1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z istotą oraz różnymi metodami obróbki cieplno - chemicznej.

2. Opis stanowiska badawczego

• piec elektryczny oporowy,

• skrzynka metalowa z węglem drzewnym,

• próbki ze stali 15 w stanie surowym, po nawęglaniu i obróbce cieplnej,

• mikroskop metalograficzny,

• próbki stali po nawęgleniu i hartowaniu.

3. Przebieg realizacji eksperymentu

• umieścić w skrzynce próbki ze stali 15 w celu nawęglenia,

• wstawić do pieca o temperaturze 880-920 ^oC zamkniętą szczelnie skrzynkę na okres 1 godziny,

• po upływie tego czasu wyciągnąć próbki ze skrzynki i jedną poddać hartowaniu,

• przeprowadzić obserwacje metalograficzne struktur stali po nawęgleniu i obróbce cieplnej.

4. Prezentacja wyników badań

Azotowanie

Polega na wprowadzeniu azotu do warstwy powierzchniowej stali w celu nadania jej wysokiej twardości, wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na ścieranie i w pewnym stopniu odporności na korozję.

Proces odbywa się w specjalnych piecach , przez które przepływa amoniak. W temperaturze pracy pieca, zwykle w zakresie 520 - 540 ^oC, amoniak ulega dysocjacji wg reakcji 2 NH₃ → 2 N + 3 H₂ .

Jest to proces długotrwały, wynosi średnio 30 h, w niektórych przypadkach stale azotuje się nawet w ciągu 100 h. Grubość warstwy uzyskanej w tym procesie nie jest zbyt duża 0,5 - 0,8 mm. Jej grubość zależy od wielu czynników: od temperatury procesu, stopnia dysocjacji amoniaku, składu chemicznego stali.

Przedmioty przeznaczone do azotowania są uprzednio ulepszane cieplnie i szlifowane na ostateczny wymiar. Azotowanie prawie zupełnie nie wpływa na zmianę wymiarów przedmiotów, a ich powierzchnia nie ulega w tym procesie uszkodzeniu.

Schemat procesu azotowania.

Schemat procesu azotowania

Nawęglanie

Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla do warstw powierzchniowych stali. Celem obróbki jest uzyskanie twardej, odpornej na ścieranie powierzchni, przy zachowaniu plastycznego rdzenia. Do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe wyższej jakości, o zawartości węgla do 0,25 %, wyjątkowo do 0,35 %, oraz stale stopowe zawierające do 0,25 % węgla.

Środowisko służące do nawęglania nazywany karboryzatorem. Rozróżniamy środowiska do nawęglania stałe, ciekłe i gazowe.

Czas nawęglania stali zależy od aktywności środowiska, temperatury i założonej grubości warstwy nawęglanej. Zwykle nawęgla się stale do grubości warstwy 0,5 - 2 mm. Nawęgloną powierzchniowo stal poddaje się następnie obróbce cieplnej.

W wyniku długotrwałego nawęglania otrzymuje się w stali warstwę nadeutektoidalną, eutektoidalną i podeutektoidalną.

Warstwa nadeutektoidalna nie jest pożądana ze względu na zawarty w niej cementyt drugorzędowy, który przybiera postać siatki lub igieł. Taka postać cementytu powoduje pękanie i łuszczenie się warstwy nawęglonej.

Warstwa eutektoidalna powinna stanowić główną część warstwy nawęglonej.

Warstwa podeutektoidalna ma za zadanie powiązanie warstwy nawęglonej z rdzeniem. Dlatego powinna rozciągać się na pewnej przestrzeni. Zbyt gwałtowne przejście od warstwy nawęglonej do rdzenia nie jest pożądane, gdyż powoduje odłupywanie się warstwy zahartowanej podczas późniejszej pracy.

Schemat procesu nawęglania i następującej po nawęglaniu obróbki cieplnej.

Szkice struktur stali 15

1. po nawęglaniu

2. po nawęglaniu i hartowaniu

5. Wnioski

Właściwości warstwy otrzymanej bezpośrednio po nawęglaniu nie spełniają stawianych wymagań, tzn. nie posiadają wysokiej twardości i odporności na ścieranie. Twardość warstwy nawęglonej wynosi HB 240 - 280 dla stali węglowych i HB = 250 - 350 dla stali stopowych. Wymagane własności warstwy wierzchniej uzyskuje się dopiero po zahartowaniu, w wyniku którego tworzy się struktura martenzytyczna o twardości ponad 60 HRC, przy czym rdzeń

( ferrytyczno - perlityczny ) zachowuje dostateczne własności plastyczne. Materiał charakteryzuje się również dobrymi własnościami wytrzymałościowymi R_m = 490 MPa , R_e = 295 MPa .

Podobne właściwości można uzyskać stosując hartowanie powierzchniowe , należy jednak zauważyć że w tym przypadku musimy zastosować stal o większej zawartości węgla , a co za tym idzie materiał droższy. W przypadku nawęglania bierzemy stal tańszą , o mniejszej zawartości węgla , nawęglamy tylko warstwę powierzchniową i następnie hartujemy , w ten sposób otrzymujemy zbliżone własności ale mniejszym nakładem finansowym.

Typowymi elementami maszyn do nawęglania są koła zębate, krzywki, części wałów ( czopy , wielowypusty ) itp.

---