2. OCZYSZCZANIE STREFOWE

Proces oczyszczania substancji (najczęściej metali) od występujących w bardzo małych stężeniach zanieczyszczeń.

Oczyszczanie strefowe polega na miejscowym ogrzewaniu niewielkiej strefy pręta z oczyszczanej substancji aż do jego stopienia i przesuwaniu strefy stopionej substancji z jednego końca pręta na drugi. Powoduje to przesuwanie zanieczyszczeń zgodnie z kierunkiem przesuwania strefy stopienia.

7. przesycanie i starzenie. stadia rozpadu przesyconego roztworu stałego w stopach Al.-Cu

Przesycanie i starzenie należą do obróbki cieplnej zwykłej. tzw. utwardzanie wydzieleniowe. prowadzi do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej metali. Wzmocnienie/umocnienie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z przesyconego roztworu stałego, co w temperaturze niższej prowadzi w efekcie do zmiany struktury i właściwości stopu.
Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów: * w których dodatek stopowy częściowo rozpuszcza się w osnowie * w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały graniczny * przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną.
PRZESYCANIE polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 30-50°C od granicznej rozpuszczalności

w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika (w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem.

Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne.
STARZENIE polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji.

W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera–Prestona, będących kompleksami, w których segregują atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych. Przebieg starzenia – jako procesu dyfuzyjnego – zależy od czasu i temperatury. Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje efekt przestarzenia, polegający na koagulacji wydzieleń i zaniku ich koherencji, co nie powoduje wzrostu twardości w stosunku do stanu przesyconego, a przeciwnie – wpływa na jej obniżenie.

Przesycony roztwór stały α, powoli chłodzony np. do temperatury otoczenia, podlega przemianie wydzielania składnika przesycającego w postaci stosunkowo dużych ziaren fazy, skupionych głównie na granicach ziarn fazy α. Ten sam stop szybko ochłodzony do temperatury otoczenia ma budowę jednofazową przesyconego roztworu stałego α, ponieważ składnik przesycający nie zdąży się wydzielić. Przesycenie roztworu nadaje mu niewielką wytrzymałość i twardość, ale znaczną ciągliwość. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania wydzieleń są defekty struktury krystalicznej, jak dyslokacyjne granice bloków, pętle dyslokacji, granice ziaren. Duże stężenie wakansów w stopie przesyconym ułatwia dyfuzyjne tworzenie się wydzieleń.

Etapy procesu rozpadu: 1)Proces rozpadu rozpoczyna się od powstania skupisk atomów Cu, które początkowo rozmyte, przybierają postać monoatomowych dysków zwanych strefami GP. 2)W miarę postępu starzenia część z nich ulega rozpuszczeniu a część rozrasta się tworząc wydzielenia metastabilnej fazy pośredniej θ”. Wydzielenia te posiadają odrębną sieć całkowicie koherentną z siecią roztworu α. 3) W dalszej kolejności wydzielenia fazy θ” są zastępowane przez wydzielenia fazy metastabilnej θ’, które zarodkują na dyslokacjach. Utworzone wydzielenia są tylko częściowo sprzężone z osnową. Ich powstanie odpowiada największemu umocnieniu stopu. 4)W ostatniej fazie procesów wydzieleniowych na granicach ziaren oraz na granicy rozdziału faza θ’/osnowa zarodkują cząstki równowagowej fazy θ (Al₂Cu), które są niekoherentne z osnową. Ten etap odpowiada przestarzeniu stopu co objawia się spadkiem właściwości wytrzymałościowych.

Schemat starzenia przesyconego roztworu stałego stopu AlCu₄: a) po przesyceniu, b) powstawanie stref Guinier-Prestona, c) tworzenie się koherentnych faz θ” i θ’, d) wydzielenie fazy θ’

W temperaturze otoczenia zachodzą zwykle dwa pierwsze stadia starzenia, tzn. tworzenie stref GP i fazy θ”. Powstałe w temperaturze otoczenia strefy GP i fazy θ” są bardzo nietrwałe. Wystarczy stop krótko podgrzać do temperatury 200˚C, aby atomy miedzi z powrotem zajęły dowolne miejsca (tak jak było w roztworze przesyconym). Związane jest z tym zjawisko nawrotu (wzrost wytrzymałości w temperaturze otoczenia i ponowny spadek po 2-3 minutowym wygrzaniu w temperaturze 200˚C).

MONOKRYSZTAŁY: Czochralskiego - technika otrzymywania monokryształów, która polega na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia warunków transportu masy i ciepła.
Bridgmana/Stockbergera - technika otrzymywania monokrystalicznych materiałów szlachetnych oparta na stopniowym schładzaniu wcześniej stopionej masy krystalizowanego materiału. W metodzie tej kryształy formują się na dnie tygla i rosną aż do całkowitego wyczerpania się masy stopionego substratu. Metoda ta stosowana jest do krystalizacji substancji o bardzo wysokiej temperaturze topnienia.

strefowego topienia - metoda otrzymywania czystych materiałów ze stopów. Stop poddawany topieniu strefowemu odlany jest w kształcie pręta, wzdłuż niego przesuwa się pierścieniowy grzejnik, powodując lokalne topienie stopu, a następnie jego krzepnięcie. Kryształy wydzielające się w strefie krzepnięcia wykazują wyższą czystość aniżeli wyjściowy stop, tymczasem zanieczyszczenia przesuwają się wraz ze strefą topioną do jednego z końców pręta

9. Rozszerzalność cieplna (rozszerzalność termiczna) – właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury .

Jednostką jest [alfa] = 1/ K. Roz liniowa tylko w ciałach stałych.

Współczynnik rozszerzalności – wielkość charakterystyczna dla danej substancji ilościowo charakteryzująca jej rozszerzalność cieplną. Jest to stała materiałowa, której wartość jest względną zmianą rozmiarów ciała przy zmianie temperatury o 1 K. Współczynnik rozszerzalności jest nieliniową funkcją temperatury. Dla większości materiałów zależność ta jest słaba, dlatego w niezbyt dużym zakresie temperatur wartość tego współczynnika można uznać za stałą. W zależności od stanu skupienia i geometrii ciała złożonego z danej substancji, wyróżnia się współczynnik rozszerzalności liniowej i objętościowej.

roz. liniowa $\alpha = \frac{x*1}{x*T}$ x – dowolny wymiar liniowy ciała (długość, szerokość, wysokość, grubość), Δx – zmiana tego wymiaru na skutek zmiany temperatury, ΔT – zmiana temperatury ciała.

r.objętościowa to samo co w liniowej tylko zamiast x jest V i zamiast alfa jest beta, a gazowa to rów. clapeyrona pV=nRT

13. Naprężenie uplastyczniające – jest to naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego. Naprężnie uplastyczniające σ zależy od gęstości dyslokacji. W przypadku małej gęstości, naprężenie uplastyczniające jest duże, ponieważ jest mało płaszczyzn, w których zachodzi poślizg. Następnie naprężenie zmniejsza się wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji, ale tylko do pewnej granicy. Osiągnąwszy minimalną wartość przy tzw. krytycznej gęstości dyslokacji ρkr, jaką ma wyżarzony materiał, naprężenie uplastyczniające ponownie zaczyna wzrastać wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji. Dążenie do uzyskanie dużej wytrzymałości poprzez zmniejszenie gęstości dyslokacji jest technicznie bardzo trudne. Obecnie udało się uzyskać jedynie kryształy o bardzo małej średnicy, które nie zawierają dyslokacji – wiskersy – jednakże w momencie pojawienia się w nich dyslokacji następuje gwałtowne ich rozmnożenie i spadek naprężenia.
σp = σp (ε, ε, T, hε) Gdzie: T – temperatura, h – historia przebiegu odkształcenia, ε – odkształcenie, ε – prędkość odkształcenia
Pod wpływem działania sił zewnętrznych w ciele powstają siły wewnętrzne. Iloraz siły wewnętrznej i pola przekroju, na które ta siła działa nazywamy naprężeniem

A- pole pow. P- siła. Czyli naprężenie uplastyczniające jest minimalną siłą, która powoduje uplastycznienie materiału w danym przekroju.

15. Rodzaje obróbki plastycznej.

metoda obróbki metali i ich stopów polegająca na wywieraniu narzędziem na obrabiany materiał nacisku przekraczającego granicę jego plastyczności, mającego na celu trwałą zmianę kształtu i wymiarów obrabianego przedmiotu, a także zmianę struktury powodująca zmianę właściwości.
Zalety: * Oszczędność materiału * Stosunkowo niskie koszty jednostkowe * Polepszenie właściwości fizykalnych i mechanicznych przerobionego materiału (ciągłość włókien, co zapewnia lepsze właściwości mechaniczne) * Możliwość nadawania skomplikowanych kształtów.
Obróbkę plastyczną wykonuje się w trzech zakresach temperaturowych: 1. na zimno (duże siły, duża dokładność) do 0,4·Tt 2. na ciepło, półgorąco (średnie siły, średnia dokładność) od 0,4 do 0,6·Tt 3. na gorąco (małe siły, mała dokładność) od 0,6 do 0,9·Tt
Obróbka na zimno polega na odkształcaniu plastycznym materiału, które wywołuje wzrost gęstości defektów w sieci krystalograficznej, głównie punktowych i liniowych, a tym samym nagromadzenie energii odkształcenia. Powstaje zgniot. Miarą zgniotu jest stopień odkształcenia plastycznego długości epsylion = delta l*100%/l0 lub redukcji przekroju eps= delta s*100/s0 delta _ po zgniocie, x 0 początkowa wielkośc. Wzrasta oporność, twardość, plastyczność sie zmniejsza, struktura jest włóknista, wtrącenia niemet. na granicach dendrytów.

Ze względu na sposób odkształcenia, rozróżnia się głównie:
Tłoczeniem nazywamy proces technologiczny przeróbki plastycznej na zimno lub na gorąco blach, płyt lub folii, obejmujący cięcie i kształtowanie z nich przedmiotów małej grubości w stosunku do szerokości i długości, np. powłok blaszanych, rur czy kształtowników giętych. Przykłady: cięcie na nożycach, cięcie na prasach, zginanie, zawijanie. tłoczenie.
Proces tłoczenia obejmuje zespół wszystkich podstawowych czynności tłoczenia wykonywanych na jednym przedmiocie, natomiast operacją tłoczenia jest zespół wszystkich zabiegów i czynności procesu tłoczenia, wykonywanych na jednej maszynie. Podstawowa czynność w procesie tłoczenia, wykonywana przy użyciu jednego przyrządu, bez zmiany narzędzia, gdy zachodzi tylko jedna zmiana kształtu tłoczonego przedmiotu - nazywa się zabiegiem tłoczenia

Ciągnienie zasadniczo należy do procesów przeróbki plastycznej na zimno. W wyniku tego procesu można uzyskać druty, pręty i kształtowniki, proces ciągnienia można również stosować w celu uzyskania zmiany wymiarów rur.
Proces ciągnienia ma wiele zalet i jest niezastąpiony w następujących przypadkach: - gdy należy wykonać drut o małych średnicach (poniżej 5 mm), - w przypadku konieczności otrzymania rur o małej grubości ścianki, - gdy wymagane własności mechaniczne i dokładność powierzchni są wysokie.

Proces ciągnienia stosowany jest głównie do wyrobu: - prętów kształtowych o małych i bardzo małych przekrojach drutów cienkich o średnicach do ok. 4 mm (np. włókna żarówkowe), - prętów okrągłych i kształtowych o dużych przekrojach, szczególnie gdy chodzi o uzyskanie wysokich własności mechanicznych, a także prętów o dużej dokładności i dużym stopniu czystości powierzchni, - rur różnych kształtów i przekrojów, przede wszystkim rur cienkościennych o małych i bardzo małych średnicach.

Odkształcenie plastyczne podczas wzdłużnego walcowania odbywa się w wyniku przechodzenia metalu przez szczelinę między walcami obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Wskutek walcowania następuje zmiana wymiarów oraz postaci walcowanego przedmiotu
W wyniku walcowania następuje: - zmniejszenie wysokości pasma z początkowej h0 do końcowej h1, - zwiększenie długości pasma z początkowej l0 do końcowej l1, - zwiększenie szerokości pasma z początkowej b0 do końcowej b1.
Ponieważ w większości przypadków wysokość pasma jest znacznie mniejsza od jego szerokości, zatem przy walcowaniu metal przemieszcza się głównie w kierunku długości (w kierunku walcowania) i niewiele w kierunku szerokości. Odkształcenie przy walcowaniu charakteryzuje się dwoma podstawowymi współczynnikami:- gniotem względnym, czyli stosunkiem gniotu bezwzględnego do wysokości początkowej pasma - wydłużeniem, czyli stosunkiem długości pasma po walcowaniu do początkowej długości
wyciskanie: Proces wyciskania polega na tym, że metal zamknięty w pojemniku (rycypiencie) jest wyciskany przez otwór matrycy i otrzymuje kształt przekroju poprzecznego wyrobu, odpowiadający kształtowi otworu matrycy. Wyciskanie nazywa się też czasem prasowaniem wypływowym.
Kucie matrycowe - to odkształcenie metalu narzędziem wykonującym ruch posuwisto zwrotny. Przy produkcji seryjnej i masowej odkuwki wykonuje się kuciem matrycowym. Odkuwki matrycowe cechuje stałość kształtów i wymiarów oraz duża dokładność wykonania. Kucie matrycowe na młotach, prasach, kuźniarkach jest najbardziej rozpowszechnioną metodą wykonywania odkuwek matrycowych. Na młotach i prasach można wykonywać odkuwki o dowolnych kształtach.
Kucie swobodne to proces polegający na odkształcaniu metalu za pomocą nacisku lub energii uderzenia. Jeżeli urządzenie wywiera nacisk tylko na część powierzchni metalu a pozostała część powierzchni nie są ograniczone kształtem narzędzia i odkształcany metal może płynąć w różnych kierunkach to mamy do czynienia z kuciem swobodnym.
Wadami kucia swobodnego jest zbyt niska wydajność i jakość odkuwek oraz bardzo duże odpady. Dlatego kucie swobodne stosuje się przy małych seriach lub przy bardzo dużych i ciężkich odkuwkach. Przy pomocy tej metody kucia możemy otrzymywać odkuwki o dowolnej masie - do 200 t i większe. Do wykonywania odkuwek metodami kucia swobodnego wykorzystuje się młoty sprężarkowe, młoty parowo-powietrzne i prasy hydrauliczne.

19. Kucie swobodne w kowadłach płaskich (rys. 1a) charakteryzuje się odkształce-niem metalu przez zgniatanie go miedzy powierzchniami kowadeł dolnego i górnego. W procesie tym płynięcie metalu na boki jest nieograniczone, przez co powstają nie-równomierne pola odkształceń powodujące w pewnych częściach odkształcanego przedmiotu naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypad-kach spowodować przejście z trójosiowego ściskania w różnoimienny stan naprężenia (rys. 5), co znacznie pogarsza plastyczność metalu, co z kolei przy większych od-kształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się pęknięć.

Kucie swobodne w kowadłach kształtowych (rys. 1b, c) charakteryzuje się swo-bodnym wydłużeniem metalu , natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczo-ne bocznym naciskiem ścianek narzędzia. W tym przypadku powstające naprężenia rozciągające są mniejsze, a plastyczność materiału większa niż w przypadku kucia w kowadłach płaskich.
Procesy kucia dla większości metali i stopów wykonuje się na gorąco, ma to na celu zmniejszenie nacisków potrzebnych do kształtowania dzięki zmniejszeniu naprężenia uplastyczniającego oraz zwiększeniu wartości odkształcenia granicznego (powodującego pękanie materiału).
Procesy nagrzewania dzieli się na procesy nagrzewania wsadu cienkiego i wsadu grubego. Wsadem cienkim nazywane są przedmioty, w których różnica temperatur powierzchni i środka jest nieznaczna i nie może spowodować powstania niebezpiecznych naprężeń cieplnych. Wsadem grubym (masywnym) nazywane są przedmioty, w których pod-czas szybkiego grzania występują duże naprężenia mogące spowodować pęknięcia materiał
22. DYFUZJA
D. zachodzi przez defekty punktowe, wakansy, granice międzyziarnowe i na powierzchni.
I prawo Ficka określa zmianę strumienia dyfuzji Ix, który wyraża ilość dyfundującego pierwiastka przenoszona w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię. Sformułowano je na podstawie modelu przepływu ciepła, uwzględniając gradient stężenia J= -D/ Δc/Δx | J - strumień dyf atomów [1/cm²s], C koncentracna [1/cm³],
D to stała dyf [cm²s], x odległość.
Drugie prawo Ficka sformułowane zostało na podstawie pierwszego prawa i określa zmianę stężenia dyfundującego pierwiastka w czasie, dc/dt 2

dc/dt = D* d²c/dx²

Współczynnik dyfuzji D zależy od rodzaju dyfundującego pierwiastka oraz od materiału, w którym dyfunduje. Jest zależny od temperatury zgodnie z wykładniczą zależnością
D=D_o*exp (-E/kT) D0 jest współczynnikiem zależnym od str. krys. materiału, E en. aktywacji dyf., k stała Boltzmanna.
Energia aktywacji - Intensywność dyfuzji w stopach zależy od współczynnika dyfuzji, drogi, jaką ona przebiega, struktury materiału, typu sieci krystalicznej oraz stopnia jej zdefektowania. Atom zaadsorbowany na powierzchni może łatwo ulegać dyfuzji. Z kolei przeniesienie atomu z gęsto upakowanej struktury ściany będzie wymagać dużej energii aktywacji. Kolejnymi elementami struktury, sprzyjającymi dyfuzji, są defekty, a szczególnie granice ziaren. Wiąże się to z podwyższoną energią granic ziaren, co wymaga niższej energii aktywacji dostarczanej z otoczenia. Duże znaczenie ma też struktura granic, będąca obszarem o dużej gęstości defektów. Ten typ dyfuzji dominuje w materiałach o małym ziarnie oraz odkształcanych plastycznie na zimno. Najwolniej zachodzi dyfuzja przez objętość kryształu

mechanizmy dyfuzji:
mechanizm wakansowy (Rysunek 8.5a). Jeśli wakanse są obecne w strukturze, energia aktywacji dyfuzji, w tej sytuacji, musi jedynie umożliwić odłączenie atomu od grupy najbliższych sąsiadów i przesunięcie go do najbliższej wolnej pozycji. Ponieważ w krysztale znajduje się niewielka gęstość wakansów dyfuzji mogą podlegać tylko te atomy, które znajdują się w bezpośrednim ich sąsiedztwie. Strumieniowi atomów towarzyszy przeciwnie skierowany strumień wakansów.
mechanizm międzywęzłowy zachodzi w roztworach międzywęzłowych, zawierających rozpuszczone pierwiastki o małych średnicach atomowych, takie jak wodór, azot, bor węgiel. 8.5b
Mechanizm pierścieniowy, pokazany na (rys. 8.5c), wymaga stosunkowo mało energii. Polega on na wymianie miejsc przez grupę kilku atomów. Występowanie wielu miejsc, podlegających mechanizmowi pierścieniowemu, umożliwia przeskoki atomu z jednego pierścienia do innego i przemieszczanie na znaczne odległości.

23. technologia nawęglania

Nawęglanie jest rodzajem obróbki cieplno - chemicznej. polega na powierzchniowym nasyceniu stali C. Celem procesu uzyskanie części o twardej, odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia, zapewniającego odporność na obciążenia udarowe.
Innym zastosowaniem nawęglania jest obróbka elementów łańcuchowych, które są wycinane i kształtowane z miękkiej niskowęglowej blachy, a następnie nawęglane, hartowane i odprężane. Do nawęglania stosuje się stale węglowe wyższej jakości oraz stale stopowe o zawartości węgla do 0,25%. Stale stopowe do nawęglania z reguły zawierają chrom, utrudniający przegrzanie i podnoszący wytrzymałość oraz takie pierwiastki jak: Ni, Mn, Mo, zwiększające wytrzymałość rdzenia, po obróbce cieplnej przy zachowaniu jego wysokiej plastyczności. Równocześnie dodatki stopowe umożliwiają hartowanie tych stali w oleju, co daje mniejsze naprężenia hartownicze przy zachowaniu wysokiej twardości warstwy powierzchniowej.
Proces nasycania powierzchni stali węglem składa się z trzech elementów: 1/ dysocjacji karboryzatora, tworzy się węgiel atomowy, zdolny do wnikania w powierzchnię stali 2/ absorbcji, pochłanianie atomów węgla przez powierzchnię metalu
3/ dyfuzji polegającej na przemieszczaniu atomów węgla w głąb stali.
Głębokości nawęglania wahają się w granicach 0,5 - 1,5 mm. Optymalną strukturą warstwy nawęglanej jest perlit, przy czym przejście od struktury perlitycznej do ferrytyczno - perlitycznej rdzenia powinno być łagodne, (ostre powoduje odpryskiwanie warstwy)
Szybkie uzyskiwanie warstwy: temperatura procesu wynosząca 900 - 950 C (stal przechodzi w stan austenityczny , szybkość dyfuzji węgla jest wystarczająco duża). Przy niższych temperaturach 800 - 900 C absorbcja przebiega szybciej niż dyfuzja, co powoduje nadmierną koncentracje węgla w pobliżu powierzchni. Podobny efekt daje zbyt intensywne działający karboryzator, wysoka temperatura.
Koncentrację węgla w warstwie można wyrównać przez wyżarzanie części nawęglonych przy temperaturze zbliżonej do temperatury nawęglania. Na skutek dyfuzji węgla w głąb stali nastąpi wówczas zwiększenie grubości warstwy nawęglonej kosztem zmniejszenia zawartości węgla w pobliżu powierzchni.
Dodatki stopowe jak Cr, Mn, Mo zwiększają głębokość nawęglania, podczas gdy Ni ją obniża.

A. Nawęglanie w proszku - najbardziej rozpowszechniona metod, łatwa i nie wymaga specjalnych urządzeń. Nawęglanie przeprowadza się w piecach komorowych elektrycznych lub gazowych do których wstawia się skrzynki stalowe, wypełnione częściami obrabianymi obsypanymi proszkiem nawęglającym. Proces przeprowadza się przy temperaturze 900 - 930 C. Czas nawęglania wynosi 4

- 12 godz. w zależności od zalanej grubości nawęglonej . Typowy proszek nawęglający jest domieszką 80 % węgla drzewnego + 10 % Na2CO3 + 10 % BaCO3. Bar i sÓd dodaje się celem zaktywizowania procesu, gdyż węgiel drzewny nawęgla zbyt powoli.
Metoda nawęglania w proszkach posiada wiele wad: a/ trudności regulowania grubości warstwy i zawartości w niej węgla , b/ długotrwałość procesu , c/ kłopotliwe załadowanie skrzynek i związana z tym zautomatyzowanie procesu d/ duża strata energii i czasu na podgrzewanie skrzynek z proszkiem nawęglającym, e/ nierównomierny rozkład temperatury w skrzynkach , f/ trudności pomiaru temperatury części nawęglonych ,
B. Nawęglanie w kąpielach. Metodę tę stosuje się do szybkiego nawęglania małych i średnich części na niewielką głębokość ( 0,2 - 0,6 mm ) . Proces przeprowadza się w tyglach zawierających stopione sole o temperaturze 815 - 860 C (Wyższe temp -silne zażużlanie). Czas nawęglania waha się 1 - 4 godz. Typowa kąpielą nawęglającą jest mieszanina : 80% Na2Co2 + 10% NaCi + 10% SiC
Przy czym Na2SiO3 i Na2O przechodzą do żużla, Co wydostaje się na powierzchnię gdzie ulega spaleniu na CO2 , a C nawęgla przedmioty znajdujące się w kąpieli. Metoda nawęglania kąpielowego w porównaniu z nawęglaniem w proszkach posiada szereg zalet jak: a/ szybkie i równomierne nagrzewanie przedmiotów dając w efekcie mniejsze odkształcenia , b/ łatwość regulacji temperatury , c/ około dwukrotnie większe nawęglanie .

C. Nawęglanie gazowe. Proces przeprowadza się zazwyczaj przy temperaturze 820 - 930 C w piecach szybowych lub w piecach o ruchu ciągłym. Czas nawęglania jest bardzo różny i waha się od godziny do kilkunastu godzin, w zależności od grubości i warstwy nawęglonej. Szybkość nawęglania jest przeciętnie o 25% większa niż przy nawęglaniu w ośrodkach stałych. Do nawęglania stosuje się gazy zawierające CO lub węglowodory nasycone i nienasycone. Do najczęściej stosowanych należą: gaz ziemny, świetlny, generatorowy, propan, butan, oraz gazy powstałe z rozkładu nafty,alkoholu i benzolu lub priobenzolu skraplanych do komory pieca. Przy tym temperatura nawęglania CO oraz węglowodory ulegają rozkładowi.
Wydzielanie aktywnego węgla z rozkładu węglowodorów ( szczególnie metanu) jest tak intensywne, że często przewyższa szybkość dyfuzji węgla w głąb stali i osadza się on na powierzchni przedmiotów w postaci sadzy, która utrudni dalsze nawęglanie. Nawęglanie gazowe umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje procesu.. Nawęglanie gazowe przewyższa dwie pozostałe metody, gdyż umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje procesu oraz nadaje się do masowej obróbki małych jak i dużych detali, gdy podczas nawęglania kąpielowego nie stosuje się do dużych przedmiotów ze względu na ograniczone rozmiary tygli.

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

strukturze stali eutektoidalnej.
struktura: W warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref: *nadeutektoidalną – o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych przypadkach występującego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn perlitu, **eutektoidalną – o strukturze perlitycznej, ***podeutektoidalną – o strukturze perlityczno–ferrytycznej.
Nawęglanie w ośrodkach stałych, prawie nie stosowane, odbywa się w proszku węgla drzewnego, często wymieszanego ze sproszkowanymi węglanami Na, Ca, Li, zwykle w temperaturze ok. 900°C. W wyniku reakcji

spalania przy niedomiarze tlenu powstaje CO, z którego tworzy się CO2 i węgiel atomowy, nasycający powierzchnię stali.
N. w roztopionych solach wykonywane przez zanurzanie obrabianych przedmiotów w roztopionych solach, zwykle mieszaninach węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych. Temperatura nawęglania w tym ośrodku wynosi 830÷850°C
nawęglanie gazowe odbywa się w temperaturze ok. 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 ok. 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 wynikach procesu decyduje potencjał węglowy i natężenie przepływu ośrodka nawęglającego.

Nawęglanie wykonywane w złożu fluidalnym. 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 n. 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 lepszą adsorpcję węgla z atmosfery o niskim ciśnieniu i mniejsze zużycie gazu
NAWĘGLANIE JONIZUJĄCE 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, przyspieszane 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, umożliwia regulację grubości i struktury warstwy nawęglonej.

OBRÓBKA CIEPLNA PO NAWĘGLANIU

Twardość stali węglowej nawęglonej i chłodzonej w powietrzu wynosi ok. 250÷300 HB, a jej własności mechaniczne są stosunkowo niskie ze względu na rozrost ziarn zachodzący w czasie procesu. W celu poprawienia własności stal nawęgloną poddaje się dalszej obróbce cieplnej; w szczególności dąży się do:

1) otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami w postaci ziarnistej w warstwie powierzchniowej, 2)zwiększenia twardości stali na powierzchni do ok. 60 HRC,

3)zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz wymaganych własności wytrzymałościowych w nienawęglonym rdzeniu.

Obróbka cieplna stali nawęglonej polega na hartowaniu z temperatury właściwej dla rdzenia – wyższej od Ac3 – i ponownym hartowaniu z temperatury wyższej od Ac1, właściwej dla nawęglonej warstwy powierzchniowej.

24. azotonawęglanie

WĘGLOAZOTOWANIE polega na jednoczesnym nasycaniu powierzchni stali węglem i azotem w ośrodkach gazowych lub ciekłych. W zależności od temperatury procesu węgloazotowanie może być: wysokotemperaturowe (azotonawęglanie) – w 750÷950°C, stosowane powszechnie np. dla elementów konstrukcyjnych w przemyśle samochodowym, niskotemperaturowe – w 450÷600°C.

STR. WARSTW WĘGLOAZOTOWANYCH PO OBRÓBCE CIEPLNEJ

Strukturę warstwy powierzchniowej uzyskanej w wyniku węgloazotowania wysokotemperaturowego

po następnym hartowaniu i odpuszczaniu, zbliżoną do charakterystycznej dla nawęglania, stanowi martenzyt drobnolistwowy z niewielkim udziałem austenitu szczątkowego. Niedopuszczalne są wydzielenia węglików w postaci ziarnistej lub siatki na granicach ziarn austenitu pierwotnego, a także występowanie bainitu w warstwie powierzchniowej. Optymalne stężenie węgla w warstwie powierzchniowej, zapewniające wystąpienie pożądanej struktury, wynosi 0,7÷0,8%, a azotu 0,2÷0,3%.

Elementy poddane węgloazotowaniu wysokotemperaturowemu obrabia się cieplnie w taki sam sposób jak przedmioty nawęglane. Strukturę rdzenia stali prawidłowo węgloazotowanej wysokotemperaturowo stanowi martenzyt lub bainit, nie zaś struktura bainityczno–ferrytyczna.

Warstwy powierzchniowe uzyskane w wyniku węgloazotowania niskotemperaturowego mają budowę zbliżoną do warstw azotowanych. W zewnętrznej monofazowej strefie ε występują jednak węglikoazotki. Warstwy węgloazotowane niskotemperaturowo i azotowane różnią się stężeniem węgla. W odróżnieniu od azotowania,

podczas węgloazotowania węgiel dyfunduje do strefy węglikoazotków ε zarówno z ośrodka nasycającego, jak i rdzenia stalowego. Strefa węglikoazotków ε uzyskana w wyniku węgloazotowania charakteryzuje się mniejszą twardością i odpornością na ścieranie od warstw otrzymanych podczas azotowania.

WĘGLOAZOTOWANIE W OŚRODKACH GAZOWYCH

Wysokotemperaturowe węgloazotowanie gazowe najczęściej jest wykonywane we wzbogaconej atmosferze endotermicznej. Gazami wzbogacającymi może być mieszanina 1÷8% amoniaku oraz 1÷4% propanu lub 3÷10% gazu ziemnego. Innymi środkami wykorzystywanymi do węgloazotowania gazowego są ciekłe związki organiczne zawierające azot, Niskotemperaturowe węgloazotowanie gazowe wykonuje się w atmosferach wytworzonych z amoniaku oraz gazu nawęglającego lub ciekłych węglowodorów.

Węgloazotowanie niskotemperaturowe odbywa się najczęściej w temperaturze 560÷580°C przez 2÷5 h.

WĘGLOAZOTOWANIE KĄPIELOWE

Kąpielowe wykonuje się w temperaturze 750÷850°C w mieszaninie soli cyjanowych, np. NaCN, z solami obojętnymi, np. NaCl lub Na2CO3. Niskotemperaturowe węgloazotowanie kąpielowe odbywa się zwykle w roztopionych mieszaninach cyjanków i cyjanianów. Zawartość cyjanianu w kąpieli powinna wynosić ponad 42% w celu zapewnienia optymalnych warunków azotowania. Azot atomowy i niewielkie ilości węgla dyfundują jednocześnie do powierzchniowej warstwy stali. Rozpadający się cyjanian powinien być uzupełniany.

Niekorzystny wpływ na strukturę warstwy powierzchniowej wywiera żelazo przedostające się do kąpieli i tworzące kruchą i porową strefe pośrednią. Można temu zapobiec przez zastosowanie tygli tytanowych i stałą

renowację częściowo zużytej kąpieli. Temperatura niskotemperaturowego węgloazotowania kąpielowego wynosi ok. 570°C, a czas trwania procesu – od kilkunastu minut do trzech godzin.

25. azotowanie
Proces ten polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego zazwyczaj ulepszonego cieplnie azotu, który przyczynia się do uzyskania bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej, i to już bez dodatkowych zabiegów cieplnych. Azotowanie przeprowadza się za pomocą amoniaku, który podgrzany do temperatury powyżej 400 C dysocjuje i dostarcza do przedmiotów stalowych przeznaczonych do obróbki bardzo aktywnie chemiczny azot atomowy, który reaguje z żelazem, tworząc azotek który rozpuszcza się w Fe.
Podczas dysocjacji wzrasta ciśnienie, należy je obniżyć w taki sposób, żeby proces azotowania zachodził tylko przy nieznacznym nadciśnieniu. Obecność węgla w stalach utrudnia proces azotowania. Stale wysoko węglowe nie nadają się do azotowania, a stale niskowęglowe, mimo iż nadają się są rzadko stosowane ze względu na stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe rdzenia.
Przeważnie do azotowania używa się stali stopowych o takich składnikach, które wykazują dużą skłonność do tworzenia twardych azotków, jak glin, chrom, tytan, i wanad. Najtwardszym z nich jest azotek glinu, który poza tym jest bardzo twardy i rozkłada się dopiero w temperaturze 1000 C, gdy tymczasem azotek dysocjuje się w temperaturze 800C. Na skutek azotowania stale mają warstewkę bardzo twardą i kruchą. W celu otrzymania maksymalnej twardości warstewki naazotowanej i minimalnych odkształceń przedmiotu obrabianego, należy proces azotowania prowadzić w temperaturze niskiej 480 - 520C, przy stopniu dysocjacji amoniaku wynoszącym 15 - 30 %. W celu przyspieszenia procesu można podnieść nieco temperaturę, lecz wtedy wzrasta również stopień dysocjacji amoniaku i otrzymuje się niższą twardość oraz istnieje większa możliwość odkształceń.

W celu nadania stali lub żeliwu większej odporności na korozję stosuje się czasem tzw. azotowanie antykorozyjne, na skutek którego uzyskuje się bardzo cienką warstewkę naazotowaną, wystarczającą jednak do zabezpieczenia stali lub żeliwa na pewien czas przed korozją. Proces ten przeprowadza się w temperaturze 500 - 850 C, przy czym w miarę wzrastania temperatury skraca się czas przetrzymywania stali w ośrodku azotującym. W temperaturze 500 C azotowanie trwa 2 - 3 godz., a w temperaturze 800 - 850 C 10 - 20 min.

W porównaniu z nawęglaniem, azotowanie ma następujące zalety a/ przy mniejszej liczbie zabiegów i niższej temperaturze procesu otrzymuje się większą twardość warstewki o normalnej i podwyższonej temperaturze , b/ większą odporność na ścieranie i korozję , c/ mniejsze zmiany wymiarów.
Mimo swych zalet posiada również szereg wad: a/ przy kosztowniejszych środkach azotujących od nawęglania i dłuższym procesie azotowania niż nawęglania otrzymuje się cieńszą warstewkę, b/ bardziej kruchą i o gwałtowniejszym przejściu do ciągliwego rdzenia,
c/ koszty są większe niż przy nawęglaniu.

W celu skrócenia czasu azotowania oraz otrzymania mniej kruchej warstewki wierzchniowej i łagodniejszym przejściu do ciągliwego rdzenia stosuje się tzw. azotowanie dwu lub trójstopniowe. Azotowanie dwustopniowe polega na tym, że podczas procesu stosuje się kolejno dwie różne następujące po sobie temperatury przy dwu różnych stopniach dysocjacji amoniaku.

Otrzymana warstewka wykazuje mniejszą kruchość niż warstewka otrzymana w jednym zabiegu i łagodniejsze przejście do ciągliwego rdzenia, przy zachowaniu tej samej twardości. Azotowanie trójstopniowe polega na tym, że podczas procesu stosuje się kolejno trzy różne następujące temperatury przy różnych stopniach dysocjacji amoniaku. Azotowanie to wykazuje szereg korzyści, gdyż w stosunkowo krótkim czasie uzyskuje się dość dużą grubość warstwy naazotowanej i to przy łagodnym przejściu twardej warstwy wierzchniej do ciągliwego rdzenia

dobrz: Azotowanie jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu

poddaje się przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze

wyższej od temperatury azotowania. W przypadku azotowania krótkookresowego, zwłaszcza stali narzędziowych, w ciągu kilkunastu lub kilkudziesięciu minut, na powierzchni stali nie tworzy się ciągła strefa azotków, lecz jedynie strefa dyfuzyjna ferrytu przesyconego azotem z wydzieleniami azotków i węglikoazotków γ′ i α′′.

26. borowanie

Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w bor w temperaturze 900÷1000°C przez kilka do kilkunastu godzin.
Bor zaadsorbowany przez powierzchnię dyfunduje w głąb stali, tworząc warstwę borków o budowie

iglastej i grubości ok. 0,03÷0,15 mm, zależnej od temperatury, metody borowania oraz składu chemicznego

stali. W zależności od stężenia boru w warstwie powierzchniowej stali tworzą się borki Fe2B i FeB.
Naborowane warstwy stali cechują się dużą twardością, zależną od warunków borowania. Największą twardość, wynoszącą 2000÷2400 HV, wykazują warstwy borku FeB, nieco mniejszą – 1600÷2000 HV – Fe2B.
Borowanie odbywa się najczęściej w proszkach lub pastach. Składnikami proszków do borowania są węglik boru, czteroboran sodu lub amorficzny bor, wypełniacz – zwykle tlenek glinu – i aktywatory, do których należą chlorek amonowy, fluorek sodu i fluoroboran potasu

W skład pasty do borowania może wchodzić np. 55% węglika boru i 45% kriolitu, związanych szkłem wodnym lub klejami organicznymi.

BOROWANIE KĄPIELOWE Borowanie kąpielowe jest wykonywane w roztopionym czteroboranie sodu z dodatkiem węglika boru i chlorku sodu.
BOROWANIE GAZOWE odbywa się w atmosferze stanowiącej mieszaninę dwuborowodoru lub trójchlorku boru z gazem nośnym, którym jest H, Ar lub N. toksyczne, wybuchowe i korozyjne działanie atmosfer borujących.

OBRÓBKA CIEPLNA STALI NABOROWANEJ Stal poddawana obróbce cieplnej - hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Elementy z niektórych stali stopowych można hartować bezpośrednio z temperatury borowania

Ciągnienie jest procesem plastycznej przeróbki metali, przeprowadzanym najczęściej na zimno, w którym odkształcany półwyrób pod wpływem przeciągania go przez otwór narzędzia lub pomiędzy nienapędzanymi walcami, zmienia kształt oraz pole przekroju poprzecznego.
Wyroby otrzymywane w procesie ciągnienia charakteryzują się bardzo gładką powierzchnią żądanymi własnościami mechanicznymi
Zasadniczym narzędziem do ciągnienia jest ciągadło. Ciągadła wykonuje się ze stali narzędziowych, z węglików spiekanych oraz diamentów.
W procesie ciągnienia drutu można wyróżnić następujące fazy: zaostrzanie drutu, czyli ścienianie jego końca w celu przełożenia go przez ciągadło; **zaciąganie drutu, czyli przeprowadzenie drutu przez urządzenia kierujące go do ciągadła, przesunięcie drutu przez ciągadło, uchwycenie drutu za ciągadłem łańcuchem ciągarskim i przymocowanie tego łańcucha do bębna nawijającego ciągarki, przeciągnięci kilku metrów drutu, regulując prędkość ciągnienia, naciąg i przeciwciąg, odczepienie łańcucha ciągarskiego i przymocowanie drutu bezpośrednio do bębna ciągarki; **przeciąganie drutu poprzez uruchomienie ciągarki i ustawienie jej pracę automatyczną; **łączenie kręgów drutu, polegające na zgrzewaniu końca drutu kręgu kończącego się z początkiem drutu kręgu następnego i na usunięciu nadmiaru materiału z miejsca zgrzewania, tzw. rąbka oraz warstewki tlenków.

KUCIE- W procesie kucia materiał jest odkształcany trwale na gorąco lub na zimno pod działaniem uderzeń młota, nacisku prasy lub walców. W chwili uderzenia bijaka o metal (pomijając straty energii) energia kinetyczna bijaka jest zamieniana na pracę odkształcenia plastycznego. Wyrób uzyskany w wyniku kucia nazywa się odkuwką, jeżeli proces kucia jest wykonywany w kilku operacjach to odkuwka po pierwszym kuciu nazywa się przedkuwką w drugiej operacji (w kolejnych jest tak samo).
Odkuwki charakteryzują się: kształtem i wymiarami zbliżonymi do gotowej części, drobnoziarnistą strukturą, włóknistym rozkładem zanieczyszczeń, podwyższonymi własnościami mechanicznymi w stosunku do materiału wyjściowego.
K. Swobodne: w kowadłach płaskich, w kowadłach kształtowych (pól swobodne
Kucie swobodne w kowadłach płaskich charakteryzuje się odkształceniem metalu przez zgniatanie go miedzy powierzchniami kowadeł dolnego i górnego. W procesie tym płynięcie metalu na boki jest nieograniczone, przez co powstają nie-równomierne pola odkształceń powodujące w pewnych częściach odkształcanego przedmiotu naprężenia rozciągające. Taki stan naprężeń może w pewnych przypadkach spowodować przejście z trójosiowego ściskania w różnoimienny stan naprężenia, co znacznie pogarsza plastyczność metalu, co z kolei przy większych od-kształceniach może doprowadzić do rozerwania spójności cząstek i pojawienia się pęknięć.
Kucie swobodne w kowadłach kształtowych charakteryzuje się swobodnym wydłużeniem metalu , natomiast jego rozszerzanie jest częściowo ograniczone bocznym naciskiem ścianek narzędzia. W tym przypadku powstające naprężenia rozciągające są mniejsze, a plastyczność materiału większa niż w przypadku kucia w kowadłach płaskich.