Nawęglanie stali to jedna z często wykorzystywanych metod mających na celu wzmocnienie metalowych elementów. Dzięki niej materiał ten uzyskuje nowe, użyteczne właściwości. Jak wygląda proces nawęglania stali i jakie są jego zalety? Dowiesz się tego po przeczytaniu poniższego artykułu!

Metoda nawęglania stali — co to oznacza?

Proces nawęglania stali to nic innego jak nasycenie powierzchni metalu węglem. Zawartość węgla w metalu przekłada się na poprawę właściwości tego materiału, w tym większej twardości i wytrzymałości. Dzieje się tak dlatego, że powierzchnię metalu poddaje się obróbce cieplnej (lub cieplno-chemicznej), co ułatwia pochłanianie węgla. Zazwyczaj proces nawęglania potrzebny jest do miękkich gatunków stali, jakimi są stale niskowęglowe. Dzięki temu ich zawartość węgla może wzrosnąć z 0,25% do nawet 1,3%. Z kolei głębokość nawęglania zawiera się w przedziale od 0,5 do 2 mm.

Jakie wyróżniamy rodzaje nawęglania?

W przemyśle wykorzystuje się różnorodne metody nawęglania stali. Wśród najpopularniejszych z nich wymieniamy techniki gazowe, płynne oraz stałe. Rozwój technologii pozwolił jednak na stworzenie innych, równie skutecznych metod nawęglania: procesów próżniowych, plazmowych oraz pakietowych. Czym różnią się te techniki? Odpowiadamy na to poniżej.

Nawęglanie gazowe

Metoda ta wykorzystywana jest do masowego nawęglania części i cechuje się sporą wydajnością. W procesie nawęglania gazowego wykorzystuje się głównie takie składniki jak gaz ziemny czy propan. Należą one do gazów o dużej zawartości węgla, przez co wpływają na szybszy przebieg całego procesu. Nawęglanie gazowe polega na umieszczeniu stalowego elementu w atmosferze gazowej, który jest stale uzupełniany o tlenek węgla i poddawany działaniu wysokich temperatur. Warto zaznaczyć, że metoda ta, choć znacząco skraca czas nawęglania stali, jednocześnie wymaga, aby wspomniana atmosfera była wieloskładnikowa i stale kontrolowana. W przeciwnym wypadku może dojść do niepożądanych wad, np. powstania tlenków na powierzchni metalu. Pomimo tego nawęglanie gazowe może być dobrym rozwiązaniem w obróbce masowej.

Nawęglanie płynne

Nawęglanie w środkach ciekłych wykorzystuje mieszaninę stopionej soli oraz węglika krzemu. Element zanurzany jest w kąpieli, a sól pomaga wprowadzić węgiel do powierzchni stali. Wytrzymałość metalu osiągana jest dzięki zjawisku dyfuzji — w tym przypadku rozprzestrzeniania się cząsteczek węgla w płynnym środowisku. W efekcie tego tworzy się twarda skorupa, która przypomina wzmocnienie uzyskane w wyniku nawęglania gazowego.

Nawęglanie stałe

W nawęglaniu stałym głównym źródłem atomów węgla jest wykorzystanie sproszkowanego węgla drzewnego (najczęściej z takich drzew jak dąb, buk czy brzoza). Proszkowe nawęglanie stali cechuje się dość prostą zasadą działania — stal umieszczana jest w specjalnej skrzyni razem z proszkiem oraz środkami przyśpieszającymi nawęglanie (np. węglanem baru lub węglanem sodu). Następnie metal jest podgrzewany do bardzo wysokich temperatur, sięgających nawet 900-950 °C. W celu utrwalenia efektów można przeprowadzić też hartowanie stali.

 [product category_id="2" limit="8" slider="true" onlyAvailable="true"]

Nawęglanie próżniowe

Próżniowe nawęglanie stali polega na wykorzystaniu niskiego ciśnienia w połączeniu z np. metanem lub innym węglowodorem gazowym. Proces ten odbywa się w piecu próżniowym, który gwarantuje beztlenowe środowisko — jest to potrzebne, aby móc obrabiać materiał w wyższej temperaturze bez ryzyka utleniana metalu. Dzięki temu dyfuzja węgla przebiega znacznie szybciej i nie przyczynia się do szkodliwego utleniania. Ze względu na niskie ciśnienie może dojść jednak do niejednolitego powstawania skorupy, szczególnie w większych zgłębieniach metalowych elementów. Aby temu zaradzić, operator powinien od czasu do czasu zwiększać ciśnienie maszyny do metalu w taki sposób, aby nie doprowadzić do wytwarzania się wolnego węgla lub sadzy. Zapewni to dokładne i równe pokrycie.

Nawęglanie plazmowe

Metoda plazmowa to kolejna technika, która pozwala na szybszy proces wzmocnienia stali. Do nawęglania dochodzi dzięki wykorzystaniu plazmy, która przenosi dodatnie naładowane atomy węgla na metal. Metoda ta również może przyczynić się do szybszej dyfuzji węgla, a ponadto zapewnia satysfakcjonujące efekty również w obróbce stali o nieregularnych kształtach. Warto wspomnieć, że nawęglanie stali z użyciem plazmy jest bardziej przyjazne dla środowiska niż techniki gazowe lub stałe. Z tego powodu metoda ta jest coraz częściej wykorzystywana w zakładach o dużej skali produkcji wyrobów — świetnie sprawdza się z różnorodnymi gatunkami stali.

Nawęglanie pakietowe

Aby skutecznie przeprowadzić pakietowe nawęglanie stali, konieczne jest zapakowanie metalowych elementów w środowisku o bardzo dużej zawartości węgla. W tym przypadku stosuje się m.in. proszek węglowy lub wióry żeliwne, które są odpowiednio podgrzewane — obróbka cieplna pomaga wytworzyć tlenek węgla. Węgiel następnie dyfunduje na powierzchni stali, tworząc wzmacniającą skorupę. Czy warto skorzystać z tej metody nawęglania? Nawęglanie pakietowe może przynieść zadowalające rezultaty, ale wymaga dokładnej kontroli temperatury. Ponadto cały proces może przebiegać wolniej niż w przypadku wcześniej wymienionych wariantów.

Przeczytaj również: CNC laser - jakie jest jego działanie? Wyjaśniamy

Jakie korzyści zapewnia nawęglanie stali?

Jak wspomnieliśmy na początku tego artykułu, dzięki nasyceniu warstwy powierzchniowej węglem możliwe jest znaczne wzmocnienie obrabianego materiału. Jakie są jeszcze inne zalety nawęglania? Przede wszystkim są to:

• Wysoka odporność materiałów — stal wzmocniona w wyniku nawęglania wykazuje takie właściwości jak zwiększona twardość oraz odporność na ścieranie, dzięki czemu może służyć jako wytrzymały element konstrukcyjny. Ponadto zwiększona wytrzymałość zauważalna jest już na poziomie rdzenia.

• Użyteczność nawęglanych elementów — stal nierdzewna oraz inne metale po wykonaniu nawęglania mogą być wykorzystywane jako części przeznaczone na koła zębate, maszyny przemysłowe (np. tokarki do metalu lub szlifierki do metalu) czy narzędzia. Warto zauważyć, że choć nawęglanie stali zwiększa twardość metalu, jednocześnie wciąż zachowuje on swoją ciągliwość.

Nawęglanie stali — podsumowanie

Nawęglanie stali to niezwykle użyteczny proces, który zwiększa użyteczność elementów wykonanych ze stali nierdzewnej lub jej innych miękkich odmian. W zależności od potrzeb i możliwości zakładu możliwe jest skorzystanie z różnorodnych metod nawęglania — stałej, płynnej, gazowej, plazmowej, próżniowej lub pakietowej. Dzięki temu stal staje się twardsza i odporniejsza na ścieranie — przez co jest idealnym elementem konstrukcyjnym maszyn, narzędzi i podzespołów.