Węgloazotowanie stali – proces, temperatura, właściwości i zastosowanie

Węgloazotowanie stali jest procesem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na jednoczesnym dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel i azot. Proces prowadzony jest w zakresie austenitycznym, dzięki czemu oba pierwiastki mogą dyfundować w głąb warstwy wierzchniej materiału.
Po węgloazotowaniu element jest najczęściej hartowany, a następnie nisko odpuszczany. W rezultacie otrzymuje się twardą, odporną na zużycie warstwę powierzchniową przy zachowaniu bardziej ciągliwego i odpornego na obciążenia dynamiczne rdzenia.
Pod względem mechanizmu węgloazotowanie jest procesem bliższym nawęglaniu stali niż klasycznemu azotowaniu. W przeciwieństwie do nawęglania do powierzchni stali doprowadzany jest jednak nie tylko węgiel, ale również azot, który wpływa między innymi na hartowność i strukturę powstającej warstwy.

Na czym polega węgloazotowanie?

Podczas węgloazotowania element stalowy nagrzewany jest do temperatury, w której jego struktura znajduje się w stanie austenitycznym. Powierzchnia materiału pozostaje jednocześnie w kontakcie z odpowiednio dobraną atmosferą dostarczającą węgiel C oraz azot N.
Na powierzchni zachodzą reakcje prowadzące do powstania aktywnych atomów węgla i azotu, które następnie są absorbowane przez stal i dyfundują w głąb materiału.
Proces można w uproszczeniu przedstawić jako:
atmosfera C + N → absorpcja na powierzchni → dyfuzja C i N → hartowanie → niskie odpuszczanie
W wyniku procesu powstaje gradient stężenia węgla i azotu – największa koncentracja występuje w pobliżu powierzchni i stopniowo maleje wraz ze wzrostem odległości od powierzchni.
Po zakończeniu nasycania element jest zwykle bezpośrednio hartowany. Dzięki zwiększonej zawartości węgla i obecności azotu warstwa powierzchniowa posiada większą hartowność niż materiał rdzenia.

Temperatura węgloazotowania

Węgloazotowanie prowadzi się najczęściej w temperaturze około:

Podane wartości mają charakter orientacyjny. Dokładne parametry procesu zależą od gatunku stali, składu atmosfery, wymaganej głębokości warstwy, geometrii elementu, wymaganej twardości oraz późniejszego sposobu chłodzenia.
Węgloazotowanie jest zazwyczaj prowadzone w niższej temperaturze niż klasyczne nawęglanie. Może to ograniczać wzrost ziarna oraz zmniejszać podatność elementów na niektóre odkształcenia związane z wysoką temperaturą procesu.

Węgiel i azot w procesie węgloazotowania

Najważniejszą cechą procesu jest równoczesne oddziaływanie dwóch pierwiastków międzywęzłowych – węgla i azotu.
Węgiel zwiększa możliwość uzyskania wysokiej twardości martenzytu po hartowaniu. Jest to ten sam podstawowy mechanizm, który wykorzystuje klasyczne nawęglanie.
Azot dodatkowo wpływa na hartowność warstwy oraz stabilność austenitu. Dzięki jego obecności można uzyskać odpowiednią strukturę warstwy przy mniejszej krytycznej szybkości chłodzenia niż w przypadku analogicznej warstwy wyłącznie nawęglonej.
Pozwala to w wielu zastosowaniach stosować hartowanie w oleju i ograniczać ryzyko nadmiernych odkształceń elementu.

Struktura warstwy węgloazotowanej

Po prawidłowo przeprowadzonym węgloazotowaniu i hartowaniu podstawowym składnikiem strukturalnym utwardzonej warstwy jest martenzyt wzbogacony w węgiel i azot.
W zależności od parametrów procesu w mikrostrukturze mogą występować również:

• austenit szczątkowy,
• węgliki,
• azotki i węglikoazotki,
• produkty przemian pośrednich w głębszej części warstwy.

Zbyt duże wzbogacenie powierzchni w azot może prowadzić do nadmiernej stabilizacji austenitu i zwiększenia udziału austenitu szczątkowego po hartowaniu. Dlatego skład atmosfery, temperatura oraz czas procesu muszą być kontrolowane.

Głębokość warstwy węgloazotowanej

Węgloazotowanie stosowane jest przede wszystkim do otrzymywania stosunkowo cienkich, bardzo twardych warstw powierzchniowych.
Typowa głębokość warstwy wynosi od około 0,1 do 0,7 mm, chociaż rzeczywista wartość zależy od technologii i wymagań konstrukcyjnych.
Głębokość warstwy zwiększa się przede wszystkim wraz z:

• czasem procesu,
• temperaturą,
• aktywnością atmosfery,
• zdolnością węgla i azotu do dyfuzji w danym gatunku stali.

W przypadku konieczności uzyskania znacznie głębszej warstwy częściej stosowane jest klasyczne nawęglanie lub proces kombinowany, w którym zasadnicza głębokość warstwy uzyskiwana jest podczas nawęglania, a końcowy etap obejmuje węgloazotowanie.

Węgloazotowanie a nawęglanie

Węgloazotowanie można traktować jako proces technologicznie spokrewniony z nawęglaniem, ale wykorzystujący dodatkowo dyfuzję azotu.

Jeżeli wymagana jest stosunkowo cienka, twarda i odporna na zużycie warstwa, węgloazotowanie może być korzystniejsze. Jeżeli natomiast konstrukcja wymaga dużej głębokości utwardzonej warstwy, częściej stosuje się nawęglanie.

Węgloazotowanie a azotowanie

Mimo podobnej nazwy węgloazotowanie istotnie różni się od azotowania.
Podczas azotowania głównym pierwiastkiem dyfundującym do warstwy wierzchniej jest azot. Proces prowadzony jest zazwyczaj poniżej temperatury austenityzacji, a końcowe hartowanie po właściwym azotowaniu zasadniczo nie jest wymagane.
Węgloazotowanie prowadzone jest natomiast w stanie austenitycznym i obejmuje jednoczesne wzbogacanie powierzchni w węgiel oraz azot. Uzyskanie wysokiej twardości warstwy związane jest następnie z jej zahartowaniem.

Węgloazotowanie a azotonawęglanie – to nie jest ten sam proces

Węgloazotowania nie należy utożsamiać z azotonawęglaniem.
Obydwa procesy wykorzystują węgiel i azot, jednak przebiegają w innych zakresach temperatur i prowadzą do powstania warstw o innym charakterze.
Węgloazotowanie jest procesem prowadzonym w zakresie austenitycznym i jest technologicznie zbliżone do nawęglania. Po procesie stosowane jest hartowanie.
Azotonawęglanie prowadzone jest w niższej temperaturze, zwykle w zakresie ferrytycznym. Jego celem jest przede wszystkim wytworzenie charakterystycznej warstwy związków oraz strefy dyfuzyjnej, a nie wytworzenie austenitu wzbogaconego w C i N i późniejsze przekształcenie go w martenzyt.
Z tego powodu pojęcia węgloazotowanie i azotonawęglanie nie powinny być stosowane zamiennie.

Węgloazotowanie gazowe

Najbardziej rozpowszechnioną odmianą procesu jest węgloazotowanie gazowe.
Elementy umieszczane są w piecu z kontrolowaną atmosferą dostarczającą jednocześnie węgiel oraz azot. Źródłem azotu jest zazwyczaj amoniak NH₃, natomiast węgiel dostarczany jest przez odpowiednio dobraną atmosferę nawęglającą.
W podwyższonej temperaturze zachodzą reakcje prowadzące do powstawania aktywnych składników atmosfery, a następnie absorpcji i dyfuzji węgla oraz azotu w głąb powierzchni.
Kontrola procesu wymaga odpowiedniego sterowania między innymi:

• temperaturą,
• czasem wygrzewania,
• potencjałem węglowym atmosfery,
• dopływem amoniaku,
• przepływem gazów,
• warunkami hartowania.

Hartowanie po węgloazotowaniu

Samo wzbogacenie powierzchni w węgiel i azot nie stanowi jeszcze końca procesu technologicznego.
W typowym cyklu po zakończeniu dyfuzji element jest hartowany. Szybkie chłodzenie prowadzi do przemiany austenitu wzbogaconego w C i N w twardą strukturę martenzytyczną.
Dzięki wpływowi azotu na hartowność możliwe jest często zastosowanie mniej intensywnego chłodzenia niż w przypadku analogicznej stali niskowęglowej bez wzbogacenia powierzchni.
Najczęściej stosowanym medium jest olej hartowniczy.
Po hartowaniu przeprowadza się zazwyczaj niskie odpuszczanie, którego zadaniem jest ograniczenie naprężeń i kruchości przy zachowaniu wysokiej twardości powierzchni.

Właściwości warstwy węgloazotowanej

Prawidłowo wykonane węgloazotowanie umożliwia uzyskanie kombinacji właściwości trudnej do osiągnięcia przez jednorodne hartowanie całego przekroju.
Do najważniejszych właściwości należą:

• wysoka twardość powierzchniowa,
• duża odporność na zużycie ścierne,
• zwiększona odporność na naciski powierzchniowe,
• korzystna odporność na zmęczenie kontaktowe,
• większa hartowność warstwy dzięki obecności azotu,
• możliwość zachowania ciągliwego rdzenia,
• mniejsza podatność na odkształcenia niż w przypadku niektórych procesów prowadzonych w wyższych temperaturach.

Jakie stale można węgloazotować?

Proces stosowany jest przede wszystkim do stali niskowęglowych oraz niskostopowych, dla których wymagane jest połączenie twardej powierzchni z bardziej ciągliwym rdzeniem.
Szczególnie istotną grupę stanowią stale konstrukcyjne do nawęglania.
Do materiałów, dla których można rozważać odpowiednio zaprojektowane procesy nawęglania lub węgloazotowania, należą między innymi stale niskowęglowe oraz stale stopowe zawierające chrom, mangan, nikiel i molibden.
Dobór procesu nie może jednak opierać się wyłącznie na nazwie grupy materiałowej. Należy uwzględnić skład chemiczny konkretnego gatunku, hartowność, wymagane właściwości rdzenia, wymiary elementu oraz oczekiwaną głębokość i twardość warstwy.
Przykładem stali stopowej, dla której stosowane jest węgloazotowanie, jest 18H2N4MA / 18H2N4WA / X19NiCrMo4 / 1.2764.

Zastosowanie węgloazotowania

Węgloazotowanie znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji małych i średnich elementów maszyn, które wymagają wysokiej odporności powierzchni na zużycie przy zachowaniu odpowiednich właściwości rdzenia.
Typowe zastosowania obejmują:

• koła zębate,
• zębniki,
• wałki,
• osie,
• sworznie,
• tuleje,
• krzywki,
• elementy przekładni,
• części układów napędowych,
• drobne części maszyn i mechanizmów,
• elementy produkowane seryjnie wymagające odpornej na zużycie powierzchni.

Zalety węgloazotowania

Do najważniejszych zalet procesu należą:

• jednoczesne wzbogacenie powierzchni w węgiel i azot,
• uzyskanie bardzo twardej warstwy po hartowaniu,
• zwiększenie odporności na ścieranie,
• zwiększenie hartowności warstwy powierzchniowej,
• możliwość wykorzystania stosunkowo niedrogich stali niskowęglowych,
• możliwość stosowania hartowania w oleju w wielu zastosowaniach,
• niższa temperatura procesu niż w typowym nawęglaniu,
• stosunkowo krótki czas procesu przy niewielkiej wymaganej głębokości warstwy,
• możliwość zachowania ciągliwego rdzenia elementu,
• dobra przydatność do seryjnej produkcji drobnych części maszyn.

Ograniczenia węgloazotowania

Węgloazotowanie nie jest rozwiązaniem uniwersalnym.
Do jego najważniejszych ograniczeń należą:

• stosunkowo niewielka typowa głębokość warstwy,
• konieczność precyzyjnego sterowania atmosferą procesu,
• konieczność hartowania po nasycaniu,
• możliwość powstawania odkształceń hartowniczych,
• możliwość wystąpienia nadmiernej ilości austenitu szczątkowego przy nieprawidłowych parametrach,
• ryzyko pogorszenia właściwości warstwy przy nadmiernym wzbogaceniu w azot lub węgiel.

W przypadku elementów wymagających głębokiej warstwy utwardzonej korzystniejsze może być klasyczne nawęglanie. Jeżeli natomiast najważniejsza jest bardzo duża twardość powierzchni przy minimalnych zmianach wymiarowych i bez końcowego hartowania, należy rozważyć azotowanie.

Węgloazotowanie na tle innych metod utwardzania powierzchniowego

Węgloazotowanie jako obróbka cieplno-chemiczna

Węgloazotowanie należy do grupy procesów obróbki cieplno-chemicznej, ponieważ podczas procesu zmienia się nie tylko mikrostruktura stali, lecz również skład chemiczny jej warstwy wierzchniej.
Od klasycznej obróbki cieplnej stali procesy cieplno-chemiczne różnią się właśnie obecnością kontrolowanej dyfuzji pierwiastków z otoczenia do materiału.
W przypadku węgloazotowania są to jednocześnie węgiel i azot. Połączenie ich działania oraz późniejszego hartowania umożliwia uzyskanie cienkiej, bardzo twardej i odpornej na zużycie warstwy przy zachowaniu właściwości rdzenia wynikających z zastosowanego gatunku stali.

Normy związane z węgloazotowaniem

Terminologię dotyczącą procesów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej materiałów żelaznych określa między innymi ISO 4885 – Ferrous materials – Heat treatments – Vocabulary.
Norma definiuje węgloazotowanie jako obróbkę cieplno-chemiczną służącą wzbogaceniu warstwy powierzchniowej austenityzowanego materiału żelaznego w węgiel i azot. Norma wskazuje również na konieczność odróżnienia węgloazotowania od azotonawęglania.
W dokumentacji technicznej elementów poddawanych obróbce cieplnej znaczenie ma również ISO 15787 – Technical product documentation – Heat-treated ferrous parts – Presentation and indications, określająca sposób przedstawiania i oznaczania stanu końcowego elementów żelaznych poddanych obróbce cieplnej.
Węgloazotowanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej, w którym powierzchnia stali zostaje jednocześnie wzbogacona w węgiel i azot. Proces przebiega w zakresie austenitycznym, zazwyczaj w temperaturze około 820–900°C, a po zakończeniu dyfuzji element jest najczęściej hartowany i nisko odpuszczany.
Obecność azotu zwiększa hartowność warstwy i pozwala uzyskać twardą, odporną na zużycie powierzchnię nawet w przypadku stosunkowo prostych stali niskowęglowych i niskostopowych. Jednocześnie rdzeń może zachować większą ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne.
Węgloazotowanie zajmuje więc pośrednie miejsce pomiędzy klasycznym nawęglaniem a procesami wykorzystującymi azot. Nie należy go jednak utożsamiać ani z azotowaniem, ani z azotonawęglaniem – są to odrębne procesy prowadzone w innych warunkach i wykorzystujące inne mechanizmy kształtowania właściwości warstwy wierzchniej.

Metody obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali

Węgloazotowanie 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 nawęglanie, 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.