WRONA Piotr	MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE
L	Obróbka cieplno-chemiczna

Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu w wyniku zmiany temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbka ta zatem polega na zaniżonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich właściwości użytkowych.

Zastosowanie obróbki cieplno-chemicznej.

Obróbce tej poddaje się zwykle stopy żelaza, głownie stale, chociaż znajdują one zastosowanie w obróbce metali nieżelaznych. Celem obróbki cieplno-chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie, o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej.

Budowy warstw powierzchniowych.

W zależności od typu układu równowagi tworzonego przez obrabiany metal składnik nasycający można wyróżnić dwa zasadnicze przypadki powstających warstw powierzchniowych.

• warstwa roztworu stałego,

• sekwencja stref faz międzymetalicznych, pośrednie i dyfuzyjne.

Pierwszy przypadek gdy powstają warstwy roztworu stałego odpowiada nawęglaniu stali. W pozostałych przypadkach budowa tworzącej się warstwy powierzchniowej jest zależna od rodzaju jednorodnejstrefy zewnętrznej i przylegającej do niej strefy dyfuzyjnej . Jednorodna strefa zewnętrzna powstająca w czasie obróbki cieplno -chemicznej ,tworzą fazy między metaliczne , najczęściej fazy międzywęzłowe , złożone z metalu osnowy i pierwiastka nasycającego np. węglik, azotki ,borki i krzemki.

Dyfuzyjne nasycenie stali niemetalami i metalami.

Nawęglanie.

Polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego materiału w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierający węgiel atomowy .Nawęglanie odbywa się w temperaturze 900-950⁰C .Ogrubości warstwy nawęglonej ,która zwykle osiąga 0.5-2mm decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał stali eutektoidalnej.

Struktura warstwy nawęglonej.

W warstwie tej można wyróżnić kilka stref :

• nadeutektodalna - o strukturze perlitu z cementytem,

• eutektoidalną - o strukturze perlitycznej,

• podeutektoidalną- o strukturze ferrytycznej.

Wyróżnia się kilka rodzajów nawęglania między innymi to: nawęglanie w ośrodkach stałych, w ośrodkach roztopionych solach, nawęglanie gazowe, nawęglanie fluidalnych, nawęglanie próżniowe, nawęglanie jonizacyjne.

Obróbka cieplna po nawęglaniu.

Twardość stali nawęglanej chłodzonej w powietrzu wynosi około 250-300HB, a jej właściwości mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzących podczas procesu. W celu poprawienia tych właściwości przedmiot poddaje się dalszej obróbce cieplnej, a w szczególności dąży się do:

• otrzymanie struktury drobnolistowego martenzytu,

• zwiększenia twardości stali na powierzchni około 60HRC,

• zapewnienie znacznej ciągliwości.

Zastosowanie nawęglania.

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrabianych elementów odpornych na ścieranie i ściski powierzchniowe.

Azotowanie.

Azotowanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta wykonywana w temperaturze dłuższej od Ac₁.

Azotowanie może być:

• krótkookresowe, gdy czas jest nie dłuższy niż 1h,

• długookresowe, gdy wynosi kilkadziesiąt godzin.

Przy stałej temperaturze azotowania struktura warstwy wierzchniej obrabianej stali zależy od czasu tej operacji.

Obróbka cieplna przedmiotów poddanych azotowaniu.

Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu poddaje się przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze wyższej od azotowania. W niektórych przypadkach operacja odpuszczania może być połączona z azotowaniem. Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej przedmioty te nie mogą być szlifowane.

Zastosowanie azotowania.

Jest ono stosowane do elementów ze stali węglowych i stopowych konstrukcyjnych, do elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających. Do narzędzi poddanych azotowaniu należą np.: matryce kuźnicze, ciągadła i inne narzędzia do obróbki plastycznej, frezy, wiertła, gwintowniki i narzędzia do obróbki kół zębatych.

Borowanie.

Polega na dyfuzyjnym nasyceniu warstwy powierzchniowej w bor w temperaturze 900-1000⁰C przez kilka do kilkunastu godzin.

Struktura i właściwości warstwy borowanej.

Bor zaobsorwowany przez powierzchnie dyfuzyjne w głąb stali, tworząc warstwę borków o budowie iglastej o grubości 0.03 - 0.15mm, zależnej od temperatury, metody borowanie oraz składu chemicznego stali.

Naborowana warstwa cechuje się dużą twardością, zależną od warunków borowania wynoszącą 2000 - 2400HV, wykazują warstwy borku FeB, nie mniejszą niż 1600 - 2000HV - Fe₂B.

Specjalne metody kompleksowej obróbki cieplno-chemicznej.

Do specjalnych metod obróbki cieplno-chemicznej należą:

• chemiczne osadzania z fazy gazowej CVD,

• fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD.

Metoda CVD polega na tworzeniu warstwy węglików i azotków metali, np.: chromu, tytanu, tantalu lub cynku ze składników atmosfery gazowej, na powierzchni obrabianego przedmiotu. Składniki atmosfery mogą być aktywowane cieplnie, plazma.

Metoda PVD polega na osadzeniu się warstwy z fazy gazowej z udziałem reakcji fizycznych. Metoda PVD wykazuje zjawiska fizyczne, jak odparowywanie metali lub stopów, lub rozpalanie katodowe w próżni i jonizację gazów pary metali.

---