Proces, w którym stal niskowęglowa jest przekształcana w wysokowęglową nazywany jest nawęglaniem. Odbywa się to poprzez wystawienie jej na działanie w warunkach bogatych w węgiel. Zazwyczaj elementy nawęglane są w piecach, kadziach i innych instalacjach zamkniętych. Ogrzewając blachę stalową w atmosferze gęstego węgla, obiekt przyczepi te atomy do swojej powierzchni na poziomie molekularnym. Podczas tego procesu stal zyskuje zarówno twardość, jak i wytrzymałość.
Zalety nawęglania precyzyjnych komponentów
Nawęglanie jest jedną z najpopularniejszych form hartowania. Może zapewnić elementom różny stopień twardości. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa temperatura nawęglania i dłuższy czas, tym twardszy będzie nawęglany przedmiot.
Główne zalety nawęglania:
- Tworzy twardą powierzchnię stali poprzez zwiększenie zawartości węgla w powierzchni.
- Zwiększona twardość powierzchni skutkuje zwiększoną odpornością na zużycie i zmęczenie materiału.
- Rdzenie stalowe w dużej mierze zachowują swoją plastyczność.
- W niektórych przypadkach może działać jako remedium na niechcianą dekarbonizację, która ma miejsce na wczesnym etapie procesu produkcyjnego.
Głębokość warstwy nawęglonej stali jest funkcją czasu nawęglania i potencjału węgla dostępnego na powierzchni. Dłuższy czas nawęglania jest stosowany w celu uzyskania większej głębokości utwardzonej warstwy, wysoki potencjał węglowy powoduje wysoką zawartość węgla na powierzchni, co może skutkować nadmiarem austenitu szczątkowego lub wolnych węglików. Te dwa elementy mikrostruktury mają negatywny wpływ na rozkład naprężeń własnych w elementach nawęglanych.
Atmosfera nawęglająca musi być zdolna do przenoszenia węgla do stali, aby zapewnić pożądaną twardość powierzchni. Transfer ten musi być ściśle kontrolowany pod względem stężenia węgla na powierzchni stali, aby spełnić wymagania dotyczące tolerancji twardości. Stężenie można kontrolować za pomocą stosunku (% obj. CO) ²/ (% obj. CO2) w atmosferze pieca.
Proces nawęglania precyzyjnych komponentów
Podczas gdy podstawy nawęglania niewiele się zmieniły od jego powstania, techniki wstawiania węgla uległy poprawie. Poniżej przedstawione zostały powszechnie stosowane w przemyśle procesy nawęglania.
- Nawęglanie okresowe — w tym procesie elementy ze stali miękkiej są otoczone środowiskiem o wysokiej zawartości węgla, takim jak wióry żeliwne lub proszek węglowy. Elementy te są podgrzewane w celu wytworzenia tlenku węgla, środka redukującego. Redukcja zachodzi na powierzchni stali, podczas gdy uwalnianie węgla dyfunduje na powierzchnię pod wpływem wysokiej temperatury. Stal twardnieje, gdy węgiel jest wchłaniany do wnętrza elementu, a jego zawartość na powierzchni waha się od 0,7% do 1,3%, w zależności od środowiska procesu. Głębokość powłoki wynosi około 0,1 mm do 1,5 mm. Nawęglanie okresowe jest trudne do kontrolowania, ponieważ problematycznym jest utrzymać jednolitą temperaturę.
- Nawęglanie gazowe – Podczas tego procesu część jest otoczona atmosferą zawierającą węgiel, która jest stale uzupełniana, dzięki czemu utrzymuje się wysoki potencjał węglowy. Chociaż szybkość nawęglania jest znacznie zwiększona w atmosferze gazowej, metoda ta wymaga zastosowania atmosfery wieloskładnikowej, której skład musi być bardzo ściśle kontrolowany, aby uniknąć szkodliwych skutków ubocznych, takich jak tlenki powierzchniowe i graniczne ziaren. Ponadto wymagany jest oddzielny sprzęt do tworzenia atmosfery i kontrolowania jej składu. Proces nawęglania gazowego jest teoretycznie podobny do procesu nawęglania okresowego, z tą różnicą, że do pieca doprowadzany jest tlenek węgla (CO) i następuje rozkład węgla. Gaz CO musi być bezpiecznie zamknięty. Pomimo zwiększonej złożoności, nawęglanie gazowe stało się najbardziej wydajną i szeroko stosowaną metodą nawęglania części stalowych w dużych ilościach.
- Nawęglanie płynne — w tym procesie elementy stalowe są zanurzane w płynnym, bogatym w węgiel środowisku. Głównym składnikiem tej kąpieli jest cyjanek. Jednak ze względów bezpieczeństwa opracowano nietoksyczne kąpiele, które osiągają podobne rezultaty. Części są konserwowane w stopionej soli, która wprowadza węgiel do stali. Dyfunduje on do wewnątrz poprzez szybkie hartowanie, tworząc utwardzoną skorupę. Osłonki wytwarzane przez nawęglanie są podobne do tych wytwarzanych przez nawęglanie gazowe. Obudowa wykonana z ciekłego nawęglania charakteryzuje się niską zawartością azotu i wysoką zawartością węgla.
- Nawęglanie próżniowe — Proces polega na nawęglaniu w środowisku beztlenowym i niskim ciśnieniu. Atmosfera jest znacznie prostsza, chociaż powłoka pieca jest bardziej skomplikowana. Używane jest jednoskładnikowe środowisko zawierające proste gazowe węglowodory, takie jak metan. Takie zastosowanie do ogrzewania jest wolne od tlenu, dzięki czemu temperaturę nawęglania można znacznie zwiększyć bez utleniania powierzchni lub granic ziaren. Wyższe temperatury zwiększają rozpuszczalność węgla i szybkość dyfuzji. Chociaż nawęglanie próżniowe przezwycięża niektóre komplikacje związane z nawęglaniem gazowym, wprowadza nowy poważny problem, którym należy się zająć. Ponieważ nawęglanie próżniowe odbywa się pod bardzo niskim ciśnieniem, natężenie przepływu gazu nawęglającego do pieca jest bardzo małe, a potencjał węglowy gazu w głębokich wgłębieniach i otworach nieprzelotowych zostaje nikły. Jeśli nie zostanie uzupełniony, głębokość obudowy na powierzchni części może się znacznie różnić. Jeśli ciśnienie powietrza zostanie znacznie zwiększone, aby przezwyciężyć ten problem, pojawia się inny, postaci osadów wolnego węgla lub sadzy. Dlatego, aby uzyskać dość równomierną głębokość na częściach o skomplikowanych kształtach, ciśnienie powietrza musi być okresowo zwiększane w celu uzupełnienia zubożonej atmosfery we wnęce, a następnie ponownie obniżane do ciśnienia roboczego. Oczywiste jest, że w procesie nawęglania próżniowego istnieje delikatna równowaga: warunki procesu muszą być dostosowane, aby osiągnąć najlepszy kompromis między jednorodnością osłonki, ryzykiem powstawania sadzy i szybkością nawęglania.
- Nawęglanie plazmowe — W tej metodzie plazma osadza dodatnio nawęglone jony na powierzchni elementu stalowego. Główną różnicą między nawęglaniem konwencjonalnym a nawęglaniem plazmowym jest skrócony czas przy zastosowaniu metody plazmowej. Szybko osiągnięte nasycenie powierzchni prowadzi również do szybszej kinetyki dyfuzji. Ponadto nawęglanie plazmowe umożliwia uzyskanie bardzo jednolitej głębokości nawęglania, nawet na częściach o nieregularnych powierzchniach. Jest ono coraz częściej stosowane w dużych zakładach przemysłowych w celu poprawy właściwości powierzchni (takich jak odporność na zużycie i korozję, twardość i nośność, a także zmienne zależne od masy) różnych gatunków stali, zwłaszcza stali nierdzewnej. Proces ten jest stosowany, ponieważ jest przyjazny dla środowiska (w porównaniu do nawęglania gazowego). Może również równomiernie obrabiać części o złożonej geometrii (plazma może przenikać przez otwory i wąskie szczeliny), co czyni go bardzo elastycznym w obróbce części.
Stal nawęglająca
Zawartość węgla w nawęglonej stali wynosi na ogół około 0,2%, a zawartość węgla w nawęglonej warstwie jest ogólnie kontrolowana w zakresie od 0,8% do 1%. Jednak zawartość węgla na powierzchni jest zwykle ograniczona do 0,9%, ponieważ zbyt wysoka zawartość prowadzi do austenitu szczątkowego i kruchego martenzytu.
Większość stali nawęglanych to stale uspokojone (odtlenione przez dodanie aluminium), które zachowują drobne ziarna do około 1040°C. Stale gruboziarniste można nawęglać, jeśli podwójne hartowanie zapewnia rozdrobnienie ziarna. Zwykle obejmuje ono hartowanie bezpośrednie, po którym następuje ponowne hartowanie w niższej temperaturze.
Wybór gatunków stali
Przy wyborze gatunków stali, zawartość stopu i węgla jest najpierw wymagana, aby spełnić aspekty dotyczące twardości rdzenia po austenityzowaniu, hartowaniu i odpuszczaniu. W przypadku określonego wymogu twardości rdzenia oznacza to, że wraz ze wzrostem rozmiaru obrabianej części rośnie wymagana zawartość stopu. Hartowność stali nawęglanych musi być wystarczająco dobra, aby uzyskać martenzytyczną powłokę powierzchniową na żądaną głębokość. Stal do nawęglania musi zawierać pewną ilość pierwiastków stopowych. Kolejnym wymaganiem jest, aby stal stosowana do nawęglania była drobnoziarnista. Oznacza to, że stal powinna zawierać pierwiastek stopowy, najczęściej aluminium, który tworzy osady. Działają one jak bariera dla wzrostu ziarna, aż do osiągnięcia określonej maksymalnej temperatury, zazwyczaj około 950°C.
Hartowność rdzenia
Wiele stali stopowych przeznaczonych do utwardzania powierzchniowego jest obecnie określanych na podstawie hartowności rdzenia. Podczas gdy te same względy dotyczą ogólnie wyboru gatunków nie nawęglanych, istnieją pewne specyfiki w zastosowaniach nawęglanych. Przede wszystkim w przypadku nawęglania stali należy wziąć pod uwagę hartowność rdzenia i powłoki. Ze względu na różnicę w zawartości węgla skorupa i rdzeń mają zupełnie inną hartowność, a dla niektórych stali różnica ta jest znacznie większa, niż dla innych. Ponadto te dwa elementy pełnią różne funkcje podczas pracy. Przed wprowadzeniem stali niskostopowych zawierających bor nie trzeba było martwić się o hartowność skorupy, ponieważ zawartość stopu w połączeniu z wysoką zawartością węgla zawsze zapewniała wystarczającą hartowność. Pamiętajmy jednak, że stal jest hartowana bezpośrednio po nawęglaniu w celu rozpuszczenia węgla i pierwiastków stopowych w austenicie obudowy, a w przypadku części utwardzanych przez ponowne nagrzewanie, jak również części o dużych przekrojach – należy dokładnie ocenić wymagania dotyczące hartowności powłoki i rdzenia.
Zależność między gradientem termicznym a gradientem węgla podczas hartowania nawęglonych części może być mierzalną różnicą w głębokości wżeru i twardości. Oznacza to, że dla danego poziomu węgla wzrost hartowności podłoża może prowadzić do powstania większego udziału martenzytu, co skutkuje większą zmierzoną głębokością wżerów. Dlatego płytszy profil węgla i krótszy czas nawęglania mogą być wykorzystane do uzyskania pożądanego rezultatu w odpowiednio dobranej stali.