09_Obrobka_cieplnochemiczna.pdf

6. Obróbka cieplno-chemiczna stali

6.1. Wiadomości ogólne

Obróbkę cieplno-chemiczną, podobnie jak omówione już hartowanie powierzchniowe, stosuje

się w celu uzyskania wysokiej twardości warstwy powierzchniowe przedmiotu, przy zachowaniu

ciągliwego rdzenia. Zapewnia to dużą odporność ni ścieranie i wysoką wytrzymałość na

obciążenia dynamiczne, a w niektórych przepadkach zabezpiecza stal przed korozją.

W stosunku do hartowania powierzchniowego obróbka cieplno-chemiczną jest procesem

mniej wydajnym, ale za to zapewnia większe różnice między własnościami rdzenia i warstwy

powierzchniowej, gdyż są one wynikiem nie tylko różnic struktury, ale także składu

chemicznego. Dodatkową jej zaletą jest możliwość stosowania do dowolnych przedmiotów,

niezależnie od ich kształtu (hartowanie powierzchniowe jest niemożliwe przy zbyt

skomplikowanych kształtach).

Obróbka cieplno-chemiczną polega na dyfuzyjnym wprowadzeniu do przypowierzchniowej

warstwy przedmiotu obcego pierwiastka, celem spowodowania odpowiednich zmian jej

własności (w niektórych przypadkach właściwy efekt uzyskuje się dopiero po dodatkowej

obróbce cieplnej). Ogólnie dzieli się na:

• dyfuzyjne nasycanie niemetalami (nawęglanie, azotowanie, utlenianie, siarkowanie,

borowanie, krzemowanie),

• dyfuzyjne nasycanie metalami (aluminiowanie, chromowanie, cynkowanie,

tytanowanie),

• dyfuzyjne nasycanie wieloskładnikowe (węgloazotowanie, węglotytanowanie

siarkowęgloazotowanie itd.).

Obróbkę cieplno-chemiczną przeprowadza się w środowisku bogatym w składnik

dyfundujący do stali. W większości przypadków stosuje się środowisko gazowe i wówczas w

czasie obróbki zachodzą trzy podstawowe procesy:

a) dysocjacja — polegająca na rozkładzie cząsteczek gazu i utworzeniu aktywnych atomów

pierwiastka dyfundującego, np.

2CO → CO 2 + C,

NH 3 → 3H + N;

b) adsorpcja — polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) wolnych atomów przez

powierzchnię metalu (zachodzi tylko wtedy, gdy pierwiastek wprowadzany rozpuszcza

się w obrabianym metalu),

c) dyfuzja — polegająca na przemieszczaniu się obcych atomów w sieci przestrzennej

obrabianego metalu.

W wyniku tych trzech procesów powstaje warstwa dyfuzyjna, w której stężenie

dyfundującego pierwiastka osiąga maksimum na powierzchni i maleje w miarę oddalania się od

niej.

Przemieszczanie dyfuzyjne atomów uwarunkowane jest następującymi czynnikami:

• wzajemną rozpuszczalnością metalu nasycanego i pierwiastka nasycającego,

• dążeniem układu do wyrównywania składu chemicznego w całej objętości,

• ruchami cieplnymi atomów.

Szybkość przemieszczania się atomów, czyli szybkość dyfuzji w dużej mierze zależy od

temperatury i wzrasta z jej podwyższeniem.

W zależności od przebiegu dyfuzji rozróżnia się dyfuzję atomową i dyfuzję reakcyjną.

Dyfuzja atomowa polega na przemieszczaniu się atomów jednego pierwiastka do sieci

elementarnej pierwiastka drugiego, przy czym powstaje roztwór stały o sieci elementarnej

pierwiastka rozpuszczającego. Tworzenie się nowych faz o budowie różnej od budowy

pierwiastka rozpuszczającego jest niemożliwe i maksymalne stężenie pierwiastka dyfundującego

nie przekracza granicznej rozpuszczalni w temperaturze dyfuzji. Widać więc, że przy dyfuzji

atomowej zachodzi jedynie zmiana stężenia składnika rozpuszczanego w sieci elementarnej

91 JW

składnika rozpuszczającego, tworzącego w wyniku tego roztwór stały. Zmiana ta powoduje, że

różnice we własnościach warstwy powierzchniowej metalu rozpuszczającego, czemu towarzyszy

zazwyczaj zmiana mikrostruktury. Zdarzają się jednak przypadki, że mikrostruktura powstałego

roztworu stałego nie różni się wyraźnie od mikrostruktury metalu rozpuszczającego i ujawnienie

granicy między nimi jest trudne.

Mechanizm dyfuzji atomowej jest następujący: Jak wiadomo, temperatura określa wielkość

energii układu, która rozdzielona jest między poszczególne atomy nierównomiernie. W związku

z tym w sieci elementarnej znajduje się pewna ilość atomów, których energia jest znacznie

większa niż atomów pozostałych. Energia ta przejawia się w drganiach i atom mający taką

zwiększoną ilość energii wychodzi ze swego normalnego położenia w węźle sieci elementarnej,

zajmując położenie nienormalne - międzywęzłowe. W sieci elementarnej pojawia się puste

miejsce (wakans).

Istnienie wolnych miejsc w sieci elementarnej umożliwia powstawanie na drodze dyfuzji tzw.

roztworów stałych różnowęzłowych, tzn. roztworów, w których część atomów w węzłach sieci

metalu rozpuszczającego jest zastąpiona atomami pierwiastka rozpuszczonego.

Nieco inaczej przebiega proces powstawania na drodze dyfuzji roztworów stałych

międzywęzłowych. W tym przypadku atomy pierwiastka rozpuszczanego wnikają w przestrzenie

międzywęzłowe sieci elementarnej metalu rozpuszczającego. Taki proces zachodzi przede

wszystkim w przypadku dyfuzji pierwiastków o małych średnicach atomowych, jak wodór,

węgiel, azot, czy bor .

Energię, która jest konieczna do przesunięcia atomu z jednego położenia w sieci elementarnej

w drugie, nazywa się energią aktywacji. Oczywiście energia ta podczas tworzenia się stałych

roztworów międzywęzłowych jest znacznie mniejsza niż podczas tworzenia się roztworów

różnowęzłowych, gdyż w pierwszym przypadku odpada konieczność przesuwania atomów

metalu rozpuszczającego z węzłów sieci w położenie nienormalne.

Drugim rodzajem dyfuzji jest dyfuzja reakcyjna, której wynikiem jest powstanie nowej fazy

międzymetalicznej, zgodnie z wykresem równowagi między pierwiastkiem rozpuszczanym i

metalem rozpuszczającym. Proces dyfuzji reakcyjnej można podzielić na dwa etapy:

a) powstanie nowej fazy na powierzchni metalu na skutek zachodzącej reakcji chemicznej,

b) rozrost nowej fazy na skutek zachodzącej dyfuzji.

W wielu przypadkach z wykresu równowagi wynika, że pierwiastek rozpuszczany może

tworzyć z metalem rozpuszczającym zarówno graniczne roztwory stałe, jak i fazy

międzymetaliczne. Powstaje więc pytanie, która dyfuzja (atomowa czy reakcyjna) zachodzi

wcześniej. Przeważa opinia, że faza międzymetaliczna powstaje w drugiej kolejności, tzn. po

granicznym nasyceniu metalu rozpuszczającego pierwiastkiem rozpuszczanym.

Budowa faz międzymetalicznych i ich skład chemiczny zależą od takich czynników, jak

budowa krystaliczna reagujących pierwiastków, stan ich powierzchni, temperatura itp.

Wielkością charakterystyczną dla procesów dyfuzyjnych jest tzw. współczynnik dyfuzji D ,

wyrażany równaniem

D = D o e -Q/RT

gdzie: D o - stały współczynnik dla danej sieci krystalicznej,

e - podstawa logarytmów naturalnych,

Q - energia aktywacji (dla wytrącenia atomu z położenia równowagi),

R - stała gazowa,

T - temperatura bezwzględna.

Jak widać, współczynnik ten zależy przede wszystkim od temperatury i wzrasta wraz z jej

wzrostem (powiększa się ilość wolnych miejsc w węzłach sieci).

Grubość warstwy dyfuzyjnej w zależności od czasu (przy ustaleniu pozostałych parametrów

procesu, takich jak temperatura, ciśnienie itd.), określa równanie

Y 2 = k τ

gdzie: y - grubość warstwy dyfuzyjnej,

k - stała zależna od współczynnika dyfuzji,

τ - czas procesu.

92 JW

Dyfuzja w metalach może zachodzić bądź równolegle do powierzchni, bądź w głąb ziarn,

bądź też wzdłuż ich granic. Doświadczalnie ustalono, że największa wartość ma współczynnik

dyfuzji na powierzchni metalu, mniejszą na granicy ziarn, a najmniejszą w samych ziarnach.

Ustalono także, że szybkość dyfuzji w metalach o elementarnej sieci regularnej (żelazo,

aluminium, nikiel, kobalt, miedź, molibden: praktycznie nie zależy od kierunku osi

krystalograficznych. Natomiast metale o innych sieciach wykazują pewną anizotropowość

dyfuzji. Spośród różnych procesów obróbki cieplno-chemicznej najczęściej są stosowane

nawęglanie, azotowanie i węgloazotowanie.

6.2. Węgloutwardzanie cieplne

Węgloutwardzaniem cieplnym nazywa się zespól operacji polegających na kolejnym

dyfuzyjnym nasycaniu węglem przypowierzchniowych stref przedmiotu (nawęglaniu),

hartowaniu i niskim odpuszczaniu. W wyniku tego procesu uzyskuje się twardą (60-64 HRC),

odporną na ścierania warstwę powierzchniową przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. W

niektórych przypadkach stosuje się wzbogacanie węglem do określonego stężenia warstw

powierzchniowych przedmiotu, odwęglonych w poprzedzających operacjach technologicznych.

Taki proces nazywa się dowęglaniem.

Rozróżnia się dwa rodzaje nawęglania: w proszkach i gazowe.

Nawęglanie w proszkach przeprowadza się w szczelnych skrzynkach wykonanych

ze stali żaroodpornych lub stopów niklowo-chromowych, wypełnionych najczęściej mieszaniną

węgla drzewnego (w postaci granulek o średnicy kilku mm) intensyfikatorów, czyli środków

przyspieszających nawęglanie. Mieszaninę tę nazywa się proszkiem do nawęglania lub

karburyzatorem. Jako intensyfikatory zwykle stosuje się węglan baru (BaCO 3 ) oraz węglan sodu

(Na 2 CO 3 ,), których zawartość w świeżym proszku do nawęglania wynosi 10-30%.

W temperaturze nawęglania (900-950°C) tlen zawarty w powietrzu znajdującym się między

granulkami łączy się z węglem, tworząc z powodu małej ilości tlenek węgla CO. Tlenek ten w

zetknięciu z żelazem rozkłada się wg reakcji

2CO → CO 2 + C ,

tworząc węgiel atomowy (in statu nascendi), wchłaniany przez powierzchnię przedmiotu.

Jednocześnie zachodzą reakcje:

BaC0 3 + C → BaO + 2CO,

2CO → CO 2 + C,

które uaktywniają proces nawęglania.

Proces nawęglania w proszkach jest długotrwały (czasem trwa do kilkudziesięciu godzin) i nie

można go kontrolować, dlatego stosuje się go jedynie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej.

Natomiast w produkcji masowej powszechnie stosuje nawęglanie gazowe , polegające na

wygrzewaniu obrabianych przedmiotów w komorze pieca, przez którą z określoną szybkością

przepływa gaz nawęglający.

Jako gazy nawęglające najczęściej stosuje się gaz ziemny, gaz świetlny, gaz generatorowy i

gaz koksowniczy, gazy pochodzące z rozkładu benzolu i ropy naftowej, a także specjalnie

wytwarzane mieszaniny tych gazów z węglowodorami.

Najtańszym i najsilniej działającym jest gaz ziemny, zawierający 92-96% metanu CH 4 . Nie

można go jednak stosować w czystej postaci, gdyż powstaje wtedy dużo sadzy, która pokrywa

obrabiane przedmioty, hamując ich nawęglanie. Dlatego zwykle używa się go po połączeniu z

produktami niezupełnego spalania gazu ziemnego. W wyniku otrzymuje się mieszaninę głównie

CH 4 , CO i N 2 , która charakteryzuje się dobrą aktywnością, a nie wytwarza sadzy. W

temperaturze nawęglania (900-950°C) zachodzą reakcje :

CH 4 → 2H 2 + C,

2CO → CO 2 + C ,

w wyniku których powstaje węgiel „in statu nascendi", dyfundujący do stali.

Główną zaletą nawęglania gazowego jest możliwość regulowania stężenia węgla w warstwie

powierzchniowej zarówno przez dobór składu gazu nawęglającego, jak i zmiany szybkości jego

przepływu przez komorę pieca. Proces trwa krócej niż nawęglanie w proszkach (unika się

nagrzewania skrzynki i karburyzatora), jest prostszy (unika się czynności związanych z

umieszczaniem przedmiotów obrabianych w skrzynkach i ich wyjmowaniem po nawęglaniu) i

łatwiejszy do automatyzacji. Dodatkową zaletą jest możliwość hartowania przedmiotów

bezpośrednio po nawęgleniu.

Nawęglaniu poddaje się wyroby ze stali niestopowych niskowęglowych (np gatunku 10, 15,

20 wg PN-93/H-84019) lub ze stali stopowych konstrukcyjnych (np. gatunku 15H, 20H, 16HG,

15HGM, 17HGN wg PN-89/H-84030/02), o zawartości węgla 0,07-0,24%.

Głębokość warstwy nawęglonej dla danych warunków nawęglania zależy od temperatury i

czasu trwania procesu. Im wyższa temperatura (praktycznie wynosi 900-950°C), tym szybkość

nawęglania jest większa, ale niezależnie od temperatura proces nawęglania najintensywniej

zachodzi w pierwszym okresie, a potem stopniowo szybkość jego się zmniejsza. W praktyce

grubość warstwy nawęglonej zawiera się w granicach 0,6-2,0 mm.

Zawartość węgla na powierzchni nawęglonej jest określona graniczną rozpuszczalnością

węgla w austenicie w temperaturze procesu. Na przykład dla temperatury nawęglania 900°C,

zgodnie z wykresem równowagi Fe-Fe 3 C, wynosi ona 1,2-1,3%. W miarę oddalania się od

powierzchni zawartość węgla stopniowo maleje, aż do zawartości odpowiadającej stali

nienawęglonej. W związku z tym warstwa nawęglona po powolnym chłodzeniu od temperatury

nawęglania składa się z:

a) przypowierzchniowej warstwy nawęglonej do zawartości węgla powyżej 0,8%; jest to strefa

nadeutektoidalna o strukturze złożonej z perlitu otoczonego cienką siatką cementytu ;

b) warstwy o zawartości węgla około 0,8%; jest to strefa eutektoidalna o strukturze perlitu;

c) warstwy o zawartości węgla poniżej 0,8%; jest to strefa podeutektoidalna

o strukturze perlityczno-ferrytycznej, przechodząca stopniowo w ferrytyczno-perlityczną

strukturę rdzenia.

Rozkład stężenia węgla w warstwie nawęglonej pokazano na rys. 6.1, a strukturę warstwy -

na rys. 6. 2.

6.1. Rozkład stężenia węgla w warstwie nawęglonej (linią przerywaną zaznaczono

stężenie węgla w rdzeniu

Maksymalna zawartość węgla w strefie nadeutektoidalnej nie powinna przekraczać 1,1-1,2% C.

W przeciwnym przypadku podczas chłodzenia tworzy się duża ilość cementytu wtórnego, który

zwiększa jej kruchość.

W wielu przypadkach niektóre powierzchnie przedmiotów muszą być chronione przed

nawęglaniem. Zabezpiecza się je bądź przez pokrycie odpowiednimi pastami (złożonymi z

glinki, piasku, boraksu, szkła wodnego itd.), bądź przez galwaniczne miedziowanie (warstwa

grubości kilku setnych mm). Jak już wspomniano, celem węgloutwardzania jest wytworzenie

twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej, przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.

Samo nawęglanie wytwarza jedynie korzystny rozkład węgla na przekroju przedmiotu , a

ostateczny efekt uzyskuje się dopiero przez odpowiednią obróbkę cieplną. Mniej

odpowiedzialne przedmioty można hartować bezpośrednio z temperatury nawęglania. W tym

jednak przypadku z ziarn austenitu rozrośniętych na skutek długotrwałego wygrzewania w

wysokiej temperaturze otrzymuje się gruboiglasty martenzyt i gruboziarnistą strukturę rdzenia.

W warstwie nawęglonej występuje ponadto większa ilość austenitu szczątkowego (wyższa

temperatura hartowania), co oczywiście zmniejsza jej twardość. Przedmioty bardziej

odpowiedzialne po nawęgleniu chłodzi się w powietrzu, a następnie hartuje z temperatury 850-

900°C, zależnie od gatunku stali. Najbardziej właściwą obróbką cieplną przedmiotów

nawęglonych, zapewniającą szczególnie wysokie własności, jest hartowanie dwustopniowe.

Pierwsze przeprowadza się z temperatury 850-900°C i jego głównym celem jest rozdrobnienie

struktury rdzenia oraz rozpuszczenie siatki cementytu w warstwie powierzchniowej (jeśli siatka

taka utworzyła się podczas nawęglania). W związku z tym w przypadku stali stopowych może

być zastąpione normalizowaniem. Powtórne hartowanie przeprowadza się z temperatury 760-

800°C, dzięki czemu w warstwie powierzchniowej powstaje drobnoiglasty martenzyt z

ewentualnymi wtrąceniami cementytu drugorzędowego. Ta temperatura jest jednak za niska do

zupełnego zahartowania rdzenia, toteż nawet w przypadku stali o dużej hartowności będzie on

miał strukturę złożoną z ferrytu i martenzytu niskowęglowego (stale o małej hartowności

zachowują w rdzeniu strukturę ferrytyczno-perlityczną ).

Rys. .2. Struktura nawęglonej stali 15 (ok. 0,15% C) nie poddanej obróbce cieplnej:

a) 100x; b), c), d), i e) 500x. Traw. 5% alkoholowym roztworem HN03

Końcową operacją jest w każdym przypadku odpuszczanie w temperaturze 150-200°C,

usuwające naprężenia własne.

Po prawidłowej obróbce cieplnej przedmioty nawęglone wykazują na powierzchni twardość

60-64 HRC, przy twardości rdzenia 25-35 HRC.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: