Charakterystyka faz układu żelazo – cementyt:

Ferreryt α - jest to roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe α o maksymalnej rozpuszczalności węgla 0,0218 w temperaturze 727 ºC. Twardość ferrytu waha się w granicach od 70 do 90 HB.

Austenit γ jest to roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11 w temperaturze 1148 ºC. Faza miękka

i plastyczna. Występuje w temperaturze powyżej 727 ºC.

Cementyt Fe3C jest to faza międzymetaliczna (węglik żelaza)

o wzorze stechiometrycznym Fe3C. Zawartość węgla w cementycie wynosi 6,67%. Jest twardy i kruchy (twardość 750 HB). Wydziela się z cieczy przy chłodzeniu i wtedy oznaczamy go jako pierwszorzędowy I lub wydziela się podczas chłodzenia z austenitu i wtedy oznaczamy go jako II lub wydziela się z ferrytu podczas chłodzenia i wtedy oznaczamy go jako III.

Opis składników układu zelazo cementyt:

Ledeburyt jest to mieszanina eutektyczna austenitu i Fe3C powstały z cieczy o składzie chemicznym 4,3%C w stałej temperaturze 1148 ºC.

Perlit jest to mieszanina eutektoidalna (powstaje z fazy stałej) ferrytu i cementytu powstaje z austenitu o zawartości 0,77 %C w stałej temperaturze 727 ºC.

Martenzyt – metastabilna faza stopu żelaza α (alfa) i węgla powstała podczas szybkiego schłodzenia z prędkością większą od prędkości krytycznej z temperatury w której występuje austenit. Przemiana ta ma charakter bezdyfuzyjny i polega na przebudowie sieci krystalicznej RSC (sieć Regularna Ściennie Centrowana) na sieć TPC (sieć Tetragonalna Przestrzennie Centrowana) czyli zmodyfikowaną przez obecność atomów węgla sieć RPC (sieć Regularna Przestrzennie Centrowana). Temperatura początku i końca przemiany martenzytycznej w dużym stopniu zależy od zawartości węgla w stopie. Ma strukturę iglastą.

Bainit – to mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Powstaje w wyniku przemiany bainitycznej. Ma ona charakter częściowo dyfuzyjny. Wraz z obniżaniem temperatury przemiany zwiększa się udział przemiany bezdyfuzyjnej i twardość bainitu. Twardość bainitu jest mniejsza od twardości martenzytu

Austenit szczątkowy w stopach Fe-C powstaje w trakcie przemiany martenzytycznej. Jest to pozostałość austenitu, która nie uległa przemianie na skutek powstałych w trakcie procesu naprężeń ściskających. Naprężenia te utrudniają tworzenie się martenzytu. Ilość austenitu szczątkowego zależna jest od temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej. Im temperatury te są niższe tym większe występują naprężenia i wskutek tego zwiększa się ilość austenitu szczątkowego.

Przemiany fazowe:

Przemiana martenzytyczna – bezdyfuzyjna przemiana przesyconego stopu żelaza zwanego austenitem, jaka zachodzi w czasie hartowania stali. Aby z austenitu otrzymać martenzyt należy chłodzić z prędkością większą od krytycznej, (stycznej do wykresy CTPi w punkcie Ts=550'C). Następuje w sposób bezdyfuzyjny przemiana sieci z A1 w A2. Rozróżniamy dwa rodzaje martenzytu: iglasty i listwowy. Ponieważ przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną rzadko kiedy dochodzi do końca (czyli wtedy kiedy 100% austenitu ulega przemianie). Austenit który nie uległ przemianie nazywany jest austenitem szczątkowym. Im większy udział procentowy (%C wagowy) tym więcej austenitu nie ulegnie przemianie. Austenit szczątkowy znacząco obniża właściwości wytrzymałościowe, ale jest niekiedy zjawiskiem pożądanym (np. stale narzędziowe szybkotnące wymagają około 20% austenitu szczątkowego ). Należy pamiętać także że temperatura Mf jest tym niższa im więcej węgla w stopie (powyżej 0,5%C wagowych Mf osiąga wartości ujemne wartości). Przemianę martenzytyczną można także zatrzymać w trakcie. Pozostały austenit nieprzemieniony może ulec przemianie w wyniku dostarczenia energii np przez zgniot. Stale takie (TRIP) stosowane są na karoserie samochodowe. Po zderzeniu przemiana dochodzi do końca i w wyniku zgniatania stal się sama umacnia pochłaniając znaczną część energii. Stal po skończonej przemianie martenzytycznej jest twarda i zbyt krucha aby wykorzystać ją na główne elementy konstrukcyjne, dlatego należy poddać ją procesowi odpuszczania.

Przemiana perlityczna - przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej), przemiana dyfuzyjna związana z przegrupowaniem atomów węgla zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu. PERLIT - mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu oraz cementytu.

Przemian bainityczna – przechłodzenie austenitu do temp. odpowiadających środkowemu obszarowi na wykresie CTPi (ok. 550 – 200°C dla stali węglowej), przemiana ta zawiera w sobie elementy PM i PP, różniąc się jednak w swoisty sposób od obu tych przemian. W tym zakresie temp. szybkość dyfuzji węgla jest bardzo mała. W warunkach tych z austenitu powstają płytki ferrytu przesycone węglem. Ponieważ jednak szybkość dyfuzji węgla w żelazie a jest znacznie większa niż w żelazie g, z powstałych płytek przesyconego ferrytu wydziela się cementyt. Bainit jest, więc mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglikami. Im niższa jest temp. PB tym mniejsza jest szybkość dyfuzji węgla i wydzielenia cementytu są drobniejsze (właściwości i struktura zależą od temp. przemiany). Rozróżnia się bainit górny powstały z przemiany austenitu w temp. ok. 550 – 350°C, oraz bainit dolny powstały w zakresie 350 – 250°C.

Krytyczna szybkość chłodzenia – szybkość chłodzenia przy której zaczyna występować martenzyt nazywamy dolną, a taką przy której nie występuje już troostyt lecz tylko martenzyt (ew. austenit szczątkowy) górną krytyczną szybkością chłodzenia. Kiedy mówimy o krytycznej szybkości chłodzenia, mamy na myśli górną szybkość krytyczną. Krytyczna szybkość chłodzenia stali zależy nie tylko od zawartości składników stopowych, ale również od zawartości węgla.

Hartowność stali – jest podatnością stali na hartowanie, czyli tworzenie struktury martenzytycznej. Na hartowność stali wpływa wiele czynników, a przede wszystkim jej skład chemiczny, czyli głównie pierwiastki stopowe. Wpływ ma także wielkość ziarna austenitu, jednorodność austenitu i obecność innych nierozpuszczonych cząstek. Temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej w dużym stopniu zależą od udziału węgla. Im jest go więcej, tym te temperatury są niższe i trudniejsze do osiągnięcia. Powoduje to, że stal niskowęglowa jest mniej hartowna od wysokowęglowej. Dodatki stopowe, takie jak mangan lub chrom, znacznie podwyższają hartowność stali poprzez zmniejszenie krytycznej prędkości chłodzenia, która przy stalach węglowych wynosi około 400 do 500 °C/s. Możliwość zmniejszenia tej prędkości wpływa na zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Głębokość hartowania, jaką daje się uzyskać w stali węglowej, nie jest większa niż 3 do 10 mm, w zależności od jej składu. Dodatki stopowe pozwalają zwiększyć głębokość hartowania.

Utwardzalność - podatność stali na hartowanie. Jest to stosunek największej, możliwej do uzyskania po hartowaniu, twardości do warunków austenityzowania.

Przehartowalność - to podatność stali do utwardzania się w głąb przekroju pod wpływem hartowania.

Czynniki wpływające na hartowność

- Skład chemiczny - węgiel i wszystkie pierwiastki z wyjątkiem kobaltu, jeżeli są rozpuszczone w austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwają linie wykresu CTPc w prawo).

- Jednorodność austenitu - im większa jednorodność austenitu tym hartowność stali większa, ponieważ brak jest dodatkowych zarodków przyśpieszających rozkład austenitu w zakresie przemiany perlitycznej. Niejednorodność austenitu może być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenki, azotki itp.) i węglików lub również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziaren austenitu.

- Wielkość ziarna austenitu - im większe ziarno tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszania się, ilości uprzywilejowanych miejsc zarodkowania cementytu, którymi są m.in. granice ziaren. Struktura gruboziarnista –ma

Wpływ dodatków stopowych na hartowność, takie jak mangan lub chrom, znacznie podwyższają hartowność stali poprzez zmniejszenie krytycznej prędkości chłodzenia, która przy stalach węglowych wynosi około 400 do 500 °C/s. Możliwość zmniejszenia tej prędkości wpływa na zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Głębokość hartowania, jaką daje się uzyskać w stali węglowej, nie jest większa niż 3 do 10 mm, w zależności od jej składu. Dodatki stopowe pozwalają zwiększyć głębokość hartowania.

Metody badań hartowności:

Próba Jominy'ego - metoda określenia hartowności metalu. Polega na czołowym oziębianiu próbki (średnica 25mm, długość 100mm, po austenityzowaniu) wodą. Następnie mierzy się twardość wzdłuż dwóch przeciwległych tworzących co: 2 odcinki co 1,5mm, 6 co 2 mm i dalsze co 5mm. Dane nanosi się na wykres odleglości od czoła [mm] w funkcji twardości [HRC].

Metoda Grossmana - Polega na hartowaniu w wodzie lub oleju cylindrycznych próbek i różnych średnicach . Następnie próbki przecina się i dokonuje się pomiarów twardości na poprzecznym przekroju wzdłuż średnicy. Wyniki pomiarów zestawia się graficznie. Obserwując strukturę próbki pod mikroskopem, stwierdza się że przy powierzchni jest jednorodny martenzyt , a w głębszych warstwach pojawia się bainit , a następnie drobny perlit. Za granicę strefy zahartowanej przyjmuje się strukturę o zaw. 50% martenzytu. Twardość odpowiadająca takiej strukturze nosi nazwę twardości krytycznej . Sposób wyznaczenia strefy zahartowanej z wykresu polega na naniesieniu twardości kryt na wykres . Co umożliwia określenie średnicy niezahartowanej rdzenia (Dr) , a następnie obliczenie strefy zahartowanej ze wzoru.

Krzywa hartowności- Po zahartowaniu zeszlifowuje się warstwę o grubości ok.0,25 mm wzdłuż przeciwległych tworzących tak, aby uzyskać płaszczyznę. Na powierzchniach tych wykonuje się pomiary twardości w odległości co 1,5÷2 mm. Wyniki pomiarów nanosi się na wykres w układzie współrzędnych: odległość do czoła próbki (oś odciętych) – twardość HRC (oś rzędnych). Łącząc otrzymane punkty linią ciągłą uzyskuje się krzywą hartowności.

Pasmo hartowności- Na podstawie masowych badań różnych części wlewków otrzymuje się wiele punktów, które wykazują pewien rozrzut twardości. Jeżeli punkty te ograniczyć obustronnie liniami, to powstanie tak zwane pasmo hartowności danej stali, określające możliwe wahanie hartowności stali danego gatunku.

Twardość krytyczna - jest to twardość, która odpowiada strukturze półmartenzytycznej, tzn. składającej się w 50% z martenzytu i w 50% z innych składników strukturalnych, takich jak bainit, ferryt, perlit.

Średnica krytyczna jest średnicą największego przekroju próbki stalowej hartującej się na wskroś w danym ośrodku chłodzącym.

Ośrodek idealny (pojęcie teoretyczne) o nieskończenie dużej szybkości oziębiania powierzchni przedmiotu hartowanego wykazuje intensywność chłodzenia H = ¥. Oznacza to, że nagrzany przedmiot po zanurzeniu w ośrodku idealnym w czasie 0 osiąga na powierzchni temperaturę tegoż ośrodka. Średnica krytyczna odpowiadająca takiemu idealnemu ośrodkowi nazywa się idealną średnicą krytyczną DI.

Podział stopów żelaza:

Surówki - półprodukt redukcji rudy w piecu, ma bardzo wysoką zawartość węgla (powyżej 2%), zwykle 3,5-4,5% i liczne zanieczyszczenia, co czyni ją bardzo kruchą i nieprzydatną bezpośrednio jako materiał, z wyjątkiem ograniczonych zastosowań. Surówka jest stopem żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem i siarką. Nazwa pochodzi stąd, że jest to półprodukt przewidziany do dalszej przeróbki, czyli surowiec.

Stale - stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11% co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, zawierający od 2 do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Występowanie konkretnej fazy węgla zależy od szybkości chłodzenia. Chłodzenie powolne sprzyja wydzielaniu się grafitu. Także i dodatki stopowe odgrywają tu pewną rolę. Krzem powoduje skłonność do wydzielania się grafitu, a mangan przeciwnie, stabilizuje cementyt. Żeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwiakami. Tak powstały materiał stosuje się do wykonywania odlewów. Żeliwo charakteryzuje się niewielkim - 1,0 do 2,0% skurczem odlewniczym, łatwością wypełniania form, a po zastygnięciu obrabialnością. Wyroby odlewnicze po zastygnięciu, by usunąć ewentualne ostre krawędzie i pozostałości formy odlewniczej, poddaje się szlifowaniu. Odlew poddaje się także procesowi sezonowania, którego celem jest zmniejszenie wewnętrznych naprężeń, które mogą doprowadzić do odkształceń lub uszkodzeń wyrobu. Żeliwo dzięki wysokiej zawartości węgla posiada wysoką odporność na korozję.

Przykłady zastosowania żeliwa:

przemysł motoryzacyjny,

obudowa skrzyni biegów,

piece żeliwne, kaloryfery

inżynieria sanitarna (włazy kanałowe, rury, wpusty uliczne)

Staliwo- to stop żelaza z węglem w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddany obróbce plastycznej. W odmianach użytkowych zawartość węgla nie przekracza 1,5%, suma typowych domieszek również nie przekracza 1%. Właściwości mechaniczne staliwa są nieco niższe niż własności stali o takim samym składzie po obróbce plastycznej. Wynika to z charakterystycznych dla odlewów: gruboziarnistości i pustek międzykrystalicznych. Staliwo ma natomiast znacznie lepsze właściwości mechaniczne od żeliwa, w szczególności - jest plastycznie obrabialne, a odmiany o zawartości węgla poniżej 0,25% są również dobrze spawalne. Ze względu na skład chemiczny rozróżnia się staliwa:

węglowe - zawierające tylko składniki zwykłe i zanieczyszczenia z przerobu hutniczego

stopowe - zawierające dodatkowo wprowadzone celowo domieszki stopowe

Ze względu na własności fizyczne i związane z nimi możliwości praktycznego zastosowania, wyróżnia się staliwa:

węglowe

zwykłej jakości

wyższej jakości

najwyższej jakości

Ośrodki chłodzące : woda z NaCl lub NaOH , woda , olej, mgła wodna, sprężone powietrze, wolne powietrze. Ośrodki chłodzące umożliwiają uzyskanie różnych szybkości chłodzenia w różnych zakresach temperatur. Im łagodniejszy ośrodek tym mniejsze są naprężenia własne, i skłonności do pękania ale mniejsza jest także głębokość zahartowania i twardość. Najbardziej energiczne ośrodki stosuje się do stali węglowych.

Obróbka cieplna stopów żelaza – zabieg dokonywany na stopach żelaza z węglem takich jak stal, staliwo lub żeliwo, w czasie którego pod wpływem ciepła i innych działań modyfikuje się niektóre własności fizyczne i chemiczne tych stopów.

Podstawowymi rodzajami obróbki cieplnej stopów żelaza są:

hartowanie – stosowane tylko dla stali.

starzenie

przesycanie

odpuszczanie

ulepszanie

wyżarzanie

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu z roztworu przesyconego wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze w postaci drobnodyspersyjnych faz. Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje poprawę właściwości wytrzymałościowych i twardości oraz pogorszenie plastyczności. Połączone procesy przesycania i starzenia określa się wspólną nazwą utwardzanie wydzieleniowe. Utwardzaniu wydzieleniowemu poddawane są stopy charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w stanie stałym i ma zastosowanie do umacniania metali nieżelaznych oraz stopowych stali austenitycznych i ferrytycznych Jeżeli celem utwardzania dyspersyjnego jest uzyskanie maksymalnej twardości i wytrzymałości należy zwrócić szczególną uwagę na dobór odpowiedniej temperatury starzenia. Ponieważ przeprowadzenie operacji w zbyt wysokiej temperaturze powoduje tzw. przestarzenie czyli następuje utrata koherencji fazy wydzielonej z osnową oraz koagulacja wydzielonych cząstek. Jest to przyczyną zmniejszenia twardości i wytrzymałości.

Hartowanie – rodzaj obróbki cieplnej stali, składający się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie materiału do temperatury powyżej przemiany austenitycznej i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem.

Przesycanie – jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal w celu stabilizacji austenitu. Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie, tak jak w hartowaniu, szybkie schładzanie. Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję. Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Odpuszczanie – jest operacją cieplną, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali.

Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę zwaną sorbitem lub troostytem.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

Odpuszczanie niskie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150 do 250 °C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

Odpuszczanie średnie

Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250° do 500 °C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzielimy na:

kruchość odpuszczania I rodzaju i jest to kruchość nieodwracalna, zachodzi w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie

kruchość odpuszczania II rodzaju i jest kruchością odwracalną, zachodzi powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu

Ulepszanie cieplne – jest zabiegiem cieplnym polegającym na połączeniu hartowania z wysokim odpuszczaniem. Stosowany na odpowiedzialne wyroby stalowe, które poddawane są obróbce skrawaniem, takie jak wały okrętowe i samochodowe, wały korbowe, części broni maszynowej itp.

Wyżarzanie – jest operacją cieplną polegającą na nagrzaniu elementu stalowego (lub szkła) do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach, w zależności od temperatury w jakiej jest prowadzone:

Wyżarzanie zupełne – przeprowadzane w temperaturze 30÷50 °C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej. Polega na wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym schłodzeniu, zwykle wraz z piecem. Stosuje się je w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury, zwykle do staliwnych odlewów.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) – przeprowadzane w temperaturze 30÷50 °C powyżej linii GSE wykresu żelazo-węgiel temperatury przemiany austenitycznej, kiedy tworzy się już czysty austenit bez udziału ledeburytu. Po ostudzeniu w powietrzu otrzymuje się w ten sposób jednolitą strukturę i usuwa naprężenia, powstałe w czasie poprzedniej obróbki. Normalizowaniu poddaje się wyższej jakości wyroby hutnicze oraz przedmioty przeznaczone do dalszej obróbki cieplnej, np. połączeniu hartowania. Odmianą normalizowania jest wyżarzanie niezupełne, gdy w strukturze stali dopuszcza się obok austenitu także i ledeburyt. Nagrzewa się wtedy stal do temperatury powyżej linii GSK wykresu żelazo-węgiel.

Wyżarzanie zmiękczające (sferoidyzacja) – przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15 °C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15 °C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową, sferoidalną, co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.

Wyżarzanie ujednorodniające – przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 1000÷1200 °C w celu ujednorodnienia składu chemicznego stali w całym przekroju, jeśli wskutek błędów w poprzednich operacjach nie uzyskano takiej jednolitości.

Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) – stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit.

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.

Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) – przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150 °C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania.

Miedź i stopy miedzi

Miedź była pierwszym metalem szeroko wykorzystanym przez człowieka. Około siedmiu tysięcy lat temu w dorzeczu Tygrysu i Eufratu posługiwano się narzędziami wyklepanymi z samorodków miedzi. Później zaczęto wytapiać miedź z rud. Produktem wytopu nie była czysta miedź, gdyż w rudach znajdowały się inne metale, zwłaszcza cyna. Narzędzia wykonane ze stopu miedzi z cyną, nazwanego brązem, miały większą trwałość niż miedziane. Z czasem nauczono się uzyskiwać brąz w wyniku stapiania składników w odpowiednich proporcjach. Wynalazek ten miał miejsce około cztery tysiące lat temu dając początek epoce brązu.

Miedź ma charakterystyczne czerwonawe zabarwienie. Krystalizuje w sieci RSC (A1) i nie posiada odmian alotropowych. Temperatura topnienia miedzi wynosi 1083ºC.

Jest doskonałym przewodnikiem elektryczności, ustępuje jedynie srebru. Z tego powodu miedź znalazła duże zastosowanie w elektrotechnice na przewody.

Miedź charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, co decyduje o jej zastosowaniu w przemyśle chemicznym na elementy wymienników ciepła.

Miedź wykazuje dużą odporność na korozję. Odporność na korozyjny wpływ atmosfery zapewnia obecność niebiesko-zielonego zasadowego węglanu i siarczanu miedzi, tzw. patyny.

Ze względu na dość niskie własności wytrzymałościowe i dużą plastyczność miedzi (Rm~200 N/mm2, Re~50 N/mm2, A~35%), elementy maszyn i konstrukcji wykonuje się z jej stopów - mosiądzów i brązów, które mają gorszą przewodność elektryczną i cieplną, ale dobrą odporność na korozję i wyższą wytrzymałość.

Mosiądze – stopy miedzi z cynkiem, w których podstawowym składnikiem jest miedź, zawierające do ok. 45% Zn.

Mosiądze wieloskładnikowe – zawierające oprócz głównego dodatku stopowego – cynku, inne dodatki (1-4%), poprawiające określone właściwości. Są nimi: aluminium i cyna (poprawa odporności na korozję atmosferyczną i wody morskiej), mangan, krzem i żelazo (wzrost wytrzymałości), ołów (poprawa lejności, skrawalności, właściwości ślizgowych).

Struktura mosiądzów

do ok. 38 % Zn: roztwór stały a na bazie miedzi (A1) o dobrej plastyczności i wytrzymałości

powyżej 38 % Zn: a + faza b’ (krucha, o niskiej wytrzymałości)

Podział mosiądzów:

odlewnicze (zwykle dwufazowe a + b’)

do obróbki plastycznej (zwykle jednofazowe a, o mniejszej zawartości Zn i innych dodatków niż odlewnicze)

Brązy – stopy których podstawowym składnikiem jest miedź, a głównymi dodatkami stopowymi są cyna, aluminium, krzem, beryl, mangan, ołów, których zawartość jest większa od 2 %. W zależności od głównego dodatku stopowego noszą odpowiednie nazwy, np.: brązy cynowe, aluminiowe, krzemowe itp. W brązach wieloskładnikowych znajdują się również inne dodatki stopowe, co uwzględnia się w nazwie, np.: brązy cynowo-ołowiowe.

Ze względu na zastosowanie, brązy dzieli się na odlewnicze i do obróbki plastycznej.

Aluminium i stopy al.

Aluminium jest metalem lekkim (gęstość 2,7 Mg/m3, 3 razy mniejsza niż żelaza), co decyduje o szerokim zastosowaniu jego stopów w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje dobre przewodnictwo elektryczne, stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą tlenku, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest odporne na działanie wody i wielu kwasów. Nie jest odporne na działanie wodorotlenków i kwasów beztlenowych. Z powodu dobrej odporności na korozję, wykorzystywane jest w przemyśle spożywczym i chemicznym. Aluminium jest plastyczne i ma niską wytrzymałość: Rm = 70 – 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, A = 30 - 45%. Twardość wynosi 15 - 30 HB.

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które - po odpowiedniej obróbce cieplnej, mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą od metalu podstawowego.

Stopy aluminium – stopy, których podstawowym składnikiem jest aluminium, a dodatkami miedź, krzem, magnez, cynk i mangan. Rozróżnia się stopy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe.

Stopy cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal.

Techniczne stopy aluminium dzieli się na odlewnicze oraz do obróbki plastycznej.

Silumin, alpaks – typowy stop odlewniczy - stop aluminium z dodatkiem krzemu, oraz innymi (o mniejszym udziale procentowym) dodatkami takimi jak miedź, magnez, mangan i nikiel, odporny na korozję, o dobrej lejności, małym skurczu i małą skłonnością do pękania, popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Siluminy maja bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedz zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.

Najpopularniejsze siluminy to AK12 i AK20 (o 12% i 20% zawartości krzemu), wykorzystywane powszechnie na tłoki cylindrów. W celu poprawy własności siluminów stosuje się ich modyfikację. Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się fluorkiem sodu nie przekraczającym 0,1%, a siluminy nadeutektyczne fosforem.

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie aluminium oraz dodatki stopowe: zwykle miedź (2,0-4,9%), mangan (0,3-1,0%), magnez (0,15-1,8%), często także krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2800 kg/m³ (przy 2700 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne), posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną: wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Istnieje także dural cynkowy, który ma większą zawartość cynku 5-7% oraz miedzi, magnezu i manganu.

Zastosowanie miedzi:

Takie cechy jak odporność na korozję i możliwość ponownego przetwarzania czyni miedź przyjaznym naturalnemu środowisku człowieka.

Miedź stosuje się w budownictwie, szczególnie przy pokrywaniu dachów.

Miedź znajduje także zastosowanie w świecie muzyki: w gitarach elektrycznych, kontrabasach, saksofonach, trąbkach i puzonach.

Materiałem jubilerskim złoto i srebro staje się dopiero po stopieniu z miedzią. Poprawia również własności mechaniczne.

Miedź jest najbardziej niezawodnym, oszczędnym oraz najbezpieczniejszym na świecie materiałem do przesyłania energii elektrycznej. Dzięki czemu wykorzystywana jest również na dużą skale w elektronice(Miedź jest najlepszym nośnikiem informacyjnym.)

Z powodu dużej przewodności cieplnej, miedź znalazła zastosowanie w przemyśle chemicznym do wyrobu chłodnic, aparatów chemicznych i przy produkcji elementów grzejnych i wymienników cieplnych.

Brąz zastosowanie: Obecni brąz stosowany jest na odlewy, do wyrobu części maszyn, na stalówki do piór, oraz w postaci sproszkowanej jako farba.

Z brązu produkuje się takie części jak łożyska, panewki, ślizgi i napędy, osprzęt parowy i wodny, armatura chemiczna, przemysł okrętowy i papierniczy; Z brązu wykonuje się dzwony

Brąz manganowy używany jest na części precyzyjnych aparatów wymagających wytłumienia drgań wywołanych pracą silników, przekładni zębatych itp.

Mosiądz zastosowanie: Zastosowanie mosiądzu: rury cienkościenne, szczególnie do produkcji chłodnic, wyroby emaliowane, elementy wykonywane różnymi metodami obróbki plastycznej, oraz skrawania, elementy zamków błyskawicznych, elementy ślizgowe, architektura;

Mosiądze stosuje się również na wyroby armatury, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, okucia budowlane, np. klamki. Na elementy maszyn w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym.

Kruchy mosiądz stosowany jest jako forma odlewnicza

Obróbka cieplna stopów aluminium

Obróbka cieplna stopów aluminium, mająca na celu przede wszystkim podwyższenie ich wytrzymałości, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu stałego i starzenia. Podstawowym warunkiem, na którym opiera się proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie się granicznej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury.

Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu.

Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 ÷ 400°C przez 2 ÷ 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotuzwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi.

Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.

Obróbka cieplna mosiądzu:

Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu.

Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziarn, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi.

Stale do nawęglania

Są to stale węglowe i stopowe o zawartości węgla do 0,25%

Główne dodatki stopowe to: Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, W. Pierwiastki te wprowadzone są

do stali w celu podwyższenia hartowności oraz zwiększenia plastyczności rdzenia

Azotowanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na dyfuzyjnym nasyceniu azotem warstwy powierzchniowej stalowego elementu. Proces ten polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego azotu, który wiąże się z żelazem oraz dodatkami stopowymi, zwłaszcza aluminium, tworząc powierzchniową warstwę azotków. Odporność na ściearnie, odpornść korozyjna, odporność na rozciąganie i wzrost twardości. Zalety: a/ duza twardość powieszchni, b/ zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze c/ zwiekszona oodporność na scieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne d\ odporność na korozję gazowa i atmosferyczna e\ duża wytrzymałość zmeczeniowa

Metody Azotowania:

Azotowania jonizacyjne - Odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu w urządzeniu składającym się z szczelnej retorty, pompy próżniowej, urządzenia dozującego gaz oraz zasilacza. Azotowane przedmioty, odizolowane od ścianek retorty, są umieszczane w retorcie, stanowiąc anodę, i podłączane do bieguna ujemnego. Przyłożone napięcie wynosi 0,5 - 1,5 kV a ciśnienie azotu lub mieszaniny z wodorem w retorcie jest obniżane do 10-2 - 1 Pa. Wysokie napięcie powoduje jonizację gazu w wąskiej strefie spadku napięcia przy katodzie. W wyniku zderzenia jonów azotu z powierzchnią obrabianego przedmiotu wydziela się ciepło, a obrabiany przedmiot nagrzewa się do temperatury wystarczającej do azotowania. Atomy żelaza wybite z powierzchni tworzą azotki FeN, ulegające następnie kondensacji na powierzchni metalu i rozkładowi z wykorzystaniem azotu atomowego dyfundującego w głąb metalu. Zjawiska te można regulować przez zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego. Warstwy powierzchniowe wytworzone w tym procesie odznaczają się wysoką odpornością na ścieranie i wytrzymałością zmęczeniową oraz znacznie większą ciągliwością w porównaniu z warstwami uzyskiwanymi podczas azotowania innymi metodami.

Azotowanie gazowe - odbywa się najczęściej w strumieniu zdysocjowanego amoniaku w temperaturze 500 - 600 C. Żelazo działa katalitycznie na przebieg tej reakcji. Podczas azotowania gazowego stężenie azotu w warstwie powierzchniowej zmienia się w sposób niekontrolowany. Potencjał atmosfery azotującej utworzonej w wyniku dysocjacji amoniaku może być regulowany przez rozcieńczenie czystym azotem. Umożliwia to kontrolowanie składu warstwy powierzchniowej stali azotowanej, gdyż w danej temperaturze nasycanie tej warstwy przebiega znacznie wolniej niż podczas azotowania w czystym amoniaku.

Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko. Proszek stosowany do takiego azotowania może zawierać 80% cyjamidu wapniowego , 15% węglanu sodowego , 3% żelazomanganu i 2% węglika krzemu. Temperatura operacji zależy od rodzaju stali oraz wymiarów obrabianego przedmiotu i wynosi 500 - 600 C. Czas azotowania w proszkach wynosi zwykle 0,5 - 10h w zależności od wymiarów i przeznaczenia obrabianego przedmiotu oraz gatunku stali.

Rodzaje stali do azotowania:

-konstrukcyjne do azotowania

-narzedziowe

-szybkotnące

- stale stopowe o takich składnikach, które wykazują dużą skłonność do tworzenia twardych azotków, jak glin, chrom, tytan, i wanad,

- obecność węgla w stalach utrudnia proces azotowania. Wobec tego stale wysoko węglowe nie nadają się do azotowania,

- w azotowaniu utwardzającym stosuje się głównie stale konstrukcyjne średniowęglowe (0,35-0,45%C) zawierające dodatkowo dodatki stopowe głównie Al., Mo, Cr, V, W i Ti;

Rodzaje atmosfer stosowanych do azotowania:

- gazowe: atmosfera częściowo zdysocjowanego amoniaku;

- jonizacyjne: atmosfera zjonizowanego azotu ;

- ewentualnie dodatek wodoru, lub argonu lub węglowodorów pod obniżonym ciśnieniem

Potencjał atmosfer gazowych azotującej i metod jego kontroli, stopień dysocjacji amoniaku;

Azot niezbędny do procesu otrzymuje się z reakcji dysocjacji amoniaku w podwyższonych temperaturach (począwszy od 270C), zgodnie ze wzorem:

3NH2 –› 2N + 3H2

W temperaturach azotowania amoniak dysocjuje wytwarzając azot, przy czym obecność żelaza działa katalitycznie na tą reakcję. Stopień rozpadu amoniaku tj. stopień dysocjacji zależy od temperatury i w praktyce najczęściej ustala się na poziomie ok. 30% (czyli pozostaje ok. 70% amoniaku niezdysocjowanego). Reakcja dysocjacji amoniaku jest połączona ze wzrostem ilości cząsteczek (atomów), a więc ze wzrostem ciśnienia. Wzrost ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w kierunku na lewo, czyli tworzenia się cząstek NH3 niezdysocjowanego. Natomiast zmniejszenie ciśnienia spowoduje przesunięcie równowagi w kierunku dysocjacji amoniaku.

Amoniak jest wpuszczany do pieca w sposób ciągły, przez co odnawia stale ilość azotu w przestrzeni pieca.

Struktura warstwa azotowanych:

Warstwy wytwarzane w procesie konwencjonalnego azotowania gazowego są zwykle zbudowane z dwóch stref:

- strefy przypowierzchniowej (nie ulega trawieniu, bogate w azot węgloazotki Fe2.3(N,C) i azotki γ’ (Fe4N) lub tylko azotki γ w strefie węgloazotków ε mogą występować pory),

-strefy azotowania wewnętrznego, która w stalach węglowych jest roztworem stałym azotu w żelazie z wydzieleniami lub bez wydzieleń azotków żelaza (w przypadku stali stopowych strefa ta zawiera drobnodyspersyjne wydzielenia azotków pierwiastków stopowych (Cr, W, Mo, V, Ti) rozmieszczonych w podłożu ferrytycznym; strefa ta trawi się ciemniej niż rdzeń).

Obróbka cieplna stali poddawanej azotowaniu Stal poddana hartowaniu i odpuszczaniu 550 przed azotowaniem.

Nawęglanie –jest zabiegiem cieplnym polegający na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału. Do nawęglania używa się stali niskowęglowej, by zmodyfikować własności powierzchni materiału w dalszych obróbkach np. zwiększyć jej twardość, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia stali niskowęglowej. Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1–1,3%, a głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,5 do 2 mm.

Metody nawęglania:

Nawęglanie w ośrodkach stałych:

Nawęglanie te nie posiada obecnie praktycznego zastosowania odbywa się w proszku węgla drzewnego, często wymieszanego ze sproszkowanymi węglanami sodu, wapnia , litu lub baru, zwykle w temperaturze około 900 C. W wyniku reakcji spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO z którego tworzy się CO2 i węgiel atomowy, nasycający powierzchnie stali. Do nawęglania mogą być wykorzystywane również pasty.

Zalety: nie wymaga specjalnych urządzeń, najprostszy,

Wady: duża czaso i energochłonność, trudność regulowania grubości warstw i stężenia C

Nawęglanie gazowe:

Nawęglanie często stosowane obecnie, odbywające się w temperaturze około 920 C w atmosferze tlenku węgla, metody otrzymywania ośrodka nawęglającego mogą polegać na:

- otrzymywaniu tlenku węgla w piecu --- w wyniku spalania węglowodorów w powietrzu,

- wytwarzaniu atmosfery nawęglającej z ciekłych związków organicznych, np. nafty, metanolu lub acetonu, rozkładających się w temperaturze około 700 C na węgiel i wodór. Gazy nawęglające są specjalnie oczyszczane, co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu się sadzy na powierzchni obrabianych przedmiotów, utrudniającej adsorpcję węgla. Poza temperaturą i czasem nawęglania o wyniku procesu decyduje potencjał węglowy i natężenie przepływu ośrodka nawęglającego.

Zalety: regulacja grubości warstwy nawęglanej i zawartości w niej węgla, duża szybkości procesu, możliwość hartowania przedmiotów bezpośrednio po nawęglaniu

Wady: wysoki koszt urządzeń i instalacji, duża powierzchnia hali przeznaczona

na urządzenie i stosunkowo wysoki koszt wytworzenia atmosfer (koszty surowców atmosfer).

Nawęglanie w złożach fluidalnych:

Nawęglanie w którym złoże fluidalne jest tworzone przez cząstki ciała stałego np. piasku lub tlenku glinu, utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający przepływający przez złoże od dołu ku górze. Przedmioty obrabiane cieplno-chemicznie zanurza się w złożu fluidalnym podobnie jak w cieczy.

Zalety: duża wydajność procesu, umożliwia regulacje grubości i struktury warstwy dyfuzyjnej, ułatwia absorpcje.

Nawęglanie próżniowe:

Nawęglanie może odbywać się także pod obniżonym ciśnieniem w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. W metodzie tej atomowy węgiel jest uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów. Nawęglanie próżniowe zapewnia lepsza adsorpcję węgla z atmosfery o niskim ciśnieniu i mniejsze zużycie gazu.

Zalety: lepsza absorpcja C , mniejsze zużycie gazów, ekologiczne, skraca czas procesu

Nawęglanie jonizacyjne:

Polega ono na wygrzewaniu stali w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem który stanowi katodę, a anodą. W warunkach tych następuje wyładowanie jarzeniowe i wytworzenie plazmy. W wyniku aktywacji plazmą powstają jony węgla, przyspieszenie w polu potencjału w pobliżu obrabianego materiału który jest przez nie bombardowany co znacznie ułatwia adsorpcję węgla przez metal. Metoda ta zapewnia wysoką wydajność procesu, umożliwiając regulację grubości i struktury warstwy nawęglanej.

Zalety: duża wydajność procesu, umożliwia regulacje grubości i struktury warstwy dyfuzyjnej, ułatwia absorpcje.

Zalety i wady nawęglania:

Zalety:

 niski stopień trudności procesu,

 łatwa obsługa i powtarzalność wyników nawęglania,

Wady:

 trudność otrzymania cienkich warstw,

 brak możliwości regulacji węgla w warstwie,

 brak możliwości automatyzacji procesu,

 konieczność wielokrotnego grzania przedmiotów (odkształcenia)

Potencjał węglowy atmosfery nawęglającej i metody jego kontroli;

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 H2O obniżają go. Składniki atmosfery reagują ze sobą i wytwarza się równowaga między nimi, dzięki czemu dla określenia potencjały wystarczy znać jeden ze składników. Kontrola:

- można wyznaczyć punkt rosy,

- można określić potencjał węglowy nawęglając cienką filię żelazną i określając w niej zawartość węgla. Jeśli potencjał węglowy atm. Jest większy ni ż zawartość węgla w stali , to będzie ona nawęglana, im mniej- odwęglana.

Warstwy nawęglone:

W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od po¬wierzchni w kierunku rdzenia, w związku z czym zmienia się również struktura.

Najsilniej nawęglona strefa zewnętrzna (nadeutektoidalna) powinna się składać z perlitu, ewentualnie z niewielką ilością cementytu.

Natomiast struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu przy powierzchni jest niedopuszczal¬na – bardzo krucha i łatwo pęka podczas hartowania.

Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna łagodnie przechodzić w ferrytyczno-perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.

Rodzaje obróbki cieplnej stosowanej po nawęglaniu:- hartowanie- niskie odpuszczanie

Borowanie:

Borowanie jest to obróbka cieplno- chemiczna polegająca na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali B. W wyniku borowania powstają związki B z Fe zwane borkami: FeB i Fe2B o charakterystycznej kolumnowej budowie i wysokiej twardości ok. 2000 HV, z tym, że borek 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.

Metody borowania:

Borowanie w ośrodkach stałych. Ten sposób borowania nie wymaga specjalnych urządzeń z wyjątkiem skrzynek żaroodpornych, do których ładuje się elementy wraz z mieszanką borującą, która składa się zwykle ze sproszkowanych składników: węglika boru B4C lub żelazoboru z dodatkiem aktywatorów oraz wypełniacza przy temp. 950°C. Czas ok. 6 h. Inną odmianą jest borowanie metodą aluminotermiczną w mieszance: B2O3, proszek AJ w ilości 75% masy B2O3 oraz AI2O3 i aktywatory.

Borowanie w ośrodkach ciekłych, czyli kąpielach solnych - nagrzewanie przeprowadza się przez zanurzenie elementu na krótki czas w kąpieli solnej lub metalowej, po czym następuje ostudzenie w wodzie. Grubość warstwy zahartowanej reguluje się czasem zanurzenia w kąpieli. Kąpiel składa się z BaCl2+ NaCl+ ok. 10% B4C, temp. 950°C. Inna metoda polega na zastosowaniu boraksu z dodatkiem ok. 10% NaCl i ok. 35% B4C lub SiC. Temp procesu wynosi 850°C, czas ok. 3 h.

Przyspieszenie nasycania stali B 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- 25V gęstość prądu poniżej 1 A/cm2. Główną zaletą metod kąpielowych jest skrócenie czasu obróbki i możliwość bezpośredniego hartowania, wadą niszczenie tygli i konieczność oczyszczania elementów z resztek soli.

Borowanie gazowe przeprowadza się w szczelnych retortach w atmosferze złożonej z chlorku boru lub borawodoru B2H6 oraz gazu nośnego. Temp procesu 1100°C. Chlorek boru można wytwarzać w oddzielnej instalacji działając chlorowodorem na żelazobor przy temp. ok. 1000°C, lub korzystając z gazów w butli. Borowanie gazowe jest uważane za metodę nowoczesną i energooszczędną, ale wymaga kosztownych urządzeń. Ma też wady: nie można stosować bezpośredniego hartownia, gazowe związki boru są bardzo toksyczne.

Obróbka cieplna po borowaniu. Po borowaniu należy utwardzić podłoże warstwy borowej przez hartowanie zwykłe w oleju z niskim odpuszczaniem lub izotermiczne. Podczas nagrzewania należy chronić warstwę borowaną przed utlenianiem. Dobre efekty daje nagrzewanie kąpielowe w stopionym boraksie. Po obróbce cieplnej można zeszlifować ok. 0,05 mm, aby usunąć porowate powłoki o niskiej odporności na ścieranie.

Grubość warstw borowanych

Grubość warstwy borowane na stali wynosi ok. 0,03-0,15 mm i jest zależna od wielu czynników:

• metody borowania;

• temperatury procesu;

• czasu trwania procesu;

• rodzaju borowanego materiału.

Właściwości warstw borowanych

Warstwy borowane wytworzone na stali charakteryzują się następującymi właściwościami:

• duża twardość (FeB do ok. 2000 HV);

• duża odporność na ścieranie;

• duża żaroodporność

• duża odporność na korozję w roztworach kwaśnych i zasadowych oraz na oddziaływanie ciekłych metali i stopów;

Największą wadą warstw borowanych jest kruchość. Jednofazowe warstwy Fe2B są mniej podatne na kruche pękanie niż dwufazowe.