Stal do azotowania

Czym jest stal do azotowania: definicja i właściwości stopu

Stal do azotowania to konstrukcyjna stal stopowa z dodatkiem pierwiastków azotkotwórczych, która po obróbce zyskuje twardą warstwę wierzchnią. Najważniejsze z nich to glin (Al) i chrom (Cr), a zależnie od gatunku także molibden (Mo) i wanad (V). Tworzą one z azotem trwałe, twarde azotki. Dzięki temu element ma odporną na ścieranie powierzchnię, a jego rdzeń zachowuje właściwości nadane wcześniejszym ulepszaniem cieplnym.

Przykładem jest stal 1.8509 (41CrAlMo7-10 / 38HMJ) z oferty Multistal. Zawiera około 0,80-1,20% Al, 1,50-1,80% Cr i 0,20-0,35% Mo. Wymagania dla tych stali określa PN-EN ISO 683-5:2021-10, która zastąpiła wycofaną normę PN-EN 10085:2003. 

Materiał dostępny jest w postaci prętów, formatek ciętych na wymiar i odkuwek. Dostawy realizowane są ze świadectwem odbioru 3.1 wg EN 10204.

Gatunki stali do azotowania na wały, tuleje i wrzeciona

Stal do azotowania sprawdza się tam, gdzie powierzchnia pracuje w ciągłym kontakcie ze współpracującym elementem, a część jest obciążona dynamicznie. Typowe zastosowania to wały korbowe i rozrządcze, wrzeciona obrabiarek i szlifierek, tuleje cylindrowe, koła zębate oraz sworznie tłokowe. Twarda warstwa ogranicza zużycie ścierne, a odpowiednio ulepszony rdzeń przenosi obciążenia i naprężenia dynamiczne.

Przy wyborze dla konkretnego podzespołu należy sprawdzić cztery rzeczy: rodzaj obciążenia, wymaganą twardość powierzchni, średnicę elementu i stan, w jakim materiał trafi do obróbki. W przypadku posiadania informacji odnośnie detalu i braku narzuconego gatunku, można wysłać wymagania pracy części przez formularz kontaktowy. Doradcy techniczni Multistal pomogą dobrać materiał z oferty. 

Mechanizm azotowania a błędy technologiczne przy doborze

Azotowanie jest obróbką cieplno-chemiczną prowadzoną w temperaturach znacznie niższych niż hartowanie. W popularnym wariancie gazowym zwykle mieści się w okolicach 500-550 °C, w atmosferze dysocjującego amoniaku. Azot dyfunduje w głąb powierzchni i tworzy azotki. 

Stosuje się też inne metody, na przykład azotowanie plazmowe, z innymi zakresami parametrów. Ponieważ detal nie jest gwałtownie chłodzony, odkształcenia cieplne są zwykle mniejsze niż po nawęglaniu z hartowaniem.

Stal do nawęglania zwykle pozwala uzyskać grubszą warstwę utwardzoną, ale wymaga hartowania po procesie, co zwiększa ryzyko deformacji i pęknięć.

Gatunki stali do azotowania i ich parametry techniczne

Oznaczenia 1.8509, 41CrAlMo7-10 i 38HMJ są powszechnie stosowane jako odpowiedniki. Publikowane zakresy składu nie zawsze pokrywają się dokładnie, więc zgodność z wymaganiami projektu potwierdzić należy według właściwej normy i dokumentacji materiałowej. 

Orientacyjne parametry obróbki cieplnej dla stali 1.8509

Stan dostawy wpływa na dalszą obróbkę:

• +QT (ulepszony cieplnie): stan zasadniczo preferowany dla stali do azotowania, bo rdzeń ma już właściwości docelowe. Twardość zależy od średnicy i grubości.
• +A (zmiękczony): ułatwia obróbkę skrawaniem, twardość maks. 248 HB. Kolejność operacji musi uwzględniać nadanie rdzeniowi wymaganych właściwości przed azotowaniem.

Granica plastyczności Rp0,2 i wytrzymałość na rozciąganie zależą od stanu dostawy oraz średnicy przekroju. Wartości należy odczytywać zawsze dla konkretnego stanu i zakresu wymiarowego z normy oraz świadectwa. 

Właściwości eksploatacyjne warstwy po azotowaniu stali

Azotowanie zwiększa twardość powierzchniową, odporność na zużycie ścierne i wpływa korzystnie na wytrzymałość zmęczeniową.

Odpowiednio ulepszony rdzeń zapewnia wymagane właściwości mechaniczne, a warstwa azotowana z naprężeniami ściskającymi może poprawiać odporność zmęczeniową. Odporność korozyjna zależy od rodzaju warstwy i dodatkowych zabiegów, na przykład utleniania. Azotowanie nie zastępuje stali nierdzewnej w środowiskach agresywnych.

Twardość warstwy wierzchniej stali po azotowaniu

Twardość mierzy się metodą Vickersa (HV). Dla stali 38HMJ podaje się twardość powierzchniową powyżej 900 HV, a dla stopów z Al i Cr szerzej 800-1100 HV. Pomiar mikrotwardości metodą Vickersa wykonuje się pod małym, zdefiniowanym obciążeniem, a wynik należy podawać razem z jego wartością.

Twardość i głębokość utwardzenia zależą od parametrów procesu, dlatego wymaganie warto zapisać w dokumentacji z podaniem metody i warunków pomiaru. 

Struktura stali azotowanej po obróbce cieplno-chemicznej

Na zgładzie metalograficznym stali azotowanej widać trzy strefy. Na zewnątrz leży cienka warstwa związkowa (tzw. biała warstwa) z azotków żelaza, zwykle o grubości kilku–kilkunastu mikrometrów. Jest bardzo twarda, ale krucha, dlatego przy dużych obciążeniach ogranicza się ją parametrami procesu albo usuwa szlifowaniem. Pod nią leży strefa dyfuzyjna z azotem w osnowie i drobnymi wydzieleniami azotków Al, Cr i Mo. To ona daje głębokie utwardzenie i naprężenia ściskające. Rdzeń zachowuje strukturę z ulepszania, bo azotowanie prowadzi się poniżej temperatury odpuszczania 

Powiązane materiały

Oprócz stali do azotowania w ofercie Multistal są także inne grupy materiałów, które sprawdzają się w częściach maszyn i konstrukcjach przemysłowych:

• stal do ulepszania cieplnego i hartowania: gatunki takie jak 42CrMo4 czy 34CrNiMo6, które po hartowaniu i odpuszczaniu łączą wysoką wytrzymałość z plastycznością i odpornością na obciążenia dynamiczne;
• stal konstrukcyjna: gatunki od C45 po S355, stosowane w konstrukcjach nośnych, elementach maszyn i częściach przeznaczonych do dalszej obróbki;
• stal łożyskowa: materiał dla elementów tocznych, gdzie liczą się niskie tarcie, wysoka odporność na zmęczenie i długotrwała, stabilna praca;
• stal trudnościeralna: stal do pracy w warunkach intensywnego zużycia, przy stałym kontakcie, tarciu i uderzeniach.

Pełny asortyment asortyment stali jakościowej znaleźć można na stronie wszystkich produktów Multistal.

Pytania i odpowiedzi

Czy stal do azotowania można spawać i jakie są ograniczenia?

Stal 41CrAlMo7-10 jest trudno spawalna i nie zaleca się jej do konstrukcji spawanych. Inaczej wygląda spawanie materiału przed azotowaniem, a inaczej próba spawania gotowej, azotowanej powierzchni, a samo usunięcie warstwy nie rozwiązuje wszystkich problemów technologicznych. Jeśli projekt wymaga spawania, skonsultuj gatunek z technologiem.

Czym stal do azotowania różni się od stali do nawęglania oprócz twardości warstwy?

Azotowanie prowadzi się w niższych temperaturach i zwykle bez hartowania po procesie, co ogranicza odkształcenia. Nawęglanie wymaga hartowania, daje zazwyczaj grubszą warstwę utwardzoną, ale z większym ryzykiem deformacji. Wybór zależy od obciążenia, wymaganej głębokości warstwy i dopuszczalnych odkształceń. Żaden z tych materiałów nie jest uniwersalnie lepszy.

Co potwierdza atest 3.1 dla stali do azotowania i dlaczego jest ważny?

Świadectwo 3.1 wg EN 10204 potwierdza zgodność dostawy z wymaganiami zamówienia i przedstawia wyniki wymaganej kontroli dla identyfikowalnej partii materiału. Zakres badań wynika ze specyfikacji i zamówienia. Dokument ułatwia identyfikowalność i audyty u odbiorcy.

Czy stal do azotowania jest odporna na korozję w środowisku olejów i wody?

Nie jest to cecha uniwersalna. Odporność zależy od gatunku, rodzaju warstwy związkowej, parametrów procesu i ewentualnego utleniania. Azotowanie nie zastępuje stali nierdzewnej, zwłaszcza w środowiskach kwaśnych.