Stal 18CrNiMo7-6

Stal 18CrNiMo7-6 to powszechnie stosowany gatunek stali nawęglanej, ceniony za możliwość uzyskania twardej, odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwego i udarnego rdzenia. Artykuł opisuje charakterystykę tego stopu, metody produkcji i obróbki, właściwości mechaniczne po wybranych procesach cieplnych oraz typowe zastosowania przemysłowe. Zamieszczone informacje mają pomóc w rozumieniu, kiedy i dlaczego wybiera się ten materiał oraz jak prawidłowo go obrabiać, hartować i kontrolować jakość gotowych elementów.

Charakterystyka i skład chemiczny

18CrNiMo7-6 jest stalą niskowęglową przeznaczoną do nawęglania, czyli procesu mającego na celu wprowadzenie wierzchniej warstwy o wyższej zawartości węgla i tym samym umożliwienie uzyskania twardej, martensytycznej powłoki po zahartowaniu. Typowy, przybliżony skład chemiczny tej stali to:

• C: ok. 0,15–0,21% — niska zawartość węgla w stanie wyjściowym (umożliwia dobrą plastyczność rdzenia i łatwe obrabianie przed nawęglaniem),
• Cr: ~1,0–1,3% — chrom zwiększa hartowność i odporność na zużycie,
• Ni: ~1,2–1,6% — nikiel poprawia udarność i hartowność,
• Mo: ~0,1–0,3% — molibden zwiększa wytrzymałość i hartowność przy większych przekrojach,
• Mn, Si: w niewielkich ilościach, fosfor i siarka na niskim poziomie jako zanieczyszczenia.

W stanie dostawy (przed nawęglaniem) mikrostruktura to zwykle ferryt z drobną ilością perlitu lub struktura zmiękczona (sferoidyzacja), co ułatwia skrawanie i formowanie. Po nawęglaniu i zahartowaniu wierzchnia warstwa przekształca się głównie w martensyt o wysokiej twardości, a rdzeń pozostaje miękki i plastyczny (odpowiednio odtemperowany).

Proces produkcji i obróbki technologicznej

Wytapianie i rafinacja

Produkcja stali zaczyna się od wytopu w piecach elektrycznych lub konwertorach, z następnie prowadzoną rafinacją w kadzi (odgazowanie próżniowe, oczyszczanie od zanieczyszczeń) w celu kontroli zawartości węgla, siarki i fosforu oraz równomiernego rozkładu dodatków stopowych. Kontrola homogenności jest istotna szczególnie przy elementach o większych przekrojach.

Kształtowanie i obróbka plastyczna

Po odlewie następuje walcowanie lub kucie w zależności od rodzaju wyrobu (pręty, odkuwki, półfabrykaty). Typowe procesy to:

• walcowanie gorącym – wytwarzanie prętów i profili,
• kucie odkuwek – dla elementów wymagających lepszej wytrzymałości i jednorodności,
• normalizowanie – polepszanie struktury i usuwanie naprężeń po obróbce plastycznej.

Obróbka cieplna przed nawęglaniem

Przed nawęglaniem często wykonuje się anulowanie lub sferoidyzację w celu zmiękczenia stali i ułatwienia obróbki mechanicznej. Typowe procedury obejmują wyżarzanie zmiękczające i normalizację, co zapewnia jednorodną mikrostrukturę i właściwe właściwości przed procesem nawęglania.

Nawęglanie (carburizing) — kluczowy etap

Nawęglanie to proces powierzchniowego wzbogacania warstwy węglem, zwykle prowadzony w piecach gazowych, próżniowych (laserowe/carburizing) lub kąpielowych. Główne parametry:

• temperatura nawęglania: zwykle 880–950°C w zależności od pożądanej dyfuzji węgla,
• czas procesu: od kilkudziesięciu minut do kilkudziesięciu godzin, zależnie od wymaganej głębokości warstwy (case depth),
• atmosfera: gaz węglonośny, parafiny w kąpielach lub gaz złożony; ważna jest kontrola aktywności węglowej,
• chłodzenie: po nawęglaniu elementy są austenityzowane (przygotowanie do szybkiego schłodzenia) i następnie chłodzone (quench) w oleju, wodzie lub gazie, co umożliwia przemianę nawęglonej warstwy w martensyt.

Hartowanie i odpuszczanie

Po nawęglaniu następuje proces hartowania (szybkie chłodzenie), którego celem jest przemiana austenitu w martensyt w warstwie nawęglonej. Następnie przeprowadza się odpuszczanie w celu zmniejszenia kruchości oraz ustalenia właściwej twardości i udarności. Parametry odpuszczania decydują o kompromisie między twardością powierzchni a zdolnością do absorpcji udarów przez rdzeń.

Właściwości mechaniczne i mikrostruktura po obróbce

Jedną z głównych zalet stali 18CrNiMo7-6 jest możliwość uzyskania kombinacji wysokiej twardości powierzchniowej i zachowania ciągliwego, bezpiecznego w użytkowaniu rdzenia. Charakterystyka po standardowym nawęglaniu, hartowaniu i odpuszczaniu:

• twardość warstwy nawęglonej: typowo 58–64 HRC (zależnie od procesu i składu końcowego),
• głębokość warstwy (case depth): od 0,5 do 3 mm w typowych zastosowaniach; w wielkogabarytowych elementach można uzyskać większe głębokości przy dłuższym procesie,
• twardość rdzenia: zwykle 30–40 HRC po odpuszczaniu — zapewnia to dobrą odporność udarową i zapobiega pękaniu przy obciążeniach dynamicznych,
• mikrostruktura: warstwa powierzchniowa — martensyt z możliwą obecnością węglików i resztkowym austenitem; rdzeń — odtempered martensite lub bainit/ferryt w zależności od procesu chłodzenia i zawartości pierwiastków stopowych.

Dzięki tej strukturze elementy wykonane z tej stali wykazują wysoką odporność zmęczeniową i dobrą odporność na zużycie ścierne w warstwie powierzchniowej, a jednocześnie zachowują bezpieczeństwo użytkowania dzięki plastycznemu rdzeniowi.

Zastosowania przemysłowe

Stal 18CrNiMo7-6 znajduje szerokie zastosowanie tam, gdzie wymagana jest kombinacja twardej powierzchni i wytrzymałego rdzenia. Typowe zastosowania obejmują:

• zębatki i koła zębate skrzyń biegów — elementy narażone na duże obciążenia punktowe i ścieranie,
• wałki atakujące, piny, sworznie i trzpienie — elementy przenoszące obciążenia dynamiczne,
• zębniki i półosie w motoryzacji — dzięki dobrej odporności zmęczeniowej,
• elementy przekładni przemysłowych i maszyn górniczych,
• części układów napędowych i maszyny rolnicze,
• łożyska toczne i panewki specjalne (po odpowiednim wykończeniu),
• elementy narzędzi do obróbki plastycznej i formy eksploatacyjne, gdy wymagane jest twarde, odporne na zużycie wykończenie powierzchni.

W praktyce decyzja o zastosowaniu 18CrNiMo7-6 wynika z wymagania uzyskania trwałej warstwy nośnej (np. powierzchni kontaktu z kołem zębatym) i jednoczesnego uniknięcia kruchych pęknięć inicjowanych przy uderzeniach lub w wyniku wad materiałowych — dzięki plastycznemu rdzeniowi ryzyko takie jest zmniejszone.

Obróbka skrawaniem, spawanie i wykańczanie

Obróbka skrawaniem

Najlepsze parametry obróbki skrawaniem uzyskuje się w stanie zmiękczonym (przed nawęglaniem). Po nawęglaniu skrawanie jest utrudnione — wymagane jest stosowanie narzędzi z węglików spiekanych, ceramiki, lub procesów elektroerozyjnych (EDM). Kilka zasad praktycznych:

• cięcie i toczenie w stanie dostawy po wyżarzaniu: standardowe narzędzia HSS lub węglikowe; łatwe do osiągnięcia dobrej jakości powierzchni,
• po nawęglaniu i hartowaniu: skrawanie ograniczone, główne operacje to szlifowanie, honowanie, toczenie wykończeniowe z użyciem specjalnych narzędzi,
• zalecane do wymiarowania po obróbce cieplnej: szlifowanie na gotowo z kontrolą chropowatości i wymiarów.

Spawanie

Spawanie stali nawęglanych wymaga szczególnej ostrożności: niska zawartość węgla w stanie wyjściowym ułatwia spawanie, jednak obecność dodatków stopowych i lokalne odtwardzenie mogą zwiększyć ryzyko kruchości. Zalecenia:

• przed spawaniem: lokalne ogrzewanie lub podgrzewanie elementu (preheating), aby uniknąć pęknięć,
• po spawaniu: kontrolowane chłodzenie i ewentualne odpuszczenie,
• stosowanie odpowiednich materiałów dodatkowych i technik spawania — wymagana konsultacja z technologiem przy spawaniu krytycznych elementów.

Wykończenie powierzchni

Po obróbce cieplnej i hartowaniu wymagane jest precyzyjne wykończenie powierzchni: szlifowanie, polerowanie, obróbka cieplno-chemiczna (np. powierzchniowe uszlachetnianie) oraz zastosowanie naprężeniowego utwardzania (shot peening) dla poprawy trwałości zmęczeniowej.

Kontrola jakości i badania

Weryfikacja odpowiedniej jakości części wykonanych z 18CrNiMo7-6 obejmuje kilka kluczowych badań:

• pomiar twardości: profil twardości od powierzchni do rdzenia (Rockwell, Vickers),
• mikroskopowa analiza przekroju poprzecznego — ocena głębokości warstwy nawęglonej i struktury (martensyt, austenit resztkowy),
• badania nieniszczące (NDT): penetracyjne, ultradźwiękowe, magnetyczno-proszkowe — szczególnie dla elementów krytycznych,
• badania mechaniczne: próby udarności (Charpy), rozciągania dla partii produkcyjnych,
• kontrola składu chemicznego — spektrometria, aby potwierdzić zgodność z wymaganym składem stopowym.

Dokładne określenie głębokości warstwy jest kluczowe w elementach takich jak koła zębate — standardowe badania wykonuje się metodami mikrotwardości lub metodykowaniem przemysłowym (np. pomiary ilości węgla w profilu). Dodatkowo kontrola naprężeń rezydualnych po procesach cieplnych może wymagać metod rentgenowskich lub ultradźwiękowych.

Wskazówki praktyczne i dobór materiału

Wybierając stal 18CrNiMo7-6 dla konkretnego komponentu, warto rozważyć następujące kryteria:

• czy wymagany element będzie poddawany obciążeniom zmęczeniowym i uderzeniowym — jeśli tak, korzyści z twardej warstwy i plastycznego rdzenia są duże,
• czy wymagana jest duża głębokość warstwy — dla bardzo głębokich warstw można rozważyć inne gatunki lub dłuższe cykle nawęglania,
• compatybilność z procesami obróbki i montażu — czy elementy będą spawane, nitowane lub poddawane obróbce cieplnej po montażu,
• koszty i dostępność — 18CrNiMo7-6 jest szeroko dostępna, ale procesy nawęglania i hartowania zwiększają koszt końcowy; opłaca się tam, gdzie wymagane są długotrwałe właściwości powierzchniowe.

Alternatywy dla 18CrNiMo7-6 obejmują inne stale nawęglane (np. stali o podobnej zdolności do nawęglania), stale mikrostopowe do nawęglania lub stale węglowe z dodatkowymi zabiegami powierzchniowymi. Wybór ostateczny powinien opierać się na analizie kosztów cyklu życia elementu i wymogów eksploatacyjnych.

Porady eksploatacyjne i utrzymanie

By zapewnić długą żywotność elementów z 18CrNiMo7-6, zalecane są następujące praktyki:

• regularna kontrola stanu powierzchni w miejscach kontaktu (zęby, łożyska),
• stosowanie odpowiednich olejów i smarów redukujących zużycie i zapewniających ochronę antykorozyjną,
• kontrola obciążeń dynamicznych i redukcja przeciążeń uderzeniowych,
• w razie potrzeby naprawa polegająca na wymianie lub regeneracji poprzez lokalne nawęglanie i ponowne wyżarzanie — wykonywana tylko przez wyspecjalizowane warsztaty.

Podsumowanie

18CrNiMo7-6 to stal nawęglana o uniwersalnym zastosowaniu w elementach wymagających twardej i odpornej na zużycie powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu plastycznego, udarnego rdzenia. Dzięki możliwości precyzyjnego dobrania parametrów nawęglania, hartowania i odpuszczania otrzymuje się elementy o wysokiej żywotności, dużej odporności zmęczeniowej i dobrej wytrzymałości. Właściwy dobór technologii wytwarzania, kontrola składu i dokładna ocena wymaganych właściwości funkcjonalnych są kluczowe dla uzyskania oczekiwanych efektów eksploatacyjnych. Przy projektowaniu i produkcji części z tej stali warto korzystać z porad technologów, aby zoptymalizować procesy obróbki i uzyskać najkorzystniejszy stosunek trwałości do kosztu.