Mieczysław Barszczewswki

II rok semestr III

Dr inż. Roman Drozdowski

Akademia Rolnicza w Szczecinie

Technologia Żywności i Żywienie Człowieka

Maszynoznawstwo

Praca kontrolna:

Temat - Rola obróbki cieplno - chemicznej w uzyskaniu właściwości stali.

Stal to przede wszystkim stop żelaza z węglem (do 2,1% C) i innych pierwiastków wprowadzonych w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych. Stal otrzymuje się z surówki w procesie topienia w hutach gdzie dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali.

Stal węglowa poza węglem zawiera pierwiastki pochodzące z przerobu hutniczego (krzem, mangan, siarka, fosfor, azot, tlen, arsen).

Stal otrzymywana w piecach martenowskich ze złomu może zawierać wszystkie składniki występujące w stalach stopowych, dlatego też ustalone zostały umowne graniczne zawartości pierwiastków dla stali węglowych.

Stale zawierające więcej składników stopowych uważane są umownie za stale stopowe. Znajdują się w nich oprócz pierwiastków pochodzących z przerobu hutniczego również pierwiastki wprowadzone celowo dla uzyskania określonych właściwości. Do najczęściej stosowanych składników stali stopowych należą: nikiel, chrom, mangan, krzem, wolfram oraz kobalt.

Zależnie od zastosowania stal dzieli się na: konstrukcyjną, narzędziową i o szczególnych własnościach. Stal jest najważniejszym materiałem w budowie maszyn, a także jednym z podstawowych i niezbędnych materiałów w budownictwie.

W zależności od zastosowanej technologii produkcji rozróżnia się stal:

- laną (staliwo),

- kutą (wlewka otrzymywana przez kucie lub prasowanie na gorąco),

- walcowaną (wlewka uzyskiwana przez walcowanie na gorąco)

- ciągnioną.

Obróbka metali, ogół procesów technologicznych mających na celu zmianę kształtów, wymiarów lub właściwości fizycznych i chemicznych metali.

Wyróżnia się obróbkę: mechaniczną, plastyczną, cieplną, chemiczną oraz cieplno-chemiczną.

Obróbka cieplna zwykła:

Obróbka, która przebiega w czasie, i powoduje zmianę właściwości mechanicznych, lub zmianę stanu naprężeń w materiale obrabianym, podczas której zachodzą zmiany strukturalne materiału, w którym przedmiot się wygrzewa.

Do obróbki cieplej zaliczamy:

- nagrzewanie ( w pierwszej kolejności nagrzewamy do temperatury oczekiwanego procesu)

- wygrzewanie ( odpowiedni czas zależy od wielkości materiału, w celu wyrównania temperatury w całym przekroju tego materiału).

- chłodzenie ( najważniejszy proces, od którego zależy jaką obróbkę będziemy mogli użyć)

W zależności od tego jakie wartość ma wygrzewanie i długość chłodzenie będziemy mogli mieć różne obróbki cieplne.

Do obróbki cieplnej zalicza się m.in.: wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, ulepszanie cieplne, przesycanie, stabilizowanie.

- wyżarzanie, (ujednaradaniające, zupełne, normalizujące) metoda obróbki cieplnej materiału polegającego na ogrzewaniu przedmiotu z metalu lub stopu metali do określonej temperatury, utrzymaniu go w niej przez pewien czas, a następnie powolnym ostudzaniu. Wyżarzanie przeprowadza się, by usunąć naprężenia i niejednorodności, uzyskać pożądaną drobnoziarnistą strukturę materiału, a także np. w celu rekrystalizacji. W zależności od potrzeb stosuje się różne temperatury i czasy wyżarzania oraz różne czasy i sposoby studzenia.

- hartowanie, rodzaj obróbki cieplnej, której celem jest uzyskanie struktury o większej twardości, polegający na nagrzaniu stopu do temperatury stanu austenitycznego (powyżej linii GS układu żelazo-cementyt temperaturze 727⁰C), wygrzewaniu w celu uzyskania jednakowej temperatury w całej masie materiału oraz dostatecznie szybkim chłodzeniu (z szybkością większą lub równą tzw. szybkości krytycznej, przy której powstaje przemiana martenzytyczna).

- odpuszczanie, ( polega na zmniejszeniu naprężeń wewnątrz materiału, wyżarzanie odpuszczające), obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu przedmiotów stalowych uprzednio zahartowanych (hartowanie) do określonej temperatury (zależnej od pożądanego efektu - 180-650°C), wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie ochłodzeniu.

Zależnie od temperatury, w jakiej przebiega proces, rozróżnia się:

- odpuszczanie niskie, usuwa bardzo mało naprężeń, w zakresie temperatur 180-250°C, którego głównym celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem wysokiej twardości, - narzędzia.

- odpuszczanie średnie, w zakresie temperatur 250-500°C, mające na celu usunięcie dużej ilości naprężeń i nadanie przedmiotom dużej wytrzymałości i sprężystości przy dostatecznej udarności, posiada najlepsze właściwości mechaniczne.

- odpuszczanie wysokie, w zakresie temperatur 500-650°C, mające na celu nadanie dużej wytrzymałości na rozciąganie, dużej twardości, z zachowaniem odpowiedniej plastyczności.

Ulepszanie cieplne, obróbka cieplna będąca połączeniem procesów hartowania i wysokiego odpuszczania. Ulepszanie cieplne materiałów przeprowadza się w celu otrzymania optymalnych własności mechanicznych, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości obróbki skrawaniem.

Przesycanie, obróbka cieplna polegająca na wygrzewaniu stopów powyżej temperatury granicznej rozpuszczalności składnika stopowego (dla stali do temperatury zapewniającej uzyskanie stanu austenitycznego - nieco powyżej 723°C), a następnie szybkim ochłodzeniu, zazwyczaj w wodzie.

Przesycanie przeprowadza się w celu zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze stałym, lecz przesyconym. Przesycaniu poddaje się m.in. stale, kwasoodporne stopy metali nieżelaznych (np. stopy aluminium).

Stabilizowanie, w obróbce cieplnej zabieg mający na celu zmniejszenie naprężeń własnych i zapewnienie niezmienności wymiarów obrabianego przedmiotu.

Stabilizowanie można przeprowadzać przez wygrzewanie przedmiotu w temperaturze 100-150°C lub przez długie przetrzymywanie w zmiennych warunkach atmosferycznych (stabilizowanie naturalne - tzw. sezonowanie - stosowane np. do odlewów żeliwnych).

Rola Obróbki ciepło - chemiczna

Obróbka ciepło - chemiczna to podobne zjawisko, co obróbka cieplna tylko, przeprowadzana jest w atmosferze aktywnej, która pozwala wprowadzić do wewnątrz materiału dodatkowy pierwiastek, i zmienić skład chemiczny wierzchniej warstwy pierwszej, podczas dyfuzji. Dzięki temu warstwa wierzchnia ma inne właściwości niż rdzeń materiału (może mieć leprze właściwości).

Obróbka cieplno-chemiczną jest procesem zapewniającym 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.

Poniżej przedstawię tylko niektóre sposoby pozwalające na osiągnięcie zamierzonego celu.

Obróbka cieplno-chemiczna polega na nasycaniu warstw powierzchniowych obrabianych cieplnie elementów określonymi składnikami, co uzyskuje się w rezultacie oddziaływania w ośrodka w którym zachodzi wygrzewanie. Dla wytworzenia takiego chemicznego aktywnego ośrodka mogą być zastosowane zarówno substancje stałe, ciekłe jak i gazowe. Najczęściej rolą - celem obróbki cieplno-chemicznej jest podwyższenie powierzchniowej twardości i odporności na ścieranie oraz można osiągnąć również zwiększenie odporności na korozję. Do zabiegów obróbki cieplno-chemicznej nalezą: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie a także nasycanie innymi pierwiastkami metalicznymi i niemetalicznymi.

W czasie obróbki cieplno-chemicznej zachodzą następujące procesy:

- powstawanie wolnych aktywnych atomów, w ośrodku otaczającym obrabiany metal,

- adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni metalu,

- dyfuzja zaadsorbowanego pierwiastka wgłąb metalu.

W wyniku tych trzech procesów na powierzchni obrabianego cieplnie elementu powstaje warstwa dyfuzyjna o odmiennym składzie chemicznym niż rdzeń.

Aktywne atomy mogą powstawać zarówno na drodze dysocjacji jak tez w wyniku zachodzących reakcji chemicznych. Ulegają one następnie absorpcji na powierzchni

obrabianego cieplnie elementu. Zjawisko to polega na wchłonięciu swobodnych atomów pierwiastka nasycającego przez powierzchnię metalu podstawowego, przy czym muszą być spełnione dwa zasadnicze warunki:

l. adsorbcja możliwa jest tylko w momencie tworzenia się aktywnych atomów (związki chemiczne a nawet pierwiastki występujące w postaci cząstek adsorbcji nie ulegają);

2 pierwiastek nasycający musi się rozpuszczać w metalu podstawowym.

Zaadsorbowane na powierzchni elementu atomy przenikają następnie wgłąb metalu na drodze dyfuzji. Przebieg dyfuzji oraz rodzaj powstających w jej wyniku faz zalezą od typu układu równowagi jaki tworzą oba te składniki. W związku z tym rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji, a to dyfuzję atomową oraz dyfuzję reakcyjną. Dyfuzja atomowa zachodzi, gdy oba składniki tworzą roztwór stały i polega na przemieszczaniu się atomów dyfundującego pierwiastka w sieci przestrzennej metalu podstawowego. Na skutek tego rodzaju dyfuzji powstaje roztwór stały o strukturze krystalicznej metalu podstawowego. Maksymalne stężenie metalu dyfundującego w metalu podstawowym nie może w tym przypadku przekraczać jego granicznej rozpuszczalności przy temperaturze dyfuzji. Możliwe jest również, że adsorbowany składnik oraz metal podstawowy reagują ze sobą, w wyniku czego powstają fazy międzymetaliczne. Tego rodzaju dyfuzję, która prowadzi do powstania nowych faz, nazywamy dyfuzją reakcyjną. W tym przypadku wzajemna dyfuzja metali może doprowadzić do stężeń wielokrotnie przekraczających stężenia występujące w roztworach stałych granicznych. Ponieważ najczęściej, jak to wynika z. układów równowagi fazowej, zachodzi zarówno rozpuszczanie się dyfundującego pierwiastka w metalu podstawowym jak powstawanie nowych faz międzymetalicznych, możliwy jest równoczesny przebieg obu tych rodzajów dyfuzji, z tym jednak, że faza międzymetaliczna powstaje dopiero po nasyceniu metalu podstawowego pierwiastkiem dyfundującym.

Dyfuzję określa ilościowo pierwsze prawo Ficka wyrażone równaniem:

Z równanie tego wynika, ze ilość pierwiastka dm (w gramach), która przedyfunduje przez element powierzchni dF. (w cm²) na odległość dx (w cm) od tej powierzchni w czasie dτ

(w sekundach) jest. proporcjonalna do gradientu (spadku koncentracji substancji dyfundującej dc na drodze dx). Współczynnik, proporcjonalności D zwany współczynnikiem dyfuzji jest równy ilości substancji dyfundowanej przez jednostkę powierzchni (l cm²) w jednostce czasu(l s) przy różnicy stężeń po obu stronach tej powierzchni równej jedności (0'% i 100% substancji dyfundującej). Znak minus we wzorze oznacza, że dyfuzja zachodzi kierunku spadku koncentracji.

Współczynnik dyfuzji jest wielkością zmienną, zależną od temperatury procesu, stęża dyfuzyjnego pierwiastka oraz obecności innych pierwiastków w podstawowym metalu. Może on być wyrażony wzorem;

Gdzie A - współczynnik zależny od typu sieci krystalicznej,

Q - energia aktywacji, tj. ilość energii potrzebna do wysunięcia atomu z jego normalnego położenia w sieci krystalicznej w odniesieniu do jednego gramoatomu,

R - stała gazowa (1,987 cal/gramoatom)

T - temperatura bezwzględna.

Z powyższego wzoru wynika, że dla danego pierwiastka dyfundującego i określonego metalu podstawowego, współczynnik dyfuzji zależny jest w pierwszym rzędzie od temperatury, którą ta zależność przedstawia. Grubość warstwy dyfuzyjnej w zależności od czasu, można określić równaniem:

x - grubość warstw dyfuzyjnej,

c - stała zależna od współczynnika dyfuzji,

τ - czas dyfuzji,

Z tego wynika, że grubość warstw dyfuzyjnych wzrasta w zależności od czasu według paraboli, to znaczy tym wolniej im dłuższy jest czas procesu.

Schemat powstawania warstw powierzchniowych w wyniku obróbki cieplno - chemicznej stali.

a) b) c)

a) zmiana stężenia pierwiastka nasycającego w warstwie powierzchniowej poniżej zakresu jego rozpuszczalności.

b) przyrastanie warstwy w wyniku tworzenia się faz pod powierzchnią.

c) narastanie warstw w wyniku tworzenia się faz na powierzchni stali.

Metody obróbki cieplno-chemiczną przeprowadza się w środowisku bogatym w składnik dyfundujący do stali, mogą być to metale, niemetale i połączenia.

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 → CO2 + C,

NH3 → 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.

Nawęglanie

Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla do warstwy powierzchniowej celem podwyższenia twardości i odporności na ścieranie. Źródłem węgla w procesach nawęglania są najczęściej CO i CH₄, których rozkład do węgla atomowego w warunkach obróbki przebiega wg następujących reakcji:

2CO = CO₂ + C

CH₄ = 2H₂ + 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 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

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 niewystarczająca z punktu widzenia odporności na ścieranie.

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.

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

Aluminiowanie dyfuzyjne

Aluminiowanie dyfuzyjne, kaloryzowanie, - jest to rodzaj obróbki cieplnej polegającej na nasycaniu przypowierzchniowej warstwy przedmiotu glinem. Są trzy podstawowe sposoby kaloryzowania, które w zależności od ośrodka, w którym się je przeprowadza, można podzielić na:

- gazowe (w temp. 900 - 1000°C),

- w ośrodku stałym (w temp. 900 - 1000°C),

- w ośrodku ciekłym - tzw. kąpieli aluminiowej (w temp. 750 - 800°C).

Kaloryzowanie przeprowadza się głównie w celu zabezpieczenia przedmiotów (wykonanych głównie ze stali) przed korozją, gdyż glin w zetknięciu z powietrzem wytwarza szybko tlenki, które uniemożliwiają dalszy postęp korozji (tzw. pasywacja).

Borowanie dyfuzyjne (naborowywanie)

Polega na nasycaniu borem powierzchniowej warstwy przedmiotów. Jej skutkiem jest zwiększenie odporności na działanie kwasu solnego i innych kwasów, nadanie właściwości antykorozyjnych, twardości (odporności na ścieranie), doprowadzanie do nierozpuszczalności w stopionych metalach (Cynk oraz Glin) oraz zwiększenie żaroodporności stali (do 800°C). Obróbkę tę stosuje się zazwyczaj wobec narzędzi nie poddawanych obciążeniom dynamicznym, gdyż nadaje ona większą odporność, niż procesy azotowania i nawęglania, ale jej wadą jest zwiększenie kruchości stali.

Występuje kilka metod borowania:

- borowanie w ośrodkach stałych - w tym w proszkach i pastach

- borowanie w ośrodkach ciekłych - z pododmianą borowania elektrolitycznego

- borowanie w ośrodkach gazowych - w tym metody borowania jonowego

Po borowaniu dopuszcza się dalszą obróbkę cieplną obiektów. Najczęściej jest to hartowanie z odpuszczaniem lub hartowanie izotermiczne przeprowadzane w środowiskach zapobiegających utlenieniu się naborkowanej warstwy.

Ww. procesy są tylko niektórymi możliwościami obróbki cieplno - chemicznej. Według schematu metod, przedstawionego powyżej istnieją wszelkiego rodzaju mieszanki różnych pierwiastków, cel jest jeden uzyskać stal najbardziej odpowiadającą naszym potrzebą i oczekiwaniom.

Bibliografia:

1. Materiałoznawstwo i obróbka cieplna Leszek Adam Dobrzański

Wydanie trzecie poprawione i uzupełnione Warszawa W S i P 1997r.

2. Obróbka cieplna stopu metali pod redakcją Wacława lutego W - wa

Wydawnictwo Naukowo - Techniczne W - wa 1977r

3. Metaloznawstwo Stanisław Rudnik

W - wa 1978 Państwowe Wydawnictwo Naukowe

10

Stal

Powierzchnia

powierzchnia

Zależność grubości warstwy dyfuzyjnej od czasu wygrzewania.

Grubość warstwy x

Czas

Zależność współczynnika dyfuzji D od temperatury.

Współczynnik dyfuzji D

Temperatura

---