1. Co to jest utwardzanie wydzieleniowe?
Utwardzanie wydzieleniowe – proces polegający na utwardzeniu stopu dyspersyjnymi cząstkami fazy wydzielonej z przesyconego roztworu stałego .Proces ten składa się z operacji przesycania oraz starzenia. Utwardzaniu wydzieleniowemu mogą być poddawane stale charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym. Warunkiem jest również uzyskanie w temperaturze podwyższonej jednorodnego roztworu stałego oraz możliwość przebiegu procesu starzenia w temperaturze podwyższonej lub pokojowej .
Przykładowy schemat przesycania i starzenia:
Rozpuszczanie fazy θ
przesycanie
starzenie
temperatura
czas
a) Przesycanie – polega na nagrzaniu stopu do zakresu istnienia jednorodnego roztworu stałego celem rozpuszczenia wydzielonej fazy ( w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. Własności wytrzymałościowe ulegają niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne. Temperatura przesycania powinna być około 30-50 °C wyższa od temperatury linii granicznej rozpuszczalności, lecz mniejsza niż 0,6 temperatury topnienia. Temperatura przesycania nie powinna być zbyt wysoka w celu uniknięcia nadmiernego rozrostu ziarna oraz nadtopień. Przesycanie ma na celu utrzymanie w temperaturze otoczenia stanu strukturalnego powstałego w temperaturze podwyższonej.
b) Starzenie - polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielenie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci fazy o wysokiej dyspersji.
Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych. Przebieg procesu starzenia zależy od czasu i temperatury. Im wyższe temperatury starzenia tym proces starzenia zachodzi szybciej. Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje efekt przestarzenia. Zjawisko to wpływa wówczas na obniżenie twardości. Starzenie jest przyspieszane przez odkształcenie plastyczne na zimno. Niekiedy starzenie przebiega w temperaturze pokojowej - wówczas nosi nazwę starzenia samorzutnego. Starzenie może być również zjawiskiem niepożądanym np. w stalach nieodtlenionych.
Starzenie można zatem podzielić na:
a) Samorzutne przebiegające w zakresie temperatury 20-100 °C ( tylko w niektórych stopach). Wzrost własności wytrzymałościowych następuje na skutek gromadzenia atomów składnika rozpuszczonego w sieci krystalicznej roztworu stałego w grupy. Tworzą się strefy GP 1.
b) Przyspieszone – przebiegające w zakresie temperatury powyżej 100°C lecz mniejszej od temperatury granicznej rozpuszczalności. Na skutek koagulacji zwiększają się średnice atomów cząstek, co powoduje zmniejszenie naprężeń oraz własności wytrzymałościowych stopów.
Obróbka plastyczna na zimno stosowana po przesycaniu prawie całkowicie hamuje starzenie samorzutne.
Negatywne zjawiska wywołane procesem starzenia:
- kruchość, zmniejszona odporność na korozję oraz duża twardość uniemożliwiająca dalszą obróbkę.
2. Podaj przykłady stopów, które mogą być umacniane poprzez przesycanie i starzenie.
- AlCu4Mg, AlCu2Mg,AlCu2MgNi1,AlZn6Mg2Cu2, AlZn3Mg2Ti,Al1Si1MgCu
- stopy żaroodporne i żarowytrzymałe
- stale austenityczne oraz niskowęglowe
- brązy berylowe
- wysokowytrzymałe stale typu „maraging”
- stale molibdenowe
3. Klasyfikacja obróbki cieplno-chemicznej.
Podział obróbki cieplno – chemicznej:
1) Nasycenie niemetalami:
- nawęglanie ( proszkowe, gazowe, w złożach fluidalnych, w cieczach, jonizacyjne )
- azotowanie ( gazowe, jonowe)
- azotonawęglanie i węgloazotowanie
- azotonasiarczanie
- borowanie
2) nasycenie metalami:
- chromowanie
- wandanowanie
- tytanowanie
- aluminiowanie
- chromo – aluminiowanie
4. Wyjaśnić pojęcie dyfuzji atomowej i reakcyjnej.
a) Dyfuzja atomowa –zachodzi wówczas, gdy w temperaturze obróbki cieplno –chemicznej powstaje roztwór stały pierwiastka dyfundującego w materiale podłoża,o sieci metalu podstawowego. Polega na przemieszczaniu się atomów jednego pierwiastka do sieci elementarnej pierwiastka drugiego. Podczas dyfuzji atomowej zachodzi zmiana stężenia składnika rozpuszczanego w sieci elementarnej składnika rozpuszczającego, tworzącego w wyniku tego roztwór stały. Maksymalne stężenie pierwiastka dyfundującego nie przekracza granicznej rozpuszczalności w temperaturze dyfuzji. Zmiana stężenia powoduje różnice we własnościach warstwy powierzchniowej, czemu towarzyszy zazwyczaj zmiana mikrostruktury. Istnienie wolnych miejsc ( wakansów) w sieci elementarnej umożliwia powstawanie na drodze dyfuzji roztworów stałych różnowęzłowych . Procesy dyfuzji są zależne od temperatury i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków, a ponadto od czasu trwania dyfuzji. Od tych czynników zależy zatem grubość i struktura warstw wierzchnich otrzymanych w wyniku obróbki cieplno-chemicznej.
b) Dyfuzja reakcyjna – drugi rodzaj dyfuzji , której wynikiem jest powstanie nowej fazy międzymetalicznej , zgodnie z wykresem równowagi między pierwiastkiem rozpuszczanym i metalem rozpuszczającym, o odmiennych sieciach przestrzennych. Dyfuzja reakcyjna umożliwia dyfuzję poza granicę rozpuszczalności. Proces dyfuzji reakcyjnej można podzielić na dwa etapy:
- powstanie nowej fazy na powierzchni metalu na skutek zachodzącej reakcji chemicznej,
- rozrost nowej fazy na skutek zachodzącej dyfuzji.
5. Warunki konieczne dla przeprowadzenia obróbki cieplno-chemicznej (nasycania dyfuzyjnego)
Aby procesy obróbki cieplno-chemicznej mogły przebiegać, muszą być spełnione następujące warunki:
· ośrodek czynny musi wytwarzać aktywne wolne atomy ,powstające w wyniku reakcji zachodzących w ośrodku, albo na jego granicy z materiałem obrabianym,
· powierzchnia materiału musi absorbować wolne atomy,
· atomy zaabsorbowane powierzchniowo muszą dyfundować w głąb materiału obrabianego i tworzyć z podłożem roztwór stały.
6. Cel i sposób przeprowadzenia nawęglania.
Sposób przeprowadzenia: Nawęglanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej, mającym za zadanie dyfuzyjne nasycenie węglem atomowym warstwy wierzchniej obrabianych elementów. Polega na nagrzaniu niskowęglowej stali w odpowiednim ośrodku nawęglającym do temperatury powyżej Ac3 – zwykle 850 – 950 °C. Po nawęglaniu, elementy poddaje się hartowaniu a następnie niskiemu odpuszczaniu. Podczas hartowania uzyskuje się utwardzenie warstwy wierzchniej, a powstałe podczas tego procesu naprężenia są usuwane w trakcie odpuszczania.
W zależności od rodzaju ośrodka, w którym wykonuje się proces nawęglania rozróżnia się następujące metody obróbki:
a) w ośrodkach stałych – odbywa się w proszku do nawęglania , którego podstawowym składnikiem jest węgiel drzewny w ilości 85-95 %. Pozostałą część proszku stanowia węglany, które zabezpieczają przed segregacją obu składników podczas transportu i składowania.
b) w gazach - ośrodkiem nawęglającym jest gaz doprowadzany do pieca z zewnątrz, lub wytwarzany w piecu z ciekłych związków organicznych.
c) w cieczach - odbywa się poprzez zanurzenie elementów w roztopionych solach, głównie w węglanach, chlorkach, lub cyjankach. Nawęglanie kąpielowe odbywa się w temperaturze 830-850°C. Metoda ta pozwala na dokładną regulację temperatury. Ze względu na wysoki koszt, oraz silne działanie toksyczne nawęglanie w kąpielach solnych jest bardzo rzadko stosowane.
d) próżniowe – odbywa się pod obniżonym ciśnieniem w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. Węgiel jest uzyskiwany w wyniku rozpadu wymienionych gazów.
e) jonizacyjne – polega na wytworzeniu powierzchniowej warstwy dyfuzyjnej w zjonizowanym gazie. Wsad jest katodą a obudowa stanowi anodę. Wskutek wyładowań wsad nagrzewa się.
f) w złożach fluidalnych - polega na nagrzewaniu przedmiotów w atmosferze nawęglającej, która wytworzona zostaje poprzez szybki przepływ gazu poprzez złoże. Do nawęglania stosuje się atmosfery endotermiczne wzbogacone, temperatura nawęglania wynosi od 900 do 950°C.
Cel: uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.
7. Stale do nawęglania.
Do nawęglania stosuje się stale niestopowe lub stopowe o zwartości węgla od 0,1 do max 0,25%. Ze względu na zawartość składników stopowych stale te dzieli się na następujące grupy:
- stale niestopowe ( węglowe)
- stale chromowe
- stale chromowo – manganowe
- stale chromowo-molibdenowe
- stale chromowo- manganowo- molibdenowe
- stale chromowo – niklowe
- stale chromowo – niklowo – molibdenowe
- stale chromowo – manganowo – niklowe
Inna grupą stali stosowanych w procesie nawęglania są tzw. stale drobnoziarniste zawierające dodatki tytanu i wanadu (14÷21HNMF, 14÷21HNMT), pozwalające na prowadzenie procesu nawęglania w temperaturze powyżej 1000ºC, bez niekorzystnego rozrostu ziarna austenitu.
Do zasadniczych dodatków stopowych w stalach do nawęglania należy chrom, który występuje we wszystkich gatunkach tych stali w ilościach przeważnie 1 ÷ 2%.
- stale węglowe przeznaczone do nawęglania charakteryzują się małą hartownością i stosowane są do wytwarzania elementów drobnych o małych przekrojach
- stale stopowe do nawęglania mają zwiększoną hartowność, co umożliwia uzyskanie po procesie nawęglania na drodze dalszej obróbki cieplnej wysokiej wytrzymałości rdzenia. Ponadto istnieje możliwość hartowania nawęglonych elementów w oleju zmniejsza skłonność do odkształceń.
Stale chromowo-niklowe uzyskują dobre własności mechaniczne, lecz ze względu na drogi dodatek niklu zastępowane są coraz częściej stalami chromowo - manganowo- molibdenowymi.
8. Parametry warstwy utwardzonej po nawęglaniu.
W wyniku nawęglania otrzymuje się wysokowęglową warstwę powierzchniową, cechującą się po hartowaniu i odpuszczaniu podwyższoną wytrzymałością i twardością oraz większą odpornością na ścieranie, przy zachowaniu ciągliwego i miękkiego rdzenia.
Parametry warstwy utwardzonej:
Podstawowymi parametrami warstwy nawęglonej jest grubość warstwy nawęglonej oraz jej twardość.
- grubość warstwy nawęglonej zależy od temperatury i czasu,
- w zależności od czasu wygrzewania otrzymujemy warstwę nawęgloną o grubości 0,5 – 2 mm i stężeniu węgla od 0,7 do 1 %,
- im dłuższy czas wygrzewania ( w tej samej temperaturze) tym nawęglona warstwa jest grubsza, lecz zawartość węgla na jej powierzchni jest mniejsza.
- twardość stali po nawęglaniu to 250- 300 HB na powierzchni i około 100 -150 HB w rdzeniu
Twardość powierzchni bezpośrednio po nawęglaniu jest zbyt niska, aby poprawić odporność na ścieranie. Z tego powodu po nawęglaniu stosuje się zawsze hartowanie i odpuszczanie niskie.
- twardość warstwy wierzchniej po hartowaniu i niskim odpuszczaniu waha się w
granicach 60÷62 HRC,
Wpływ czasu i temperatury nawęglania na grubość warstwy nawęglonej
9. Obróbka cieplna po nawęglaniu.
Po nawęglaniu, elementy poddaje się hartowaniu a następnie niskiemu odpuszczaniu. Podczas hartowania uzyskuje się utwardzenie warstwy wierzchniej, a powstałe podczas tego procesu naprężenia są usuwane w trakcie odpuszczania.
Obróbka cieplna po nawęglaniu ma na celu:
· utwardzenie warstwy powierzchniowej do wartości ok. 58 - 62 HRC i nadanie jej dużej odporności na ścieranie,
· otrzymanie ciągliwego rdzenia o wymaganej odporności na rozciąganie przy dobrej odporności na obciążenia dynamiczne
· otrzymanie w warstwie wierzchniej struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami.
Nawęglanie z następną obróbką cieplną najczęściej stosowane jest w procesach technologicznych kół zębatych, wałków zębatych, wałków rozrządu, wielowypustów, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni oraz wałków łożysk tocznych o dużych ...
madafak1