Nawęglanie próżniowe – PreNitLPC®

Nawęglanie próżniowe (precyzyjniej nazywane również nawęglaniem niskociśnieniowym) skutecznie konkuruje z dotychczas stosowanymi metodami nawęglania dzięki korzyściom ekonomicznym wynikającym głównie ze znacznego ograniczenia łącznego czasu procesu. Jest to efektem zastosowania atmosfer o większym potencjale węglowym oraz możliwością zastosowania wyższych temperatur nawęglania niż tradycyjnie stosowane.


Obecnie temperatury nawęglania niskociśnieniowego mogą osiągać nawet 1050°C, co w znaczący sposób wpływa na skrócenie procesu i przez to proces staje się bezkonkurencyjny w stosunku do metod konwencjonalnych. Najpoważniejszym ograniczeniem stosowania tak wysokich temperatur jest możliwośc znacznego rozrostu ziarna austenitu w stali poddanej nawęglaniu. Można zapobiegać temu zjawisku stosując stale z dodatkami stopowymi ograniczającymi rozrost ziaren, co w oczywisty sposób podnosi koszty materiałowe.


Alternatywnym rozwiązaniem może być zastosowanie w nawęglaniu niskociśnieniowym etapu przedazotowania stali w fazie nagrzewania do temperatury nawęglania. Technologia ta, znana pod nazwą PreNitLPC®, została opracowana w Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej i opatentowana (EP 1 558 780 – Hydrocarbon gas mixture for the under-pressure carburizing of steel workpieces i EP 1 558 781 Method for under-pressure carburizing of steel wokpieces oraz odpowiadających im patentów amerykańskich US 7 513 958 – Hydrocarbon gas mixture for the under-pressure carburizing of steel workpieces i US 7 550 049 – Method for under-pressure carburizing of steel workpieces). Jest to modyfikacja procesu nawęglania niskociśnieniowego.


Polega na dozowaniu w etapie nagrzewania wsadu do temperatury nawęglania – amoniaku, który stanowi źródło atomów azotu. Amoniak dozowany jest w zakresie temperatury od 400 do 700°C. Taki zakres temperaturowy optymalny jest zarówno ze względu na ograniczenie ilości austenitu szczątkowego, jak również pod kątem ekonomicznym, gdyż dozowanie odbywa się w etapie nagrzewania, więc nie powoduje wydłużenia łącznego czasu procesu. Powstały (z katalitycznego rozpadu amoniaku) azot nasycając warstwę wierzchnią stali powoduje ograniczenie rozrostu ziaren austenitu w temperaturze nawęglania.



Wspomaganie procesu nawęglania niskociśnieniowego (próżniowego) azotem dostarczanym w etapie nagrzewania wsadu do nawęglania powoduje rozdrobnieni ziarn austenitu. Wpływ na ograniczenie rozrostu ziaren mają nanowydzielenia w postaci azotków i węglikoazotków dodatków stopowych, które stanowią heterogeniczne zarodki ziaren tworzącego się austenitu oraz barierę dla ich rozrostu.



Ilość zaabsorbowanego azotu w warstwie wierzchniej podczas fazy przedazotowania jest stosunkowo niewielka natomiast głębokość jego wnikania jest porównywalna z grubością warstwy nawęglonej, co powoduje iż ograniczenie rozrostu ziaren austenitu występuje w całej warstwie nawęglonej. Ilość ta jak widać jest wystarczająca do utworzenia się odpowiedniej liczby nanowydzieleń w całym obszarze nawęglonym, z drugiej strony taka ilość azotu nie powoduje stabilizacji austenitu, a tym samym nie zwiększa ilości austenitu szczątkowego w warstwie wierzchniej, nie obniżając własności mechanicznych tej warstwy. Potwierdzają to zrealizowane badania porównawcze m.in. wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na pitting.



Reasumując dostarczanie do powierzchni nawęglanego wsadu azotu w ilościach nieprzekraczających kilka setnych procenta skutkuje ograniczeniem wpływu niekorzystnego oddziaływania wysokich temperatur obróbki na własności mechaniczne warstw wierzchnich stali bez konieczności stosowania stali z dodatkami stopowymi ograniczającymi rozrost ziaren.



Daje to możliwość podniesienia temperatury procesu niskociśnieniowego nawęglania o kilkadziesiąt stopni, a więc w konsekwencji możliwość wielokrotnego skrócenia czasu jego trwania. Prowadzi to do wymiernych efektów ekonomicznych – koszty obróbki detali zmniejszają się nawet trzykrotnie, w przypadku warstw o większej grubości.