Jakie gatunki stali nadają się do azotowania?

 Azotowanie pozwala na nadanie zewnętrznej warstwie materiału unikalnych właściwości wytrzymałościowych. Stale poddane azotowaniu mogą być używane m.in. do produkcji mocno obciążanych elementów maszyn i urządzeń, a także do stosowania w środowiskach, które wykazują się wysoką agresywnością chemiczną. Proces azotowania daje jednak najlepsze efekty dla stali o dość zawężonym składzie stopu.

W jaki sposób stal może być dopasowana do potrzeb konkretnego zastosowania?

Stal jest cenionym materiałem wykorzystywanym do wykonywania elementów maszyn, urządzeń, pojazdów oraz wszelkiego rodzaju konstrukcji ze względu na wielką ilość stopów oferujących różne parametry wytrzymałościowe i użytkowe. Tak duży wybór sprawia, że konstruktorzy łatwo mogą dobrać gatunek, który będzie odpowiadał potrzebom konkretnego zastosowania pod względem konkretnych parametrów. Najczęściej brana pod uwagę jest konieczna wytrzymałość – sposób znoszenia obciążeń ściskających, zginających, skręcających czy rozciągających zarówno przy obciążeniach dynamicznych, jak i statycznych. Istotne są właściwości technologiczne stali, a zatem podatność na poszczególne rodzaje obróbki, w zależności od planowanego sposobu użycia znaczenie ma możliwość prowadzenia obróbki ubytkowej, plastycznej i termicznej, podatność na walcowanie czy spawanie. Główne znaczenie dla wartości poszczególnych parametrów stali ma skład konkretnego stopu – w przypadku stali węglowych ilość węgla, a przy stalach stopowych obecność poszczególnych dodatków, która w znacznym stopniu modyfikuje istotne cechy – wyjaśnia przedstawiciel firmy Steel Trans, zajmującej się hurtową sprzedażą stali.

Obecność poszczególnych dodatków stopowych sprawia, że konkretny gatunek stali może być łatwiej wykorzystany przy konkretnym rodzaju działających na gotowy wyrób czynników. Do najważniejszych dodatków stopowych należą inne gatunki metali, w tym chrom, nikiel, mangan, wolfram, molibden, tytan i wanad, a także krzem. Często ilość wprowadzanych do stopu pierwiastków jest znaczna. W stalach niskostopowych podstawowy pierwiastek to poniżej 2%, a ich łączna zawartość nie przekracza 3,5%. W przypadku stali średniostopowych 1 pierwiastek to od 2 do 8% zawartości, a ich ogólna ilość nie przekracza 12%. W stalach wysokostopowych głównego pojedynczego dodatku jest już powyżej 8%, a ich suma może sięgać nawet 55%. Wpływ na parametry stali poszczególnych pierwiastków może być różny. Oddziałują one bezpośrednio tak jak np. nikiel i chrom, które podnoszą odporność na korozję, czy wolfram podnoszący twardość lub mangan poprawiający odporność na ścieranie, ale także mają wpływ na możliwości obróbki cieplnej czy cieplno-chemicznej – np. poprawiają hartowność, jak molibden.

Co jednak szczególnie istotne parametry stopu mogą być modyfikowane za pomocą specjalnych metod obróbki, w zależności jego składu. Do podstawowych metod poprawy właściwości stali należą procesy ulepszania cieplnego i cieplno chemicznego. W ramach tych pierwszych najważniejsza jest możliwość hartowania i odpuszczania, która przez zwiększenie temperatury oraz właściwy dobór tempa ochładzania prowadzi do zmiany struktury wewnętrznej metalu, a zatem rodzaju i rozkładu tworzących ją ziaren. Równie istotne jest wyżarzanie pozwalające na usunięcie wewnętrznych naprężeń i jego ujednolicenie czy przesycanie, za którego sprawą można zmienić własności zewnętrznej warstwy materiału, podobnie jak przy hartowaniu, nie wpływając na właściwości jego rdzenia.

Powierzchniowa obróbka cieplno-chemiczna stali – azotowanie

Zmiana właściwości powierzchni materiału jest możliwa dzięki nadaniu zewnętrznej powłoce odmiennych właściwości wynikających z wprowadzenia substancji, która poprawia parametry w tym zakresie za sprawą swoich cech fizyko-chemicznych. Procesy tego rodzaju są możliwe dzięki działaniu wysokiej temperatury, ciśnienia, czasu oraz różnicy stężeń między metalem a wprowadzanym do niego pierwiastkiem. Przenikanie konkretnego pierwiastka lub ich mieszanki następuje w wyniku dyfuzji, kiedy to wolne atomy wprowadzone na powierzchnię metalu wnikają do jego struktury, zajmując wolne miejsca w strukturze krystalicznej i przenikają głębiej, przemieszczając się np. wzdłuż granic między istniejącymi ziarnami. Możliwości przenikania zależą na ogół zarówno od różnicy stężeń, jak i poziomu aktywacji, a zatem temperatury, w której dochodzi do dyfuzji.

Do najczęściej stosowanych do nasycania powierzchni metalu metod należy nawęglanie i azotowanie, a także połączenie tych procesów. W wyniku azotowania na powierzchni stali tworzy się strefa bogata w azotki i węglikoazotki. Może ono zachodzić w atmosferze gazowej, w plazmie, a niekiedy także w obecności proszków. Azotowanie gazowe przebiega na ogół w obecności zdysocjowanego amoniaku, przy temperaturze sięgającej 500–600°C. Azotowanie plazmowe nazywane także jonowym odbywa się w jonizowanym azocie przy bardzo obniżonym ciśnieniu. Możliwe jest także wykonywanie azotowania w obecności złoża fluidalnego rozgrzewanego do 450–650°C, do którego doprowadzany jest amoniak. Azotowanie prowadzi się zarówno krótkookresowo, gdy cały proces zajmuje co najwyżej kilka godzin, jak i długookresowo, kiedy potrzebny czas wynosi nawet kilkadziesiąt godzin. Azotowanie krótkookresowe jest stosowane w celu uzyskania powłoki, która będzie się wyróżniała wysoką odpornością antykorozyjną. Grubość warstwy uzyskanej w ten sposób jest na ogół dość mała i wynosi od 0,005 do 0,03 mm. Przy azotowaniu długookresowym uzyskuje się natomiast warstwy o podwyższonej twardości, które mają od 0,2 do 0,8 mm. Możliwe do osiągnięcia twardości to w zależności od rodzaju stali do 1500 HV.

Azotowanie jest prowadzone w przypadku ulepszania stali stopowych i niestopowych. Jest użyteczne przy elementach narażonych na korozję, a także poddawanych dużemu ścieraniu, zwłaszcza gdy chodzi o narzędzia skrawające czy elementy silników lub pomp. Azotowane są m.in. koła zębate, wały korbowe, tuleje, korbowody, wałki, sworznie, pierścienie i tłoki. Proces ten jest wykonywany również w przypadku elementów pracujących w wysokich temperaturach – form wtryskowych do tworzyw sztucznych, elementów wytłaczarek i wtryskarek, a także narzędzi związanych z obróbką plastyczną np. matryc czy części ciągadeł. Powierzchnię stali utwardza się azotowaniem także przy produkcji narzędzi do obróbki ubytkowej – noży tokarskich, frezów czy wierteł.

Stale, które mogą być poddawane azotowaniu

W procesie azotowania mogą być ulepszane stale, które charakteryzują się odpowiednim składem stopu. Gatunki utwardzane lub zabezpieczane antykorozyjnie powinny zawierać między 0,2 a 0,45% węgla, od 1,0 do 3,5% chromu, 0,15–1,1% molibdenu. Dopuszczalne zawartości glinu to 0,8–1,2% glinu, a wanadu 0,1–0,25%. Procesy azotowania są prowadzone już na gotowych elementach, azotowanie jest wykonywane po obróbce cieplnej – hartowaniu i odpuszczaniu. Stale do azotowania to gatunki wymienione w PN-EN 10085, m.in.: 24CrMo13-6, 31CrMo12, 31CrMo12, 31CrMoV9, 33CrMoV12-9, 40CrMoV13-9, 32CrAlMo7-10, 34CrAlNi7-10 oraz 41CrAlMo7-10.

Do najpopularniejszych gatunków stali przeznaczonych do azotowania należy stal 38HMJ, czyli 34CrAlMo5-10 (1.8509). Stal ta wyróżnia się granicą plastyczności na poziomie Re poniżej 830 Mpa, wytrzymałością na rozciąganie Rm co najwyżej 980 MPa, wydłużeniem na poziomie A5 ≥ 50% oraz udarnością KV ≥ 72 J, a także przewężeniem Z ≥ 50%. Nie zalicza się do stali spawalnych. Używa się jej m.in. tam, gdzie wymagana jest odporność na wyższe temperatury oraz dobre właściwości ślizgowe, a także wytrzymałość na obciążenia mechaniczne.

Często używana jest również stal 30H2MF, a zatem 31CrMoV9 (1.7707). Stal ta charakteryzuje się granicą plastyczności na poziomie Re ≥ 590 Mpa, wytrzymałością na rozciąganie Rm co najwyżej 800 MPa, wydłużeniem na poziomie A5 ≥ 8% oraz udarnością KV  poniżej 20 J. Nie nadaje się do spawania. Stosuje się ją przy wysokich temperaturach i do elementów wymagających wysokiej twardości. Jest zaliczana do stali kotłowych. Może być używana m.in. do produkcji części silnie obciążonych dzięki wytrzymałości na pełzanie, udary i ścieranie.

Korzysta się także ze stali 33H2NMJ, a więc 34CrAlNi7-10 (1.8550). Stal ta osiąga granicę plastyczności na poziomie Re ≥ 600 Mpa, wytrzymałość na rozciąganie Rm ≥ 800 MPa, wydłużeniem na poziomie A5 co najwyżej 10% oraz udarnością KV poniżej 30 J. Jest wybierana na elementy, które powinny mieć własności ślizgowe, wytrzymywać obciążenia zmęczeniowe, a także być odporne na korozję i wysokie temperatury, jak również na ścieranie.