PAWEŁ ŚLIWA	Laboratorium z materiałoznawstwa	WMiBM
Gr.:23B	TEMAT: Obróbka cieplno-chemiczna stali.	2000-11-23

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z obróbką cieplno-chemiczną stali, wykonanie obróbki cieplnej po nawęglaniu oraz zbadanie, jaki wpływ obróbka cieplno-chemiczna wywiera na strukturę i własności mechaniczne stali.

Wiadomości teoretyczne:

Połączenie zabiegów cieplnych z celową zmianą składu chemicznego powierzchni elementu nazywamy obróbką cieplno-chemiczną. Zmian składu chemicznego, polegających na nasyceniu strefy przypowierzchniowej określonym pierwiastkiem lub odpowiednio dobraną grupą pierwiastków, dokonuje się przez działanie na powierzchnię elementu chemicznie aktywnego ośrodka w wysokiej temperaturze i przez dyfuzję.

Podczas obróbki cieplno-chemicznej zachodzą następujące procesy, które warunkują kinetykę nasycania:

1. reakcje chemiczne w ośrodku, które decydują o dostarczaniu aktywnych atomów,

2. adsorpcja aktywnych atomów na powierzchni,

3. dyfuzja zaadsorbowanych atomów w głąb metalu.

Proces, który przebiega najwolniej, decyduje o szybkości nasycenia powierzchni

elementu atomami pierwiastka stopowego. Jako ośrodki aktywne są stosowane substancje stałe, ciekłe lub gazowe. Skład chemiczny ośrodka jest bardzo istotny, więc należy go dobierać w taki sposób, aby stężenie aktywnych atomów było wystarczające do pokrycia powierzchni monomolekularną warstwą atomów. Szybkość reakcji w ośrodku zwiększa się ze wzrostem temperatury.

Drugi proces - adsorpcja - jest związany z niezrównoważeniem sił przyciągania atomów znajdujących się na powierzchni. W wyniku tego aktywne atomy ośrodka są przyciągane do powierzchni metalu. Ilość zaadsorbowanych atomów wzrasta ze zwiększeniem nierówności powierzchni (atomy znajdujące się na wierzchołkach nierówności są więc bardziej aktywnymi adsorbentami niż pozostałe).

Trzeci proces - dyfuzja - umożliwia obcym atomom wnikanie w głąb materiału, a tym samym adsorpcję nowych atomów na powierzchni. Dyfuzja może następować poprzez stopniowe rozpuszczanie się atomów zaadsorbowanych na powierzchni metalu osnowy lub poprzez reakcję chemiczną. W tym ostatnim przypadku powstaje na powierzchni warstwa związku międzymetalicznego, który może się częściowo rozpuścić tworząc roztwór stały.

Obróbka cieplno-chemiczna jest powszechnie stosowana w celu poprawy własności powierzchni stali. Najczęściej stosowane jej rodzaje to:

1. nawęglanie - czyli dyfuzyjne nasycanie powierzchniowej warstwy stali węglem,

2. azotowanie - czyli nasycanie powierzchniowej warstwy stalowych elementów maszyn azotem,

3. węgloazotowanie - czyli połączenie dyfuzji węgla i azotu w jednej operacji, bardziej znane jako cyjanowanie,

4. borowanie - czyli nasycanie powierzchni borem w celu uzyskania bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy.

Wykonanie ćwiczenia:

1.) Materiał:

1. próbki do badań strukturalnych: borowana, azotowana, hartowana laserowo,

2. próbka ze stali 15 nawęglana w ośrodku stałym w czasie 6 godzin w temperaturze 950°C.

2.) Przebieg ćwiczenia:

1. na próbkach do badań strukturalnych: borowanej, azotowanej i hartowanej laserowo dokonujemy obserwacji mikroskopowych ze szczególnym uwzględnieniem struktury warstw wierzchnich,

2. na próbce ze stali 15 (nawęglanej) wykonujemy zgład metalograficzny i po wytrawieniu nitalem przeprowadzamy obserwacje struktury rdzenia i warstwy wierzchniej. Mierzymy twardość próbki nawęglonej w rdzeniu i na powierzchni zewnętrznej - nawęglonej (na twardościomierzu Rockwella - na skali D). Austenityzujemy próbkę w piecu w temperaturze 950°C w czasie 20 minut i hartujemy ją w wodzie. Następnie mierzymy twardość próbki w rdzeniu i na powierzchni zewnętrznej.

Obserwacje i pomiary:

TWARDOŚĆ W SKALI HRD
Przed hartowaniem		Po hartowaniu
obwód	rdzeń	obwód	rdzeń
37 45 39 45 42 39	31 42 35 47 43 45	77 64 72 62 60 72	69 69 69 67 61 66

Stal 15 nawęglana

Próbki do badań strukturalnych:

borowana azotowana

660°C - 6 godzin

Struktura słupkowa

borków żelaza

FeB Fe₂B

Hartowana laserowo

Wnioski:

Głównym celem obróbki cieplno-chemicznej jest polepszenie własności mechanicznych poddanego obróbce elementu. Przede wszystkim są to twardość, odporność na ścieranie, zmęczenie, ale także własności żaroodporne, antykorozyjne i kwasoodporne, jak np. przy borowaniu, azotowaniu. Nawęglanie znacznie zwiększa twardość powierzchni elementów i ich odporność na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Własności takie uzyskuje się w wyniku hartowania i niskiego odpuszczania. Do nawęglania stosuje się stale niskowęglowe (poniżej 0,25%C), zawierające pierwiastki stopowe, takie jak chrom, nikiel, mangan, molibden. Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszaniu cieplnym, dzięki czemu nie wymagają one już żadnej dodatkowej obróbki. Jest to możliwe, ponieważ proces azotowania odbywa się w znacznie niższej temperaturze niż nawęglanie (500*600°C). Jeśli chodzi o obróbkę laserową, to odporność na ścieranie stref przetopionych laserowo i odpuszczonych jest około dwukrotnie większa niż po standardowej obróbce. Obróbka laserowa może być stosowana również do wzbogacania strefy przypowierzchniowej stali w niektóre pierwiastki drogą tzw. wtapiania laserowego.

---