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. Polega na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich właściwości użytkowych

Stopowanie – wytwarzanie tworzywa metalicznego w postaci stopu metalu z metalem lub metalu z niemetalem przez nasycanie lub przetopienie.

Podstawowe warunki zmiany składu chemicznego warstwy powierzchniowej:

-pierwiastek, który ma dyfundować w warstwę powierzchniową metalu podstawowego, musi być w stanie wolnych atomów mających dużą aktywność,

- na powierzchni metalu podstawowego musi nastąpić nagromadzenie i osadzenie wolnych atomów pierwiastka dyfundującego – adsorpcja,

-pierwiastek, który ma wzbogacić powierzchnię, musi rozpuszczać się w metalu podstawowym lub tworzyć z nim fazy międzymetaliczne.

Nawęglanie ang.: carburizing Proces obróbki cieplno-chemicznej stosowany dla części, od których wymagana jest twarda, odporna na ścieranie powierzchnia przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Stosuje się stale o zawartości 0,1-0,25% C. stosuje się głębokości nawęglania 0,5-1,5 mm

Typowe części: koła zębate, wałki uzębione, wielowypusty, krzywki, itp.

Stale do nawęglania Są to stale węglowe i stopowe o zawartości węgla do 0,25% Główne dodatki stopowe to: Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, W. Pierwiastki te wprowadzone są do stali w celu podwyższenia hartowności oraz zwiększenia plastyczności rdzenia (Ni)

Temperatura nawęglania – powyżej Ac₃ (zakres istnienia austenitu), 850-900 ^oC

Struktura warstwy nawęglanej:

-nadeutektoidalna (%C 0,85-1,0) dla części pracujących na ścieranie przy dużych naciskach,

-eutektoidalna (%C 0,7- 0,85) dla części pracujących przy dużych naciskach.

Grubość warstwy nawęglonej – zależnie od charakteru pracy – 0,6 – 2,5 mm

Nawęglanie w karboryzatorach stałych (proszkach) Polega na wygrzewaniu przedmiotów w temp. 880-950^oC w ośrodku składającym się z mieszaniny granulowanego węgla drzewnego z i środków przyspieszających Główny czynnik nawęglający – CO CO₂ + C -> 2CO

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,

- konieczność wielokrotnego grzania przedmiotów (odkształcenia)

Nawęglanie gazowe Polega na nagrzaniu i wygrzewaniu części stalowych w atmosferze nawęglającej, przepływającej przez szczelną komorę pieca o temp. 880-950 ^oC. przeprowadzanie w piecach szybowych lub o ruchu ciągłym. Czas zależy od grubości warstwy nawęglonej Do nawęglania stosuje się. Wydzielanie aktywnego węgla jest tak intensywne ze przewyższa często szybkość dyfuzji węgla w głąb stal i osadza się ona w postaci sadzy która utrudnia dalsze nawęglanie. Stosuje się atmosfery ochronne o kontrolowanym potencjale węgla, zapewniających uzyskanie zadanej zawartości wegla w warstwie.

Atmosfery nawęglające: atmosfery generatorowe powstałe z gazu ziemnego lub propanu) i atmosfery bezgeneratorowe (utworzone z surowych gazów lub węglowodorów ciekłych)

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.

Potencjał węglowy – stężenie węgla w procentach wagowych na powierzchni wsadu

stalowego, będące w danej temperaturze w równowadze z otaczającym środowiskiem

gazowym. 2CH₄ + O2 + 3,76N₂ => 2CO + 4H₂ + 3,76N₂

Cele obróbki cieplnej po nawęglaniu

- uzyskanie dużej twardości warstwy wierzchniej (60-62 HRC)

- wytworzenie drobnoziarnistej mikrostruktury rdzenia

- usuniecie gruboziarnistej struktury warstwy nawęglonej i siatki

cementytu wtórnego po granicach ziaren.

Sposoby zabezpieczenia powierzchni nie podlegających nawęglaniu

- pokrywanie pastami ochronnymi,

- miedziowanie elektrolityczne,

- pozostawienie naddatku materiału o grubości większej niż głębokość warstwy nawęglonej

Azotowanie – proces nasycania azotem powierzchni przedmiotów stalowych lub

żeliwnych. Celem azotowania jest nadanie przedmiotom wysokiej twardości powierzchniowej,

odporności na ścieranie oraz wysokiej odporności zmęczeniowej. - Zakres temperatur azotowana 480-800 ^oC,

- Obróbka cieplna przed azotowaniem + ulepszanie cieplne, bez OC po azotowaniu,

- Czasy azotowania – długie – do 100 godz.

Nawęglanie

Nawęglanie jest rodzajem obróbki cieplno - chemicznej polegającym na powierzchniowym nasyceniu stali węglem . Celem procesu jest uzyskanie części o twardej i odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia , zapewniającego odporność na obciążenia udarowe . Takie własności mechaniczne są pożądane w przypadku kół zębatych , osi , części wałków jak czopy , wielo - wypusty , krzywki itd . , które to detale często są nawęglane .Innym zastosowaniem nawęglania jest obróbka elementów łańcuchowych , które są wycinane i kształtowane z miękkiej niskowęglowej blachy , a następnie nawęglane , hartowane i odprężane . Do nawęglania stosuje się stale węglowe wyższej jakości oraz stale stopowe o zawartości węgla do 0,25% . Stale stopowe do nawęglania z reguły zawierają chrom , utrudniający przegrzanie i podnoszący wytrzymałość oraz takie pierwiastki jak : Ni , Mn , Mo , zwiększające wytrzymałość rdzenia , po obróbce cieplnej przy zachowaniu jego wysokiej plastyczności .Równocześnie dodatki stopowe umożliwiają hartowanie tych stali w oleju , co daje mniejsze naprężenia hartownicze przy zachowaniu wysokiej twardości warstwy powierzchniowej.

Co wpływa na grubość warstwy dyfuzyjnej? Koncentrację węgla w warstwie można wyrównać przez wyżarzanie części nawęglonych przy temperaturze zbliżonej do temperatury nawęglania . Na skutek dyfuzji węgla w głąb stali nastąpi wówczas zwiększenie grubości warstwy nawęglonej kosztem zmniejszenia zawartości węgla w pobliżu powierzchni . Grubość i charakter warstwy nawęglanej zależy nie tylko od czasu i temperatury nawęglania oraz aktywności karboryzatora , lecz od rodzaju stali . Mianowicie takie dodatki stopowe jak Cr, Mn , Mo zwiększają głębokość nawęglania , podczas gdy Ni ją obniża , poza tym pierwiastki węglikotwórcze : Cr , Mo , W , N , Ti zwiększają koncentracje węgla w pobliżu powierzchni . Stale nieodtlenione należycie wskazują skłonność do tzw. struktury anormalnej , polegającej na tym , że oprócz cementytu i perlitu występuje również ferryt tworząc skupienia otaczające siatkę cementytu . Części ze strukturą anormalną wymagają wysokiej temperatury ( ok. 900 oC ) i dłuższego czasu wygrzewania , przy hartowaniu celem rozpuszczenia wydzieleń ferrytu i cementytu , gdyż p hartowaniu mogą wystąpić miękkie plamy . Kontrola jakości przy nawęglaniu: Nawęglona stal musi przejść kontrolę jakości pod względem badania zawartości węgla, dwutlenku węgla oraz badania struktury i powierzchni materiału. Gdy wszystkie wartości są zgodne z odpowiadającymi normami, stal poddawana jest kolejnym operacjom, a także przeznaczona zostaje do innych sektorów gdzie przeprowadzane są operacje mechaniczne, mające na celu nadanie odpowiedniego kształtu produkowanego materiału bądź przedmiotu stalowego. Po procesach nawęglania, oprócz kontroli grubości i twardości warstwy nawęglonej, prowadzi się również badania mające na celu określenie powierzchniowego stężenia węgla, wielkości i rozmieszczenia wydzieleń węglików, zawartości austenitu nieprzemienionego (szczątkowego) itp. Metody pomiaru warstwy dyfuzyjnej Do pomiaru grubości warstwy nawęglonej stosowane są metody niszczące i nieniszczące. Spośród metod niszczących norma PrPN-ISO2639 zaleca trzy sposoby oznaczenia umownej grubości utwardzenia elementów nawęglonych, zahartowanych i odpuszczonych: • na przełomie poprzecznym do warstwy nawęglonej (rozkład twardości wzdłuż normalnej do powierzchni nawęglonej – do miejsca, gdzie twardość spadnie poniżej 550 HV), • na przekroju poprzecznym przez trawienie makroazotalem (ujawniają się strefy warstwy nawęglonej i przejściowej – warstwę mierzy się łupką o powiększeniu 8 ÷ 10-krotnym do połowy strefy przejściowej), • na przekroju skośnym > l : 40 do warstwy nawęglonej (wykonuje się pomiary twardości Vickersa przy obciążeniu 10 N wzdłuż osi od powierzchni nawęglonej w odległościach co 4 mm). Spośród metod nieniszczących do pomiaru grubości warstwy nawęglonej wyróżnia się pomiar przy użyciu Wirotestu 03 – metodą prądów wirowych przy częstotliwości prądu magnesowania 300 lub 500 Hz – dokładność pomiarów ± 0,1 mm. Na podobnej zasadzie można również dokonać pomiaru twardości warstwy nawęglonej. Należy wówczas stosować Wirotest o częstotliwości prądu magnesowania 3000 lub 5000 Hz. Wirotest 03 może pracować w zakresie 50 ÷ 3000 Hz częstotliwości prądu magnesowania. MATERIAŁY I URZĄDZENIA Mikroskop optyczny Neophot-2, twardościomierz Hannemana, próbki po hartowaniu indukcyjnym (koła zębate o różnym module), próbki po azototytanowaniu metodą KIB (stal gat. HS6-5-2(SW7M)), próbki po nawęglaniu i obróbce cieplnej po nawęglaniu (stal gat. C20(20)) Parametry procesu nawęglania Proces nawęglania próżniowego składa się z segmentów nasycania i dyfuzji . Dobranie optymalnych parametrów tego procesu, a w szczególności długości poszczególnych segmentów wymaga doświadczenia i dobrej znajomości cech indywidualnych pieca, na którym przeprowadzany jest proces. Niewłaściwe prowadzenie procesu jest przyczyną powstawania wydzieleń węglików stopowych na powierzchni oraz na granicach ziaren obrabianych elementów, powodując obniżenie ich własności eksploatacyjnych . Taka część maszyny staje się podatna na korozję i pękanie podczas pracy. Jedną z metod pozwalających określić optymalne parametry dla procesu są badania metalograficzne. Na ich podstawie można wykreślić profil węgla warstwy nawęglonej oraz ustalić występowanie bądź nie węglików w strukturze materiału. cel pracy: Celem pracy jest zbadanie wpływu temperatury oraz czasu nasycania i dyfuzji w procesie nawęglania próżniowego na zawartość węgla oraz ilość węglików w warstwie dyfuzyjnej stali materiał i metodyka badań. Przebieg procesu rozpuszczania zależy od temperatury procesu i związanej z nią granicznej rozpuszczalności węgla w austenicie. Podczas gdy w 1223 K węgiel wciąż był związany w strukturach węglikowych, w temperaturze 1273 K już nastąpiło rozpuszczenie węglików, co sprzyjało rozwinięciu profilu węgla w głąb materiału.