Chłodzenie azotem stali martenzytycznych

Czy poddanie procesowi chłodzenia azotem wału ze stali martenzytycznej (np. 2H13, 3H13, 4H13) ma wpływ na jego późniejsze własności wytrzymałościowe i strukturę?

Martenzytyczne stale nierdzewne uzyskują swoje wysokie własności wytrzymałościowe w wyniku obróbki cieplnej polegającej na hartowaniu w oleju lub na powietrzu oraz następującym po nim procesowi odpuszczania. W wyniku hartowania struktura stali zmienia się w martenzyt o wysokiej twardości i wytrzymałości, a przez odpuszczanie podwyższa się własności plastyczne stali.

Zastosowanie atmosfer obojętnych w trakcie obróbki cieplnej nierdzewnych stali martenzytycznych ma za zadanie zabezpieczenie powierzchni przed szkodliwym oddziaływaniem powietrza, w którym stal utlenia się w wysokiej temperaturze. Gazy ochronne w trakcie chłodzenia zapewniają ochronę powierzchni i zapobiegają powstaniu na niej przebarwień – utlenionej warstwy wierzchniej, gdzie w wyniku powstawania tlenków zmniejsza się stężenie chromu w warstwie wierzchniej. Brak atmosfery ochronnej i wykonanie obróbki cieplnej w powietrzu powodują silne utlenienie powierzchni zewnętrznej elementów, co będzie wymagać korekty przez dodatkową obróbkę powierzchniową, np. szlifowanie. 

Do obróbki nierdzewnych stali martenzytycznych zaleca się atmosfery ochronne, które nie mają charakteru redukującego i nie powodują wzrostu stężenia azotu w warstwie wierzchniej. Zalecana jest próżnia z kontrolowanym ciśnieniem azotu jako gazu osłonowego oraz mieszaniny azot-argon / wodór.

Własności mechaniczne i otrzymana w wyniku obróbki cieplnej struktura stali martenzytycznej będą zależeć od warunków procesu w tym czasu, temperatury i szybkości chłodzenia podczas hartowania i odpuszczania, gdzie przy niskim odpuszczaniu (w zakresie 200-300°C) można otrzymać wysokie własności mechaniczne stali, podczas gdy odpuszczanie wysokie (w zakresie 500-600°C) wpłynie na zwiększenie plastyczności przy jednoczesnym obniżeniu twardości i wytrzymałości stali. Zastosowanie azotu jako gazu procesowego podczas obróbki cieplnej stali nierdzewnych może wpłynąć na nasycenie warstwy wierzchniej w azot, który spowoduje dodatkowy wzrost twardości powierzchni. Rozpuszczalność azotu atmosferycznego (cząsteczkowego N₂) w żelazie ciekłym jest bardzo nieznaczna, natomiast jeżeli występuje on w stanie atomowym to jego rozpuszczalność jest znacznie większa. Zjawisko to wykorzystuje się w procesach azotowania powierzchni stali nierdzewnych, które prowadzą do zwiększenia twardości i odporności korozyjnej naazotowanej warstwy wierzchniej. W przypadku azotowania atmosferę stanowi amoniak, który w temperaturze powyżej 400-500°C dysocjuje do azotu atomowego i wodoru. Naazotowanie powierzchni stali wymaga odpowiednio wysokiej temperatury 1100-1200°C oraz ciśnienia cząstkowego gazu 0,05-0,3MPa N₂ przy czym zbyt niska temperatura obróbki lub nadmierne ciśnienie cząstkowe azotu mogą spowodować wydzielanie węglików chromu, które niekorzystnie wpływają na odporność korozyjna stali.

Samo chłodzenie azotem zamiast chłodzenia powietrzem w trakcie obróbki cieplnej stali nierdzewnych może wpłynąć na ochronę warstwy wierzchniej przed utlenianiem, ale nie doprowadzi do nasycenia stali w azot. Dlatego takie chłodzenie będzie mieć wpływu na własności stali jedynie pod względem ochrony warstwy pasywnej znajdującej się na powierzchni stali nierdzewnych. Ponadto chłodzenie strumieniem gazu (azotu) w wyniku chłodzenia konwekcyjnego w porównaniu do wolnego chłodzenia z piecem umożliwia otrzymanie większej szybkości chłodzenia i tym samym zwiększenie własności mechanicznych na rzecz plastycznych warstwy wierzchniej.