Norma PN-EN 10085:2003 „Stale do azotowania – Warunki techniczne dostawy” określa wymagania techniczne dotyczące dostawy stali przeznaczonych do azotowania. Obejmuje stale stopowe przeznaczone do wytwarzania części maszyn, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mogą zostać poddane azotowaniu w celu uzyskania twardej i odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu wymaganych właściwości mechanicznych rdzenia.
Azotowanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej, podczas którego azot dyfunduje do warstwy wierzchniej stali. W wyniku jego oddziaływania z żelazem oraz pierwiastkami stopowymi tworzą się fazy i wydzielenia azotkowe, dzięki którym można uzyskać bardzo wysoką twardość powierzchniową, zwiększoną odporność na zużycie oraz korzystne właściwości zmęczeniowe.
PN-EN 10085:2003 – zakres normy
Norma obejmuje stale do azotowania dostarczane w różnych postaciach wyrobów hutniczych i półwyrobów. W zależności od wymagań zamówienia mogą to być między innymi półwyroby, pręty, walcówka, szerokie płaskowniki, taśmy, blachy oraz odkuwki.
Zakres normy obejmuje między innymi:
- gatunki i oznaczenia stali – nazwy gatunków oraz odpowiadające im numery materiałowe;
- skład chemiczny – wymagane zakresy zawartości węgla oraz dodatków stopowych, takich jak chrom, molibden, glin, wanad i nikiel;
- warunki dostawy – w tym stan po określonej obróbce cieplnej;
- właściwości mechaniczne – między innymi wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie i udarność, zależnie od gatunku, stanu dostawy i wymiaru wyrobu;
- twardość w określonych stanach obróbki cieplnej;
- wymagania dotyczące jakości powierzchni i dopuszczalnych nieciągłości;
- kontrolę, pobieranie próbek i metody badań;
- znakowanie oraz dokumentację kontroli i dostawy.
PN-EN 10085:2003 a PN-EN ISO 683-5:2021-10
Norma PN-EN 10085:2003 została wycofana i zastąpiona przez PN-EN ISO 683-5:2021-10, należącą do serii ISO 683 dotyczącej stali do obróbki cieplnej, stali stopowych i automatowych.
Nowa norma przejęła funkcję dokumentu określającego wymagania techniczne dostawy stali do azotowania. W przypadku nowych zamówień i dokumentacji technicznej należy więc sprawdzać wymagania aktualnej EN ISO 683-5, natomiast PN-EN 10085 pozostaje istotna przy analizie starszych atestów, dokumentacji konstrukcyjnej, specyfikacji materiałowych i zamienników.
Stale do azotowania – dlaczego zawierają Cr, Al, Mo, V i Ni?
Stale objęte PN-EN 10085 są stalami stopowymi, których skład chemiczny został dobrany tak, aby zapewnić odpowiednie właściwości rdzenia oraz umożliwić wytworzenie podczas azotowania twardej warstwy powierzchniowej.
- Chrom – Cr zwiększa hartowność stali i uczestniczy w tworzeniu azotków w warstwie azotowanej.
- Glin – Al wykazuje silne powinowactwo do azotu i tworzy twarde azotki aluminium. Jest szczególnie charakterystycznym dodatkiem klasycznych stali do azotowania typu Cr-Al-Mo.
- Molibden – Mo zwiększa hartowność, wpływa na odporność na odpuszczanie i pomaga kształtować właściwości mechaniczne rdzenia.
- Wanad – V jest pierwiastkiem azotko- i węglikotwórczym, wpływającym na mikrostrukturę oraz właściwości warstwy i rdzenia.
- Nikiel – Ni występuje między innymi w 34CrAlNi7-10 i wpływa przede wszystkim na właściwości mechaniczne oraz ciągliwość rdzenia.
Obróbka cieplna przed azotowaniem – +A i +QT
Właściwości gotowego elementu zależą nie tylko od samego azotowania, lecz również od wcześniejszej obróbki cieplnej stali.
Norma przewiduje między innymi dostawę materiału w stanie:
- +A – wyżarzonym zmiękczająco, ułatwiającym dalszą obróbkę materiału;
- +QT – ulepszonym cieplnie, czyli po hartowaniu i odpuszczaniu.
W typowym procesie technologicznym element przeznaczony do azotowania jest najpierw ulepszany cieplnie, aby uzyskać wymagane właściwości rdzenia. Następnie wykonuje się zasadniczą obróbkę mechaniczną i dopiero później przeprowadza azotowanie.
Temperatura wcześniejszego odpuszczania powinna być odpowiednio wyższa od późniejszej temperatury azotowania. Pozwala to ograniczyć zmianę właściwości rdzenia podczas długotrwałego procesu azotowania.
Gatunki stali według PN-EN 10085
Norma obejmuje dziewięć podstawowych gatunków stali do azotowania:
- 1.8505 – 32CrAlMo7-10 – stal chromowo-aluminiowo-molibdenowa. Dodatek aluminium umożliwia uzyskanie bardzo twardej warstwy azotowanej. Stosowana na elementy wymagające dużej twardości powierzchniowej i odporności na zużycie.
- 1.8507 – 34CrAlMo5-10 – stal Cr-Al-Mo przeznaczona do ulepszania cieplnego i późniejszego azotowania. Połączenie chromu, aluminium i molibdenu umożliwia uzyskanie twardej warstwy przy zachowaniu wytrzymałego rdzenia.
- 1.8509 – 41CrAlMo7-10 – stal chromowo-aluminiowo-molibdenowa o większej zawartości węgla, przeznaczona na elementy wymagające wysokiej twardości powierzchniowej i dużej odporności na zużycie.
- 1.8515 – 31CrMo12 – stal chromowo-molibdenowa do ulepszania cieplnego i azotowania, stosowana między innymi na wały, elementy napędów, przekładnie, wrzeciona i części maszyn.
- 1.8516 – 24CrMo13-6 – stal chromowo-molibdenowa o wysokiej hartowności, przeznaczona do ulepszania cieplnego i azotowania.
- 1.8519 – 31CrMoV9 – stal chromowo-molibdenowo-wanadowa. Dodatek wanadu wpływa na mikrostrukturę oraz właściwości warstwy azotowanej. Stosowana na silnie obciążone elementy maszyn.
- 1.8522 – 33CrMoV12-9 – stal Cr-Mo-V o wysokiej hartowności, przeznaczona na elementy wymagające wytrzymałego rdzenia i twardej warstwy powierzchniowej po azotowaniu.
- 1.8523 – 40CrMoV13-9 – stal chromowo-molibdenowo-wanadowa przeznaczona do ulepszania cieplnego i azotowania, stosowana w wysoko obciążonych częściach maszyn.
- 1.8550 – 34CrAlNi7-10 – stal chromowo-aluminiowo-niklowa. Aluminium sprzyja uzyskiwaniu wysokiej twardości warstwy azotowanej, natomiast nikiel wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne i ciągliwość rdzenia.
Stale PN-EN 10085 a polskie gatunki 38HMJ, 25H3M i 33H3MF
W polskiej praktyce przemysłowej z grupą stali do azotowania związane są przede wszystkim gatunki 38HMJ, 25H3M oraz 33H3MF.
Nie należy jednak automatycznie traktować historycznych gatunków PN oraz wszystkich oznaczeń EN, DIN, BS, AFNOR czy GOST jako zamienników 1:1. Podobne przeznaczenie materiałów nie oznacza identycznego składu chemicznego ani identycznych wymaganych właściwości.
Przy doborze odpowiednika należy porównać:
- zakres składu chemicznego;
- wymagane właściwości mechaniczne;
- stan dostawy, np. +A lub +QT;
- wymiary i przekrój elementu;
- postać wyrobu – pręt, walcówkę, blachę lub odkuwkę;
- wymaganą twardość i głębokość warstwy po azotowaniu.
Właściwości warstwy azotowanej
Podczas azotowania w warstwie powierzchniowej zachodzi dyfuzja azotu. W zależności od gatunku stali oraz parametrów procesu mogą powstawać warstwa związkowa oraz strefa dyfuzyjna zawierająca azot i wydzielenia azotków pierwiastków stopowych.
Wysoka twardość warstwy wynika między innymi z obecności bardzo twardych azotków aluminium, chromu i wanadu.
Twardość warstwy azotowanej ocenia się często metodą Vickersa HV, ponieważ pozwala ona wykonywać pomiary przy niewielkich obciążeniach i określać zmianę twardości wraz z odległością od powierzchni.
Zastosowanie stali do azotowania
Stale do azotowania stosowane są przede wszystkim na części maszyn wymagające połączenia wysokiej wytrzymałości rdzenia z bardzo twardą i odporną na zużycie powierzchnią.
Typowe zastosowania obejmują:
- wały i wałki;
- czopy i sworznie;
- koła zębate i elementy przekładni;
- wrzeciona;
- tuleje i pierścienie;
- elementy napędów;
- części maszyn pracujące pod obciążeniami dynamicznymi;
- elementy narażone na tarcie i zużycie powierzchniowe.
PN-EN 10085:2003 – podsumowanie
PN-EN 10085:2003 była podstawową europejską normą określającą warunki techniczne dostawy stali przeznaczonych do azotowania. Obejmowała dziewięć gatunków: 24CrMo13-6, 31CrMo12, 32CrAlMo7-10, 31CrMoV9, 33CrMoV12-9, 34CrAlNi7-10, 41CrAlMo7-10, 40CrMoV13-9 oraz 34CrAlMo5-10.
Wspólną cechą tych materiałów jest możliwość uzyskania w wyniku odpowiedniego ulepszania cieplnego wytrzymałego rdzenia, a następnie wytworzenia poprzez azotowanie twardej warstwy powierzchniowej odpornej na zużycie.
Obecnym następcą PN-EN 10085 jest PN-EN ISO 683-5:2021-10.