Obróbka cieplna - jest to zestaw odpowiednio dobranych zabiegów cieplnych, które poprowadzą do zmiany w stanie stałym własności stali (lub innych stopów). Zmiany te są związane z przemianami fazowymi, których efektem jest przebudowa struktury.

Zabieg cieplny - część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie).

Operacja o. c. - jest to część procesu technologicznego np. wyżarzanie, hartowanie. Stanowi cykl zmian temperatury obejmujący zabiegi nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia.

Parametry przemian fazowych - o przemianach fazowych decydują: temperatura, czas, szybkość nagrzewania i chłodzenia. Czas nie odgrywa roli w przemianie bez dyfuzyjnej (martenzytycznej), natomiast w przemianach dyfuzyjnych jest istotnym czynnikiem.

Nagrzewanie - podnoszenie temp.

Wygrzewanie - utrzymanie temp. na stałym poziomie

Grzanie - nagrzewanie z wygrzewaniem

Podgrzewanie - nagrzewanie do temp. pośredniej

Dogrzewanie - nagrzewanie do temp. końcowej

Chłodzenie - ciągłe lub stopniowe obniżanie temp.

Studzenie - powolne chłodzenie (w piecu, na powietrzu)

Oziębianie - szybkie chłodzenie (w wodzie, w oleju)

Wymrażanie - ochłodzenie i wytrzymanie materiału poniżej 0⁰C

Austenityzowanie - grzanie mające na celu otrzymanie struktury austenitycznej

Rozpuszczanie - grzanie mające na celu rozpuszczenie wydzieleń i otrzymanie jednorodnego roztworu stałego.

Klasyfikacja obróbki cieplnej stali

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 likwacją.

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac1 wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta 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 stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Ac cm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

Wyżarzanie niezupełne - polega na nagrzaniu stali do temp. 30-50⁰C wyższej od temp. Ac­₁ (czyli między Ac₁ - Ac₃ dla stali podetuektoidalnych lub Ac₁ i Ac_cm­ dla stali nadeutektoidalnych. Cel obróbki jest analogiczny jak przy wyżarzaniu zupełnym, z tym ż w tym przypadku ulega przekrystalizowaniu tylko perlit.

Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 - 50°C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1 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.

Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu stali do

temperatury zbliżonej do Ac1 wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia.

Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od

temperatury Acx (przy zmianach temperatury w zakresie ± 20°C wokół Ac1 ), a także z

wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1 po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1 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.

Wyżarzanie perlityzujące (perlityzowanie) - polega na ostudzeniu stali do temp. niższej od Ar₁, tak aby nastąpiła przemiana perlityczna, po czym nagrzewa się ją ponownie do temp. austenityzowania celem zahartowania. W wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, gdyż zawsze następuje to przy nagrzewaniu powyżej Ac₁. Zwiększa to dyspersję martenzytu i poprawia własności.

Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 550÷650°C. Poddaje się mu wyroby wcześniej obrabiane plastycznie na zimno w celu usunięcia niekorzystnego wpływu zgniotu.

Wyżarzanie odprężające - przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 400÷500°C. W tych temperaturach stop zyskuje znaczną plastyczność, co umożliwia usunięcie wewnętrznych naprężeń (powstałych podczas krzepnięcia odlewu lub spoiny) poprzez zamienienie ich na odkształcenia plastyczne.

Hartowanie zwykłe - polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju.

hartowanie przerywane, podczas którego ochłodzony do ok. 300°C przedmiot zanurza się w oleju lub pozostawia na powietrzu, aby przemiana austenitu w martenzyt przebiegała wolniej w celu zmniejszenia naprężeń własnych i kruchości.

Hartowanie stopniowe - polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

Hartowanie izotermiczne (bainityczne) - celem obróbki jest uzyskanie struktury bainitu dolnego. Przeprowadzamy ją podobnie jak w przypadku hartowania stopniowego, z tym że czas wytrzymania w kąpieli izotermicznej powiększa się aż do zajścia przemiany baintycznej, po czym dalsze chłodzenie może następować w powietrzu.

Hartowanie powierzchniowe jest rodzajem obróbki powierzchniowej polegającej na wytworzeniu struktury martenzytycznej jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej dzięki szybkiemu nagrzewaniu tylko tej strefy. W wyniku tego uzyskujemy korzystną kombinację własności twarda powierzchnię odporną na ścieranie i zmęczenie oraz ciągliwy rdzeń.

Cel i proces odpuszczania - polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego elementu do temp. poniżej A₁, zwykle jednak nie wyżej niż ok. 550⁰C. Czas na ogół nie przekracza dwóch godzin. Niekiedy stosuje się trzykrotne odpuszczanie po jednej godzinie. Głównym celem jest poprawa ciągliwości materiału i zmniejszenie naprężeń, chociaż następuje to kosztem obniżenia jego twardości. Odpuszczanie może być niskie (100-250⁰C - stal węglowa, wyroby nawęglane i hartowane powierzchniowo, łożyska), średnie (250-450⁰C - resory, sprężyny), i wysokie (450-600⁰C - stale konstrukcyjne, narzędziowe do pracy na gorąco i szybkotnące).

Wpływ odpuszczania na własności stali - w przypadku stali węglowych i niskostopowych odpuszczanie powoduje spadek twardości i wytrzymałości, a wzrost ciągliwości (A­₅, Z, KC), ze wzrostem temp. i czasu odpuszczania. W stalach stopowych przy wysokim odpuszczaniu obserwuje się ponowny wzrost twardości związany z rozkładem austenitu szczątkowego i wydzieleniem dyspersyjnych węglików, co nazywamy utwardzeniem wtórnym.

Ulepszaniem cieplnym nazywamy obróbkę cieplną polegającą na zahartowaniu i średnim lub wysokim odpuszczaniu stali. Prowadzi ono do uzyskania najlepsze kombinacji własności wytrzymałościowych i plastycznych. Twardość i wytrzymałość spadają, ale ciągliwość (As, Z i KC) rośnie. Udarność jest bardzo wysoka, a stosunek R_e/R_m osiąga maksymalną wartość. Jedynym problemem może być kruchość odpuszczania II rodzaju (odwracalna), która może wystąpić w przypadku i powolnego chłodzenia stali stopowych po odpuszczaniu.

Ujemne skutki odpuszczania - Ujemnym skutkiem odpuszczania jest (poza spadkiem twardości) wystąpienie kruchości odpuszczania, polegającej na spadku udarności. W przypadku średniego odpuszczania jest to kruchość odpuszczania I rodzaju (nieodwracalna), która jest efektem przemiany austenitu szczątkowego, a także nierównomiernego rozkładu

martenzytu, który najłatwiej przebiega na granicach ziaren. Przy wysokim odpuszczaniu może wystąpić kruchość odpuszczania ii rodzaju (odwracalna), jeżeli szybkość chłodzenia stopowych stali konstrukcyjnych po odpuszczaniu jest mała. Kruchość ta jest spowodowana segregacja fosforu (i innych domieszek) do granic ziaren i może być usunięta przez ponowne podgrzanie stali do temperatury odpuszczania i szybkie oziębienie lub wprowadzenie do stali Mo w ilości 0,2 - 0,3%.

Utwardzanie wydzieleniowe stopów - Utwardzanie wydzieleniowe stopów polega na wydzieleniu w stanie stałym dyspersyjnych faz, które blokując ruch dyslokacji umacniają stop, tj. zwiększa się jego wytrzymałość i twardość, a maleje ciągliwość (A, Z). Utwardzenie wydzieleniu może być stosowane wyłącznie w stopach, w których istnieje zmienna rozpuszczalność składników z temperatura (malejąca z jej obniżaniem).

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch operacji:

1. Przesycania, mającego na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Dokonuje się przez nagrzanie stopu powyżej linii zmiennej rozpuszczalności (solvus) i szybkie oziębianie w wodzie.

2. Starzenia, polegającego na wytrzymaniu przesyconego elementu przy temperaturze pokojowej (starzenie naturalne lub samorzutne) lub podwyższonej (starzenie przyspieszone lub sztuczne) przez okres czasu potrzebny do wydzielenia dyspersyjnych cząstek. Ze wzrostem czasu starzenia następuje zwiększenie twardości, a ze zwiększeniem temperatury - obniżenie twardości stopu.

Stopy do utwardzania wydzieleniowego - przykładem takiego stopu jest technicznie czyste żelazo, w którym czynnikiem umacniającym są atomy węgla i azotu (patrz rys. 1.11). Przykładowo azot po przesyceniu od temperatury 550QC i starzeniu naturalnym może wywołać wzrost twardość do 240 HB. Stalą, stopową umacnianą za pomocą wydzieleń faz międzymetalicznych jest maraging (0.02% C, ok. 18% Ni, ok. 15% Co, 6,5% Mo i 1,1% Ti),

która może osiągać po starzeniu przy temperaturze 500 - 600°C wysoką wytrzymałość (2800 MPa). Spośród stopów metali nieżelaznych do utwardzenia wydzieleniowego nadają się durale i brązy berylowe.

Rodzaje przemian fazowych - Przemiany fazowe ogólnie dzielimy na dyfuzyjne i bezdyfuzyjne. W przemianach dyfuzyjnych główną rolę, oprócz temperatury, odgrywa czas. Zachodzą one poprzez zarodkowanie i rozrost zarodków. Przykładem przemian dyfuzyjnych są: przemiana perlitu w austenit, przemiana austenitu w perlit lub bainit, a także odpuszczanie

lub starzenie stopów. Przemianą bezdyfuzyjna jest przemiana martenzytyczna, która dzięki temu, że dyfuzja nie odgrywa w niej żadnej roli, może zachodzić z bardzo dużymi prędkościami.

Istota zarodkowania - Zarodkowanie w przemianach fazowych opiera się na prawach termodynamiki. Aby powstał zarodek nowej fazy, musi zostać utworzona granica międzyfazowa, posiadająca określoną energie, proporcjonalna do powierzchni zarodka. Energii tej musi dostarczyć układ. Z drugiej strony przemiana fazowa może zachodzić tylko

wtedy, gdy energia swobodna fazy wyjściowej jest większa niż fazy powstającej i w układzie wyzwala się energia, której wielkość jest proporcjonalna do objętości zarodka. Ta wyzwolona energia zostaje zużyta na wytworzenie powierzchni międzyfazowej i na zrównoważenie energii odkształcenia sprężystego (gdy objętość właściwa zarodka różni się od objętości fazy wyjściowej). Okazuje się, że ze wzrostem zarodka początkowo bilans energetyczny przemiany jest ujemny (tzn. mniej energii jest wyzwalane niż potrzeba do zachodzenia przemiany). Jednakże od pewnej wielkości zarodka (zwanej krytyczną v_k) bilans staje się dodatni. Jeśli w wyniku fluktuacji cieplnej w danym miejscu sieci zostanie dostarczona energia wystarczająca do powstania zarodka o wielkości nadkrytycznej. To taki zarodek jest trwały i może rozrastać się, bez przeszkód. W przeciwnym razie zarodek jest nietrwały i ulega rozpuszczeniu.

Sposoby zarodkowania - zarodkowanie może być homogeniczne, kiedy do jego zajścia wymagane są tylko fluktuacje energii w ośrodku i heterogeniczne, jeśli obiektem zarodkowania, a nierozpuszczone cząstki dobrze zwilżane przez nowo powstającą fazę. Zarodkowanie heterogeniczne zachodzi znacznie łatwiej niż homogeniczne. Niekiedy celowo dąży się. do zwiększenia liczby zarodków w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury odlewów, co osiąga się przez wprowadzenie do ciekłego stopu odpowiednich substancji. Nazywamy to modyfikacją stopu. Z zarodkowaniem heterogenicznym mamy także do czynienia wówczas, gdy zarodki powstają w miejscach o podwyższonej energii, np. na granicach ziaren lub dyslokacjach.

Przemiany fazowe - Są cztery podstawowe przemiany zachodzące w stalach. Dwie przebiegają przy nagrzewaniu. Jest to przemiana perlitu w austenit, która ma miejsce przy austenityzowaniu i przemiana martenzytu w perlit (ściślej mieszaninę, ferrytu i wąglików),

która zachodzi przy odpuszczaniu. Dwie pozostałe są związane z chłodzeniem stali: są to: przemiana austenitu w perlit (dyfuzyjna) i przemiana austenitu w martenzyt (bezdyfuzyjna).

Przemiana dyfuzyjna austenitu - Austenit jest nietrwały poniżej temperatury At i po ochłodzeniu poniżej tej temperatury rozpoczyna sie_ przemiana perlityczna, która ma charakter dyfuzyjny. Uważa się, że zarodkami tej przemiany są cząstki cementytu, które mogą zarodkować heterogenicznie na granicach ziaren austenitu. Jeżeli austenit zostanie silnie przechłodzony (poniżej ok. 500°C), wówczas zachodzi przemiana bainityczna, która również ma charakter dyfuzyjny, z tym że zarodkami tej przemiany są cząsteczki ferrytu.

Przemiana perlitu w austenit - w przypadku nagrzania perlitu powyżej A₁ perlit staje się nietrwały termodynamicznie i ulega przemianie w austenit. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny. Specyfiką tej przemiany jest to, że ze wzrostem temperatury jej szybkość gwałtownie rośnie, gdyż zwiększa się współczynnik dyfuzji kontrolującej tę przemianę.

Ponieważ zarodki przemiany powstają na granicach płytek perlitu, jego dyspersja sprzyja zachodzeniu przemiany. Z kolei duża jednorodność austenitu utrudnia powstawanie

zarodków i opóźnia przemianę.

Cel przegrzania stali o 30-50⁰C - Linia GS (Ac3) jest linią równowagi między mieszaniną ferrytu i austenitu i czystym austenitem. Stąd wniosek, że na tej linii szybkość przemiany ferrytu w austenit jest bardzo mała. Przegrzanie stali powyżej tej linii zwiększa siłę napędową

przemiany i zachodzi ona znacznie szybciej. Stąd wniosek, że przegrzewając stal o 30°C ponad GS możemy uzyskać strukturę austenityczną po krótszym czasie, eliminując ujemne skutki długotrwałego wygrzewania stali (utlenianie, odwęglenie, zużycie energii).

Hamowanie wzrostu ziarna austenitu - rozrost ziarna austenitu hamują dyspersyjne cząstki azotków aluminium, które powstają w wyniku reakcji aluminium, wprowadzanego do stali w ilości 0,5 - l,5 kg/Mg, z rozpuszczonym azotem. Dlatego stale te są nazywane drobnoziarnistymi. Azotki te rozpuszczają się jednak przy temperaturze ok. 950°C i z chwilą gdy bariery azotkowe znikną, zaczyna się szybki rozrost ziarna austenitu, które może osiągać wielkość nawet większą niż w stalach bez aluminium. W tych ostatnich, zwanych gruboziarnistymi, rozrost ziarna austenitu rozpoczyna się natychmiast po ukończeniu procesu austenityzowania.

Przegrzewalność stali - nazywamy skłonność austenitu stali do rozrostu ziarna. Własność ta jest bardzo istotna w procesie obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej stali i dlatego metody badania są ujęte w PN-EN. Zostały też opracowane metody klasyfikacji wielkości ziarna austenitu, które także są znormalizowane.

Dyfuzyjna przemiana austenitu - Istota przemiany dyfuzyjnej austenitu polega na tym, że szybkość tej przemiany jest kształtowana przez dyfuzję węgla w austenicie (D_C^Y) i szybkość zarodkowania nowych faz:, tj. węglików i ferrytu, a siłą napędową tej przemiany jest różnica energii swobodnej (ΔF) austenitu i mieszaniny faz (które powstają). Ponieważ ΔF

ma najmniejszą wartość tuż poniżej Ar₁, a D_c^y tuż powyżej M_s wynika stąd, że największa szybkość przemiany dyfuzyjnej austenitu jest osiągana pomiędzy tymi temperaturami, tj. przy ok. 500°C. Jest to więc temperatura najmniejszej trwałości austenitu w stalach węglowych. Powyżej tej temperatury zachodzi przemiana dyfuzyjna zwana perlityczną, a poniżej bainityczna (ta ostatnia cechuje się tym, że na skutek malej szybkości dyfuzji węgla mogą nie zostać osiągnięte składy równowagowe faz i rozkład austenitu może nie zajść do końca.

Przemiana dyfuzyjna austenitu w warunkach izotermicznych - Przebieg przemiany dyfuzyjnej austenitu w czasie jest analogiczny jak w przypadku wszystkich przemian dyfuzyjnych zachodzących poprzez zarodkowanie i krystalizacji, rekrystalizacji, starzenia), tzn. jest opisywany za pomocą tzw. krzywej S. Oznacza to, że przemiana jest poprzedzona tzw. okresem inkubacyjnym, koniecznym do powstania trwałych zarodków przemiany, po czym stopniowo szybkość jej wzrasta aż do osiągnięcia 50% przemiany, po czym szybkość jej stopniowo maleje.

Wykres CTPi - Wykres CTPi ilustruje postęp przemiany austenitu w warunkach izotermicznych (czas - temperatura - przemiana). Na osi rzędnych jest temperatura, a na os:

odciętych - czas. Od góry wykres jest ograniczony linia A₁ od dołu Unią M, Na wykresie znajdują się jeszcze dwie krzywe C. Lewa oznacza czasy początku rozkładu austenitu - prawa końca. Na lewo od pierwszej krzywej C istnieje austenit, między krzywymi C austenit + produkty jego rozkładu, a na prawo od drugiej krzywej C - tylko produkty rozkładu, przy czym między A₁ i temperaturą maksymalnej prędkości rozkładu będzie występował perlit, poniżej - bainit, a przy temperaturze pośredniej troostyt (drobny perlit). Bainit również jest zróżnicowany morfologicznie. Tuż powyżej Ms - jest to bainit dolny (iglasty), a powyżej ok. 300°C górny (pierzasty). W stalach pod- i nadeutektoidalnych przemianę perlityczna poprzedza wydzielanie z przechłodzonego austenitu odpowiednio ferrytu lub cementytu.

Mechanizm wzrostu perlitu - perlit, który jest mieszanina eutektoidalną ferrytu i cementytu powstaje drogą zarodkowania w austenicie, przy czym zarodki tworzą się głównie heterogenicznie na granicach ziaren austenitu. Po powstaniu zarodka, którym zwykle jest cząsteczka cementytu. następuje jego rozrost, co wiąże się ze zubożeniem austenitu w węgiel wokół rosnącego zarodka (węgiel jest wyciągany do cementytu). Spadek koncentracji węgla do poziomu odpowiadającego jego zawartości w ferrycie rozpoczyna zarodkowanie jego płytek, które z kolei wypychają węgiel przed swoim frontem, aż do momentu kiedy zaczynają zarodkować płytki cementytu. Kolonie perlitu mają charakter globularny na skutek tego, że szybkość ich czołowego wzrostu jest taka sama jak bocznego, gdyż wzrost w obydwóch kierunkach jest kontrolowany przez szybkość dyfuzji węgla w austenicie. Jeżeli austenit jest

gruboziarnisty, liczba zarodków perlitu jest mniejsza i są one bardziej odległe od siebie, co powoduje, że kolonie perlitu osiągają, większy wymiar, zanim dojdzie do ich zetknięcia. Wielkość kolonii perlitycznych nie pozostaje jednak w związku odległością między płytkami perlitu, która -jak wiadomo - zależy od temperatury przemiany i maleje z jej obniżaniem.

Odległość między płytkami wpływa głównie na twardość i wytrzymałość stali, natomiast wielkość kolonii perlitycznych wywiera wpływ na ciągliwość (K.C, Z).

Szybkość zarodkowania i wzrostu perlitu - Szybkość zarodkowania perlitu zależy od wielkości przechłodzenia poniżej Ar, gdyż w miarę wzrostu przechłodzenia rośnie siła napędowa przemiany. Powoduje to stopniowe skracanie okresu inkubacyjnego przemiany perlitycznej w miarę obniżania temperatury (rys. 1.15b). Drugim czynnikiem wpływającym na szybkość zarodkowania jest wielkość ziarna austenitu i jego jednorodność. Ponieważ zarodnik perlitu powstają na drodze heterogenicznej, mniejsze ziarno austenitu stwarza więcej

potencjalnych miejsc zarodkowania. Podobnie niejednorodność austenitu związana m.in. z istnieniem nierozpuszczonych cząstek cementytu, sprzyja zarodkowaniu i powoduje przemieszczenie krzywej początku przemiany w lewo. Jeśli chodzi o szybkość wzrostu perlitu, to jest ona opisana wzorem, z którego wynika, że jest proporcjonalna do różnicy stężeń węgla w austenicie pozostających w równowadze z ferrytem (ca) i cementytem (cc) i współczynnika dyfuzji węgla przy temperaturze przemiany i odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytkowej d. W miarę obniżania temperatury współczynnik dyfuzji węgla maleje, ale pozostałe czynniki działają w kierunku wzrostu szybkości przemiany. Dlatego też szybkość wzrostu perlitu wprawdzie wzrasta z przechłodzeniem, ale tempo tego wzrostu

stopniowo maleje.

Bainit - Bainitem nazywamy składnik strukturalny, który w stalach węglowych powstaje

poniżej temperatury maksymalnej nietrwałości austenitu i powyżej Ms. Struktura ta jest zróżnicowana morfologicznie w zależności od temperatury przemiany. Ogólnie biorąc stanowi ona mieszaninę ferrytu i węglików, z tym że > 300°C składa się z cementytu i przesyconego węglem ferrytu (zwana jest bainitem górnym, który ma wygląd pierzasty), natomiast poniżej 300°C powstaje bainit dolny składający się z węglika e (Fe;.4C o zawartości 8,4% C) i ferrytu przesyconego węglem. Posiada wygląd iglasty podobny do martenzytu i jest niewiele od mego bardziej miękki. Węgliki występujące w bainicie są bardzo dyspersyjne i mogą być ujawnione tylko za pomocą mikroskopu elektronowego.

W bainicie dolnym są jednak drobniejsze, co wyjaśnia jego większą twardość. Własności bainitu są uzależnione od temperatury, przy której powstaje. Twardość i wytrzymałość bainitu są pośrednie między własnościami perlitu i martenzytu i rosną w miarę obniżania temperatury przemiany, a ciągliwość maleje.

Przemiana bainityczna - ma charakter dyfuzyjny. Przebiega w zakresie temperatur poniżej ok. 500°C, gdy siła napędowa przemiany jest duża, ale współczynnik dyfuzji mały. To decyduje o specyfice tej przemiany (występowania węglika ε i nierównowagowego - przesyconego węglem ferrytu). Przemiana bainityczna rozpoczyna się od zarodkowania cząstek ferrytu po ochłodzeniu stali do pewnej temperatury Bs (ang. bainite stan), a kończy się przy temperaturze Bf (ang. Bainite finisz). Między temperaturami Bs i Bf przemiana nie zachodzi do końca i pozostały, nieprzemieniony austenit zmienia się, po ochłodzeniu w martenzyt Pojawiający się na powierzchni zgładu relief będący wynikiem przemiany bainitycznej wskazuje, że pewną role. Odgrywa przy tej przemianie mechanizm ścinania.

Różnica i podobieństwo między bainitem a martenzytem -martenzyt jest fazą, podczas gdy bainit jest mieszaniną faz. Wprawdzie bainit dolny jest morfologicznie podobny do martenzytu, ale trawi się bardziej intensywnie. Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna, zachodzi poniżej M4. a bainityczna jest dyfuzyjna i zachodzi powyżej M­_s. Istnieje jednak pewne podobieństwo obydwu przemian: obie zachodzą w zakresie temperatur pomiędzy temperaturą początku i końca, w obydwu odgrywa role, mechanizm ścinania (z tym, że w przemianie martenzytycznej jest to mechanizm dominujący) i występuje określona zależność krystalograficzna między fazami. Twardość bainitu dolnego jest zbliżona do twardości martenzytu.

Martenzyt jest to przesycony roztwór stały węgla w żelazie et. Cechuje się dużą

zawartością i małą ciągliwością. Ma sieć tetragonalną o bardzo małej tetragonalności

(ok. < 1,1) zależnej od zawartości węgla. Twardość martenzytu rośnie ze wzrostem zawartości węgla. Ma on największą objętość właściwą ze wszystkich struktur układu Fe - C, co jest źródłem dużych naprężeń własnych. Jest metastabilny i ulega rozkładowi przy nagrzewaniu.

Istota przemiany martenzytycznej - Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna, to znaczy, że czas nie odgrywa żadnej roli w jej przebiegu. Warunkiem jej zajścia jest ochłodzenie austenitu i prędkością większą od krytycznej (dla uniknięcia przemiany dyfuzyjnej austenitu)

oraz ochłodzenie austenitu poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej (M_s). Przemiana rozpoczyna się natychmiast po ochłodzeniu i przebiega z prędkością dochodzącą do 7000 m/s, tzn. że czas utworzenia jednej płytki wynosi 10 s. Kończy sie_ po osiągnięciu temperatury końca przemiany Mf, chociaż zawsze pozostaje pewna ilość nieprzemienionego austenitu, zwanego szczątkowym.

Szybkość chłodzenia - Krytyczną prędkość chłodzenia wyraża styczna do krzywej początku przemian dyfuzyjnych na wykresie CTPc. Analogiczna styczna na wykresie CTPi wyznacza v_k o około 1,5 rażą mniejszą. Krytyczną szybkość chłodzenia interpretuje się jako prędkość zabezpieczającą przed wystąpieniem przemian dyfuzyjnych, które zachodzą przy wyższych temperaturach niż przemiana martenzytyczna i rozkładając austenit uniemożliwiają jego przemianę w martenzyt.

Cechy morfologiczne martenzytu - Ogólnie biorąc, martenzyt jest struktura o budowie iglastej, przy czym igły są ułożone pod kątami zbliżonymi do 60° (120"). Trawi się trudno. Na podstawie badań elektrono-mikroskopowych można martenzyt sklasyfikować

w dwóch grupach, tj. martenzyt listwowy i płytkowy. Martenzyt listwowy cechuje się tym, że jego kryształy maja kształt listew równoległych do <111>_M o szerokości O, l - 3 μm. Są one oddzielone granicami ziaren małego kąta i między listwami brak jest austenitu szczątkowego. Austenit szczątkowy powstaje w nisko- i średnio węglowych stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi. Martenzyt płytkowy składa się z płytek mających kształt soczewek o różnych

wielkościach, oddzielonych nieprzemienionym austenitem. Tworzy się w wysokowęglowych

i wysokostopowych stalach. Obydwa rodzaje martenzytu mogą zawierać dyslokacje i bliźniaki, co prowadzi do struktur przejściowych, tj. dyslokacyjnego martenzytu listwowego częściowo zbliźniaczonego.

Mechanizm przemiany martenzytycznej - Zachodzenie przemiany bez udziału dyfuzji tłumaczy się z jednej strony możliwością opisu struktury sieci A l austenitu parametrami sieci tetragonalnej, a z drugiej strony wystąpieniem procesu ścinania w dwóch różnych kierunkach krystalograficznych, co prowadzi do powstania określonej zależności orientacji między austenitem i martenzytem, zwanej zależnością Kurdiumowa-Sachsa.

Qd czego zależy ilość austenitu szczątkowego - Ilość austenitu szczątkowego zależy głównie od zawartości węgla w stali, gdyż należy on do składników najsilniej obniżających M_s i M_f. Ilość austenitu szczątkowego zwiększają także pierwiastki stopowe w następującej kolejności: Mn, Cr, Ni. Co zmniejsza jego zawartość. Do czynników wpływających na ilość austenitu

szczątkowego należy także temperatura austenityzowania, gdyż od niej zależy ilość rozpuszczonych węglików i stopień nasycenia austenitu węglem i pierwiastkami stopowymi. Dlatego ze wzrostem temperatury austenityzowania ilość austenitu szczątkowego zwiększa się. Pewien wpływ na ilość austenitu szczątkowego wywiera sposób jego chłodzenia. I tak na przykład zmniejszenie szybkości chłodzenia nieco poniżej M_s zwiększa postęp przemiany martenzytycznej. a wytrzymanie zahartowanej stali przy temperaturze pokojowej stabilizuje austenit i utrudnia jego rozkład przy odpuszczaniu. Stąd stale wysokostopowe zaleca się odpuszczać natychmiast po hartowaniu.

Jak austenit szczątkowy wpływa na własności stali - Austenit szczątkowy odgrywa rolę głównie w stalach narzędziowych, nawęglanych i łożyskowych, gdyż zawierają one stosunkowo dużo węgla i pierwiastków stopowych i są nisko odpuszczane (austenit szczątkowy wówczas się nie rozkłada).Austenit szczątkowy obniża twardość zahartowanej stali, gdyż w przeciwieństwie do martenzytu jest miękki. Nie znaczy to, że jest on jednoznacznie fazą szkodliwą, zwiększa on bowiem odporność stali na ścieranie i powierzchniową wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność stali do kruchego pękania. Wadą jego jest natomiast zwiększenie skłonności do pęknięć szlifierskich (przy większej zawartości) oraz powodowanie niestabilności wymiarowej (np. sprawdzianów) i obniżenie odporności korozyjnej.

Co to jest hartowność stali - Hartownością nazywamy zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej. Z hartownością wiążą się następujące cechy:

- głębokość hartowania,

- maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni,

- skłonność do tworzenia rys i pęknięć.

Cechy te ściśle się ze sobą wiążą. Na przykład zwiększenie intensywności chłodzenia prowadzi do osiągnięcia większej głębokości zahartowania i większej twardości na powierzchni, ale może powodować powstawanie rys oraz pęknięć i na odwrót.

Jakie są kryteria hartowności - Są dwa kryteria hartowności. Pierwsze dotyczy pojęcia warstwy zahartowanej. Ponieważ w miarę wzrostu odległości od powierzchni stopniowo zmniejsza się obróbka cieplna stali ilość martenzytu, a wzrasta ilość struktur typu dyfuzyjnego (od bainitu do perlitu} zachodzi konieczność ustalenia, co rozumie się przez warstwę zahartowaną. Ustalono tzw. kryterium półmartenzytyczne, zgodnie z którym za strefę zahartowaną uważa się strefę, w której znajduje się co najmniej 50% martenzytu, resztę stanowi bainit. Drugie kryterium stanowi średnica krytyczna Dt, tj. największa średnica

pręta zahartowanego na wskroś (w jego środku powinno się znajdować 50% martenzytu).

Aby stworzyć kryterium hartowności niezależne od szybkości chłodzenia, przyjęto pojęcie idealnej średnicy krytycznej. Jest to największa średnica pręta zahartowanego na wskroś w hipotetycznym ośrodku o nieskończenie dużej intensywności chłodzenia.

Średnica krytyczna zależy od właściwości stali i intensywności chłodzenia. Pierwszy czynnik ma ścisły związek z krytyczna szybkością chłodzenia, a więc te czynniki, które przesuwają krzywa początku dyfuzyjnego rozkładu austenitu na wykresie CTP w prawo sprzyjają wzrostowi hartowności. Są to pierwiastki stopowe zawarte w stali (wszystkie z wyjątkiem Co), gruboziarnistość austenitu (mała powierzchnia granic ziarna, gdzie powstają zarodki przemiany dyfuzyjnej) i jego jednorodność. Drugi czynnik ma związek z warunkiem osiągnięcia krytycznej szybkości chłodzenia w rdzeniu hartowanego elementu. Stosowanie bardziej energicznych ośrodków chłodzących pozwala na uzyskanie tej prędkości w środku

grubszych elementów, ale grozi to powstaniem rys i pęknięć hartowniczych na powierzchni. Można więc powiedzieć, że stosowanie ośrodków chłodzących o większej intensywności chłodzenia prowadzi do wzrostu hartowności, ale tą drogą można zwiększać hartowność w ograniczonym zakresie ze względu na naprężenia.

Twardość strefy półmartenzytycznej - Twardość strefy pólmartenzytycznej zależy głównie od zawartości węgla w stali, zwiększając się wraz z jego stężeniem wykres ten wykorzystuje się przy określaniu hartowności metodą hartowania od czoła (Jominy'ego).

Pierwiastki zwiększające hartowność stali - Według niektórych źródeł najbardziej zwiększa hartowność stali Mn, który ma współczynnik a = 4,8, następnie Mo (a = 2,68) i Cr (a = 2,16). Inne źródła podają, że Mo i Cr silniej zwiększają hartowność niż Mn. Krzem i nikiel stosunkowo mało zwiększają hartowność, gdyż ich współczynniki „a" są mniejsze od l. Specyficznie działającym pierwiastkiem jest bór, który wprowadza się do stali tylko w ilości

0,003%, a współczynnik hartowności f = 1,5, Jedynym pierwiastkiem zmniejszającym

hartowność jest Co, ale redukuje on także ilość austenitu szczątkowego. Także pierwiastki silnie węglikotwórcze mogą zmniejszać hartowność wówczas, gdy temperatura austenityzowania nie jest dość wysoka, aby rozpuścić węgliki. W tym przypadku hartowność może zależeć od temperatury austenityzowania stali; wzrastać z jej zwiększaniem.

Jakie ośrodki chłodzące stosuje się do hartowania - Do hartowania stosuje się następujące ośrodki (wg malejącej intensywności chłodzenia): woda z NaCI lub NaOH, woda, olej, mgła wodna, sprężone powietrze, wolne powietrze. Ośrodki chłodzące umożliwiają uzyskanie różnych szybkości chłodzenia w różnych zakresach temperatury. Ostatnio wprowadza się polimerowe ośrodki chłodzące (pyt. l .86), mające wiele zalet. Im łagodniejszy jest ośrodek chłodzący, tym mniejsze są naprężenia własne i skłonność do pękania, ale mniejsza jest także głębokość zahartowania i twardość. Właściwy ośrodek dobiera się pod kątem zapewnienia szybkości chłodzenia większej od krytycznej; nie może jednak wywołać rys i pęknięć. Najbardziej energiczne ośrodki stosuje się w przypadku hartowania stali węglowych. Niekiedy przeprowadza się hartowanie przerywane (przez wodę do oleju - rys. l .6b), co pozwala na uzyskanie dużej twardości na powierzchni przy stosunkowo małych naprężeniach własnych i eliminuje pękanie. Są także stosowane kąpiele chłodzące do hartowania stopniowego, bainitycznego lub patentowania, którymi są stopione sole lub ciekły ołów.

Jakie są zasady doboru temperatury i czasu grzania przy obróbce cieplnej- Dobór w.w. parametrów ma decydujący wpływ na jakość stali po obróbce cieplnej. Temperaturę grzania dobiera się w zależności od położenia punktów krytycznych, które dla stali węglowych można określić na podstawie wykresu równowagi Fe - Fe.iC. W stalach stopowych należy uwzględnić poprawkę na przesunięcie punktów krytycznych lub korzystać z norm. Obróbki cieplne można podzielić na takie, których temperatura grzania jest wyższa niż temperatura krytyczna (zwykle o 30 - 50°C) lub niższa. Dobór właściwego czasu grzania jest również bardzo ważny, gdyż od tego zależy wyrównanie temperatury na przekroju, ujednorodnienie

austenitu, zajście przemiany, rozrost ziarna, utlenienie i odwęglanie oraz zużycie energii. Wpływ mają następujące czynniki: grubość elementu, jego kształt (zwłaszcza stosunek powierzchni do objętości), rodzaj ośrodka grzewczego (gazowy, solny, metalowy), równomierność nagrzewania, ale także współczynnik przewodnictwa cieplnego, który jest mniejszy w stalach stopowych niż węglowych.

Jak się wylicza czas grzania dla konkretnego elementu- Umożliwia to np. metoda opracowana przez Gulajewa. Zasada tej metody jest następująca; zostały przyjęte trzy zmienne mające wpływ na czas grzania:

1. Rodzaj środowiska (kąpiel metalowa, solna, atmosfera gazowa). Stosunki

czasów grzania w tych ośrodkach są: 0,5 : l : 2, co oznacza, że w ośrodku gazowym

czas grzania jest cztery razy większy niż w kąpieli metalowej i dwa razy

większy niż w kąpieli solnej.

2. Kształt. Najkorzystniejsze warunki grzania są w przypadku kuli, następnie

walca, prostopadłościanu i płyty, przy czym stosunek czasów grzania elementów

o tych kształtach (o jednakowych wymiarach) są l : 2 : 1,5 : 4. Oznacza to, że czas

grzania płyty o grubości np. 100 mm jest cztery razy dłuższy niż kuli o takiej samej

średnicy i dwa razy większy niż walca.

3. Równomierność nagrzewania zależy od tego czy przedmiot jest nagrzewany

ze wszystkich stron, z trzech stron (spoczywa na zimnym trzonie pieca) lub z jednej

strony (np. blacha). Stosunek czasów grzania dla wymienionych przypadków jest l : 1,5 : 4, co oznacza, że blacha leżąca na zimnym trzonie pieca wymaga cztery razy dłuższego czasu grzania niż kula nagrzewana ze wszystkich stron. Czas grzania (w minutach) wylicza się mnożąc 0,1 wymiaru podstawowego (w mm) przez kolejne współczynniki: środowiska, kształtu i równomierności nagrzewania (są to liczby w podanych wyżej stosunkach czasów grzania).

Jakie atmosfery ochronne stosuje się przy obróbce cieplnej - Atmosfera powinna być obojętna wobec nagrzewanego metalu, tania i bezpieczna (nietoksyczna i niewybuchowa). Do najlepszych zalicza się gazy szlachetne: hel i argon oraz gazy obojętne, jak azot. Wodór jest stosowany przy spiekaniu i obróbce cieplnej blach transformatorowych, gdzie wykorzystuje się jego redukcyjne własności; jest jednak wybuchowy. Niekiedy stosuje się mieszaninę gazów, np. azotu lub argonu z wodorem (co obniża skłonność do wybuchu) lub zdysocjowany

amoniak (jest to mieszanina wodoru i azotu stosowana zwykle do wyżarzania blach nierdzewnych). Stosunkowo często stosowane są produkty spalania gazu ziemnego (po oczyszczeniu z pary wodnej), np. gaz endotermiczny, tj. gaz spalony z małą ilością powietrza w ogrzewanych komorach lub gaz krakowany, czyli rozłożony w wysokiej temperaturze w obecności pary wodnej i powietrza. Na atmosfery do obróbki cieplnej nadają się także gazy: koksowy, generatorowy, wodny, świetlny po oczyszczeniu z pary wodnej (przez wymrożenie lub przepuszczenie przez rozżarzony węgiel w temperaturze ok. 1000°C). Wszystkie te atmosfery mają jednakże własności wybuchowe i toksyczne (zawierają CO). Poza tym dobrze zabezpiecza przed utlenieniem lub odwęgleniem próżnia, a także kąpiel metalowa lub

solna (jeśli nie jest utleniona).

Jakie są skutki niestosowania atmosfer ochronnych - Skutkiem niestosowania atmosfer ochronnych jest powstanie na powierzchni elementu warstwy zgorzeliny, która składa się zwykle z tlenków i ewentualnie siarczków. Pod warstwą zgorzeliny następuje, zwłaszcza w stalach o wyższej zawartości węgla, odwęglenie. Utlenianie pogarsza jakość powierzchni, powoduje ubytek masy metalu i wzrost pracochłonności (konieczność usunięcia zgorzeliny)

i zmienia wymiary elementu. Odwęglenie z kolei prowadzi do obniżenia twardości powierzchni elementu, co w przypadku narzędzi dyskwalifikuje materiał, a w stalach konstrukcyjnych obniża wytrzymałość zmęczeniową.

Jakie wady powstają najczęściej w procesie obróbki cieplnej - Do najczęściej powstających wad obróbki cieplnej należą,

a) odwęglenie powierzchni,

b) paczenie się i pękanie,

c) zbyt mała twardość,

d) zbyt duża kruchość.

Jakie są przyczyny wad wymienionych w poprzednim pytaniu - Odwęglenie jest spowodowane zbyt dużą zawartością składników utleniających (CO:. H;O) w atmosferze pieca. Paczenie i pękanie jest wynikiem naprężeń własnych wywołanych najczęściej zbyt szybkim nagrzewaniem lub chłodzeniem względnie nierównomiernym rozkładem temperatur na przekroju elementu, a także nałożeniem się naprężeń termicznych na strukturalne (wywołane przemianą fazową - najczęściej martenzytyczną). Mała twardość po hartowaniu jest konsekwencją odwęglenia lub zbyt niskiej temperatury austenityzowania. Duża kruchość - to efekt przegrzania (grubego ziarna), przepalenia (dyfuzji tlenu po granicach ziaren)

lub kruchości odpuszczania.

Na czym polega obróbka powierzchniowa - W obróbkach powierzchniowych (o.p.), które wchodzą w zakres inżynierii powierzchni dążymy do zmiany własności nie całej objętości, materiału, lecz tylko w jego strefie przypowierzchniowej zwanej warstwą wierzchnią (WW). Rozumie się przez to warstwę materiału ograniczoną rzeczywistą powierzchnią przedmiotu,

obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech materiału w rdzeniu elementu. WW może być jednorodna (powłokowa), bez lub z wąską strefą przejściową (np. cynkowa, polimerowa, ceramiczna) albo niejednorodna (często wielofazowa) typu kompozytowego, o szerokiej strefie przejściowej i zmiennej strukturze (np. napawana, nawęglana, borowana, laserowa). Dzięki konstytuowaniu WW wysokie własności użytkowe są wytwarzane tylko w niewielkiej masie materiału, co pozwala na znaczną oszczędność energii i pierwiastków stopowych, gdyż stale wysokostopowe można zastąpić niskostopowymi lub nawet wolowymi, a nagrzewanie całego elementu, nagrzewaniem tylko jego powierzchni.

Jaki jest cel obróbek powierzchniowych - W zależności od własności powierzchni, jakie są wymagane, obróbki powierzchniowe możemy podzielić na grupy:

a) obróbki poprawiające gładkość powierzchni,

b) obróbki utwardzające, zwiększające twardość oraz odporność na ścieranie

i zmęczenie,

c) obróbki zwiększające odporność na korozją.

Niektóre obróbki mogą jednocześnie zwiększać gładkość i twardość (np. nagniatanie) lub twardość i odporność korozyjną (np. chromowanie dyfuzyjne).

Jaka obróbka poprawia gładkość powierzchni - Obróbką, która poprawia gładkość powierzchni, a jednocześnie ją utwardza jest nagniatanie (umocnienie przez zgniot). Metodą tą można obrabiać wały, otwory, koła zębate o dużych modułach i inne. Nagniataniem można zastąpić szlifowanie powierzchni.

Na czym polega nagniatanie - Nagniatanie polega na wywieraniu zlokalizowanego nacisku na obrabianą powierzchnię, zdolnego do odkształcenia metalu i wywołaniu zjawiska zgniotu

W zależności od sposobu wywierania nacisku nagniatanie możemy podzielić na statyczne i dynamiczne. Przy statycznym, siły nagniatające są stale i narządzie pozostaje w ciągłym kontakcie z obrabiana powierzchnia. Przy dynamicznym, siły nagniatające są zmienne i działają dynamicznie (kulki uderzają okresowo z dużą częstotliwością o powierzchnię). Z kolei nagniatanie statyczne jest realizowane w różnych wariantach, np. naporowe toczne lub naporowe ślizgowe (element nagniatany obraca się, a narzędzie nagniatające toczy się lub ślizga po jego powierzchni).

Jakie zmiany strukturalne wywołuje nagniatanie - są to zmiany typowe dla zgniotu (niszczenie siatki krystalicznej poprzez wprowadzenie dużej ilości defektów sieci, wyciąganie ziaren w kierunku ruchu narzędzia i ich spłaszczanie). Może następować także fragmentacja płytek perlitu lub rozkład austenitu szczątkowego.

Na czym polega nagniatanie termomechaniczne - Nagniatanie to, zwane także elektromechanicznym, jest odmianą nagniatania statycznego. Polega na przepływie prądu o natężeniu do 1000 A między narzędziem i obrabianym elementem. Prąd ten powoduje nagrzanie powierzchni do temperatury 500 - 900°C. Ułatwia to odkształcenie i zmiany strukturalne zachodzą na większych głębokościach, ale umocnienie jest mniejsze. Czas nagrzewania jest zbyt mały do zajścia rekrystalizacji, ale zachodzą zjawiska typowe dla dynamicznego zdrowienia i następuje pewna relaksacja naprężeń. Mniejsze jest niebezpieczeństwo pojawienia się wad typowych dla przekroczenia granicznego odkształcenia (złuszczanie, obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej).

Jakie obróbki powierzchniowe prowadzą do zwiększenia twardości powierzchni - do tej grupy obróbek należą: nawęglanie, azotowanie, azoto-nawęglanie, borowanie, wytwarzanie warstw azotkowych lub węglikowych metodami PVD2 lub CVD, metalizowanie dyfuzyjne (zwłaszcza chromowanie, tytanowanie, wanadowanie), hartowanie powierzchniowe, napawanie, natryskiwanie plazmowe, nakładanie twardych powłok galwanicznych i chemicznych, a także obróbka laserowa lub elektronowa i implantacja jonowa. Obróbki polegające na dyfuzyjnym nasycaniu powierzchni innymi pierwiastkami nazywamy obróbką cieplno-chemiczną. Najczęściej stosuje się nasycanie C, N, C + N, B, Cr, Al.

Na czym polega istota obróbki cieplno-chemicznej - Warunkiem dyfuzyjnego nasycenia metalu innymi pierwiastkami jest zastosowanie chemicznie aktywnej atmosfery i odpowiednio wysokiej temperatury, przy której mogą zachodzić reakcje chemiczne dostarczające aktywne atomy. Atomy te po zaadsorbowaniu na powierzchni dyfundują w głąb metalu, tworząc roztwory lub fazy międzymetaliczne (np. Cr w Fe) lub związki międzymetaliczne (np. FeAl).

Co to jest nawęglanie i jaki jest cel tej obróbki - Nawęglaniem nazywamy dyfuzyjne nasycanie stali węglem. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe o zawartości do ok. 0,2% C, przez co zawartość C zwiększa się do ok. 1% C. Po zahartowaniu uzyskuje się wysoką twardość powierzchni (ok. 60 HRC) i ciągliwy rdzeń, co w wielu konstrukcjach jest rozwiązaniem optymalnym. Nawęglanie przeprowadza się przy temperaturze 930°C - zwykle

ok. 10 h. Nawęglanie można przeprowadzać w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych.

Na czym polega nawęglanie w ośrodkach stałych - Ten rodzaj nawęglania jest najstarszy i najprostszy. Nie wymaga też specjalnych urządzeń z wyjątkiem skrzynek żaroodpornych, do których ląduje się elementy wraz z mieszanką nawalającą (nawęglaczem), uszczelnia i wyżarza. Nawęglacz składa się. z węgla drzewnego o granulacji 3 - 5 mm i aktywatorów

(10 - 30%), którymi mogą być węglany Ba, K, Na. W skrzynce zachodzą reakcje: utlenianie C, rozkład węglanów i reakcja Boudouarda'', które prowadzą do powstania aktywnych atomów C dyfundujacych w głąb stali.

Na czym polega nawęglanie w ośrodkach ciekłych - Nawęglaczem jest mieszanina stopionych soli z dodatkiem SiC (karborundu), np. 75% Na2CO3, 15% NaCl, 10% SiC. Temperatura procesu wynosi ok. 850°C. Zaletą tej metody jest możliwość bezpośredniego hartowania elementów. Jest też odmiana elektrolityczna, w której nawęglane elementy umieszcza się na anodzie i przepuszcza prąd stały o gęstości 20 A/dm~. Dzięki temu uzyskuje się znaczne przyspieszenie procesu. ^„C >>i "

Na czym polega nawęglanie w ośrodkach gazowych - Nawęglanie w ośrodkach gazowych jest bardziej nowoczesne i najczęściej stosowane, ale wymaga specjalnych i kosztownych urządzeń, Polega na umieszczeniu elementów w szczelnym piecu i przedmuchiwaniu atmosfery gazowej o odpowiednio dobranym potencjale naweglającym. Piece do nawęglania gazowego mogą być o działaniu okresowym i ciągłym. Gaz nawęglający ulega rozkładowi

na powierzchni elementów z wydzieleniem aktywnych atomów węgla, które dyfundują

w powierzchnię elementów. Zaletą nawęglania gazowego jest łatwość kontroli i regulacji procesu, oszczędność energii (nie trzeba nagrzewać skrzynek 1 nawęglacza), a w przypadku pieców o działaniu ciągłym umożliwia bezpośrednie hartowanie po nawęglaniu. W ostatnich latach opracowane zostały nowe metody nawęglania jak jodowe i fluidalne, które cechują się większą efektywnością.

Jakie atmosfery stosuje się przy nawęglaniu gazowym - Atmosfery do nawęglania są wytwarzane w specjalnych wytwornicach z gazu ziemnego, koksowego, generatorowego, świetlnego. Może też być wykorzystywany gaz endotermiczny otrzymany przez częściowe spalenie gazu ziemnego i oczyszczenie z pary wodnej. Węglowodory znajdujące się w gazie ziemnym dysocjują na C + Hz. W piecach o działaniu okresowym stosuje się także pary benzolu lub nafty, a także mieszaninę metanolu i octanu etylu (która nie daje sadzy).

Atmosfery często miesza się ze sobą, aby uzyskać wymagany potencja! węglowy.

Co to jest potencja! węglowy atmosfery -Potencjałem węglowym atmosfery nazywamy jej zdolność do nawęglania żelaza do określonej zawartości węgla na powierzchni. Potencjał ten zależy od składu chemicznego atmosfery. CO i CH4 zwiększają potencjał, a CO2 i H?O obniżają go. Składniki atmosfery reagują wzajemnie ze sobą i wytwarza się równowaga między nimi, dzięki czemu dla określenia potencjału atmosfery wystarczy określić jeden ze

składników, np. HzO. Z obniżaniem H2O potencjał węglowy atmosfery rośnie. W praktyce stężenie H2O w atmosferze określa się wyznaczając tzw. punkt rosy, do czego służą specjalne przyrządy zwane indykatorami punktu rosy. Można również określić potencjał węglowy drogą nawęglania cienkiej folii żelaznej i określenia w niej zawartości węgla. Istnieje zasada, że jeśli potencjał węglowy atmosfery jest większy niż zawartość węgla w stali, to będzie ona nawęglana, jeśli mniejszy - będzie odwęglana. Wpływ składu atmosfery i temperatury na proces nawęglania jest przedstawiany na wykresach równowagi reakcji nawęglania. Dla atmosfery CO/CO₂ wykres taki jest pokazany na rysunku 2.2. Część wykresu nad krzywą

odpowiadającą danej zawartości węgla w stali jest obszarem nawęglania, a pod krzywą- odwęglania. Tak na przykład atmosfera zawierająca 90% CO przy temperaturze 750°C (punkt a) będzie nawęglała żelazo, ale przy temperaturze 900°C (punkt a-f) będzie odwęglać stal o zawartości 0,4% C, chociaż może nawęglać stal o zawartości 0,2% C. Aby nawęglać stal o zawartości 0,8% C przy temperaturze 900°C atmosfera musi zawierać 98% CO. Podobne wykresy są sporządzane także dla innych atmosfer, np. dla metanu. Wykazuje on przeciwne działanie, tzn. ze wzrostem temperatury jego zawartość konieczna do nawęglania jest coraz mniejsza 1 powyżej 900°C wynosi kilka procent.

Jakie są nowe metody nawęglania stali - Do nowych metod można zaliczyć nawęglanie w złożu fluidalnym, które jest ośrodkiem składającym się z drobnych cząstek fazy stałej zawieszonych w strumieniu gazu przepływającego z odpowiednia prędkością (stan quasi-ciekły) w ogrzewanej komorze. Schemat pieca fluidyzacyjnego elektrodowego do nawęglania: l - wyłożenie szamotowe pieca, 2 - elektrody, 3 - gruboziarnisty korund, 4 - ruszt, 5 - złoże przewodzących cząstek (wg A.J. Zeltowa)

W zależności od składu złoża może ono działać obojętnie na powierzchnię elementów

lub je nawęglać (np. gdy cząstki są grafitem, a przepływający gaz powietrzem lub mieszaniną gazu endoterrnicznego i ziemnego). Złoże składające się z cząstek grafitu może być nagrzewane elektrycznie za pomocą elektrod, ale również istnieje możliwość nagrzewania zewnętrznego (elementami oporowymi lub poprzez spalanie gazu). Duża wartość współczynnika przejmowania ciepła złoża oraz czyszczący powierzchnię ruch cząstek pozwalają na osiąganie efektywności nawęglania podobnej jak przy nawęglaniu w ośrodkach ciekłych, z tym że nie zachodzi konieczność czyszczenia elementów z resztek soli. Można też stosować bezpośrednie hartowanie elementów. Dobre efekty uzyskuje się również metodą nawęglania próżniowego, przez co można skrócić czas procesu. Poza tym nawęglanie próżniowe jest uważane za ekologiczne.

Jaką obróbkę cieplną stosuje się po nawęglaniu - dla pełnego wykorzystania walorów nawęglania, tj. uzyskania maksymalnej twardości powierzchni należy nawęglone elementy poddać hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Najprostszym L najtańszym rozwiązaniem jest bezpośrednie hartowanie po nawęglaniu - możliwe jednakże tylko w przypadku pieców o działaniu ciągłym. W tym przypadku korzystne jest wstępne podchłodzenie do temperatury

hartowania (760 - 820°C), co obniża naprężenia i ilość austenitu szczątkowego w warstwie nawalonej. Jeśli elementy po nawęglaniu zostaną schłodzone, należy je ponownie nagrzać, co korzystnie wpływa na strukturę, gdyż następuje rozdrobnienie ziarna. Istnieją dwie możliwości wyboru temperatury hartowania: wyższej od Ac3 rd/cnu (850 - 900°C), co powoduje przekrystalizowanie i poprawę własności na całym przekroju, ale zwiększa naprężenia i ilość austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej oraz niższej (760 - 780°C), która jednakie nic umożliwia przekrystalizowania rdzenia i nie usuwa siatki cementytu.

W szczególnie odpowiedzialnych wyrobach stosuje się dwukrotne hartowanie, najpierw od wyższej (w oleju), a następnie od niższej temperatury (w wodzie). W wyniku takiej obróbki twardość warstwy jest wysoka (ponad 60HRC), struktura rdzenia jest drobnoziarnista i poziom naprężeń niski. Bezpośrednio po hartowaniu można stosować wymrażanie w celu obniżenia ilości nieprzemienionego austenitu.

Co to jest azotowanie i jaki jest cel jej obróbki - Azotowanie polega na nasyceniu warstwy wierzchniej azotem, w wyniku czego uzyskuje się dużą twardość (900 - 1200 HV) i odporność na zmęczenie. Tak dużą twardość można jednakże osiągnąć tylko na specjalnych stalach do azotowania zawierających Crs Mo i Al (41CrAlMo 7-10, d. 38HMJ).

Ponieważ azotowanie przeprowadza się w niezbyt wysokiej temperaturze (ok. 550°C), stal uprzednio poddaje się ulepszaniu (hartowanie i odpuszczanie - 550°C). Stosuje się atmosferę zdysocjowanego amoniaku, w której występują aktywne atomy azotu. W wyniku tego następuje ich dyfuzja oraz tworzenie sie_ azotków pierwiastków stopowych i żelaza (korzystny jest Fe.(N, niekorzystny - bo kruchy -FejN). Azotowanie jest obróbka kosztowną, gdyż długotrwałą (ok. 40 h) i dlatego jest stosowane w przypadku szczególnie odpowiedzialnych elementów.

Na czym polega azotowanie jonowe - Azotowanie jonowe jest odmianą procesu, w którym stosuje się wysokie napięcie (l - 2,5 kV) prądu stałego, przy czym obrabiane elementy znajdują się na katodzie. Następuje jonizacja atmosfery złożonej z azotu lub amoniaku, ewentualnie z dodatkiem wodoru, argonu lub węglowodorów pod obniżonym ciśnieniem

100 - 1000 Pa. Powierzchnia jest bombardowana jonami azotu, co nagrzewa element

i aktywizuje dyfuzje. Zaletą azotowania jonowego jest skrócenie czasu procesu i duża możliwość wpływania na strukturę warstwy. Wadą jest wysoki koszt urządzenia. Zmieniając

skład atmosfery i warunki procesu, możemy tą metodą wprowadzać do stali także

inne pierwiastki jak C, C + N, B, Ti i inne.

Co to jest węgloazotowanie i na czym polega - Węgloazotowanie jest obróbką cieplno-chemiczną polegającą na jednoczesnym nasycaniu stali węglem i azotem. Głównymi zaletami tej obróbki jest niższa temperatura i krótszy czas procesu. Węgloazotowanie może być przeprowadzane w ośrodkach gazowych lub ciekłych, przy wysokich lub niskich temperaturach. Gazowe może być procesem wysokotemperaturowym (750 - 900°C) i wówczas jest zbliżone do nawęglania, lub niskotemperaturowym (500 - 600°C), kiedy upodabnia się do azotowania. Atmosfera składa się z mieszaniny amoniaku i gazu

nawęglającego. Po obróbce wysokotemperaturowej stosuje się hartowanie, natomiast

niskotemperaturowe jest poprzedzane ulepszaniem cieplnym. Węgloazotowanie

niskotemperaturowe zwane jest także cyjanowaniem gazowym.

Na czym polega cyjanowanie - Nazwa cyjanowanie pochodzi od soli cyjanowych stosowanych do węgloazotowania kąpielowego. W przypadku procesu wysokotemperaturowego (750 - 900°C) kąpiel składa się zwykle z Na2CO3 + NaCl lub BaCl z dodatkiem ok. 30% NaCN z dodatkiem KCN, Ca(CN)2 lub K4[Fe(CN)6]. Cyjanki rozkładają się dostarczając aktywnych atomów C i N. Elementy po ok. 20-rainutowyrn nagrzewaniu w soli mogą być bezpośrednio hartowane. Przy cyjanowaniu niskotemperaturowym stosuje się kąpiele bogatsze w cyjanki (np. 50% NaCN + 50% KCN) i temperaturę procesu w zakresie 500 - 6QO°C. W związku z tym jest stosowane najczęściej

do odpuszczania narzędzi ze stali szybkotnącej. W czasie do 2 h powstaje bardzo odporna na ścieranie warstwa o grubości ok. 20 Jim wzbogacona w azot i węgiel. Cyjanowanie ma jednak dwie główne wady: sole cyjankowe są bardzo toksyczne i zachodzi konieczność usuwania resztek soli z elementów po obróbce i neutralizowania odpadów.

Jakie kompleksowe obróbki są oparte na azotowaniu lub węgloazotowaniu - Są to obróbki, w których oprócz N względnie C + N wprowadza się tlen (na przykład tlenoazotowanie) lub siarkę (na przykład siarko azotowanie i siarkocyjanowanie). Obydwa te pierwiastki poprawiają właściwości przeciwcierne i przeciwadhezyjne, przy wysokiej twardości typowej dla warstw azotowanych lub cyjanowanych. Obróbki kompleksowe są stosowane głównie do narzędzi skrawających, jak wiertła, gwintowniki, narzynki, frezy przeciągane lub do przeróbki plastycznej (matryce, wykrojniki i inne).

Na czym polega tlenoazotowanie - Jest to obróbka podobna do azotowania gazowego, z rym że atmosferę, stanowi mieszanina amoniaku i pary wodnej w stosunku l : 3, W wyniku powstaje warstwa o grubości ok. 60 (im, w której oprócz azotków znajdują się tlenki. Zmniejszają one współczynnik tarcia i zapobiegają zgrzewaniu .się wióra, przez co zwiększa się trwałość narzędzi.

Na czym polegają obróbki cieplno-chemiczne z udziałem siarki - Obróbki cieplno-chemiczne z udziałem siarki są to: siarkowanie, siarko azotowanie i siarkocyjanowanie. Siarka w warstwie wierzchniej wpływa na zmniejszenie współczynnika tarcia i zapobiega zacieraniu powierzchni trących. W związku z tym obróbki z udziałem siarki rnają zastosowanie głównie do różnego rodzaju narzędzi. Do siarkowania dyfuzyjnego może być stosowana metoda elektrolityczna. Temperatura kąpieli ok. 220°C, skład: rodanek potasowy 80%, sodowy

15%, reszta Na3S2O3, polaryzacja przemienna, gęstość prądu ok. 3A/cm2, czas obróbki

10 min. Wzrost żywotności narzędzi do 400%. Siarkoazotowanie gazowe jest modyfikacją zwykłego azotowania. Do atmosfery oprócz amoniaku wprowadza się pary siarki. Może również być realizowane przy obniżonym ciśnieniu 10"' - 10"4 MPa (NITROYAC 79). Siarkoazotowanie może być stosowane do narzędzi, ale także do elementów maszyn pracujących w warunkach skąpego smarowania, Siarkocyjanowanie - czyli jednoczesne nasycanie powierzchni stali węglem, azotem i siarką - prowadzi do zwiększenia twardości, ale także zapobiega zacieraniu. Proces prowadzi się w kąpieli cyjanowo-siarczanowej z dodatkiem do 0,3% Na₂S, temperatura ok. 550°C, czas 0,5 - 2 h. Uzyskuje się warstwę o grubości do 30 μm twardości 400 - 650 HV. Główne zastosowania to narzędzia i elementy maszyn skłonne do zacierania.

Co to jest borowanie i na czym polega - Borowanie jest to obróbka cieplno-chemiczna polegająca na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali borem5 (rys. 2.5). W wyniku borowania powstają związki boru z żelazem, zwane borkami: FeB i Fe?B o charakterystycznej kolumnowej budowie i wysokiej twardości ok. 2000 HV, z tym że borek bogatszy w bór FeB jest twardszy, ale i bardziej kruchy. Warstwy borowane cechują się bardzo dużą odpornością na ścieranie i są zwykle stosowane w tych przypadkach, gdy smarowanie jest skąpe lub gdy nie może być stosowane w ogóle. Borowanie jest wykorzystywane także do utwardzania narzędzi, głównie do przeróbki plastycznej, jak:

ciągadła, korki, matryce, walce itp. Borowanie można przeprowadzać w ośrodkach stałych (proszkach), ciekłych lub gazowych (także metodą jonową) lub w pastach.

Jak jest realizowane borowanie w ośrodkach stałych - Borowanie w ośrodkach stałych realizuje się podobnie jak nawęglanie w skrzynkach, z tym że mieszanka borująca składa się zwykle ze sproszkowanych składników: węglika boru B4C (15 - 35%) lub żelazoboru z dodatkiem aktywatorów, np. 1,5% NH+Cl i 1,5% NaF oraz wypełniacza (A12O3) przy temperaturze 950°C. Czas ok. 6 h. Inną odmianą jest borowanie metoda aluminotermiczną

w mieszance: B2O3 (15 - 30%), proszek A! w ilości 75% masy B2O3 oraz A1,O3 i aktywatory. Metodą tą można wytwarzać warstwy jednofazowe (Fe2B), które są mniej kruche. Niekiedy wygodnie jest stosować borowanie za pomocą pasty, która składa się z 25% kriolitu (Na:,AlF6) i substancji aktywnej (B4C) lub naborowanego proszku żelaza. Po oczyszczeniu powierzchnią pokrywa się najpierw warstwa pasty aktywnej. Dla zapobieżenia przypiekaniu cząstek proszku z pasty celowe jest przyklejanie warstwy pasty przylegającej do powierzchni stali klejem roślinnym. Następna warstwa powinna być związana krzemianem sodu lub etylu. Po jej wyschnięciu nakłada się warstwę ochronna złożoną z tłuczonego szkła, piasku i szkła wodnego. Po wysuszaniu przy temperaturze 200°C można przeprowadzać wyżarzanie dyfuzyjne przy temperaturze 950°C przez 6 h, a po podchłodzeniu do odpowiedniej temperatury hartować w oleju lub izotermicznie. Powierzchnię po oczyszczeniu pokrywa się warstwą pasty aktywnej, a po wyschnięciu nakłada na nią warstwę ochronna (tłuczone szkło, piasek, szkło wodne). Po wyschnięciu przy temperaturze 200°C przeprowadza się wygrzewanie przy temperaturze 950°C - 6 h, a po ochłodzeniu do odpowiedniej temperatury - hartuje w oleju. Można też zamiast pasty ochronnej nałożyć pastę grzewcza, eliminując piec.

Jak się przeprowadza borowanie w ośrodkach ciekłych - Borowanie w ośrodkach ciekłych, czyli kąpielach solnych, przeprowadza się podobnie jak cyjanowanie w ośrodkach ciekłych, z tym że kąpiel składa się z BaCl; + NaCl + ok. 10% B4C, w temperaturze 950°C. Inna metoda polega na zastosowaniu boraksu z dodatkiem ok. 10% NaCl i ok. 35% B4C lub SiC. Temperatura procesu wynosi 850°C, czas ok. 3 h. Przyspieszenie nasycania stali borem

można osiągnąć stosując borowanie elektrolityczne, które odbywa się w stopionym boraksie przy temperaturze 900 - 1050°C przez okres 2 - 5 h. Naborowywane elementy umieszcza się na katodzie, a anodę stanowi pręt grafitowy. Napięcie 5 - 25 V, gęstość prądu poniżej l A/cm . Główną zaletą metod kąpielowych jest skrócenie czasu obróbki i możliwość bezpośredniego hartowania, wadą - niszczenie tygli i konieczność oczyszczania elementów z resztek soli.

Opisz zasadę borowania gazowego - Borowanie gazowe przeprowadza się w szczelnych retortach (piecach o działaniu okresowym) w atmosferze złożonej z chlorku boru (BC13) lub borowodoru B₂H₆ oraz gazu nośnego (Ar, H2). Temperatura procesu 1100°C. Chlorek boru

można wytwarzać w oddzielnej instalacji działając chlorowodorem na żelazo bor przy temperaturze ok. 1000°C, lub korzystając z gazów w butli. Borowanie gazowe jest uważane za metodę nowoczesna i energooszczędną, ale wymaga kosztownych urządzeń. Ma też wady: nie można stosować bezpośredniego hartowania, gazowe związki boru są bowiem bardzo toksyczne. Odmianą borowania gazowego jest borowanie jonowe, które przeprowadza sią podobnie jak azotowanie jonowe. Atmosfera składa sią z 25% obj. wodoru, ok. 10% chlorku bom, reszta argon. Napięcie 1,6 kV, ciśnienie 4 - 1 3 hPa, temperatura 750 - 9QO°C, czas

I - 6 h. Dzięki tej metodzie można otrzymywać warstwy jednofazowe Fe2B (obniżając

ciśnienie).

Na czym polega obróbka cieplna po borowaniu - Po borowaniu należy utwardzić podłoże warstwy borkowej przez hartowanie zwykłe w oleju z następnym niskim odpuszczaniem lub izotermiczne. Podczas nagrzewania należy chronić warstwę borowaną przed utlenianiem. Dobre efekty daje nagrzewanie kąpielowe w stopionym boraksie (unikać kąpieli chlorkowych). Po obróbce cieplnej można zeszlifować ok, 0,05 mm, aby usunąć porowate powłoki o niskiej odporności na ścieranie. Ostatnio opracowano także hartowanie powierzchniowe. Grubsze warstwy borkowe (> 0,2 mm) są skłonne do pękania lub odpryskiwania.

Na czym polega wytwarzanie warstw węglikowych lub azotowych na stalach - Twarde warstwy, najczęściej węglika tytanu TiC lub azotka tytanu TiN, osadzane na powierzchni stali mają na celu zwiększenie jej odporności na ścieranie. Są znane dwa sposoby nakładania takich warstw: CVD i PVD, Metodą CVD osadza się najczęściej warstwy na narzędziach z węglików spiekanych, np. TiC z atmosfery TiCU + CH4 + H2, a TiN z NH4 + TiCU przy temperaturze 950 - 1050°C, czas l - 1,5 h, grubość warstwy do 15 (Jm. Wysoka temperatura procesu CVD wyklucza stosowanie tej metody na stalach narzędziowych, dlatego w tym

przypadku stosuje się metody PVD, których temperatura nie przekracza 450 - 500°C. Wspólna cechą tych metod jest krystalizacja na podłoża stalowym takich związków jak: TiN, TiNC, TiN-TiB i in. ze strumienia zawierającego atomy zjonizowane wchodzące w ich skład.

Co to jest metalizowanie dyfuzyjne i jaki jest cel tej obróbki - Metalizowanie jest obróbka cieplną, która polega na dyfuzyjnym nasycaniu stali innymi metalami, takimi jak: Cr, Al, Ti, V i inne lub Si. W wyniku dyfuzji mogą się tworzyć roztwory, związki międzymetaliczne lub wągliki (o ile stal zawiera węgiel, a pierwiastek nasycający jest wąglikotwórczy). Metalizowanie jest podobne do innych metod obróbki cieplno-chemicznej, z tym że musi być wytworzona sfera z której atomy aktywne metalu dyfundują w stal. Temperatura wynosi

]000°C, czas kilka do kilkunastu godzin. Metalizowanie może być przeprowadzane w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych. Celem tej obróbki jest albo utwardzenie powierzchni (wówczas gdy tworzą się węgliki chromu, tytanu, wanadu inne) względnie zwiększenie odporności na korozję elektrolityczna lub gazową chromowanie, aluminiowanie, krzemowanie). Metalizowanie prowadzi do oszczędności pierwiastków stopowych, gdyż umożliwia zastępowanie stali wysokostopowych niskostopowymi, poddawanymi metalizowaniu dyfuzyjnemu.

Jak się przeprowadza metalizowanie w ośrodkach stałych - Proces przeprowadza się w skrzynkach żaroodpornych, w których są układane elementy i przesypywane mieszanka metalizującą złożona z proszku danego metalu lub jego żelazostopu, masy wypełniającej (np. Al2Oj) oraz aktywatora 2 - 3% salmiaku). Skrzynki po uszczelnieniu wyżarza się przy temperaturze 950 - l 000°C, a po ich wystygnięciu wyjmuje się obrobione elementy. Aktywne

atomy powstają w wyniku reakcji NH4C1 z proszkiem metalu, w wyniku czego tworzy się lotny chlorek metalu, który następnie rozkłada się na powierzchni stali atom metalu dyfunduje w głąb, a chloru tworzy w kontakcie z metalem nową cząstkę chlorku i cykl się powtarza.

Wadą metalizowania w skrzynkach jest energochłonność tej metody związana z koniecznością nagrzewania całej skrzynki oraz koszty związane z korozją gazową skrzynek. Zamiast skrzynek można też (w przypadku matryc) stosować nadsuwki. Wady tej nie ma metalizowanie z past i warstw galwanicznych. Na przykład chromowanie przeprowadza się w paście złożonej z 25% kriolitu i 75% proszku chromu. Substancją wiążącą jest szkło wodne lub krzemian etylu podobnie jak przy borowaniu w pastach (pytanie 2.26). Ta metoda nadaje się do obróbki matryc i narzędzi do obróbki plastycznej. Chromowanie z warstw galwanicznych polega na nałożeniu warstwy ok. 0,1 mm i wyżarzeniu po uprzednim zabezpieczeniu przed utlenianiem.

Opisz metalizowanie w ośrodkach ciekłych - Metoda ta jest głównie stosowana do aluminiowania zanurzeniowego stali. Oczyszczone i wytrawione elementy zanurza sit; w stopie Al + 6 - 8% Fe o temperaturze 700 - 800°C i wytrzymuje w kąpieli do l h. Następnie po wyjęciu i obcieknięciu poddaje się jeszcze elementy wyżarzaniu dyfuzyjnemu przy temperaturze 900 - 1100°C przez kilka godzin. Grubość warstwy złożonej ze związków Al - Fe wynosi po takiej obróbce ok. 0,5 mm. Modyfikacją tej metody jest natryskiwanie

aluminium na element stalowy, a następnie po pokryciu go warstwą zabezpieczającą z piasku i szkła wodnego wyżarzeniu przy temperaturze ok. 1000°C przez 15 - 45 min. Warstwy aluminiowane są odporne na korozje, atmosferyczną i wodną oraz mają własności żaroodporne. Chromowanie można przeprowadzić w kąpieli solnej (NaCI + CrCb) z dodatkiem sproszkowanego żelazochromu. Temperatura procesu wynosi 950 - 1100°C. Zaletą tego sposobu jest możliwość bezpośredniego hartowania elementów po nasyceniu. Warstwy chromowane są odporne na korozje, elektrochemiczną i gazową, a na stalach o większej zawartości węgla są twarde i odporne na ścieranie.

Co to jest i na czym polega hartowanie powierzchniowe - Hartowanie powierzchniowe jest to rodzaj obróbki cieplnej, która polega na wytwarzaniu struktury martenzytycznej jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej, nie wywołując zmian strukturalnych w rdzeniu obrabianego elementu. W wyniku tego otrzymujemy korzystną kombinacji; własności: twardą i odporną na ścieranie i zmęczenie powierzchnie, i ciągliwy rdzeń. Efekt taki uzyskuje się poprzez nagrzanie do temperatury wyższej od Ac3 tylko cienkiej warstwy przypowierzchniowej i szybkie ochłodzenie jej natryskiem wody. Na skutek nagrzewania

do hartowania tylko ułamka masy materiału metoda ta jest bardzo energooszczędna,

W zależności od sposobu nagrzewania hartowanie powierzchniowe dzielimy na płomieniowe, indukcyjne, kąpielowe, elektrolityczne. W celu zmniejszenia naprężeń można zahartowane powierzchnie odpuszczać w zakresie 150 - 200°C. Stal do hartowania powierzchniowego powinna zawierać 0,4 - 0,5% C.

Jak się przeprowadza hartowanie powierzchniowe - płomieniowe - Hartowanie powierzchniowe z nagrzewaniem płomieniowym przeprowadza się za pomocą palników acetylenowych, które zwykle łączy się w grupy, tak aby można było jednocześnie nagrzewać większą powierzchnię. Palniki przesuwają się stopniowo z odpowiednią prędkością wzdłuż powierzchni nagrzewając ją, a tuż za nimi następuje natrysk wody. Może też przemieszczać się hartowany przedmiot, podczas gdy palniki i natryskiwacz są nieruchome. Nagrzewanie płomieniowe nie jest zbyt szybkie i w związku z tym nagrzewana strefa nie jest na ogół mniejsza niż 2 - 6 mm. Tej wielkości są też warstwy zahartowane. Ten rodzaj hartowania jest zwykle stosowany do ciężkich elementów maszyn, jak: łoża, duże koła zębate, bieżnie, rynny do transportu węgla itp.

Na czym polega hartowanie powierzchniowe - indukcyjne - Nagrzewanie powierzchni następuje w tym przypadku za pomocą prądów o wysokiej częstotliwości, które poprzez odpowiednio ukształtowany induktor znajdujący się blisko nagrzewanej powierzchni wytwarza szybkozmienny strumieni magnetyczny indukujący prądy wirowe. Ponieważ efektywność nagrzewania jeśli w tym przypadku większa niż przy nagrzewaniu palnikowym, a efekt naskórkowy działa na malej głębokości, grubości warstw zahartowanych (d) są mniejsze i wynoszą powyżej 0,3 mm. Zależy to jednak od częstotliwości prądu f, gdy; d ~ l/f. Ten rodzaj nagrzewania jest energooszczędny, powoduje małe utlenienie odwęglenie i odkształcenie. Wadą jest duży koszt urządzeń (generatorów prądu wysokiej częstotliwości) i konieczność doboru kształtu induktorów, co powoduje że opłacalne jest stosowanie tej metody tylko przy masowej produkcji.

Opisz inne metody hartowania powierzchniowego - Do rzadziej stosowanych metod należą: metoda kąpielowa, w której nagrzewa nic przeprowadza się przez zanurzenie elementu na krótki czas w kąpieli solnej lub metalowej (żeliwo), po czym następuje ostudzenie w wodzie. Grubość warstw zahartowanej reguluje się czasem zanurzenia w kąpieli. Metoda elektrolityczna polega na nagrzewaniu w elektrolicie (5% roztwór wodny Na2CO3). Hartowany element stanowi katodę. W wyniku przepływu prądu na powierzchni elementu wydziela się warstwa wodoru, wywołująca opór dla jego przepływu. Powoduje to szybkie nagrzewanie powierzchni. Ośrodkiem chłodzącym jest elektrolit (z chwilą wyłączenia prądu).

Metoda kontaktowo-oporowa nadaje się tylko do cylindrycznych powierzchni Polega na przesuwaniu po powierzchni obrotowo-posuwiście rolki, do której je dołączony prąd o niskim napięciu i dużym natężeniu (ok. 700 A/mm szerokości rolki). Powoduje to szybkie nagrzewanie powierzchni stali do wysokiej temperatury, ale na niewielkiej głębokości. Natychmiastowy natrysk wodą wywołuje zahartowanie.

Jaki jest cel i istota napawania - Celem napawania jest nałożenie na miękkie podłoże stalowe warstwy stopu o wysokiej twardości i odporności na ścieranie lub regeneracja zużytych części

maszyn (lub narzędzi) przez uzupełnienie startej warstwy. Warunkiem napawania jest dobra spawalność podłoża (zawartość C < 0,25%), Stale o większej zawartości węgla i stopowe można napawać na gorąco (ok. 300°C). Do napawania stosuje się elektrody stopowe otulone lub druty rdzeniowe, proszkowe. Można też stosować atmosfery ochronne. Przykładem elementów napawanych są walce hutnicze (np. pielgrzymowe), matryce, zęby świdrów gryzowych, zęby czerpaków koparek, koła jezdne suwnic i inne. Często używanym materiałem do napawania jest stellit. Napawanie może być stosowane wielokrotnie, co kwalifikuje tę metodę do materiałooszczędnych.

Jaki jest cel nakładania powłok galwanicznych na części maszyn lub urządzeń - Powłoki galwaniczne nakłada się na części maszyn i pojazdów w celu regeneracji tych elementów, tj. dla uzupełnienia startego podczas eksploatacji materiału. Niektóre urządzenia pokrywa się warstwą twardego chromu w celu zwiększenia odporności na ścieranie, a części maszyn chromuje się dla poprawy ich odporności na zmęczenie. Aby spełnić swoją rolę, powłoki galwaniczne muszą cechować się następującymi właściwościami: wysoko twardością, podatnością do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej, dobra przyczepnością podłoża, brakiem pęknięć i porów, niskim kosztem.

Jakie są zasadnicze cechy procesu chromowania i powłok chromowych - powłoki chromowe można wytwarzać w kąpielach siarczanowych lub fluorokrzemowych. W pierwszym przypadku solą chromującą jest CrOj, a anody są bierne. Wydajność procesu jest mała, co powoduje powolny wzrost powłoki. Grubość powłok dochodzi do 0,2 min. W kąpielach fluorokrzemowych wydajność procesu jest większa i większa jest ich twardość, ale ze względu na agresywność kąpieli są one rzadko stosowane. Zaletą powłok chromowych jest ich duża twardość (1200 KV) i dobra przyczepność oraz stosunkowo mała skłonność do pękania. Powłoki chromowe są stosowane do utwardzania gładzi cylindrów, pierścieni tłokowych oraz narzędzi (np. korków do ciągnienia rur).

Jakie są zasadnicze cechy procesu żelazowania i powłok żelaznych - powłoki żelazne wytwarza się w kąpielach chlorkowych przy użyciu ano czynnych - żelaznych. Wydajność procesu jest ok. 10 razy większa niż przy chromowaniu, a grubość powłok może dochodzić do l mm. Twardość 120 - 600 H\ z tym że są skłonne do pękania. Powłoki te można dodatkowo utwardzić przez nawęglanie lub chromowanie. Powłoki spękane można roztrawić anodowo, przez co zostają one przekształcone w mikro pory napełnione olejem, ułatwiające smarowanie powierzchni.

Jakie są zasadnicze cechy procesu żelazoniklowania powłok Fe-Ni - Powłoki Fe-Ni wytwarza się w kąpielach chlorkowych o temperaturze ok. 85° przy użyciu anod Fe-Ni. Zaletą tych powłok są mniejsze naprężenia n w powłokach żelaznych i niniejsza skłonność do ich pękania, przy wysokiej twardości (do 600 HV) i dużej prędkości osadzania (0,3 - 0,4 mm/h). Powłoki te dobrze nadają się do regenerowania części maszyn (poprzez uzupełnienie startej części materiału). Są jednak droższe.

Co to są obróbki wysokoenergetyczne - Do obróbek wysokoenergetycznych (w.e.) zaliczamy takie, przy których wykorzystuje się do nagrzewania wysokoenergetyczne impulsy, jak na przykład promieniowanie laserowe, wiązki jonów lub elektronów czy strumień plazmy. Do obrób w.c. należą także obróbki detonacyjne, polegające na wybuchowym wstrzeliwał

cząstek fazy stałej (najczęściej twardych związków), które wnikają pod powiem nie metalu i silnie ją umacniają, zwiększając odporność na zużycie ścierne, pozwalają one na bardzo szybkie nagrzanie powierzchni elementu, konieczne do wywołania przemiany fazowej, nałożenia odpowiedniej powłoki lub wtopienia wybranych pierwiastków. Dzięki bardzo szybkiemu nagrzaniu, a następnie ostudzeniu uzyskuje się właściwości warstwy wierzchniej lub powłoki niemożliwe do uzyskania innymi metodami.

---