Norma PN-EN 10084 „Stale do nawęglania – Warunki techniczne dostawy” określa wymagania techniczne dotyczące stali do nawęglania. Obejmuje stale niestopowe i stopowe o stosunkowo niewielkiej zawartości węgla, przeznaczone do wytwarzania części maszyn wymagających połączenia twardej i odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej z wytrzymałym i bardziej ciągliwym rdzeniem.
Nawęglanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej, podczas którego warstwa powierzchniowa stali jest dyfuzyjnie wzbogacana w węgiel. Samo nawęglanie zmienia przede wszystkim skład chemiczny warstwy. Wysoką twardość powierzchniową uzyskuje się zasadniczo dopiero po odpowiednim hartowaniu i późniejszym niskim odpuszczaniu.
PN-EN 10084 a PN-EN ISO 683-3:2022-07
Norma PN-EN 10084 została zastąpiona normą PN-EN ISO 683-3:2022-07 „Stale do obróbki cieplnej, stale stopowe i stale automatowe – Część 3: Stale do nawęglania”.
Aktualna norma określa wymagania techniczne dostawy dla półwyrobów formowanych na gorąco, prętów, walcówki, gotowych wyrobów płaskich oraz odkuwek wykonanych z niestopowych i stopowych stali do nawęglania.
Starsza PN-EN 10084 pozostaje jednak istotnym dokumentem przy analizie starszych atestów materiałowych, dokumentacji konstrukcyjnej, rysunków technicznych i specyfikacji, w których nadal występują oznaczenia i wymagania odnoszące się do tej normy.
Norma PN-EN 10084 – zakres
Norma określa między innymi:
- gatunki i oznaczenia stali do nawęglania;
- skład chemiczny poszczególnych gatunków;
- stany dostawy i wymagania dotyczące obróbki cieplnej;
- właściwości mechaniczne oraz wymagania dotyczące twardości;
- hartowność dla gatunków, dla których jest ona określana;
- wymagania dotyczące struktury i jakości wewnętrznej materiału;
- jakość powierzchni;
- kontrolę i badania;
- pobieranie i przygotowanie próbek;
- znakowanie oraz dokumentację dostawy.
Na czym polega nawęglanie stali?
Nawęglanie stali polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej węglem podczas wygrzewania materiału w odpowiednio dobranej temperaturze i atmosferze nawęglającej.
Stale przeznaczone do tego procesu mają stosunkowo małą zawartość węgla w rdzeniu – najczęściej około 0,10–0,25%. Pozwala to zachować korzystną ciągliwość i odporność rdzenia na obciążenia dynamiczne. Warstwa powierzchniowa zostaje natomiast podczas nawęglania wzbogacona w węgiel.
Po nawęglaniu stosuje się odpowiednio dobrane hartowanie. Wzbogacona w węgiel warstwa może wówczas uzyskać strukturę o bardzo wysokiej twardości, podczas gdy rdzeń zachowuje właściwości wynikające z mniejszej zawartości węgla i zastosowanych dodatków stopowych.
Po hartowaniu stosuje się zazwyczaj niskie odpuszczanie, którego zadaniem jest między innymi ograniczenie naprężeń po hartowaniu przy zachowaniu wysokiej twardości warstwy.
Nawęglanie a hartowanie powierzchniowe
Nawęglania nie należy utożsamiać z hartowaniem indukcyjnym ani hartowaniem płomieniowym.
Podczas nawęglania następuje celowa zmiana składu chemicznego warstwy powierzchniowej poprzez dyfuzję węgla. Jest to więc proces obróbki cieplno-chemicznej.
Podczas hartowania indukcyjnego lub płomieniowego skład chemiczny powierzchni zasadniczo się nie zmienia. Warstwa zostaje miejscowo nagrzana do temperatury austenityzacji, a następnie szybko schłodzona. Dlatego materiał przeznaczony do takiego hartowania musi już przed procesem zawierać wystarczającą ilość węgla do uzyskania wymaganej twardości.
Rola pierwiastków stopowych w stalach do nawęglania
Stale do nawęglania mogą być niestopowe lub zawierać dodatki stopowe wpływające przede wszystkim na hartowność, właściwości rdzenia oraz zachowanie materiału podczas obróbki cieplnej.
- Węgiel – C – niewielka zawartość w rdzeniu umożliwia zachowanie jego ciągliwości, natomiast zwiększona zawartość w warstwie po nawęglaniu pozwala uzyskać dużą twardość po hartowaniu.
- Chrom – Cr – zwiększa hartowność i wpływa na właściwości mechaniczne stali.
- Mangan – Mn – zwiększa hartowność i jest ważnym składnikiem popularnych stali Mn-Cr, takich jak 16MnCr5 i 20MnCr5.
- Nikiel – Ni – sprzyja uzyskiwaniu korzystnej ciągliwości i udarności rdzenia, dlatego występuje w stalach przeznaczonych na silnie obciążone elementy.
- Molibden – Mo – zwiększa hartowność i jest stosowany w stalach przeznaczonych na elementy o większych przekrojach i wysokich wymaganiach wytrzymałościowych.
- Bor – B – nawet niewielki dodatek boru może istotnie zwiększać hartowność stali; przykładem gatunku zawierającego bor jest 16MnCrB5.
- Siarka – S – jej kontrolowany dodatek w gatunkach oznaczonych literą S może poprawiać skrawalność, czego przykładami są 16MnCrS5, 20MnCrS5 czy 18CrMoS4.
Gatunki stali wg PN-EN 10084
PN-EN 10084 obejmowała zarówno niestopowe stale do nawęglania, jak i stale stopowe z dodatkami chromu, manganu, niklu, molibdenu oraz innych pierwiastków.
Niestopowe stale do nawęglania
- 1.1121 – C10E – niestopowa stal niskowęglowa przeznaczona do nawęglania; stosowana przede wszystkim na elementy o mniejszych przekrojach i umiarkowanych wymaganiach dotyczących właściwości rdzenia.
- 1.1207 – C10R – odmiana C10 o wymaganiach dotyczących zawartości fosforu i siarki właściwych dla oznaczenia R.
- 1.1141 – C15E – niestopowa stal do nawęglania o większej zawartości węgla niż C10E.
- 1.1140 – C15R – odmiana C15 o wymaganiach dotyczących fosforu i siarki odpowiadających oznaczeniu R.
- 1.1148 – C16E – niestopowa stal do nawęglania o zawartości węgla charakterystycznej dla grupy C16.
- 1.1208 – C16R – odmiana C16 o wymaganiach właściwych dla oznaczenia R.
Stale niklowo-chromowe i chromowo-niklowe
- 1.5714 – 16NiCr4 – stal niklowo-chromowa do nawęglania, stosowana na części wymagające większej hartowności i dobrych właściwości rdzenia.
- 1.5715 – 16NiCrS4 – odmiana o zwiększonej zawartości siarki, poprawiającej skrawalność.
- 1.5752 – 15NiCr13 – stal niklowo-chromowa o dużej hartowności, przeznaczona na wysoko obciążone części maszyn wymagające wytrzymałego i ciągliwego rdzenia.
- 1.5805 – 10NiCr5-4 – stal Ni-Cr do nawęglania o małej zawartości węgla w rdzeniu.
- 1.5810 – 18NiCr5-4 – stal niklowo-chromowa przeznaczona na elementy wymagające dobrej hartowności rdzenia.
- 1.5918 – 17CrNi6-6 – stal chromowo-niklowa stosowana na części maszyn wymagające dobrej wytrzymałości i ciągliwości rdzenia po nawęglaniu i obróbce cieplnej.
Stale niklowo-chromowo-molibdenowe i chromowo-niklowo-molibdenowe
- 1.6523 – 20NiCrMo2-2 – stal Ni-Cr-Mo do nawęglania przeznaczona na silniej obciążone części maszyn.
- 1.6526 – 20NiCrMoS2-2 – odmiana o zwiększonej zawartości siarki i poprawionej skrawalności.
- 1.6566 – 17NiCrMo6-4 – stal niklowo-chromowo-molibdenowa o wysokiej hartowności, przeznaczona na silnie obciążone elementy przekładni i maszyn.
- 1.6569 – 17NiCrMoS6-4 – odmiana 17NiCrMo6-4 o poprawionej skrawalności.
- 1.6571 – 20NiCrMoS6-4 – stal Ni-Cr-Mo z dodatkiem siarki, przeznaczona do produkcji części wymagających dobrej hartowności i skrawalności.
- 1.6587 – 18CrNiMo7-6 – jedna z najbardziej rozpoznawalnych stali do nawęglania, stosowana na wysoko obciążone koła zębate, wały zębate i elementy przekładni.
- 1.6657 – 14NiCrMo13-4 – stal o wysokiej hartowności, przeznaczona na duże i silnie obciążone elementy.
- 1.6660 – 20NiCrMo13-4 – stal Ni-Cr-Mo przeznaczona na wysoko obciążone części wymagające dużej wytrzymałości rdzenia.
Stale chromowe
- 1.7014 – 17CrS3 – stal chromowa do nawęglania z podwyższoną zawartością siarki poprawiającą skrawalność.
- 1.7016 – 17Cr3 – stal chromowa do nawęglania o większej hartowności niż niestopowe stale C10–C16.
- 1.7030 – 28Cr4 – stal chromowa o większej zawartości węgla, stosowana na części wymagające większej wytrzymałości rdzenia.
- 1.7036 – 28CrS4 – odmiana 28Cr4 z dodatkiem siarki poprawiającym skrawalność.
Stale manganowo-chromowe
- 1.7131 – 16MnCr5 – jedna z najczęściej stosowanych stali do nawęglania; połączenie manganu i chromu zapewnia dobrą hartowność przy umiarkowanym koszcie materiału.
- 1.7139 – 16MnCrS5 – odmiana 16MnCr5 o zwiększonej zawartości siarki i poprawionej skrawalności.
- 1.7147 – 20MnCr5 – stal Mn-Cr do nawęglania o większej zawartości węgla niż 16MnCr5, stosowana na silniej obciążone części.
- 1.7149 – 20MnCrS5 – odmiana 20MnCr5 o poprawionej skrawalności.
- 1.7160 – 16MnCrB5 – stal manganowo-chromowa z dodatkiem boru zwiększającym hartowność.
Stale chromowo-molibdenowe
- 1.7243 – 18CrMo4 – stal Cr-Mo do nawęglania, przeznaczona na części wymagające dobrej hartowności i wytrzymałości rdzenia.
- 1.7244 – 18CrMoS4 – odmiana 18CrMo4 o zwiększonej zawartości siarki i lepszej skrawalności.
- 1.7319 – 20MoCrS3 – stal molibdenowo-chromowa z dodatkiem siarki poprawiającym skrawalność.
- 1.7320 – 20MoCr3 – stal Mo-Cr do nawęglania stosowana na części maszyn i przekładni.
- 1.7321 – 20MoCr4 – stal chromowo-molibdenowa przeznaczona do nawęglania i późniejszej obróbki cieplnej.
- 1.7323 – 20MoCrS4 – odmiana o zwiększonej zawartości siarki i poprawionej skrawalności.
- 1.7333 – 22CrMoS3-5 – stal chromowo-molibdenowa z kontrolowaną zawartością siarki, przeznaczona na części poddawane nawęglaniu.
Stale do nawęglania a hartowność rdzenia
Jednym z najważniejszych kryteriów doboru stali do nawęglania jest wymagana hartowność i wytrzymałość rdzenia.
W przypadku niewielkich i mniej obciążonych elementów mogą być stosowane stale niestopowe lub stale z dodatkiem chromu i manganu.
Wraz ze wzrostem przekroju i obciążeń elementu większego znaczenia nabierają stale zawierające nikiel, chrom oraz molibden. Dodatki te umożliwiają uzyskanie wymaganych właściwości rdzenia również w elementach o większych wymiarach.
Dlatego dwa gatunki o podobnej zawartości węgla mogą po identycznym procesie nawęglania zachowywać się inaczej podczas późniejszego hartowania.
Warstwa nawęglona – głębokość i twardość
Na właściwości warstwy uzyskanej podczas nawęglania wpływają przede wszystkim:
- temperatura procesu;
- czas nawęglania;
- potencjał węglowy atmosfery;
- skład chemiczny stali;
- wymagana głębokość warstwy;
- sposób późniejszego hartowania;
- parametry odpuszczania.
Zbyt mała głębokość warstwy może być niewystarczająca do przenoszenia obciążeń kontaktowych, natomiast niewłaściwy rozkład zawartości węgla lub nieprawidłowa obróbka cieplna mogą prowadzić do nadmiernej kruchości, odkształceń lub pogorszenia właściwości zmęczeniowych.
Do oceny efektu obróbki wykorzystuje się między innymi pomiary twardości. W badaniu profilu warstwy szczególnie przydatna jest metoda Vickersa, umożliwiająca ocenę zmian twardości wraz z odległością od powierzchni.
PN-EN 10084 – zastosowanie stali do nawęglania
Stale objęte normą stosuje się przede wszystkim na części maszyn pracujące pod obciążeniami mechanicznymi, kontaktowymi i zmiennymi, dla których wymagana jest twarda powierzchnia oraz wytrzymały rdzeń.
Typowe zastosowania obejmują:
- koła zębate i wieńce zębate;
- wały i wałki zębate;
- sworznie;
- osie;
- tuleje;
- elementy przekładni;
- krzywki;
- części mechanizmów napędowych;
- elementy maszyn narażone na zużycie powierzchniowe i obciążenia zmęczeniowe.
Dobór konkretnego gatunku powinien uwzględniać nie tylko wymaganą twardość warstwy, ale także wielkość przekroju elementu, hartowność stali, wymagane właściwości rdzenia, warunki obciążenia oraz technologię nawęglania i późniejszej obróbki cieplnej.
PN-EN 10084 – podsumowanie
PN-EN 10084 była podstawową europejską normą określającą techniczne warunki dostawy niestopowych i stopowych stali do nawęglania.
Wspólną cechą tych materiałów jest stosunkowo niewielka zawartość węgla w rdzeniu. Podczas nawęglania powierzchnia zostaje wzbogacona w węgiel, a następnie dzięki odpowiedniemu hartowaniu i odpuszczaniu uzyskuje się twardą warstwę powierzchniową przy zachowaniu wytrzymałego i bardziej ciągliwego rdzenia.
Następcą EN 10084 jest EN ISO 683-3, a aktualne wydanie międzynarodowe stanowi ISO 683-3:2022. Norma ta obejmuje stale do nawęglania przeznaczone między innymi na półwyroby, pręty, walcówkę, wyroby płaskie i odkuwki.
Sprawdź inne normy dotyczące stali według PN, PN-EN, EN, ISO, DIN, GOST, ASTM, AFNOR, AISI i innych systemów normalizacyjnych