Nawęglanie stali krok po kroku

Metale są materiałami o dużej odporności i twardości, z których wykonuje się elementy, które mają zapewniać dobrą wytrzymałość na różne obciążenia mechaniczne. Istnieje jednak wiele obszarów, w których parametry, jakie oferują popularnie używane stopy stali, okazują się niewystarczające. W takich sytuacjach wybrane podzespoły lub ich części poddaje się dodatkowej obróbce, która ma zapewnić im poprawę właściwości pod wybranym względem. Często stosowanymi metodami podniesienia własności użytkowych metali są procesy obróbki cieplnej w tym hartowania lub ulepszania cieplnego i obróbki cieplno-chemicznej, m.in. nawęglania stali. Przyjrzyjmy się temu, jak przebiega ten proces i jakie można dzięki niemu uzyskać efekty.

Obróbka cieplno-chemiczna stali

Obróbka cieplno-chemiczna stali polega na wprowadzeniu do wierzchniej warstwy materiału atomów innej substancji, która ma polepszyć parametry wyrobu. Do tego, by proces mógł zajść, wykorzystuje się wysoką temperaturę, dzięki której zmiana struktury jest możliwa. Nawęglanie, które jest jedną z częściej wykorzystywanych metod obróbki cieplno-chemicznej jest możliwe dzięki zjawisku dyfuzji. W jej ramach w powierzchni nagrzanego metalu zachodzi zjawisko wyrównania ilości składników. Ze środowiska zawierającego dużą ilość atomów węgla część z nich przechodzi do struktury stali, w której jest ich mniej.

Proces nawęglania musi być więc prowadzony w środowisku, w którym występuje duża ilość węgla. Jest to możliwe dzięki kontaktowi stali z ciałem stałym, cieczą lub gazem zawierającym dużą ilość atomów węgla. W efekcie dyfuzji węgla zewnętrzna warstwa stali może zawierać do 0,8% węgla, na głębokości od 0,5 do 2 mm. Do zajścia dyfuzji niezbędne jest uzyskanie wysokiej temperatury, sięgającej od 900 do 950°C. Po nawęglaniu element stalowy powinien być poddany procesowi hartowania i odpuszczania, dzięki którym uzyska twardość powierzchniową nawet 60 HRC w skali Rockwella. Nawęglanie stali jest stosowane głównie przy produkcji elementów, które muszą mieć wysoką wytrzymałość na ścieranie i nacisk powierzchniowy, takich jak np. wałki, pierścienie, koła zębate czy niektóre elementy złączne.

Zastosowania nawęglanych komponentów w konstrukcjach technicznych

Elementy poddane nawęglaniu są powszechnie wykorzystywane w układach, gdzie dochodzi do częstego kontaktu mechanicznego pomiędzy ruchomymi częściami. Proces ten znajduje zastosowanie przede wszystkim przy produkcji przekładni zębatych, gdzie istotna jest nie tylko odporność na ścieranie, ale też zachowanie geometrii zębów mimo długotrwałego obciążenia. Korzysta się z niego również przy wytwarzaniu elementów ciernych, takich jak tuleje, sworznie czy prowadnice, które muszą pracować w ruchu ślizgowym lub oscylacyjnym bez ryzyka szybkiego zużycia powierzchni. Nawęglanie jest też popularnym rozwiązaniem w produkcji łożysk, zwłaszcza tych wykorzystywanych w maszynach narażonych na zmienne warunki pracy i cykliczne zmiany obciążeń.

Korzyści technologiczne wynikające z nawęglania

Jednym z głównych atutów nawęglania jest możliwość uzyskania selektywnego utwardzenia wyłącznie w obszarze powierzchniowym bez wpływu na właściwości mechaniczne całego przekroju elementu. Pozwala to projektantom na optymalne łączenie twardości z odpornością na uderzenia, co nie byłoby możliwe przy klasycznym hartowaniu całkowitym. Proces nawęglania umożliwia także ograniczenie wagi detali, ponieważ do ich produkcji można wykorzystać stale niskowęglowe, które są łatwiejsze w obróbce przed nawęglaniem i tańsze niż ich wysokowęglowe odpowiedniki. Dodatkowo kontrolowane warunki atmosfery nawęglającej pozwalają na uzyskanie równomiernej warstwy utwardzonej, co przekłada się na powtarzalność i stabilność parametrów gotowych produktów.

Nowoczesne technologie nawęglania a precyzja procesu

Współczesne technologie nawęglania coraz częściej wykorzystują zaawansowane systemy sterowania komputerowego, co pozwala na bardzo precyzyjne monitorowanie i regulowanie parametrów procesu. Dzięki temu możliwe jest dokładne dostosowanie temperatury, czasu trwania oraz składu atmosfery nawęglającej do wymagań konkretnego detalu. Automatyzacja procesu znacząco zmniejsza ryzyko błędów, a tym samym podnosi jakość finalnych produktów. Co więcej, nowoczesne piece nawęglające umożliwiają prowadzenie procesu w próżni lub atmosferze kontrolowanej, co dodatkowo redukuje ryzyko powstawania niepożądanych warstw tlenków na powierzchni materiału.