24.04.2007

Wykład 8

Azotowanie - to nasycanie warstwy azotem. Powstaje warstwa azotków, które nadają warstwie wysoką twardość, odporność na ścieranie i wytrzymałość zmęczeniową.

Azotowanie możemy podzielić na:

• Długookresowe (20 - 100 h)

• Średniookresowe (4 - 20 h)

• Krótkookresowe (0,5 - 4 h)

Temperatura azotowania jest niższa niż w przypadku nawęglania. Azotowanie prowadzimy w osnowie ferrytycznej.

Po azotowaniu w wyższej temperaturze twardość materiału nie uzyska maksymalnej twardości ze względu na koagulację azotków.

Warstwa azotków może się składać z fazy ε (Fe₂N) lub ε + γ' (Fe₄N). Azotki ε charakteryzują się dużą kruchością i porowatością.

Poniżej strefy azotków γ' występuje strefa azotowania wewnętrznego.

Azotowanie jonowe (jonizacyjne) - czynnik jonizujący: azot bądź amoniak, który wpuszczony do pieca pod ciśnieniem 100 - 1000 kPa i podłączany prąd o napięciu od 1000 do 2500 V. Napięcie powoduje wyładowanie jarzeniowe. Element azotowany zaczyna świecić. Następuje jonizacja gazu i w polu elektrycznym dodatnie jony azotu są przyspieszane i bombardują tą powierzchnię azotowaną. W trakcie tego procesu wydziela się ciepło, które ułatwia dyfuzję atomów azotu.

Azotowanie w dysocjowanym amoniaku - gazem nośnym jest amoniak, który jest oczyszczony i osuszony. Niewielkie ciśnienie amoniaku 50 - 100 Pa. Prowadzi się go w temperaturze 550°C i trwa, 30 - 40 h. Żeby przyśpieszyć proces azotowania można przeprowadzić węgloazotowanie (węgiel przyspiesza dyfuzję azotu i odwrotnie). Węgloazotowanie powoduje, że na powierzchni pojawia się warstwa azotków i węglików.

Proces węgloazotowania prowadzony jest w ośrodkach ciekłych lub gazowych. Jeśli gazowe, to gazem jest mieszanina amoniaku oraz gazu nawęglającego.

Węgloazotowanie kąpielowe polega na nasyceniu warstwy wierzchniej azotem i nieznacznie węglem, w kąpielach cyjankowych lub cyjankowo-cyjanianowych, w temperaturze 540-570°C. W wyniku węgloazotowania kąpielowego, podobnie jak gazowego, uzyskuje się zwiększenie odporności narzędzi na ścieranie, zmniejszenie skłonności do powstawania narostów i przyczepności cząstek materiału obrabianego z narzędziem, polepszenie warunków tarcia, zwiększenie odporności na korozję oraz odporności na działanie wysokich temperatur. W efekcie prowadzi to do zwiększenia trwałości narzędzi.

Atmosfery azotujące stanowią pewne niebezpieczeństwo, gdyż są to atmosfery silnie wybuchowe. Zanim będziemy azotować, piec należy przepłukać argonem lub azotem. Po skończonym azotowaniu należy również przepłukać piec, żeby uniknąć wybuchu.

Stale, które można azotować:

• Stopowe

• Średniowęglowe

• Konstrukcyjne

Twardość stali po azotowaniu dochodzi do 1200 HV.

Borowanie powoduje powstanie warstwy borków. Borki mają większą twardość niż azotki (mają twardość 2000 HV).

Warstwa borków Fe₂B jest bardziej krucha.

Borowaniu poddajemy stale średniowęglowe. Proces ten prowadzony w temperaturze 900 - 1000°C. Trwa od kilku do kilkunastu godzin. Otrzymujemy na powierzchni warstwę borków o grubości od kilku do kilkunastu mm. Po borowaniu można przeprowadzić hartowanie.

Chromowanie

Na powierzchni powstanie warstwa chromu lub węgliki chromu. Węgliki chromu powstaną w procesie chromowania dyfuzyjnego. Temperatura procesu wynosi 1000°C. Żeby wytworzyć warstwę twardą, odporną na ścieranie, procesowi musimy poddać stale średnio- lub wysokowęglowe. Gdybyśmy chromowali stale niskowęglowe, nie powstanie warstwa węglików chromu.

Po kilku godzinach chromowania mamy warstwy o grubości kilkudziesięciu mm.

Proces stosujemy do wykonywania narzędzi, chromujemy stale narzędziowe.

Chromowanie galwaniczne

Powstają warstwy chromu na powierzchni. Proces ten prowadzimy w kąpieli galwanicznej (roztwór bezwodnika kwasu chromowego z dodatkiem kwasu siarkowego), dodatkowo podłączamy źródło prądu, aby zachodził proces osadzania na powierzchni. Gęstość prądu wynosi 30 - 50 A/dm². ten proces można podzielić na:

• Chromowanie dekoracyjne

• Chromowanie galwaniczne

Chromowanie dekoracyjne prowadzone jest na podwarstwach niklu i miedzi. Na te warstwy nakładamy warstwę chromu. Warstwa ta charakteryzuje się niewielką grubością - od kilku do kilkudziesięciu μm. Warstwa szczelna, odporna na korozję. Zabezpiecza warstwę przed uszkodzeniem.

W przypadku chromowania technicznego na wyrób nakładamy warstwę chromu o grubości ok. 0,5 mm. Warstwy bardziej porowate. Aby zapewnić ich szczelność nakładamy grubszą warstwę.

Twardość warstwy chromu wynosi 1000 - 1200 HV. Proces chromowania technicznego stosuje się na narzędziach np. części silników, możemy regenerować zużyte elementy.

Elementy, na które nakładamy chrom dekoracyjny wykorzystuje się w przemyśle motorniczym. Zabezpiecza przed zużyciem i ma charakter dekoracyjny.

STOPY ODLEWNICZE ŻELAZA Z WĘGLEM

Stosujemy je, gdy proces odlewania jest najkorzystniejszą techniką wytworzenia wyrobu, gdzie wykonujemy formę odlewniczą, do której wlewamy stop.

Stopów odlewniczych nie przerabiamy plastycznie.

STALIWA

Od stali różnią się tym, że nie są przerobione plastycznie. Możemy mieć staliwa stopowe i niestopowe.

Charakteryzują się małą lejnością (staliwo słabo wypełnia formę odlewniczą), duży skurcz odlewniczy (2%).

Do odlewów staliwnych musimy zastosować nadlewy, żeby doprowadzić jamę skurczową do nadlewu.

Staliwa węglowe można podzielić na niskowęglowe (poniżej 0,2%), średniowęglowe (0,25 - 0,4%) i wysokowęglowe (0,45 - 0,6%).

Niskowęglowe - odlewy obciążone udarowo, większa plastyczność.

Średniowęglowe - odlewy obciążone statycznie i dynamicznie

Wysokowęglowe - odlewy statyczne

Własności mechaniczne staliw są podobne do właściwości mechanicznych stali.

Staliwa stopowe

Staliwa stopowe oznaczamy:

L - staliwo stopowe

L20 - zawartość setna %

Po oznaczamy główne dodatki stopowe.

Wg norm europejskich.

L25HM - norma polska

G25CrMo4 - norma europejska

G - staliwo konstrukcyjne stopowe

Cr - chrom

Mo - molibden

4 - zawartość chromu

Staliwo stopowe charakteryzuje się większą wytrzymałością (1000MPa), stosujemy je po wyżarzaniu normalizującym (ferrytyczno - perlityczna struktura) albo ulepszeniu cieplnym (struktura sorbityczna).

Proces wyżarzania odprężającego - 500°C, usunięcie naprężeń powstałych podczas krzepnięcia stali, 1h/25mm przekroju.

Ze względu na dodatki stopowe wyróżnia się następujące staliwa stopowe:

• Niskostopowe (2,5%)

• Średniostopowe 2,5 - 5%)

• Wysokostopowe (powyżej 5% dodatków)

Ze względu na zastosowanie:

• Konstrukcyjne (ogólnego przeznaczenia, do pracy w podwyższonej temperaturze, odpornych na ścieranie)

• Odporne na korozję (wysokochromowe, chromowo - niklowe, chromowo - niklowo-manganowe)

• Żaroodporne i żarowytrzymałe (wysokochromowe, ferrytyczno - austenityczne, austenityczne

Staliwa Hadfielda

Stal odporna na zużycie - staliwo, w którym następuje bardzo powolne zużycie powierzchowne, tzw. ścieranie. Jest stalą wysokowęglową zawierającą 11 do 14% manganu. Jest tak twarda, że nie daje się jej obrabiać skrawaniem. Gotowe elementy odlewa się w formach, dlatego choć nazywana jest stalą, technicznie jest staliwem.

Najbardziej znaną stalą odporną na zużycie, w tym wypadku na ścieranie, jest tzw. stal Hadfielda. Jej odkrycie nastąpiło przypadkowo, kiedy zauważono, że w niektórych kopalniach kły koparek zużywają się wolniej niż w innych. Szczegółowa analiza składników złóż wykazała zwiększoną zawartość manganu w tych, w których kły się wolniej zużywały. Wyroby ze stali Hadfielda obrabiane są w taki sposób, że mangan tworzy znacznej wielkości ziarna w strukturze stali.

Stale odporne na zużycie stosowane są na: gąsienice pojazdów gąsienicowych, kły koparek, rozjazdy kolejowe, tramwajowe itp.

Staliwa po procesie odlewania mają mikrostrukturę staliwa Widmastatena.

STALIWA

2,1% węgla

Nie zawierają eutektyki

ŻELIWA

Stopy żelaza z węglem

Powyżej 2,1%

Zawierają eutektykę

---