Daniel Prasał
nr albumu: 135539
Wydział Mechaniczny
MiBM
ĆWICZENIE NR 8
Obróbka cieplno-chemiczna i powłoki galwaniczne
Wstęp
Obróbka cieplno-chemiczna znalazła ogromne zastosowanie w otrzymywaniu elementów stalowych, w skutek której charakteryzują się one bardzo twardą, odporną na ścieranie powierzchnię a jednocześnie miękkim, plastycznym rdzeniem. Zabiegi takie pozwalają uzyskać stan elementu, którego właściwości są pewnego rodzaju kompromisem pomiędzy wcześniej wspomnianymi cechami. Obrobione w ten sposób części znajdziemy w każdym urządzeniu czy maszynie. Wszelkie krzywki, koła zębate, wałki, które przenoszą duże siły i naprężenia a jednocześnie współpracują ciernie z innymi elementami wymagają takich cech materiałowych.
Najczęściej stosowanymi zabiegami obróbki cieplno-chemicznej są:
nawęglanie,
azotowanie,
azotonasiarcznie.
Nawęglanie
Nawęglanie jest procesem technologicznym polegającym na wprowadzeniu atomów węgla do wierzchniej warstwy obrabianego elementu. W skutek takiego zabiegu uzyskujemy bardzo twardą bogatą w węgiel powierzchnię oraz plastyczny rdzeń. Warunkiem dostatecznej dyfuzji atomów węgla jest wprowadzenie ich na drodze wytwarzania „in statu nascendi” czyli w chwili powstania. Ogromna ruchliwość tych atomów sprzyja dyfuzji do wnętrza obrabianego elementu. Kolejnym warunkiem poprawnego nawęglenia elementu jest stosunkowo wysoka rozpuszczalność składnika dyfundującego w metalu podstawowym. Ponieważ rozpuszczalność węgla w ferrycie jest niewielka (do 0,25% C), nawęglanie przeprowadza się w temperaturze austenizacji, gdyż rozpuszczalność węgla w tej fazie żelaza jest dziesięciokrotnie większa (od 2% C). Należy jednak uważać w przypadku stali niskowęglowych, których temperatura austenizacji jest wysoka i wynosi ok. 900oC. Zbyt długi proces nawęglania powoduje nadmierny rozrost ziaren rdzenia, co prowadzi do osłabienia jego własności wytrzymałościowych. Czas nawęglania przeważnie wynosi 2 do 8h. Wydłużanie tego czasu jest bezcelowe, ponieważ prędkość dyfuzji atomów węgla w stali jest proporcjonalna do gradientu stężeń w dwóch sąsiednich warstwach. Po pewnym czasie gradient ten jest tak mały, że dalszy proces nawęglania praktycznie ulega zatrzymaniu. Głębokość, na jaką zachodzi dyfuzja to zazwyczaj
0,5 - 1,5mm. Głębokość ta zmienia się wraz z czasem nawęglania parabolicznie zgodnie z zależnością x2 = C, gdzie C jest stałą zależną od współczynnika dyfuzji.
Najczęściej stosowanymi stalami do nawęglania są stale węglowe zawierające 0,20% C. Wyjątkowo, jeśli wymagane są wyższe wytrzymałości rdzenia, np. dla kół zębatych, można stosować stale zawierające do 0,35% C. Oprócz stali węglowych stosuje się także stale niskostopowe: chromowe, chromowo-niklowe lub chromowo-manganowe. Stale po procesie nawęglania należy obrobić cieplnie poprzez hartowanie i niskie odpuszczanie.
Azotowanie
Azotowanie jest obróbką cieplno-chemiczną, podczas której warstwę wierzchnią przedmiotów wykonanych na ogół z żelaza i jego stopów wzbogaca się dyfuzyjnie azotem.
Najważniejszą z właściwości warstw azotowanych jest ich wysoka twardość. Warstwę azotowaną cechuje także odpowiednio wysoka odporność na zmęczenie, ścieranie, korozję, erozję kawitacyjną. Warstwy azotowane zachowują twardość do temperatur w zakresie 500 - 600°C, a krótkotrwałą nawet do wyższych temperatur. W procesie azotowania zazwyczaj zostaje zachowana struktura i własności rdzenia przedmiotu uzyskane uprzednią obróbką cieplną (ulepszanie cieplnym, wyżarzaniem normalizującym).
Powierzchnie przedmiotów przeznaczone do azotowania powinny być obrobione mechanicznie na gotowo, ponieważ po azotowaniu (w zależności od struktury warstwy wierzchniej) dopuszcza się zdjęcie warstwy o grubości do 0,05mm.
Podstawową różnicą pomiędzy azotowaniem a innym procesem utwardzania powierzchni jest fakt, iż elementy azotowane muszą być wykonane ze stali stopowych.
Najbardziej rozpowszechnione stale do azotowania zawierają Al, Cr i ewentualnie Mo zabezpieczający stal przed kruchością odpuszczania. Skład chemiczny stali tej grupy, do której należą 38HMJ i 38HJ, jest następujący: 0,31-7-0,42% 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.
Jeżeli jest to tylko możliwe elementy powinny być azotowane w całości. Operacja taka jest najprostsza i najtańsza. Jeżeli jednak musimy pozostawić jakieś obszary nienaruszone powinny one być odpowiednio zabezpieczone.
W tym celu pokrywa się powierzchnie, które chcemy pozostawić nienaruszone 18-20 mikronową warstwą miedzi (lub brązu). Pomimo swojej kosztowności najlepszym sposobem dającym 100% efektywności jest platynowanie obszarów, które chcemy osłonić. Powłokę taką usuwa się następnie mechanicznie.
Azotonasiarczanie jest procesem podobnym do azotowania z tą różnicą, że do warstwy dyfuzyjnej wprowadza się siarkę, która tworzy siarczki żelaza, zmniejszające współczynnik tarcia co zwiększa odporność na ścieranie.
Powłoki galwaniczne
Stosowane w praktyce powłoki galwaniczne z punktu widzenia ich przeznaczenia można podzielić na następujące grupy:
powłoki ochronne - mające za zadanie wyłącznie ochronę metalu podłoża przed korozją,
powłoki dekoracyjna - nakładane dla poprawy wyglądu zewnętrznego powierzchni (barwa, połysk, gładkość),
powłoki ochronno-dekoracyjne - stosowane jako ochrona przed korozją z jednoczesnym nadaniem i zachowaniem własności dekoracyjnych powierzchni metalu podłoża,
powłoki techniczne (funkcjonalne) - stosowane w celu uzyskania określonych własności fizycznych lub technologicznych powierzchni, np. zwiększenie odporności na ścieranie, zmiana współczynnika tarcia, poprawa własności elektrycznych powierzchni, poprawa zdolności łączenia przez lutowanie, zmiana wymiarów pokrywanych części, regeneracja zużytych powierzchni, uzyskanie zwiększonego stopnia odbicia i połysku powierzchni, zabezpieczenie określonych powierzchni w czasie wykonywania innych procesów obróbki powierzchniowej oraz uzyskiwania grubych warstw w galwanoplastyce.
Powłoka chromowa
Pokrywanie galwaniczne chromem ma na celu zabezpieczenie elementu przed korozją oraz nadanie mu estetycznego połysku. W celach zabezpieczenia mechanicznego i antykorozyjnego (chromowanie technicze) warstwa ta osiąga grubość nawet 1mm. Warstwa ta charakteryzuje się wysoką twardością. Powłoki dekoracyjne nie przekraczają 0,05mm. Największe zastosowanie ma w przemyśle samochodowym i motocyklowym, przy pokrywaniu zderzaków, klamek i innych elementów wymagających estetycznego wyglądu.
Powłoka niklowa
Elektrolitycznie osadzane powłoki niklowe mają różne przeznaczenie - przede wszystkim stosowane są jako warstwy dekoracyjne, dekoracyjno-ochronne i czasem techniczne. Poza tym elektrochemiczne osadzanie niklu stosuje się w galwanoplastyce.
Wnioski.
Stosowanie obróbki cieplnochemicznej znalazło ogromne zastosowanie w technice ze względu na możliwość uzyskania elementów o bardzo pożądanych właściwościach w wielu dziedzinach mechaniki oraz innych gałęziach przemysłu. Ulepszanie cieplnochemiczne pozwala na znaczne wydłużenie żywotności części maszyn, co wydatnie zmniejsza kosztu utrzymania.
Powłoki galwaniczne znane człowiekowi od wielu dziesięcioleci stanowią ogromny udział w metodach zabezpieczeń antykorozyjnych oraz zdobieniu przedmiotów.
Dzięki temu doświadczeniu poznaliśmy wyżej opisane metody ulepszania stali, co pozwala na lepsze wykorzystanie dostępnych sposobów modyfikacji ich własności przy projektowaniu części maszyn.
http://www.sciaga.pl/tekst/94958-95-obrobka_cieplno_chemiczna
1