POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA 
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ 
ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA 
 

PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH II (Tworzywa Metaliczne) 
 
Temat ćwiczenia:

 

OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA 
 
I. Cel ćwiczenia: 

Celem ćwiczenia jest: 

-  poznanie podstawowych zabiegów obróbki cieplno-chemicznej oraz procesów 

technologicznych im towarzyszącym, 

-  zapoznanie się ze strukturami warstw dyfuzyjnych oraz ich wpływem na 

właściwości warstw powierzchniowych, 

-  przeanalizowanie wpływu składników stopowych stali na właściwości warstw po 

obróbce cieplno-chemicznej, 

-  poznanie podstawowych zasad doboru obróbki cieplno-chemicznej oraz jej 

parametrów w zależności od wymagań stawianych wyrobom metalowym, 

-  obserwacja zmian struktury w wybranych próbkach powstałych w wyniku 

przeprowadzonych procesów obróbki cieplno-chemicznej, 

 
 
Wstęp 
 

 

Obróbka cieplno-chemiczna jest zabiegiem wytwarzania warstw powierzchniowych 

poprzez wprowadzenie do struktury materiału obcego pierwiastka na drodze dyfuzji w 
podwyższonych temperaturach. Celem tego procesu jest uzyskanie żądanych właściwości w 
warstwie wierzchniej najczęściej podwyższonej twardości i odporności na ścieranie (ale 
także np. odporności korozyjnej) przy zachowaniu nie zmienionych właściwości rdzenia 
przedmiotu obrabianego. 
Do podstawowych obróbek cieplno-chemicznych należą: azotowanie, nawęglanie, ich 
kombinacje z innymi pierwiastkami takimi jak tlen, siarka.  Do rzadziej stosowanych 
zabiegów należą  chromowanie, aluminiowanie, krzemowanie, borowanie, itd.  
Tworzenie warstwy dyfuzyjnej w procesach obróbki cieplno-chemicznej jest efektem 
następujących procesów: 

-  uzyskania atomowego pierwiastka stopującego tzw. in statu nascendi . Źródłem 

pierwiastka może być związek chemiczny zawierający ten pierwiastek znajdujący 
się: w stanie gazowym, ciekłym lub stałym;  

-  adsobcji tego pierwiastka na powierzchni obrabianego materiału. Proces ten zależy 

od stanu wyjściowego powierzchni materiału np. stopnia jej rozwinięcia, ilości 
miejsc aktywnych, istniejących na powierzchni zaadsorbowanych zanieczyszczeń, 
wzajemnego powinowactwa między materiałem obrabianym a wprowadzanym 
pierwiastkiem stopującym;  

-  dyfuzji zaadsorbowanego pierwiastka w głąb materiału. Pierwiastek ten musi 

rozpuszczać się w materiale obrabianym. Intensywności przebiegu tego procesu 
zależy od temperatury, istniejącego gradientu stężenia pierwiastka na powierzchni, 
dyfuzyjności materiału obrabianego tzn np. istniejącego zdefektowania, wielkości 
ziaren itp. 

 

Obróbka cieplno-chemiczna 
 

1

Obróbka cieplno-chemiczna 
 

2

II. PODSTAWOWE ZABIEGI OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ 

 
 

Nawęglanie 
  

Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla do warstwy powierzchniowej celem 

podwyższenia twardości i odporności na ścieranie. Warunkiem koniecznym dla wprowadzenia 
węgla do stali jest uzyskanie atomów węgla  in statu nascendi.  Źródłem węgla w procesach 
nawęglania są najczęściej CO i CH4, których rozkład do węgla atomowego w warunkach obróbki 
przebiega wg następujących reakcji: 

2CO = CO

2

 + C 

 
CH

4

 = 2H

2

 + C 

 
Nawęglanie stosuje się przeważnie dla elementów, które powinny mieć ciągliwy rdzeń. Najczęściej 
stosowane są stale o zawartości węgla do 0,20 %. W wyjątkowych przypadkach, gdy wymagane są 
wyższe wytrzymałości rdzenia (np. w kołach zębatych) można stosować stale zawierające do 0,35 
% węgla. Proces nawęglania przeprowadza się w temperaturach powyżej A

c3 

w zakresie 

występowania austenitu, gdyż rozpuszczalność  węgla w austenicie jest zacznie większa niż w 
ferrycie co pozwala uzyskiwać wysokie zawartości węgla. Proces nawęglania przeprowadza się 
najczęściej w zakresie temperatur 920 ÷ 950°C. Wyższych temperatur nie stosuje się mimo, iż 
intensyfikowałoby to przebieg procesów dyfuzyjnych, ale równocześnie podwyższenie temperatury 
powodowałoby nadmierny wzrost gruboziarnistości rdzenia  
Zawartość  węgla na powierzchni nie powinna przekraczać 1 %. Przykładowa struktura warstwy 
pokazana jest na rys. 1. Zwiększenie zawartości węgla powyżej 1 % jest niekorzystne gdyż 
powoduje powstanie w górnej części warstwy struktury perlitycznej z siatką grubych wydzieleń 
cementytu po granicach ziaren. (rys. 2a). Taka struktura jest niepożądana, gdyż powierzchnia może 
łuszczyć się i odpryskiwać podczas pracy, a powstające twarde wykruszenia znacznie przyspieszają 
proces zużycia. Prawidłowa struktura warstwy nawęglonej powinna składać się w stanie 
znormalizowanym (parząc od powierzchni) z struktury perlitycznej, ferrytyczno-perlitycznej z 
wzrastającą w kierunku rdzenia zawartością ferrytu oraz struktury ferrytycznej z wtrąceniami 
perlitu (rys. 2b).  
Do najważniejszych parametrów warstwy nawęglonej należą jej twardość oraz grubość.  W efekcie 
nawęglania uzyskuje się najczęściej warstwę o grubości 0,6 ÷ 2 mm. Twardość struktury 
perlitycznej uzyskiwanej na powierzchni, w stanie znormalizowanym wynosi ok. 200 HB i jest to 
twardość nie wystarczająca z punktu widzenia odporności na ścieranie. Równocześnie należy 
pamiętać  iż przeprowadzenie zabiegu nawęglania w temperaturze powyżej 920°C spowodowało 
rozrost ziaren rdzenia. Dlatego po nawęglaniu niezbędne jest przeprowadzenie obróbki cieplnej. Ze 
względu na duże różnice zawartości węgla między rdzeniem i warstwą powierzchniową 
przeprowadza się dwa oddzielne zabiegi obróbki cieplnej: 
1.  normalizację rdzenia w temperaturze 900 ÷ 920°C z chłodzeniem w oleju – obróbka ta 

powoduje uzyskanie drobnoziarnistej struktury rdzenia, ale równocześnie ze względu na 
wysoką temperaturę na powierzchni powstaje gruboziarnisty martenzyt z bainitem. 

2.  hartowanie wg parametrów dla stali eutektoidalnej lub nadeutektoidalnej (30 ÷ 50°C powyżej 

A

c3 

i chłodzenie w wodzie). Po hartowaniu stosowane jest odpuszczanie niskie.  

 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 1.Warstwa nawęglona na stali 15; a) 
pow. 100x, b, c, d, e) pow. 500x 

Rys. 2. Struktury warstw nawęglonych w stanie 
normalizowanym: a) ze strefą 
nadeutektoidalną, b) ze strefą eutektoidalną. 
pow. 100x 

 
 
Azotowanie 
 
Azotowanie polega na wprowadzeniu azotu do warstwy powierzchniowej stali, celem 
nadania jej wysokiej twardości, odporności na ścieranie, podwyższenie odporności na 
zmęczenie, a także w niektórych wypadkach poniesienie odporności na korozję.  
Źródłem azotu w obróbkach gazowych jest najczęściej amoniak, który w warunkach 
procesu rozkłada się według równania: 
 

2NH3 = 6H +2N 

 
Podwyższenie twardości warstwy powierzchniowej uzyskuje się  głównie dzięki obecności 
faz azotkowych w wytworzonej warstwie wierzchniej. Ponieważ azotki żelaza nie 
zapewniają wysokiej twardości, najczęściej azotuje się stale stopowe z dodatkami 
zapewniającymi tworzenie się drobnodyspersyjnych, twardych azotków. Do takich 
pierwiastków zalicza się: Al. Ti, V, Mo, Cr.  
 
Grubość warstw azotowanych najczęściej nie przekracza 01

 ÷ 

0,6 mm. Twardość warstwy 

wynosi w zakresie 900

 ÷ 

1200 HV. Proces azotowania prowadzi się najczęściej w zakresie 

temperatur 520

 ÷ 

570°C. Czas obróbki może wynosić nawet kilkadziesiąt godzin. Proces 

azotowania ze względu na niską temperaturę procesu (w porównaniu z nawęglaniem) może 
być stosowany na materiałach po uprzedniej obróbce cieplnej.  
Przykładowe warstwy azotowane uzyskane na różnych podłożach pokazano na rys. 3

 ÷ 

8. 

 
 
 

Obróbka cieplno-chemiczna 
 

3

 

 

Rys.3 Warstwa azotowana na stali 
25HM, pow. 800x 

Rys.4 Warstwa azotowana na stali 
40HM, pow. 800x 

 

Rys.5 Warstwa azotowana na stali 40H, 
pow. 800x 

Rys.6 Warstwa azotowana na stali 
ŁH15, pow. 800x 

Rys.7 Warstwa azotowana na stali 
NC11, pow. 800x 

Rys.6 Warstwa azotowana na żeliwie 
szarym, pow. 800x 

 
 
 
 
 
 
 

Obróbka cieplno-chemiczna 
 

4

III. Przebieg ćwiczenia: 

Obróbka cieplno-chemiczna 
 

5

 

Ćwiczenie polega na obserwacji i analizie wybranych struktur stali poddanych różnym 
procesom obróbki cieplno-chemicznej. 

 

Wykonanie ćwiczenia: 

- 

przygotowanie mikroskopu metalograficznego do obserwacji, 

- 

obserwacja struktur próbek bezpośrednio po procesie nawęglania oraz po obróbce cieplnej, 
oraz struktur po azotowaniu na różnych materiałach,  

- 

analiza i porównanie różnic między strukturami, identyfikacja charakterystycznych 
elementów warstw dyfuzyjnych , 

- 

narysowanie i opisanie struktury zgładów.

 

 

 

IV. Pytania kontrolne: 

1.  Co to jest i w jakim celu przeprowadza się obróbkę cieplno-chemiczną? 
2.  Jakie warunki muszą wystąpić aby możliwe było uzyskanie warstw dyfuzyjnych? 
3.  Omówić podstawowe rodzajów obróbki cieplno-chemicznej. 
4.  Omówić znaczenie procesu dyfuzji dla powstawania warstw powierzchniowych?. 
5.  Scharakteryzować podstawowe cechy warstw dyfuzyjnych. 
6.  Porównać właściwości warstw azotowanych i nawęglanych. 
7.  Omówić znaczenie obróbki cieplnej dla procesu nawęglania. 
8.  Narysować typową budowę warstwy dyfuzyjnej. 
9.  Omówić rolę aktywacji powierzchni w procesie azotowania.  

 

Literatura: 

1. 

Rudnik St., Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1996,

 

2.  Prowans St., Materiałoznawstwo, PWN, Warszawa, 1997 
3.  Przybyłowicz K., Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 1996 
4.  Wesołowski K., Metaloznawstwo i obróbka cieplna, WNT, Warszawa 1981 
5.  Wendorff Z., Metaloznawstwo, WNT, 1971