Obróbka
cieplno-chemiczna
Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedzina obróbki
cieplnej obejmującą zespół operacji umożliwiających zmianę
składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej
stopów w wyniku zmian temperatury i chemicznego
oddziaływania środowiska.
Obróbka cieplno-chemiczna polega na zamierzonej
dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy
powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania
odpowiednich właściwości użytkowych.
Rodzaje obróbki cieplno-chemicznej
Rodzaje obróbki cieplno-chemicznej ze
względu na stan ośrodka nasycającego
Klasyfikacja metod obróbki cieplno-chemicznej ze względu na
rodzaj dyfundujÄ…cego pierwiastka
Dyfuzyjne procesy obróbki
cieplno-chemicznej zachodzÄ… gdy:
1. Pierwiastek dyfundujący występuje w postaci  in stastu nascendi
czyli wolnych atomów, które w chwili tworzenia się wykazują większą
aktywność.
W zależności od rodzaju aktywnego ośrodka i temperatury procesu mogą
występować trzy typy reakcji prowadzące do wytwarzania aktywnych atomów
pierwiastka nasycajÄ…cego
Dysocjacja polega na
rozkładzie cząsteczek
zwiÄ…zku i utworzeniu
aktywnych atomów
pierwiastka dyfundujÄ…cego,
np.:
2 CO ®ð CO2 + C
NH3 ®ð 3H + N
Schemat reakcji wydzielania pierwiastka dyfundujÄ…cego
Dyfuzyjne procesy obróbki
cieplno-chemicznej zachodzÄ… gdy:
2.
Pierwiastek dyfundujÄ…cy ulega adsorpcji na powierzchni metalu,
(nagromadzenie wolnych atomów na powierzchni metalu).
Adsorpcja  polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) wolnych
atomów przez powierzchnię metalu (zachodzi tylko wtedy, gdy
pierwiastek wprowadzany rozpuszcza siÄ™ w obrabianym metalu).
Dyfuzyjne procesy obróbki
cieplno-chemicznej zachodzÄ… gdy:
3. Zachodzi przemieszczenie się zaadsorbowanych atomów w głąb
metalu - dyfuzja.
Dyfuzja - aktywowany cieplnie proces zachodzÄ…cy wskutek ruchu
atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania
stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest
rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w osnowie
metalicznej obrabianego materiału.
Schematyczna reprezentacja procesu mieszania
dwóch substancji na drodze dyfuzji
Mechanizmy dyfuzji
" wakansowy w roztworach różnowęzłowych
Polega na wymianie atomu z wakancjÄ….
Warunkiem zajścia takiego podstawowego aktu
dyfuzji jest, że muszą znajdować się w sieci
wakancje oraz musi zostać pokonana bariera
potencjału otaczająca atomy, co także wymaga
odpowiedniej energii.
" międzywęzłowy w roztworach międzywęzłowych,
charakterystyczny dla dyfuzji węgla i azotu w stalach
Polega na kolejnym przeskakiwaniu atomów
międzywęzłowych, tzn. o małych średnicach w
porównaniu z atomami osnowy, z jednej luki
międzyatomowej do drugiej - sąsiedniej.
Prawa opisujÄ…ce dyfuzjÄ™ -
Prawa Ficka
SÄ… to dwa prawa dotyczÄ…ce zjawiska
dyfuzji, których sformułowanie przypisuje
siÄ™ niemieckiemu fizykowi i
matematykowi Adolfowi Fickowi. SÄ… one
współcześnie stosowane w modelowaniu
procesów dyfuzji w tkankach, neuronach,
biopolimerach czy farmakologii.
Adolf Fick
ur. 3 września 1829
zm. 21 sierpnia 1901
I Prawo Ficka
Stosowane w opisie procesów dyfuzji kiedy stężenie strumienia
dyfuzji objętościowej nie zmienia się z czasem. Opisuje ono
strumień dyfuzji J (strumień atomów, tj. ilość atomów składnika
nasycajÄ…cego na jednostkÄ™ powierzchni i czasu [1/cm2s].
D - współczynnik dyfuzji [cm2/s] [m2/s],
c- stężenie [1/cm3],
x  odległość [cm],
dc/dx  gradient stężenia pierwiastka dyfundującego.
Współczynnik dyfuzji zależy od:
- temperatury
- rodzaju roztworu (międzywęzłowy, różnowęzłowy)
- rodzaju sieci rozpuszczalnika.
Równanie Arrheniusa
Wpływ temperatury na D opisuje równanie Arrheniusa:
D = Do · exp(-Q/RT)
D  współczynnik dyfuzji [cm2/s] [m2/s]
D0 - stała zależna od struktury krystalicznej rozpuszczalnika,
osnowy i rodzaju roztworu oraz temperatury,(cm2/s)
Q  energia aktywacji dyfuzji [J/mol]
T  temperatura [K]
R - stała gazowa 8,314 [J/mol*K]
Åšrednia droga dyfuzji:
D  współczynnik dyfuzji [cm2/s] [m2/s]
II Prawo Ficka
Jest stosowane, gdy strumień dyfuzji zmienia się
lokalnie w czasie. Opisuje zależność stężenia
dyfundujÄ…cego pierwiastka od czasu i miejsca.
Porównanie współczynników dyfuzji węgla w żelazie i samodyfuzji żelaza
[cm2/s]
Drogi dyfuzji
1. Wzdłuż ziaren  najłatwiej
2. Wzdłuż granic ziaren  trudniej
3. WewnÄ…trz ziaren  najtrudniej
Nawęglanie
Polega na dyfuzyjnym nasyceniu warstwy wierzchniej stali węglem
podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu
w ośrodku, w którym powstaje węgiel atomowy.
Cel nawęglania: podwyższenie twardości i odporności na ścieranie
powierzchni stalowego elementu przy zachowaniu dobrej ciągliwości
(udarności) rdzenia.
Stale do nawęglania o zawartości węgla od 0,1 do 0,25% lub
stopowe z głównymi dodatkami stopowymi poprawiającymi hartowność:
Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, W. Wprowadzone sÄ… one do stali w celu
podwyższenia hartowności oraz zwiększenia plastyczności rdzenia.
Temperatura i czas nawęglania:
Temperatura nawęglania powyżej Ac3 (zakres istnienia austenitu), 850-
950°ðC, czas 2-8 h.
Nawęglanie
W zależności od warunków nawęglania w
warstwie powstają równe strefy:
Strefa nadeutektoidalna (0,85-1,0%C),
zawierającą perlit i węgliki żelaza, które tworzą
niekorzystnÄ… siatkÄ™ cementytu po granicach ziarn,
Strefa eutektoidalna (0,7-0,85 %C) zawierajÄ…cÄ…
wyłącznie perlit,
Strefa podeutektoidalnÄ…, zawierajÄ…cÄ… ferryt i perlit,
przy czym ilość ferrytu zwiększa się w kierunku
rdzenia.
Twardość stali niskowęglowej po nawęglaniu może osiągać 60 do 65 HRC.
Grubość warstwy nawęglonej nie przekracza zazwyczaj 0,5-2mm.
Typowe części, dla których stosuje się nawęglanie:
" koła zębate silnie obciążone i poddawane zmiennym obciążeniom
" wałki rozrządu i krzywki sterujące
" sworznie tłokowe
" pierścienie i wałki łożysk wielogabarytowych
Nawęglanie w karboryzatorach stałych
(proszkach)
Wygrzewanie przedmiotów w temp. 880-950°ðC w oÅ›rodku skÅ‚adajÄ…cym siÄ™ z
mieszaniny granulowanego węgla drzewnego (85-95%) z i węglany BaCO3, Na2CO3
lub CaCO3 (5-15%).
Reakcje:
2C + O2 ®ð 2CO,
BaCO3 ®ð BaO + CO2,
CO2+C ®ð 2CO
2CO «ð Cat + CO2
Zalety:
- niski stopień trudności procesu,
- łatwa obsługa i powtarzalność wyników nawęglania,
Wady:
- trudność otrzymania cienkich warstw,
- brak możliwości regulacji węgla w warstwie,
- brak możliwości automatyzacji procesu.
Nawęglanie gazowe
Nagrzanie i wygrzanie części stalowych w atmosferze nawęglającej,
przepływającej przez szczelną komorę pieca o temp. 880- 950oC.
Atmosfery nawęglające:
- atmosfery generatorowe, powstałe z gazu ziemnego lub propanu,
- atmosfery bezgeneratorowe, utworzone z surowych gazów lub węglowodorów
ciekłych.
Ośrodkami nawęglającymi są mieszaniny gazów: CO-CO2-CH4-H2-H2O lub
jeszcze dodatkowo z N2.
Reakcje:
2CO C+CO2
CH4 C+2H2
CO+H2 C+H2O
Zalety:
- duża ekonomiczność procesu dzięki skróceniu czasu procesu,
- możliwość łatwego regulowania zawartości węgla w warstwie nawęglanej,
- możliwość bezpośredniego hartowania po nawęglaniu,
- wysoki stopień mechanizacji procesu,
- wysoka wydajność pieców.
Obróbka cieplna po nawęglaniu
a  hartowanie bezpośrednie z
temperatury nawęglania i niskie
odpuszczanie
b  jednokrotne hartowanie z
temperatury właściwej do rdzenia i
niskie odpuszczanie
c  jednokrotne hartowanie z
temperatury właściwej dla warstwy
wierzchniej i niskie odpuszczanie
d  dwukrotne hartowanie z niskim
odpuszczaniem
Struktura i twardość powierzchni stali po hartowaniu i odpuszczaniu:
martenzyt (sam lub z małym udziałem Fe3C) o twardości ~60 HRC.
Sposoby zabezpieczenia powierzchni nie podlegających nawęglaniu:
- pokrywanie pastami ochronnymi,
- miedziowanie elektrolityczne,
- pozostawienie naddatku materiału o grubości większej niż głębokość warstwy
nawęglonej.
Azotowanie
Nasycanie azotem powierzchni przedmiotów stalowych (stale konstrukcyjne o
zawartości węgla 0,3-0,4%) lub stale średniowęglowe zawierające dodatki
Al, Ti, V, Mo, Cr wykazujÄ…ce wysokie powinowactwo chemiczne do azotu.
Celem azotowania jest nadanie przedmiotom wysokiej twardości
powierzchniowej, odporności na ścieranie, wysokiej odporności zmęczeniowej oraz
odporności na korozję.
Temperatura i czas azotowania: zakres temperatur 480-800°ðC, czasy
azotowania do 100 godz.
Azotowanie utwardzające (sposób konwencjonalny lub jonowy) - uzyskanie
bardzo trwałej i odpornej na zużycie ścierne warstwy wierzchniej elementów
obrabianych przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych rdzenia.
Azotowanie antykorozyjne (sposób konwencjonalny) poprawienia odporności
stali i żeliw na działanie środowiska korozyjnego.
Ponieważ azotowanie przeprowadza się w niezbyt wysokiej
temperaturze, stal uprzednio poddaje siÄ™ ulepszaniu cieplnemu!
Obróbka cieplna przed azotowaniem
Ulepszanie cieplne (hartowanie + odpuszczanie wysokie) w celu
uzyskania optymalnych właściwości mechanicznych w rdzeniu
elementu.
Azotowanie
Fazami tworzÄ…cymi siÄ™ w warstwie w
procesie azotowania sÄ…:
faza að - ferryt azotowy (nitroferryt) (roztwór
staÅ‚y azotu w żelazie að)
faza gð - austenit (nitroaustenit) azotowy
(roztwór staÅ‚y azotu w żelazie gð)
faza gð  azotek żelaza (Fe4N)
faza eð - azotek żelaza (Fe2N)
Właściwości warstw azotowanych:
- dużą twardość (do 1200 HV),
- dobra wytrzymałość zmęczeniowa,
- wyższa odporność w podwyższonej
temperaturze (do temperatury azotowania),
- dobra odporność na zacieranie i zużycie o
charakterze adhezyjnym,
- małe odkształcenia w procesie
technologicznym.
Azotowanie utwardzajÄ…ce
OÅ›rodek: amoniak, temperatura: 480-560°C, czas: kilkanaÅ›cie- kilkadziesiÄ…t
godzin.
Reakcja dysocjacji:
2NH3 «ð 2N+3H2
Przedmioty do azotowania muszą być oczyszczone i odtłuszczone;
powierzchnie, które nie podlegają azotowaniu, zabezpieczone pastami lub
powłokami.
Grubość warstwy: od 0,2-0,8 mm
Twardość po azotowaniu: stale niestopowe ~ 1100 HV (wiąże się z
wytworzeniem na powierzchni fazy Å‚ (Fe4N)); stale stopowe ~ 1500 HV.
Zastosowanie:
Elementy konstrukcyjne i narzędziowe narażone podczas pracy na zużycie ścierne i
korozję, np. elementy silników i pomp w przemyśle okrętowym, lotniczym i
motoryzacyjnym, narzędzia do obróbki plastycznej i skrawania, elementy
wytłaczarek i wtryskarek
Azotowanie antykorozyjne
OÅ›rodek: amoniak, temperatura: 600-800°C, czas: 1-6 godzin
Grubość warstwy: 0,005-0,03 mm (stale, żeliwa niestopowe)
Struktura warstwy wierzchniej po azotowaniu: azotek typu µ = Fe2N o dużej
odpornoÅ›ci korozyjnej i roztwór N w Feað.
Po azotowaniu antykorozyjnym można prowadzić obróbkę cieplną!
Zastosowanie:
Elementy wykonane ze stali niestopowych i niskostopowych oraz żeliw np. palniki
spawalnicze, zawory, okucia budowlane, części hamulców kolejowych, części
rowerów, części armatury wodociągowej i instalacji pary wodnej.
Węgloazotowanie i azotonawęglanie stali
Polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów stalowych jednocześnie węglem i
azotem w temperaturze 750-950°C (wÄ™gloazotowanie) i azotonawÄ™glanie
(450-650 °C).
Cel: wytworzenie na powierzchni przedmiotów stalowych warstwy o wysokiej
twardości i odporności na ścieranie w znacznie większym stopniu niż dla warstw
nawęglanych.
W
GLOAZOTOWANIE K
PIELOWE
Składniki kąpieli: cyjanki i cyjaniany Na i K. Ponadto kąpiele zawierają węglany
tych pierwiastków. Podczas procesu zachodzą reakcje umożliwiające tworzenie się
cyjanianów i wydzielanie C i N.
NaCN+O2 ®ð 2NaCNO
4NaCNO+2O2 ®ð 2K2CO3+CO2+C+4N
Wysoka toksyczność procesu i trudności w utrzymaniu stałego składu
kÄ…pieli.
·ð WÄ™gloazotowanie kÄ…pielowe w niskich temperaturach
·ð WÄ™gloazotowanie kÄ…pielowe w wysokich temperaturach
Węgloazotowanie i azotonawęglanie stali
W
GLOAZOTOWANIE GAZOWE
- w atmosferach zawierających amoniak i gaz nawęglający lub ciekłe węglowodory.
- temperatura: 560-580oC,
- czas: 2-5h
- zalety: wyeliminowanie trujących soli, możliwość regulacji procesu przez zmianę
ilości gazów nawęglających i amoniaku.
Inne rodzaje metalizacji dyfuzyjnej&
" Siarkowanie
" Borowanie
" Aluminiowanie
" Chromowanie
" Cynkowanie
" Cynowanie
" Kadmowanie
" Miedziowanie
" Niklowanie
" OÅ‚owiowanie
" Srebrzenie
" ZÅ‚ocenie
Cel ćwiczenia
 Wyznaczenie współczynnika dyfuzji węgla w
warstwie nawęglonej 
Wyniki pomiarów
Lp. T [oC] T[K] x D ln D 1/T t [s]
[mm] [cm2/s] [K-1]
1.
2.
3.
T  temperatura w skali bezwzględnej [K]
x  grubość warstwy nawęglonej [mm]
D  współczynnik dyfuzji [cm2/s]
t  czas nawęglania [s]
Obliczenia
1. Ze wzoru na średnią drogę dyfuzji obliczamy współczynnik dyfuzji D:
x =ð 2Dt
Obliczamy wartość D dla poszczególnych próbek
2. Naszkicować wykres zależności współczynnika dyfuzji D od
temperatury.
3. Naszkicować wykres zależności ln(D) od odwrotności temperatury.
W tym celu obliczono:
ln (D) , bezwymiarowa i 1/T [K-1]
Obliczenia
4. Wyznaczyć prostą regresji: y=-ax +b
Znając współczynnik kierunkowy  a tej prostej oraz wartość stałej
gazowej R możemy korzystajÄ…c z zależnoÅ›ci : tgað = a= -Q/R
Q  energia aktywacji dyfuzji [J/mol]
R stała gazowa 8,314 [J/molK]
Wyznaczamy energiÄ™ aktywacji: a = -Q/R Q = -aR
5. Na podstawie wyznaczonej energii aktywacji obliczamy Do, korzystajÄ…c
ze wzoru:
D = Do · exp(-Q/RT)
Obliczenia
Tabela 2 Zestawienie wyników
Lp. T [K] Q R D Do
[J/mol] [J/mol* [cm2/s]
K]
1.
2.
3.
WNIOSKI KOC
COWE