Obróbka cieplno-chemiczna polega na połączeniu zabiegów cieplnych z celową zmianą składu chemicznego materiału w strefie powierzchniowej obrabianego przedmiotu.

Najczęściej stosowanymi rodzajami obróbki cieplno-chemicznej są: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, borowanie oraz chromowanie i aluminiowanie.

Podczas obróbki cieplno-chemicznej zachodzą następujące procesy:

reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o uzyskaniu atmosfery z aktywnymi atomami (dysocjacja, wymiana, redukcja),

adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni obrabianych elementów,

dyfuzja aktywnych atomów do warstwy wierzchniej obrabianego elementu.

Nawęglanie jest to dyfuzja nasycanie warstwy wierzchniej wyrobów ze stali węglem. Przeprowadza się je w celu zwiększenia twardości powierzchni nawęglanych elementów i ich odporności na ścieranie. Jest stosowane w procesach technologicznych kół zębatych, wałów zębatych, itp.

Nawęglanie poddaje się stal stopową niskowęglową (poniżej 0,25 węgla) zwykle z dodatkiem 1-2% chromu oraz, w zależności od gatunku, zawierającą molibden, mangan, nikiel , niekiedy wanad, wolfram lub tytan.

Nawęglanie prowadzi się w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych:

nawęglanie w ośrodkach stałych - przeprowadza się w proszku z węgla drzewnego, impregnowanego węglanami sodu lub potasu, w temperaturze 900°C. W wyniku rozkładu węglanów powstaje dwutlenek węgla, który ulega redukcji do tlenku węgla. Nietrwały tlenek rozkłada się na powierzchni stali, dając atomy węgla nasycające powierzchnię stali,

nawęglanie w ośrodkach ciekłych - odbywa się przez zanurzanie obra­bianych przedmiotów w solach, będących mieszaninami węglanów, chlorków lub cyjanków metali alkalicznych. Temperatura nawęglania w tym ośrodku wynosi 830-850°C,

nawęglanie gazowe - odbywa się w atmosferze tlenku węgla i metanu w temperaturze ok. 900°C. Poza temperaturą i czasem nawęglania o wy­nikach procesu decyduje potencjał węglowy i natężenie przepływu ośrodka nawęglającego,

nawęglanie w złożach fluidalnych - jest odmianą nawęglania gazowego; proces jest wykonywany w złożu tworzonym przez cząstki ciała stałego (np. piasku lub tlenku aluminium) utrzymywane w zawieszeniu przez go­rący gaz nasycający, przepływający przez złoże od dołu ku górze,

nawęglanie próżniowe - może odbywać się także pod obniżonym ciśnie­niem w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. Węgiel atomowy jest uzyskiwany w wyniku rozpadu wymienionych gazów.

W warstwie nawęglonej można wyróżnić trzy strefy:

nadeutektoidalną - o strukturze perlitu z cementytem drugorzędowym,

eutektoidalną- o strukturze perlitycznej,

podeutektoidalną - o strukturze perlityczno-ferrytycznej. Ponadto w warstwie nawęglonej tworzą się węgliki pierwiastków stopowych.

Azotowanie polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu.

Azotowaniu poddaje się elementy konstrukcyjne po uprzednim ulepszaniu cieplnym, dzięki czemu nie wymagają one już żadnej dodatkowej obróbki. Jest to możliwe, gdyż proces azotowania prowadzi się w temperaturze niższej od Ac1 (500-600°C).

W zależności od czasu trwania procesu azotowanie może być krótkookre­sowe (od kilku minut do kilku godzin) lub długookresowe (do kilkudziesięciu godzin).

Przy stałej temperaturze azotowania struktura warstwy przypowierzchnio­wej obrabianej stali zależy od czasu trwania procesu. Po azotowaniu długookre­sowym w warstwie azotowanej można wyróżnić trzy strefy:

przy powierzchni znajduje się strefa zbudowana z fazy ε. Stanowią ją masywne azotki Fe2N (przy stężeniu azotu 11,2%), niekiedy (np. w stali 38HMJ) również węglikoazotki. Strefa ε jest krucha i porowata,

pod strefą azotków ε powstaje często cienka, zwarta strefa azotków γ' utworzona na osnowie Fe4N (przy stężeniu azotu 5,5-6%),

strefa γ' przechodzi w wewnętrzną strefę dyfuzyjną ferrytu przesyconego azotem z wydzieleniami azotków γ' i metastabilnych azotków α” (Fei6N2). W stali stopowej w strefie wewnętrznej występują ponadto bardzo drobne, rozproszone azotki i węglikoazotki pierwiastków stopo­wych.

Warstwa azotowana po azotowaniu krótkookresowym charakteryzuje się arakiem powierzchniowej, ciągłej warstwy azotków. Stanowi ją jedynie wewnętrzna warstwa ferrytu przesyconego azotem z wydzieleniami azotków i węglikoazotków.

W zależności od zastosowanego ośrodka wyróżnia się następujące metody izolowania:

azotowanie w proszkach,

azotowanie gazowe,

azotowanie jonizacyjne; azotowanie w złożach fluidalnych. Skład chemiczny stali do azotowania jest tak dobierany, aby pierwiastki stopowe w warstwie azotowanej tworzyły trwałe i dyspersyjne azotki.

Cyjanowanie polega na jednoczesnym nasycaniu powierzchni wyrobu stalowego węglem i azotem. Połączenie dyfuzji węgla i azotu w jednej operacji prowadzi do skrócenia czasu obróbki, gdyż azot przyspiesza dyfuzję węgla i na odwrót. Azot obniża również temperaturę Ac3, dzięki czemu nawęglanie można przeprowadzić w niższej temperaturze, co pozwala uniknąć rozrostu ziarna.

Istotnym parametrem decydującym o strukturze warstwy cyjanowanej jest temperatura procesu - w wyższej przeważa nawęglanie, w niższej zaś azotowa nie. Ze względu na temperaturę cyjanowanie dzieli się na wysokotemperaturowa i niskotemperaturowe.

Cyjanowanie wysokotemperaturowe prowadzi się w temperaturze 750-900°C, a więc w zakresie austenitycznym ze względu na większą rozpuszczalność węgla i azotu. Czas procesu wynosi 10-20 min. Elementy konstrukcyjna poddane wysokotemperaturowemu cyjanowaniu obrabia się cieplnie tak jak po nawęglaniu. Mikrostrukturę warstwy powierzchniowej po cyjanowaniu wysokotemperaturowym tworzy martenzyt drobnolistwowy z niewielką ilością austenitu szczątkowego. Niedopuszczalne są wydzielenia węglików i węglikoazotków w postaci siatki na granicach ziarna austenitu pierwotnego.

Borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowe stali borem w temperaturze 900-1000°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin

Stal naborowana jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Stal można hartować bezpośrednio z temperatur borowania.

W warstwie powierzchniowej stali naborowanej tworzą się borki o budę wie iglastej. W zależności od stężenia boru są to Fe2B i FeB. Naborowane warstwy cechują się dużą twardością zależną od warunków borowania.

---