WBM - Mechanika

Semestr: 3 Grupa: 1

SPRAWOZDANIE Z LABORATORIUM MATERIAŁOZNASTWA

TEMAT: Obróbka cieplno - chemiczna.

1. Nawęglanie

2. Azotowanie

Połączenie zabiegów cieplnych z celową zmianą składu chemicznego powierzchni elementu nazywamy obróbką cieplno - chemiczną. Zmian składu chemicznego, polegających na nasyceniu strefy przypowierzchniowej określonymi pierwiastkiem lub odpowiednio dobraną grupą pierwiastków, dokonuje się przez działanie na powierzchnie elementu chemicznie aktywnego ośrodka w wysokiej w wysokiej temperaturze i przez dyfuzję.

Podczas obróbki cieplno chemicznej zachodzą następujące procesy:

1. reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o dostarczaniu aktywnych atomów

2. adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni

3. dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metalu

Obróbka cieplno - chemiczna jest powszechnie stosowana w celu poprawy własności powierzchni stali. Najczęściej stosowane jej rodzaje to: nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie, borowanie.

NAWĘGLANIE:

Nawęglanie - jest to dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali węglem.

Obróbka ta znacznie zwiększa twardość powierzchni nawęglonych elementów i ich odporność na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe (poniżej 0,25%C), zawierające pierwiastki stopowe, takie jak: chrom, nikiel, mangan, molibden, w ogólnej ilości do kilku procent .

Źródłem aktywnych atomów węgla jest rozkład drobin CO lub węglowodorów (najczęściej metanu). Efekty procesu nawęglania zależą, oprócz temperatury i czasu, również od rodzaju ośrodka nawęglającego i składu chemicznego nawęglanej stali.

Proces nawęglania przeprowadza się powyżej temperatury A_C3, zwykle w zakresie 900 - 950 st.C.

Grubość warstwy nawęglonej i zawartość węgla w warstwie zwiększają się z temperaturą i czasem nawęglania. W praktyce czas nawęglania nie przekracza na ogół 8 godzin, a osiągane grubości warstw nawęglonych wahają się w granicach 0,5 - 2,5 mm przy koncentracji węgla na powierzchni wynoszącej 1%.

Proces nawęglania można przeprowadzić w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych.

Nawęglanie w ośrodkach stałych:

Podstawowym składnikiem ośrodków stałych jest rozdrobniony węgiel drzewny o granulacji 3 - 5 mm zmieszany z aktywatorem (w ilości 10 - 30%), którymi mogą być węglany pierwiastków alkalicznych: baru - BaCO₃, potasu - K₂CO₃, sodu - Na₂CO₃.

Elementy przeznaczone do nawęglania umieszcza się w skrzynkach, a przestrzeń między nimi wypełnia się proszkiem nawęglającym zwanym nawęglaczem. Następnie skrzynki zamyka się i uszczelnia gliną, po czym wyżarza w celu spowodowania dyfuzji. Podczas wyżarzania w ośrodku zachodzą następujące reakcje chemiczne:

1. węgiel spala się z tlenem zawartym między cząsteczkami proszku

C + O₂ CO₂

2. rozkładają się węglany:

BaCO₃ BaO + CO₂

Na₂CO₃ Na₂O + CO₂

3. zachodzi reakcja Boudouarda

CO₂ + C 2CO

której przebieg zależy od temperatury i ciścienia.

4. tlenek węgla rozkłada się na powierzchni stali, dając atomy węgla,

które się rozpuszczają lub tworzą cementyt zgodnie z reakcją:

3Fe + 2CO Fe₃C + CO₂

5. zaabsorbowane lub rozpuszczone atomy węgla dyfundują następnie w

głąb stali.

Prawidłowo nawęglone elementy powinny mieć matowo - srebrzystą powierzchnię, bez barw nalotowych lub zgorzeliny.

W celu zabezpieczenia powierzchni elementów przed nawęglaniem stosuje się miedziowanie elektrolityczne, a otwory zabezpiecza się przez zaklejanie ich gliną lub mieszaniną szkła wodnego z szamotą i azbestem.

Nawęglanie w ośrodkach ciekłych:

Jako nawęglacz stosuje się mieszaninę stopionych soli z dodatkiem karborundu (SiC), najczęściej o składzie:

Na₂CO₃ - około 75%

NaCl - 15%

SiC - 10%

Temperatura procesu wynosi około 850 st.C. Zaletą tego sposobu nawęglania jest możliwość bezpośredniego hartowania, a wadą - tworzenie się żużla, który musi być systematycznie usuwany.

Znaczne przyspieszenie nawęglania uzyskuje się stosując metodę elektrolityczną. Kąpiel składa się z 43% węglanu wapnia i 57% chlorku baru a nawęglane elementy są umieszczone na anodzie. Metodą tą można uzyskać grubość warstwy 1,5mm po czasie 0,5 godziny, przy gęstości prądu 20A/dm³.

AZOTOWANIE:

Nasycenie powierzchniowej warstwy stalowych elementów maszyn azotem powoduje, że uzyskuje ona bardzo dużą twardość, a tym samym odporność na ścieranie i zmęczenie. Warstwa azotowana cechuje się również zwiększoną odpornością korozyjną. Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszaniu cieplnym, dzięki czemu nie wymagają one już żadnej dodatkowej obróbki. Jest to możliwe ponieważ proces azotowania odbywa się w znacznie niższej temperaturze niż nawęglanie, tj. 500 - 600st.C.

Głównym czynnikiem utwardzającym stal są azotki, z tym że azotki żelaza utwardzają ją w małym stopni. Dopiero wprowadzenie do stali takich pierwiastków jak aluminium, chrom, molibden, wanad stwarza możliwość osiągania dużych twardości, dochodzących do 900 - 1200 HV.

Azotowanie w zdysocjowanym amoniaku:

Do azotowania w zdysocjowanym amoniaku stosuje się przeważnie piece elektryczne o działaniu okresowym. Do szczelnej komory wprowadza się osuszony amoniak przy niewielkim nadciśnieniu 50 - 100 Pa. U wylotu znajduje się pipeta do pomiaru stopnia dysocjacji amoniaku. Dysocjacja ta zachodzi według reakcji:

NH₃ 3H + N

wytwarzając atomy azotu. Stopień dysocjacji, który zwykle wynosi 30%, reguluje się ciśnieniem i szybkością przepływu amoniaku przez piec. Proces azotowania przebiega w temperaturze ok. 550st.C. Zachodzi on bardzo powoli. Ze wzrostem temperatury uzyskuje się wprawdzie przyspieszenie dyfuzji, ale zmniejsza się twardość warstwy.

Do azotowania elementy powinny być obrabiane mechanicznie na gotowo. Dopuszcza się najwyżej zeszlifowanie 0,05mm. Zbieranie grubszej warstwy powoduje usunięcie najbardziej utwardzonej strefy. Powierzchnie, które chcemy zabezpieczyć przed azotowaniem, pokrywa się cyną lub niklem.

Azotowanie jonowe:

Azotowanie jonowe pozwala na znaczne skrócenie czasu obróbki i zmniejszenie kosztów. Jako gaz używa się azot lub amoniak, ewentualnie z dodatkiem wodoru, argonu lub węglowodorów. Ciśnienie w komorze roboczej wynosi 100 - 1000 Pa. Obrabiane elementy znajdują się na ujemnym potencjale 1 - 2,5kV. Przyłożone napięcie wywołuje wyładowanie jarzeniowe, tzn. powstanie cienkiej strefy poświaty katodowej przy powierzchni azotowanych przedmiotów. W polu elektrycznym następuje jonizacja gazu i dodatnie jony (azotu) bombardują powierzchnię elementów, przy czym wydziela się ciepło konieczne do aktywacji termicznej i dyfuzji.

Już trzygodzinne azotowanie daje warstwy o grubości 0,1 - 0,2mm i twardości 1000 - 1500 HV.

Siarko azotowanie gazowe:

Siarko azotowanie jest modyfikacją zwykłego azotowania. Polega ono na wprowadzeniu do atmosfery azotującej pieca - oprócz amoniaku - również par siarki. Warstwy dyfuzyjne siarko azotowane cechuje bardzo duża odporność na zacieranie elementów maszyn i mały współczynnik tarcia.

Tlenoazotowanie:

Obróbka ta jest stosowana głównie do stali szybkotnących jako dodatkowa po odpuszczaniu. Temperatura obróbki nie powinna przekraczać temperatury odpuszczania (ok. 500st.C, czas 2 godziny).

Najczęściej stosowaną atmosferą tlenoazotującą jest mieszanina pary wodnej i amoniaku w stosunku 3:1. Struktura takiej warstwy której grubość nie przekracza zwykle 60μm, składa się z tlenków Fe₃O₄ wzbogaconych w pierwiastki stopowe oraz azotków pierwiastków stopowych na tle ferrytu azotowego.

---