Michał Rogalewicz ZP 4

Budowa Maszyn i Zarządzanie

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji

Rok 2, semestr 4

Data oddania sprawozdania: 16.06.2003

Ocena:

Podpis prowadzącego:

SPRAWOZDANIE

„Obróbka cieplno - chemiczna nisko- i wysokotemperaturowa”

1. Przebieg ćwiczenia:

• Laboratorium zaczęło się wejściówką -sprawdzeniem wiedzy studentów na temat obróbki cieplno - chemicznej.

• Po napisaniu wysłuchaliśmy krótkiego omówienia zagadnień dotyczących nawęglania, azotowania, borowania i węgloazotowania przez prowadzącą zajęcia panią profesor.

2. Wnioski i uwagi własne - ponieważ nasze zajęcia były czysto teoretyczne, we wnioskach dokonałem krótkiego omówienia poszczególnych zabiegów obróbki cieplno - chemicznej.

1. NAWĘGLANIE

Nawęglanie polega na nasycaniu węglem warstwy wierzchniej elementów wykonanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25 %. Operację te wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakresie 900 - 930°C.

Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej o węgiel o stężeniu 0,7 - 1,0 % i o grubości 0,6 - 1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV).Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne. Szybkość nawęglania zależy przede wszystkim od temperatury i czasu trwania procesu, a także od aktywności ośrodka (potencjału węglowego) i składu chemicznego stali.

Ze względu na cechy ośrodka można wymienić następujące metody nawęglania:

• nawęglanie gazowe - ma ono obecnie największe zastosowanie przemysłowe. Jest prowadzone w atmosferach zawierających CO, CO₂, H₂, H₂O, CH₄,N₂, które wytwarza się przez częściowe spalanie gazów opałowych (metanu, propanu, butanu) lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych dostarczanych bezpośrednio do komory pieca do nawęglania. Do podstawowych zalet nawęglania gazowego należą: możliwość precyzyjnej regulacji grubości warstwy nawęglonej zawartości w niej węgla (z wykorzystaniem sterowania komputerowego), duża szybkość procesu i możliwość hartowania przedmiotów bezpośrednio po nawęglaniu.

• nawęglanie w ośrodkach stałych - obecnie rzadko stosowane. Odbywa się ono w proszku węgla drzewnego nasyconego węglanami sodu, wapnia lub baru. Proces zachodzi w skrzynkach, gdzie pod wpływem temperatury i przy niedoborze tlenu powstaje CO, będący źródłem węgla atomowego. Metoda ta charakteryzuje się dużą czaso- i energochłonnością oraz trudnością regulowania grubości warstw i stężenia w nich węgla.

• nawęglanie w złożach fluidalnych, które jest tworzone przez cząstki ciała stałego (np. piasku)utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający, przepływający przez złoże od dołu ku górze. Obrabiane cieplno - chemicznie przedmioty zanurza się w złożu fluidalnym podobnie jak w cieczy.

• nawęglanie próżniowe - przebiega przy obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. W metodzie tej atomowy węgiel jest uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów. Metoda ta charakteryzuje się lepszą adsorpcją węgla i mniejszym zużyciem gazów.

• nawęglanie jonizacyjne - polega na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem (katoda) a anodą. W tych warunkach następuje wyładowanie jarzeniowe i wytwarza się plazma. W wyniku tego powstają jony węgla, które przyspieszane w polu elektrycznym bombardują obrabiany materiał, co znacznie ułatwia adsorpcję. Metoda ta zapewnia dużą wydajność procesu, umożliwia regulację grubości i struktury warstwy dyfuzyjnej.

Nawęglanie z następującym po nim hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń po takiej obróbce cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne obciążenia. W związku z tym nawęglanie jest stosowane w procesach wytwarzania silnie obciążonych, odpowiedzialnych elementów, takich jak: koła zębate, wałki zębate i z wielowypustami, wałki rozrządu, sworznie tłokowe.

2. AZOTOWANIE

Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu stali azotem. Proces ten przebiega zazwyczaj w temperaturze 500 - 600°C w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu. Azotowanie może być krótko-, średnio- i długookresowe. Obecnie najczęściej stosowanymi są azotowanie gazowe i jarzeniowe. Może się ono odbywać także w złożu fluidalnym.

Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w atmosferze dysocjowanego NH₃. Współczesne metody pozwalają na kontrolowanie składu strukturalnego warstwy azotowanej. Grubość warstwy i twardość powierzchni azotowanej zależą od temperatury i czasu procesu, a także od składu chemicznego stali i aktywności atmosfery.

Azotowanie jonizacyjne (jonowe) odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu. Przyłożone napięcie to 0,5 - 1,5 kV, a ciśnienie gazu jest obniżone do 10^-2 - 1 Pa. W wyniku zderzeń jonów azotu z powierzchnią obrabianego przedmiotu wydziela się ciepło, a obrabiany przedmiot nagrzewa się do temperatury azotowania. Zjawiska powierzchniowe, w wyniku których powstaje określona struktura warstwy, można regulować przez zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego gazu.

Warstwy wierzchnie powstałe w tym procesie charakteryzują się dużą odpornością na ścieranie i wytrzymałością zmęczeniową oraz znacznie większą ciągliwością niż w porównaniu z innymi metodami azotowania.

Oto najważniejsze zalety azotowania:

• duża twardość powierzchniowa

• zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze (do 600°C)

• zwiększona odporność na ścieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne

• odporność na korozję gazową i atmosferyczną

• duża wytrzymałość zmęczeniowa elementów azotowanych

• względnie niska temperatura procesu, umożliwiająca wytworzenie twardej warstwy na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu

• niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania

3. BOROWANIE

Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu borem warstwy wierzchniej stali w temperaturze 900 - 1000 °C przez kilka do kilkunastu godzin. Proces ten przeprowadza się najczęściej w proszkach lub pastach. Borowaniu poddajemy w szczególności części maszyn i narzędzi narażone przy eksploatacji na zużycie wskutek tarcia Warstwy borowane są zbudowane z borków żelaza FeB i Fe₂B lub wyłącznie z tego drugiego.

Borowanie stosujemy do średniowęglowych (0,35% - 0,45% węgla) i niskostopowych stali konstrukcyjnych. Borowane części są zazwyczaj hartowane i nisko odpuszczane, a ich twardość powierzchniowa wynosi około 2000 HV.

Warstwy borowane na stalach stopowych mają grubość 0,08 - 0,15 mm, a na stalach węglowych do 0,3 mm.

4. WĘGLOAZOTOWANIE

Proces węgloazotowania polega na jednoczesnym nasycaniu warstwy wierzchniej stali węglem i azotem w ośrodkach gazowych lub ciekłych. W zależności od temperatury rozróżniamy węgloazotowanie niskotemperaturowe (500 - 600°C) i wysokotemperaturowe (800 - 880°C) zwane również azotonawęglaniem.

Węgloazotowanie niskotemperaturowe jest odmianą azotowania i cel jego stosowania jest podobny. Wykorzystuje się je głównie w obróbce narzędzi ze stali szybkotnących i wysokostopowych w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie.

Z kolei celem azotonawęglania z następnym hartowaniem jest uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie warstwy o podwyższonej wytrzymałości zmęczeniowej z zachowaniem ciągliwości rdzenia. Ten proces jest podobny do nawęglania i jest stosowany do stali nisko- i średniowęglowych niskostopowych. Osiągamy twardość powierzchni nieco większą niż przy nawęglaniu (63 - 65 HRC), ale grubość warstw jest mniejsza (0,1 - 0,8 mm). Optymalnym stężeniem węgla w warstwie przypowierzchniowej jest 0,7 - 0,8 %, a azotu 0,2 - 0,3 %.Struktura rdzenia elementów azotonawęglanych zależy od rodzaju hartowania oraz gatunku stali i jest analogiczna do struktur rdzeni elementów nawęglanych i obrobionych cieplnie.

3. Literatura:

1. „Materiały w budowie maszyn. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego.”

2. „Metaloznawstwo” Stanisław Rudnik

Obróbka cieplna i spawalnictwo

1

---