Nawęglanie stali jest jedną z najczęściej stosowanych metod obróbki cieplno-chemicznej stali, mającą na celu zwiększenie twardości powierzchniowej przy jednoczesnym zachowaniu plastyczności rdzenia. Jest to kluczowa technika stosowana w produkcji elementów narażonych na intensywne ścieranie, takich jak przekładnie, wały, koła zębate czy narzędzia tnące.
Nawęglanie stali – mechanizmy
Proces nawęglania polega na dyfuzyjnym nasyceniu powierzchni stali węglem w podwyższonej temperaturze, zazwyczaj w zakresie 850–950°C. Węgiel wnika w strukturę materiału, zwiększając jego twardość po hartowaniu. Proces przebiega w trzech głównych etapach:
- Dyfuzja węgla – atomy węgla z atmosfery nawęglającej penetrują powierzchnię metalu, wnikając w głąb struktury krystalicznej.
- Nasycenie warstwy powierzchniowej – koncentracja węgla w zewnętrznych warstwach zwiększa się do wartości umożliwiającej osiągnięcie odpowiedniej twardości po hartowaniu. Wskaźnikiem skuteczności procesu jest głębokość nawęglonej warstwy, wyrażana w mikrometrach lub milimetrach.
- Hartowanie i odpuszczanie – po zakończeniu nawęglania stal jest hartowana w celu uzyskania struktury martenzytycznej, a następnie odpuszczana w celu zmniejszenia naprężeń i poprawy udarności. Odpowiednie parametry odpuszczania (temperatura 150–250°C) pozwalają na uzyskanie optymalnego kompromisu pomiędzy twardością a wytrzymałością zmęczeniową.
Metody nawęglania
Wyróżnia się kilka metod nawęglania, które różnią się zastosowaną atmosferą oraz warunkami procesu:
1. Nawęglanie gazowe
Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda, w której stal poddawana jest działaniu gazów nawęglających, takich jak metan (CH₄) lub propan (C₃H₈). Proces ten odbywa się w piecach retortowych i pozwala na precyzyjne sterowanie głębokością warstwy nawęglonej, która może wynosić od 0,2 do 2 mm. Typowe parametry procesu:
- Temperatura: 880–950°C
- Czas trwania: 2–20 godzin
- Potencjał węglowy atmosfery: kontrolowany w zakresie 0,8–1,1
- Środek nawęglający: mieszanka gazów zawierająca CO, CO₂, CH₄ i H₂
2. Nawęglanie stałe
Polega na umieszczeniu stali w środowisku proszków zawierających substancje bogate w węgiel, takie jak węgiel drzewny lub grafit, z dodatkiem aktywatorów chemicznych (np. BaCO₃, Na₂CO₃). Jest to metoda stosowana głównie w warunkach warsztatowych lub w produkcji na małą skalę. Charakteryzuje się niższą jednorodnością warstwy nawęglonej niż nawęglanie gazowe.
3. Nawęglanie ciekłe
Proces ten wykorzystuje kąpiele solne zawierające związki węgla, np. cyjanki. Charakteryzuje się szybkim czasem reakcji i możliwością uzyskania jednorodnej warstwy nawęglonej o grubości od 0,1 do 1,5 mm. Typowe parametry procesu:
- Temperatura: 850–930°C
- Czas trwania: 30 minut – 5 godzin
- Skład kąpieli: NaCN, KCN, Na₂CO₃
4. Próżniowe nawęglanie stali
Nowoczesna technika, która polega na nawęglaniu w komorach próżniowych z kontrolowaną atmosferą gazową. Pozwala na uzyskanie precyzyjnych i powtarzalnych rezultatów przy minimalizacji utleniania powierzchniowego. Stosowane głównie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.
Wpływ nawęglania na właściwości stali
Po prawidłowym przeprowadzeniu nawęglania stal zyskuje istotne właściwości:
- Zwiększona twardość powierzchniowa – dzięki wzbogaceniu węglem i hartowaniu twardość powierzchni może osiągnąć nawet 60–65 HRC.
- Zachowanie ciągliwego rdzenia – rdzeń stali pozostaje miękki (20–35 HRC), co zapewnia wysoką odporność na udary i zmęczenie materiałowe.
- Poprawa odporności na ścieranie – dzięki twardej warstwie zewnętrznej elementy stalowe wykazują dłuższą żywotność w warunkach intensywnego tarcia.
- Optymalizacja odporności na pękanie – odpowiednie parametry odpuszczania umożliwiają zmniejszenie naprężeń resztkowych w warstwie nawęglonej.
Nawęglanie stali i przemysłowe zastosowania nawęglania
Nawęglanie znajduje szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, w tym:
- Motoryzacji – wały korbowe, koła zębate, sworznie tłokowe, panewki.
- Przemyśle maszynowym – elementy przekładni, tuleje, wałki napędowe, śruby.
- Lotnictwie – komponenty turbin, przekładnie śmigłowe, części zawieszeń.
- Produkcji narzędzi – wiertła, noże przemysłowe, formy wtryskowe, prowadnice narzędziowe.
Nawęglanie stali to niezastąpiona metoda w inżynierii materiałowej, pozwalająca na poprawę trwałości i odporności na zużycie elementów mechanicznych. Dobór odpowiedniej metody nawęglania zależy od wymagań technicznych oraz kosztów produkcji, a właściwa kontrola procesu jest kluczowa dla uzyskania optymalnych parametrów wytrzymałościowych materiału. Stosowanie zaawansowanych technologii kontrolowania atmosfery nawęglającej pozwala na uzyskanie precyzyjnie zaprojektowanych warstw nawęglonych, co przekłada się na zwiększenie trwałości eksploatacyjnej elementów stalowych.