kolos 2-ocip, Automatyka i Robotyka, Semestr 3, Obróbka cieplna i powierzchniowa, ściągi


DRUGIE KOLOKWIUM Z OCIPU

28. Co to jest utwardzanie wydzieleniowe?
29. Podaj przykłady stopów, które mogą być umacniane poprzez przesycanie i starzenie.
30. Klasyfikacja obróbki cieplno-chemicznej.
31. Wyjaśnić pojęcie dyfuzji atomowej i reakcyjnej.
32. Warunki konieczne dla przeprowadzenia obróbki cieplno-chemicznej (nasycania dyfuzyjnego)
33. Cel i sposób przeprowadzenia nawęglania.
34. Stale do nawęglania.
35. Parametry warstwy utwardzonej po nawęglaniu.
36. Obróbka cieplna po nawęglaniu.
37. Cel i sposób przeprowadzenia azotowania.
38. Rodzaje azotowania.
39. Stale do azotowania.
40. Struktura i własności warstw azotowanych.

28. Co to jest utwardzanie wydzieleniowe?

Utwardzanie wydzieleniowe jest procesem dwóch operacji obróbki cieplnej: przesycania i starzenia. Proces polegający na utwardzaniu stopu metalicznego dyspersyjnymi cząstkami fazy wtórnej wydzielonej z przesyconego roztworu stałego. Utwardzanie wydzieleniowe spowodowane jest zablokowaniem ruchu dyslokacji przez drobne wydzielenia faz wtórnych.

Jest obróbką cieplną stosowaną dla licznych stopów metali nieżelaznych (głównie stopy miedzi i glinu - nie wykazujące przemian alotropowych, lecz charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym, czyli stopy te tworzą układ równowagi fazowej w którym występuje linia granicznej malejącej wraz z wzrostem temperatury rozpuszczalności w stanie stałym składnika stopowego.) oraz stali.

Warunki do zrealizowania utwardzania wydzieleniowego:
• wykazywanie przez stop zmniejszającej się wraz z obniżeniem temperatury rozpuszczalności składnika stopu w osnowie(warunek konieczny, opisany powyżej)
• uzyskanie w temperaturze podwyższonej jednorodnego roztworu stałego.
• możliwość zrealizowania szybkiego oziębienia do temperatury otoczenia.
• możliwość przebiegu procesu starzenia w temperaturze otoczenia lub podwyższonej.


Proces ten jest szeroko wykorzystywany w technologii obróbki cieplnej i plastycznej metali. Z reguły do zwiększania wytrzymałości i twardości stopu. Przesycanie - minimalnie zmniejsza własności wytrzymałościowe lecz zwiększa plastyczne. Starzenie - zwiększa własności wytrzymałościowe, zmniejsza plastyczne.

Przesycanie jest operacja obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stopu do temperatury jednorodnego roztworu stałego α, wytrzymaniu w tej temperaturze w celu rozpuszczenia wydzielonych cząstek fazy β (ujednorodnienie roztworu stałego α ) oraz oziębieniu z szybkością oziębiania większą od prędkości krytycznej (w celu zatrzymania w roztworze pierwiastka przesycającego) do temperatury otoczenia lub wyższej, ale zawsze niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności. Ma to na celu utrzymanie stanu struktury uzyskanej w temperaturze podwyższonej (uzyskanie skrajnie nierównowagowej - metastabilnej budowy).

Temperatura i czas przesycania odgrywają w tej operacji ważną role, gdyż parametry te muszą być tak dobrane, aby uzyskać możliwie największe rozpuszczenie pierwiastka przesycającego w roztworze, a następnie ujednorodnienia tego roztworu.

Temperatura przesycanie określa się orientacyjnie, powinna być wyższa od linii granicznej rozpuszczalności, czyli w praktyce: Tp ≤ 0,6Tt (Tp - temp. przesycania, Tt - temp. topnienia. Należy pamiętać że temperatura nie może być mała gdyż nie dojdzie do rozpuszczenia i ujednorodnienia roztworu, ale nie może być zbyt wysoka by nie spowodowała nadmiernego rozrostu ziarna lub nadtopień.

Czas przesycania zależy od składu chemicznego i struktury wyjściowej obrabianego stopu, wielkości stopu, wielkości przedmiotu i temperatury wygrzewania, mniej więcej przelicznik jest taki: Stopy aluminium do obróbki plastycznej o grubości 1mm wygrzewa się 2min, a stopy odlewnicze x3 razy dłużej.

Starzenie jest następująca po przesycaniu operacja utwardzenia wydzieleniowego, polega na rozpadzie przesyconego roztworu stałego przeprowadza się nagrzewając stop uprzednio przesycony do temperatury niższej od linii granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. Następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze w postaci faz o wysokiej dyspersji (rozproszeniu).

Ogólnie starzenie można podzielić na:
• starzenie samorzutne przebiegające w zakresie temperatur 20-100°C (dla niektórych stopów)
• starzenie przyspieszone przebiegające w zakresie powyżej 100°C, lecz poniżej Tp.

Proces starzenia samorzutnego przebiega w V stadiach, które są umowne, a w rzeczywistości nachodzą na siebie :
I. Skupienie się atomów składnika rozpuszczonego wewnątrz sieci krystalicznej roztworu stałego w grupy (tzw. klastery) jako stadium wstępne do utworzenia stref GP I (strefy Guinera - Prestona), które powodują odkształcenie sieci roztworu stałego, zwiększenie naprężeń, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia wytrzymałości stopu oraz zmianie innych własności.
II. Powstanie stref GP II w wyniku uporządkowania w strefach GP I oraz powstanie nadstruktury. GP II wstęp do powstania faz metastabilnych koherentnych(koherencja - spójność).
III. Powstanie metastabilnych faz pośrednich koherentnych z osnową.
IV. Przemiana koherentnych metastabilnych faz w fazy stabilne i niekoherentne z osnową.
V. Koagulacja cząstek faz stabilnych, czyli proces wzrostu cząstek, polegający na dyfuzyjnym wzroście cząstek większych przy jednoczesnym rozpuszczaniu się cząstek mniejszych.

Starzenie przyspieszone jest również procesem przebiegającym w kilku stadiach(brak wspólnego modelu dla wszystkich przypadków) zawiera podobne elementy do procesu starzenia samorzutnego. Starzenie przyspieszone nie jest poprzedzone starzeniem samorzutnym bo i w przypadku starzenia przyspieszonego występują strefy GP.

Własności stopu starzonego zależą od czasu i temperatury starzenia oraz struktury stopu przed starzeniem ponadto od składu chemicznego, warunków przesycania i obróbki plastycznej na zimno.

Na podstawie wykresu (którego nie mamy) możemy stwierdzić iż:
• Im wyższa temperatura tym szybciej uzyskamy umocnienie stopu
• Za wysoka temperatura powoduje przestarzenie
• Starzenie samorzutne zajmuje dużo czasu i pochłania spora ilość energii(temperatura) jednak pozwala na uzyskanie korzystnych własności stopu
• Podczas starzenia przyspieszonego przy zbyt dużym czasie następuje obniżenie twardości stopu
Obróbka plastyczna na zimno stosowana po przesycaniu prawie całkowicie hamuje starzenie samorzutne.

Proces nawrotu (recovery) - polega na nagrzaniu stopu starzonego samorzutnie do temperatury wyższej od temperatury starzenia, a niższej od temperatury przesycania. Powrót do własności stopu po przesycaniu. Można przez ten proces zmniejszyć defekty sieciowe (stężenie wakansów nadmiarowych ) krótkotrwale przetrzymując w temperaturze nawrotu. Zwiększenie ich stężenia zwiększa szybkość starzenia. Wpływ na to mają warunki przesycania.
Przestarzenie jest to efekt występujący podczas zastosowania zbyt wysokiej temperatury w procesie starzenia, polegający na koagulacji wydzieleń i zaniku ich koherencji, co nie powoduje wzrostu twardości w stosunku do stanu przesyconego, a przeciwnie wpływa na jej obniżenie.

29. Podaj przykłady stopów, które mogą być umacniane poprzez przesycanie i starzenie.

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.

W książce Danuty Szewieczek mówi: „Największą ilość badań mających na celu wyjaśnienie zmian struktury i własności i starzenia została wykonana na stopach Al-Cu”

Utwardzanie wydzieleniowe jest bardzo efektywne niestety w praktyce można go stosować w stosunku do nielicznych stopów: Cu-Be, Al-Cu. Ni-Cr, Fe-Ni (niektóre wysokostopowe stale niklowe, tzw. martenzytyczne starzone).

Stopy Cu-Cr: CuCrO6

Stopy Al-Cu: AlCu4Mg ; AlCu4Mg1 ; AlCu2SiMg ;

Stopy Cr-Ni o strukturze austenitycznej w celu rozpuszczenia węglików i uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej, co zwiększa odporność na korozję międzykrystaliczną oraz do uszlachetniania wysokostopowych stali żarowytrzymałych i stali o specjalnych właściwościach magnetycznych.

Stal zaworowa: X50CrMnNi21-9-4 (stężenie węgla 0,50 %, stal chromowo-molibdenowo-niklowa)

30. Klasyfikacja obróbki cieplno-chemicznej.

Obróbka cieplno - chemiczna:

a) Dyfuzyjne nasycanie niemetalami:
I. Nawęglanie
II. Azotowanie
III. Borowanie
IV. Krzemowanie
V. Siarkowanie
VI. Utlenianie

b) Dyfuzyjne nasycanie metalami:
I. Chromowanie
II. Tytanowanie
III. Wanadowanie
IV. Aluminiowanie

31. Wyjaśnić pojęcie dyfuzji atomowej i reakcyjnej.

Obróbkę cieplno-chemiczną przeprowadza się w środowisku bogatym w składnik
dyfundujący do stali. Szybkość przemieszczania się atomów, czyli szybkość dyfuzji w dużej mierze zależy od temperatury i wzrasta z jej podwyższeniem. W zależności od przebiegu dyfuzji rozróżnia się dyfuzję atomową i dyfuzję reakcyjną.

1)W większości przypadków stosuje się środowisko gazowe i wówczas w
czasie obróbki zachodzą trzy podstawowe procesy:

a) dysocjacja — polegająca na rozkładzie cząsteczek gazu i utworzeniu aktywnych atomów
pierwiastka dyfundującego, np.
2CO → CO2 + C,
NH3 → 3H + N;
b) adsorpcja — polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) wolnych atomów przez
powierzchnię metalu (zachodzi tylko wtedy, gdy pierwiastek wprowadzany rozpuszcza
się w obrabianym metalu),
c) dyfuzja — polegająca na przemieszczaniu się obcych atomów w sieci przestrzennej
obrabianego metalu.

W wyniku tych trzech procesów powstaje warstwa dyfuzyjna, w której stężenie
dyfundującego pierwiastka osiąga maksimum na powierzchni i maleje w miarę oddalania się od
niej. Przemieszczanie dyfuzyjne atomów uwarunkowane jest następującymi czynnikami:
• wzajemną rozpuszczalnością metalu nasycanego i pierwiastka nasycającego,
• dążeniem układu do wyrównywania składu chemicznego w całej objętości,
• ruchami cieplnymi atomów.


Dyfuzja atomowa polega na przemieszczaniu się atomów jednego pierwiastka do sieci
elementarnej pierwiastka drugiego, przy czym powstaje roztwór stały o sieci elementarnej
pierwiastka rozpuszczającego. Tworzenie się nowych faz o budowie różnej od budowy
pierwiastka rozpuszczającego jest niemożliwe i maksymalne stężenie pierwiastka dyfundującego
nie przekracza granicznej rozpuszczalni w temperaturze dyfuzji. Widać więc, że przy dyfuzji
atomowej zachodzi jedynie zmiana stężenia składnika rozpuszczanego w sieci elementarnej składnika rozpuszczającego, tworzącego w wyniku tego roztwór stały. Zmiana ta powoduje, że
różnice we własnościach warstwy powierzchniowej metalu rozpuszczającego, czemu towarzyszy
zazwyczaj zmiana mikrostruktury. Zdarzają się jednak przypadki, że mikrostruktura powstałego
roztworu stałego nie różni się wyraźnie od mikrostruktury metalu rozpuszczającego i ujawnienie
granicy między nimi jest trudne.

Mechanizm dyfuzji atomowej jest następujący: Jak wiadomo, temperatura określa wielkość
energii układu, która rozdzielona jest między poszczególne atomy nierównomiernie. W związku
z tym w sieci elementarnej znajduje się pewna ilość atomów, których energia jest znacznie
większa niż atomów pozostałych. Energia ta przejawia się w drganiach i atom mający taką
zwiększoną ilość energii wychodzi ze swego normalnego położenia w węźle sieci elementarnej,
zajmując położenie nienormalne, pojebane - międzywęzłowe. W sieci elementarnej pojawia się puste
miejsce (wakans). Istnienie wolnych miejsc w sieci elementarnej umożliwia powstawanie na drodze dyfuzji tzw. roztworów stałych różno węzłowych, tzn. roztworów, w których część atomów w węzłach sieci metalu rozpuszczającego jest zastąpiona atomami pierwiastka rozpuszczonego. Nieco inaczej przebiega proces powstawania na drodze dyfuzji roztworów stałych międzywęzłowych. W tym przypadku atomy pierwiastka rozpuszczanego wnikają w przestrzenie międzywęzłowe sieci elementarnej metalu rozpuszczającego. Taki proces zachodzi przede wszystkim w przypadku dyfuzji pierwiastków o małych średnicach atomowych, jak wodór, węgiel, azot, czy bor.
Energię, która jest konieczna do przesunięcia atomu z jednego położenia w sieci elementarnej
w drugie, nazywa się energią aktywacji. Oczywiście energia ta podczas tworzenia się stałych
roztworów międzywęzłowych jest znacznie mniejsza niż podczas tworzenia się roztworów
różno węzłowych, gdyż w pierwszym przypadku odpada konieczność przesuwania atomów
metalu rozpuszczającego z węzłów sieci w położenie nienormalne - pojebane.

2) Drugim rodzajem dyfuzji jest dyfuzja reakcyjna, której wynikiem jest powstanie nowej fazy
międzymetalicznej, zgodnie z wykresem równowagi między pierwiastkiem rozpuszczanym i
metalem rozpuszczającym. Proces dyfuzji reakcyjnej można podzielić na dwa etapy:

a) powstanie nowej fazy na powierzchni metalu na skutek zachodzącej reakcji chemicznej,
b) rozrost nowej fazy na skutek zachodzącej dyfuzji. W wielu przypadkach z wykresu równowagi wynika, że pierwiastek rozpuszczany może tworzyć z metalem rozpuszczającym zarówno graniczne roztwory stałe, jak i fazy międzymetaliczne. Powstaje więc pytanie, która dyfuzja (atomowa czy reakcyjna) zachodzi wcześniej. Przeważa opinia, że faza międzymetaliczna powstaje w drugiej kolejności, tzn. po granicznym nasyceniu metalu rozpuszczającego pierwiastkiem rozpuszczanym.
Budowa faz międzymetalicznych i ich skład chemiczny zależą od takich czynników, jak budowa krystaliczna reagujących pierwiastków, stan ich powierzchni, temperatura itp.

Wielkością charakterystyczną dla procesów dyfuzyjnych jest tzw. współczynnik dyfuzji D, wyrażany równaniem.

D=Do*e^(-Q/RT)

gdzie:

Do- stały współczynnik dla danej sieci krystalicznej,
e -liczba eulera,
Q - energia aktywacji (dla wytrącenia atomu z położenia równowagi),
R - stała gazowa,
T - temperatura bezwzględna.

Jak widać, współczynnik ten zależy przede wszystkim od temperatury i wzrasta wraz z jej
wzrostem (powiększa się ilość wolnych miejsc w węzłach sieci).
Grubość warstwy dyfuzyjnej w zależności od czasu (przy ustaleniu pozostałych parametrów
procesu, takich jak temperatura, ciśnienie itd.), określa równanie

Y^2 = kτ
gdzie:

y - grubość warstwy dyfuzyjnej,
k - stała zależna od współczynnika dyfuzji,
τ - czas procesu.

Dyfuzja w metalach może zachodzić bądź równolegle do powierzchni, bądź w głąb ziarn,
bądź też wzdłuż ich granic. Doświadczalnie ustalono, że największa wartość ma współczynnik
dyfuzji na powierzchni metalu, mniejszą na granicy ziarn, a najmniejszą w samych ziarnach.
Ustalono także, że szybkość dyfuzji w metalach o elementarnej sieci regularnej (żelazo,
aluminium, nikiel, kobalt, miedź, molibden: praktycznie nie zależy od kierunku osi
krystalograficznych. Natomiast metale o innych sieciach wykazują pewną anizotropowość
dyfuzji. Spośród różnych procesów obróbki cieplno-chemicznej najczęściej są stosowane
nawęglanie, azotowanie i węgloazotowanie.

32. Warunki konieczne dla przeprowadzenia obróbki cieplno-chemicznej (nasycania dyfuzyjnego)

Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej, która polega na zmianie składu chemicznego i mikrostruktury warstwy powierzchniowej materiału w wyniku przeprowadzania zespołu operacji i zabiegów. W wyniku oddziaływania chemicznego środowiska o podwyższonej temperaturze strefa przypowierzchniowa zostaje nasycona odpowiednim pierwiastkiem lub też określoną grupą pierwiastków, dzięki czemu następuje zmiana własności obrabianych elementów.

Aby procesy obróbki cieplno-chemicznej mogły przebiegać, muszą być spełnione następujące warunki:
• ośrodek czynny musi wytwarzać aktywne wolne atomy (określone jako atomy „in statu nascendi”), powstające w wyniku reakcji zachodzących w ośrodku, albo na jego granicy z materiałem obrabianym, osadzają się na powierzchni elementu, bardzo szybko tworzą wartę jednoatomowej grubości.
• powierzchnia materiału musi absorbować wolne atomy.

• atomy zaabsorbowane powierzchniowo muszą dyfundować w głąb materiału obrabianego i tworzyć z podłożem roztwór stały.


Istotnymi parametrami decydującymi o zasięgu dyfuzji są: temperatura, czas, gradient koncentracji pierwiastka dyfundującego. Przebieg dyfuzji oraz rodzaj powstających w jej wyniku faz zależą od typu układu równowagi fazowej, jaki tworzą pierwiastek nasycający oraz podstawowy pierwiastek metaliczny obrabianego materiału.

33. Cel i sposób przeprowadzenia nawęglania.

Nawęglanie jest rodzajem obróbki cieplno - chemicznej polegającym na dyfuzyjnym wzbogacaniu warstwy wierzchniej w węgiel, podczas wygrzewania części w temperaturze w zakresie 900 do 950 °C w środowisku w którym wydziela się aktywny węgiel. Celem procesu nawęglania wraz z następną obróbką cieplną (hartowaniem i niskim odpuszczaniem) jest uzyskanie części o twardej i odpornej na ścieranie powierzchni przy zachowaniu plastycznego rdzenia, zapewniającego odporność na obciążenia udarowe. Takie własności mechaniczne są pożądane w przypadku kół zębatych, osi, części wałków jak czopy, wielo - wypusty, krzywki itd.

Rodzaje nawęglania:

Nawęglanie przeprowadza się wieloma metodami przy wyr różnieniu różnych technik i ośrodków.:

Metody konwencjonalne: metoda proszkowa(polega na nawęglaniu w skrzynkach z proszkiem węgla drzewnego z dodatkiem węglanu baru i sodu) oraz metoda kąpielowa polegająca na nawęglaniu w roztopionych solach zawierających cyjanki i cyjaniany.

Metody atmosferyczne : metoda nawęglania gazowego w atmosferach regulowanych

Parametry nawęglania:

Proces nasycania powierzchni stali węglem składa się z trzech elementów:

o dysocjacji karboryzatora, w wyniku której tworzy się węgiel atomowy, zdolny do wnikania w powierzchnię stali,

o absorpcji polegającej na pochłanianiu atomów węgla przez powierzchnię metalu,

o dyfuzji polegającej na przemieszczaniu atomów węgla w głąb stali.

34. Stale do nawęglania

Do nawęglania stosuje się stale węglowe wyższej jakości o zawartości węgla do 0.25%, wyjątkowo do 0,35% 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.

Do nawęglania stosowane są:
• stale konstrukcyjne węglowe wyższej jakości: 10,15,20,
• stale konstrukcyjne stopowe; 15H. 20H, 14HG, 20HG, 15HGM, 18HGM, 18HGT, 17HGN, 15HN, 10H2N2.


35. Parametry warstwy utwardzonej po nawęglaniu.


36. 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:

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. Nowoczesne stale stopowe do nawęglania (odporne na rozrost ziarn

austenitu podczas nawęglania) umożliwiają stosowanie jednokrotnego hartowania elementów

maszyn bezpośrednio z temperatury nawęglania gazowego, co znacznie upraszcza proces technologiczny. Przedmioty nawęglone i zahartowane poddaje się niskiemu odpuszczaniu w temperaturze 160÷180°C przez 1,5÷2 h. Nawęglanie bez następnego hartowania i odpuszczania jest błędem technologicznymi staje się niecelowe. Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, 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, wałków zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków

łożysk tocznych o dużych wymiarach.

37. Cel i sposób przeprowadzenia azotowania.


Azotowanie jest obróbką cieplno-chemiczną, polega na dyfuzyjnym wprowadzeniu azotu do warstwy powierzchniowej stali w celu nadania jej wysokiej twardości, wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na ścieranie i w pewnym stopniu w celu poprawy odporności na korozję. Uzyskanie twardej warstwy powierzchniowej w wyniku azotowania jest następstwem powstania w warstwie wierzchniej azotków. Dlatego też do azotowania stosowane są stale stopowe średnio-węglowe, zawierające dodatki stopowe, łatwo tworzące azotki jak: glin, chrom, tytan i wanad i inne.

Do azotowania używa się także stali węglowej, niskostopowej i stopowej.

Azotowanie przeprowadza się zazwyczaj w temperaturze od 480 do 650°C z reguły w atmosferze gazowej.

38. Rodzaje azotowania.

W zależności od czasu trwania azotowania wyróżniamy:

[azotowanie w czasie od 6h do 30h to chyba pies jebał…]

Celem uzyskania warstw azotowanych o morfologii ukształtowanej w zależności od potrzeb opracowano regulowane procesy azotowania. Procesy te w odróżnieniu od konwencjonalnych realizowane są przy mniejszej intensywności azotowania, osiąganej przez odpowiednie rozcieńczenie atmosfer (zwykle amoniaku) azotem lub zdysocjowanym amoniakiem. Przez regulację potencjału azotowego atmosfery zależnego od rodzaju materiału azotowanego, temperatury i czasu procesu stosownie do wymagań można otrzymać warstwy azotowane ze strefą przypowierzchniową Pp lub bez niej. Części maszyn i narzędzi poddawane azotowaniu regulowanemu należy obrabiać mechanicznie na gotowo z uwzględnieniem tolerancji wymiarowej stosownej dla procesu (orientacyjnie od 0,003 do 0,015 mm na każda stronę azotowanej powierzchni).

Azotowanie gazowe: jako medium w procesie tym stosuje się środowisko gazowe z wykorzystaniem amoniaku. Sama operacja bazuje na zapewnieniu w trakcie procesu odpowiedniej termodynamicznej aktywności atmosfery azotującej, określanej umownie poprzez wartość potencjału azotowego. W czasie tego typu obróbki zachodzą trzy podstawowe procesy:

Po azotowaniu, azotki żelaza, a w szczególności aluminium i chromu, tworzą cienką, nie przekraczającą 0,6 mm, oraz bardzo twardą i odporną na ścieranie, warstwę na powierzchni stali. Azotowanie jest procesem długotrwałym; trwa od 10 do 100 godzin. Twardość powierzchni azotowanej dochodzi do 1100 HV i zachowana jest w podwyższonych temperaturach dochodzących do 550 °C.

Oprócz azotowania gazowego wyróżniamy także:

Azotowanie plazmowe (jarzeniowe) polega na azotowaniu przedmiotów w warunkach wyładowania jarzeniowego przy ciśnieniu atmosfery obróbczej gazu reaktywnego od 100 do 1300 Pa Atmosfera obróbcza amoniak lub azot. Aktywne atomy azotu uzyskuje się poprzez jonizację gazu reaktywnego, zachodzącego w wyniku wyładowania jarzeniowego w specjalnym urządzeniu wyposażonym w reaktor.

Azotowanie w złożach fluidalnych -wykonywane jako krótkotrwałe w atmosferze amoniaku i amoniaku z azotem nieregulowane i regulowane.

Azotowanie w proszkach - konwencjonalne azotowanie w proszkowanych związkach azotu, amoniaku. Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko. Temperatura operacji zależy od rodzaju stali oraz wymiarów obrabianego przedmiotu i wynosi 500÷600°C. Czas azotowania w proszkach wynosi zwykle 0,5÷10 h w zależności od wymiarów i przeznaczenia obrabianego przedmiotu oraz gatunku stali.

Azotowanie jonowe - umożliwia nasycenie stopów żelaza azotem w temperaturach 300 - 600 stopni celcjusza i czasie 0,5 - 30 godzin. Proces azotowania jonowego przeprowadza się w specjalnym urządzeniu wyposażonym w komorę roboczą, w której przy napięciu 400-1000V (prąd stały) i ciśnieniu (0,1 - 10) * 133,3 Pa wprowadzony do komory amoniak, azot z wodorem lub czysty azot ulega jonizacji w bezpośrednim sąsiedztwie elementu obrabianego. Przedmiot stanowi katode, natomiast obudowa komory roboczej anodę. W strefie jonizacji występuje efekt świecenia, a przyspieszone w polu elektrycznym dodatnie jony azotu implantują w powierzchnię, powodując nagrzewanie elementu obrabianego oraz dyfundują w głąb, tworząc warstwę azotowania.

W przeciwieństwie do nawęglania przy azotowaniu strefa powierzchniowa utwardza się bez dodatkowej obróbki cieplnej. Azotowaniu poddaje się stale uprzednio ulepszone cieplnie, gdzie temperatura odpuszczania powinna być nieznacznie wyższa niż temperatura samego azotowania. 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 poddawane szlifowaniu.

39. Stale do azotowania.

Podstawową różnicą pomiędzy azotowaniem a innym procesem utwardzania powierzchni jest fakt, iż elementy azotowane muszą być wykonane ze stali stopowych.

Operacji azotowania poddaje się stale konstrukcyjne średnio węglowe ze składem skład chemiczny stali tej grupy, jest następujący: 0,35-0,46% C, 1,35-M,65% Cr, 0,7-M,2% Al, 0,15-5-0,25% Mo. Stale te przed azotowaniem ulepsza się cieplnie, przy czym odpuszczanie przeprowadza się w temperaturze wyższej od temperatury azotowania, które po nim następuje. Wyższe temperatury azotowania wprawdzie przyspieszają proces, ale równocześnie zmniejszają twardość warstwy naazotowanej. Najbardziej rozpowszechnione stale do azotowania zawierają Al, Cr i ewentualnie Mo zabezpieczający stal przed kruchością odpuszczania.

40. Struktura i własności warstw azotowanych.

Podstawą do określenia struktury warstw azotowanych przedmiotów wykonanych z żelaza i jego stopów jest układ równowagi fazowej Fe-N. W układzie równowagi fazowej Fe-N występują następujące fazy mając, znaczenie w procesie azotowania:
- faza α (ferryt azotowy),która jest roztworem stałym granicznym azotu w żelazie α, o maksymalnej rozpuszczalności 0,1%N w temperaturze eutektoidalnej- 590C i 0,004%N w temperaturze pokojowej,
- faza γ (austenit azotowy) będąca roztworem stałym w żelazie γ o maksymalnej rozpuszczalności 2,8%N w temperaturze 650C; trwała powyżej temperatury utektodainej,
- azotek γ' jest fazą międzywęzłową zakresie sieci A1 trwałą w zakresie stężeń ok. 5,7 - 6,1%N i do temperatury 680C, której przypisuje się wzór Fe4N,
- azotek ε, któremu przypisuje się wzór Fe2N, jest fazą międzywęzłową o sieci A3, trwałą w zakresie stężeń ok. 8,2 - 11 %N.

Podczas azotowania tworzą się różne fazy, przy czym na powierzchni powstają fazy o dużym stężeniu azotu, utrudniając dyfuzję azotu w głąb warstwy.
Warstwą azotowaną zgodnie z obowiązująca normą nazywa się obszar wzbogacony w azot składający się, z następujących stref:
- przypowierzchniowej P,
- porowatej Pp,
- azotowania wewnętrznego W, '
- eutektoidalnej E.


Strefa przypowierzchniowa P składa się z węglikoazotków ε-Fe2(N,C) i azotków γ'-Fe4N lub tylko azotków γ'. W przypadku azotowania w temperaturze poniżej 590C graniczy ona ze strefą azotowania wewnętrznego, a powyżej temperatury eutektoidalnej (590C} - ze strefą eutektoidalną E.
Strefa porowata Tp składa się z węglików ε o stężeniu azotu powyżej 8,5 %.
Strefa azotowania wewnętrznego - W ma strukturę ferrytu i azotków γ',
Strefa eutektoidalna E jest mieszaniną ferrytu i azotka γ' utworzoną w wyniku rozpadu austenitu, azotowego γ podczas wolnego chłodzenia z temperatury azotowania powyżej 590C, graniczy ze strefą azotowania wewnętrznego.


Wyszukiwarka