Nawęglanie i utwardzanie warstwy powierzchniowej: podstawy

Idea

Niektóre części potrzebują dwóch sprzecznych właściwości: powierzchni, która opiera się zużyciu i zmęczeniu kontaktowemu, oraz rdzenia, który pochłania wstrząsy bez pękania. Nawęglanie zapewnia obie z jednego kawałka stali niskowęglowej. Część jest trzymana w temperaturze mniej więcej 880–950 °C w atmosferze bogatej w węgiel; węgiel dyfunduje w powierzchnię, a późniejsze hartowanie utwardza jedynie tę wzbogaconą warstwę — warstwę nawęgloną — podczas gdy niskowęglowy rdzeń pozostaje stosunkowo miękki i ciągliwy.

Głębokość warstwy

Głębokość warstwy jest określana jako głębokość, na której twardość spada do zdefiniowanego poziomu — zwykle 550 HV w praktyce europejskiej (CHD, głębokość utwardzania nawęglania). Dwie głębokości mają znaczenie:

• Efektywna głębokość warstwy (do 550 HV): zazwyczaj około 0.3–2.5 mm dla kół zębatych i wałów, dopasowana do naprężenia kontaktowego i modułu koła zębatego.
• Całkowita głębokość warstwy: pełna strefa dyfuzji, zawsze głębsza niż głębokość efektywna.

Głębsze warstwy wymagają nieproporcjonalnie dłuższego czasu w piecu, ponieważ głębokość dyfuzji rośnie wraz z pierwiastkiem kwadratowym czasu — podwojenie głębokości zajmuje mniej więcej cztery razy dłużej.

Potencjał węglowy

Atmosfera pieca jest kontrolowana do potencjału węglowego — poziomu węgla na powierzchni, który atmosfera wytworzy w czystym żelazie w temperaturze. Jest on zazwyczaj prowadzony nieco poniżej lub blisko regionu eutektoidalnego do nasycenia, często około 0.8–1.0% C na powierzchni w etapie nasycania. Zbyt wysoki potencjał tworzy sadzę, siatki węglików i nadmiar austenitu szczątkowego; zbyt niski daje płytką, miękką warstwę. Cykle produkcyjne często wykorzystują wzorzec nasycanie–dyfuzja: wysoki potencjał, aby szybko wprowadzić węgiel, a następnie etap o niższym potencjale, aby ustawić finalny węgiel na powierzchni i gradient.

Rdzeń a warstwa po hartowaniu

Po nawęglaniu część jest hartowana (bezpośrednio lub po ponownym nagrzaniu dla rozdrobnienia ziarna) i odpuszczana w niskiej temperaturze, mniej więcej 150–200 °C. Wysokowęglowa warstwa przemienia się w twardy martenzyt, zazwyczaj około 58–62 HRC na powierzchni. Rdzeń — nadal jedynie około 0.15–0.25% węgla — utwardza się tylko na tyle, na ile pozwala jego hartowność, pozostając znacznie miększy i zapewniając ciągliwość, wokół której część jest zaprojektowana.

Stale zaprojektowane do nawęglania

Stale do nawęglania są z założenia niskowęglowe, stopowane dla wytrzymałości rdzenia i hartowności:

• 8620 (AISI): uniwersalna północnoamerykańska stal na koła zębate, rdzeń Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): standardowa chińska stal na koła zębate; tytan unieruchamia ziarno podczas długich cykli nawęglania.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): europejski koń roboczy dla małych i średnich kół zębatych.
• Warianty o wyższych wymaganiach dodają nikiel (np. 18CrNiMo7-6) tam, gdzie wytrzymałość rdzenia w dużych przekrojach jest krytyczna.

Określenie części nawęglanej oznacza wspólne określenie głębokości warstwy, twardości powierzchni i twardości rdzenia — każde z nich samodzielnie jest niekompletnym wymaganiem.

Warianty gazowe, w proszku i niskociśnieniowe

Tradycyjne nawęglanie w proszku w stałym związku węgla jest obecnie w dużej mierze historyczne. Nowoczesna produkcja wykorzystuje nawęglanie gazowe w piecach atmosferowych, gdzie potencjał węglowy jest mierzony i kontrolowany w sposób ciągły, lub nawęglanie niskociśnieniowe (próżniowe), gdzie impulsy gazu węglowodorowego w piecu próżniowym dają bardzo jednorodne warstwy na złożonych geometriach kół zębatych bez utleniania powierzchni — zazwyczaj po nim następuje hartowanie w gazie pod wysokim ciśnieniem. Metalurgia, którą określa projektant, jest taka sama we wszystkich trzech; zmienia się jednorodność, czystość, ekonomika cyklu oraz zachowanie odkształceniowe, które musi pochłonąć wykańczanie kół zębatych.