Katedra Metaloznawstwa i Technologii

Materiałowych

Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej

Wykład 8:

OBRÓBKI POWIERZCHNIOWE

Cel i podział obróbek

powierzchniowych

Celem obróbek powierzchniowych jest uzyskanie

warstwy

wierzchniej

o wysokich własnościach ( twardości,

żaroodporności, odporności na korozję, odporności na
ścieranie i zmęczenie itp.), przy zachowaniu ciągliwego
rdzenia.

Obróbka

powierzchniowa

Obróbka nagniataniem

Obróbka cieplno-

chemiczna

Hartowanie

powierzchniowe

Implantacja jonów

Powłoki elektrolityczne

Natryskiwanie

plazmowe

Napawanie

Obróbka laserowa

Obróbka

nagniataniem

Obróbka nagniataniem ma na celu powierzchniowe

umocnienie przez zgniot

elementów maszyn ( wały, otwory,

koła zębate ). Umocnienie powierzchniowe, objawiające się
wzrostem twardości od 10% ( dla struktur sorbitycznych ) do
80% ( dla struktur ferrytycznych ), poprawia odporność na
ścieranie i zmęczenie materiału.

Oprócz umocnienia głównymi celami nagniatania są:

- poprawa gładkości powierzchni,
- uzyskanie odpowiedniej tolerancji wymiarowej,
- uzyskanie topografii umożliwiającej lepsze smarowanie
lub poprawiającej
wygląd.

Hartowanie

powierzchniowe

Hartowanie powierzchniowe

- polega na szybkim nagrzaniu

powierzchni elementu powyżej temperatury A

3

, a następnie

ochłodzeniu natryskiem wody. Dzięki temu tworzy się struktura
martenzytyczna jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej, bez
zmian strukturalnych w rdzeniu obrabianego elementu. Zwiększa to
twardość powierzchni oraz jej odporność na ścieranie i zmęczenie
przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.

Sposoby

hartowania

powierzchniowego:

- płomieniowe
- indukcyjne
- kąpielowe
- elektrolityczne

Obróbka cieplno-

chemiczna

Obróbka cieplno-chemiczna

- połączenie zabiegów cieplnych z

celową zmianą składu chemicznego powierzchni ( nasyceniem
strefy przypowierzchniowej określonym pierwiastkiem w wysokiej
temperaturze na drodze dyfuzji ).

Procesy warunkujące kinetykę nasycania podczas obróbki cieplno-
chemicznej:

- reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o dostarczaniu
aktywnych atomów ( in
statu nascendi ),
- adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni,
- dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metalu.

Obróbka cieplno-

chemiczna

Nawęglanie

Azotowanie

Borowanie

Metalizowanie

dyfuzyjne

Węgloazotowanie

Warstwy węglikowe i

azotkowe

Obróbka cieplno-chemiczna -

Nawęglanie

Nawęglanie

- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali

węglem. Przeprowadza się w proszkach ( z węgla drzewnego ) lub
ośrodkach gazowych ( w metanie - CH

4

).

Nawęglanie w skrzynkach.

Podstawowym składnikiem jest węgiel drzewny o granulacji 3-5mm,
zmieszany z aktywa- torami (10-30%), którymi mogą być: BaCO

3

,

K

2

CO

3

, Na

2

CO

3

. Elementy do nawęglania umieszcza się w

skrzynkach, obsypuje nawęglaczem, po czym wyżarza się w celu
spowodowania dyfuzji ( w temp. 900-950

0

C w czasie do 8 godzin),

uzyskując warstwę nawęgloną o grubości 0,5-2,5 mm, przy
koncentracji węgla na powierzchni ok. 1%.

Reakcje

zachodzące

podczas

nawęglania:

a) spalanie węgla
C + O

2

 CO

2

b) rozkład węglanów
BaCO

3

 BaO + CO

2 ,

Na

2

CO

3

 Na

2

O + CO

2

c) reakcja Boudouarda
CO

2

+ CO  2CO

d) adsorpcja i dyfuzja węgla w głąb
stali
3Fe + 2CO  Fe

3

C + CO

2

Obróbka cieplno-chemiczna -

Nawęglanie c.d.

Obróbka cieplno-chemiczna -

Azotowanie

Azotowanie

- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali

azotem. Przeprowadza się w zdysocjowanym amoniaku ( NH

3

 3H

+ N ).

Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszaniu cieplnym, dzięki
czemu nie wymagają one już żadnej dodatkowej obróbki. Proces
azotowania odbywa się w temp. 500-600

0

C w czasie do 40 godzin.

Głównym czynnikiem utwardzającym stal są azotki zwłaszcza
aluminium, chromu, molibdenu ( do 1200 HV ). Typową stalą do
azotowania jest 38HMJ.

podłoże (sorbit)

azotki

Obróbka cieplno-chemiczna -

Węgloazotowanie

Węgloazotowanie

(cyjanowanie)

-

dyfuzyjne

nasycanie

powierzchniowej warstwy stali węglem i azotem. Połączenie dyfuzji
węgla i azotu w jednej operacji prowadzi do skrócenia czasu
obróbki.
Cyjanowanie

dzieli

się

na

wysokotemperaturowe

i

niskotemperaturowe.

Wysokotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe

- przeprowadza

się w zakresie temp. 750-900

0

C, czas procesu wynosi ok. 20 min.,

grubość uzyskiwanych warstw 0,1-0,2 mm. Jako ośrodek stosuje się
mieszaninę stopionych soli: Na

2

CO

3

+ NaCl + NaCN (lub KCN ).

Niskotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe

- przeprowadza

się w zakresie temp. 500-600

0

C, czas procesu wynosi 0,5-2 h.,

grubość uzyskiwanych warstw ok. 20m . Jako ośrodek stosuje się

mieszaninę stopionych soli: NaCN + KCN.

Cyjanki są śmiertelnie toksyczne!!!

Obróbka cieplno-chemiczna -

Borowanie

podłoże (stal)

FeB

Fe

2

B

Borowanie

- dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali

borem, w wyniku czego powstają borki FeB i Fe

2

B o budowie

kolumnowej oraz twardościach odpowiednio 2300 i 1800 HV.
Głównym celem jest wytworzenie twardej, odpornej na ścieranie
warstwy, która ma także własności żaroodporne oraz antykorozyjne
i kwasoodporne.

Wadą warstw borowanych

jest ich znaczna kruchość oraz skłonność

do pękania wskutek naprężeń własnych spowodowanych znaczną
różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej borków i podłoża.
Mniejszą kruchość wykazują warstwy jednofazowe złożone z borku
Fe

2

B.

Borowanie w ośrodkach stałych:

a) prowadzi się w mieszaninie:
B

4

C + Al

2

O

3

+ NaF ( lub NH

4

Cl )

lub
b) prowadzi się w mieszaninie:
B

2

O

3

+ Al + Al

2

O

3

+ NaF ( lub

NH

4

Cl )

temp. 950

0

C, czas wygrzewania do

6 godzin.
Po borowaniu elementy poddaje
się obróbce cieplnej.

Obróbka cieplno-chemiczna -

Metalizowanie dyfuzyjne

Metalizowanie dyfuzyjne

- polega na nasycaniu powierzchni części

maszyn metalami, które tworzą z żelazem roztwory substytucyjne i
dyfundują mechanizmem wakancyjnym. Dzięki temu powierzchnia
elementu pokrywa się jak gdyby warstewką stali wysokostopowej, co
z jednej strony utwardza ją, z drugiej zwiększa własności
antykorozyjne i żaroodporne. Do najczęściej stosowanych procesów
metalizowania dyfuzyjnego należą: aluminiowanie, chromowanie,
tytanowanie, wolframowanie, wanadowanie i krzemowanie.

Metalizowanie w ośrodkach stałych

- proces przeprowadza się

uszczelnionych skrzynkach, w których elementy są obsypywane
sproszkowaną mieszanką zawierającą pierwiastek, który chcemy
wprowadzić, masę wypełniającą ( Al

2

O

3

) oraz aktywator (NH

4

Cl ).

Temperatura procesu 950-1100

0

C, czas do kilkunastu godzin.

Metalizowanie w ośrodkach ciekłych

- stosowane głównie do

aluminiowania. Polega na zanurzeniu elementu w stopie Al + 6-8%
Fe w temp. 700-800

0

C i wytrzymaniu do 1 godziny. Następnie

przeprowadza się jeszcze wyżarzanie dyfuzyjne w temp. 900-1100

0

C

przez kilka godzin. Uzyskuje się nasycenie stali glinem na
głębokość do 0,5 mm.

Metalizowanie dyfuzyjne daje możliwość

oszczędności pierwiastków stopowych !!!

Obróbka cieplno-chemiczna -

Wytwarzanie warstw

węglikowych i azotkowych

W ostatnich latach opracowano metody wytwarzania warstw
węglikowych i azotkowych, w których zarówno atomy metalu, jak i
węgla lub azotu konieczne do utworzenia związku pochodzą z
atmosfery retorty reakcyjnej. Są to tzw. metody CVD ( Chemical
Vapour Deposition ) oraz PVD ( Physical Vapour Deposition ).

Na przykład:

a) Węglik tytanu TiC wytwarza się z
atmosfery:
TiCl

4

+ CH

4

+ H

2

b) Azotek tytanu TiN wytwarza się z
atmosfery:
TiCl

4

+ NH

4

+ H

2

temperatura procesu 950-1050

0

C, czas 1-

1,5 godziny, grubość otrzymanej warstwy
do 15 m.

Warstwy

węglikowe

i

azotkowe

są

stosowane

przede

wszystkim

do

pokrywania narzędzi np. wieloostrzowych
płytek z węglików spiekanych, gdyż
hamują one dyfuzję kobaltu z osnowy
płytek do skrawanej stali.
Warstwy te zwiększają trwałość narzędzi
do 15%.

Powłoki

elektrolityczne

Powłoki elektrolityczne

- cechuje budowa krystaliczna słupkowa.

Wielkość ziarn maleje, a twardość rośnie ze wzrostem gęstości
prądu katodowego i obniżaniem temperatury elektrolitu oraz
stężenia pierwiastka wydzielanego w elektrolizie. Ważną cechą
powłok elektrolitycznych jest ich przyczepność, wynosząca od 100
do 460 MPa, co wystarcza do celów regeneracyjnych.

Niklowanie

-

skład

kąpieli:

NiSO

4

+NiCl

2

+ H

3

BO

3

o temp. ok.

60

0

C, gęstość prądu ok. 1A/dm

3

Żelazo-niklowanie

- skład kąpieli:

FeCl

2

+NiCl

2

+ HCl

o temp. ok.

85

0

C, gęstość prądu ok. 1A/dm

3

Chromowanie

- skład kąpieli:

CrO

3

+H

2

SO

4

, o temp. ok. 60

0

C,

wydajność

prądowa

niewielka

( anoda bierna stop Pb-Sn )

Żelazowanie

-

skład

kąpieli:

FeCl

2

+HCl

o temp. ok. 85

0

C, duża

wydajność prądowa

anoda

katoda

-

+

powlekany element

elektrolit

Napawanie

Napawanie

- polega na nałożeniu,

najczęściej

drogą

spawania

elektrycznego, na podłoże stalowe z
miękkiej stali spoiny o wyższej
twardości i odporności na ścieranie,
względnie warstwy o specjalnych
własnościach.

Warunkiem

napawania jest dobra spawalność
podłoża ( 0,2-0,25% C ).

Po napawaniu i normalizowaniu lub
wyżarzaniu

zmiękczającym

jest

możliwa obróbka skrawaniem, a
następnie obróbka
cieplna

zależna

od

rodzaju

napawanej warstwy.

Przykłady zastosowania napawania:

- walce hutnicze, matryce, zęby
świdrów napawane stellitem,
- wewnętrzne powierzchnie kotłów
energe-tycznych napawane stalą
autenityczną.

podłoże

napawana warstwa

Implantacja jonów

Implantacja jonów

- obróbka powierzchniowa, polegająca na

wzbogaceniu cienkiej, dochodzącej do kilkuset nm, warstwy w
wybrane

pierwiastki

drogą

bombardowania

jonami

tych

pierwiastków. Stosowane zakresy energii 150-350 keV.

Zastosowanie implantacji jonów:

- do wytwarzania elementów półprzewodnikowych i tranzystorów
bipolarnych,
- przy produkcji złącz p-n w bateriach słonecznych,
- uszlachetnianie warstwy wierzchniej narzędzi i części maszyn,
- zwiększenie odporności powierzchni na korozję,
- wytwarzanie cienkich warstw magnetycznych.

Natryskiwanie

plazmowe

Plazmę

- stanowi strumień gazu ( argonu lub mieszaniny Ar, H

2

i

N

2

) o wysokiej temperaturze i dużym stopniu zjonizowania. Plazma

powstaje w palniku, w którym wytwarza się łuk elektryczny między
elektrodą wolframową umieszczoną centralnie i miedzianą dyszą
chłodzoną wodą, która stanowi anodę. Przez palnik jest
przedmuchiwany gaz przechodzący w stan plazmy o temperaturze
dochodzącej do 10000

0

C. Sproszkowany materiał przeznaczony do

natryskiwania ulega stopieniu po czym zostaje naniesiony na
podstawioną powierzchnię stali, na której ulega kondensacji.
Warstwy natryskiwane plazmowo cechują się bardzo dobrą
przyczepnością do podłoża, ale na ogół są porowate.

Zastosowanie

natryskiwania plazmowego:

nanoszenie materiałów trudnotopliwych

(np. Al

2

O

3

), nanoszenie materiałów bardzo twardych ( węgliki

wolframu, wanadu, tytanu, azotki tytanu ).

Obróbka laserowa

Laser

(

L

ight

A

mplification by

S

timulated

E

mission of

R

adiation ) -

jest generatorem monochromatycznego, koherentnego światła o
dużej mocy, dochodzącej do 210

10

kW.

Do obróbki metali wystarczają lasery o mocy rzędu 0,5-10kW, które
pozwalają na uzyskanie wymaganej do obróbki gęstości mocy 10

4

-

10

6

W/cm

2

.

Istotne jest, że nagrzewanie powierzchni następuje w ciągu ułamka
sekundy, po czym zachodzi bardzo szybkie studzenie strefy
nagrzanej przez zimną osnowę stali, a więc są stworzone warunki do
bardzo szybkiej krystalizacji i zajścia przemiany martenzytycznej.

Można rozróżnić dwa sposoby obróbki laserowej: bez przetopu i z
przetopem materiału.