania. Elementy nagrzewane są w piecu w kontrolowanej atmosferze umożliwiającej dostarczanie węgla do powierzchni.
Atmosfera może zawierać między innymi CO, H₂, CO₂, CH₄ i inne składniki zależne od zastosowanej technologii wytwarzania atmosfery.
Nowoczesne instalacje umożliwiają kontrolowanie:

• temperatury,
• czasu,
• potencjału węglowego,
• składu atmosfery,
• przepływu gazów,
• przebiegu kolejnych etapów nawęglania,
• warunków późniejszego hartowania.

Zalety nawęglania gazowego

• dobrze poznana technologia przemysłowa,
• możliwość precyzyjnego sterowania potencjałem węglowym,
• duża powtarzalność przy prawidłowym prowadzeniu procesu,
• możliwość obróbki dużych partii elementów,
• możliwość integracji nawęglania i hartowania w jednej linii technologicznej.

Ograniczenia nawęglania gazowego

• długi czas procesu przy wymaganiu głębokich warstw,
• konieczność dokładnej kontroli atmosfery,
• możliwość utleniania międzykrystalicznego w określonych atmosferach i warunkach procesu,
• ryzyko osadzania sadzy przy nieprawidłowo dobranym potencjale węglowym,
• możliwość nadmiernego nasycenia powierzchni węglem.

Nawęglanie próżniowe – nawęglanie niskociśnieniowe LPC

Nawęglanie niskociśnieniowe LPC – Low Pressure Carburizing, często określane również jako nawęglanie próżniowe, jest nowoczesną technologią prowadzoną w komorach próżniowych przy kontrolowanym dozowaniu gazu procesowego.
Jako źródła węgla mogą być stosowane odpowiednio dobrane węglowodory. Proces składa się zazwyczaj z kolejnych impulsów nasycania oraz etapów dyfuzji.
Podczas etapu nasycania do komory wprowadzany jest gaz procesowy, natomiast podczas etapu dyfuzji dopływ źródła węgla zostaje ograniczony lub przerwany, a węgiel wcześniej wprowadzony do powierzchni dyfunduje w głąb materiału.

Zalety LPC

• brak klasycznej atmosfery zawierającej tlen,
• bardzo czysta powierzchnia elementów,
• ograniczenie niekorzystnego utleniania powierzchniowego i międzykrystalicznego,
• możliwość stosowania wysokich temperatur przyspieszających dyfuzję,
• precyzyjne modelowanie profilu węgla,
• duża powtarzalność procesu,
• możliwość integracji z hartowaniem gazowym pod wysokim ciśnieniem.

Ograniczenia LPC

• wysoki koszt instalacji,
• bardziej zaawansowane sterowanie procesem,
• konieczność właściwego projektowania przepływu gazu w elementach o złożonej geometrii,
• ryzyko niejednorodnego nawęglenia trudno dostępnych powierzchni przy niewłaściwie zaprojektowanym procesie.

Nawęglanie stałe

Nawęglanie stałe jest historycznie jedną z najstarszych metod. Element umieszcza się w zamkniętej skrzyni wraz z materiałem zawierającym węgiel i odpowiednimi aktywatorami.
Podczas nagrzewania powstaje środowisko umożliwiające transport węgla do powierzchni stali.
Współcześnie metoda ta ma znacznie mniejsze znaczenie w produkcji seryjnej, ponieważ zapewnia ograniczone możliwości kontroli potencjału węglowego i przebiegu procesu w porównaniu z nowoczesnym nawęglaniem gazowym lub LPC.

Nawęglanie w kąpielach solnych

Historycznie stosowano również procesy prowadzone w stopionych kąpielach solnych. W zależności od składu kąpieli powierzchnia może być nasycana węglem oraz innymi pierwiastkami, dlatego część technologii kąpielowych jest w rzeczywistości bliższa procesom cyjanowania lub węgloazotowania niż czystemu nawęglaniu.
Ze względu na wymagania środowiskowe, bezpieczeństwo chemiczne i rozwój bardziej kontrolowanych metod znaczenie wielu tradycyjnych technologii kąpielowych uległo ograniczeniu.

Hartowanie po nawęglaniu

Po nawęglaniu warstwa powierzchniowa zawiera więcej węgla, ale dla uzyskania wysokiej twardości konieczne jest odpowiednie hartowanie.
Podczas szybkiego chłodzenia austenit w warstwie nawęglonej ulega przemianie przede wszystkim w martenzyt. Dzięki zwiększonej zawartości węgla warstwa powierzchniowa może uzyskać bardzo dużą twardość.
Rdzeń zawierający mniej węgla reaguje inaczej. Jego mikrostruktura i właściwości zależą od składu chemicznego stali, hartowności, wymiarów elementu i warunków chłodzenia.

Hartowanie bezpośrednie i ponowne nagrzewanie

Technologia po nawęglaniu może być projektowana na różne sposoby. W zależności od materiału i wymagań stosuje się między innymi hartowanie bezpośrednio po nawęglaniu lub odpowiednie chłodzenie i ponowne nagrzewanie do temperatury hartowania.

Wybór rozwiązania wpływa na:

• wielkość ziarna,
• mikrostrukturę warstwy,
• mikrostrukturę rdzenia,
• udział austenitu szczątkowego,
• odkształcenia,
• naprężenia własne,
• koszt i czas procesu.

Odpuszczanie po nawęglaniu i hartowaniu

Po hartowaniu stosuje się zwykle niskie odpuszczanie. Jego zadaniem jest zmniejszenie nadmiernych naprężeń i stabilizacja właściwości warstwy przy możliwie niewielkim obniżeniu jej twardości.
Temperaturę i czas odpuszczania dobiera się do konkretnego gatunku stali i wymaganych właściwości. Nie należy stosować jednej uniwersalnej temperatury odpuszczania do wszystkich stali nawęglanych.

Mikrostruktura warstwy po nawęglaniu i hartowaniu

Po prawidłowym nawęglaniu i hartowaniu warstwa powierzchniowa składa się przede wszystkim z wysokowęglowego martenzytu, przy czym w zależności od składu i parametrów procesu mogą występować również:

• austenit szczątkowy,
• węgliki,
• produkty odpuszczania po końcowym odpuszczaniu.

Udział tych składników ma istotny wpływ na twardość, odporność na zużycie, stabilność wymiarową i zachowanie zmęczeniowe.

Austenit szczątkowy w warstwie nawęglonej

Wysoka zawartość węgla obniża temperaturę początku przemiany martenzytycznej. Z tego powodu po hartowaniu część austenitu może pozostać nieprzemieniona.
Obecność pewnej ilości austenitu szczątkowego nie zawsze jest wadą, ale nadmierny jego udział może powodować:

• obniżenie twardości,
• zmiany wymiarowe podczas eksploatacji,
• niestabilność mikrostruktury,
• zmianę zachowania powierzchni przy obciążeniach kontaktowych.

Węgliki w warstwie nawęglonej

Nadmierne nasycenie powierzchni węglem może sprzyjać powstawaniu zwiększonej ilości węglików. Ich wpływ zależy od rodzaju stali, rozmieszczenia, morfologii i ilości.
Niekontrolowana siatka węglików lub nadmierna ilość wydzieleń może pogorszyć właściwości mechaniczne warstwy. Z tego powodu kontrola potencjału węglowego i przebiegu dyfuzji jest jednym z podstawowych elementów prawidłowego nawęglania.

Twardość warstwy nawęglonej

Po nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu można uzyskać bardzo wysoką twardość powierzchniową. W wielu typowych stalach do nawęglania wartości powierzchniowe rzędu około 60 HRC i więcej są możliwe, ale nie należy przyjmować zakresu 60–65 HRC jako uniwersalnego wymagania dla każdego materiału i zastosowania.
Końcowa twardość zależy między innymi od:

• zawartości węgla w warstwie,
• gatunku stali,
• temperatury austenityzowania,
• intensywności chłodzenia,
• udziału martenzytu,
• udziału austenitu szczątkowego,
• obecności węglików,
• parametrów odpuszczania.

Właściwości rdzenia

Jedną z podstawowych zalet nawęglania jest możliwość niezależnego kształtowania funkcji powierzchni i rdzenia.
Rdzeń nie powinien być określany po prostu jako „miękki”. W odpowiedzialnych elementach, takich jak koła zębate, rdzeń powinien posiadać odpowiednią wytrzymałość, ciągliwość i odporność na pękanie.
Jego właściwości wynikają przede wszystkim z:

• zawartości węgla w stali bazowej,
• dodatków stopowych,
• hartowności,
• wielkości przekroju,
• warunków hartowania,
• późniejszego odpuszczania.

Wpływ pierwiastków stopowych

Stale do nawęglania często zawierają dodatki stopowe umożliwiające uzyskanie wymaganych właściwości rdzenia i odpowiedniej hartowności.

Chrom – Cr

Chrom zwiększa hartowność stali i wpływa na tworzenie węglików. Jest podstawowym składnikiem wielu stopowych stali do nawęglania.

Nikiel – Ni

Nikiel jest szczególnie ważny w stalach przeznaczonych na silnie obciążone elementy. Sprzyja uzyskiwaniu korzystnej ciągliwości i odporności na pękanie rdzenia.

Molibden – Mo

Molibden zwiększa hartowność i jest ważnym dodatkiem w wielu nowoczesnych stalach Cr-Ni-Mo do nawęglania.

Mangan – Mn

Mangan wpływa między innymi na hartowność i jest składnikiem wielu ekonomicznych stali konstrukcyjnych do nawęglania.

Tytan – Ti

Tytan może być stosowany w niektórych stalach w celu oddziaływania na mikrostrukturę i kontrolę ziarna poprzez tworzenie stabilnych wydzieleń.

Stale do nawęglania

Stale przeznaczone do nawęglania obejmują zarówno stale niestopowe, jak i stopowe. W odpowiedzialnych zastosowaniach szczególne znaczenie mają stale stopowe zawierające chrom, nikiel, molibden, mangan lub inne dodatki zapewniające wymaganą hartowność i właściwości rdzenia.
Wymagania dla wielu współczesnych gatunków stali do nawęglania określa PN-EN 10084 – stale do nawęglania.
W bazie materiałowej Alfa-Tech dostępne są również informacje dotyczące stopowych stali konstrukcyjnych do nawęglania.

Przykładowe stale do nawęglania

Nawęglanie kół zębatych

Koła zębate są jednym z najważniejszych zastosowań nawęglania. Powierzchnie zębów pracują przy wysokich naciskach kontaktowych, a jednocześnie całe koło musi przenosić obciążenia zginające i dynamiczne.
Warstwa nawęglona i zahartowana zapewnia dużą odporność powierzchni zębów na zużycie i uszkodzenia kontaktowe, natomiast odpowiednio zaprojektowany rdzeń umożliwia przenoszenie obciążeń mechanicznych bez kruchego pękania.
Kluczowe znaczenie mają:

• głębokość warstwy,
• profil twardości,
• twardość rdzenia,
• mikrostruktura,
• udział austenitu szczątkowego,
• stan naprężeń własnych,
• jakość powierzchni po obróbce wykończeniowej.

Naprężenia własne po nawęglaniu i hartowaniu

Proces nawęglania i hartowania prowadzi do powstawania złożonego stanu naprężeń własnych wynikającego zarówno z gradientu temperatury, jak i różnic w przemianach fazowych pomiędzy warstwą i rdzeniem.
Odpowiednio ukształtowane naprężenia ściskające w strefie powierzchniowej mogą korzystnie wpływać na trwałość zmęczeniową i odporność na uszkodzenia kontaktowe.
Nieprawidłowy proces może jednak powodować nadmierne naprężenia, odkształcenia lub pęknięcia hartownicze.

Odkształcenia po nawęglaniu

Nawęglanie odbywa się w wysokiej temperaturze i jest następnie połączone z hartowaniem, dlatego zmiany wymiarowe i deformacje są jednym z ważnych zagadnień technologicznych.
Na odkształcenia wpływają między innymi:

• geometria elementu,
• nierównomierność przekroju,
• naprężenia po wcześniejszej obróbce mechanicznej,
• temperatura nawęglania,
• sposób ułożenia elementu w piecu,
• medium hartownicze,
• intensywność i równomierność chłodzenia.

Utlenianie międzykrystaliczne

W określonych procesach nawęglania gazowego obecność składników utleniających w atmosferze może prowadzić do zmian w strefie przypowierzchniowej określanych jako utlenianie międzykrystaliczne.
Zjawisko to może wpływać na skład chemiczny i właściwości bardzo płytkiej strefy powierzchniowej. Jedną z zalet nawęglania niskociśnieniowego jest możliwość istotnego ograniczenia tego mechanizmu dzięki prowadzeniu procesu bez klasycznej atmosfery zawierającej składniki utleniające.

Kontrola jakości po nawęglaniu

Kontrola prawidłowości procesu nie powinna ograniczać się do pojedynczego pomiaru twardości powierzchni.
W zależności od wymagań bada się:

• twardość powierzchniową,
• profil mikrotwardości w głąb warstwy,
• efektywną głębokość warstwy utwardzonej,
• mikrostrukturę warstwy,
• mikrostrukturę rdzenia,
• udział austenitu szczątkowego,
• obecność i rozmieszczenie węglików,
• utlenianie międzykrystaliczne,
• twardość rdzenia,
• zmiany wymiarowe i odkształcenia,
• stan powierzchni.

Najczęstsze błędy podczas nawęglania

Nawęglanie a azotowanie

Nawęglanie a hartowanie indukcyjne

W hartowaniu indukcyjnym skład chemiczny powierzchni nie jest zmieniany. Warstwa jest szybko nagrzewana do zakresu austenityzacji, a następnie chłodzona w celu uzyskania martenzytu.
Nawęglanie działa inaczej – najpierw zmienia skład chemiczny warstwy poprzez wzbogacenie jej w węgiel, a dopiero późniejsze hartowanie wykorzystuje ten zmodyfikowany skład do uzyskania wysokiej twardości.
Nawęglanie pozwala więc stosować stale o stosunkowo małej zawartości węgla w rdzeniu, podczas gdy hartowanie indukcyjne wymaga wystarczającej zawartości węgla już w materiale bazowym.

Nawęglanie a hartowanie płomieniowe

Hartowanie płomieniowe, podobnie jak indukcyjne, nie zmienia zawartości węgla w powierzchni. Utwardzenie uzyskuje się przez lokalną austenityzację i szybkie chłodzenie.
Nawęglanie jest procesem znacznie dłuższym, ponieważ wymaga dyfuzji węgla, ale umożliwia stworzenie warstwy o składzie chemicznym innym niż rdzeń.

Zastosowanie nawęglania

Nawęglanie jest szczególnie przydatne w częściach wymagających połączenia dużej odporności powierzchni na zużycie i naciski kontaktowe z wysoką wytrzymałością rdzenia.

• koła zębate i wieńce zębate,
• wałki i wały przekładniowe,
• sworznie,
• tuleje,
• krzywki,
• elementy sprzęgieł,
• części mechanizmów napędowych,
• elementy maszyn pracujące przy dużych naciskach powierzchniowych.

Najważniejsze zalety nawęglania

• możliwość uzyskania bardzo twardej powierzchni po hartowaniu,
• duża odporność na zużycie,
• wysoka odporność na obciążenia kontaktowe,
• możliwość zachowania ciągliwego i wytrzymałego rdzenia,
• korzystne właściwości zmęczeniowe prawidłowo wykonanych elementów,
• możliwość kształtowania głębokości i profilu warstwy,
• szeroki wybór stali konstrukcyjnych przeznaczonych do nawęglania.

Ograniczenia nawęglania

• długi czas wymagany przy głębokich warstwach,
• wysoka temperatura procesu,
• konieczność późniejszego hartowania,
• ryzyko zmian wymiarowych i deformacji,
• możliwość pęknięć hartowniczych,
• konieczność kontroli zawartości węgla na powierzchni,
• ryzyko nadmiernej ilości węglików lub austenitu szczątkowego,
• konieczność dokładnej kontroli mikrostruktury i głębokości warstwy.

Nawęglanie stali – najważniejsze informacje

Nawęglanie stali umożliwia świadome zróżnicowanie składu chemicznego, mikrostruktury i właściwości pomiędzy powierzchnią a rdzeniem elementu. W procesie węgiel jest dostarczany do powierzchni stali znajdującej się w stanie austenitycznym, a następnie dyfunduje w głąb materiału, tworząc charakterystyczny gradient zawartości węgla.
Nawęglanie samo w sobie nie jest jednak końcowym procesem utwardzania. Wysoką twardość warstwy uzyskuje się zasadniczo dzięki późniejszemu hartowaniu, podczas którego wzbogacony w węgiel austenit przekształca się przede wszystkim w wysokowęglowy martenzyt. Końcowe odpuszczanie umożliwia odpowiednie ustabilizowanie właściwości warstwy.
Efektem prawidłowo zaprojektowanego procesu jest połączenie twardej i odpornej na zużycie powierzchni z wytrzymałym i ciągliwym rdzeniem. Ta kombinacja właściwości powoduje, że nawęglanie jest jedną z podstawowych technologii stosowanych w produkcji kół zębatych, wałków, sworzni i innych silnie obciążonych części maszyn.
Nowoczesne technologie, takie jak nawęglanie niskociśnieniowe LPC, umożliwiają coraz dokładniejsze sterowanie profilem węgla, głębokością warstwy i jakością powierzchni. Niezależnie od zastosowanej metody o końcowym rezultacie decyduje jednak cały układ parametrów: gatunek stali, temperatura, czas, aktywność węgla, głębokość warstwy, sposób hartowania oraz odpuszczanie.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Nawęglanie jest tylko jednym z procesów stosowanych do modyfikowania mikrostruktury i właściwości stali. W zależności od wymaganego efektu stosuje się również normalizowanie, odprężanie, hartowanie, odpuszczanie, etc,  oraz procesy cieplno-chemiczne, takie jak borowanie, azotowanie i inne

Metody obróbki cieplnej stali

• Normalizowanie stali – rozdrobnienie ziarna i ujednolicenie mikrostruktury.
• Wyżarzanie odprężające – redukcja naprężeń własnych.
• Zmiękczanie stali – zmniejszenie twardości i poprawa podatności na dalszą obróbkę.
• Wyżarzanie pełne – austenityzacja i powolne chłodzenie.
• Wyżarzanie izotermiczne – przemiana prowadzona podczas wytrzymania w odpowiednio dobranej temperaturze.
• Wyżarzanie kulkowe – sferoidyzujące – zmiana morfologii cementytu lub innych węglików.
• Wyżarzanie rekrystalizujące – usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie plastyczności.
• Wyżarzanie homogenizujące – ograniczenie segregacji i ujednorodnienie składu materiału.
• Hartowanie i ulepszanie cieplne – kształtowanie mikrostruktury i właściwości poprzez hartowanie i odpuszczanie.
• Odpuszczanie stali – kontrolowana modyfikacja właściwości stali po hartowaniu.
• Hartowanie indukcyjne – powierzchniowe nagrzewanie indukcyjne i szybkie chłodzenie.
• Hartowanie płomieniowe – powierzchniowe hartowanie po miejscowym nagrzaniu płomieniem.
• Przesycanie – uzyskanie przesyconego roztworu stałego przez odpowiedni cykl cieplny.
• Starzenie – kontrolowane wydzielanie faz prowadzące do umocnienia materiału.

Metody obróbki cieplno-chemicznej stali

• Azotowanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w azot.
• Nawęglanie stali – dyfuzyjne wzbogacanie powierzchni w węgiel.
• Węgloazotowanie – jednoczesne wzbogacanie warstwy powierzchniowej w węgiel i azot.
• Azotonawęglanie / nitrokarburacja – wzbogacanie warstwy przede wszystkim w azot i węgiel.
• Borowanie – dyfuzyjne nasycanie powierzchni borem.
• Chromowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w chrom.
• Aluminiowanie dyfuzyjne – dyfuzyjne wzbogacanie warstwy w aluminium.