Bartosz Kubyszek Bielsko - Biała 2.11.1998

Wydział Budowy Maszyn

Semestr III Grupa godz. 11³⁰

OBRÓBKA CIEPLNO - CHEMICZNA

WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Obróbka cieplno-chemiczna jest to zabieg cieplny ( bądź połączenie kilku zabiegów ) mający na celu wprowadzenie danego pierwiastka w warstwę powierzchniową stali lub usu­nięcie go z niej, co następuje na skutek dyfuzji zachodzącej podczas wygrzewania stali w od­powiednim ośrodku. Zmiany są funkcją: czasu, tem­peratury i różnicy stężeń składnika dyfun­dującego.

Celem obróbki cieplno-chemicznej jest najczęściej utwardzenie powierzchni lub jej uodpornienie na ścieranie, przy zachowaniu miękkiego i ciągliwego, podatnego na obciążenia dynamiczne i zmęczeniowe rdze­nia. Obróbce tej są poddawane części maszyn np.: czopy wałów, koła zębate, krzywki sterujące itp. Do zabiegów obróbki cieplno-chemicznej zalicza się nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie, azotonawęglowanie. Ponadto stosuje się alu­miniowanie, chromowanie, cynkowanie, berylowanie, itp.

Dyfuzyjne procesy obróbki cieplno chemicznej zachodzą, gdy są spełnione następu­jące warunki:

• pierwiastek dyfundujący występuje w postaci „ in statu nascendi ” czyli wolnych atomów, które w chwili tworzenia się wykazują większą aktywność,

• pierwiastek dyfundujący ulega adsorpcji, co polega na nagromadzeniu wolnych atomów na powierzchni metalu,

• zachodzi przemieszanie się zaadsorbowanych atomów w głąb metalu.

NAWĘGLANIE

Nawęglanie jest zabiegiem polegającym na wzbogacaniu warstwy powierzchniowej w węgiel przez wygrzanie przedmiotu przez dłuższy czas w temperaturze powyżej Ac₃, w ośrodku wydzielającym węgiel. Na nawęglanie wpływają następujące czynniki: temperatura, czas oraz aktywność ośrodków nawęglających. Najin­tensywniej oddziaływa temperatura, powodująca większą ruchliwość atomów i przyspieszenie dyfuzji, przy czym zbyt wysoka temperatura nie jest pożądana, gdyż powoduje wzrost ziarn austenitu i w związku z tym zmniejszenie własności plastycznych rdzenia. Oprócz tego, jeżeli proces przebiega w wyso­kich temperaturach, to następuje nadmierne wzbo­gacenie warstwy powierzchniowej w węgiel, co objawia się tworzeniem niepożą­danej siatki ce­mentytu. W stałej temperaturze czas wpływa na przebieg dyfuzji, powodując wzrost grubości war­stwy nawęglonej ( fot.1 ) warstwa wzbogacona w węgiel ma najczęściej grubość 0,5 - 2mm. Prak­tycznie nawęglanie przeważnie trwa 2 - 8 godzin.

W zależności od warunków nawęglania powstają w warstwie nawęglonej trzy różne pod względem strukturalnym strefy:

• Strefa nadeutektoidalna, zawierająca perlit i węgliki żelaza, które tworzą przy odpowiednio długim czasie niekorzystną siatkę cementytu na granicach ziarn.

• Strefa eutektoidalna, zawierająca wyłącznie perlit

• Strefa podeutektoidalna, zawierająca perlit oraz ferryt, przy czym ilość ferrytu zwiększa się w kierunku rdzenia.

W praktyce dąży się do otrzymania struktury eutektoidalnej o dużej twardości po har­towaniu oraz dużej odporności na łuszczenie się stali, co następuje, gdy powstanie siatka ce­mentytu. Przejście od warstwy nawęglo­nej do rdzenia powinno być łagodne, stopniowe (fot.2) nawęglanie przeprowadza się w ośrodkach stałych, w kąpielach i w gazach.

Ośrodkami stałymi są mieszaniny proszków węgla drzewnego z solami zwiększają­cymi intensywność nawęglania, a więc węglanami sodu ( Na₂CO₃ ), potasu ( K₂CO₃ ), litu ( Li₂CO₃ ). Węgiel spalając się przy nie­domiarze tlenu, daje CO według reakcji:

C ( węgiel drzewny ) + O₂ = CO₂

CO₂ + C ( węgiel drzewny ) = 2 CO

2 CO = CO₂ + C ( węgiel atomowy )

Stałe ośrodki nawęglające mają następujące zalety: niską cenę proszku, odpowiednio dużą aktywność pozwala­jącą na uzyskanie potrzebnej szybkości nawęglania oraz czystość proszku - bez szkodliwych zanieczyszczeń.

Nawęglanie kąpielowe stali odbywa się w roztopionych solach, głównie węglanach i chlorkach ( sodu lub potasu ): jest szybkie i umożliwia kontrolę oraz regulację temperatury. Wadą procesu są większe koszty, toteż jest ono stosowane rzadziej.

Nawęglanie gazowe sprowadza się ( podobnie jak nawęglanie w proszkach ), do wydzielenia przez gazy nawęglające w wysokiej temperaturze ( 850^oC - 950^oC ) węgla „ in statutu nascendi ”, który następnie dyfun­duje do stali. Zazwyczaj głównym składnikiem gazów nawęglających jest metan, rozkładający się w temperatu­rze nawęglania z wydzieleniem węgla.

CH₄ ↔ C + 2H₂

W obecności tlenu z powietrza możliwe są dalsze reakcje:

CH₄ + 2O₂ ↔ CO₂ + 2H₂O

CH₄ + CO₂ ↔ 2CO + 2H₂

2 CO ↔ C + CO₂

Zależnie od powstałych urządzeń można używać gazów nawęglających nie oczysz­czonych bądź odpo­wiednio przygotowanych. Gazy nie oczyszczone, surowe, ze względu na nadmiar węglowodorów powodują osadzanie się sadzy nie tylko na ściankach pieca, ale także na przedmiotach, co znacznie utrudnia nawęglanie. Przygotowanie gazów polega na częścio­wym spalaniu, oczyszczeniu i mieszaniu spalin z gazem surowym, mie­szaniu bogatszego gazu z powietrzem lub rozłożeniu i krakowaniu w przypadku gazów naftowych, gazu ziem­nego itp.

Nawęglanie gazowe na wiele zalet w porównaniu z nawęglaniem w ośrodkach stałych, a mianowicie: krótszy czas nawęglania, bardziej równomierna warstwa nawęglona, możli­wość dokładniejszego regulowania grubości warstwy nawęglonej, możliwość hartowania bezpośrednio po nawęglaniu, a więc otrzymaniu struktury drobnoziarnistej, małe zużycie energii (jest niepotrzebne np. grzanie skrzynek, jak przy nawęglaniu w prosz­kach), możliwość zautomatyzowania procesu oraz większa czystość miejsca pracy.

Za wadę nawęglania gazowego uważać należy trudności w opanowaniu procesu, wy­magającego odpo­wiednich, dość skomplikowanych, urządzeń do przygotowania i kontroli gazu nawęglającego.

( poniższy wykres przedstawia głębokość nawęglania w proszku w zależności od czasu i temperatury nawęglania )

---