Nawęglanie stali

Hartowanie powierzchniowe to proces polegający na dodaniu twardej, ochronnej powłoki na zewnątrz miękkiej stali. Jedną z najpowszechniejszych form utwardzania stali jest nawęglanie, które polega na przekształceniu stali niskowęglowej w wysokowęglową. Proces ten polega na nagrzewaniu stali do wysokich temperatur w atmosferze gazu nawęglającego. Dzięki temu węgiel przenika przez powierzchnię stali aż do wnętrza, tworząc stały roztwór. W wielu przypadkach nawęglanie to proces wstępny, po którym stal jest jeszcze dodatkowo hartowana i odpuszczana.

Spis treści:

1. Na czym polega nawęglanie?
2. Jak nawęglanie zmienia strukturę stali?
3. Nawęglanie gazowe
4. Nawęglanie płynne
5. Nawęglanie stałe
6. Nawęglanie próżniowe
7. Nawęglanie plazmowe
8. Nawęglanie stali i jego zalety

Na czym polega nawęglanie?

Proces nie jest zbyt skomplikowany i składa się z trzech następujących po sobie etapów:

1. Stalowy przedmiot jest podgrzewany w piecu w wysokich temperaturach wahających się od 850℃ do 1050℃ w obecności ośrodka o dużej zawartości węgla w dowolnej postaci – gazowej, ciekłej lub stałej,
2. Węgiel z medium dyfunduje na powierzchnię przedmiotu obrabianego, tworząc twardą osłonę,
3. Stal jest wyjmowana z pieca i hartowana, utwardzając węgiel na jej powierzchni.

W rezultacie otrzymujemy detal z twardą, odporną na zużycie powłoką zewnętrzną i miękkim rdzeniem. Wcześniej nawęglanie wymagało bezpośredniego kontaktu stalowego przedmiotu ze stałym ośrodkiem nawęglającym podczas procesu. Choć nadal stosuje się podobne techniki, to jednak rozwój technologiczny umożliwił wykorzystywanie w procesie gazów lub cieczy o wysokiej zawartości węgla. Skład tych mediów i temperatura pieca muszą być dokładnie kontrolowane, ponieważ różne temperatury i mieszaniny mogą zmieniać mikrostruktury, które utworzą się na powierzchni stalowego elementu. A to będzie miało wpływ na ostateczną jakość powłoki. Na przykład niskociśnieniowe komory próżniowe zapewniają doskonałą kontrolę nad składem gazu w procedurach nawęglania próżniowego.

Jak nawęglanie zmienia strukturę stali?

Kiedy podczas hartowania stal węglowa jest podgrzewana do podwyższonych temperatur, jej struktura zmienia się w austenit. Węgiel z atmosfery gazu nawęglanego przedostaje się do wnętrza. Podczas kolejnej fazy hartowania powierzchnia staje się twarda, a wnętrze zachowuje niższą zawartość węgla niż powierzchnia hartowana co skutkuje utrzymaniem wytrzymałości. Proces ten poprawia odporność na zużycie bez uszczerbku dla odporności na uderzenia, zachowując elastyczną strukturę. Jednakże twardość powierzchni wzrasta proporcjonalnie do zawartości węgla w stali, więc gdy przekroczy ona ok. 0,8%, wtedy zmniejsza się skuteczność hartowania. Dlatego właśnie przeprowadza się nawęglanie w celu bezpiecznego uzyskania powierzchniowej zawartości węgla wynoszącej ok. 0,8%.  

Nawęglanie zmienia strukturę metalu pod wpływem dyfuzji i penetracji węgla z powierzchni do wnętrza obrabianego materiału. W rezultacie istnieją różnice w strukturze pomiędzy powierzchnią a wnętrzem. Dodatkowo na strukturę warstwy nawęglonej wpływają również inne czynniki, jak np. wewnętrzna wytrzymałość materiału, twardość podczas obróbki cieplnej, chłodzenie czy hartowanie.

Nawęglanie gazowe

Nawęglanie gazowe jest najczęściej stosowanym procesem nawęglania na świecie. Wykorzystuje się w nim atmosferę gazu nawęglającego. Surowe gazy na bazie węglowodorów, takie jak propan, butan lub chemiczny acetylen oraz obojętny gaz nośny jak azot czy wodór. Środowisko to nagrzewa się w niezwykle wysokich temperaturach. Wysokie temperatury umożliwiają cząsteczkom węgla dyfuzję do elementów stalowych, które są utwardzane. Temperaturę nawęglania ustawia się zwykle w zakresie 900-950℃, choć czasami zwiększa się ją do 1000℃, aby uzyskać głębsze warstwy nawęglania. Proces ten może trwać od dwóch do 36 godzin. Zależnie od obrabianego przedmiotu i pożądanej głębokości obudowy. Po nawęglaniu stal należy wyjąć z pieca i hartować w oleju, gazie, wodzie lub sodzie kaustycznej. Ten etap szybko schładza metal, trwale blokując węgiel. Nawęglanie gazowe ma kilka podstawowych zalet, jak choćby łatwa regulacja stężenia węgla, tworzenie jednolitych struktur powierzchni, jak i fakt, że jest wykorzystywane w masowej produkcji.

Nawęglanie płynne

Polega na zanurzeniu stalowego detalu w kąpieli ze stopionej soli, składającej się głównie z cyjanku sodu  (NaCN). Cyjanek sodu ulega złożonym reakcjom chemicznym z udziałem CO i N, które reagują z Fe, powodując zarówno nawęglanie, jak i azotowanie, co czyni go częścią procesu nawęglania-azotowania.
Reakcje nawęglania dominują w temperaturach około 900℃. Powyżej 850℃ tworzą się typowe struktury powierzchniowe podobne do nawęglania gazowego. Jednak ze względu na niebezpieczny charakter środków nawęglających, przepisy ochrony środowiska i trudności w gospodarce odpadami, zastosowanie nawęglania płynnego spadło.

Nawęglanie stałe

Polega na umieszczeniu detalu w żaroodpornym i uszczelnionym pojemniku ze stałym środkiem nawęglającym i podgrzewaniu tego pojemnika w piecu w temperaturze ok. 900℃. Pojemnik jest często wykonany ze stali nawęglanej, stali węglowej pokrytej aluminium lub żaroodpornych stopów żelaza, niklu i chromu. Medium nawęglającym są typowe środki nawęglające, obejmujące koks, węglan sodu lub węgiel drzewny i węglan baru, które uzupełniają absorpcję węgla. W trakcie, gdy pojemnik się nagrzewa, tlenek węgla z medium dysocjuje i rozkłada się na węgiel i dwutlenek węgla na powierzchni przedmiotu obrabianego. Za pomocą tej metody trudno jest jednak uzyskać równomierne nawęglanie w całym przedmiocie obrabianym, gdyż nie można regulować w niej stężenia węgla.

Nawęglanie próżniowe (niskociśnieniowe)

Polega na tym, że stopy stali umieszcza się w beztlenowym środowisku o niskim ciśnieniu. Następnie do środowiska pompowany jest gaz, jak np. węglowodór (acetylen), który umożliwia cząsteczkom węgla przyłączenie się do stopu. W procesie tym nie wykorzystuje się tlenu, więc utlenianie stopów stali jest prawie niemożliwe. Pozwala to na uzyskanie wysokich temperatur w zamkniętej atmosferze, co znacznie przyśpiesza proces nawęglania. Odbywa się on w zamkniętym piecu, który powinien całkowicie odizolować tlen, gdyż inaczej proces nie zajdzie prawidłowo. Kluczowa różnica w stosunku do zwykłego nawęglania gazowego polega na tym, że w przypadku nawęglania próżniowego gaz wprowadza się bezpośrednio do pieca w celu kontrolowania czasu nawęglania i dyfuzji w celu osiągnięcia pożądanej obróbki. Zaletą tego procesu jest uzyskanie równomiernego nawęglania nawet przy skomplikowanych kształtach i różnej grubości. Ze względu na koszt pieca nawęglanie to jest droższe niż gazowe. Zastosowanie metanu lub propanu może spowodować osadzanie się sadzy i dlatego często wykorzystuje się acetylen, który znacznie łagodzi ten problem.

Nawęglanie plazmowe (jonowe)

Metoda nawęglania, podczas której na węgiel oddziałuje się poprzez wyładowanie jarzeniowe prądu stałego. Jest to rodzaj wyładowania plazmowego, które powstaje poprzez przyłożenie napięcia prądu stałego pomiędzy przedmiotem obrabianym (katodą) a elektrodą (anodą) w atmosferze gazu węglowodorowego o obniżonym ciśnieniu. Przedmiot obrabiany jest umieszczony w komorze nawęglania. Zaletą takiego nawęglania jest choćby brak utleniania międzykrystalicznego z powodu braku tlenu i wilgoci w atmosferze nawęglania. Dzięki wysokiej prędkości nawęglania znacznie jest skracany czas przetwarzania. Możliwe jest nawęglanie materiałów trudnych do nawęglania, jak np. stal nierdzewna czy wysokomanganowa. Mimo, że wymagany jest tu sprzęt do wytwarzania plazmy, to metoda ta staje się coraz bardziej popularna ze względu na krótsze czasy przetwarzania czy obniżone koszty eksploatacji, dzięki wykorzystaniu mniejszych objętości gazu.

Zalety nawęglania stali

Główną zaletą nawęglania stali jest to, że jest to praktyczny i niedrogi proces w przypadku wyrobów stalowych w różnych gałęziach przemysłu. Do innych korzyści zalicza się:

Ekonomiczna produkcja 

Nawęglanie jest znacznie tańsze niż inne techniki hartowania stali, dzięki czemu elementy ze stali nawęglanej są tańsze. Dzięki temu stal nawęglana jest idealnym materiałem do produkcji masowej.

Zwiększona twardość

Stal nawęglana zyskuje powierzchnię wysoce odporną na zużycie o zwiększonej wytrzymałości zmęczeniowej. Te właściwości pozwalają jej wytrzymać większą siłę bez zużywania się tak szybko, jak stal nienawęglana.

Zwiększona odporność na korozję

Nawęglanie stali miękkiej tworzy ochronną warstwę zewnętrzną o dużej zawartości węgla na przedmiocie obrabianym, czyniąc go bardziej odpornym na korozję.

Ciągliwy rdzeń

Chociaż powierzchnia nawęglanego przedmiotu obrabianego twardnieje podczas obróbki, rdzeń pozostaje miękki i plastyczny, umożliwiając producentom tworzenie bardziej skomplikowanych elementów. Natomiast stal hartowana innymi metodami jest sztywniejsza, co utrudnia jej kształtowanie.