POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD OBRÓBKI CIEPLNEJ I SPAWALNICTWA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Obróbka cieplna i spawalnictwo
Nr ćwiczenia: 3
Temat ćwiczenia: OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA
Wykonawca: Tomasz Paruszewski

1. Zagadnienia wstępne:

W ramach zajęć zajmowaliśmy się obróbką cieplno – chemiczną. W obrębie zagadnienia wyróżniamy następujące rodzaje obróbki:

• nawęglanie,

• azotowanie,

• azotonawęglanie,

• borowanie,

• tlenoazotowanie,

• siarkowanie,

• siarkoazotowanie,

• siarkocyjanowanie.

Nawęglanie, to proces polegający na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wykonanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25%. Operację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakresie 900 - 930°C. Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 -1,0% i o grubości 0,6 -1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne.

W stalach stopowych do nawęglania zwykle występuje chrom (1-2%) a także Mn, Ni, Mo. Dodatki stopowe zwiększają hartowność, zapewniają wymagane właściwości wytrzymałościowe rdzenia, a także zmniejszają naprężenia hartownicze. Jednakże dodatki te (Mn, Ni Cr, Mo) obniżają temperaturę M_s, co wpływa na zwiększenie ilości austenitu szczątkowego i tym samym zmniejszenie twardości warstwy utwardzonej.Nawęglanie z następującym po nim hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń po takiej obróbce cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dyna­miczne obciążenia. W związku z tym nawęglanie jest stosowane w procesach wytwarzania silnie obciążonych, odpowiedzialnych elementów, takich jak: koła zębate, wałki zębate i z wielowypustami, wałki rozrządu, sworznie tłokowe.

Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu stali azotanami. Przebiega ono zwykle w zakresie temperatury 500 -600°C w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu. Azotowanie może być: krótko-, średnio- i długookresowe (rys. 3.10). Obecnie najczęściej stosuje się azotowanie gazowe i jarzeniowe. Może się ono odbywać także w złożufluidal-nym. W praktyce przeważa azotowanie ferrytyezne, wykonywane w temperaturze niższej od AdObrabianej stali (z uwzględnieniem układu równowagi Fe - NlAzotowanie gazowe odbywa się najczęściej w atmosferze częściowo zdysocjo-wanego amoniaku (NH₃). Azotowanie jonizacyjne (jonowe) odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu. Przyłożone napięcie wynosi 0,5 -1,5 kV, a ciśnienie gazu jest obniżone do 10"² —lPa.W wyniku zderzeń jonów azotu z powierzchnią obrabianego przedmiotu wydziela się ciepło, a obrabiany przedmiot nagrzewa a się do temperatury azotowania. Zjawiska powierzchniowe, w wyniku których powstaje określona struktura warstwy, można regulować przez zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego gazu.

Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu borem warstwy wierzchniej stali w temperaturze 900 - 1000°C przez kilka do kilkunastu godzin. Proces najczęściej odbywa się w proszkach lub pastach. Borowaniu dyfuzyjnemu poddaje się części maszyn i narzędzi narażone w eksploatacji na zużycie przez tarcie. Warstwy są zbudowane z borków żelaza FeB i Fe₂B lub wyłącznie z borku Fe₂B. Mają one strukturę iglastą ukierunkowaną prostopadle do powierzchni (rys. 3.14). Warstwy te są stosunkowo kruche, szczególnie ich strefa przypowierzchniowa FeB. Borowaniu poddaje się przede wszystkim średniowęglowe (0,35 - 0,45% C) oraz nisko-stopowe stale konstrukcyjne. Borowane części są zwykle hartowane i nisko odpuszczane. Ich twardość powierzchniowa wynosi około 2000 HV.

Węgloazotowanie polega na jednoczesnym nasycaniu warstwy wierzchniej stali węglem i azotem w ośrodkach gazowych lub ciekłych. W zależności od temperatury procesu węgloazotowanie może być niskotemperaturowe (500 - 600°C) lub wysokotempreaturowe (800 - 880°C), zwane również azotonawęglaniem. Węgloazotowanie niskotemperaturowe jest odmianą azotowania i cel jego stosowania jest podobny. Wykorzystuje się je głównie w obróbce narzędzi ze stali szybkotnących i wysokstopowych w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie. Celem azotonawęglania połączonego z następującym po nim hartowaniem jest uzyskanie twardej , odpornej na ścieranie warstwy o podwyższonej wytrzymałości zmęczeniowej z zachowaniem ciągliwego rdzenia.

Proces ten jest zbliżony do nawęglania i jest stosowany do stali nisko i średniowęglowych niskostopowych.

1. Zakres ćwiczenia:

W ramach zajęć przeprowadziliśmy proces azotowania na próbce stali 08X, która charakteryzuje się poniższym składem chemicznym:

Pierwiastek	C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu
% udział wagowy	0,1	0,49	0,03	0,13	0,14	0,05

Składu chemicznego dokonano na podstawie analizy spektralnej.

Próbkę poddano azotowaniu w temperaturze 510°C w czasie 30 minut.

Parametry procesu:

• m_p=1,10061 g (masa początkowa próbki)

• m_k=1,10223 g (masa końcowa próbki)

• A=0% NA₃ (stopień dysocjacji początkowej)

• T_p=520°C (temperatura procesu)

• T_p=30’ (czas procesu)

Z poniższego wzoru określam % udział wagowy N₂ po procesie:

$$\% N = \frac{m_{k} - m_{p}}{m_{p}} \bullet 100\% + \% N_{0}$$

Przy czym stopień dysocjacji α=0, gdyż:

$$\alpha = \frac{1 - A}{1 + A} \bullet 100\%,\ dla\ A = 0\alpha = 100\%$$

W naszym przypadku początkowa zawartość azotu w próbce wynosi 0, więc %N₀=0

Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy:

$$\% N = \frac{1,10233 - 1,0061}{1,10061} \bullet 100\% + 0\left( \% N_{0} \right) = 0,16\%$$

1. Wnioski końcowe:

Z wykresu równowagi żelazo - azot wynika, iż w warstwie azotowanej mogą występować dwie fazy - faza ferrytu azotowego o zawartości do 0,1% N oraz faza austenitu azotowego o zawartości do 2,8% N. W związku z tym, iż próbka poddana azotowaniu była w postaci cienkiej folii, tak więc proces dyfuzji zaszedł na całym przekroju. Przy azotowaniu blach o większej grubości naazotowana warstwa wierzchnia utrudnia dyfuzję wgłęb materiału, tak więc warstwa wierzchnia ma zdecydowanie większą zawartość azotu. W naszym wypadku azotowanie odbywało się na całej grubości, tak więc możemy założyć, iż próbka nasyciła się równomiernie. Oznacza to, iż fazą występującą w naszej próbce jest faza austenitu azotowego.