Stal do nawęglania – właściwości, rodzaje i zastosowania

Stale do nawęglania - wprowadzenie

Stal do nawęglania to specjalny rodzaj stali, który po procesie nawęglania i hartowania uzyskuje twardą i odporną na zużycie powierzchnię przy jednoczesnym zachowaniu plastycznego i wytrzymałego rdzenia. Dzięki tym właściwościom jest szeroko stosowana w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym, lotniczym i narzędziowym, szczególnie do produkcji kół zębatych, wałów, sworzni i łożysk, które muszą być odporne na ścieranie i uderzenia.

Nawęglanie pozwala na kontrolowane zwiększenie zawartości węgla w warstwie powierzchniowej wyrobu stalowego, co umożliwia jej późniejsze utwardzenie przez hartowanie. Rdzeń natomiast pozostaje ciągliwy i odporny na pękanie, co zapewnia długą żywotność elementów poddawanych dużym obciążeniom dynamicznym.

Czym jest stal do nawęglania?

Stale do nawęglania można podzielić na stopowe i niestopowe.

Stale niestopowe zawierają poniżej 0,45% C oraz max. 0,75% Mn, dodatkowo mogą zawierać podwyższoną zawartość S, w celu poprawy skrawalności. Po operacji nawęglania poddaje się je hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu w celu uzyskania twardej warstwy wierzchniej i miękkiego ciągliwego rdzenia. Ze względu na ograniczona hartowność najczęściej wykonuje się niej małe elementy maszyn. Stale dostarczone w stanie wyżarzonym zmiękczająco poddaje się obróbce skrawaniem, a następnie nawęglaniu w temperaturze ok. 890°C i hartuje bezpośrednio z tej temperatury, a w ostatnim etapie elementy stalowe poddaje się odpuszczeniu w temperaturze od 150°C d0 200°C.

Stale stopowe do nawęglania cechują się wysokim własnościami wytrzymałościowymi nawęglonej warstwy wierzchniej i dużą ciągliwością rdzenia. Dodatkowo wyróżnia je odporność na przegrzanie, dobra skrawalność, mała podatność do odkształceń podczas obróbki cieplnej, a także hartowność odpowiednia do przekroju, obciążeń i cech geometrycznych gotowych wyrobów.
Charakteryzują się niską zawartością węgla (0,10–0,25% C) i zazwyczaj dodatkiem Cr w ilości 0,8-1,7% oraz dodatkami Mn, Ni, Mo, Ti, W, V. W stalach stopowych dodatki pierwiastków odgrywają bardzo ważną rolę, zapewniając wysokie własności wytrzymałościowe warstwy nawęglonej oraz plastyczny rdzeń.
Dodatki Cr, Mn i Ni poprawiają hartowność oraz zmniejszają naprężenia hartownicze warstwy nawęglonej. Temperatura, w której przeprowadzane jest nawęglanie często zależy od metody tej obróbki cieplnej i wynosi np. 1050°C w przypadku nawęglania próżniowego. W końcowym etapie obróbki cieplnej przeprowadza się niskie odpuszczanie.

W wyniku tych operacji rdzeń zachowuje dobrą plastyczność i odporność na pękanie. Po nawęglaniu i hartowaniu warstwa powierzchniowa osiąga twardość do 60 HRC, co zapewnia wysoką odporność na ścieranie.

Najczęściej stosowane stale do nawęglania to:
🔹 16MnCr5 (1.7131)  – popularna stal nawęglana o dobrych właściwościach mechanicznych.
🔹 20MnCr5 (1.7147)  – wersja o wyższej zawartości manganu, zwiększająca hartowność.
🔹 16/20MnCrS5 (1.7131/1.7147)
🔹 18CrNiMo7-6 (1.6587) – stal wysokostopowa o wysokiej wytrzymałości rdzenia.
🔹 20CrMo5 (1.7264) – stal nawęglana z dodatkiem molibdenu, zwiększająca odporność na pełzanie.
🔹 C15 (1.0401) ; C15E (1.1141) ; C15R (1.1140)
🔹 20CrMo5 (1.7264) – stal nawęglana z dodatkiem molibdenu, zwiększająca odporność na pełzanie.

Skład chemiczny stali do nawęglania?

W składzie chemicznym stali do nawęglania dominują pierwiastki poprawiające hartowność, odporność na zmęczenie i ścieranie.

Węgiel (C) -    Odpowiada za twardość powierzchni po nawęglaniu
Mangan (Mn) -    Poprawia wytrzymałość rdzenia
Chrom (Cr) -    Zwiększa odporność na zużycie i korozję
Molibden (Mo) -    Zwiększa odporność na pełzanie i stabilizuje strukturę
Nikiel (Ni) -    Poprawia ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne

Dzięki różnym kombinacjom tych pierwiastków stale do nawęglania mogą być optymalizowane pod kątem wytrzymałości rdzenia i odporności powierzchniowej na zużycie.

Właściwości mechaniczne stali do nawęglania?

Stale do nawęglania przed i po obróbce cieplnej wykazują różne właściwości mechaniczne.

Po nawęglaniu i hartowaniu stal uzyskuje twardą powierzchnię i sprężysty rdzeń, dzięki czemu jest bardzo dobrym materiałem na części pracujące w warunkach dużych obciążeń dynamicznych.

Proces nawęglania i obróbki cieplnej

Proces obróbki cieplnej składa się z kilku etapów:
Nawęglanie to operacja polegająca na nagrzaniu stali do temperatury 850–950°C w obecności węglonośnego medium (np. gazowego, ciekłego lub stałego), co pozwala na dyfuzję węgla do warstwy powierzchniowej.
Hartowanie to szybkie chłodzenie w oleju lub wodzie, co powoduje utwardzenie powierzchni.
Odpuszczanie to nagrzanie do 150–200°C, aby poprawić odporność na pękanie i odprężenia materiału.
Dzięki temu połączenie twardej powierzchni i elastycznego rdzenia sprawia, że stale do nawęglania są wyjątkowo odporne na zużycie i zmęczenie materiałowe.

Zastosowanie stali do nawęglania

Stal ta jest wykorzystywana wszędzie tam, gdzie wymagane są twarde powierzchnie i elastyczne rdzenie, co gwarantuje wysoką trwałość elementów. Typowe zastosowania obejmują:
1. Przemysł motoryzacyjny

• Koła zębate, wały rozrządu i sworznie tłokowe
• Elementy skrzyń biegów i mechanizmów różnicowych
• Tuleje, krzywki i części zawieszenia

2. Przemysł maszynowy

• Przekładnie i wały napędowe
• Prowadnice, rolki i łożyska
• Elementy pomp hydraulicznych i mechanizmów precyzyjnych

3. Przemysł lotniczy i energetyczny

• Turbiny i wały w elektrowniach
• Elementy wirników i przekładnie lotnicze
• Części pracujące pod dużymi obciążeniami dynamicznymi

Zalety stali do nawęglania?

✅ Bardzo twarda powierzchnia – zapewnia odporność na ścieranie i długą żywotność.
✅ Plastyczny rdzeń – odporność na pękanie i zmęczenie materiałowe.
✅ Możliwość hartowania powierzchniowego – precyzyjne dostosowanie właściwości mechanicznych.
✅ Dobra odporność na obciążenia dynamiczne – idealna do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych.
✅ Szerokie zastosowanie w technice napędowej – używana w wałach, przekładniach i kołach zębatych.

🚫 Ograniczenia:
❌ Wymaga skomplikowanej obróbki cieplnej – konieczne jest precyzyjne nawęglanie i hartowanie.
❌ Nie nadaje się do konstrukcji wymagających jednolitej twardości – różnice między powierzchnią a rdzeniem mogą powodować nierównomierne obciążenia.

Podsumowanie
Stal do nawęglania to kluczowy materiał stosowany w motoryzacji, przemyśle maszynowym i lotnictwie, gdzie istotne jest połączenie twardej powierzchni i elastycznego rdzenia. Dzięki procesowi nawęglania i hartowania, stale te uzyskują wyjątkową odporność na ścieranie i zmęczenie, dzięki czemu są używane do zastosowań w układach napędowych i przekładniach.
🔩 Szukasz odpowiedniego gatunku stali do nawęglania? Skontaktuj się z nami – pomożemy dobrać najlepsze rozwiązanie! ⚙️🔥