OBRÓBKA CIEPLNO-
CHEMICZNA

Obróbka cieplno–chemiczna

jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów
umożliwiających

zmianę

składu

chemicznego

i

struktury

warstwy

powierzchniowej stopu (a przez to zmianę własności obrabianych elementów) w
wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka.
Obróbka cieplno–chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie
składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu
uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych.
Obróbce cieplno–chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza, głównie stale,
chociaż znalazła ona również zastosowanie w technologii elementów z metali
nieżelaznych, np. molibdenu, wolframu, tytanu i innych. Obróbce cieplno–
chemicznej są poddawane zarówno elementy konstrukcyjne, w tym elementy
maszyn, jak i narzędzia.

Celem obróbki cieplno–chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych
o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne, o zwiększonej
odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększenie odporności elementów na
zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni.

Ogólna klasyfikacja zjawisk przebiegających podczas obróbki cieplno–
chemicznej

Obróbka cieplno–chemiczna – poza przekazywaniem ciepła – jest związana z
transportem masy. Najogólniej w procesie transportu masy można wyróżnić
pięć procesów składowych, do których należą:

reakcje w ośrodku nasycającym, związane z tworzeniem czynnika

umożliwiającego transport składnika nasycającego,

dyfuzja w ośrodku nasycającym, polegająca na dopływie składnika

dyfundującego do powierzchni metalu i często na odpływie produktów
reakcji tworzących się na granicy rozdziału faz,

reakcje na granicach rozdziału faz,

dyfuzja w metalu,

reakcje w metalu, np. tworzenie się roztworów stałych lub wydzieleń faz.

Adsorpcja

polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na
granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu.
Przyczyną adsorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka gazowego lub
ciekłego przez niewysycone rdzenie atomów występujące na powierzchni
metalu. Zjawisko to jest nazywane adsorpcją fizyczną. Adsorpcja
chemiczna jest związana z tworzeniem warstewki fazy międzymetalicznej
złożonej z atomów metalu i ośrodka adsorbowanego.

Dyfuzja

jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów
w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników.
Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym
pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Dyfuzję opisują prawa Ficka,
które mają jednak ograniczone zastosowanie. Ilościowy opis dyfuzji jest
bowiem bardzo skomplikowany i możliwy tylko przy licznych założeniach
upraszczających. Ogólnie można stwierdzić, że procesy dyfuzji są zależne od
temperatury, czasu i gradientu stężenia Dyfundujących pierwiastków. Od
czynników tych zależy zatem grubość i struktura warstw powierzchniowych
otrzymanych w wyniku obróbki cieplno–chemicznej.

Mechanizmy dyfuzji
Dyfuzja w roztworach rożnowęzłowych przebiega głownie za pośrednictwem
mechanizmu wakansowego, natomiast w roztworach międzywęzłowych –
międzywęzłowego. Mechanizm międzywęzłowy jest charakterystyczny dla
dyfuzji m.in. C, N, B w stopach żelaza. W zależności od energii aktywacji
rożne są drogi łatwej dyfuzji, która przebiega: wzdłuż powierzchni metalu –
najłatwiej, wzdłuż granic ziaren – trudniej, wewnątrz ziaren – najtrudniej.

Dyfuzja reaktywna
Pierwiastki

nasycające

często

reagują

z

osnową

metalu

lub

wydzieleniami, tworząc nowe fazy o
odmiennych strukturach sieciowych.
Zjawisko to, charakterystyczne dla
obróbki cieplno–chemicznej metali,
jest nazywane dyfuzją reaktywną. Od
kinetyki

reakcji

chemicznych

zachodzących

w

warstwie

powierzchniowej oraz od pozostałych
czynników decydujących o przebiegu
dyfuzji

zależy

zatem

grubość

i

struktura warstw powierzchniowych,
powstających

w

wyniku

obróbki

cieplno–chemicznej,

związanej

z

dyfuzją reaktywną.

Reakcje zachodzące podczas obróbki cieplno-chemicznej

Reakcje zachodzące podczas obróbki cieplno-chemicznej, zależą od rodzaju
procesu, rodzaju ośrodka nasycającego, temperatury itp.:

-reakcja dysocjacji: w której związek
chemiczny AB dysocjuje na składniki A
+ B, przy czym składnik A dyfunduje do
materiału a B do ośrodka

-reakcja wymiany: w której związek
AB reaguje z metalem M wytwarzając
składnik A dyfundujący do metalu i
związek MB przechodzący do ośrodka

- reakcja redukcji: dwa składniki
ośrodka AB i C reagują ze sobą tworząc
składnik A, który dyfunduje do metalu,
a składnik B przechodzi do ośrodka.

NAWĘGLANIE

Nawęglanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej
stali węglem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu
określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie
odbywa się najczęściej w temperaturze 900÷950°C.

Do nawęglania stosuje się zarówno stale konstrukcyjne węglowe jak i
konstrukcyjne stopowe o zawartości węgla od 0,1 do 0,25%.

Typowymi częściami dla których stosuje się nawęglanie są:

silnie obciążone koła zębate,

wałki uzębione i z wieloklinami,

sworznie tłokowe i kuliste,

drągi i gryzy narzędzi do wierceń geologicznych i górniczych,

pierścienie i wałki łożysk wielkogabarytowych,

części spiekane z proszków żelaza.

Metody nawęglania

nawęglanie w ośrodkach stałych
Nawęglanie w ośrodkach stałych, obecnie praktycznie nie stosowane, odbywa
się w proszku węgla drzewnego, często wymieszanego ze sproszkowanymi
węglanami sodu, wapnia, litu lub baru, zwykle w temperaturze ok. 900°C. W
wyniku reakcji spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO, z którego tworzy
się CO

2

i węgiel atomowy, nasycający powierzchnię stali. Do nawęglania mogą

być również wykorzystywane pasty zawierające np. 50% sadzy, 20% węglanu
baru, 20% węglanu sodu i 10% żelazocyjanku potasu lub 50% sadzy, 40%
węglanu sodu, 10% żelazochromu, związane melasą. Sposób ten umożliwia
otrzymanie warstw nawęglonych na niektórych wybranych powierzchniach
obrabianego przedmiotu. Metoda ta charakteryzuje się dużą czasochłonnością,
energochłonnością i trudnością w regulowaniu grubości i stężenia warstwy
nawęglonej.

nawęglanie w roztopionych solach
Nawęglanie wykonywano również przez zanurzanie obrabianych przedmiotów
w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków
metali alkalicznych, zawierających np. 47,5% węglanu sodu, 47,5% chlorku
potasu i 5% węglika wapnia lub 60% węglanu sodu, 5% węglanu baru, 20%
chlorku sodu i 15% węglika krzemu. Temperatura nawęglania w tym ośrodku
wynosi 830÷850°C.

Metody nawęglania

nawęglanie gazowe
Podczas nawęglania gazowego, często stosowanego obecnie, odbywającego się
w temperaturze ok. 920°C w atmosferze zawierającej: CO

2

, CO, H

2

, H

2

O, CH

4

i

N

2

, które wytwarza się poprzez spalanie gazów opalowych (metanu, propanu,

butanu) lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych
dostarczanych bezpośrednio z komory pieca do nawęglania. Gazy nawęglające
są specjalnie oczyszczane, co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu się sadzy
na powierzchni obrabianych przedmiotów, utrudniającej adsorpcję węgla. Poza
temperaturą i czasem nawęglania o wynikach procesu decyduje potencjał
węglowy i natężenie przepływu ośrodka nawęglającego.

nawęglanie w złożach fluidalnych
Nawęglanie, podobnie jak inne rodzaje obróbki cieplno–chemicznej, może być
wykonywane w złożu fluidalnym. Złoże fluidalne jest tworzone przez cząstki
ciała stałego, np. piasku lub tlenku glinu, utrzymywane w zawieszeniu przez
gorący gaz nasycający przepływający przez złoże od dołu ku górze. Przedmioty
obrabiane cieplno–chemicznie zanurza się w złożu fluidalnym, podobnie jak w
cieczy.

Metody nawęglania

nawęglanie próżniowe
Nawęglanie może odbywać się także pod obniżonym ciśnieniem w atmosferze
metanu, propanu i innych gazów. W metodzie tej atomowy węgiel jest
uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów. Nawęglanie
próżniowe zapewnia lepszą adsorpcję węgla z atmosfery o niskim ciśnieniu i
mniejsze zużycie gazu.

nawęglanie jonizacyjne
Podejmowane są udane próby nawęglania jonizacyjnego (metoda ta zyskała
szczególnie duże znaczenie w przypadku azotowania). Polega ono na
wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim
ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między
obrabianym przedmiotem, który stanowi katodę, a anodą. W warunkach tych
następuje wyładowanie jarzeniowe i wytworzenie plazmy. W wyniku
aktywacji plazmą powstają jony węgla, przyspieszane w polu potencjału w
pobliżu obrabianego materiału, który jest przez nie bombardowany, co
znacznie ułatwia adsorpcję węgla przez metal. Metoda ta zapewnia wysoką
wydajność procesu, umożliwia regulację grubości i struktury warstwy
nawęglonej.

Struktura warstwy nawęglonej

W warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref:

nadeutektoidalną – o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych

przypadkach występującego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn
perlitu

eutektoidalną – o strukturze perlitycznej,

podeutektoidalną – o strukturze perlityczno–ferrytycznej.

W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki
stopowe.

Grubość warstwy nawęglonej

O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga

0,5÷2 mm, decyduje temperatura i czas nawęglania,

który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy
powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutek-
toidalnej. Za umowną grubość warstwy nawęglonej
uznaje się odległość od powierzchni do miejsca w
którym stężenie węgla wynosi 0,4% lub do miejsca
w którym twardość po zahartowaniu i niskim odpusz-
czaniu wynosi 550 HV. Metalograficznie za warstwę
nawęgloną uznaje się zwykle strefę nadeutektoidalną,
eutektoidalną oraz połowę strefy przejściowej.

Stężenie węgla w warstwie nawęglonej

Za optymalne stężenie powierzchniowe węgla w warstwie nawęglonej przyjmuje
się stężenie eutektoidalne lub większe. W praktyce stosuje się w zależności od
gatunku stali, warunków pracy części, stężenie od 0,7% do 1% węgla. Niższe
stężenia węgla stosuje się do części narażonych na uderzenia i zmienne
obciążenia, natomiast większe stężenia 0,85 d0 1% C dla części pracujących
gównie na ścieranie oraz części narażone na duże zmienne naciski
powierzchniowe.

Niemniej istotny jest rozkład węgla w całej warstwie nawęglonej. Rozkład ten
powinien zapewnić łagodny spadek stężenia węgla od powierzchni do rdzenia,
szczególnie w strefie przejściowej (przy stężeniach 0,6-0,4%). Zbyt gwałtowny
spadek stężenia węgla powoduje występowanie dużych naprężeń w warstwie
podczas hartowania, co dział jak karb i może powodować pęknięcia lub
pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Niedopuszczalne jest aby stężenie
powierzchniowe było mniejsze niż
stężenie podpowierzchniowe, gdyż
wówczas podczas hartowania pow-
stają naprężenia rozciągające,
pogarszające właściwości wytrzy-
małościowe stali.

Obróbka cieplna po nawęglaniu

Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok.
220÷280 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na
rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal
nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej;
w szczególności dąży się do:

otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w

postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej,

zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC,

zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie

obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w
nienawęglonym rdzeniu.

Obróbka cieplna elementów nawęglonych powinna zapewnić:

dużą twardość powierzchniową i optymalne własności mechaniczne rdzenia,

rozdrobnienie ziarna, którego rozrost wywołało długotrwałe wygrzewanie

podczas nawęglania,

usunięcie cementytu występującego w postaci siatki lub igieł w zbyt

intensywnie nawęglonej warstwie,

usunięcie naprężeń hartowniczych.

Obróbka cieplna po nawęglaniu obejmuje zawsze hartowanie i odpuszczanie
niskie (150 -200°C). Nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest
błędem technologicznym i staje się niecelowe.

Hartowanie bezpośrednie z temperatury nawęglania

stosuje się do stali stopowych (drobnoziarnistych), które w trakcie nawęglania
nie podlegają rozrostowi ziarna i w efekcie hartowania na powierzchni
uzyskuje się wysokowęglowy martenzyt (do 58 HRC) bez obecności cementytu,
ale ze znaczną ilością austenitu szczątkowego. W rdzeniu elementów
nawęglonych (jeżeli hartowność stali jest duża, a przekrój mały) występuje
martenzyt niskowęglowy o twardości zależnej od zawartości węgla w danej
stali przed procesem nawęglania. Ponieważ warstwa wierzchnia stali
nawęglonej i zahartowanej różni się znacznie pod względem składu
chemicznego i właściwości od rdzenia, występują zatem naprężenia
strukturalne, które
usuwa się przez niskie odpuszczanie w temperaturze 150-200°C i czasie 1,0-2,5
godziny.

Hartowanie z podchładzaniem

umożliwia zmniejszenie ilości austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej i

zahartowanej oraz wzrost jej twardości (do 60 HRC). Fakt ten należy wiązać z
procesem wydzielania się węglików z wysokowęglowego austenitu w czasie
podchładzania. W wyniku tej obróbki w strefie przypowierzchniowej uzyskuje
się strukturę wysokowęglowego martenzytu z wtrąceniami cementytu, w
rdzeniu, podobnie jak w poprzednim sposobie - martenzyt niskowęglowy.
Należy nadmienić, iż omówione wyżej sposoby obróbki cieplnej po nawęglaniu
powinno się stosować w odniesieniu do drobnoziarnistych stali stopowych.

Hartowanie dwukrotne

Pierwsze hartowanie prowadzi się z temperatury właściwej dla rdzenia –

wyższej od Ac

3

– a drugie hartowanie z temperatury wyższej od Ac

1

, właściwej

dla nawęglonej warstwy powierzchniowej.
Hartowanie I pozwala na uzyskanie drobnoiglastego martenzytu
niskowęglowego w rdzeniu oraz usunięcie siatki cementytu w strefie nawęglonej
przez wytworzenie w niej struktury gruboiglastego martenzytu
wysokowęglowego o znacznej ilości austenitu szczątkowego.
Hartowanie II stosuje się w celu nadania warstwie wierzchniej dużej twardości
(ok. 60 HRC) w rezultacie powstania w niej dobnoiglastego lub bezpostaciowego
martenzytu z wydzieleniami ziarnistego cementytu. Rdzeń, dla którego przyjęta
temperatura jest zbyt niska, nie ulega pełnemu zahartowaniu i w zależności od
gatunku stali i wielkości przekroju uzyskuje strukturę złożoną z ferrytu i perlitu
drobnego lub martenzytu i ferrytu. Niskie odpuszczanie w temperaturze 150-
200°C i czasie 1,0-2,5 godziny ma na celu usunięcia naprężeń hartowniczych,
wywołanych dyfuzją węgla do stali i dwukrotnym hartowaniem.

BOROWANIE

Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu powierzchniowej warstwy metali
borem w temperaturze 900-1000°C przez kilka do kilkunastu godzin. Bor
zaadsorbowany przez powierzchnię dyfunduje w głąb stali, tworząc warstwę
borków żelaza o budowie słupkowej (iglastej). Grubość warstwy borowanej na
stali wynosi ok. 0,03-0,15 mm i jest zależna od temperatury, metody borowania
oraz składu chemicznego obrabianej stali. W zależności od stężenia boru w
warstwie powierzchniowej stali tworzą się dwa typy borków Fe

2

B i FeB.

Warstwy borowane na stali wykazują się bardzo dużą twardością, odpornością
na ścieranie i odpornością korozyjną.

Metody borowania

Metody borowania, różnią się rodzajem użytej substancji boronośnej, stanem
skupienia i składem ośrodka nasycającego, temperaturą i czasem procesu.
Najczęściej stosowane metody borowania to:
Borowanie w proszkach
jest najprostszą i najstarszą metodą borowania. W metodzie tej elementy obrabiane
umieszcza się w retorcie i zasypuje sproszkowaną mieszaniną borującą, a
następnie nakłada wieko i uszczelnia. W skład mieszaniny borująca wchodzą trzy
składniki: substancja boronośna (np. bor amorficzny, żelazobor, węglik boru, tlenek
boru), aktywator (KBF

4

, NH

4

Cl, NH

4

J, NaF, KF) oraz wypełniacza (substancja

obojętna np.: sadza, tlenek glinu, piasek kwarcowy, węglik krzemu). Zadaniem
wypełniacza jest zmniejszenie potencjału borującego i obniżenie lub
wyeliminowanie borku FeB, a także zapobieganie spiekaniu mieszaniny. Zawartość
aktywatora w całej objętości mieszaniny borującej jest bardzo nieduża gdyż (kilka
procent) jednak ilość ta jest bardzo istotna w całym procesie, ponieważ skraca czas
borowania. Po odpowiednim przygotowaniu retorty i wypełnieniu jej mieszaniną
borującą umieszczamy ją w piecu, który nagrzewa się do temperatury ok. 1000°C
i wytrzymuje w tej temperaturze przez określony czas. Końcowym etapem
borowania w proszkach jest chłodzenie retorty z obrabianymi elementami, które
przeprowadza się wraz ze stygnięciem pieca lub na powietrzu. Główną zaletą
metody proszkowej jest jej prostota - przeprowadzenie procesu bez potrzeby
stosowania skomplikowanej aparatury. Niestety metoda ta wykazuje szereg wad:
długi czas przygotowania mieszaniny borującej, długi czas trwania samego procesu
borowania i wysoka temperatura procesu (950 - 1050°C).

Borowanie w pastach polega na nałożeniu na powierzchnię obrabianego
elementu pasty aktywnej, zawierającej substancję boronośną i aktywator, a
następnie pasty ochronnej, zabezpieczającej przed utlenianiem. Pastę ochronną
nakłada się po wyschnięciu pasty aktywnej, a ładowanie do pieca następuje po
wyschnięciu pasty ochronnej. Podczas hartowania pasta zwykle odpada, a jej
resztki usuwa się przy pomocy drucianych szczotek [3]. Borowanie w pastach
jest szczególnie polecana do dużych elementów np. matryc kuźniczych, kowadeł
itp. (można w tym przypadku stosować pasty grzewcze, co umożliwia nasycanie
borem w warunkach polowych i miejscowe). Największą wadą tej metody jest
jednorazowe wykorzystanie substancji boronośnej, ale ogromną zaletą jest
możliwość bezpośredniego hartowania po borowaniu.

Borowanie kąpielowe.
Metody borowania w ośrodkach ciekłych (kąpielowe) prowadzi się w
boranowych kąpielach z dodatkiem reduktorów zawierających bor (B, B

4

C,

żelazobor, niekielbor); w boranowych kąpielach z dodatkiem reduktorów
niezawierających boru (Ca, Mg, Li, Al, Ti, SiC lub krzemowapnia,
krzemomanganu).
Do zalet tej metody należą: stosunkowo szybkie tworzenie się warstwy,
możliwość bezpośredniego hartowania elementów po procesie borowania, niska
energochłonność w porównaniu z metodami proszkowymi. Do wad zalicza się
przyleganie warstwy kąpieli do elementów i konieczność ich usuwania.

Borowanie gazowe odbywa się w atmosferach zawierających jeden z gazów
boronośnych: B

2

H

6

, BCl

3

, BF

3

, BBr

3

, (CH

3

)

3

B i inne. Proces ten przeprowadza się

w specjalnych, hermetycznych piecach w temperaturze 750-900˚C w czasie 2-6
godzin. Centralnym elementem stanowiska do borowania gazowego jest piec
elektryczny i układ zasilania gazów. Kontrola przepływu gazów odbywa się
poprzez reduktory gazowe i rotametry. Oczyszczone i odtłuszczone elementy
załadowuje się do komory pieca i włącza nagrzewanie. Po osiągnięciu
odpowiedniej temperatury wprowadza się gaz aktywny zmieszany z gazem
nośnym. Po zakończeniu procesu borowania zamyka się dopływ gazu aktywnego
i przepłukuje się komorę roboczą gazem obojętnym. Naborowane elementy
można bezpośrednio hartować i studzić

Borowanie jarzeniowe;
Proces ten przeprowadza się przy zredukowanym ciśnieniu w atmosferze
zjonizowanego gazu. Jako źródło boru stosuje się B

2

H

6

lub ciekły BCl

3

. W

związku z wysokim napięciem (1.6 kV) dodatnie jony atomów lub cząsteczek są
wytwarzane przy niskim ciśnieniu (3÷13 hPa). Pod wpływem energii pola
elektrycznego jony te są przemieszczane pionowo w kierunku powierzchni
borowanego elementu. Proces borowania w warunkach wyładowania
jarzeniowego realizowany jest w temperaturze 750÷900°C (1023÷1173 K).
Główną zaletą tego procesu jest krótszy czas wytworzenia warstwy borowanej.

Mikrostruktura warstw borowanych

Struktura warstw borowanych ma specyficzny iglasty (zębaty) wygląd, kierunek
igieł jest prostopadły do powierzchni a zarazem równoległy do kierunku dyfuzji
atomów boru. W przypadku stali węglowych igły borków mają ostre zakończenie
i są osadzone w metalicznej osnowie co sprzyja ich wzajemnemu powiązaniu.
Warstwa borków jest silnie steksturowana a kierunki w obydwu borkach są
równoległe do osi igieł. Nasycanie żelaza i stali borem prowadzi do tworzenia się
warstwy dyfuzyjnej, powstającej w skutek działania mechanizmu dyfuzji
reaktywnej. Warstwy borowane wytwarzane na stali mogą zawierać borki: FeB i
Fe

2

B. Bogatszy w bor jest borek FeB, w którym teoretyczna zawartość boru

równa jest 16,25% masy. Uboższym w bor jest borek Fe

2

B, w którego skład

wchodzi zawartość boru równa 8,83% masy.

Warstwy borowane mogą być jednofazowe
(borek Fe

2

B) lub dwufazowe (borki FeB i Fe

2

B).

Na rysunku poniżej przedstawiono mikrostruk-

turę dwufazowej warstwy borowanej na żelazie

Armco. Przypowierzchniowa strefa borków to

borek żelaza FeB, pod nim występują igły borku

Fe

2

B.

Grubość warstw borowanych

Grubość warstwy borowane na stali wynosi ok. 0,03-0,15 mm i jest zależna od
wielu czynników:

metody borowania;

temperatury procesu;

czasu trwania procesu;

rodzaju borowanego materiału.

Bardzo istotny jest wpływ temperatury i czasu trwania procesu, co zilustrowano
na poniższym wykresie.

Wraz ze wzrostem temperatury
procesu całkowita grubość warstwy
borowanej wzrasta. Wraz z
wydłużeniem czasu borowania
grubość warstwy również wzrasta dla
danej temperatury procesu.
Stwierdzono również, ze skłonność
występowania borku FeB wzrasta
wraz z temperaturą i czasem procesu
borowania, przy czym tam gdzie
występowała zwarta warstwa FeB, jej
grubość wynosiła ok. 25% całkowitej
grubości warstwy.

Właściwości warstw borowanych

Warstwy borowane wytworzone na stali charakteryzują się następującymi
właściwościami:

duża twardość (FeB do ok. 2000 HV);

duża odporność na ścieranie;

duża żaroodporność

duża odporność na korozję w roztworach kwaśnych i zasadowych oraz

na oddziaływanie ciekłych metali i stopów;

Największą wadą warstw borowanych jest kruchość. Jednofazowe warstwy
Fe

2

B są mniej podatne na kruche pękanie niż dwufazowe.

Obróbka cieplna stali po borowaniu

Stal naborowana jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu z
temperatury właściwej dla rdzenia (wyższej od Ac

3

) i zwykle niskim

odpuszczaniu (150-250ºC). Elementy z niektórych stali stopowych można
hartować bezpośrednio z temperatury borowania.

Zastosowanie borowania

Borowanie stosuje się do części maszyn i narzędzi narażonych w
eksploatacji na zużycie przez tarcie, a szczególnie na działanie luźnego
ścierniwa, jak:

narzędzia wiertnicze – elementy świdrów i pomp,

części pojazdów – osie traktorów, elementy gąsienic,

narzędzia do pracy na zimno i gorąco – tłoczniki, matryce i formy do

tworzyw, wkładki matrycowe,

elementy maszyn odlewniczych.

AZOTOWANIE

Azotowanie
polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas
wygrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas w ośrodku
zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta jest wykonywana w
temperaturze niższej od Ac1, zwykle 500-600ºC.
Azotowanie może być:

krótkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do

kilku godzin,

długookresowe, gdy wynosi kilkadziesiąt godzin.

Stale do azotowania
Polska norma PN-89/H-84030/03 zawiera trzy stale przeznaczone do
azotowania (38HMJ, 33H3MF i 25H3M). Zawartość węgla w tych stalach w
zależności od gatunku waha się w granicach od 0,20 do 0,42%, chromu od
1,35 do 3,50%, molibdenu od 0,15 do 0,55%, aluminium od 0,70 do 1,10% i
wanadu od 0,20 do 0,30%). Główne zastosowanie stali do azotowania
obejmuje części silników spalinowych: wały korbowe, korbowody, sworznie
tłokowe, koła zębate, tuleje cylindrowe, krzywki rozrządu, części pompy
paliwowej silników Diesla i inne.

Metody azotowania

Do metod azotowania zalicza się:
Azotowanie gazowe
Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w strumieniu zdysocjowanego
amoniaku w temperaturze 500÷600°C:

2NH

3

→ 6H + 2N

śelazo działa katalitycznie na przebieg tej reakcji. Podczas azotowania
gazowego stężenie azotu w warstwie powierzchniowej zmienia się w sposób
niekontrolowany. Potencjał atmosfery azotującej utworzonej w wyniku
dysocjacji amoniaku może być regulowany przez rozcieńczenie czystym
azotem. Umożliwia to kontrolowanie składu warstwy powierzchniowej w stali
azotowanej, gdyż w danej temperaturze nasycanie tej warstwy przebiega
znacznie wolniej niż podczas azotowania w czystym amoniaku.

Azotowanie w proszkach
Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko. Proszek stosowany do
takiego azotowania może zawierać 80% cyjamidu wapniowego CaC(CN), 15%
węglanu sodowego Na

2

CO

3

, 3% żelazomanganu i 2% węglika krzemu SiC.

Temperatura operacji zależy od rodzaju stali oraz wymiarów obrabianego
przedmiotu i wynosi 500÷600°C. Czas azotowania w proszkach wynosi zwykle
0,5÷10 h w zależności od wymiarów i przeznaczenia obrabianego przedmiotu
oraz gatunku stali.

Azotowanie jonizacyjne
odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu w urządzeniu składającym się
ze szczelnej retorty, pompy próżniowej, urządzenia dozującego gaz oraz
zasilacza. Azotowane przedmioty, odizolowane od ścianek retorty, są
umieszczane w retorcie, stanowiącej anodę, i podłączane do bieguna ujemnego.
Przyłożone napięcie wynosi 0,5÷1,5 kV, a ciśnienie azotu lub mieszaniny z
wodorem w retorcie jest obniżane do 10–2÷1 Pa. Wysokie napięcie powoduje
jonizację gazu w wąskiej strefie spadku napięcia przy katodzie. W wyniku
zderzeń jonów azotu z powierzchnią obrabianego przedmiotu wydziela się
ciepło, a obrabiany przedmiot nagrzewa do temperatury wystarczającej do
azotowania. Atomy żelaza wybite

z powierzchni tworzą azotki FeN, ulegające następ-

nie kondensacji na powierzchni metalu i rozkładowi
z wykorzystaniem azotu atomowego dyfundującego w

głąb metalu. Zjawiska te można regulować przez

zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego

gazu. Umożliwia to regulowanie struktury warstwy

powierzchniowej i uzyskanie na powierzchni albo
ciągłej strefy azotków ε + γ′, lub samej strefy dyfuzyj-
nej. Warstwy powierzchniowe wytworzone w tym
procesie odznaczają się wysoką odpornością na
ścieranie i wytrzymałością zmęczeniową oraz
znacznie większą ciągliwością w porównaniu z

warstwami uzyskiwanymi.

Mikrostruktura warstw azotowanych

Zgodnie z układem Fe-N w warstwie azotowanej mogą występować następujące
fazy:

faza α - ferryt azotowy (roztwór stały azotu a żelazie α), zawierający

maksimum 0,1 % N w temperaturze eutektoidalnej (590

o

C) i 0,004 % N w

temperaturze otoczenia.

faza γ- austenit azotowy (roztwór stały azotu a żelazie γ) zawierający

maksimum 2,8 % N w temperaturze 650

o

C) trwały powyżej temperatury

eutektoidalnej.

faza γ’ – azotek żelaza (Fe

4

N) zawierający w temperaturze otoczenia 5,7-

6,1% N.

faza ε - azotek żelaza (Fe

2

N) o sieci heksagonalnej, zawierający w

temperaturze otoczenia 8,1-11 % N.

Występowanie poszczególnych faz w warstwie azotowanej zależy od temperatury
procesu i warunków chłodzenia.

Właściwości warstw azotowanych

duża twardość (do 1200 HV - stal maszynowa do azotowania; do 1500 HV -

stal narzędziowa, wysokostopowa),

duża wytrzymałość zmęczeniowa,

duża odporność na zacieranie i zużycie o charakterze adhezyjnym,

zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze.

niska temperatura procesu (500-590°C), pozwalającą na konstytuowanie

utwardzonej warstwy wierzchniej na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu
bez zmian jego właściwości,

małe odkształcenia w procesie technologicznym.

Grubość warstwy azotowanej

Grubość warstwy azotowanej dobiera się w zależności od gatunku stali oraz
warunków pracy azotowanego przedmiotu. I jest ona zależna od temperatury i
czasu procesu. Im wyższa temperatura procesu i dłuższy czas azotowania tym
grubość warstwy azotowanej jest większa.

Minimalna grubość warstwy azotowanej długookresowo wynosi 0,2 mm.
Grubość warstwy azotowanej krótkookresowo wynosi 0,1-0,5 mm. Grubość
warstwy określa się na przełomie lub szlifie próbki kontrolnej. Za grubość
warstwy azotowanej uznaje się szerokość drobnoziarnistej struktury różniącej
się od rdzenia zabarwieniem. Za umowną twardość warstwy azotowanej uznaje
się 550 HV dla stali średniostopowych i 600 HV dla stali wysokostopowych.

Obróbka cieplna przedmiotów poddawanych azotowaniu

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

Zastosowanie azotowania

Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali niestopowych i
stopowych, maszynowych i narzędziowych, narażonych podczas pracy na
zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozję w środowisku
wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających.
Azotowaniu są poddawane:

bardzo liczne elementy: silników i pomp wytwarzanych w

przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały
korbowe, korbowody, tuleje cylindrowe, koła zębate, wałki, tłoki,
pierścienie i sworznie tłokowe, cylindry, nurniki pomp.

W przemyśle obrabiarkowym azotowanie znalazło zastosowanie np.

do śrub pociągowych, wrzecion, kół zębatych, elementów przekładni
ślimakowych i sprzęgieł elektromagnetycznych.

Do narzędzi poddawanych azotowaniu należą np. matryce

kuźnicze, ciągadła i inne narzędzia do obróbki plastycznej, formy do
tworzyw sztucznych oraz elementy wtryskarek i wytłaczarek,
narzędzia skrawające ze stali szybkotnących, takie jak frezy, wiertła,
gwintowniki i narzędzia do obróbki kół zębatych.