Politechnika Łódzka

Filia w Bielsku-Białej

Wydział Budowy Maszyn

Studia dzienne inżynierskie

Semestr III grupa II 8¹⁵ - 10⁰⁰

Sprawozdanie z laboratorium metaloznawstwa.

Temat: Obróbka cieplno - chemiczna.

1. Wiadomości wstępne.

Obróbka cieplno chemiczna składa się z dwóch podstawowych procesów opartych na zjawiskach adsorpcji i dyfuzji.

Adsorpcja może zachodzić na granicy dwóch faz i polega na pochłanianiu swobodnych atomów pierwiastka nasycającego przez powierzchnię metalu podstawowego. Aby adsorpcja mogła zajść muszą być obecne aktywne atomy pierwiastka dyfundującego oraz musi być spełniony warunek rozpuszczalności pierwiastka w stanie stałym w metalu podstawowym.

Dyfuzja to przemieszczanie atomów w gazach cieczach, i ciałach stałych. Przemieszanie jest możliwe dzięki nieuporządkowanym ruchom cieplnym rdzeni atomowych i zależy od ich prędkości, która z kolei zależy od ich temperatury. Cechą dyfuzji jest jej nieodwracalność.

Podczas obróbki cieplno-chemicznej zachodzą następujące procesy, które warunkują kinematykę nasycania:

a) reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o dostarczeniu aktywnych atomów - jako ośrodki aktywne są stosowane substancje stałe ciekłe lub gazowe. Do najczęściej zachodzących reakcji w ośrodku należą: dysocjacja lub reakcja wymiany podwójnej.

b) adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni - równoważenie sił przyciągania atomów znajdujących się na powierzchni. W wyniku tego aktywne atomy ośrodka są przyciągane do powierzchni metalu.

c) dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metalu -umożliwia wnikanie obcym atomom w głąb materiału a tym samym adsorpcję nowych atomów na powierzchnię.

NAWĘGLANIE

Dyfuzyjne nasycenie powierzchniowej warstwy stali węglem. Zwiększa twardość, odporność na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Własności 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 nie przekraczającej kilku procent. Efekty procesu nawęglania oprócz temperatury i czasu również od ośrodka nawęglającego i składu chemicznego nawęglanej stali. Proces nawęglania prowadzimy w zakresie austenicznym ze względu na blisko 100 razy większą rozpuszczalność węgla w austenicie niż w ferrycie. Odbywa się w temperaturze 900-950⁰C. Czas nawęglania 8 godzin.

Grubość warstwy 0,5-2,5mm.

AZOTOWANIE

Nasycenie powierzchniowej warstwy elementów stalowych maszyn azotem, duża twardość powierzchni odporność na ścieranie i zmęczenie, zwiększona odporność korozyjna. Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszeniu cieplnym dzięki czemu nie wymagają większej obróbki. Temperatura procesu 500-600⁰C. Głównym czynnikiem utwardzającym są azotki. Odmiany azotowania to:

1. azotowanie jonowe

2. tlenoazotowanie

3. impulsowe jonowe azotowanie

4. azotowanie lawinowe

5. hydromagnetodynamiczne

WĘGLOAZOTOWANIE

Jednoczesne nasycenie powierzchni stali węglem i azotem. Połączenie dyfuzji węgla i azotu w jednej operacji prowadzi do skrócenia czasu obróbki, gdyż azot przyśpiesza dyfuzję węgla i na odwrót. Im temperatura procesu jest wyższa tym warstwa dyfuzyjna jest bogatsza w węgiel i uboższa w azot i na odwrót. Odmiany węgloazotowania:

1. kąpielowe

2. wysokotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe

3. niskotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe

4. siarkocyjanowanie

5. węgloazotowanie gazowe

SIARKOWANIE DYFUZYJNE

Do narzędzi do przeróbki plastycznej i skrawających w celu zwiększenia odporności na ścieranie polega na wykorzystaniu kąpieli solnych na osnowie rodanku potasowego-80% i sodowego-15% reszta to Na₂S₂O₃. Oczyszczone dokładnie elementy zanurza się w kąpieli o temperaturze ok. 220⁰C i podłącza do bieguna który jest polaryzowany przemiennie dodatnio przez dłuższy czas niż ujemnie. Drugim biegunem jest tygiel. Gęstość prądu 2,4-4 A/cm². Czas procesu 10min. Powstała warstwa ma doskonałe własności smarujące.

BOROWANIE

Celem jest uzyskanie bardzo twardej odpornej na ścieranie warstwy. Polega na nasyceniu powierzchni stali borem. Borowanie może być w ośrodkach:

1. stałych

2. ciekłych

3. gazowych

4. jonowe

METALIZOWANIE

Polega na nasyceniu części maszyn pierwiastkami, które tworzą z pierwiastkami roztwory substytucyjne i dyfundują mechanizmem wakancyjnym ( aluminiowanie, chromowanie, krzemowanie). Powierzchnia metalu pokrywa się jak gdyby warstewką stali wysokostopowej co powoduje zwiększenie trwałości narzędzia. Proces ten tak jak pozostałe może być w ośrodkach:

1. stałych

2. ciekłych

3. gazowych

OBRÓBKA CIEPLNA PO NAWĘGLANIU

Daje powierzchni dużą twardość i odporność na ścieranie.

• hartowanie bezpośrednio po nawęglaniu (gruboziarnista struktura rdzenia co prowadzi do obniżenia własności plastycznych)

• hartowanie podwójne -pierwsze w oleju potem w wodzie

OBRÓBKA CIEPLNA PO BOROWANIU

• hartowanie z odpuszczeniem

• hartowanie izotermiczne czyli poprawienie własności rdzenia

2. Przebieg ćwiczenia.

Przed przystąpieniem do obserwacji próbki zostały poddane polerowaniu czyszczeniu i trawieniu.

a) próbka 4.0 (nawęglona)

Widoczna struktura: nadeutektoidalna siatka cementytu po granicach ziaren perlitu (głębiej warstwa eutektoidalna-perlit i podeutektoidalna - perlit+ferryt), wewnątrz próbki struktura ferrytyczna z małą ilością perlitu. Próbka trawiona nitalem.

b) próbka 4.1 (nawęglona zahartowana)

Widoczny od powierzchni w kierunku rdzenia martenzyt pod postacią igieł oraz wydzielin cementytu dalej bainit również pod postacią igieł i drobny ciemny perlit na jasnym tle ferrytycznym.

c) próbka 4.2 (po azotowaniu)

Widoczny od powierzchni w kierunku rdzenia nietrawiący się azotek Fe₂N jasny nietrawiący się roztwór stały składający się głównie z Fe₂N będący prawie czystym azotkiem. Ciemna mieszanina eutektoidalna Fe₄N składająca się z roztworów kryształów stałych ferrytu azotowego oraz jasny nie trawiący się ferryt azotkowy. Wewnątrz struktura sorbistyczna.

3.Wnioski.

Po wytrawieniu powierzchnia próbek jest otoczona ciemną warstwą co świadczy , że próbka była po obróbce. Jest to obszar, który nie uległ wytrawieniu. W próbce nr.4.1 nie zostały uwidocznione igły cementytu co świadczy o zbyt krótkim czasie trawienia.

---