Pobierz cały dokument
Obróbka cieplno chemiczna węgl azot .pdf
Rozmiar 1,1 MB

Obróbka cieplno chemiczna węgl azot

background image

Obróbka  

cieplno-chemiczna 

background image

Obróbka cieplno-chemiczna 

 

Obróbka  cieplno-chemiczna  jest  dziedzina  obróbki 
cieplnej obejmującą zespół operacji umożliwiających zmianę 

składu  chemicznego  i  struktury  warstwy  powierzchniowej 

stopów  w  wyniku  zmian  temperatury  i  chemicznego 

oddziaływania środowiska. 

 
 

Obróbka  cieplno-chemiczna  polega  na  zamierzonej 
dyfuzyjnej 

zmianie 

składu 

chemicznego 

warstwy 

powierzchniowej  elementów  metalowych  w  celu  uzyskania 

odpowiednich właściwości użytkowych. 

  

background image

Rodzaje obróbki cieplno-chemicznej 

Rodzaje obróbki cieplno-chemicznej ze 

względu na stan ośrodka nasycającego 

Klasyfikacja metod obróbki cieplno-chemicznej ze względu na 

rodzaj dyfundującego pierwiastka 

background image

Dyfuzyjne procesy obróbki  

cieplno-chemicznej zachodzą gdy: 

   1.  Pierwiastek  dyfundujący  występuje  w  postaci  „

in  stastu  nascendi

” 

czyli  wolnych  atomów,  które  w  chwili  tworzenia  się  wykazują  większą 

aktywność. 

W zależności od rodzaju aktywnego ośrodka i temperatury procesu mogą 

występować trzy typy reakcji prowadzące do wytwarzania aktywnych atomów 

pierwiastka nasycającego  

Schemat reakcji wydzielania pierwiastka dyfundującego 

Dysocjacja

 polega na 

rozkładzie cząsteczek 

związku i utworzeniu 

aktywnych atomów  

pierwiastka dyfundującego, 

np.: 

  

2 CO 



 CO

2

 + 

C

  

NH

3

 



 3H + 

N 

background image

2.  

Dyfuzyjne procesy obróbki  

cieplno-chemicznej zachodzą gdy: 

 

Pierwiastek  dyfundujący  ulega 

adsorpcji  na  powierzchni  metalu

, 

(nagromadzenie wolnych atomów na powierzchni metalu). 

Adsorpcja

 — polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) wolnych 

atomów przez powierzchnię metalu (zachodzi tylko wtedy, gdy 

pierwiastek wprowadzany rozpuszcza się w obrabianym metalu). 

background image

3. Zachodzi przemieszczenie się zaadsorbowanych atomów w głąb 

metalu  - 

dyfuzja

. 

 

   

 

Dyfuzja 

-

 

aktywowany cieplnie proces zachodzący wskutek ruchu 

atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania 

stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest 

rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w osnowie 

metalicznej obrabianego materiału. 

 

Dyfuzyjne procesy obróbki  

cieplno-chemicznej zachodzą gdy: 

Schematyczna reprezentacja procesu mieszania 

dwóch substancji na drodze dyfuzji 

background image

Mechanizmy dyfuzji 

    Polega  na  wymianie  atomu  z  wakancją. 

Warunkiem  zajścia  takiego  podstawowego  aktu 

dyfuzji  jest,  że  muszą  znajdować  się  w  sieci 

wakancje  oraz  musi  zostać  pokonana  bariera 

potencjału  otaczająca  atomy,  co  także  wymaga 

odpowiedniej energii.  

 
 

•

 wakansowy

 w roztworach różnowęzłowych 

• 

międzywęzłowy

 w roztworach międzywęzłowych, 

charakterystyczny dla dyfuzji węgla i azotu w stalach 

Polega  na  kolejnym  przeskakiwaniu  atomów 

międzywęzłowych,  tzn.  o  małych  średnicach  w 

porównaniu  z  atomami  osnowy,  z  jednej  luki 

międzyatomowej do drugiej - sąsiedniej. 

background image

Prawa opisujące dyfuzję - 

Prawa Ficka  

    Są  to  dwa  prawa  dotyczące  zjawiska 

dyfuzji, których sformułowanie przypisuje 

się 

niemieckiemu 

fizykowi 

i 

matematykowi  Adolfowi  Fickowi.  Są  one 

współcześnie  stosowane  w  modelowaniu 

procesów  dyfuzji w tkankach, neuronach, 

biopolimerach czy farmakologii. 
 

Adolf Fick  

ur. 3 września 1829 

zm. 21 sierpnia 1901  

background image

I Prawo Ficka 

Stosowane  w  opisie  procesów  dyfuzji  kiedy 

stężenie  strumienia 

dyfuzji  objętościowej  nie  zmienia  się  z  czasem

.  Opisuje  ono 

strumień  dyfuzji  J  (strumień  atomów,  tj.  ilość  atomów  składnika 

nasycającego na jednostkę powierzchni i czasu [1/cm

2

s]. 

 
  
 

D -  współczynnik dyfuzji [cm

2

/s] [m

2

/s], 

c- stężenie [1/cm

3

],  

x – odległość [cm],  
dc/dx – gradient stężenia pierwiastka dyfundującego. 

 
Współczynnik dyfuzji zależy od: 
- temperatury 
- rodzaju roztworu (międzywęzłowy, różnowęzłowy) 
- rodzaju sieci rozpuszczalnika. 
 

 

 

background image

Równanie Arrheniusa 

D = D

o

 · exp(-Q/RT) 

Wpływ temperatury na  D opisuje równanie Arrheniusa: 

 

 

D – współczynnik dyfuzji [cm

2

/s]  [m

2

/s]                                

D

0 

- stała zależna od struktury krystalicznej rozpuszczalnika,  

osnowy i rodzaju roztworu oraz temperatury,(cm

2

/s) 

Q – energia aktywacji dyfuzji [J/mol] 

T – temperatura [K] 

R -  stała gazowa 8,314 [J/mol*K] 

   D – współczynnik dyfuzji [cm

2

/s]  [m

2

/s]                               

  

Średnia droga dyfuzji: 

background image

Jest  stosowane,  gdy  strumień  dyfuzji  zmienia  się 

lokalnie  w  czasie.  Opisuje  zależność  stężenia 

dyfundującego pierwiastka od czasu i miejsca. 
 

 

II Prawo Ficka 

Porównanie współczynników dyfuzji węgla w żelazie i samodyfuzji żelaza 

[cm

2

/s] 

 

background image

Drogi dyfuzji 

1. Wzdłuż ziaren — najłatwiej 
2. Wzdłuż granic ziaren — trudniej 
3. Wewnątrz ziaren — najtrudniej 

background image

Nawęglanie 

Polega na 

dyfuzyjnym nasyceniu warstwy wierzchniej stali węglem 

podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu 

w ośrodku, w którym powstaje węgiel atomowy. 

 

Cel  nawęglania:  podwyższenie  twardości  i  odporności  na  ścieranie 

powierzchni  stalowego  elementu  przy  zachowaniu  dobrej  ciągliwości 

(udarności) rdzenia. 

 

Stale  do  nawęglania  o  zawartości  węgla  od  0,1  do  0,25%  lub 

stopowe z głównymi dodatkami stopowymi poprawiającymi hartowność: 

Cr,  Ni,  Mn,  Mo,  Ti,  W.  Wprowadzone  są  one  do  stali  w  celu 

podwyższenia hartowności oraz zwiększenia plastyczności rdzenia.  

 

Temperatura i czas nawęglania: 

Temperatura  nawęglania–powyżej  Ac

3 

(zakres  istnienia  austenitu),  850-

950



C, czas 2-8 h. 

background image

Nawęglanie 

W  zależności  od  warunków  nawęglania  w 

warstwie powstają równe strefy: 

 

Strefa 

nadeutektoidalna 

(0,85-1,0%C), 

zawierającą  perlit  i  węgliki  żelaza,  które  tworzą 

niekorzystną siatkę cementytu po granicach ziarn, 

  

Strefa  eutektoidalna 

(0,7-0,85  %C)  zawierającą 

wyłącznie perlit, 

  

Strefa podeutektoidalną

, zawierającą ferryt i perlit, 

przy  czym  ilość  ferrytu  zwiększa  się  w  kierunku 

rdzenia. 

Twardość stali niskowęglowej po nawęglaniu może osiągać 

60

 do 

65

 HRC. 

  

Grubość warstwy nawęglonej nie przekracza zazwyczaj 

0,5-2mm

. 

 

Typowe części, dla których stosuje się nawęglanie: 

• koła zębate silnie obciążone i poddawane zmiennym obciążeniom 

• wałki rozrządu i krzywki sterujące 

• sworznie tłokowe 

• pierścienie i wałki łożysk wielogabarytowych 

 

background image

 

 

Nawęglanie w karboryzatorach stałych 

(proszkach) 

 

 

Wygrzewanie  przedmiotów  w  temp.  880-950



C  w  ośrodku  składającym  się  z 

mieszaniny granulowanego węgla drzewnego (85-95%) z i węglany BaCO

3

, Na

2

CO

3

  

lub CaCO

3

 (5-15%). 

 
Reakcje: 

2C + O

2

 



 2CO,  

BaCO

3

 



 BaO + CO

2

, 

CO

2

+C 



 2CO 

2CO 



 C

at

 + CO

2

 

 Zalety: 
- niski stopień trudności procesu, 
- łatwa obsługa i powtarzalność wyników nawęglania, 
Wady: 
- trudność otrzymania cienkich warstw, 
- brak możliwości regulacji węgla w warstwie, 
- brak możliwości automatyzacji procesu. 

background image

Nawęglanie gazowe 

Nagrzanie  i  wygrzanie  części  stalowych  w  atmosferze  nawęglającej, 

przepływającej przez szczelną komorę pieca o temp. 880- 950

o

C. 

Atmosfery nawęglające: 
- atmosfery generatorowe, powstałe z gazu ziemnego lub propanu, 
-  atmosfery  bezgeneratorowe,  utworzone  z  surowych  gazów  lub  węglowodorów 

ciekłych. 
Ośrodkami  nawęglającymi  są  mieszaniny  gazów:  CO-CO

2

-CH

4

-H

2

-H

2

O  lub 

jeszcze dodatkowo z N

2

. 

Reakcje: 

 2CO→ C+CO

2

 

CH

4

 → C+2H

2

 

CO+H

2

→ C+H

2

O 

 Zalety: 
- duża ekonomiczność procesu dzięki skróceniu czasu procesu, 
- możliwość łatwego regulowania zawartości węgla w warstwie nawęglanej, 
- możliwość bezpośredniego hartowania po nawęglaniu, 
- wysoki stopień mechanizacji procesu, 
- wysoka wydajność pieców. 

 

background image

Obróbka cieplna po nawęglaniu 

a

 – hartowanie bezpośrednie z 

temperatury nawęglania i niskie 

odpuszczanie 

b

 – jednokrotne hartowanie z 

temperatury właściwej do rdzenia i 

niskie odpuszczanie 

c

 – jednokrotne hartowanie z 

temperatury właściwej dla warstwy 

wierzchniej i niskie odpuszczanie 

d 

– dwukrotne hartowanie z niskim 

odpuszczaniem     

Struktura i twardość powierzchni stali po hartowaniu i odpuszczaniu: 

martenzyt (sam lub z małym udziałem Fe

3

C) o twardości ~60 HRC. 

 

Sposoby zabezpieczenia powierzchni nie podlegających nawęglaniu: 
- pokrywanie pastami ochronnymi, 
- miedziowanie elektrolityczne, 
- 

pozostawienie naddatku materiału o grubości większej niż głębokość warstwy  

  

nawęglonej. 

 

background image

Azotowanie  

Nasycanie  azotem  powierzchni  przedmiotów  stalowych  (stale  konstrukcyjne  o 

zawartości  węgla  0,3-0,4%)  lub  stale  średniowęglowe  zawierające  dodatki  

Al, Ti, V, Mo, Cr wykazujące wysokie powinowactwo chemiczne do azotu. 
 
Celem 

azotowania 

jest 

nadanie 

przedmiotom 

wysokiej 

twardości 

powierzchniowej, odporności na ścieranie, wysokiej odporności zmęczeniowej oraz 

odporności na korozję. 
Temperatura  i  czas  azotowania:  zakres  temperatur  480-800



C,  czasy 

azotowania do 100 godz. 
 
Azotowanie  utwardzające  (sposób  konwencjonalny  lub  jonowy)  -  uzyskanie 

bardzo  trwałej  i  odpornej  na  zużycie  ścierne  warstwy  wierzchniej  elementów 

obrabianych przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych rdzenia. 
Azotowanie  antykorozyjne  (sposób  konwencjonalny)  poprawienia  odporności 

stali i żeliw na działanie środowiska korozyjnego. 
 

Ponieważ azotowanie przeprowadza się w niezbyt wysokiej 

temperaturze, stal uprzednio poddaje się 

ulepszaniu cieplnemu! 

 

background image

Obróbka cieplna przed azotowaniem  

Ulepszanie  cieplne 

(hartowanie  +  odpuszczanie  wysokie)  w  celu 

uzyskania  optymalnych  właściwości  mechanicznych  w  rdzeniu 

elementu. 

background image

Właściwości warstw azotowanych: 
- dużą twardość (do 1200 HV), 
- dobra wytrzymałość zmęczeniowa, 
- wyższa odporność w podwyższonej 

temperaturze (do temperatury azotowania), 
- dobra odporność na zacieranie i zużycie o 

charakterze adhezyjnym,  
- małe odkształcenia w procesie 

technologicznym. 

Azotowanie  

Fazami  tworzącymi  się  w  warstwie  w 

procesie azotowania są: 

faza 



 

- ferryt azotowy (nitroferryt) (roztwór 

stały azotu w żelazie 



) 

faza 



 

-  austenit  (nitroaustenit)  azotowy 

(roztwór stały azotu w żelazie 



) 

faza 



’ 

–azotek żelaza (Fe

4

N) 

faza 



 

- azotek żelaza (Fe

2

N) 

background image

 

 

Azotowanie utwardzające 

 

Ośrodek:  amoniak,  temperatura:  480-560°C,  czas:  kilkanaście-  kilkadziesiąt 

godzin. 
Reakcja dysocjacji: 

2NH

3 



 2N+3H

2

 

 

Przedmioty do azotowania muszą być oczyszczone i odtłuszczone; 

powierzchnie, które nie podlegają azotowaniu, zabezpieczone pastami lub 

powłokami. 

Grubość warstwy: od 0,2-0,8 mm 
 
Twardość  po  azotowaniu:  stale  niestopowe  ~  1100  HV  (wiąże  się  z 

wytworzeniem na powierzchni fazy γ’ (Fe

4

N)); stale stopowe ~ 1500 HV.   

  
Zastosowanie: 
Elementy konstrukcyjne i narzędziowe narażone podczas pracy na zużycie ścierne i 

korozję,  np.  elementy  silników  i  pomp  w  przemyśle  okrętowym,  lotniczym  i 

motoryzacyjnym,  narzędzia  do  obróbki  plastycznej  i  skrawania,  elementy 

wytłaczarek i wtryskarek 

background image

Azotowanie antykorozyjne 

 

Ośrodek:  amoniak, temperatura: 600-800°C, czas: 1-6 godzin 
 
Grubość warstwy: 0,005-0,03 mm (stale, żeliwa niestopowe) 
 
Struktura warstwy wierzchniej po azotowaniu: azotek typu ε = Fe

2

N o dużej 

odporności korozyjnej i roztwór N w Fe



. 

 

Po azotowaniu antykorozyjnym można prowadzić obróbkę cieplną! 

 
Zastosowanie: 
Elementy wykonane ze stali niestopowych i niskostopowych oraz żeliw np. palniki 

spawalnicze, zawory, okucia budowlane, części hamulców kolejowych, części 

rowerów, części armatury wodociągowej i instalacji pary wodnej. 

 

background image

Węgloazotowanie  i azotonawęglanie stali

 

 

Polega  na  nasyceniu  powierzchni  przedmiotów  stalowych  jednocześnie  węglem  i 

azotem  w  temperaturze  750-950°C  (węgloazotowanie)  i  azotonawęglanie  

(450-650 °C).  
Cel:  wytworzenie  na  powierzchni  przedmiotów  stalowych  warstwy  o  wysokiej 

twardości  i  odporności  na  ścieranie  w  znacznie  większym  stopniu  niż  dla  warstw 

nawęglanych. 

WĘGLOAZOTOWANIE KĄPIELOWE 

Składniki  kąpieli:  cyjanki  i  cyjaniany  Na  i  K.  Ponadto  kąpiele  zawierają  węglany 

tych pierwiastków. Podczas procesu zachodzą reakcje umożliwiające tworzenie się 

cyjanianów i wydzielanie C i N. 

            NaCN+O

2 



 2NaCNO 

4NaCNO+2O

2 



 2K

2

CO

3

+CO

2

+C+4N 

Wysoka toksyczność procesu i trudności w utrzymaniu stałego składu 

kąpieli. 

 



  Węgloazotowanie kąpielowe w niskich temperaturach 



  Węgloazotowanie kąpielowe w wysokich temperaturach 

 

 

background image

WĘGLOAZOTOWANIE GAZOWE 

- w atmosferach zawierających amoniak i gaz nawęglający lub ciekłe węglowodory. 
- temperatura:  560-580

o

C,  

- czas: 2-5h 
- zalety: wyeliminowanie trujących soli, możliwość regulacji procesu przez zmianę 

ilości gazów nawęglających i amoniaku. 

 

Węgloazotowanie  i azotonawęglanie stali  

background image

• Siarkowanie 
• Borowanie 
• Aluminiowanie 
• Chromowanie 
• Cynkowanie 
• Cynowanie 
• Kadmowanie 
• Miedziowanie 
• Niklowanie 
• Ołowiowanie 
• Srebrzenie 
• Złocenie 

Inne rodzaje metalizacji dyfuzyjnej… 

background image

Cel ćwiczenia 

   „Wyznaczenie współczynnika dyfuzji węgla w 

warstwie nawęglonej ” 

background image

Wyniki pomiarów 

Lp.  T [

o

C]  T[K] 

x 

[mm] 

D 

[cm

2

/s] 

ln D 

1/T 

[K

-1

] 

t [s] 

1.    

  

  

  

  

  

  

2.    

  

  

  

  

  

  

3.    

  

  

  

  

  

  

T – temperatura w skali bezwzględnej [K] 

x – grubość warstwy nawęglonej [mm] 

D – współczynnik dyfuzji [cm

2

/s] 

t – czas nawęglania [s] 

background image

Obliczenia 

Dt

x

2



1. 

Ze wzoru na średnią drogę dyfuzji obliczamy współczynnik dyfuzji D: 

 
 

2.  Naszkicować  wykres  zależności  współczynnika  dyfuzji  D  od 

temperatury.

 

 

3. Naszkicować wykres zależności ln(D) od odwrotności temperatury.  

W tym celu obliczono: 

ln (D)

 

, 

bezwymiarowa

 

      i    

   

1/T

 

[K

-1

] 

 

 

Obliczamy wartość D dla poszczególnych próbek 

background image

Obliczenia 

4. Wyznaczyć prostą regresji: 

y=-ax +b 

Znając  współczynnik  kierunkowy  „a”  tej  prostej  oraz  wartość  stałej 

gazowej R możemy korzystając z zależności : 

tg



 = a= -Q/R  

   

 

 

 

 

Q – energia aktywacji dyfuzji [J/mol] 

 

 

 

 

 

 

 R–stała gazowa 8,314 [J/molK] 

 

Wyznaczamy energię aktywacji

:   

a = -Q/R      Q = -aR 

 

5. Na podstawie wyznaczonej energii aktywacji obliczamy D

o

, korzystając 

ze wzoru:   
 

D = D

o

 · exp(-Q/RT) 

  

background image

Obliczenia 

Tabela 2 Zestawienie wyników 

 

 

WNIOSKI KOŃCOWE 

Lp.  T [K] 

Q 

[J/mol] 

R 

[J/mol*

K] 

D 

[cm

2

/s] 

Do 

1. 

  

  

  

  

  

  

  

2. 

  

  

  

  

  

  

  

3. 

  

  

  

  

  

  

  

Pobierz cały dokument
Obróbka cieplno chemiczna węgl azot .pdf
Rozmiar 1,1 MB
Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
obróbka cieplno chemiczna (8)
Obróbka cieplno - chemiczna, azotowanie, Azotowanie
OBRÓBKA CIEPLNO CHEMICZNA2, nauka, zdrowie, materiałoznawstwo, Obróbka cieplna
obrobka cieplno chemiczna
obróbka cieplno chemiczna stali
Sprawozdanie z Materiałoznawstwa--obróbka cieplno-chemiczna, Materialoznawstwo
obrobka cieplno-chemiczna, Techniki wytwarzania
Obróbka cieplno-chemiczna3, BHP
ocs cw3 obrobka cieplno-chemiczna wysoko i nisko temperaturowa, ZiIP, II Rok ZIP, Obróbka cieplna i
Obrobka cieplno chemiczna stali Nieznany
Obrobka cieplno-chemiczna, POLITECHNIKA (Łódzka), Nauka o Materiałach, 1 semestr
obróbka cieplno chemiczna stali
Obrobka cieplno chemiczna 3
Obróbka cieplno-chemiczna, Materiałoznawstwo I i II
OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA CZĘŚCI MASZYN - Lab 6, Studia, Materiałoznastwo, Metaloznastwo i Podstawy
obróbka cieplno-chemiczna i metalurgia, BHP
obróbka cieplno-chemiczna, BHP
Ćw. 8 - Obróbka cieplno - chemiczna - azotowanie, Studia, ROK I, 2 semestr, Obróbka na gorąco, spraw
54 Obrobka Cieplno Chemiczna

więcej podobnych podstron

Kontakt | Polityka prywatności