Obróbka cieplna polega na wykorzystaniu temperatury do modyfikacji właściwości konkretnego materiału, zwłaszcza w metalurgii. Proces ten odbywa się poprzez ogrzewanie i chłodzenie. Służy do zmiany jednej lub więcej właściwości mechanicznych, chemicznych bądź fizycznych danego materiału w celu uzyskania pożądanych właściwości, takich jak zwiększona wytrzymałość, twardość, odporność na uderzenia, mięknienie czy zwiększenie ciągliwości. Nawęglanie oraz azotowanie to dwie techniki stosowane w procesie różnicowego utwardzania konstrukcji metalowych. Sprawdzamy co je łączy i dzieli, a także wskazujemy najważniejsze zastosowania tego typu obróbki cieplnej.
Na czym polega azotowanie plazmowe?
Azotowanie to proces obróbki cieplnej, który polega na dyfuzji azotu do powierzchni metalu w celu zwiększania odporności materiału na ścieranie i korozję oraz jego wytrzymałość zmęczeniową. Proces ten wykorzystuje azot i temperaturę. Cykl azotowania rozpoczyna się od umieszczenia produktu w komorze próżniowej. Po osiągnięciu odpowiedniego stanu wewnątrz komory jest ona napełniana gazem procesowym, aby rozpocząć cykl wstępnego podgrzewania.
W standardowym cyklu podgrzewania temperatura azotowania obejmuje zakres od 450 do 550 °C. Po upływie określonego czasu nagrzewania gaz procesowy jest jonizowany, usuwając zanieczyszczenia z powierzchni obrabianego materiału. Po wystarczającym oczyszczeniu powierzchni danego elementu rozpoczyna się cykl azotowania. Azotowanie antykorozyjne może trwać od kilku do kilkudziesięciu godzin. Technika ta ceniona jest ze względu na niemalże całkowity brak odkształceń i naprężeń obrabianego materiału. Stal azotowana ma doskonałą odporność na zużycie oraz korozję. Poprawia się także jej trwałość zmęczeniowa.
Nawęglanie gazowe – czym się charakteryzuje?
Nawęglanie to proces obróbki cieplnej, w którym przypowierzchniowe warstwy stali podlegają nasyceniu węglem. Proces prowadzi do utwardzenia materiału, co pozwala na wykorzystanie danego elementu w szerszej gamie zastosowań. Dłuższe czasy nawęglania gazowego i wyższe temperatury tego procesu zwykle zwiększają głębokość dyfuzji węgla. Proces ten opiera się na tlenku węgla bądź metanie. Po nim zazwyczaj następuje hartowanie materiału. Nawęglanie gazowe często wykorzystuje się w przypadku utwardzania powierzchni stali niskowęglowej i niskostopowej. Oprócz nawęglania gazowego możemy wymienić jonizacyjne (plazmowe) oraz próżniowe.
Azotowanie a nawęglanie – jakie są różnice pomiędzy tymi procesami?
Azotowanie i nawęglanie to dwie najpopularniejsze praktyki obróbki cieplnej elementów funkcjonalnych w celu utwardzania powierzchni. Podstawowa różnica pomiędzy nimi to oczywiście pierwiastek nasycający. Jak same nazwy wskazują, w azotowaniu wykorzystuje się azot, a w nawęglaniu – węgiel. Istotna jest również temperatura, do jakiej nagrzewa się materiał podczas poszczególnych procesów. Temperatura azotowania wynosi ok. 450–550 °C, natomiast nawęglania gazowego ok. 850–900 °C.
Warto wspomnieć, że stal azotowana będzie nieco twardsza (900–1200 HV) od podobnego materiału, poddanego nawęglaniu (700 HV). Różnica ta wynika także z faktu, że w ramach pierwszego z wymienionych procesów obrabia się zazwyczaj wysokiej jakości stale stopowe. Natomiast drugi proces dedykowany jest raczej materiałom niestopowym niższej jakości. Co istotne, materiał poddany azotowaniu wykazuje własności antykorozyjne, a stal nawęglana nie.
Ważna jest również kolejność. W azotowaniu plazmowym stal jest najpierw poddawana obróbce cieplnej, a dopiero po niej następuje azotowanie. W przypadku nawęglania gazowego sytuacja będzie odwrotna – najpierw nawęglanie materiału, a po nim obróbka cieplna.
Na koniec trzeba zauważyć, że w obu procesach istotna jest kwestia odpuszczania. Stal azotowana wymaga wysokiego odpuszczania, by wywołany został efekt twardości wtórnej. Natomiast w materiałach nawęglonych nie należy stosować wysokiego odpuszczania (czyli takiego w temperaturze powyżej 500 °C), aby nie zmiękczyć ich powierzchni.
Azotowanie i nawęglanie – gdzie mają zastosowanie?
Azotowanie antykorozyjne jest bardzo popularnym rozwiązaniem w przypadku konieczności skutecznego zabezpieczenia wszelkiego rodzaju stalowych ruchomych części mechanizmów, takich jak np.: wały korbowe, koła zębate, elementy zaworów, sprzęgieł czy silników. Z powodzeniem można wykorzystać ten proces do obróbki komponentów umieszczanych w maszynach, które pracują w środowisku wilgotnym. Azotowanie jest również szeroko stosowane w przypadku narzędzi formowanych na zimno oraz matryc kuźniczych.
Podobnie jak azotowanie, także nawęglanie gazowe może być wykorzystane do obróbki cieplnej wielu rodzajów stali. Wykonane z niej części znajdują zastosowanie np. w maszynach, w których wymagana jest wysoka twardość powierzchni w połączeniu z dobrą ciągliwością rdzenia oraz wysoką wytrzymałością i odpornością na zmęczenie danego materiału. Mowa tutaj o takich komponentach jak np. koła zębate, podzespoły turbin wiatrowych, elementy pomp czy skrzyni biegów.