OBRÓBKA CIEPLNO-
CHEMICZNA
Obróbka cieplno chemiczna
jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów
umo\
liwiających 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 u\
ytkowych.
Obróbce cieplno chemicznej poddaje się zwykle stopy \
elaza, głównie stale,
chocia\
znalazła ona równie\
zastosowanie w technologii elementów z metali
nie\
elaznych, 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 zu\
ycie 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 mo\
na wyró\
nić
pięć procesów składowych, do których nale\
Ä…:
reakcje w ośrodku nasycającym, związane z tworzeniem czynnika
umo\
liwiającego 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 adsorpcjÄ… fizycznÄ…. Adsorpcja
chemiczna jest związana z tworzeniem warstewki fazy międzymetalicznej
zło\
onej z atomów metalu i ośrodka adsorbowanego.
Dyfuzja
jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów
w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stę\
enia składników.
Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym
pierwiastka nasycajÄ…cego w metalu osnowy. DyfuzjÄ™ opisujÄ… prawa Ficka,
które mają jednak ograniczone zastosowanie. Ilościowy opis dyfuzji jest
bowiem bardzo skomplikowany i mo\
liwy tylko przy licznych zało\
eniach
upraszczających. Ogólnie mo\
na stwierdzić, \
e procesy dyfuzji sÄ… zale\
ne od
temperatury, czasu i gradientu stÄ™\
enia Dyfundujących pierwiastków. Od
czynników tych zale\
y zatem grubość i struktura warstw powierzchniowych
otrzymanych w wyniku obróbki cieplno chemicznej.
Mechanizmy dyfuzji
Dyfuzja w roztworach ro\
nowęzłowych przebiega głownie za pośrednictwem
mechanizmu wakansowego, natomiast w roztworach międzywęzłowych 
międzywęzłowego. Mechanizm międzywęzłowy jest charakterystyczny dla
dyfuzji m.in. C, N, B w stopach \
elaza. W zale\
ności od energii aktywacji
ro\
ne są drogi łatwej dyfuzji, która przebiega: wzdłu\
powierzchni metalu 
najłatwiej, wzdłu\
granic ziaren  trudniej, wewnÄ…trz ziaren  najtrudniej.
Dyfuzja reaktywna
Pierwiastki nasycające często
reagujÄ… z osnowÄ… metalu lub
wydzieleniami, tworzÄ…c nowe fazy o
odmiennych strukturach sieciowych.
Zjawisko to, charakterystyczne dla
obróbki cieplno chemicznej metali,
jest nazywane dyfuzjÄ… reaktywnÄ…. Od
kinetyki reakcji chemicznych
zachodzÄ…cych w warstwie
powierzchniowej oraz od pozostałych
czynników decydujących o przebiegu
dyfuzji zale\
y zatem grubość i
struktura warstw powierzchniowych,
powstających w wyniku obróbki
cieplno chemicznej, zwiÄ…zanej z
dyfuzjÄ… reaktywnÄ….
Reakcje zachodzące podczas obróbki cieplno-chemicznej
Reakcje zachodzące podczas obróbki cieplno-chemicznej, zale\
Ä… 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 wytwarzajÄ…c
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.
NAW
GLANIE
Nawęglanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej
stali węglem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu
określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie
odbywa siÄ™ 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 obciÄ…\
one koła zębate,
wałki uzębione i z wieloklinami,
sworznie tłokowe i kuliste,
drągi i gryzy narzędzi do wierceń geologicznych i górniczych,
pierścienie i wałki ło\
ysk wielkogabarytowych,
części spiekane z proszków \
elaza.
Metody nawęglania
nawęglanie w ośrodkach stałych
Nawęglanie w ośrodkach stałych, obecnie praktycznie nie stosowane, odbywa
się w proszku węgla drzewnego, często wymieszanego ze sproszkowanymi
wÄ™glanami sodu, wapnia, litu lub baru, zwykle w temperaturze ok. 900°C. W
wyniku reakcji spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO, z którego tworzy
się CO2 i węgiel atomowy, nasycający powierzchnię stali. Do nawęglania mogą
być równie\
wykorzystywane pasty zawierające np. 50% sadzy, 20% węglanu
baru, 20% węglanu sodu i 10% \
elazocyjanku potasu lub 50% sadzy, 40%
węglanu sodu, 10% \
elazochromu, związane melasą. Sposób ten umo\
liwia
otrzymanie warstw nawęglonych na niektórych wybranych powierzchniach
obrabianego przedmiotu. Metoda ta charakteryzuje siÄ™ du\
ą czasochłonnością,
energochłonnością i trudnością w regulowaniu grubości i stę\
enia warstwy
nawęglonej.
nawęglanie w roztopionych solach
Nawęglanie wykonywano równie\
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 zawierajÄ…cej: CO2, CO, H2, H2O, CH4 i
N2, które wytwarza się poprzez spalanie gazów opalowych (metanu, propanu,
butanu) lub rozkład termiczny ró\
nych ciekłych związków organicznych
dostarczanych bezpośrednio z komory pieca do nawęglania. Gazy nawęglające
sÄ… specjalnie oczyszczane, co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu siÄ™ sadzy
na powierzchni obrabianych przedmiotów, utrudniającej adsorpcję węgla. Poza
temperaturą i czasem nawęglania o wynikach procesu decyduje potencjał
węglowy i natę\
enie przepływu ośrodka nawęglającego.
nawęglanie w zło\
ach fluidalnych
Nawęglanie, podobnie jak inne rodzaje obróbki cieplno chemicznej, mo\
e być
wykonywane w zło\
u fluidalnym. ZÅ‚o\
e fluidalne jest tworzone przez czÄ…stki
ciała stałego, np. piasku lub tlenku glinu, utrzymywane w zawieszeniu przez
gorący gaz nasycający przepływający przez zło\
e od dołu ku górze. Przedmioty
obrabiane cieplno chemicznie zanurza się w zło\
u fluidalnym, podobnie jak w
cieczy.
Metody nawęglania
nawęglanie pró\
niowe
Nawęglanie mo\
e odbywać się tak\
e pod obni\
onym ciśnieniem w atmosferze
metanu, propanu i innych gazów. W metodzie tej atomowy węgiel jest
uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów. Nawęglanie
pró\
niowe zapewnia lepszą adsorpcję węgla z atmosfery o niskim ciśnieniu i
mniejsze zu\
ycie gazu.
nawęglanie jonizacyjne
Podejmowane są udane próby nawęglania jonizacyjnego (metoda ta zyskała
szczególnie du\
e znaczenie w przypadku azotowania). Polega ono na
wygrzewaniu stali w piecu pró\
niowym w atmosferze węglowodorów o niskim
ciśnieniu z jednoczesnym przyło\
eniem 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
pobli\
u obrabianego materiału, który jest przez nie bombardowany, co
znacznie ułatwia adsorpcję węgla przez metal. Metoda ta zapewnia wysoką
wydajność procesu, umo\
liwia regulację grubości i struktury warstwy
nawęglonej.
Struktura warstwy nawęglonej
W warstwie nawęglonej stali węglowych mo\
na wyró\
nić kilka stref:
nadeutektoidalną  o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych
przypadkach występującego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn
perlitu
eutektoidalnÄ…  o strukturze perlitycznej,
podeutektoidalnÄ…  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 nawÄ™glania,
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 stę\
enie węgla wynosi 0,4% lub do miejsca
w którym twardość po zahartowaniu i niskim odpusz-
czaniu wynosi 550 HV. Metalograficznie za warstwÄ™
nawęgloną uznaje się zwykle strefę nadeutektoidalną,
eutektoidalną oraz połowę strefy przejściowej.
StÄ™\
enie węgla w warstwie nawęglonej
Za optymalne stÄ™\
enie powierzchniowe węgla w warstwie nawęglonej przyjmuje
siÄ™ stÄ™\
enie eutektoidalne lub większe. W praktyce stosuje się w zale\
ności od
gatunku stali, warunków pracy części, stę\
enie od 0,7% do 1% węgla. Ni\
sze
stÄ™\
enia węgla stosuje się do części nara\
onych na uderzenia i zmienne
obciÄ…\
enia, natomiast większe stę\
enia 0,85 d0 1% C dla części pracujących
gównie na ścieranie oraz części nara\
one na du\
e zmienne naciski
powierzchniowe.
Niemniej istotny jest rozkład węgla w całej warstwie nawęglonej. Rozkład ten
powinien zapewnić łagodny spadek stę\
enia węgla od powierzchni do rdzenia,
szczególnie w strefie przejściowej (przy stę\
eniach 0,6-0,4%). Zbyt gwałtowny
spadek stÄ™\
enia węgla powoduje występowanie du\
ych naprÄ™\
eń w warstwie
podczas hartowania, co dział jak karb i mo\
e powodować pęknięcia lub
pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Niedopuszczalne jest aby stę\
enie
powierzchniowe było mniejsze ni\

stÄ™\
enie podpowierzchniowe, gdy\

wówczas podczas hartowania pow-
stajÄ… naprÄ™\
enia rozciÄ…gajÄ…ce,
pogarszające właściwości wytrzy-
małościowe stali.
Obróbka cieplna po nawęglaniu
Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok.
220÷280 HB, a jej wÅ‚asnoÅ›ci mechaniczne sÄ… stosunkowo niskie ze wzglÄ™du na
rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal
nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej;
w szczególności dą\
y siÄ™ 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
obciÄ…\
eń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w
nienawęglonym rdzeniu.
Obróbka cieplna elementów nawęglonych powinna zapewnić:
du\
ą 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 naprę\
eń hartowniczych.
Obróbka cieplna po nawęglaniu obejmuje zawsze hartowanie i odpuszczanie
niskie (150 -200°C). NawÄ™glanie bez nastÄ™pnego 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 podlegajÄ… 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 (je\
eli hartowność stali jest du\
a, a przekrój mały) występuje
martenzyt niskowęglowy o twardości zale\
nej od zawartości węgla w danej
stali przed procesem nawęglania. Poniewa\
warstwa wierzchnia stali
nawęglonej i zahartowanej ró\
ni się znacznie pod względem składu
chemicznego i właściwości od rdzenia, występują zatem naprę\
enia
strukturalne, które
usuwa siÄ™ przez niskie odpuszczanie w temperaturze 150-200°C i czasie 1,0-2,5
godziny.
Hartowanie z podchładzaniem
umo\
liwia zmniejszenie ilości austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej i
zahartowanej oraz wzrost jej twardości (do 60 HRC). Fakt ten nale\
y 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.
Nale\
y nadmienić, i\
omówione wy\
ej 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 
wy\
szej od Ac3  a drugie hartowanie z temperatury wy\
szej od Ac1, 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 siÄ™ w celu nadania warstwie wierzchniej du\
ej 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 zale\
ności od
gatunku stali i wielkości przekroju uzyskuje strukturę zło\
onÄ… 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 usuniÄ™cia naprÄ™\
eń 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 \
elaza o budowie słupkowej (iglastej). Grubość warstwy borowanej na
stali wynosi ok. 0,03-0,15 mm i jest zale\
na od temperatury, metody borowania
oraz składu chemicznego obrabianej stali. W zale\
ności od stę\
enia boru w
warstwie powierzchniowej stali tworzą się dwa typy borków Fe2B i FeB.
Warstwy borowane na stali wykazujÄ… siÄ™ bardzo du\
ą twardością, odpornością
na ścieranie i odpornością korozyjną.
Metody borowania
Metody borowania, ró\
niÄ… siÄ™ rodzajem u\
ytej substancji boronośnej, stanem
skupienia i składem ośrodka nasycającego, temperaturą i czasem procesu.
Najczęściej stosowane metody borowania to:
Borowanie w proszkach
jest najprostszÄ… i najstarszÄ… metodÄ… borowania. W metodzie tej elementy obrabiane
umieszcza siÄ™ w retorcie i zasypuje sproszkowanÄ… mieszaninÄ… borujÄ…cÄ…, a
następnie nakłada wieko i uszczelnia. W skład mieszaniny borująca wchodzą trzy
składniki: substancja boronośna (np. bor amorficzny, \
elazobor, węglik boru, tlenek
boru), aktywator (KBF4, NH4Cl, NH4J, NaF, KF) oraz wypełniacza (substancja
obojętna np.: sadza, tlenek glinu, piasek kwarcowy, węglik krzemu). Zadaniem
wypełniacza jest zmniejszenie potencjału borującego i obni\
enie lub
wyeliminowanie borku FeB, a tak\
e zapobieganie spiekaniu mieszaniny. Zawartość
aktywatora w całej objętości mieszaniny borującej jest bardzo niedu\
a gdy\
(kilka
procent) jednak ilość ta jest bardzo istotna w całym procesie, poniewa\
skraca czas
borowania. Po odpowiednim przygotowaniu retorty i wypełnieniu jej mieszaniną
borujÄ…cÄ… umieszczamy jÄ… w piecu, który nagrzewa siÄ™ 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 nało\
eniu na powierzchniÄ™ 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 siÄ™ przy pomocy drucianych szczotek [3]. Borowanie w pastach
jest szczególnie polecana do du\
ych elementów np. matryc kuz
niczych, kowadeł
itp. (mo\
na w tym przypadku stosować pasty grzewcze, co umo\
liwia nasycanie
borem w warunkach polowych i miejscowe). Największą wadą tej metody jest
jednorazowe wykorzystanie substancji boronośnej, ale ogromną zaletą jest
mo\
liwość bezpośredniego hartowania po borowaniu.
Borowanie kÄ…pielowe.
Metody borowania w ośrodkach ciekłych (kąpielowe) prowadzi się w
boranowych kąpielach z dodatkiem reduktorów zawierających bor (B, B4C,
\
elazobor, niekielbor); w boranowych kąpielach z dodatkiem reduktorów
niezawierajÄ…cych boru (Ca, Mg, Li, Al, Ti, SiC lub krzemowapnia,
krzemomanganu).
Do zalet tej metody nale\
Ä…: stosunkowo szybkie tworzenie siÄ™ warstwy,
mo\
liwość 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: B2H6, BCl3, BF3, BBr3, (CH3)3B i inne. Proces ten przeprowadza się
w specjalnych, hermetycznych piecach w temperaturze 750-900ÚC 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 siÄ™ gaz aktywny zmieszany z gazem
nośnym. Po zakończeniu procesu borowania zamyka się dopływ gazu aktywnego
i przepłukuje się komorę roboczą gazem obojętnym. Naborowane elementy
mo\
na bezpośrednio hartować i studzić
Borowanie jarzeniowe;
Proces ten przeprowadza się przy zredukowanym ciśnieniu w atmosferze
zjonizowanego gazu. Jako z
ródło boru stosuje się B2H6 lub ciekły BCl3. W
związku z wysokim napięciem (1.6 kV) dodatnie jony atomów lub cząsteczek są
wytwarzane przy niskim ciÅ›nieniu (3÷13 hPa). Pod wpÅ‚ywem energii pola
elektrycznego jony te sÄ… 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 sÄ… osadzone w metalicznej osnowie co sprzyja ich wzajemnemu powiÄ…zaniu.
Warstwa borków jest silnie steksturowana a kierunki w obydwu borkach są
równoległe do osi igieł. Nasycanie \
elaza i stali borem prowadzi do tworzenia siÄ™
warstwy dyfuzyjnej, powstającej w skutek działania mechanizmu dyfuzji
reaktywnej. Warstwy borowane wytwarzane na stali mogą zawierać borki: FeB i
Fe2B. Bogatszy w bor jest borek FeB, w którym teoretyczna zawartość boru
równa jest 16,25% masy. Ubo\
szym w bor jest borek Fe2B, w którego skład
wchodzi zawartość boru równa 8,83% masy.
Warstwy borowane mogą być jednofazowe
(borek Fe2B) lub dwufazowe (borki FeB i Fe2B).
Na rysunku poni\
ej przedstawiono mikrostruk-
turÄ™ dwufazowej warstwy borowanej na \
elazie
Armco. Przypowierzchniowa strefa borków to
borek \
elaza FeB, pod nim występują igły borku
Fe2B.
Grubość warstw borowanych
Grubość warstwy borowane na stali wynosi ok. 0,03-0,15 mm i jest zale\
na 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 poni\
szym wykresie.
Wraz ze wzrostem temperatury
procesu całkowita grubość warstwy
borowanej wzrasta. Wraz z
wydłu\
eniem czasu borowania
grubość warstwy równie\
wzrasta dla
danej temperatury procesu.
Stwierdzono równie\
, ze skłonność
występowania borku FeB wzrasta
wraz z temperaturÄ… 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:
du\
a twardość (FeB do ok. 2000 HV);
du\
a odporność na ścieranie;
du\
a \
aroodporność
du\
a odporność na korozję w roztworach kwaśnych i zasadowych oraz
na oddziaływanie ciekłych metali i stopów;
Największą wadą warstw borowanych jest kruchość. Jednofazowe warstwy
Fe2B są mniej podatne na kruche pękanie ni\
dwufazowe.
Obróbka cieplna stali po borowaniu
Stal naborowana jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu z
temperatury właściwej dla rdzenia (wy\
szej od Ac3) i zwykle niskim
odpuszczaniu (150-250ºC). Elementy z niektórych stali stopowych mo\
na
hartować bezpośrednio z temperatury borowania.
Zastosowanie borowania
Borowanie stosuje się do części maszyn i narzędzi nara\
onych w
eksploatacji na zu\
ycie przez tarcie, a szczególnie na działanie luz
nego
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
zawierajÄ…cym wolne atomy azotu. Operacja ta jest wykonywana w
temperaturze ni\
szej od Ac1, zwykle 500-600ºC.
Azotowanie mo\
e 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
zale\
ności 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 siÄ™:
Azotowanie gazowe
Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w strumieniu zdysocjowanego
amoniaku w temperaturze 500÷600°C:
2NH3 6H + 2N
śelazo działa katalitycznie na przebieg tej reakcji. Podczas azotowania
gazowego stÄ™\
enie azotu w warstwie powierzchniowej zmienia się w sposób
niekontrolowany. Potencjał atmosfery azotującej utworzonej w wyniku
dysocjacji amoniaku mo\
e być regulowany przez rozcieńczenie czystym
azotem. Umo\
liwia to kontrolowanie składu warstwy powierzchniowej w stali
azotowanej, gdy\
w danej temperaturze nasycanie tej warstwy przebiega
znacznie wolniej ni\
podczas azotowania w czystym amoniaku.
Azotowanie w proszkach
Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko. Proszek stosowany do
takiego azotowania mo\
e zawierać 80% cyjamidu wapniowego CaC(CN), 15%
węglanu sodowego Na2CO3, 3% \
elazomanganu i 2% węglika krzemu SiC.
Temperatura operacji zale\
y od rodzaju stali oraz wymiarów obrabianego
przedmiotu i wynosi 500÷600°C. Czas azotowania w proszkach wynosi zwykle
0,5÷10 h w zale\
ności 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 pró\
niowej, urzÄ…dzenia dozujÄ…cego gaz oraz
zasilacza. Azotowane przedmioty, odizolowane od ścianek retorty, są
umieszczane w retorcie, stanowiącej anodę, i podłączane do bieguna ujemnego.
Przyło\
one napiÄ™cie wynosi 0,5÷1,5 kV, a ciÅ›nienie azotu lub mieszaniny z
wodorem w retorcie jest obni\
ane do 10 2÷1 Pa. Wysokie napiÄ™cie 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 \
elaza wybite
z powierzchni tworzą azotki FeN, ulegające następ-
nie kondensacji na powierzchni metalu i rozkładowi
z wykorzystaniem azotu atomowego dyfundujÄ…cego w
głąb metalu. Zjawiska te mo\
na regulować przez
zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego
gazu. Umo\
liwia to regulowanie struktury warstwy
powierzchniowej i uzyskanie na powierzchni albo
ciÄ…gÅ‚ej strefy azotków µ + Å‚2 , 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 ą - ferryt azotowy (roztwór stały azotu a \
elazie Ä…), zawierajÄ…cy
maksimum 0,1 % N w temperaturze eutektoidalnej (590oC) i 0,004 % N w
temperaturze otoczenia.
faza ł- austenit azotowy (roztwór stały azotu a \
elazie Å‚) zawierajÄ…cy
maksimum 2,8 % N w temperaturze 650oC) trwały powy\
ej temperatury
eutektoidalnej.
faza Å‚  azotek \
elaza (Fe4N) zawierajÄ…cy w temperaturze otoczenia 5,7-
6,1% N.
faza µ - azotek \
elaza (Fe2N) o sieci heksagonalnej, zawierajÄ…cy w
temperaturze otoczenia 8,1-11 % N.
Występowanie poszczególnych faz w warstwie azotowanej zale\
y od temperatury
procesu i warunków chłodzenia.
Właściwości warstw azotowanych
du\
a twardość (do 1200 HV - stal maszynowa do azotowania; do 1500 HV -
stal narzędziowa, wysokostopowa),
du\
a wytrzymałość zmęczeniowa,
du\
a odporność na zacieranie i zu\
ycie o charakterze adhezyjnym,
zachowanie twardości i wytrzymałości w podwy\
szonej temperaturze.
niska temperatura procesu (500-590°C), pozwalajÄ…cÄ… 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 zale\
ności od gatunku stali oraz
warunków pracy azotowanego przedmiotu. I jest ona zale\
na od temperatury i
czasu procesu. Im wy\
sza temperatura procesu i dłu\
szy 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 ró\
niÄ…cej
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 ostatniÄ… operacjÄ… w procesie technologicznym. Dlatego
azotowaniu poddaje siÄ™ przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej
w temperaturze wy\
szej od temperatury azotowania. W niektórych
przypadkach operacja odpuszczania mo\
e 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, nara\
onych podczas pracy na
zu\
ycie ścierne, do elementów nara\
onych na korozję w środowisku
wodnym lub wilgotnej atmosfery, a tak\
e do narzędzi skrawających.
Azotowaniu sÄ… 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 nale\
Ä… np. matryce
kuz
nicze, 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.