Struktura i własności stali obrobionych cieplno-chemicznie
Menu
Wstęp
Przebieg ćwiczenia
Obróbka cieplno-chemiczna:
Wiadomości ogólne o obróbce cieplno-chemicznej
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.
Wiadomości ogólne o obróbce cieplno-chemicznej
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,
powierzchnia materiału musi absorbować wolne atomy,
atomy zaabsorbowane powierzchniowo muszą dyfundować w głąb materiału obrabianego i tworzyć z podłożem roztwór stały.
Wytwarzanie ośrodka nasycającego
Zjawiska zachodzące podczas tworzenia ośrodka nasycającego:
dysocjacja cieplna gazów wchodzących w skład ośrodka czynnego, prowadząca pośrednio do dostarczenia aktywnych atomów,
reakcja wymiany podwójnej między atmosferą (tj. związkami ośrodka), która zawiera pierwiastek dyfundujący, a powierzchnią przedmiotu obrabianego.
Zjawisko adsorpcji
Jest ono wiązane z niezrównoważeniem sił przyciągania się atomów ośrodka gazowego lub ciekłego i polega na przyłączaniu się wolnych atomów w postaci warstwy przez powierzchnię metalu.
Adsorpcja zachodzi na granicy gaz - metal i jest możliwa tylko wówczas, gdy pierwiastek mający dyfundować jest zdolny do rozpuszczenia się w metalu.
Zjawisko dyfuzji
Dyfuzję charakteryzuje przenikanie nasycającego pierwiastka w głąb metalu i jest ona podstawą procesów przebiegających podczas obróbki cieplno-chemicznej. Dyfuzja zachodzi na skutek ruchu atomów, jonów lub cząsteczek prowadzącym do wyrównywania ich stężenia wewnątrz fazy. To proces dyfuzji powoduje przemieszczanie się atomów do środka materiału, a jednocześnie pomaga w absorpcji nowych atomów na powierzchni metalu.
Nawęglanie
Proces nawęglania prowadzi się w celu wzbogacenia warstwy wierzchniej w węgiel, poprzez wygrzewanie obrabianego materiału w ośrodku zawierającym atomy węgla.
Temperatura procesu: 880-950ႰC
Grubość warstwy nawęglonej: 0,5-2 mm
Czas procesu > 8h
Po nawęglaniu wymagana jest dalsza obróbka cieplna w postaci hartowania i niskiego odpuszczania.
Stale do nawęglania
Zabiegowi nawęglania poddaje się stale niskowęglowe (zawierające poniżej 0,25%C), zarówno niestopowe jak i stopowe.
W stalach stopowych takie pierwiastki jak: chrom, molibden, mangan, miedź i tytan powodują skrócenie czasu procesu, natomiast nikiel i krzem czas potrzebny do otrzymania warstwy o określonej grubości przedłużają.
Własności stali nawęglonej
W wyniku nawęglania otrzymuje się wysokowęglową warstwę powierzchniową, cechującą się po hartowaniu i odpuszczaniu podwyższoną wytrzymałością i twardością oraz większą odpornością na ścieranie, przy zachowaniu ciągliwego i miękkiego rdzenia.
Struktura stali nawęglonej
Struktura warstwy nawęglonej stali niestopowej, wolno chłodzonej po nawęglaniu, jest zazwyczaj zgodna z układem równowagi: przy powierzchni nadeutektoidalna, składająca się z perlitu i siatki cementytu (należy jej unikać, ze względu na niekorzystne własności), następnie eutektoidalna, którą stanowi czysty perlit, podeutektoidalna o zmniejszającym się udziale perlitu, zmieniająca się stopniowo w strukturę właściwą dla rdzenia - ferrytyczną z bardzo małym udziałem perlitu. W stalach stopowych, z powodu większej hartowności, nawet po wolnym chłodzeniu z temperatury nawęglania, tworzy się struktura martenzytyczna lub bainityczna.
Technologie nawęglania
Rozróżniamy ośrodki nawęglające:
- stałe,
- ciekłe,
- gazowe,
- w złożach fluidalnych,
- jonizacyjne,
- próżniowe.
Elementy nawęglone
Proces nawęglania jest stosowany głównie w celu zwiększenia odporności na ścieranie silnie obciążonych elementów w przemyśle samochodowym i maszynowym, np. na koła zębate, wały, sworznie, tuleje itp.
Obróbka cieplna po nawęglaniu
NAWĘGLANIE
1) hartowanie bezpośrednie z temperatury nawęglania i niskie odpuszczanie
2) jednokrotne hartowanie z temperatury właściwej dla rdzenia i niskie odpuszczanie
3) jednokrotne hartowanie z temperatury właściwej dla warstwy wierzchniej i niskie odpuszczanie
4) dwukrotne hartowanie z niskim odpuszczaniem
Obróbka cieplna po nawęglaniu ma na celu:
utwardzenie warstwy powierzchniowej do wartości ok. 60 HRC i nadanie jej dużej odporności na ścieranie,
otrzymanie ciągliwego rdzenia o wymaganej odporności na rozciąganie przy dobrej odporności na obciążenia dynamiczne,
otrzymanie w warstwie wierzchniej struktury drobnolistwowego martenzytu z węglikami.
Azotowanie
Proces azotowania polega na nasycaniu azotem warstwy wierzchniej stali, w wyniku wygrzewania obrabianego materiału w środowisku zawierającym azot atomowy.
Temperatura procesu: 500-700°C
Grubość warstwy: 0,005-0,6 mm
Twardość warstwy: 400-1300 HV
Czas procesu:
- azotowanie antykorozyjne: 0,5-6 h
- azotowanie utwardzające: 20-60 h
Obróbka poprzedzająca azotowanie
- hartowanie
- wysokie odpuszczanie
- szlifowanie
- AZOTOWANIE
Stale do azotowania
Najbardziej dostosowane do azotowania są stale stopowe maszynowe do azotowania, które zawierają najczęściej:
- węgiel w stężeniu 0,3-0,4%,
- pierwiastki stopowe:
- aluminium (0,5-1,6%),
- mangan (0,2-0,7%),
- chrom (1,5-1,8%),
- molibden (0,15-0,45%).
Azotować można także stale stopowe maszynowe do ulepszania cieplnego, stale narzędziowe i inne.
Własności stali naazotowanej
Azotowanie utwardzające nadaje elementom bardzo dużą twardość, a tym samym odporność na ścieranie i podwyższoną wytrzymałość zmęczeniową.
Azotowanie antykorozyjne powoduje podwyższenie odporności na korozję.
Struktura stali naazotowanej
W strukturze stali naazotowanej wyróżniamy fazy:
faza ၡ (nitroferryt) - ferryt azotowy, roztwór stały azotu w żelazie ၡ zawierającym ok. 0,01% azotu w temperaturze pokojowej i 0,42% w temperaturze eutektoidalnej 591ႰC,
faza ၧ (nitroaustenit) - austenit azotowy, istniejący jako faza w stanie równowagi tylko powyżej temperatury 591ႰC,
faza γ' - azotek żelaza Fe4N, faza międzywęzłowa o zawartości azotu od 5,5 do 6%,
faza ၥ - azotek Fe2-3N, faza międzywęzłowa o bardzo szerokim zakresie jednorodności, mająca sieć heksagonalną. Azotek zawiera w temperaturze pokojowej 8-11,2% azotu.
Technologie azotowania
Metody azotowania:
- gazowe,
- jonizacyjne,
- próżniowe,
- w złożu fluidalnym,
- w kąpieli solnej,
- w proszku.
Elementy naazotowane
Azotowanie jest stosowane w procesie wytwarzania niektórych elementów maszyn narażonych na zużycie cierne, na korozję oraz narzędzi skrawających.
Węgloazotowanie i azotonawęglanie
W przypadku tego rodzaju obróbki mamy do czynienia z jednoczesnym nasycaniem powierzchni materiału węglem i azotem. Jeśli przeważa nasycanie azotem, to proces jest określany jako węgloazotowanie niskotemperaturowe, a jeśli materiał jest nasycamy w większości węglem ─ to jest określany jako węgloazotowanie wysokotemperaturowe (azotonawęglanie).
Ze względu na wykorzystywanie roztopionych cyjanków do węgloazotowania niskotemperaturowego ─ proces ten jest nazywany również cyjanowaniem.
Parametry procesu
Azotonawęglanie Węgloazotowanie
(węgloazotowanie niskotemperaturowe
Parametry wysokotemperaturowe)
Temperatura 750-950ႰC 450-600ႰC
Czas 2-5 h 10-40 min
Grubość warstwy ok. 0,5 mm ok. 0,05 mm
Własności stali po węgloazotowaniu
Stale węgloazotowane wysokotemperaturowo (azotonawęglone) po obróbce cieplnej charakteryzują się:
wysoką twardością,
dużą odpornością na ścieranie,
podwyższoną zmęczeniową wytrzymałością na zginanie i skręcanie.
Stale węgloazotowane niskotemperaturowo cechuje:
- warstwa wierzchnia odporna na ścieranie,
- podwyższona wytrzymałość zmęczeniowa.
Struktura stali węgloazotowanej
Mikrostrukturę warstwy wierzchniej powstałej po węgloazotowaniu wysokotemperaturowym (azotonawęglaniu) oraz hartowaniu stanowi martenzyt drobnolistwowy z niewielkim udziałem austenitu szczątkowego. Taką strukturę można uzyskać przy optymalnym stężeniu węgla wynoszącym 0,7-0,8% i azotu 0,2-0,3%. Pożądaną strukturę rdzenia tworzy martenzyt lub bainit.
Warstwa wierzchnia uzyskana w wyniku węgloazotowania niskotemperaturowego ma strukturę zbliżoną do warstwy naazotowanej. Różnice występują w stężeniu węgla - w strefie ၥ występują węglikoazotki.
Technologia węgloazotowania
Węgloazotowanie niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe (azotonawęglanie):
- w ośrodku gazowym,
- w ośrodku ciekłym (kąpielowe).
- jonizacyjne.
Elementy węgloazotowane
Zastosowanie:
- elementy maszyn, od których wymaga się zwiększonej odporności na ścieranie,
- elementy maszyn o zwiększonej twardości i wytrzymałości zmęczeniowej,
- niektóre narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco oraz narzędzia skrawające ze stali szybkotnących.
Borowanie
Wzbogacenie warstwy powierzchniowej stali w bor nazywamy borowaniem.
Temperatura: 900-1000ႰC,
Czas: od kilku do kilkunastu godzin,
Grubość warstwy borowanej: nie przekracza 0,25 mm,
Twardość powierzchniowa warstwy: 1600 do 2400 HV.
Naborowane elementy są następnie poddawane obróbce cieplnej, a mianowicie hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Elementy z niektórych stali stopowych można hartować bezpośrednio po borowaniu.
Własności stali naborowanej
Borowanie ma na celu zwiększenie odporności na ścieranie (większej niż ma to miejsce podczas nawęglania i azotowania) obrabianego przedmiotu. Twardość powierzchniowa warstwy dochodzi do 2400 HV, której towarzyszy kruchość strefy zewnętrznej.
Ważną zaletą zabiegu borowania jest także otrzymanie warstwy wierzchniej odpornej na działanie kwasów (za wyjątkiem azotowego) oraz soli. Warstwa powierzchniowa stali naborowanej charakteryzuje się również odpornością na utlenianie w temperaturze sięgającej 800ႰC.
Struktura stali naborowanej
Otrzymana na drodze dyfuzji warstwa o mikrostrukturze iglastej składa się z borków FeB i Fe2B, które występują w strefie zewnętrznej. Strefa przejściowa charakteryzuje się obecnością boru w roztworze stałym Fe-ၡ oraz nieco większym stężeniem węgla i krzemu niż w rdzeniu materiału naborowanego.
Technologia borowania
Proces borowania można przeprowadzać w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych.
Dużą popularnością cieszy się borowanie elektrolityczne w stopionym boraksie Na2Ba4O7.
Obserwacja metalograficzna i analiza struktur
Ćwiczenie obejmuje obserwację na mikroskopie świetlnym próbek ze stali 16MnCr5, 16MnCrB5, 31CrMo12, 33CrMoV12-9, HS6-5-2, HS3-3-2, 50WCrV8 po operacji nawęglania, azotowania, węgloazotowania i borowania oraz zestaw próbek ze stali 16MnCr5, 16MnCrB5 i 50WCrV8 wcześniej nawęglonych, węgloazotowanych i naborowanych oraz po odpowiedniej obróbce cieplnej.
Literatura podstawowa
Dobrzański L.A.: „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego”, WNT, Warszawa, 2002, s. 344-352
Dobrzański L.A., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R.: „Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych”, WNT, Warszawa, 1990
Staub F. (red.): „Atlas metalograficzny struktur. Stal”, WNT, Warszawa, 1964