PROCESY ZACHODZĄCE PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

Transkrypt

1 PROCESY ZACHODZĄCE PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ nawęglanie nawęglanie w środowiskach stałych, ciekłych, gazowych nawęglanie próżniowe nawęglanie jonizacyjne azotowanie cyjanowanie aluminiowanie chromowanie 1

2 WIADOMOŚCI OGÓLNE Obróbka cieplno-chemiczną nazywa się zabiegi cieplne powodujące zmianę składu chemicznego zewnętrznych warstw metalu, osiągane wskutek oddziaływania aktywnego środowiska chemicznego na jego powierzchnię. Dyfuzja polega na ruchu atomów, jonów lub cząstek spowodowanych różnica stężenia i prowadzącym do wyrównania stężeń wewnętrznych faz. W gazach i cieczach przebiega szybko, natomiast w ciałach stałych ruch atomów jest utrudniony ze względu na krystaliczną budowę ciała. 2

3 Dyfuzja 3

4 Dyfuzja ukierunkowana w skali makro jako efekt chaotycznego ruchu pojedynczych cząsteczek 4

5 Model dyfuzji w sieci krystalicznej 5

6 WIADOMOŚCI OGÓLNE Wędrówka atomów, jonów lub cząstek może się odbywać przez : bezpośrednią zamianę miejsc w sieci krystalicznej, dyfuzję międzywęzłową, dyfuzję za pośrednictwem defektów sieci krystalicznej, Zjawisko dyfuzji wykorzystuje się do zmiany składu chemicznego, a co za tym idzie: zmiana własności, poprawa twardości, poprawa wytrzymałości na ścieranie, poprawa odporności na korozję, 6

7 Nawęglanie Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla do warstwy powierzchniowych stali. Atomy węgla wprowadzone dyfuzyjnie do stali zajmują w strukturalnych sieciach miejsce między węzłami utworzonymi z atomów żelaza. 7

8 Nawęglanie Nawęglaniu poddaje się stale o małej zawartości węgla, tj. nie przekraczającej 0,25% C, niekiedy z niewielkimi dodatkami chromu, manganu lub molibdenu. Karboryzatorem środowisko służące do nawęglania. Zwykle nawęgla się stale do grubości warstwy 0,5 2,5mm. Nawęgloną stal podaje się następnie obróbce cieplnej. 8

9 Nawęglanie Podczas nawęglania stal przebywa dłuższy czas w podwyższonej temperaturze jej ziarna rozrastają się. W celu zmniejszenia wielkości ziarna stal po nawęglaniu należy normalizować. Po normalizacji stosuje się hartowanie, temperatura zależy od składu chemicznego. Zwykle warstwa zewnętrzna po nawęglaniu ma budowę eutektoidalną lub nadeutektoidalną, zatem temp. hartowania około 715 O C, następnie chłodzi się w wodzie lub w oleju. Po hartowaniu stosuje się odpuszczanie w temp. Około 180 O C, mające na celu odprężenie stali. 9

10 Nawęglanie W procesie nawęglania można wyodrębnić dwa etapy: absorpcja, tj. pochłanianie węgla w postaci atomowej przez powierzchnię metalu, przenikanie węgla w głąb materiału, 10

11 Nawęglanie W warstwie nawęglanej można wyróżnić 3 strefy: strefa nadeutektoidalna zawierająca perlit oraz węgliki żelaza, które w czasie nawęglania przechodzą w siatkę cementytu na granicy ziaren, strefa eutektoidalna zawierająca tylko perlit; grubość tej warstwy zależy od szybkości dyfuzji (im większa szybkość dyfuzji, tym większa grubość tej strefy), strefa podeutektoidalna zawierająca perlit i ferryt, 11

12 NAWĘGLANIE W ŚRODOWISKACH STAŁYCH Jest najstarsza metodą nawęglania. Przedmiot umieszczany jest w specjalnej skrzynce wypełnionej sproszkowanym węglem drzewnym, najczęściej dębowym, bukowym lub brzozowym, wymieszanym ze środkami przyśpieszającymi nawęglanie takimi jak węglan baru BaCO 3, węglan sodu Na 2 CO 3. Nawęglanie proszkowe prowadzi się w temperaturze około C. Przedmiot nawęglony często hartuje się powierzchniowo. 12

13 NAWĘGLANIE W ŚRODOWISKACH CIEKŁYCH Nawęglanie w środowiskach ciekłych odbywa się w piecach wannowych, w których znajduje się roztopione sole nawęglające. Podczas nagrzewania w temperaturze około 850 C miedzy składnikami zachodzą reakcje, w wyniku której powstaje węgiel atomowy. 13

14 NAWĘGLANIE W ŚRODOWISKACH GAZOWYCH Nawęglanie w gazach wymaga stosowania specjalnych, hermetycznych pieców z aktywną atmosferą. W skład gazów do nawęglania wchodzą tlenek węgla oraz węglowodory nasycone i nienasycone. Najczęściej stosuje się gaz ziemny wtryskiwany do gorącej komory pieca. Nawęglanie gazowe prowadzi się w temperaturach C przy stałej cyrkulacji gazu w specjalnych piecach muflowych. 14

15 NAWĘGLANIE PRÓŻNIOWE Nawęglanie w obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu lub innych gazów. Zaletami tej metody jest dobra adsorpcja i niskie zużycie gazu. 15

16 NAWĘGLANIE JONIZACYJNE Metoda polega na nagrzewaniu w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorowej. Po przyłożeniu napięcia następuje wytworzenie plazmy, a w konsekwencji wytworzenie jonów węgla, które bombardują powierzchnię metalu. 16

17 AZOTOWANIE Azotowanie - jest to obróbka cieplno-chemiczna polegająca na dyfuzyjnym nasyceniu powierzchni metalu azotem. Azot atmosferyczny (cząsteczkowy) nie działa na żelazo. Azot atomowy wytworzony z reakcji w chwilo tworzenia się jest on aktywny i łatwo wiąże się z żelazem. Gdy w stali znajdują się jeszcze inne dodatki stopowe wiążące się z azotem, jak np. aluminium, chrom, molibden, tytan, w takiej stali powstają jeszcze azotki tych składników. Azotki żelaza i azotki wymienionych składników stopowych są bardzo twarde. Ich wartość jest większa od twardości martenzytu. 17

18 AZOTOWANIE Utworzona warstwa wierzchnia może podwyższyć następujące właściwości: odporności na zużycie ścierne, twardość, odporność zmęczeniową, odporności na korozje, W przeciwieństwie do nawęglania przy azotowaniu strefa powierzchniowa utwardza się bez dodatkowej obróbki cieplnej. 18

19 AZOTOWANIE Proces azotowania odbywa się w specjalnych piecach, przez które przepływa amoniak. W temp. pracy pieca, zwykle w zakresie o C, amoniak ulega dysocjacji wg. reakcji: 2NH 3 ->2N+3H 2 19

20 AZOTOWANIE Do azotowania używa się stali węglowej, niskostopowej i stopowej. Po azotowaniu, azotki metali, głównie żelaza, a także innych metali stopu, w szczególności aluminium i chromu, tworzą cienką, nie przekraczającą 0,6 mm, oraz bardzo twardą i odporną na ścieranie, warstwę na powierzchni stali. Azotowanie jest procesem długotrwałym; trwa od 10 do 100h. Twardość powierzchni azotowanej dochodzi do 1100 HV i zachowana jest w podwyższonych temperaturach dochodzących do 550 C. 20

21 AZOTOWANIE Azotowanie gazowe jest najszerzej stosowaną metodą azotowania. Wśród innych metod wyróżnić można: azotowanie plazmowe (jarzeniowe), azotowanie w złożach fluidalnych, azotowanie w proszkach, azotowanie jonowe, 21

22 AZOTOWANIE Azotowanie plazmowe 22

23 AZOTOWANIE Piec do azotowania 23

24 AZOTOWANIE Piece do azotowania 24

25 CYJANOWANIE Podczas cyjanowania zachodzą jednocześnie dwa znane nam już procesy, a mianowicie nawęglanie i azotowanie. Węgloazotowanie jest to obróbka cieplno-chemiczna stali i polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów stalowych jednocześnie węglem i azotem w temperaturze C. Czynnikiem decydującym o tym, który z tych dwóch procesów będzie przebiegał intensywnie jest temperatura. W temp. 800 o C występuje wyłącznie nawęglanie stali. W temp. około 500 o C następuje całkowite zatrzymanie procesu nawęglania, a przyspiesza azotowanie. 25

26 CYJANOWANIE Do cyjanowania w niższych temp. tj. do około 600 o C, stosuje się roztopiony cyjanek sodu, natomiast w wyższej temp. tj. o około 800 o C, w skład kąpieli cyjanującej prócz cyjanku sodu w skład wchodzą sól kuchenna i soda. Czas przebywania przedmiotów w kąpieli cyjanowej wynosi 2-3h, uzyskuje się wówczas warstwy nawęglone grubości około 0,8mm. Cyjanowanie stosuje się do: części narzędzi precyzyjnych i pomiarowych, koła zębate, sworznie tłokowe, części sprzęgieł, 26

27 CYJANOWANIE Do cyjanowania nadają się w zasadzie wszystkie rodzaje stali, lecz najlepsze wyniki uzyskuje się w stali zawierających chrom. Cyjanowanie może się odbywać w środowiskach: stałym, ciekłym, gazowym. Najczęściej stosuje się cyjanowanie kąpielowe zawierające związki cyjanowe. Zaletami cyjanowania kąpielowego są: skrócenie czasu procesu w stosunku do czasu nawęglania, uzyskanie bardzo twardych powłok odpornych na ścieranie, stosunkowo niska temperatura procesu, 27

28 ALUMINIOWANIE Aluminiowanie, zwane inaczej aliterowaniem lub kaloryzowaniem, polega wprowadzaniu glinu do stali. Proces nasycania glinem odbywa się w mieszaninie sproszkowanego aluminium, tlenku aluminium i chlorku amonu w temperaturze około 900 o C. Grubość warstwy wzbogaconej w glin zależy od czasu trwania procesu. Po 24h osiąga się warstwa grubości 1mm, zawierająca około 50% Al. 28

29 ALUMINIOWANIE Utworzona na warstwie aluminium warstwa tlenków chroni metal przed dalszym utlenianiem. Wadą tych warstw jest ich kruchość. Wyróżnia się następujące metody aluminiowania: natryskowe (metalizacja), zanurzeniowe (ogniowe), dyfuzyjne (kaloryzowanie lub aliterowanie), próżniowe, galwaniczne, 29

30 CHROMOWANIE Chromowanie - pokrywanie przedmiotów metalowych i z tworzyw sztucznych powłoką chromową. Chromowanie stosuje się w celu zwiększenia odporności na zużycie, poprawienia własności termicznych lub dla ozdoby. Chromowanie wykonuje się najczęściej metodami elektrolitycznymi. W przypadku chromowania przedmiotów stalowych, proces prowadzony jest w temperaturze C przez 3-12 godzin w różnego rodzaju ośrodkach (kąpielowe, proszkowe, gazowe). Stosuje się na materiały do pracy na zimno i gorąco, na części maszyn dla przemysłu spożywczego) 30

31 CHROMOWANIE Chromowanie elektrolityczne jest przeprowadzane w wannach wypełnionych roztworami soli chromu, podgrzanymi do kilkudziesięciu - kilkuset stopni Celsjusza, w których zanurza się przedmiot przeznaczony do pokrycia chromem. 31

32 Oznaczenia obróbki cieplnej Jeżeli przedmiot ma być poddany obróbce cieplnej, to na rysunku podajemy wymagania dotyczące jego własności mechanicznych. Na przykład, gdy istotna jest twardość materiału podajemy wymagania (HRC, HV, HB) wynikające z prób twardości. Jeżeli obróbce cieplnej ma być poddany cały przedmiot, to oznaczenie tej obróbki podajemy nad tabliczką rysunkową. W przypadku gdy tylko część powierzchni przedmiotu ma być poddana obróbce cieplnej, to kontury tych powierzchni oznaczamy grubą linią punktową w odległości nie mniejszej niż 0.8 mm od konturu. Opis obróbki cieplnej bądź czynności technologicznych powinien być podany nad linią odniesienia doprowadzoną do grubej linii punktowej. 32

33 Oznaczenia obróbki cieplnej Zapis obróbki cieplnej nad tabliczką rysunkową Zapis obróbki cieplnej: a) na linii odniesienia, b) dla powierzchni tworzących zarys zamknięty, c) zapis rodzaju obróbki jako jedynej zapewniającej wymagane własności 33