Stal do nawęglania
Stal do nawęglania to niskowęglowa stal konstrukcyjna, w której docelowa twardość warstwy wierzchniej wynosi 58-64 HRC. W stanie dostawy jest ona stosunkowo miękka i dobrze poddaje się obróbce skrawaniem.Gatunki 1.7131, 1.7147, 1.6587 oraz 18HGT znajdują zastosowanie w produkcji kół zębatych i wałów. Multistal dostarcza je w postaci prętów i formatek wraz z atestem 3.1 wg EN 10204.
Stal do nawęglania:
Zastosowanie stali do nawęglania w budowie maszyn i przekładni
Elementy poddawane nawęglaniu pracują pod jednoczesnym obciążeniem kontaktowym na powierzchni oraz zmiennym i udarowym przenoszonym przez rdzeń. Najważniejszym zastosowaniem są koła zębate i zębniki przekładni. Styk zębów wymaga twardej warstwy wierzchniej, a podstawa zęba musi wytrzymywać cykliczne zginanie bez pękania zmęczeniowego. Do tej grupy należą też wały wielowypustowe, osie, tuleje i sworznie narażone na zużycie ścierne przy obciążeniu zmiennym.
Nawęglanie stali do takich elementów prowadzi się zwykle w zakresie ok. 880-980 °C. Wyższe temperatury (np. w procesach LPC) zdarzają się w rozwiązaniach specjalistycznych, ale nie są standardem.
Po nawęglaniu następuje hartowanie, a na końcu niskie odpuszczanie orientacyjnie w 150-200 °C. Rdzeń nie zostaje nawęglony, dzięki czemu po hartowaniu pochłania obciążenia udarowe bez kruchego pękania.
Efektywna głębokość warstwy utwardzonej (CHD: Case Hardening Depth), którą konstruktor definiuje dla danego detalu, decyduje o doborze procesu nawęglania. Aktualną normą pomiaru grubości warstw utwardzonych jest ISO 18203:2026.
Multistal na stanie magazynowym utrzymuje przede wszystkim materiał podwójnie certyfikowany 16/20MnCr5, spełniający jednocześnie wymagania norm dla gatunków 16HG i 20HG, dzięki czemu klienci nie muszą wybierać między tymi oznaczeniami już na etapie zamówienia.
Skład chemiczny i parametry techniczne stali 1.7131
Gatunek 1.7131 (16MnCr5, oznaczenie PN: 16HG) to niskowęglowa stal konstrukcyjna do nawęglania z układu stopowego Mn-Cr. Skład chemiczny w ujęciu tabelarycznym:
| Pierwiastek | C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu |
| min | 0,14 | 0,15 | 1,00 | – | – | 0,80 | – |
| maks. | 0,19 | 0,40 | 1,30 | 0,025 | 0,035 | 1,10 | 0,40 |
Mangan i chrom odpowiadają za hartowność stali, a niska zawartość węgla umożliwia dyfuzyjne wprowadzenie go do warstwy wierzchniej bez nadmiernego zwiększania kruchości rdzenia.
W stanie zmiękczonym (+A) stal 16MnCr5 dobrze poddaje się skrawaniu, co ułatwia obróbkę wstępną przed nawęglaniem.
Specyfikacja techniczna prętów ze stali 1.6587 oraz 18HGT
1.6587 (18CrNiMo7-6/17HNM) to stal stopowa Cr-Ni-Mo, przeznaczona do wysoce obciążonych komponentów napędów i przekładni: kół zębatych, zębatek stożkowych, wałów i śrub. Skład chemiczny:
| Pierwiastek | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu |
| min | 0,15 | 0,15 | 0,50 | – | – | 1,50 | 0,25 | 1,40 | – |
| maks. | 0,21 | 0,40 | 0,90 | 0,025 | 0,035 | 1,80 | 0,35 | 1,70 | 0,40 |
Dodatki niklu (1,40-1,70%) i molibdenu (0,25-0,35%) obok chromu (1,50-1,80%) dają temu gatunkowi wyraźnie wyższą hartowność rdzenia niż klasyczne stale Mn-Cr, co czyni go materiałem właściwym dla większych przekrojów i krytycznych elementów napędów. Dostępny jest w kilku stanach obróbki: +S: poprawiona skrawalność (maks. 255 HB), +A: zmiękczony (maks. 229 HB) oraz +FP: struktura ferrytyczno-perlityczna (159-207 HB).
18HGT to gatunek stali stopowej Cr-Mn z dodatkami W i V, stosowany do części wymagających dużej wytrzymałości rdzenia, jak koła zębate i wałki. Skład chemiczny:
| Pierwiastek | C | Si | Mn | P | S | Cr | W | V | Ni | Cu |
| min | 0,17 | 0,17 | 0,8 | – | – | 1,1 | – | – | – | – |
| maks. | 0,23 | 0,37 | 1,1 | 0,035 | 0,035 | 1,3 | 0,2 | 0,05 | 0,3 | 0,3 |
Orientacyjne właściwości mechaniczne po odpowiedniej obróbce to: Rm ≥ 980 MPa, Re ≥ 830 MPa, A5 ≥ 9%, Z ≥ 50%, KU2 ≥ 64 J oraz twardość w stanie zmiękczonym HB ≥ 217. Wartości te trzeba odczytywać łącznie ze stanem obróbki, a nie jako uniwersalne parametry surowego materiału.
Atesty hutnicze 3.1 i normy jakościowe dla stali do nawęglania
Podstawą normową dla stali stopowych do nawęglania jest obecnie PN-EN ISO 683-3. Świadectwo odbioru 3.1 wg EN 10204 to dokument z wynikami kontroli specyficznej, zatwierdzany przez upoważnionego przedstawiciela kontroli producenta niezależnego od produkcji. Pozwala zweryfikować: oznaczenie gatunku, numer wytopu lub partii, wyniki analizy chemicznej oraz badań wytrzymałościowych, a także powiązać dostarczoną formatkę z konkretnym wytopem hutniczym. To właśnie identyfikowalność stanowi realną wartość dokumentu 3.1.
Uzupełniającym sygnałem jakości jest system zarządzania jakością ISO 9001, stosowany w Multistal.
Twardość stali 16HG po hartowaniu i nawęglaniu
Stal 16HG (1.7131) w stanie zmiękczonym (+A) osiąga twardość nie wyższą niż ok. 207 HBW wg PN-EN ISO 683-3. To stan, w jakim materiał trafia do obróbki wstępnej. Dopiero po nawęglaniu, hartowaniu i niskim odpuszczaniu warstwa wierzchnia osiąga typowo ok. 58-62 HRC.
Rozróżnia się hartowanie bezpośrednie i pojedyncze (ok. 820-860 °C), hartowanie rdzenia (ok. 860-900 °C) oraz hartowanie powierzchni (ok. 780-820 °C), a odpuszczanie prowadzi się orientacyjnie w 150-200 °C.
Usługa cięcia prętów i formatek ze stali do nawęglania na wymiar
Multistal & Lohmann przygotowuje z prętów okrągłych półfabrykaty w postaci formatek, płaskowników i krążków, wykorzystując park przecinarek taśmowych CNC. Największymi zaletami tego rozwiązania są przede wszystkim dostawa półfabrykatu bliższego docelowemu wymiarowi, mniej operacji przygotowawczych i mniejszy odpad materiałowy niż przy zamówieniu pełnych prętów handlowych.
Przy zapytaniu ofertowym najważniejsze jest precyzyjne określenie: gatunku lub wymagania funkcjonalnego, formy materiału, średnicy/grubości, długości lub wymiaru formatki, liczby sztuk lub masy, stanu dostawy, ewentualnego wymogu hartowności (pasmo +H/+HH/+HL) oraz potrzebnego dokumentu jakościowego (atest 3.1). Jeżeli detal będzie dopiero nawęglany, warto od razu podać jego przeznaczenie i przekrój.
Do wstępnego oszacowania zapotrzebowania służy kalkulator masy stali. Pozwala on szybko przeliczyć ciężar prętów lub formatek na potrzeby zapytania i logistyki, ale nie wycenia automatycznie zamówienia. Kalkulację kosztów w oparciu o wagę handlową prętów warto omawiać już na etapie zapytania ofertowego.
Dobór gatunku stali do nawęglania a grubość przekroju elementu
Cztery gatunki stali do nawęglania tworzą wyraźną drabinę hartowności rdzenia: od 16MnCr5 przez 20MnCr5 i 18HGT, aż po 18CrNiMo7-6. Wybór zależy od przekroju detalu i wymaganej odporności rdzenia na obciążenia zmienne.
| Gatunek | Oznaczenia | Skład (kluczowe pierwiastki) | Hartowność rdzenia | Typowe zastosowanie |
| 1.7131 | 16MnCr5 / 16HG | C 0,14-0,19%, Mn 1,00-1,30%, Cr 0,80–1,10% | Podstawowa: mniejsze i średnio obciążone przekroje | Sworznie, dźwignie, koła ślimakowe, tuleje (elementy o umiarkowanym obciążeniu) |
| 1.7147 | 20MnCr5 / 20HG | C 0,17-0,22%, Mn 1,10-1,40%, Cr 1,00-1,30% | Wyższa niż 16HG: większe przekroje przy większym obciążeniu | Te same elementy co 16HG, ale przy wyższym obciążeniu i grubszym przekroju |
| 1.6587 | 18CrNiMo7-6 / 17HNM | C 0,15-0,21%, Cr 1,50-1,80%, Ni 1,40-1,70%, Mo 0,25-0,35% | Najwyższa: duże przekroje, elementy krytyczne | Koła zębate i zębatki stożkowe, wały, śruby wysoko obciążonych przekładni |
| 18HGT | GOST 18ХГТ (brak nr Werkstoff/EN) | C 0,17-0,23%, Cr 1,1-1,3%, dodatki W, V | Wysoka wytrzymałość rdzenia po obróbce (Rm≥980 MPa, Re≥830 MPa) | Koła zębate i wałki wymagające dużej wytrzymałości rdzenia |
Porównanie gatunków 16MnCr5 i 18CrNiMo7-6
Największa różnica metalurgiczna między stalą chromowo-manganową 16MnCr5 (1.7131) a niklowo-chromowo-molibdenową 18CrNiMo7-6 (1.6587/17HNM) dotyczy hartowności rdzenia. Sama twardość powierzchni po prawidłowym nawęglaniu może być zbliżona w obu gatunkach. Różnica ujawnia się przede wszystkim w zdolności do uzyskania wymaganych właściwości rdzenia przy większym przekroju i wysokim obciążeniu.
Dzięki dodatkom niklu (1,40-1,70%) i molibdenu (0,25-0,35%) obok podwyższonej zawartości chromu (1,50-1,80%), 18CrNiMo7-6 zachowuje wysoką hartowność rdzenia tam, gdzie 16MnCr5 może już nie zapewnić wymaganej wytrzymałości w całym przekroju.
W praktyce zakupowej wybór między tymi gatunkami sprowadza się do trzech pytań: jaka jest wielkość i obciążenie detalu, jaka hartowność rdzenia jest wymagana oraz jaki jest budżet zamówienia.
16MnCr5 jest ekonomicznym i bardzo popularnym rozwiązaniem do standardowych, mniej obciążonych elementów, natomiast 18CrNiMo7-6 uzasadnia swoją wyższą cenę przy większych przekrojach i silnie obciążonych elementach napędów i przekładni, gdzie kluczowa jest odporność rdzenia na pękanie zmęczeniowe.
Warto też pamiętać o gatunku pośrednim: 20MnCr5 (1.7147/20HG), który dzięki wyższej zawartości węgla i dodatków stopowych niż 16MnCr5 oferuje krok w górę pod względem hartowności bez konieczności przechodzenia od razu na droższą stal Ni-Cr-Mo.
Powiązane materiały
W wielu konstrukcjach elementy nawęglane współpracują z innymi grupami materiałów, dobieranymi pod inny rodzaj obciążenia lub inny sposób utwardzania powierzchni. W ofercie Multistal dostępne są również:
- Stal łożyskowa: stosowana w elementach tocznych i precyzyjnych, gdzie wymagana jest wysoka twardość, odporność na ścieranie i stabilność wymiarowa.
- Stal konstrukcyjna: materiał do zastosowań ogólnobudowlanych i przemysłowych, ceniony za dobrą spawalność, wytrzymałość oraz szerokie możliwości obróbki.
- Stal do ulepszania cieplnego i hartowania: dobierana wtedy, gdy wymagana jest jednorodna wytrzymałość w całym przekroju elementu.
- Stal do azotowania: alternatywna metoda utwardzania powierzchni, stosowana do elementów wymagających wysokiej odporności na zużycie przy mniejszych odkształceniach cieplnych niż przy nawęglaniu.
- Stal trudnościeralna: przeznaczona do pracy w warunkach intensywnego ścierania, stosowana m.in. w konstrukcjach maszyn roboczych.
Pełny asortyment stali jakościowej w Multistal & Lohmann oferuje zróżnicowane materiały, które można dopasować do różnorodnych projektów.
Pytania i odpowiedzi
Kiedy należy zastosować stal do nawęglania w gatunku 1.7147 (20HG) zamiast 1.7131 (16HG)?
Gatunek 1.7147 (20HG) warto rozważyć, gdy wymagany przekrój i obciążenie detalu przekraczają możliwości 16HG w zakresie hartowności rdzenia. Wyższa zawartość węgla (0,17-0,22%) oraz wyższe udziały manganu i chromu przekładają się na lepszą hartowność i potencjalnie wyższą wytrzymałość rdzenia niż w przypadku 16MnCr5. Ostateczny dobór powinien wynikać z analizy hartowności (np. próby Jominy’ego) i wymaganej twardości rdzenia dla konkretnego detalu.
Czy stal do nawęglania w gatunku 16HG nadaje się do spawania?
Spawanie 16HG wykonuje się w praktyce w stanie dostawy, przed procesem nawęglania. Po utwardzeniu warstwy wierzchniej spawanie jest technologicznie bardzo problematyczne i zwykle niepożądane ze względu na ryzyko pęknięć strukturalnych. Konieczność podgrzewania wstępnego oraz szczegółowe parametry procesu powinny wynikać z instrukcji technologicznej (WPS), grubości elementu i warunków złącza. Materiał dostarczamy w stanie ułatwiającym wstępne operacje technologiczne, w tym ewentualne spawanie przed obróbką cieplno-chemiczną.
Jakie różnice w hartowności wykazuje stal do nawęglania 1.6587 w porównaniu do 1.7131?
Stal 1.6587 (18CrNiMo7-6) ma wyraźnie wyższą hartowność rdzenia w większych przekrojach dzięki dodatkom niklu (1,40-1,70%) i molibdenu (0,25-0,35%) oraz podwyższonej zawartości chromu. W odróżnieniu od 1.7131 sprawdza się przy krytycznych, silnie obciążonych elementach napędów, gdzie liczy się przede wszystkim odporność rdzenia na obciążenia zmienne. Oba gatunki dostarczane są z atestem 3.1 wg EN 10204, potwierdzającym skład chemiczny i identyfikowalność wytopu.
Czym różni się stal do nawęglania od stali C45 pod kątem obróbki cieplnej?
Stal do nawęglania ma niską zawartość węgla (ok. 0,15-0,20%), co pozwala na dyfuzyjne wprowadzenie węgla w warstwę wierzchnią przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Stal C45 zawiera znacznie więcej węgla (ok. 0,45%) i jest typowo dobierana do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego, a nie do nawęglania. Nie pełni więc tej samej funkcji konstrukcyjnej co niskowęglowe gatunki takie jak 16MnCr5 czy 18CrNiMo7-6. Wybór odpowiedniego gatunku z oferty Multistal & Lohmann powinien wynikać z wymaganej głębokości i twardości warstwy utwardzonej oraz z przewidywanych obciążeń rdzenia.