Azotowanie polega na dyfuzyjnym -nasycaniu stali azotan. Przebiega ono zwykle w zakresie temperatury 500 - 600°C w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu. Azotowanie może być: krótko-, średnio- i długookresowe. Obecnie najczęściej stosuje się azotowanie gazowe i jarzeniowe. Może się ono odbywać także w złożu fluidalnym. W praktyce przeważa azotowanie ferrytyczne, wykonywane w temperaturze niższej od Ac1 obrabianej stali (z uwzględnieniem układu równowagi Fe - N). Z uwagi na liczne zalety zarówno procesu, jak i otrzymywanych warstw zakres zastosowania azotowania w przemyśle jest znaczny i systematycznie rośnie. Do korzystnych cech azotowania pod względem strukturalnym, wytrzymałościowym i technologicznym należy zaliczyć: dużą twardość powierzchniową, zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze (do 600°C), zwiększoną odporność na ścieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne, odporność na korozję gazową i atmosferyczną, dużą wytrzymałość zmęczeniową elementów azotowanych, względnie niską temperaturę procesu, umożliwiającą wytworzenie twardej warstwy na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu, niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania.
Chrom, wpływ: Podstawowym dodatkiem stopowym stali do ulepszania cieplnego jest chrom. Zwiększa on hartowność oraz opóźnia procesy odpuszczania, co umożliwia uzyskanie dużej wytrzymałości. Dla zwiększenia hartowności i przeciwdziałania kruchości odpuszczania stosuje się dodatek 0,15 - 0,25% Mo (np. 40 HM). Oprócz Cr podstawowym składnikiem tych stali jest Ni, który zwiększa hartowność, polepsza właściwości plastyczne i jednocześnie obniża temperaturę przejścia plastyczno-kruchego (np. 40 HNM).
Chromowanie dyfuzyjne: w wyniku procesu chromowania stopów żelaza w zależności od zawartości węgla w podłożu tworzą się dwa typy warstw powierzchniowych. W stopach o zawartości węgla poniżej 0,15% warstwa jest zbudowana z roztworu stałego chromu w ferrycie, a w stopach powyżej tej granicy warstwa powierzchniowa o charakterze powłoki jest zbudowana z węglików chromu. Na stalach wysokowęglowych tworzy się zwykle węglik typu M7C3 zawierający około 60% Cr, 30% Fe i 10% C o strukturze iglastych kryształów prostopadłych do powierzchni. W szczególnych przypadkach, np. po długotrwałym chromowaniu żeliwa o zawartości węgla powyżej 3,5%, w powłokach uzyskuje się trzy rodzaje węglików: M3C przy podłożu, M7C3 w środku i M23C6 przy powierzchni. Warstwa roztworu stałego powstająca wskutek dyfuzji chromu do ferrytu zawiera około 30% Cr przy powierzchni, jest niewiele twardsza od podłoża stalowego. Ma ona szare zabarwienie, jest dość porowata i chropowata, co powoduje, że niezwykle trudno jest ją całkowicie oczyścić z proszku chromującego, który pod wpływem wilgoci szybko koroduje. Z tego względu chromowanie stali niskowęglowych nie znalazło praktycznego zastosowania. Powłoka węglikowa powstająca wskutek reakcji chromu z węglem z podłoża stalowego ma barwę srebrzystą z wyraźnym połyskiem, twardość około 2000 HV, dobrą odporność na ścieranie, korozję i żaroodporność. Grubość powłoki zależy od zawartości węgla w podłożu stalowym oraz od temperatury i czasu procesu chromowania. Wartość użytkową mają powłoki o grubości 15 ÷ 40 um.
Dodatki stopowe, wpływ: Dodatki stopowe dodaje się do stali w celu zmiany właściwości mechanicznych lub fizykochemicznych. Występujące w stalach konstrukcyjnych dodatki stopowe (szczególnie Cr, Mo, Si) opóźniają proces rozkładu martenzytu. Dodatki stopowe zwiększają hartowność, zapewniają wymagane właściwości wytrzymałościowe rdzenia, a także zmniejszają naprężenia hartownicze. Jednakże dodatki te (Mn, Ni Cr, Mo) obniżają temperaturę Ms , co wpływa na zwiększenie ilości austenitu szczątkowego i tym samym zmniejszenie twardości warstwy utwardzonej. Dodatki stopowe zmniejszają krytyczną szybkość chłodzenia.
Kryteria podziału stali to: skład chemiczny, właściwości mechaniczne (fizyczne) i zakres zastosowań. Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się stale niestopowe (dawniej nazywane węglowymi) i stopowe.
Nasycanie dyfuzyjne jest to proces wprowadzania pierwiastków w postaci atomowej do warstwy wierzchniej metali lub stopów metali. Efekt procesu zależy od czasu jego trwania i temperatury, materiału podłoża oraz od stężenia ośrodka aktywnego, z którego pochodzi pierwiastek wzbogacający warstwę wierzchnią. Warstwy dyfuzyjne wytwarza się ze względu na ich cenne właściwości użytkowe, takie jak: duża twardość i odporność na ścieranie, żaroodporność oraz odporność na korozję. Pierwiastkami nasycającymi są najczęściej takie niemetale, jak węgiel, azot, siarka i bor oraz metale: glin, chrom, tytan i krzem. Jednym z mniej znanych procesów nasycania dyfuzyjnego, ale bardzo interesującym ze względu na cenne właściwości użytkowe powstającej warstwy, jest chromowanie dyfuzyjne. Jest to proces polegający na nasycaniu warstwy wierzchniej stopów żelaza chromem, prowadzony w środowisku stałym, gazowym lub ciekłym. Warstwa roztworu stałego powstająca wskutek dyfuzji chromu do ferrytu zawiera około 30% Cr przy powierzchni.
Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wykonanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25%. Operację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakresie 900 - 930°C. Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 - 1,0% i o grubości 0,6 - 1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne.
Obróbka cieplna po nawęglaniu: hartowanie i niskie odpuszczanie (rys. 3.6) w celu: otrzymania w warstwie wierzchniej struktury drobno iglastego martenzytu z węglikami, co zwiększa twardość powierzchni do około 60 HRC; w warstwie tej z reguły występuje również austenit szczątkowy, którego ilość zależy od gatunku nawęglonej stali, stężenia węgla w warstwie i rodzaju hartowania po nawęglaniu; zapewnienia znacznej ciągliwości i wymaganych właściwości wytrzymałościowych rdzenia; struktura rdzenia stali stopowych to najczęściej niskowęglowy martenzyt lub bainit, w niektórych przypadkach z wydzieleniami ferrytu. Nowoczesne stale stopowe do nawęglania (odporne na rozrost ziaren austenitu podczas nawęglania) umożliwiają stosowanie hartowania bezpośrednio z temperatury nawęglania gazowego, co znacznie upraszcza proces technologiczny. Określony rozkład struktury na przekroju warstwy utwardzonej determinuje odpowiednie właściwości mechaniczne. Hartowanie i niskie odpuszczanie nazywa się utwardzaniem cieplnym. Prowadzi ono do uzyskania struktury odpuszczonego martenzytu, tj. martenzytu o zmniejszonej zawartości węgla z wydzieleniami drobnych węglików.
Obróbka cieplno-chemiczna, będąca dziedziną obróbki cieplnej, to zespół operacji, których celem jest wytworzenie zmian struktury, a w konsekwencji zmian właściwości użytkowych warstwy wierzchniej metali i stopów w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska. Obróbka cieplno-chemiczna wywołuje wstępne naprężenia ściskające oraz wzrost granicy sprężystości, co zwiększa odporność na działanie karbu oraz wytrzymałość zmęczeniową elementu. W tych procesach technologicznych wykorzystuje się szeroko nasycanie (stopowanie) dyfuzyjne, czyli wprowadzanie w wyniku dyfuzji do warstwy wierzchniej metalu lub stopu w stanie stałym jednego lub kilku składników w celu nadania jej pożądanych właściwości mechanicznych i (lub) fizykochemicznych. Nasycanie to prowadzi się w temperaturze zapewniającej szybką dyfuzję.
Powłoka anodowa jest wykonana z metalu o ujemnym potencjale elektrochemicznym (mniej szlachetnym) niż metal chroniony. Pokrywanie metali powłokami anodowymi zapewnia ochronę katodową, gdyż powłoka z metalu mniej szlachetnego działa w charakterze anody jako protektor. Przykłady: cynk, kadm. Powłoka ta nie musi być idealnie szczelna.
Powłoka katodowa jest wykonywana z metali bardziej szlachetnych niż metal chroniony. Przykładem takiej powłoki są powłoki z miedzi, niklu, chromu, cyny lub srebra. Powłoka ta jest skuteczna wówczas gdy cała powierzchnia stalowa jest nią szczelnie pokryta.
Spawalnością stali nazywany jest zespół cech działający w określonych warunkach i decydujący o możliwościach jej zastosowania na konstrukcje spawane. Spawalność stali zależy od wielu czynników. przydatność materiału do spawania. Spajalność wyraża przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie, do utworzenia w określonych warunkach spajania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności. Wrażliwość na spajanie wyraża reakcją metalu na procesy wywołane określonymi warunkami spajania Warunki spajania obejmują zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych oddziałujących na spajane złącze w czasie jego wykonywania. Użyteczność jest wynikiem własności złącza i określa możliwości jego wykorzystania w danych warunkach pracy.
Stal jest to przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem (stężenie C od kilku setnych części procentu wagowego do 2,11%) i innymi pierwiastkami. Innymi pierwiastkami mogą być domieszki metaliczne, np. Mn, Si, Al, wprowadzone w celu odtlenienia i odsiarczenia stali bądź pochodzące ze złomu używanego przez huty do wytapiania stali, np. Cr, Cu, Ti. Trzy główne kryteria podziału stali to: skład chemiczny, właściwości mechaniczne (fizyczne) i zakres zastosowań. Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się stale niestopowe (dawniej nazywane węglowymi) i stopowe.
Stale narzędziowe są materiałami, z których wytwarza się narzędzia do produkcji różnych wyrobów. Są to narzędzia skrawające (np. wiertła, frezy, noże tokarskie, gwintowniki, pilniki, piły), tnące (ostrza noży, gilotyny), narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco (matryce, stemple, wykrojniki, przeciągacze), formy (odlewnicze i do wtryskarek) oraz inne. Stale narzędziowe są stalami o minimalnej zawartości zanieczyszczeń, takich jak fosfor, siarka, tlen, wodór, arsen, antymon czy bizmut. Maksymalna zawartość fosforu i siarki w tych stalach wynosi 0,03% każdego z tych pierwiastków. Ze względu na wysoką czystość w polskich normach są klasyfikowane jako stale najwyższej jakości. Od stali narzędziowych wymaga się przede wszystkim: dużej twardości (często powyżej 60 HRC), odporności na ścieranie, odporności na zginanie, odporności na cykliczne ściskanie, odporności powierzchni na zmęczenie kontaktowe, odporności na działanie karbu przy obciążeniach zmiennych, odporności na kruche pękanie. W odniesieniu do stali pracujących w podwyższonej temperaturze dodatkowo wymaga się takich właściwości, jak: niezmienność twardości do temperatury pracy narzędzia, odporność na zmianę wymiarów podczas pracy narzędzia, odporność powierzchni na utlenianie, dobra przewodność cieplna. W polskich normach stale narzędziowe są podzielone na cztery grupy: węglowe stale narzędziowe na narzędzia pracujące w temperaturze do około 200°C, narzędziowe stale stopowe do pracy na zimno na narzędzia pracujące w temperaturze do 200°C, czasem do 300°C, narzędziowe stale stopowe do pracy na gorąco na narzędzia do obróbki plastycznej, nagrzewające się powierzchniowo do temperatury 500°C - 600 C, stale szybkotnące stosowane na narzędzia do obróbki skrawaniem, pracujące w temperaturze do około 500°C. W każdej grupie występują gatunki stali różniące się składem chemicznym, a co za tym idzie, właściwościami. Można spośród nich wybrać stal o żądanych właściwościach i ekonomicznie uzasadnionej cenie. Obróbka cieplna narzędzi polega na hartowaniu i odpuszczaniu. Szybkość na-grzewania, temperatura i czas austenityzowania oraz ośrodek chłodzący (czyli szyb-kość chłodzenia podczas hartowania) zalezą od kładu chemicznego stali i od wielkości narzędzia. Temperatura i liczba cykli odpuszczania również są zależne od składu chemicznego stali. Z kolei temperatura pracy gotowego narzędzia zawsze musi być niższa od temperatury odpuszczania.
Stan przesycony P. Celem przesycania jest uzyskanie jednej fazy, tj. roztworu stałego, a przez to zwiększenie plastyczności i ułatwienie obróbki plastycznej na zimno. Struktura jednofazowa zapewnia też większą odporność korozyjną. Przesycanie stali polega na rozpuszczeniu węglików w austenicie w zakresie 1100 — 1300°C i szybkim ochłodzeniu. W stanie P dostarcza się niektóre stale o specjalnych właściwościach, np. stale austenityczne.
Stan starzony S. Starzenie polega na powrocie struktury ze stanu przesyconego do równowagowego. Podczas starzenia wydzielają się drobne fazy umacniające roztwór stały. Zatem efektem starzenia jest zwiększenie właściwości wytrzymałościowych i zmniejszenie plastycznych. Starzenie stosuje się głównie do niskowęglowych stali z mikrododatkami jako operację końcową po regulowanym walcowaniu. Strukturę tych stali tworzą drobnoziarnisty ferryt z wydzieleniami węglików, azotków lub węglikoazotków oraz niewielkie ilości perlitu. W stanie S dostarcza się stale o wymaganej udarności.
Stan utwardzony wydzieleniowo D. Utwardzanie wydzieleniowe, zwane także dyspersyjnym, polega na umocnieniu roztworu stałego przez wydzielenie z przesyconego roztworu stałego drobnych faz międzymetalicznych tworzonych przez pierwiastki stopowe. W stanie D dostarcza się wysokostopowe stale martenzytyczne znane jako stale maraging. Mają one wysoki poziom właściwości wytrzymałościowych.
Struktura warstwy azotowanej: Warstwy wytwarzane w procesie konwencjonalnego azotowania gazowego są zwykle zbudowane z dwóch stref: strefy przypowierzchniowej, nie ulegającej trawieniu, składającej się z bogatych w azot węgloazotków Fe2-3(N,C) i azotków γ’ (Fe4N) lub tylko azotków γ’; w strefie węgloazotków ε mogą występować pory; strefy azotowania wewnętrznego, która w stalach węglowych jest roztworem stałym azotu w żelazie z wydzieleniami lub bez wydzieleń azotków żelaza; w przypadku stali stopowych strefa ta zawiera drobno dyspersyjne wydzielenia azotków pierwiastków stopowych (Cr, W, Mo, V, Ti) rozmieszczonych w podłożu ferrytycznym (rys. 3.13); strefa ta trawi się ciemniej niż rdzeń.
Struktura warstwy nawęglonej: W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia, w związku z czym zmienia się również struktura. Najsilniej nawęglona strefa zewnętrzna (nadeutektoidalna) powinna składać się z perlitu, ewentualnie z niewielką ilością cementytu. Natomiast struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu przy powierzchni jest niedopuszczalna, gdyż jest krucha i łatwo pęka podczas hartowania. Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna łagodnie przechodzić w ferrytyczno-perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.