Przemiana perlityczna (austenit-perlit)

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie A_r1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zawana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodząca przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie - na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości C­_α umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu. Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu. Przemiana perlityczna przebiega również przez wzrost czołowy utworzonych wcześniej płytek.

Utworzone kolonie perlitu mają kształt kulisty, gdyż szybkości dobudowania nowych płytek i ich rozrostu czołowego są jednakowe. W wyniku dyfuzji węgla do płytek cementytu następuje zróżnicowanie składu chemicznego austenitu przed frontem przemiany. Grubość płytek cementytu jest ok. siedmiokrotnie mniejsza od grubości płytek ferrytu. Przy stałej temperaturze, grubości płytek każdej z faz perlitu są prawie stałe i nie zależą od wielkości i jednorodności austenitu, z którego powstają. Obniżaniu temperatury przemiany towarzyszy zmniejszanie się odległości między płytkami perlitu.

Szybkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania i szybkości wzrostu. Funkcja szybkości zarodkowania perlitu od czasu jest nieliniowa i wykazuje okres inkubacyjny. Przy małym przechłodzeniu szybkość zarodkowania jest b. mała, a szybkość rozrostu - duża. W związku z tym w opisanych warunkach tworzą się nieliczne jedynie kolonie perlitu o b. dużych wymiarach.

Przemiana bainityczna

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450-200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze M_s zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenztenzytyczna. W obszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania b. drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu, ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytyczej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika ε, a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie, a nie szybkością przemiany martenzytycznej.

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się: bainit górny i bainit dolny. Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego. Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego.

Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury M._s, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej v_k­. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany M_s, do temperatury M._f - jej końca. Wartości temperatury M._s i M._f zależą od skladu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, tj. zarodków pierwotnych, którymi mogą być błędy ułożenia, źródła Franka-Reada, defekty sieciowe w austenicie, w tym pętle dyslokacji i równolegle ułożone dyslokacje śrubowe. Zarodkami przemiany martenztycznej są embriony, które przekraczają wielkość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza polegająca na przyspieszeniu zarodkowania. Tworzące się zarodki odkształcają bowiem otaczającą osnowę i sprzyjają powstawaniu nowych zarodków.

Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu. Wszystkie atomy podlegają małym przemieszczeniom o ułamek odległości międzyatomowej względem atomów sąsiednich. W wyniku tego następuje charakterystyczny relief powierzchni austenitu, związany z nachyleniem powierzchni odpowiadającym każdej płytce lub listwie martenzytu. Granice ziarn martenzytu są położone wzdłuż nieodkształconej i nie ulegającej obrotowi płaszczyzny austenitu, zwanej płaszczyzną habitus. Płaszczyzna habitus jest zwykle zbliżona do {225}_γ - w przypadku powstawania martenzytu listwowego lub {259}_γ - w przypadku tworzenia się martenzytu płytkowego.

Przemiana martenzytyczna może przebiegać:

• atermicznie przez tworzenie się kryształów martenzytu z austenitu w ciągu 10^-7 s bez aktywacji cieplnej,

• wybuchowo w kilku wybuchach zachodzących wyłącznie poniżej 0°C,

• izotermicznie, zwłaszcza gdy temperatura M._s jest wysoka, a przemiana jest funkcją czasu i zależy od małej szybkości zarodkowania aktywowanego cieplnie. Przemianę martenzytyczną ułatwiają naprężenia rozciągające i odkształcenie plastyczne. Temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu odkształconego plastycznie w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji jest oznaczana M._d i jest wyższa od temperatury M._s stali nieodkształconej plastycznie przed rozpoczęciem przemiany.

W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martnzytu: listwowy i płytkowy.

Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji wewnątrz kryształów wykazujących najczęściej komórkową podstrukturę dyslokacyjną. Pojedynczy kryształ ma kształt listwy o szerokości 0,1-3 μm i w stosunku wymiarów ok. 1:7:30. Listwy tworzące się w kierunku <111〉_α martenzytu układają się równolegle względem siebie tworząc tzw. pakiety. Sąsiednie listwy wykazują granice niskokątowe lub bliźniacze, natomiast pakiety między sobą tworzą granice szerokokątowe, nierzadko o wzajemnej orientacji bliźniaczej. Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach stężeń pierwiastków stopowych. Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek o powierzchni w różnym stopniu nieregularnej w zależności od stopnia zbliźniaczenia. Wielkość płytek jest zróżnicowana, gdyż powstają niezależnie. Wzrost płytki kończy się na wadach struktury austenitu lub na sąsiednich, wcześniej utworzonych płytkach martenzytu. Płytki martenzytu mogą być zbliźniaczone całkowicie lub częściowo. W martenzycie częściowo zbliźniaczonym środkowa część płytki powstaje w postaci drobnych, równoległych bliźniaków przemiany zwanych midribem. Zewnętrzna część płytki tworzy się w wyniku poślizgu.

Objętość właściwa martenzytu jest o ok. 3% większa od objętości właściwej austenitu, w wyniku czego w nieprzemienionym austenicie powstają silne naprężenia ściskające, hamujące lub całkowicie zatrzymujące dalszą przemianę. Przemiana nie przebiega więc w całej objętości i dlatego po jej zakończeniu w strukturze stali pozostaje pewna ilość austenitu, zwanego austenitem szczątkowym. W wyniku stabilizacji, w przypadku wytrzymania izotermicznego podczas chłodzenia w zakresie między temperaturami M_s i M_f, udział austenitu szczątkowego w stali zwiększa się. Udział austenitu szczątkowego wzrasta również wraz ze zwiększeniem stężenia węgla w stali.

Wyżarzanie

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliżonych do stanu równowagi.

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050-1200°C o ok. 100-200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwidacją. Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie ciągliwości metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno. Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niżej od A_c1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat. Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyższej od A_c3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury. Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopwych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyżej od A_c3, A_Ccm­ (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym b.wolnym chłodzeniu w zakresie temperatury między A_c3 i A_Ccm­, a A_c1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50°C wyżej od A_c1, wygrzanu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od A_c1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900-1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500-550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno. Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczanie), polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_c1, wygrzaniu w tej temperaturze, b. wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczena. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od A_c1 (przy zmianach temperatury w zakresie ± 20°C wokół A_c1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury A_c1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od A_c1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.

Odpuszczanie

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od A_c1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być: niskie, średnie, wysokie. Odpuszczanie niskie jest wykonywane w temperaturze 150-200°C i stosowane głównie do narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250­-500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość. Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od A_c1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznch stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności R_e.

Struktury stali odpuszczonych. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu tetragonalnego z dyspersyjnymi węglikami typu ε oraz austenitu szczątkowego. Martenzyt średnioodpuszczony cechuje się małym odkształceniem tetragonalnym oraz dyspersyjnymi wydzieleniami cementytu. Martenzyt wysokoodpuszczony nie jest przesycony węglem i charakteryzuje się b. małą gęstością dyslokacji, stając się podobny do ferrytu. Występują w nim natomiast wydzielenia cementytu, w dużej mierze skoagulowane. W stalach stopowych wydzielają się węgliki stopowe, ulegające również koagulacji w wyższych temperaturach odpuszczania. Po wysokim odpuszczaniu w strukturze stali stopowych nie ma już austenitu szczątkowego, lub jego udział jest niewielki.

Hartowanie i niskie odpuszczanie wykonane łącznie są utwardzaniem cieplnym. Hartowanie wysokie i odpuszczanie stanowią łącznie tzw. ulepszanie cieplne. Miarą ulepszania cieplnego jest stosunek R_e : R_m.

Przemiany w stali podczas odpuszczania

Podczas wygrzewania w temperaturze niższej od A₁ i studzenia stali uprzednio zahartowanej zachodzą w niej liczne przemiany fazowe. Należą do nich: rozkład martenzytu, przemiana austenitu szczątkowego w fazę α, wydzielanie węglika ε i cementytu, a w stalach stopowych również innych węglików, koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania. Siłą pędną przemian podczas odpuszczania jest różnica energii swobodnej między metastabilnym martenzytem a mieszaniną faz złożoną z ferrytu i węglików. W zależności od warunków odpuszczania, głównie zaś temperatury, można wyróżnić kilka stadiów tego procesu, w których przeważa jedna z przemian. Śledzenie przemian podczas odpuszczania umożliwiają badania dylatometryczne. Pierwsze stadium odpuszczania stali węglowych - w zakresie ok. 80-200°C - jest związane z rozkładem martenzytu i wydzielaniem w nim węglika ε są koherentne z osnową. Wydzielanie węglika ε wywołuje zmniejszenie stężenia węgla w martenzycie. Zmniejszenie stopnia przesycenia martenzytu węglem powoduje z kolei zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzenie się martenzytu o sieci regularnej, zwanego martenzytem odpuszczonym.

Odpuszczanie w stadium drugim - w zakresie ok. 200-

300°C - wywołuje przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony według mechanizmu zbliżonego do przemiany bainitycznej.

Trzecie stadium odpuszczania - w zakresie ok. 300-400°C - polega na rozpuszczaniu się węglika ε w osnowie i niezależnym wydzielaniu się cementytu.

W kolejnym stadium odpuszczania zachodzi koagulacja cząstek tej fazy, związana ze zwiększaniem się niektórych cząstek cementytu i rozpuszczaniem cząstek małych. Towarzyszy temu sferoidyzacja, polegająca na przyjmowaniu przez cząstki cementytu kształtu kulistego. W wyniku tego uzyskuje się strukturę martenzytu wysokoodpuszczonego (zwanego niekiedy sorbitem), złożonego z b. drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytycznej.

Odpuszczanie w temperaturze wyższej od ok. 600°C powoduje koagulację cementytu, której towarzyszą procesy zdrowienia i rekrystalizacji osnowy. W wyniku tego uzyskuje się strukturę sferoidytu, tj. cementytu kulkowego w osnowie ferrytu o twardości mniejszej od 300 HB.

Naprężenia własne i wady hartownicze

W wyniku procesów technologicznych, głównie obróbki cieplnej, obróbki plastycznej, odlewania lub spawania, w elementach metalowych mogą występować naprężenia własne, niezależnie od przyłożonych naprężeń zewnętrznych. W zależności od zasięgu działania naprężenia własne można podzielić na: naprężenia I rodzaju, obejmujące cały przedmiot i powodujące głównie zmiany wymiarów, a także odkształcenia lub pęknięcia związane z obróbką cieplną, naprężenia II rodzaju, występujące w ziarnach, napr. III rodzaju, istniejące w sieci przestrzennej kryształu. Rozkład i wartość naprężeń własnych zależą m.in. od wielkości i kształtu przedmiotu, szybkości chłodzenia, gatunku, struktury, hartowności, przewodnictwa cieplnego i współczynników rozszerzalności temperaturowej stali.

Ze względu na przyczyny powstawania naprężenia własne i wywołane przez nie odkształcenia możemy podzielić na:

naprężenia cieplne, powodowane nierównomiernymi dylatacyjnymi zmianami wymiarów w wyniku gradientu temperatury podczas grzania i chłodzenia oraz naprężenia strukturalne, wywoływane przemianami fazowymi i związanymi z tym zmianami objętości właściwej faz.

Pęknięcia hartownicze

Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają w temperaturze niższej od M._s, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia węgla w stali, podwyższeniem temperatury hartowania i zwiększeniem szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych może być również występowanie karbów, gwałtownej zmiany przekroju lub miejscowych zagłębień i występów. Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie tworzeniu tych wad polega na unikaniu karbów, hartowaniu z możliwie najniższej temperatury, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami początku i końca przemiany martenzytycznej.

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanzację procesów technologicznych obróbki cieplnej. W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, kontaktowe, elektrolityczne. Podczas hartowania indukcyjnego grzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym cieplnie przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wzbudnik I, tj. cewkę zasilaną prądem wytwarzanym przez generatory prądu zmiennego. Chłodzenie może być wykonywane przez zanurzenie przedmiotu w kąpieli chłodzącej lub natrysk cieczy chłodzącej bezpośrednio we wzbudniku. Indukcyjnie są hartowane zwykle wałki, koła zębate, zawory, rolki, sworznie, prowadnice i inne przedmioty, często b. drobne.

Obróbka cieplno-chemiczna stali

Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów umożliwiających 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 użytkowych. Celem obróbki cieplno-chem. jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie trybologiczne, o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększenie odporności elementów na zmęczenie lub poprawa niektórych własności fizycznych powierzchni. Podczas dowolnego sposobu obróbki cieplno-chemicznej przebiegają jednocześnie trzy procesy fizykochemiczne:

1) powstawanie aktywnych atomów w środowisku otaczającym przdmiot obrabiany, 2) adsorpcja zachodząca na styku przedmiotu ze środowiskiem, 3) dyfuzja zachodząca w materiale obrabianego przedmiotu.

Aktywne atomy jednego lub kilku pierwiastków nasyconych powstają w wyniku reakcji dysocjacji, wymiany lub redukcji. Ten proces składowy obróbki cieplno-chemicznej jako jedyny może przebiegać w sposób odizolowany od pozostałych. Umożliwia to uzyskanie, np. aktywnych gazów, w specjalnych generatorach, niezależnie od reakcji przebiegających w metalu podczas obróbki cieplno-chemicznej.

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 nienasycone rdzenie atomów występujące na powierzchni metalu. Zjawisko to jest nazywane adsorpcją fizyczną. Adsorpcja chemiczna jest związana z tworzeniem warstewki fazy międzymetalicznej złożonej z atomów metalu i ośrodka adsorbowanego.

Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Ogólnie można stwierdzić, że procesy dyfuzji są zależne od temperatury, czasu i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków. Od czynników tych zależy zatem grubość i struktura warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku obróbki cieplno-chemicznej. Prawa Ficka opisują następujące zależności: Pierwsze prawo Ficka określa strumień dyfuzji J składnika nasycającego:

gdzie: D - współczynnik dyfuzji, dc/dx - gradient stężenia pierwiastka dfundującego, Q - energia aktywacji dyfuzji, k - stała Boltzmanna, T - temperat. w skali bezwzględnej, D₀ - stała, zależna od struktury krystalicznej metali.

Nawęglanie

Nawęglanie polega na nasycanu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temperaturze 900-950°C. O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5-2 mm, decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutekoidalnej

Istnieją następujące metody nawęglania: w ośrodkach stałych, w roztopionych solach, gazowe, w złożach fluidalnych, próżniowe oraz jonizacyjne.

Twardość stali węglowej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250-300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej; w szczególności dąży się do: 1) otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej, 2) zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC, 3) zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałściowych w nie nawęglonym rdzeniu.

Obecnie stosuje się cztery sposoby obróbki cieplnej przedmiotów nawęglonych:

• hartowanie bezpośrednie,

• hartowanie bezpośrednie z ochładzaniem (zmniejsza wrażliwość powstawania pęknięć),

• hartowanie pojedyncze z normalizowaniem (ochładzanie w spokojnym powietrzu),

• hartowanie podwójne (od rdzenia do nawierzchni).

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno-chemicznej i cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń. W celu zapewnienia wymienionych własności nawęglanie jest stosowane m.in. w procesach technologicznych kół zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków łożysk tocznych o dużych wymiarach.

Azotowanie

Azotowanie polega na nasycanu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabanego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niższej od A_c1. Azotowanie może być: krótkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do kilku godzin, długookresowe - gdy wynosi kilkadziesiąt godzin. Przy stałej temperaturze azotowania struktura warstw wierzchnich obrabianej stali zależy od czasu tej operacji. Azotowanie przyczynia się do: zwiększenia twardości i odporności na ścieranie, podwyższenia zmęczeniowej wytrzymałości powierzchni, zwiększenia odporności na korozję. Istnieją następujące metody azotowania: w proszkach, gazowe, jonizacyjne i w złożach fluidalnych. Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu poddaje się przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze wyższej od temperatury azotowania. W niektórych przypadkach operacja odpuszczania może być połączona z operacją azotowania. Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej przedmioty azotowane nie mogą być poddane szlifowaniu.

Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali węglowych i stopowych, konstrukcyjnych i narzędziowych narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających. Azotowaniu poddaje się liczne elementy silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, koła zębate, wałki, tłoki, cylindry.

Stale stopowe i ich obróbka cieplna

Stal stopowa to stal do której wprowadzono pierwiastki w celu poprawienia jej własności. Oznaczenia: N - nikiel, H - chrom (stale konstrukcyjne), C - chrom (narzędziowe), W - wolfram, M - molibden, F - wanad (konstrukcyjne), V - wanad (pozostałe), G - mangan, S - krzem, K- kobalt, J - aluminium, T - tytan, Cu - miedź, B - bor.

Dodatki stopowe wprowadzane są do stali w celu:

• spowodowania określonych zmian strukturalnych,

• zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenia niektórych własności chemicz. lub fizycznych,

• zwiększenia hartowności,

• polepszenia efektywności i ułatwienia obróbki cieplnej.

Pierwiastki: Co, Mn, Ni, zwane austenitotwórczymi, w stopach żelaza powodują rozszerzenie obszaru występowania roztworu stałego γ. Przy odpowiednio dużych stężeniach tych pierwiastków jednofazowa struktura austenityczna występuje w całym zakresie poniżej temperatury solidusu. Pierwiastki zwane ferrytotwórczymi,np. Cr, V, Al, Si, Ti, Mo, W, ograniczają w stopach zelaza występowanie roztworu stałego γ. Przy dostatecznie dużym stężeniu tych pierwiastków w stanie stałym w całym zakresie temperatury (od temperatury pokojowej do solidusu) występuje więc struktura roztworu stałego α. Wszystkie pierwiastki stopowe przesuwają do mniejszego stężenia węgla położenie punktu eutektoidalnego oraz punktu E granicznej rozpuszczalności węgla w austenicie. Przesunięcie linii SE do mniejszego stężenia węgla, powodowane przez wszystkie niemal pierwiastki stopowe, sprzyja wydzielaniu węglików wtórnych przy stężeniach węgla mniejszych niż w stalach węglowych. Niemal wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w roztworach stałych w sposób znaczący decydują o przebiegu przemian strukturalnych zachodzących podczas obróbki cieplnej. W szczególności wpływ ten dotyczy procesów tworzenia i ujednorodniania austenitu w czasie nagrzewania stali, kinetyki przemian tej fazy podczas chłodzenia oraz związanej z tym hartowności stali. Pierwiastki przejściowe cechujące się dużym powinowactwem chemicznym do węgla, szczególnie Cr, W, Mo, V, Ti, Nb oraz Fe, tworzą w stalach fazy międzywęzłowe: węgliki o strukturach złożonych, tj. M₃C, M₂₃C₆, M₇C₃, M₆C, oraz węgliki o strukturach prostych MC i M₂C. Podczas obróbki cieplnej węgliki ulegają rozpuszczeniu w austenicie, wpływając na zmianę własności tej fazy, głównie na hartowność i kinetykę przemian austenitu przechłodzonego. Zróżnicowana rozpuszczalność węglików w austenicie decyduje o wielkości ziarna i składzie chemicznym austenitu. Nie rozpuszczone węgliki utrudniają bowiem rozrost ziarn austenitu. Dopiero po nagrzaniu stali do odpowiednio wysokiej temperatury, nierzadko zbliżonej do temperatury solidusu, następuje zwykle rozpuszczenie znacznej liczby węglików, czemu towarzyszy znaczny rozrost ziarn austenitu.

---