Katedra Metaloznawstwa i Technologii
Materiałowych
Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej
Wykład 8:
OBRÓBKI POWIERZCHNIOWE
Katedra Metaloznawstwa i Technologii
Materiałowych
Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej
Wykład 8:
OBRÓBKI POWIERZCHNIOWE
Cel i podział obróbek
powierzchniowych
Celem obróbek powierzchniowych jest uzyskanie
warstwy
wierzchniej
o wysokich własnościach ( twardości,
żaroodporności, odporności na korozję, odporności na
ścieranie i zmęczenie itp.), przy zachowaniu ciągliwego
rdzenia.
Obróbka
powierzchniowa
Obróbka nagniataniem
Obróbka cieplno-
chemiczna
Hartowanie
powierzchniowe
Implantacja jonów
Powłoki elektrolityczne
Natryskiwanie
plazmowe
Napawanie
Obróbka laserowa
Obróbka
nagniataniem
Obróbka nagniataniem ma na celu powierzchniowe
umocnienie przez zgniot
elementów maszyn ( wały, otwory,
koła zębate ). Umocnienie powierzchniowe, objawiające się
wzrostem twardości od 10% ( dla struktur sorbitycznych ) do
80% ( dla struktur ferrytycznych ), poprawia odporność na
ścieranie i zmęczenie materiału.
Oprócz umocnienia głównymi celami nagniatania są:
- poprawa gładkości powierzchni,
- uzyskanie odpowiedniej tolerancji wymiarowej,
- uzyskanie topografii umożliwiającej lepsze smarowanie
lub poprawiającej
wygląd.
Hartowanie
powierzchniowe
Hartowanie powierzchniowe
- polega na szybkim nagrzaniu
powierzchni elementu powyżej temperatury A
3
, a następnie
ochłodzeniu natryskiem wody. Dzięki temu tworzy się struktura
martenzytyczna jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej, bez
zmian strukturalnych w rdzeniu obrabianego elementu. Zwiększa to
twardość powierzchni oraz jej odporność na ścieranie i zmęczenie
przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.
Sposoby
hartowania
powierzchniowego:
- płomieniowe
- indukcyjne
- kąpielowe
- elektrolityczne
Obróbka cieplno-
chemiczna
Obróbka cieplno-chemiczna
- połączenie zabiegów cieplnych z
celową zmianą składu chemicznego powierzchni ( nasyceniem
strefy przypowierzchniowej określonym pierwiastkiem w wysokiej
temperaturze na drodze dyfuzji ).
Procesy warunkujące kinetykę nasycania podczas obróbki cieplno-
chemicznej:
- reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o dostarczaniu
aktywnych atomów ( in
statu nascendi ),
- adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni,
- dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metalu.
Obróbka cieplno-
chemiczna
Nawęglanie
Azotowanie
Borowanie
Metalizowanie
dyfuzyjne
Węgloazotowanie
Warstwy węglikowe i
azotkowe
Obróbka cieplno-chemiczna -
Nawęglanie
Nawęglanie
- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali
węglem. Przeprowadza się w proszkach ( z węgla drzewnego ) lub
ośrodkach gazowych ( w metanie - CH
4
).
Nawęglanie w skrzynkach.
Podstawowym składnikiem jest węgiel drzewny o granulacji 3-5mm,
zmieszany z aktywa- torami (10-30%), którymi mogą być: BaCO
3
,
K
2
CO
3
, Na
2
CO
3
. Elementy do nawęglania umieszcza się w
skrzynkach, obsypuje nawęglaczem, po czym wyżarza się w celu
spowodowania dyfuzji ( w temp. 900-950
0
C w czasie do 8 godzin),
uzyskując warstwę nawęgloną o grubości 0,5-2,5 mm, przy
koncentracji węgla na powierzchni ok. 1%.
Reakcje
zachodzące
podczas
nawęglania:
a) spalanie węgla
C + O
2
CO
2
b) rozkład węglanów
BaCO
3
BaO + CO
2 ,
Na
2
CO
3
Na
2
O + CO
2
c) reakcja Boudouarda
CO
2
+ CO 2CO
d) adsorpcja i dyfuzja węgla w głąb
stali
3Fe + 2CO Fe
3
C + CO
2
Obróbka cieplno-chemiczna -
Nawęglanie c.d.
Obróbka cieplno-chemiczna -
Azotowanie
Azotowanie
- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali
azotem. Przeprowadza się w zdysocjowanym amoniaku ( NH
3
3H
+ N ).
Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszaniu cieplnym, dzięki
czemu nie wymagają one już żadnej dodatkowej obróbki. Proces
azotowania odbywa się w temp. 500-600
0
C w czasie do 40 godzin.
Głównym czynnikiem utwardzającym stal są azotki zwłaszcza
aluminium, chromu, molibdenu ( do 1200 HV ). Typową stalą do
azotowania jest 38HMJ.
podłoże (sorbit)
azotki
Obróbka cieplno-chemiczna -
Węgloazotowanie
Węgloazotowanie
(cyjanowanie)
-
dyfuzyjne
nasycanie
powierzchniowej warstwy stali węglem i azotem. Połączenie dyfuzji
węgla i azotu w jednej operacji prowadzi do skrócenia czasu
obróbki.
Cyjanowanie
dzieli
się
na
wysokotemperaturowe
i
niskotemperaturowe.
Wysokotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe
- przeprowadza
się w zakresie temp. 750-900
0
C, czas procesu wynosi ok. 20 min.,
grubość uzyskiwanych warstw 0,1-0,2 mm. Jako ośrodek stosuje się
mieszaninę stopionych soli: Na
2
CO
3
+ NaCl + NaCN (lub KCN ).
Niskotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe
- przeprowadza
się w zakresie temp. 500-600
0
C, czas procesu wynosi 0,5-2 h.,
grubość uzyskiwanych warstw ok. 20m . Jako ośrodek stosuje się
mieszaninę stopionych soli: NaCN + KCN.
Cyjanki są śmiertelnie toksyczne!!!
Obróbka cieplno-chemiczna -
Borowanie
podłoże (stal)
FeB
Fe
2
B
Borowanie
- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali
borem, w wyniku czego powstają borki FeB i Fe
2
B o budowie
kolumnowej oraz twardościach odpowiednio 2300 i 1800 HV.
Głównym celem jest wytworzenie twardej, odpornej na ścieranie
warstwy, która ma także własności żaroodporne oraz antykorozyjne
i kwasoodporne.
Wadą warstw borowanych
jest ich znaczna kruchość oraz skłonność
do pękania wskutek naprężeń własnych spowodowanych znaczną
różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej borków i podłoża.
Mniejszą kruchość wykazują warstwy jednofazowe złożone z borku
Fe
2
B.
Borowanie w ośrodkach stałych:
a) prowadzi się w mieszaninie:
B
4
C + Al
2
O
3
+ NaF ( lub NH
4
Cl )
lub
b) prowadzi się w mieszaninie:
B
2
O
3
+ Al + Al
2
O
3
+ NaF ( lub
NH
4
Cl )
temp. 950
0
C, czas wygrzewania do
6 godzin.
Po borowaniu elementy poddaje
się obróbce cieplnej.
Obróbka cieplno-chemiczna -
Metalizowanie dyfuzyjne
Metalizowanie dyfuzyjne
- polega na nasycaniu powierzchni części
maszyn metalami, które tworzą z żelazem roztwory substytucyjne i
dyfundują mechanizmem wakancyjnym. Dzięki temu powierzchnia
elementu pokrywa się jak gdyby warstewką stali wysokostopowej, co
z jednej strony utwardza ją, z drugiej zwiększa własności
antykorozyjne i żaroodporne. Do najczęściej stosowanych procesów
metalizowania dyfuzyjnego należą: aluminiowanie, chromowanie,
tytanowanie, wolframowanie, wanadowanie i krzemowanie.
Metalizowanie w ośrodkach stałych
- proces przeprowadza się
uszczelnionych skrzynkach, w których elementy są obsypywane
sproszkowaną mieszanką zawierającą pierwiastek, który chcemy
wprowadzić, masę wypełniającą ( Al
2
O
3
) oraz aktywator (NH
4
Cl ).
Temperatura procesu 950-1100
0
C, czas do kilkunastu godzin.
Metalizowanie w ośrodkach ciekłych
- stosowane głównie do
aluminiowania. Polega na zanurzeniu elementu w stopie Al + 6-8%
Fe w temp. 700-800
0
C i wytrzymaniu do 1 godziny. Następnie
przeprowadza się jeszcze wyżarzanie dyfuzyjne w temp. 900-1100
0
C
przez kilka godzin. Uzyskuje się nasycenie stali glinem na
głębokość do 0,5 mm.
Metalizowanie dyfuzyjne daje możliwość
oszczędności pierwiastków stopowych !!!
Obróbka cieplno-chemiczna -
Wytwarzanie warstw
węglikowych i azotkowych
W ostatnich latach opracowano metody wytwarzania warstw
węglikowych i azotkowych, w których zarówno atomy metalu, jak i
węgla lub azotu konieczne do utworzenia związku pochodzą z
atmosfery retorty reakcyjnej. Są to tzw. metody CVD ( Chemical
Vapour Deposition ) oraz PVD ( Physical Vapour Deposition ).
Na przykład:
a) Węglik tytanu TiC wytwarza się z
atmosfery:
TiCl
4
+ CH
4
+ H
2
b) Azotek tytanu TiN wytwarza się z
atmosfery:
TiCl
4
+ NH
4
+ H
2
temperatura procesu 950-1050
0
C, czas 1-
1,5 godziny, grubość otrzymanej warstwy
do 15 m.
Warstwy
węglikowe
i
azotkowe
są
stosowane
przede
wszystkim
do
pokrywania narzędzi np. wieloostrzowych
płytek z węglików spiekanych, gdyż
hamują one dyfuzję kobaltu z osnowy
płytek do skrawanej stali.
Warstwy te zwiększają trwałość narzędzi
do 15%.
Powłoki
elektrolityczne
Powłoki elektrolityczne
- cechuje budowa krystaliczna słupkowa.
Wielkość ziarn maleje, a twardość rośnie ze wzrostem gęstości
prądu katodowego i obniżaniem temperatury elektrolitu oraz
stężenia pierwiastka wydzielanego w elektrolizie. Ważną cechą
powłok elektrolitycznych jest ich przyczepność, wynosząca od 100
do 460 MPa, co wystarcza do celów regeneracyjnych.
Niklowanie
-
skład
kąpieli:
NiSO
4
+NiCl
2
+ H
3
BO
3
o temp. ok.
60
0
C, gęstość prądu ok. 1A/dm
3
Żelazo-niklowanie
- skład kąpieli:
FeCl
2
+NiCl
2
+ HCl
o temp. ok.
85
0
C, gęstość prądu ok. 1A/dm
3
Chromowanie
- skład kąpieli:
CrO
3
+H
2
SO
4
, o temp. ok. 60
0
C,
wydajność
prądowa
niewielka
( anoda bierna stop Pb-Sn )
Żelazowanie
-
skład
kąpieli:
FeCl
2
+HCl
o temp. ok. 85
0
C, duża
wydajność prądowa
anoda
katoda
-
+
powlekany element
elektrolit
Napawanie
Napawanie
- polega na nałożeniu,
najczęściej
drogą
spawania
elektrycznego, na podłoże stalowe z
miękkiej stali spoiny o wyższej
twardości i odporności na ścieranie,
względnie warstwy o specjalnych
własnościach.
Warunkiem
napawania jest dobra spawalność
podłoża ( 0,2-0,25% C ).
Po napawaniu i normalizowaniu lub
wyżarzaniu
zmiękczającym
jest
możliwa obróbka skrawaniem, a
następnie obróbka
cieplna
zależna
od
rodzaju
napawanej warstwy.
Przykłady zastosowania napawania:
- walce hutnicze, matryce, zęby
świdrów napawane stellitem,
- wewnętrzne powierzchnie kotłów
energe-tycznych napawane stalą
autenityczną.
podłoże
napawana warstwa
Implantacja jonów
Implantacja jonów
- obróbka powierzchniowa, polegająca na
wzbogaceniu cienkiej, dochodzącej do kilkuset nm, warstwy w
wybrane
pierwiastki
drogą
bombardowania
jonami
tych
pierwiastków. Stosowane zakresy energii 150-350 keV.
Zastosowanie implantacji jonów:
- do wytwarzania elementów półprzewodnikowych i tranzystorów
bipolarnych,
- przy produkcji złącz p-n w bateriach słonecznych,
- uszlachetnianie warstwy wierzchniej narzędzi i części maszyn,
- zwiększenie odporności powierzchni na korozję,
- wytwarzanie cienkich warstw magnetycznych.
Natryskiwanie
plazmowe
Plazmę
- stanowi strumień gazu ( argonu lub mieszaniny Ar, H
2
i
N
2
) o wysokiej temperaturze i dużym stopniu zjonizowania. Plazma
powstaje w palniku, w którym wytwarza się łuk elektryczny między
elektrodą wolframową umieszczoną centralnie i miedzianą dyszą
chłodzoną wodą, która stanowi anodę. Przez palnik jest
przedmuchiwany gaz przechodzący w stan plazmy o temperaturze
dochodzącej do 10000
0
C. Sproszkowany materiał przeznaczony do
natryskiwania ulega stopieniu po czym zostaje naniesiony na
podstawioną powierzchnię stali, na której ulega kondensacji.
Warstwy natryskiwane plazmowo cechują się bardzo dobrą
przyczepnością do podłoża, ale na ogół są porowate.
Zastosowanie
natryskiwania plazmowego:
nanoszenie materiałów trudnotopliwych
(np. Al
2
O
3
), nanoszenie materiałów bardzo twardych ( węgliki
wolframu, wanadu, tytanu, azotki tytanu ).
Obróbka laserowa
Laser
(
L
ight
A
mplification by
S
timulated
E
mission of
R
adiation ) -
jest generatorem monochromatycznego, koherentnego światła o
dużej mocy, dochodzącej do 210
10
kW.
Do obróbki metali wystarczają lasery o mocy rzędu 0,5-10kW, które
pozwalają na uzyskanie wymaganej do obróbki gęstości mocy 10
4
-
10
6
W/cm
2
.
Istotne jest, że nagrzewanie powierzchni następuje w ciągu ułamka
sekundy, po czym zachodzi bardzo szybkie studzenie strefy
nagrzanej przez zimną osnowę stali, a więc są stworzone warunki do
bardzo szybkiej krystalizacji i zajścia przemiany martenzytycznej.
Można rozróżnić dwa sposoby obróbki laserowej: bez przetopu i z
przetopem materiału.