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