Obróbką cieplno - chemiczną nazywamy połączenie zabiegów cieplnych z celową zmianą składu chemicznego powierzchni elementu . Zmian składu
chemicznego , polegających na nasyceniu strefy przypowierzchniowej
określonym pierwiastkiem lub odpowiednio dobraną grupą pierwiastków ,
dokonuje się przez działanie na powierzchnię elementu chemicznie aktywnego
ośrodka w wysokiej temperaturze i przez dyfuzję .
Podczas obróbki cieplno - chemicznej zachodzą następujące procesy , które warunkują kinetykę nasycania :
1.Reakcje chemiczne w ośrodku , które decydują o dostarczaniu aktywnych atomów . Proces ten przebiega najwolniej , decyduje o szybkości nasycania powierzchni elementu atomami pierwiastka stopowego . Do najczęściej zachodzących reakcji w ośrodku należą : dysocjacja związków prowadząca bezpośrednio do dostarczania aktywnych atomów lub reakcja wymiany podwójnej między związkami ośrodka a powierzchnią stali .
2. Absorpcja aktywnych atomów na powierzchni - jest związana z niezrównoważeniem sił przyciągania atomów znajdujących się na powierzchni. W wyniku tego aktywne atomy ośrodka są przyciągane do powierzchni metalu. Ilość zaabsorbowanych atomów wzrasta ze zwiększeniem nierówności powierzchni .
3.Dyfuzja zaabsorbowanych atomów w głąb metalu . Odgrywa bardzo ważną rolę w obróbce cieplno - chemicznej , gdyż umożliwia obcym atomom wnikanie w głąb materiału , a tym samym absorpcję nowych atomów na powierzchni . Dyfuzja może następować poprzez stopniowe rozpuszczanie się atomów zaabsorbowanych na powierzchni metalu osnowy lub poprzez reakcję chemiczną.
Obróbka cieplno - chemiczną jest powszechnie stosowana w celu poprawy własności powierzchni stali . Najczęściej stosowane jej rodzaje to :
a) Nawęglanie - dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali węglem. Obróbka ta znacznie zwiększa twardość powierzchni elementów nawęglanych i ich odporność na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Własności takie uzyskuje się w wyniku hartowania i niskiego odpuszczania. 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. Stale do nawęglania są ujęte w PN-89/H-84030/02.
b) Azotowanie - nasycanie powierzchniowej warstwy stalowych elementów maszyn azotem , co powoduje , że uzyskuje ona bardzo dużą twardość , a tym samym odporność na ścieranie i zmęczenie a także zwiększoną odporność korozyjną .
c) Węgloazotowanie - polega na jednoczesnym nasyceniu powierzchni stali węglem i azotem . Połączenie dyfuzji węgla i azotu w jednej operacji prowadzi do skrócenia czasu operacji , gdyż azot przyspiesza dyfuzję węgla i na odwrót .
d) Borowanie - nasycenie powierzchni stali borem , w wyniku czego powstają borki Fe B i Fe2B o charakterystycznej kolumnowej budowie . Borowanie można przeprowadzić w ośrodkach stałych , ciekłych i gazowych . Głównym celem borowania jest uzyskanie bardzo trwałej , odpornej na ścieranie warstwy .
Dość często stosuje się również niektóre rodzaje metalizowania dyfuzyjnego , zwłaszcza chromowanie i aluminiowanie . Chromowanie zwiększa twardość powierzchni i jej odporność na korozję , a obydwa rodzaje prowadzą do wzrostu odporności na korozję gazową ( żaroodporność ) . Po nawęglaniu konieczna jest obróbka cieplna , gdyż dopiero ona nadaje nawęglanej powierzchni dużą twardość i odporność na ścieranie . W zależności od wymagań stawianych elementom można stosować różne rodzaje obróbki - od najprostszych , a więc najtańszych , aż do złożonych z szeregu operacji .
Czynniki mające wpływ na nawęglanie są następujące : temperatura nawęglania , czas nawęglania oraz środki nawęglające . Na uintensywnienie procesu najsilniej wpływa z pośród wszystkich trzech czynników wzrost temperatury , który powoduje większą ruchliwość atomów i przyspieszenie dyfuzji . Podnosząc temperaturę można uzyskać większe nasycenie węglem w tym samym czasie lub skrócenie czasu nawęglania . Jednak nadmierny wzrost temperatury powoduje obniżenie własności rdzenia , na skutek gruboziarnistości struktury . Praktycznie więc nie stosuje się bardzo wysokich temperatur . Czas znacznie słabiej wpływa na proces nawęglania od temperatury . Głębokość warstwy nawęglanej zmienia się czasem według paraboli , czyli im dłuższy czas tym nawęglanie zachodzi wolniej . Praktycznie czas nawęglania wynosi 2 - 8 godz. Przedłużenie procesu nawęglania ponad przeciętnie wymagany i konieczny czas jest niecelowe , gdyż efekt otrzymany tą drogą jest minimalny .
Nawęglanie w ośrodkach stałych jest jedną z metod nawęglania , nazywane jest ono również nawęglaniem w proszkach ( w skrzynkach ) . Elementy do nawęglania miesza 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 . Zaletą nawęglania w skrzynkach jest prostota tej operacji oraz to , że można stosować zwykłe piece opalane gazem , skrzynki żeliwne lub ze stali żaroodpornej . Wadami tej metody są : długi czas konieczny do nagrzania skrzynki wraz z ładunkiem , odwęglanie powierzchni w czasie stygnięcia , niemożliwość stosowania hartowania bezpośrednio po nawęglaniu i stosunkowo szybkie zużycia skrzyni .
Drugą z metod nawęglania jest nawęglanie w ośrodkach gazowych - sposób ten jest obecnie najbardziej nowoczesny i najczęściej stosowany . Metoda ta polega na nawęglaniu elementu w atmosferze gazu , której składnikami są tlenek węgla i metan lub inne węglowodory . Podstawowymi zaletami tej metody są : równomierność nawęglania oraz możliwość regulacji grubości warstwy nawęglonej i zawartości w niej węgla , większa szybkość procesu , możliwość hartowania przedmiotów bezpośrednio po nawęglaniu , możliwość automatyzacji procesu , mniejsze zapotrzebowanie na miejsce i czystość procesu . Nawęglanie gazowe jest jednak zabiegiem trudniejszym do opanowania i wymagającym odpowiednich urządzeń do przygotowania i regulacji gazu nawęglającego .
Martenzyt - międzywęzłowy przesycony roztwór stały w Fe* . W obrazie mikroskopowym przy powiększeniu 600 - 800 x ma wygląd ciemnych igieł ułożonych grupami pod kątem 60* lub 120* względem siebie , rozmieszczonych na jasnym tle przechłodzonego austenitu . Wielkość igieł martenzytu zależy od wielkości ziarna austenitu . Gruboziarnisty austenit przemienia się w gruboziarnisty martenzyt a bardzo drobnoziarnisty austenit przemienia się w bardzo drobnoziarnisty martenzyt zwany bezpostaciowym lub skrytoiglastym. Martenzyt z powodu naprężeń sieci wywołanych jej tetragonalnym zniekształceniem nadaje stali dużą twardość i równocześnie kruchość , tym większą i jest bardziej gruboziarnisty .
Bainit - dwufazowa mieszanina ferrytu , przesyconego węglem i drobnymi wydzieleniami cementytu . Wyróżnia się bainit górny ( pierzasty ) tworzący się powyżej 400o C oraz dolny ( iglasty ) tworzący się poniżej 400o C . Na obrazie mikroskopowym pierwszy ma postać ciemnych igieł o postrzępionych krawędziach , drugi jasnych igieł o ostro zarysowanych krawędziach nachylonych do siebie pod kątami 60o i 1200 . Bainit górny w porównaniu z perlitem drobnym , nieznacznie powiększa wytrzymałość i twardość stali , natomiast wyraźnie zmniejsza plastyczność . Bainit dolny silniej powiększa wytrzymałość i twardość przy zachowaniu stosunkowo dobrej plastyczności stali.
1