Nawęglanie stali - omówienie zagadnień

Nawęglanie to najczęściej stosowana obróbka powierzchniowa stali. Co decyduje o jej popularności? W artykule omówiono podstawy i przebieg procesu, wytwarzanie atmosfer nawęglających, czynniki wpływające na efekt nawęglania.

Charakterystyka nawęglania

Nawęglanie to powierzchniowa obróbka cieplno-chemiczna polegająca na wzbogaceniu warstwy wierzchniej stali niskowęglowej w węgiel. Celem jest uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie i zużycie warstwy wierzchniej przy zachowaniu odpornego na udar rdzenia. Dlatego po nawęglaniu przedmiot obrabiany z zasady poddawany jest hartowaniu. Nawęglona powierzchnia staje się twarda, a nienawęglony rdzeń pozostaje miękki. 

Węgiel przechodzi z otaczającego gazu do stali w procesie adsorpcji, a następnie wnika w głąb metalu w procesie dyfuzji. 

Adsorpcja to proces osadzania się wolnych atomów z fazy gazowej lub ciekłej na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu.

Dyfuzja to aktywowany cieplnie proces wyrównujący stężenie składników w sieci przestrzennej metalu wskutek ruchu atomów. Warunkiem dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Proces dyfuzji zależny jest od temperatury, czasu i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków. Istnieją różne mechanizmy dyfuzji. W nawęglaniu uczestniczy dyfuzja międzywęzłowa - atomy węgla przemieszczają się pomiędzy atomami żelaza ułożonymi w strukturze krystalicznej. Dyfuzja przebiega najłatwiej wzdłuż powierzchni metalu, trudniej wzdłuż granic ziarn, a najtrudniej wewnątrz ziarn.

Zastosowanie nawęglania

Gdy po nawęglaniu elementy zostaną poddane hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu, otrzymywane są elementy o bardzo twardej, odpornej na ścieranie i zużycie powierzchni, ale o ciągliwym, odpornym na obciążenia dynamiczne rdzeniu. Stąd nawęglaniu poddawane są stale przeznaczone na części maszyn, na koła zębate, wałki z wielowypustami, wałki zębate, wałki rozrządu, sworznie, pierścienie, tuleje, wałki łożysk tocznych itp. itd.

Rodzaje i metody nawęglania

Ze względu na ośrodek nawęglający wyróżnia się kilka metod nawęglania.

Nawęglanie w proszkach (nawęglanie w ośrodkach stałych) to najstarsza metoda nawęglania. Polega ono na umieszczeniu części w skrzynce z proszkiem z węgla drzewnego, nasyconego węglanami (najczęściej baru i sodu) i wygrzewaniu jej w temperaturze nawęglania. W skrzynce wytwarza się tlenek węgla, który dysocjując wydziela węgiel dyfundujący do stali. To tania i prosta metoda nawęglania, niestety nie daje powtarzalnych wyników. Węgiel drzewny w skrzynce zużywa się w trakcie procesu, co osłabia nawęglanie i to w sposób niekontrolowany. Dodatkowo tę metodę trudno jest zautomatyzować. Nawęglanie gazowe pozbawione jest tych problemów. Interesującą odmianą jest nawęglanie z wykorzystaniem past, zawierających na przykład 50% sadzy, 20% węglanu baru, 20% węglanu sodu i 10% żelazocyjanku potasu lub 50% sadzy, 40% węglanu sodu i 10% żelazochromu, związanych melasą. Sposób ten umożliwia otrzymywanie warstw nawęglonych na niektórych wybranych powierzchniach obrabianego przedmiotu.

Nawęglanie gazowe to obecnie najbardziej popularna metoda nawęglania. Najstarsza metoda nawęglania gazowego polegała na wprowadzeniu części do komory grzejnej pieca nafty, benzenu lub pirobenzolu. W temperaturze nawęglania panowało parowanie i rozkład cieczy na składniki gazowe. Wytwarzana atmosfera powodowała jednak zbyt duże stężenie węgla w warstwie, a ponadto możliwości regulacji były ograniczone. Rozwinięciem tej metody jest wprowadzenie do pieca dwóch cieczy o różnych właściwościach nawęglających. Zmieniając proporcje tych cieczy można dokładnie regulować proces. 

Nawęglanie w roztopionych solach (lub nawęglanie kąpielowe) wykonywane jest przez zanurzanie obrabianych przedmiotów w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych w temperaturze 830-850°C. Przykładowe mieszaniny zawierają:

• 47,5% węglanu sodu, 47,5% chlorku potasu, 5% węglika wapnia, lub
• 60% węglanu sodu, 5% węglanu baru, 20% chlorku sodu, 15% węglika krzemu.

Nawęglanie w złożach fluidalnych - tu ośrodkiem nawęglającym jest proszek (piasek lub tlenek glinu) fluidyzowany, to jest utrzymywany w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający przepływający przez złoże od dołu ku górze, przez co proszek nabiera właściwości cieczy.

Nawęglanie próżniowe odbywa się przy obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. Te gazy, rozpadając się, oddają atomowy węgiel, który następnie przenika do stali. Nawęglanie próżniowe zapewnia lepszą adsorpcję węgla z atmosfery, mniejsze zużycie gazu i krótszy czas procesu.

Nawęglanie jonizacyjne polega na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem (który jest katodą), a anodą. Następuje wyładowanie jarzeniowe i wytworzenie plazmy, które następnie aktywuje powstawanie jonów węgla. Jony są przyspieszane w polu potencjału w pobliżu obrabianego przedmiotu i bombardują ten przedmiot, co znacznie ułatwia przenikanie węgla do metalu. Ta metoda zapewnia wysoką wydajność, precyzyjną regulację grubości i struktury warstwy nawęglonej.

Mimo rozwoju nowoczesnych metod nawęglania, ze względów ekonomicznych i użytkowych najpopularniejszym rodzajem pozostaje nawęglanie gazowe, stąd w dalszej części artykułu skupimy się głównie na nim.

Struktura, warstwy i własności nawęglanych elementów

W stali po nawęgleniu wyróżnia się następujące warstwy:

• Warstwa nawęglona,
  • warstwa nawęglona wierzchnia (z niej niekiedy wyróżnia się też warstwę wierzchnią przypowierzchniową),
  • warstwa nawęglona przejściowa,
• Rdzeń

Skład chemiczny oraz obróbka cieplna po nawęgleniu pozwalają na uzyskanie różnych struktur w tych warstwach. 

Przy powolnym chłodzeniu po nawęglaniu - warstwa wierzchnia ma strukturę perlityczną, a w strefie przypowierzchniowej mogą wystąpić węgliki, które wydzieliły się w trakcie chłodzenia. Strukturą warstwy przejściowej jest mieszanina perlitu i ferrytu, przy czym im głębiej, tym mniej jest perlitu, a więcej ferrytu. Rdzeń zawiera zarówno ferryt, jak i perlit, ale więcej ferrytu. Przy takiej samej grubości warstwy wierzchniej mogą występować różne grubości warstwy przejściowej. Grubsza warstwa przejściowa świadczy o łagodnym spadku stężenia węgla w warstwie nawęglonej. Stale stopowe po nawęglaniu i powolnym chłodzeniu mogą mieć strukturę identyczną, jak opisaną powyżej, lecz w strukturze warstwy nawęglonej może też występować bainit lub bainit z martenzytem, a w rdzeniu bainit z ferrytem. Jednak najczęściej po nawęglaniu następuje hartowanie, a nie powolne chłodzenie, stąd struktury elementów nawęglonych i powoli schłodzonych nie są przedmiotem szczególnego zainteresowania.

Po hartowaniu - Warstwa nawęglona wierzchnia ma twardą strukturę martenzytu. W stalach stopowych mogą występować dodatki niekorzystnego, miękkiego austenitu szczątkowego, a także węglików. Ilość austenitu szczątkowego oraz węglików zależy od składu chemicznego stopu, stężenia węgla w warstwie oraz rodzaju hartowania. W strefie przejściowej występuje bainit i martenzyt lub sam bainit (w stalach stopowych o dużych przekrojach niekiedy bainit z ferrytem), przy czym ilość martenzytu spada wraz z głębokością. Rdzeń ma strukturę bainitu. W przypadku hartowania bezpośredniego i jednokrotnego zarówno martenzyt jak i bainit są drobnoziarniste, natomiast po hartowaniu z podchłodzeniem uzyskuje się struktury gruboziarniste.

Stale do nawęglania

Do nawęglania stosuje się stale węglowe i stopowe o zawartości węgla w granicach 0,10-0,25%. Stale do nawęglania dzieli się ze względu na składniki stopowe na kilka głównych grup. Skład chemiczny ma duży wpływ na wymagane własności rdzenia i warstwy powierzchniowej.

Stale węglowe mają małą hartowność, zatem - niskie własności rdzenia, nawet przy małych przekrojach. Warstwa nawęglona jest więc twarda i odporna na ścieranie, ale rdzeń pozostaje mało odporny na obciążenia dynamiczne. Zaletą jest niska cena. Stal węglowa do nawęglania stosowana jest na części mało odpowiedzialne. Przykładowe gatunki to C10, C15 i C22.

Stale chromowe mają od 0,7 do 1,0% chromu i są nieco bardziej hartowne od stali węglowych, ale generalnie również są to stopy przeznaczone na części mało obciążone. Dalsze zwiększanie zawartości chromu wprawdzie zwiększyłoby hartowność, lecz jednocześnie zwiększyło skłonność do przewęglania i utleniania wewnętrznego. Zaletą stali chromowych jest niska cena oraz mała ilość austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej (wysoka twardość). Przykładowe gatunki to 15H / 17Cr3 i 20H / 20Cr4.

Stale chromowo-manganowe są bardziej hartowne od stali chromowych, gdyż mangan zmniejsza krytyczną szybkość chłodzenia. Z tego względu stale chromowo-manganowe można stosować na części o większych przekrojach, średnio obciążonych. Mangan powoduje jednak skłonność do przewęglenia i utleniania wewnętrznego, a ponadto, w wyniku obniżenia temperatury przemiany martenzytycznej, mangan przyczynia się do występowania austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej, co zmniejsza odporność na ścieranie. Przykładowe gatunki to 16HG / 16MnCr5, 18HGT i 25HGT / 1.8401.

Stale chromowo-manganowo-molibdenowe mają mniej manganu, a więcej molibdenu, przez co mają podobną hartowność jak stale chromowo-manganowe, ale z mniejszą skłonnością do utleniania wewnętrznego i z mniejszą ilością austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej. Przykładowy gatunek to 18HGM / 18CrMo4 / 1.7243.

Stale chromowo-niklowe mają od 1,4 do 3,2% niklu, który zapewnia wielokrotnie większą hartowność w stosunku do stali bezniklowych oraz dodatkowo polepsza ciągliwość rdzenia. Tę stal można stosować na elementy silnie obciążone o bardzo dużych przekrojach. Szczególnie wysokie własności wykazują gatunki o dodatkowo zwiększonej zawartości chromu - nikiel bowiem łagodzi niekorzystne skutki wynikające ze zwiększonej zawartości chromu. Stale chromowo-niklowe mają jednak dużą ilość austenitu szczątkowego w warstwach powierzchniowych, a zatem mniejszą twardość i odporność na ścieranie. Ponadto nikiel jest kosztowny. Przykładowe gatunki to 15HN / 17CrNi6-6 / 1.5918, 17HGN / 16NiCrS4 / 1.5715, 18H2N2 / 18CRNI8 / 1.5920 oraz 15HGN / 18NICR5-4 / 1.5810.

Stale chromowo-niklowo-molibdenowe mają mniejszą hartowność od stali chromowo-niklowych, zatem mniejszą odporność na obciążenia - ale i tak wyraźnie większą od stali pozbawionych niklu. Dodatki molibdenu / manganu zmniejszają ilość austenitu szczątkowego, zatem zwiększają twardość i odporność na ścieranie warstwy nawęglonej. Przykładowe gatunki to 17HNM / 18NiCrMo5 lub 18H2N4WA.

Za nowoczesne stale do nawęglania można więc uznać stale chromowo-molibdenowe lub chromowo-niklowo-molibdenowe.

Temperatura i czas nawęglania gazowego

Temperatura nawęglania gazowego wynosi 850-950°C, a najczęściej 900-920°C. W tych temperaturach rozpuszczalność węgla w austenicie jest na tyle duża, że zapewnia 0,7-1,0% stężenia powierzchniowego węgla bez wydzielenia sadzy i wytworzenia węglików, dla warstw o różnych grubościach.

Zarówno zwiększenie temperatury, jak i wydłużenia czasu nawęglania powoduje wzrost grubości warstwy nawęglonej. Jednak czas nawęglania ma wpływ w początkowych godzinach nawęglania, a z każdą godziną już coraz mniejszy. Stąd w praktyce grubsze warstwy nawęglone uzyskuje się stosując wyższe temperatury. Przykładowo uzyskanie warstwy nawęglonej o grubości 1,5 mm w temperaturze 900°C wymaga 10h nawęglania, natomiast w temperaturze 950°C trwa to tylko 4h. Oszczędność czasu wynosi tu 6 h. Przy warstwach grubości 2,5mm oszczędność czasu wynosiłaby w tym wypadku już 8 h.

Z zasady nawęglanie w temperaturze powyżej 950°C jest niewskazane ze względu na rozrost ziarna. Jednak w wypadku stali stopowych o dużych przekrojach o grubej warstwie do nawęglenia, zwiększenie temperatury skraca proces o ponad połowę i może być uzasadnione. Dodatki stopowe ograniczające rozrost ziarna to na przykład 0,02-0,04% Al i 0,01% N. Chrom i molibden dodawane w celu zwiększenia hartowności również hamują rozrost ziarna w procesie nawęglania. W temperaturze powyżej 1000°C rozrost ziarna można hamować dodatkami 0,045% Nb, 0,01% Ti oraz co najmniej 0,017% N i więcej niż 0,03% Al.s

Atmosfery nawęglające w nawęglaniu gazowym

Głównymi gazami nawęglającymi są tlenek węgla CO oraz węglowodory C_nH_2n+2 lub C_nH_2n. Pod wpływem działania wysokiej temperatury i katalitycznego działania żelaza ulegają one dysocjacji, uwalniając wolne cząstki węgla. Opis reakcji:

2 CO -> CO₂ + C

C_nH_2n+2 -> (2n+2)H + nC

C_nH_2n -> 2nH + nC

Wolne cząstki węgla są bardzo aktywne chemicznie i absorbowane przez stal. Jeżeli jednak powierzchnia stali nie nadąży pochłaniać wydzielonego na skutek reakcji węgla, to wydziela się na niej swobodny węgiel w postaci sadzy, która utrudnia dalszy proces nawęglania. Stąd kontrola składu gazu i innych parametrów technologicznych jest ważna.

Najszersze zastosowanie przemysłowe mają cztery atmosfery nawęglania gazowego, dwa z gazów opałowych (endotermiczne wzbogacone) i dwa z ciekłych związków organicznych uzyskane z ich rozkładu lub konwersji:

• endotermiczna wzbogacona z gazu ziemnego (0,4% CO₂; 20,8% CO; 0,5% CH₄; 41,8% H₂; 36,5% N₂),
• endotermiczna wzbogacona z propanu (0,5% CO₂; 24,0% CO; 0,5% CH₄; 32,2% H₂; 42,8% N₂),
• z rozkładu metanolu z octanem etylu (0,48 CO₂; 32,4% CO; 0,9% CH₄; 65,9% H₂; 0% N₂),
• z konwersji acetonu z wodą (0,8% CO₂; 34,2% CO; 1,7% CH₄; 62,9% H₂; 0% N₂).

Atmosfery endotermiczne są tańsze, ale atmosfery powstające ze związków organicznych mają wyższy potencjał węglowy.

Nawęglanie ze stałym i zmiennym potencjałem węglowym atmosfery nawęglającej

Udany proces nawęglenia wymaga utrzymania odpowiedniego potencjału węglowego atmosfery nawęglającej. Potencjał węglowy atmosfery nawęglającej to zdolność atmosfery w piecu do dostarczania węgla do powierzchni stali. Atmosfera o zbyt małym potencjale nie będzie wydajnie nawęglać stali, a nawet może ją odwęglać. Atmosfera o zbyt dużym potencjale będzie wydzielać sadzę utrudniającą dalsze nawęglanie. W miarę nawęglania stali potencjał węglowy atmosfery się zmienia - najpierw gwałtownie spada, ponieważ częściowo nawęglona stal mniej jest gotowa do absorpcji węgla, ale później może też wzrastać, gdy uprzednio wydzielona w chłodniejszych częściach pieca sadza jest z powrotem wiązana przez atmosferę. 

Można usiłować uzyskać stały lub zmienny potencjał węglowy atmosfery nawęglającej. W każdym przypadku atmosferą steruje się w czasie.

Nawęglanie ze stałym potencjałem potencjałem węglowym - tutaj steruje się przepływem atmosfery tak, by utrzymać w miarę stały potencjał węglowy. Przykładowy przebieg:

• 1 godzina  - przepływ duży, wydziela się sadza w chłodniejszych częściach pieca
• 2 godzina - przepływ mały, sadza jest wiązana przez atmosferę
• od 3 godziny - przepływ większy, lecz nie tak duży jak początkowo - zapas sadzy został wyczerpany, zwiększa się przepływ, aby utrzymać stały potencjał węglowy

Przy nawęglaniu ze stałym potencjałem węglowym, potencjał ten wynosi zwykle 0,8-1,0%C. Wyższe potencjały są możliwe przy nawęglaniu z potencjałem zmiennym.

Nawęglanie ze zmiennym potencjałem węglowym na dwie fazy. W pierwszej fazie procesu należy zastosować atmosferę o maksymalnie możliwie wysokim potencjale węglowym, przy którym warstwy wymaganej grubości uzyskuje się w najkrótszym czasie. Taka atmosfera powoduje zbyt duże stężenie węgla w warstwie. Stąd w drugiej fazie stosuje się atmosferę o niższym potencjale węglowym, równym optymalnemu powierzchniowemu stężeniu węgla w warstwie.

Istnieje też sposób nawęglania z atmosferą o stałym potencjale węglowym i bez sterowania przepływem, jednak tutaj powtarzalność wyników jest niezadowalająca, stąd ta metoda powinna być ograniczona do przypadków mało odpowiedzialnej produkcji.

Przebieg nawęglania gazowego

Na proces nawęglania gazowego składają się następujące kroki:

1. Płukanie pieca polega na wymianie znajdującego się w piecu powietrza i zredukowaniu wytworzonych w czasie nagrzewania tlenków. Brak przepłukania pieca prowadzi do tego, że w początkowym etapie nawęglania przedmiot obrabiany nie jest nawęglany, a utleniany.
2. Przygotowanie wsadu polega na rozmieszczeniu części we wsadzie, wyczyszczeniu powierzchni, w niektórych wypadkach na zabezpieczeniu fragmentów przed nawęglaniem.
3. Nagrzewanie wsadu - czas nagrzewania zależy od grubości i masy wsadu. W tej fazie nie stosuje się atmosfery nawęglającej, gdyż w niższych temperaturach wydziela się z niej sadza.
4. Nawęglanie - do pieca wprowadza się atmosferę nawęglającą i przeprowadza omówione już nawęglanie z potencjałem stałym lub zmiennym.
5. Chłodzenie / hartowanie - część się chłodzi powoli lub gwałtownie. Ta część omówiona jest poniżej.

Hartowanie po nawęglaniu

Istnieje kilka metod hartowania po nawęglaniu. Wybór jest podyktowany warunkami technologicznymi oraz wymaganiami dotyczącymi własności warstwy nawęglonej i rdzenia.

Hartowanie bezpośrednie polega na szybkim schłodzeniu (zahartowaniu) wsadu bezpośrednio po nawęglaniu i z temperatury nawęglania. To najprostsza, najszybsza i najtańsza metoda hartowania. Gwarantuje też utrzymanie powierzchniowego stężenia węgla, a mniejsza ilość nagrzewań i schłodzeń to mniejsze ryzyko odkształceń. Niestety hartowanie to wykonywane jest z wysokiej temperatury, co jest przyczyną rozrostu ziaren i pogorszenia własności mechanicznych, jak to opisano w tym artykule. Ta metoda promuje też rozwój austenitu szczątkowego w stalach stopowych w warstwach o większej zawartości węgla. Metoda stosowana dla części, której nie są stawiane zbyt wysokie wymagania. Najlepiej nadaje się do stali drobnoziarnistych.

Hartowanie bezpośrednie z podchładzaniem polega na ochłodzeniu wsadu po nawęglaniu z temperatury nawęglania (850-950°C) do temperatury optymalnej dla hartowania (780-850°C) i następnie zahartowania w kąpieli chłodzącej. Konieczność ochładzania całego pieca powoduje wydłużenie procesu technologicznego. Metoda nie powoduje rozrostu ziarna i nawet lepiej zabezpiecza przed odkształceniami hartowniczymi. Ważny jest tu dobór temperatury podchłodzenia do danej stali. W niektórych stalach w temperaturze 790°C austenit w rdzeniu może zmienić się w ferryt, który nie ulega przemianie w bainit podczas hartowania, zatem element będzie miał gorsze własności mechaniczne.

Hartowanie bezpośrednie z przemianą perlityczną polega na schłodzeniu wsadu po nawęglaniu do temperatury 600-650°C, wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej, następnie podgrzaniu do temperatury hartowania 780-850°C i po wyrównaniu temperatur zahartowaniu w kąpieli chłodzącej. Ten sposób umożliwia uzyskanie korzystnego, drobnoiglastego martenzytu przy nawęglaniu stali gruboziarnistych.

Hartowanie jednokrotne polega na powolnym schłodzeniu wsadu po nawęglaniu, następnie na nagrzaniu do temperatury 780-850°C zahartowaniu z tej temperatury. Powoduje straty czasu i konieczność dodatkowego nagrzewania, a dodatkowo powolne chłodzenie daje możliwość wydzielenia się węglików w warstwie wierzchniej oraz ferrytu w rdzeniu. Metoda stosowana, gdy między nawęglaniem a hartowaniem potrzebna jest obróbka skrawająca, lub gdy hartowanie bezpośrednie jest niemożliwe.

Hartowanie dwukrotne to połączenie hartowania bezpośredniego z hartowaniem jednokrotnym - najpierw hartuje się z temperatury nawęglania, potem ponownie nagrzewa do temperatury 780-850°C i hartuje z tej temperatury. Metoda jest w tym lepsza od hartowania jednokrotnego, że usuwa ryzyko powstania węglików lub ferrytu. Niestety, metoda niesie za sobą duże ryzyko odkształceń hartowniczych.

Bibliografia

A. Moszczyński, Nawęglanie gazowe stali, WNT, 1983

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1986