Uhlíkové ocele - vlastnosti, typy a aplikácie

Ocele na nauhličovanie - úvod

Oceľ na nauhličovanie je špeciálny typ ocele, ktorá po nauhličovaní a kalení dosahuje tvrdý a proti opotrebovaniu odolný povrch pri zachovaní tvárneho a pevného jadra. Vďaka týmto vlastnostiam sa široko používa v automobilovom, strojárskom, leteckom a nástrojárskom priemysle, najmä na ozubené kolesá, hriadele, čapy a ložiská, ktoré musia byť odolné voči oderu a nárazom.

Uhličenie umožňuje riadené zvýšenie obsahu uhlíka v povrchovej vrstve oceľového výrobku, čo umožňuje jeho následné kalenie kalením. Na druhej strane jadro zostáva tvárne a odolné voči lomom, čo zabezpečuje dlhú životnosť komponentov vystavených vysokým dynamickým zaťaženiam.

Čo je nauhličovanie ocele?

Uhlíkové ocele možno rozdeliť na legované a nelegované ocele.

Nelegované ocele obsahujú menej ako 0,45 % C a maximálne 0,75 % Mn a môžu navyše obsahovať zvýšený obsah S na zlepšenie obrobiteľnosti. Po nauhličovaní sa podrobujú kaleniu a nízkemu popúšťaniu, aby sa získala tvrdá povrchová vrstva a mäkké tvárne jadro. Vzhľadom na obmedzenú kaliteľnosť sa najčastejšie používa na malé strojné súčiastky. Ocele dodané v žíhanom zmäkčenom stave sa obrábajú a potom sa nauhličujú pri teplote približne 890 °C a priamo od tejto teploty sa kalia a v poslednej fáze sa oceľové súčiastky popúšťajú pri teplote 150 °C až0 200 °C.

Uhlíkovélegované ocele sa vyznačujú vysokými pevnostnými vlastnosťami nauhličenej povrchovej vrstvy a vysokou ťažnosťou jadra. Okrem toho sa vyznačujú odolnosťou voči prehriatiu, dobrou obrobiteľnosťou, nízkou náchylnosťou na deformácie počas tepelného spracovania a kaliteľnosťou vhodnou pre prierez, zaťaženie a geometrické vlastnosti hotových výrobkov.
Vyznačujú sa nízkym obsahom uhlíka (0,10 - 0,25 % C) a zvyčajne majú prídavok Cr 0,8 - 1,7 % a prídavky Mn, Ni, Mo, Ti, W, V. V legovaných oceliach zohrávajú prídavky prvkov veľmi dôležitú úlohu pri zabezpečovaní vysokých pevnostných vlastností nauhličovanej vrstvy a tvárneho jadra.
Prídavky Cr, Mn a Ni zlepšujú kaliteľnosť a znižujú kaliace napätia nauhličenej vrstvy. Teplota, pri ktorej sa vykonáva nauhličovanie, často závisí od metódy tohto tepelného spracovania a pri vákuovom nauhličovaní je to napríklad 1050 °C. V poslednej fáze tepelného spracovania sa vykonáva nízke popúšťanie.

V dôsledku týchto operácií si jadro zachováva dobrú ťažnosť a odolnosť voči lomu. Po nauhličovaní a kalení dosahuje povrchová vrstva tvrdosť až 60 HRC, čo zabezpečuje vysokú odolnosť proti opotrebovaniu.

Na nauhličovanie sa najčastejšie používajú tieto ocele:
🔹 16MnCr5 (1.7131 ) - obľúbená nauhličovaná oceľ s dobrými mechanickými vlastnosťami.
🔹 20MnCr5 (1.7147 ) - verzia s vyšším obsahom mangánu, čo zvyšuje tvrditeľnosť.
🔹 16/20MnCrS5 (1.7131/1.7147)
🔹 18CrNiMo7-6 (1.6587) - vysokolegovaná oceľ s vysokou pevnosťou jadra.
🔹 20CrMo5 (1.7264) - nauhličovaná oceľ s prídavkom molybdénu na zvýšenie odolnosti proti tečeniu.
🔹 C15 (1.0401); C15E (1.1141 ) ; C15R (1.1140)
🔹 20CrMo5 (1.7264) - nauhličená oceľ s prídavkom molybdénu na zlepšenie odolnosti proti tečeniu.

Chemické zloženie nauhličovaných ocelí?

V chemickom zložení nauhličujúcich ocelí prevládajú prvky, ktoré zlepšujú kaliteľnosť, únavu a odolnosť proti opotrebovaniu.

Uhlík (C) - zodpovedá za povrchovú tvrdosť po nauhličovaní
Mangán (Mn ) - zlepšuje pevnosť jadra
Chróm (Cr) - zlepšuje odolnosť proti opotrebovaniu a korózii
Molybdén (Mo) - zvyšuje odolnosť proti tečeniu a stabilizuje štruktúru
Nikel (Ni) - zvyšuje húževnatosť a odolnosť voči dynamickému zaťaženiu

Rôznymi kombináciami týchto prvkov možno optimalizovať pevnosť jadra a odolnosť povrchu proti opotrebovaniu.

Mechanické vlastnosti nauhličovaných ocelí?

Uhlíkové ocele pred a po tepelnom spracovaní vykazujú rôzne mechanické vlastnosti.

Po nauhličovaní a kalení sa na oceli vytvorí tvrdý povrch a pružné jadro, čo z nej robí veľmi dobrý materiál pre diely pracujúce pri vysokých dynamických zaťaženiach.

Proces nauhličovania a tepelného spracovania

Proces tepelného spracovania pozostáva z niekoľkých fáz:
Uhličovanie je proces zahrievania ocele na 850 - 950 °C v prítomnosti uhlíkového média (napr. plynného, kvapalného alebo pevného), ktoré umožňuje difúziu uhlíka do povrchovej vrstvy.
Kalenie je rýchle ochladenie v oleji alebo vode, ktoré spevní povrch.
Kalenie je zahrievanie na 150 - 200 °C s cieľom zvýšiť odolnosť materiálu proti praskaniu a zmierniť napätie.
Vďaka kombinácii tvrdého povrchu a pružného jadra sú tak nauhličené ocele mimoriadne odolné voči opotrebovaniu a únave.

Použitie nauhličovaných ocelí

Tieto ocele sa používajú všade tam, kde sa vyžaduje tvrdý povrch a pružné jadro na zaručenie vysokej životnosti súčiastok. Typické aplikácie zahŕňajú:
1. Automobilový priemysel

• Ozubené kolesá, vačkové hriadele a piestne čapy
• Komponenty prevodoviek a diferenciálov
• Puzdrá, vačky a súčasti zavesenia

2. Strojárstvo

• Ozubené kolesá a hnacie hriadele
• Vodiace dráhy, valčeky a ložiská
• Komponenty pre hydraulické čerpadlá a presné mechanizmy

3. Letecký a kozmický priemysel a výroba energie

• Turbíny a hriadele v elektrárňach
• Komponenty rotorov a ozubené kolesá pre letecký priemysel
• Súčasti pracujúce pri vysokých dynamických zaťaženiach

Výhody nauhličovania ocele?

✅ Veľmi tvrdý povrch - poskytuje odolnosť proti oderu a dlhú životnosť.
✅ Plastické jadro - odolnosť voči lomu a únave.
✅ Možnosť povrchového kalenia - jemné vyladenie mechanických vlastností.
✅ Dobrá odolnosť voči dynamickému zaťaženiu - ideálne pre automobilový priemysel a priemyselné aplikácie.
✅ Široké využitie v hnacej technike - používa sa v hriadeľoch, ozubených a reťazových kolesách.

🚫 Obmedzenia:
❌ Vyžadujú komplexné tepelné spracovanie - vyžaduje sa presné nauhličovanie a kalenie.
❌ Nevhodné pre konštrukcie vyžadujúce rovnomernú tvrdosť - rozdiely medzi povrchom a jadrom môžu spôsobiť nerovnomerné zaťaženie.

Zhrnutie
Uhlíkovaná oceľ je kľúčový materiál používaný v automobilovom, strojárskom a leteckom priemysle, kde je dôležitá kombinácia tvrdého povrchu a pružného jadra. Procesom nauhličovania a kalenia dosahujú tieto ocele výnimočnú odolnosť proti oderu a únave, vďaka čomu sa používajú na aplikácie v oblasti hnacích ústrojenstiev a prevodoviek.
🔩 Hľadáte správnu triedu ocele na nauhličovanie? Kontaktujte nás - pomôžeme vám nájsť najlepšie riešenie! ⚙️🔥