Nawęglanie stali – na czym polega proces i jakie daje efekty

Nawęglanie stali to obróbka termochemiczna zwiększająca odporność wierzchniej warstwy metalu na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Proces realizowany w temperaturze 880-950 °C pozwala uzyskać twardość powierzchniową rzędu 60-65 HRC. Jako dystrybutor stali jakościowych od 1993 roku Multistal dostarcza certyfikowane pręty i blachy do tych zastosowań. 

Czym jest nawęglanie stali i dlaczego się je stosuje?

Nawęglanie stali to proces cieplno-chemiczny nasycający węglem wierzchnią warstwę stali niskowęglowej w celu podniesienia odporności powierzchniowej na ścieranie, nazywany również cementacją stali. Właściwy efekt użytkowy uzyskuje się zazwyczaj dopiero po nawęglaniu, hartowaniu i niskim odpuszczaniu.

Jako czołowy dystrybutor, firma Multistal od 1993 roku zaopatruje przemysł w stal do nawęglania, gwarantując pełną identyfikowalność wytopów dostarczanego surowca.

Podczas obróbki cieplno-chemicznej stal jest wygrzewana w temperaturze 880-950 °C w atmosferze zawierającej aktywne nośniki węgla. W tych warunkach zachodzi dyfuzja atomów węgla w głąb struktury metalu. Modyfikacja warstwy wierzchniej przygotowuje stal do późniejszego utwardzenia, które pozwala uzyskać wysoką twardość zewnętrzną przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwego, elastycznego i odpornego na uderzenia dynamiczne rdzenia.

Cementacja stali znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie elementy maszyn pracują pod wysokimi obciążeniami stykowymi. Procesowi temu poddawane są m.in. koła zębate, wały napędowe oraz sworznie stosowane w przemyśle maszynowym i motoryzacyjnym.

Nawęglanie stali przynosi optymalne efekty technologiczne tylko przy użyciu certyfikowanego surowca o kontrolowanym składzie chemicznym, który znajduje się w stałej ofercie Multistal. W Europie stale do nawęglania są zwykle zamawiane według EN 10084, natomiast w dokumentacji międzynarodowej można spotkać również ISO 683-3. 

Więcej informacji na temat gatunków stali i ich przeznaczenia: Rodzaje stali i ich zastosowanie.

Koszt nawęglania stali jest wyceniany indywidualnie i zależy od masy wsadu, geometrii detali oraz wymaganej głębokości warstwy utwardzonej. Głównymi czynnikami cenotwórczymi są czas pracy pieca oraz zużycie gazów technologicznych lub energii elektrycznej. Nawęglanie gazowe do głębokości 1 mm to koszt około 12-15 zł za 1 kg stali. Dokładną wycenę należy jednak uzyskać kontaktując się z hartownią.

Nawęglanie plazmowe jako alternatywa dla procesów gazowych

Nawęglanie plazmowe (jonowe) wykorzystuje wyładowanie jarzeniowe, zapewniając wyjątkową szybkość dyfuzji i równomierność powłoki. 

W przeciwieństwie do klasycznego nawęglania gazowego proces zachodzi w środowisku plazmy, co sprzyja efektywnej aktywacji powierzchni i umożliwia bardzo precyzyjną modyfikację warstwy wierzchniej. Rozwiązanie to sprawdza się przy detalach o skomplikowanej geometrii, takich jak koła zębate o wąskich wrębach. Dodatkowo nawęglanie plazmowe pozwala na ograniczenie zużycia gazów technologicznych nawet o 80% w stosunku do metody gazowej, co zmniejsza koszty eksploatacji pieców. 

Technologia ta wymaga jednak ścisłego reżimu czasowego. Jak wykazali Kaciulis i współpracownicy (2025) w badaniach nad stalą 316L, zbyt długi czas nawęglania plazmowego prowadzi do powstania niestabilnej, diamentopodobnej warstwy wierzchniej (DLC). Warstwa ta wykazuje tendencję do odpryskiwania, a jej luźne cząstki zaczynają działać jak ścierniwo, co drastycznie przyspiesza zużycie elementu. 

Główne korzyści wynikające z cementacji stali 

Cementacja stali daje jedną kluczową przewagę: twardą, odporną na ścieranie powierzchnię i ciągliwy, odporny na pękanie rdzeń. 

Proces ten pozwala uzyskać optymalny profil właściwości mechanicznych:

• zwiększenie twardości powierzchniowej – po nawęglaniu i hartowaniu warstwa wierzchnia uzyskuje strukturę martenzytyczną o twardości 60-65 HRC, co chroni elementy przed zużyciem ściernym;
• zachowanie ciągliwości rdzenia – twardość rdzenia na poziomie 20-35 HRC umożliwia uzyskanie wysokiej udarności i zapobiega pękaniu zmęczeniowemu pod wpływem obciążeń dynamicznych;
• wydłużenie żywotności części maszyn – taki rozkład twardości jest kluczowy dla prawidłowej pracy kół zębatych, wałów oraz sworzni.

Dla firm kupujących stal jakościową od Multistal przekłada się to na prostą korzyść: części wykonane z certyfikowanych gatunków stali do nawęglania pracują dłużej, rzadziej się psują i generują niższe koszty eksploatacyjne.

Dyfuzja węgla i strukturalne efekty obróbki termochemicznej

Fizycznym mechanizmem procesu jest dyfuzja międzywęzłowa węgla w strukturze austenitu, która zachodzi w fazie gamma w temperaturach powyżej punktu Ac3. 

Nawęglanie działa dzięki zjawisku dyfuzji. Węgiel z atmosfery pieca wnika w głąb struktury krystalicznej stali. Dzieje się tak dlatego, że w wysokiej temperaturze (powyżej punktu Ac3) stal przechodzi w fazę austenitu, czyli żelaza gamma. Sieć krystaliczna austenitu ma budowę regularną ściennie centrowaną, która zostawia między atomami żelaza wolne przestrzenie międzywęzłowe. Atomy węgla są wystarczająco małe, by w te przestrzenie wnikać i wędrować coraz głębiej w materiał. 

Prędkość i głębokość tej dyfuzji opisują prawa Ficka. Pierwsze prawo mówi, że strumień dyfundującego węgla jest proporcjonalny do gradientu jego stężenia. Im większa różnica między stężeniem węgla na powierzchni a w rdzeniu, tym szybciej węgiel wnika w głąb. Drugie prawo opisuje, jak stężenie węgla zmienia się w czasie i w głąb materiału. W praktyce oznacza to, że im wyższa temperatura i dłuższy czas procesu, tym grubsza warstwa nawęglona.

Głębokość uzyskanej warstwy utwardzonej określa się jako CHD (case-hardened depth). Zgodnie z normą ISO 2639 jest to odległość od powierzchni do miejsca, gdzie twardość spada do 550 HV.

Nawęglanie nie jest jedyną metodą obróbki termochemicznej. Podobnym procesem jest azotowanie stali, które polega na nasycaniu powierzchni azotem zamiast węglem. Poniższa tabela pokazuje kluczowe różnice: 

Dla odbiorców stali jakościowych istotne jest, że nawęglania stosuje się stale do nawęglania objęte m.in. EN 10084 lub ISO 683-3. Do azotowania dobiera się natomiast gatunki umożliwiające tworzenie twardych azotków, często stale stopowe zawierające pierwiastki takie jak Cr, Mo, Al lub V. Ich dobór należy rozpatrywać według właściwej normy materiałowej i wymagań detalu. Multistal dostarcza materiały spełniające te wymagania. 

Hartowanie i niskie odpuszczanie po procesie cementacji

Samo nasycenie warstwy wierzchniej węglem nie powoduje jeszcze jej utwardzenia. Dopiero hartowanie po nawęglaniu i następujące po nim niskie odpuszczanie (najczęściej w temperaturze 150-250 °C) prowadzą do powstania struktury martenzytycznej o wysokiej twardości i odporności na zużycie.

Po nawęglaniu element można poddać hartowaniu bezpośredniemu, jednokrotnemu, podwójnemu lub hartowaniu z przystankiem izotermicznym. Dobór wariantu zależy przede wszystkim od gatunku stali, zawartości węgla w warstwie oraz wymaganej kombinacji twardości i ciągliwości rdzenia. 

Nieprawidłowy przebieg obróbki może prowadzić do rozrostu ziarna austenitu, wysokich naprężeń hartowniczych, odkształceń i pęknięć, a także do niejednolitego nawęglenia lub tworzenia się tlenków na powierzchni. 

W badaniach Atraszkiewicz i in. (2012) nad nawęglaniem próżniowym i hartowaniem w gazach o wysokim ciśnieniu (N₂ i He) analizowali stale 16MnCr5 (koła o module 2, warstwa nawęglona ok. 0,3 mm) oraz 15CrNi6 (koła o module 5, warstwa ok. 0,6 mm). Wykazano, że intensywność chłodzenia silnie wpływa na strukturę warstwy i rdzenia. Zastosowanie helu sprzyja uzyskaniu korzystniejszej struktury martenzytycznej w warstwie oraz lepszych własności rdzenia przy jednoczesnym ograniczeniu odkształceń. 

Dobór stopów: jakie gatunki hutnicze nadają się do cementacji

Do procesu cementacji (nawęglania) stosuje się przede wszystkim stale niskowęglowe i niskostopowe, o zawartości węgla w przedziale 0,10-0,25%. Niska zawartość C w materiale wsadowym jest tu absolutnie kluczowa. To ona umożliwia uzyskanie pożądanego efektu. Gdyby wyjściowa zawartość węgla była wyższa, rdzeń stałby się kruchy, a cały sens obróbki cieplno-chemicznej zostałby utracony.

Gatunki hutnicze stosowane w nawęglaniu dzielą się na kilka grup:

• niestopowe stale węglowe (np. C10, C15) – stosowane przy niższych wymaganiach co do hartowności i wytrzymałości rdzenia;
• stale chromowo-manganowe – najczęściej wybierana grupa konstrukcyjna, do której należą popularne gatunki 16HG (16MnCr5) oraz 20MnCr5 (20HG);
• stale chromowo-niklowe (np. 18CrNiMo7-6, 18CrNi8) – charakteryzujące się podwyższoną hartownością i lepszymi właściwościami rdzenia w elementach o większych przekrojach;
• stale chromowo-manganowo-molibdenowe (np. 18HGM / 1.7243, 18CrNiMo7-6) – przeznaczone do mocno obciążonych, dużych elementów maszynowych, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość rdzenia na całym przekroju.

Wymagania materiałowe, skład chemiczny oraz warunki dostawy dla tej grupy stali precyzuje norma PN-EN 10084, a kwestie hartowności uzupełnia norma PN-EN ISO 683-3. 

Przy doborze stali do nawęglania nie wystarczy sama nazwa gatunku. Należy uwzględnić rodzaj obciążenia, wymagania dotyczące twardości powierzchni, oczekiwaną głębokość warstwy utwardzonej, wymaganą wytrzymałość rdzenia, wymiary i geometrię detalu, planowaną obróbkę skrawaniem, tolerancje po hartowaniu oraz wymagane dokumenty jakościowe.

W ofercie Multisttal znajdują się również inne gatunki stali, dobrane do zróżnicowanych wymagań materiałowych i technologicznych: 

• stal narzędziowa do pracy na zimno: przeznaczona do narzędzi i matryc pracujących w podwyższonych temperaturach,
• stal narzędziowa do pracy na gorąco: stosowana do narzędzi skrawających, wykrojników i tłoczników pracujących w temperaturze otoczenia.

Technologie nasycania węglem: metody gazowe i ciekłe

Zależnie od stanu skupienia ośrodka nawęglającego wyróżnia się kilka podstawowych technologii dostarczania węgla do warstwy powierzchniowej stali. 

Przed przystąpieniem do procesu, niezależnie od wybranej metody, powierzchnia elementów musi zostać dokładnie oczyszczona z olejów, smarów, emulsji chłodzących, środków antykorozyjnych, a także zendry i rdzy. Wszelkie zanieczyszczenia ograniczają adsorpcję węgla i prowadzą do nierównomiernej warstwy nawęglonej. 

Najpopularniejsza obecnie jest metoda gazowa, w której nawęglanie dyfuzyjne stali zachodzi w atmosferze tlenku węgla powstającego ze spalania węglowodorów lub rozkładu związków organicznych (np. nafty, metanolu, acetonu) w temperaturze ok. 920 °C. 

Odrębną grupę stanowi nawęglanie w kąpielach solnych, czyli metoda ciekła, polegająca na zanurzeniu obrabianych przedmiotów w roztopionych solach, tj. mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych (np. NaCN, KCN, Na₂CO₃), w temperaturze roboczej 850-930 °C. Ze względu na wymagania BHP i środowiskowe w wielu zastosowaniach zostało ograniczone lub zastąpione procesami gazowymi, próżniowymi albo plazmowymi.

Zastosowanie części maszyn o utwardzonej powierzchni

Komponenty poddawane nasycaniu węglem pracują w warunkach intensywnego tarcia i wysokich obciążeń dynamicznych w przekładniach i silnikach. 

W przekładniach przemysłowych, maszynach budowlanych i układach napędowych pojazdów to właśnie koła zębate walcowe i stożkowe, wałki wielowypustowe oraz wały przeniesienia napędu pracują na granicy wytrzymałości materiału. Utwardzona warstwa wierzchnia chroni powierzchnie boczne zębów przed pittingowym wykruszaniem, a ciągliwy rdzeń tłumi obciążenia udarowe. 

Ze stali 18CrNiMo7-6 wykonuje się koła zębate i wały szybkoobrotowych przekładni pracujących pod wysokim ciśnieniem kontaktowym, a także śruby mocno obciążonych połączeń w układach napędowych. Gatunki 20MnCr5 i 16MnCr5 trafiają do silników spalinowych: sworznie tłokowe, tuleje, wałki rozrządu i koła ślimakowe muszą wytrzymać ciągłe tarcie przy zmiennym obciążeniu przez całe życie maszyny. Stal 18HGT stosuje się tam, gdzie rdzeń musi przenosić duże naprężenia zginające, czyli w kołach zębatych przekładni hutniczych, górniczych i kolejowych. 

Calabokis i współpracownicy (2022) przeprowadzili porównawcze badania zmęczenia kontaktowego nawęglanych kół zębatych ze stali 18CrNiMo7-6 i 20MnCr5 na stanowisku testowym FZG. Obserwacje mikroskopowe SEM-EDS wykazały, że pitting postępuje w obszarach najwyższych naprężeń kontaktowych na powierzchni bocznej zęba, a odkształcenie plastyczne jest istotnym mechanizmem zużycia obu gatunków. Co istotne, trwałość eksploatacyjna obu stali okazała się zbliżona.

Dział techniczny Multistal oferuje pomoc w dobraniu odpowiedniego gatunku stali do indywidualnych potrzeb. 

Przeczytaj również: 

• Co to jest stal? 
• Topnienie stali

Pytania i odpowiedzi

Czy lepiej wybrać nawęglanie, czy azotowanie stali do obróbki części maszyn? 

To zależy od wymaganej głębokości warstwy i tolerancji wymiarowych elementu. Azotowanie zwykle powoduje mniejsze odkształcenia niż nawęglanie z hartowaniem, ponieważ odbywa się w niższej temperaturze i najczęściej nie wymaga gwałtownego chłodzenia. Multistal dostarcza zarówno stal do nawęglania, jak i stal do azotowania.

Czy można przeprowadzić nawęglanie stali domowym sposobem?

Nie, bo bez kontroli temperatury w przedziale 900-950 °C i potencjału węglowego atmosfery wynik jest nieprzewidywalny: rozrost ziarna, odwęglenie albo krucha skorupa zamiast martenzytu. Certyfikowana hartownia przemysłowa to jedyna droga do uzyskania powtarzalnej twardości rzędu 60 HRC i założonej głębokości warstwy. 

Czym jest węgiel aktywny i skąd pochodzi podczas procesu nawęglania? 

Węgiel aktywny to pojedyncze atomy węgla powstające na powierzchni stali w wyniku dysocjacji gazów nośnych, głównie CO lub metanu. Tylko taka forma dyfunduje do sieci krystalicznej austenitu. Sadza ani cząsteczkowy węgiel tej zdolności nie mają, dlatego nowoczesne piece kontrolują potencjał węglowy sondami tlenowymi, żeby utrzymać stały strumień atomów. 

Materiały źródłowe: 

• Anil Kumar Reddy, C., Kasi V. Rao, P., Begori, V., & Boggarapu, N. R. (2026). Influence of carburizing on surface layer of M50 NiL steel for bearing applications. Archives of Metallurgy and Materials, 71(1).
• Atraszkiewicz, R., Januszewicz, B., Kaczmarek, Ł., Stachurski, W., Dybowski, K., & Rzepkowski, A. (2012). High pressure gas quenching: Distortion analysis in gears after heat treatment. Materials Science and Engineering: A, 558, 550-557. 
• Calabokis, O. P., Núñez de la Rosa, Y. E., Paulin de Moraes, S., Vicentim Antunes, E., Cousseau, T., & da Silva, C. H. (2022). Experimental and numerical study of contact fatigue for 18CrNiMo7-6 and 20MnCr5 carburized gear tooth. Surface Topography: Metrology and Properties, 10(4). 
• Dobrzański, L. A. (2009). Kształtowanie struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich. Open Access Library. 
• European Committee for Standardization. (2008). Case hardening steels — Technical delivery conditions (EN 10084:2008) 
• International Organization for Standardization. (2002). Steels — Determination and verification of the depth of carburized and hardened cases (ISO Standard No. 2639:2002). 
• International Organization for Standardization. (2019). Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels — Part 3: Case-hardening steels (ISO Standard No. 683-3:2019). 
• Kaciulis, S., Lanzutti, A., Mezzi, A., Montanari, R., Palombi, A., Picco, N., Vaglio, E., Varone, A., & Verona, C. (2025). Low temperature plasma carburizing of additive manufactured 316 L steel: the effect of treatment time on tribological behavior. Journal of Materials Research and Technology, 36, 9962-9977.