Stal do nawęglania 15HN, 18H2N2, 1.6587, 18H2N4MA, 15NiCr13

Stal do nawęglania ( 12HN3A, 1.5752, 15NiCr13, 12H2N4A, 16NiCrMo12, 15HN, 15CrNi6, 1.5919, 1.5918, 17HNM, 20HNM, 1.6523, 18CrNiMo7-6, 1.6587, 18HGT, 18H2N2, 18CrNi8, 1.5920, 18H2N4WA, 18H2N4MA, X19NiCrMo4, 1.2764, 20H2N4A) ,to stal konstrukcyjna zawierająca do 0,25% węgla, która jest przeznaczonea do utwardzania powierzchniowego metodą nawęglania lub cyjanowania (jednoczesne azotowanie i nawęglanie). Dzięki temu procesowi uzyskuje się twardą powierzchnię przy zachowaniu ciągliwości rdzenia w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym (150–180°C).

Stal do nawęglania – zastosowanie i właściwości

Stal konstrukcyjna do nawęglania znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność powierzchni na ścieranie oraz duża twardość. Zjawisko ścierania powierzchni jest tym mniejsze, im większa jest jej twardość, którą uzyskuje się poprzez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następujące po nim zahartowanie. Najwyższą twardość po nawęglaniu osiągają stale stopowe zawierające chrom i molibden, które dodatkowo zwiększają odporność na obciążenia dynamiczne.

Rodzaj stopów dobierany jest w zależności od wielkości elementów:

Małe przekroje – stale stopowe zawierające chrom i mangan, które charakteryzują się dobrą hartownością oraz umiarkowaną odpornością na ścieranie.
Duże elementy – stale zawierające chrom i nikiel lub kombinację chromu, niklu i molibdenu, co zapewnia lepszą wytrzymałość rdzenia i wyższą odporność na zmęczenie materiału.

Wpływ czynników technologicznych na właściwości warstwy nawęglonej

Na jakość oraz właściwości warstwy nawęglonej wpływają zarówno warunki prowadzenia procesu, jak i skład chemiczny zastosowanej stali. Kluczowe czynniki to:

Głębokość nawęglenia – zależy przede wszystkim od temperatury i czasu nawęglania. Mniejsze znaczenie ma skład chemiczny stali oraz ośrodek nawęglający. Proces dłuższego nawęglania w wyższej temperaturze prowadzi do głębszej dyfuzji węgla w głąb materiału.
Zawartość węgla w warstwie przypowierzchniowej – uzależniona głównie od składu chemicznego ośrodka nawęglającego oraz stali. Wpływ temperatury i czasu procesu jest drugorzędny, jednak nadmierna zawartość węgla może prowadzić do zwiększonej kruchości warstwy.
Sposób przejścia od strefy powierzchniowej do rdzenia – zależy od zawartości węgla na powierzchni i w rdzeniu oraz od głębokości nawęglenia. Nie jest natomiast bezpośrednio zależny od składu chemicznego stali. Jeśli zawartość węgla w warstwie powierzchniowej jest wysoka, a głębokość nawęglenia niewielka, przejście między strefami będzie gwałtowne, co może prowadzić do naprężeń wewnętrznych i zwiększonej podatności na pękanie.

Optymalizacja procesu nawęglania

Aby uzyskać pożądane właściwości warstwy nawęglonej, konieczne jest odpowiednie dobranie parametrów procesu. Zbyt płytkie nawęglenie obniża twardość powierzchniową, co prowadzi do pogorszenia odporności na ścieranie. Z kolei nadmiernie głębokie nawęglenie może powodować nadmierną kruchość całego elementu, co w skrajnych przypadkach skutkuje obniżeniem jego wytrzymałości zmęczeniowej.

Strefa powierzchniowa staje się tym twardsza i jednocześnie bardziej krucha, im więcej zawiera węgla. Ostateczna twardość powierzchniowa zależy również od parametrów hartowania – najwyższą twardość uzyskuje się poprzez hartowanie w możliwie jak najniższej temperaturze. Odpowiedni dobór parametrów obróbki cieplnej pozwala na osiągnięcie optymalnych właściwości mechanicznych, zwiększając trwałość i odporność elementów poddanych nawęglaniu.

Dobór gatunku stali a optymalizacja nawęglania

Najniższą twardość spośród stali stopowych do nawęglania osiągają stale chromowo-niklowo-molibdenowe. Charakteryzują się one dobrą ciągliwością rdzenia, ale jednocześnie mają mniejszą zdolność do tworzenia twardej warstwy węglikowej. Nawęglenie tych stali wymaga precyzyjnego doboru parametrów procesu, aby uniknąć powstawania niejednorodnej struktury, mogącej obniżyć wytrzymałość zmęczeniową elementów pracujących pod obciążeniem dynamicznym.

Dla wszystkich gatunków stali do nawęglania istotne jest przeprowadzenie dodatkowego hartowania oraz niskiego odpuszczania w temperaturze 150–180°C. Zabieg ten pozwala uzyskać optymalną kombinację twardości powierzchniowej i odporności na pękanie.

Stale chromowe i chromowo-molibdenowe – zaleca się hartowanie w oleju lub solach hartowniczych, co pozwala na ograniczenie ryzyka deformacji elementu.
Stale chromowo-niklowe – wymagają szybkiego chłodzenia w wodzie lub oleju, co zapewnia uzyskanie jednorodnej mikrostruktury i ogranicza ryzyko nadmiernej kruchości.

Mikrostruktura warstwy nawęglonej a trwałość elementów

Ostateczna jakość i trwałość warstwy nawęglonej zależy od jej mikrostruktury. Wysoka zawartość węglików w strefie przypowierzchniowej poprawia odporność na ścieranie, ale może także prowadzić do zwiększonej podatności na mikropęknięcia. Aby zminimalizować to ryzyko, w niektórych przypadkach stosuje się dodatkową obróbkę mechaniczną, np. kulowanie powierzchniowe. Proces ten zwiększa odporność zmęczeniową elementu i poprawia jego właściwości wytrzymałościowe.

Zastosowanie odpowiednich stali do nawęglania

Wybór odpowiedniego gatunku stali oraz optymalnych parametrów obróbki cieplnej zależy od warunków pracy danego elementu:

Elementy poddawane dużym obciążeniom dynamicznym (koła zębate, wały, krzywki rozrządu) – najlepiej sprawdzają się stale chromowo-molibdenowe, które oferują dobry kompromis między twardością powierzchni a wytrzymałością rdzenia.
Elementy wymagające wysokiej odporności na ścieranie przy umiarkowanych obciążeniach – stosuje się stale węglowe lub chromowo-manganowe, które zapewniają odpowiednią twardość bez nadmiernej kruchości.

Znaczenie optymalizacji procesu nawęglania

Właściwie przeprowadzony proces nawęglania znacząco wydłuża żywotność elementów maszynowych i poprawia ich odporność na zużycie eksploatacyjne. Ma to kluczowe znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym oraz narzędziowym, gdzie trwałość i niezawodność części są priorytetowe.

Stal do nawęglania – wybór gatunku

Przy wyborze stali do nawęglania, kluczowym czynnikiem jest wytrzymałość rdzenia elementu po nawęgleniu. W zależności od przeznaczenia wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie (Rm) w stalach do nawęglania mieszczą się w szerokim zakresie – od 490 do około 1370 MPa, natomiast granica plastyczności (Re lub Rp0,2) wynosi od 245 do 880 MPa. Jednocześnie rdzeń powinien charakteryzować się wysoką udarnością i ciągliwością, co kompensuje kruchość i twardość warstwy nawęglonej.

Aby spełnić te wymagania, zawartość węgla w stalach do nawęglania wynosi zazwyczaj od 0,10 do 0,25%. Wytrzymałość rdzenia na poziomie powyżej 735 MPa osiąga się dzięki obecności pierwiastków stopowych.

Stale stopowe vs stale węglowe

Stopowa stal do nawęglania, w porównaniu ze stalami węglowymi, wykazują znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie, zarówno w stanie zmiękczonym, jak i po hartowaniu. Dzięki wyższej hartowności możliwe jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości nawet w elementach o większych przekrojach, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej ciągliwości, czyli wysokiego wydłużenia, przewężenia i udarności.

Po nawęgleniu i zahartowaniu elementy wykonane ze stali stopowych charakteryzują się znacznie wyższą wytrzymałością rdzenia w porównaniu do stali węglowych. Z tego względu stale stopowe do nawęglania stosuje się do produkcji wysoko obciążonych elementów konstrukcyjnych, takich jak części silników, pojazdów mechanicznych, samolotów oraz maszyn wymagających wysokiej twardości powierzchniowej i odporności na ścieranie.

Wpływ hartowania na właściwości rdzenia i warstwy nawęglonej

Właściwości wytrzymałościowe rdzenia nie mogą być kształtowane klasycznym procesem ulepszania cieplnego (hartowania i odpuszczania), ponieważ już od temperatury 150°C twardość warstwy nawęglonej zaczyna się obniżać.

Aby uzyskać maksymalną twardość powierzchniową, warunki hartowania muszą być dostosowane do składu chemicznego warstwy nawęglonej, dla której optymalna temperatura hartowania jest znacznie niższa niż dla rdzenia. W efekcie rdzeń ulega jedynie częściowemu zahartowaniu i zwykle wykazuje niższą wytrzymałość niż ta, którą można by osiągnąć przy pełnym hartowaniu.

Znaczenie składu chemicznego

Ponieważ własności stali do nawęglania nie mogą być modyfikowane poprzez odpuszczanie, to skład chemiczny stali jest kluczowym czynnikiem decydującym o wytrzymałości rdzenia. Oprócz wpływu na wytrzymałość, określa on także hartowność stali.

Hartowność odgrywa mniejsze znaczenie w przypadku stali nawęglanych, ponieważ rdzeń elementów poddawanych temu procesowi ulega zazwyczaj tylko częściowemu zahartowaniu. Natomiast w przypadku zastosowania tych stali bez nawęglania (np. jako miękkie stale do ulepszania cieplnego), hartowność staje się kluczowym kryterium użytkowym – podobnie jak w klasycznych stalach stopowych do ulepszania cieplnego.

Odpowiedni dobór zawartości pierwiastków stopowych umożliwia jednoczesne uzyskanie wymaganej wytrzymałości rdzenia w danym przekroju oraz pożądanej twardości warstwy nawęglonej.

Dobór odpowiedniego gatunku

Każdy gatunek stali pozwala na osiągnięcie jedynie wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia oraz charakterystycznej dla siebie struktury i twardości warstwy nawęglonej. Aby pokryć szerokie wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie (490–1370 MPa) oraz różne poziomy twardości powierzchniowej, stosuje się różne gatunki stali do nawęglania, które dobiera się w zależności od obciążenia i warunków pracy danego elementu.

Oznaczenia gatunków według PN

W oznaczeniach gatunków stali według normy PN pierwsza cyfra określa średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta. Następnie w nazwie pojawiają się symbole literowe oznaczające pierwiastki stopowe, które wpływają na hartowność, wytrzymałość oraz odporność na ścieranie warstwy nawęglonej.

H – Chrom
G – Mangan
N – Nikiel
M – Molibden
W – Wolfram
T – Tytan

Jeżeli na końcu oznaczenia znajduje się litera A, wskazuje to na obniżoną zawartość siarki i fosforu, co poprawia właściwości technologiczne i odporność na kruchość wodorową.

Przykład:
Oznaczenie 12H2N4A informuje, że:

Średnia zawartość węgla wynosi 0,12%,
Stal zawiera około 2% chromu i 4% niklu,
Litera A oznacza, że zawartość siarki i fosforu została zmniejszona.

Dzięki temu oznaczenia pozwalają na szybkie określenie składu chemicznego i podstawowych właściwości danego gatunku stali.

Pozostałe stale konstrukcyjne stopowe

stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania
stal konstrukcyjna stopowa do azotowania
stal konstrukcyjna stopowa sprężynowa
stale konstrukcyjne stopowe łożyskowe
stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego
stal konstrukcyjna stopowa do pracy w podwyższonych temperaturach – stal kotłowa