Nawęglanie:

Nawęglanie - polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu wciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temperaturze 900-950 C (przez około 10 h). O grubość warstwy nawęglanej, która zwykle osiąga 0,5 - 2 mm decyduje czas nawęglania który dobiera się tak aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej. Obróbka cieplna stali nawęglonej polega na podwójnym hartowaniu i niskim odpuszczaniu (160 - 180 C przez 1,5 - 2 h).

W warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref:

- nadeutektoidalną, etektoidalna, podeutektoidalną,

Zastosowanie nawęglania:

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

Rodzaje nawęglania:

- w ośrodkach stałych,

- w cieczach,

- w gazach,

- próżniowe,

- jonizacyjne,

- w złożach fluidalnych,

Piece do nawęglania:

Ze względu na budowę i przeznaczenie można wyróżnić kilka typów pieców do nawęglania:

- piece wgłębne,

- piece komorowe,

- piece bębnowe,

- piece przepychowe

Najpopularniejszym piecem do nawęglania jest piec wgłębny przeznaczony do obróbki elementów o średniej wielkości przy produkcji średnio i małoseryjnej. Piec wgłębny składa się z cylindrycznej obudowy na której umieszczone są elementy grzejne. Wewnątrz znajduje się retorta wykonana ze stali nierdzewnej. Retorta jest szczelnie oddzielona uszczelką od pozostałych części pieca. W pokrywie pieca zainstalowany jest przewiewnik powodujący cyrkulację atmosfery w piecu. Przewiewnik napędzany jest silnikiem elektrycznym umieszczonym na pokrywie. W pokrywie umieszczone są dwie rury, przez jedną wprowadzana jest atmosfera do nawęglania, drugą atmosfera zostaje wyprowadzona na zewnątrz i na końcu rury spalona. W pokrywie znajduje się czujnik do pomiaru temperatury, oraz otwór służący do wprowadzania próbek, dzięki którym można określić grubość warstwy nawęglonej.

Studzienka do chłodzenia wsadu składa się z izolowanego zbiornika. W górnej części zbiornika znajdują się kanały wlotowe, w dolnej części kanały wylotowe. Po uruchomieniu dmuchawy następuje przepływ powietrza chłodzącego, wzdłuż ściany retorty powodując chłodzenie wsadu. W początkowym okresie chłodzenia przepływ powietrza nie może być zbyt duży gdyż spowodowałoby to odkształcenie retorty. Natężenie przepływu sterowane jest przepustnicą. Kolejnym elementem wchodzącym w skład gniazda do nawęglania jest wanna olejowa służąca do szybkiego chłodzenia wsadu. Wanna składa się z zbiornika cylindrycznego zamykanego od góry pokrywą. Olej do chłodzenia jest poddany ciągłej cyrkulacji, w taki sposób, że po nagrzaniu się od wsadu jest kierowany do chłodnicy rurkowej, a następnie z powrotem do zbiornika.

Odpuszczanie nawęglanych części po hartowaniu przeprowadza się w elektrycznych piecach wgłębnych. Temperatura odpuszczania wynosi około 180 C, więc nie występuje konieczność stosowania atmosfer ochronnych.

Do　nawęglania　stosuje　się　stale　niestopowe　i　stopowe　o　zawartości　węgla　

od 0,1 do max. 0,25%. Ze względu na zawartość składników stopowych stale te dzieli się

na następujące grupy:

-　　　　 stale niestopowe (węglowe),

-　　　　 stale chromowe,

-　　　　 stale chromowo- manganowe,

-　　　　 stale chromowo-molibdenowe,

-　　　　 stale chromowo-manganowo-molibdenowe,

-　　　　 stale chromowo-niklowe,

-　　　　 stale chromowo-niklowo-molibdenowe,

-　　　　 stale chromowo-manganowo-niklowe.

Nawęglanie w roztopionych solach:

Nawęglanie te wykonuje się przez zanurzenie obrabianych przedmiotów w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych. Temperatura nawęglania w tym ośrodku wynosi 830 - 850 C.

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.

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.

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.

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.

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.

Azotowanie:

Azotowanie - polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta wykonywana jest w temperaturze około 550 C (przez około 40 h). Strefa azotków i węglikoazotków decyduje o odporności na ścieranie stali węglowych. Warstwa azotowana wykazuje największą odporność na ścieranie gdy jest twarda i porowata i gdy jej grubość wynosi 0,020 - 0,025 mm. Wraz ze wzrostem czasu azotowania zwiększa się twardość a zmniejsza odporność na ścieranie. Twardość warstwy azotowanej wynosi około 800 - 1200 HV. Azotowanie powoduje zwiększenie odporności stali na korozję i zmniejszenie współczynnika tarcia. W wyniku azotowania następuje również niewielki przyrost wymiarów o 10-3 - 10-2 mm. Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu poddaje się przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze wyższej od temperatury azotowania. W niektórych przypadkach operacja odpuszczania może być połączona z operacją azotowania. Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej przedmioty azotowane nie mogą być poddane szlifowaniu.

Azotowanie można prowadzić w ośrodkach:

- gazowych

- ciekłych

- stałych

W zależności od długości trwania procesu azotowanie gazowe dzieli się na:

•długotrwałe prowadzone w czasie od 30 do 60 godzin- stosujemy do części maszyn wysoko obciążonych i narażonych na zużycie poprzez tarcie

•krótkotrwałe realizowane do 6 godzin- stosujemy do części maszyn narażonych w pracy na ścieranie, zatarcie oraz aby stworzyć warstwę antykorozyjną

Zastosowanie azotowania:

Azotowanie jest stosowane do elementów ze stali niestopowych i stopowych, maszynowych i narzędziowych, narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, do elementów narażonych na korozje w środowiskach wodnych lub wilgotnej atmosfery, a także do narzędzi skrawających. Azotowaniu są poddawane bardzo liczne elementy silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, tuleje cylindrowe, koła zębate, wałki, tłoki, pierścienie i sworznie tłokowe, cylindry, nurniki pomp. W przemyśle obrabiarkowym azotowanie znalazło zastosowanie np. do śrub pociągowych, wrzecion, kół zębatych, elementów przekładni ślimakowych i sprzęgieł elektromagnetycznych. Do narzędzi poddawanych azotowaniu należą np. matryce kuźnicze, ciągadła i inne narzędzia do obróbki plastycznej, formy do tworzyw sztucznych oraz elementy wtryskarek i wytłaczarek, narzędzia skrawające ze stali szybkotnących, takie jak frezy, wiertła, gwintowniki i narzędzia do obróbki kół zębatych.

Rodzaje azotowania:

- azotowanie gazowe,

- azotowanie jonowe,

- azotowanie w proszkach,

- azotowanie w kąpielach solnych,

INNE METODY AZOTOWANIA:

- Metoda fotonowo –jonowa

- Azotowanie impulsowo-jonowe

- Proces lawinowego azotowania jonowego

- Azotowanie jonowe magnetohydrodynamiczne

- Azotowanie strumieniowe

Azotowanie w proszkach:

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.

Azotowanie gazowe:

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 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 mimo swych zalet posiada również szereg wad :

WADA 1: Przy kosztowniejszych środkach azotujących i dłuższym procesie azotowania niż nawęglania otrzymuje się cieńszą warstewkę.

WADA 2: Otrzymana warstwa jest bardziej kruchą i o gwałtowniejszym przejściu do ciągliwego rdzenia , w porównaniu z nawęglaniem.

WADA 3: Koszty azotowania są większe niż przy nawęglaniu . W porównaniu azotowania z nawęglaniem azotowanie posiada następujące zalety:

ZALETA 1: Kompatybilność materiałów.

Nawęglanie: Ograniczony asortyment stali nadającej się do nawęglania.

Azotowanie: Szeroki asortyment stali, łącznie ze stalami nierdzewnymi

ZALETA 2: Niższa temperatura procesu.

Nawęglanie: 850 – 950

Azotowanie: 480 – 650

ZALETA 3: Azotowanie jest ostatnim procesem obróbki cieplnej.

Nawęglanie: Po nawęglaniu wymagane: austynityzacja, hartowanie, odpuszczanie.

Azotowanie: Po azotowaniu nie jest wymagana żadna dalsza obróbka cieplna.

ZALETA 4: Eliminacja obróbki wykańczającej.

Nawęglanie: Wymagane kosztowne szlifowanie na gorąco.

Azotowanie: Przeważnie szlifowanie. W technologii NITREG szlifowanie wyeliminowane.

ZALETA 5: Minimalizacja odkształceń.

Nawęglanie: Odkształcenia mogą być znaczne.

Azotowanie: Z uwagi na niższą temperaturę procesu, odkształcenia minimalne lub zerowe.

ZALETA 6: Możliwość osiągnięcia wyższych twardości powierzchni.

Nawęglanie: 60 – 65 HRC

Azotowanie: Na niektórych gatunków stali twardość powierzchni może osiągnąć nawet powyżej 70 HRC

ZALETA 7: Poprawa własności antykorozyjnych.

Nawęglanie: Wyższe stężenia węgla sprzyjają korozji naprężeniowej

Azotowanie: Z wyjątkiem stali nierdzewnych azotowanie poprawia odporność antykorozyjną