NIE MA OPRACOWANEGO:

1. Zakres temp. dla stopów żelaza i "co chcemy uzyskać"

2. Struktura po wolnym chłodzeniu

3. Struktura azotków

4. Hartowanie dyfuzyjne i galwaniczne (podobienistwa i różnice)

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50°C powyżej temperatury linii GSE (A_c3, A_cm) i następnie studzeniu w powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczanie) polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_c1 wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze do 20°C powyżej lub poniżej temperatury A_c1. Najbardziej efektywne jest wygrzewanie wahadłowe wokół temperatury A_c1, trudne jednak do realizacji w warunkach przemysłowych.W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego w osnowie ferrytycznej tzw. sferoidyt. Struktura taka odznacza się najmniejszą twardością, dobrą skrawalnością oraz podatnością na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu materiału do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie pierwotnych właściwości materiału.

Wyżarzanie odprężające (odprężanie) polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej A_c1, najczęściej 600-650°C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali, jak przy wyżarzaniu normalizującym i powolnym studzeniu (np. z piecem). Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości, usunięcie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali. Procesowi temu poddaje się zwykle stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu podczas normalizowania jest za duża i może prowadzić do zahartowania stali.

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania środowiska. Podstawowymi rodzajami obróbki cieplnej stopów żelaza są: hartowanie - stosowane tylko dla stali; starzenie; przesycanie; odpuszczanie; ulepszanie; wyżarzanie.

Obróbka cieplna stopów aluminium, mająca na celu przede wszystkim podwyższenie ich wytrzymałości, polega na utwardzaniu dyspersyjnym, tj. na kolejnym przeprowadzeniu operacji przesycania roztworu stałego i starzenia. Podstawowym warunkiem, na którym opiera się proces utwardzania wydzieleniowego stopów, jest zmniejszanie się granicznej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym wraz z obniżaniem się temperatury.

Utwardzanie wydzieleniowe polega na wydzieleniu w stanie stałym dyspersyjnych faz, które blokując ruch dyslokacji umacniają stop, tj. zwiększa się jego wytrzymałość i twardość, a maleje ciągliwość. Może być stosowane wyłącznie w stopach, w których istnieje zmienna rozpuszczalność składników z temperaturą (malejąca z jej obniżeniem). Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch operacji: 1) Przesycania, mającego na celu otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Dokonuje się przez nagrzanie stopu powyżej linii zmiennej rozpuszczalności (solvus) i szybkie oziębianie w wodzie. 2) Starzenia, polegającego na wytwarzaniu przesyconego elementu w temperaturze pokojowej.

Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom.

Obróbka cieplno-chemiczna jest zabiegiem cieplnym (lub połączeniem kilku zabiegów), mającym na celu uzyskanie w warstwie wierzchniej obrabianego materiału własności odmiennych od własności rdzenia. Osiąga się to przez zmianę składu chemicznego, a co za tym idzie struktury wspomnianej warstwy wierzchniej. Zmianę składu chemicznego w metalach i ich stopach umożliwia dyfuzja (wędrówka) atomów, zachodząca dzięki istnieniu różnicy ich stężeń, obecności przestrzeni międzyatomowych (międzywęzłowych) oraz błędów ułożenia atomów w materiałach polikrystalicznych (wakansów, dyslokacji, jak również granic ziaren).

Cel nawęglania: podwyższenie twardości i odporności na ścieranie powierzchni stalowego elementu przy zachowaniu dobrej ciągliwości (udarności) rdzenia elementu.

Struktura warstwy nawęglonej (prawidłowa) powinna składać się w stanie znormalizowanym (parząc od powierzchni) z struktury perlitycznej, ferrytyczno-perlitycznej z wzrastającą w kierunku rdzenia zawartością ferrytu oraz struktury ferrytycznej z wtrąceniami perlitu. (rysunek b) OPISOWO: W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia, w związku z czym zmienia się również struktura. Najsilniej nawęglona strefa zewnętrzna (nadeutektoidalna) powinna się składać z perlitu, ewentualnie z niewielką ilością cementytu. (struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu niedopuszczalna - bardzo krucha i łatwo pęka podczas hartowania. Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna łagodnie przechodzić w ferrytyczno-perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.

Obróbka cieplna po nawęglaniu: Właściwości warstwy otrzymanej bezpośrednio po nawęglaniu nie spełniają stawianych wymagań, to znaczy nie posiadają wysokiej twardości i odporności na ścieranie. Twardość warstwy nawęglonej wynosi HB = 240-280 dla stali węglowych i HB = 250-360 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 zachowuje dostateczne własności plastyczne. OPISOWO: Dla pełnego wykorzystania walorów nawęglania, tj. uzyskania max twardości powierzchni należy nawęglone elementy poddać hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest bezpośrednie hartowanie po nawęglaniu możliwe jednakże tylko w przypadku pieców o działaniu ciągłym. W tym przypadku korzystne jest wstępne podchłodzenie do temp hartowania, co obniża naprężenia i ilość austenitu szczątkowego w warstwie nawęglonej.

Hartowanie bezpośrednio z temperatury nawęglania: Mniej odpowiedzialne przedmioty można hartować bezpośrednio z temperatury nawęglania. W tym jednak przypadku z ziarn austenitu rozrośniętych na skutek długotrwałego wygrzewania w wysokiej temperaturze otrzymuje się gruboiglasty martenzyt i gruboziarnistą strukturę rdzenia. W warstwie nawęglonej występuje ponadto większa ilość austenitu szczątkowego (wyższa temperatura hartowania), co oczywiście zmniejsza jej twardość. OPISOWO: najprostsze (łatwe do automatyzacji przy wielkich seriach) ale: - stale drobnoziarniste (zabezpieczone przed rozrostem ziarna), - dla powierzchni temperatura za wysoka więc: nawęglanie do max 0,8÷0,9% C, często wymrażanie (dla usunięcia gn ).

Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu azotem warstwy wierzchniej stalowych elementów podczas wygrzewania w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym azot atomowy w temperaturze niższej niżAc1. Cel azotowania: podwyższenie odporności na ścieranie, wytrzymałości zmęczeniowej oraz odporności na korozję

Powłoki zanurzeniowe: Zanurzeniowe (ogniowe) powłoki ochronne otrzymywane przez zanurzenie chronionego wyrobu metalowego w innym roztopionym metalu chroniącym. Najczęściej stosowanymi powłokami ogniowymi są powłoki cynkowe na wyrobach stalowych. Stanowią one ochronę anodową (aktywną) co oznacza, że po uszkodzeniu ciągłości powłoki podłoże nadal jest chronione. Dyfuzyjne otrzymywane przez dyfuzję atomów substancji chroniącej od chronionego metalu. OPISOWO: Metalizowanie zanurzeniowe polega na wytwarzaniu na powierzchni wyrobów ze stopów żelaza powłoki metalowej trwale związanej z podłożem przez zanurzenie w ciekłym metalu lub stopie metali niskotopliwych. Powłoki wytwarzane metodą zanurzeniową charakteryzują się dobrą odpornością na korozję i utlenianie w podwyższonej temperaturze. Najbardziej rozpowszechnione w przemyśle są metody cynkowania i aluminiowania. Warunki procesu metalizowania zanurzeniowego muszą być tak dobrane, aby uzyskać odpowiednią grubość i jakość powłoki przy niezmienionych właściwościach wyrobu. Na właściwości powłoki wpływa wiele czynników, a zwłaszcza przygotowanie powierzchni wyrobu, skład ciekłego stopu, rodzaj pokrywanego stopu żelaza, szybkość wyciągania przedmiotu z kąpieli, temperatura kąpieli i czas zanurzania. Aluminium i cynk tworzą ze stopami żelaza w temperaturze procesu trwale związane z podłożem roztwory i fazy międzymetaliczne. Powłoki zanurzeniowe są więc zwykle wielowarstwowe, przy czym warstwę zewnętrzną stanowi strefa zbudowana z materiału powłokowego o składzie kąpieli, powstająca podczas wyciągania przedmiotu z cieczy.

Cynkowanie ogniowe to metoda zanurzeniowa. Oznacza to, że zarówno przygotowanie powierzchni, jak też powlekanie cynkiem odbywa się poprzez zanurzenie elementów konstrukcji w wannach, które zawierają kąpiele o odpowiednim składzie chemicznym. Taka technologia zapewnia możliwość dotarcia do każdej szczeliny, oczyszczenia jej i zabezpieczenia przed korozją. Końcowym etapem procesu cynkowania jest nałożenie powłoki cynkowej na czyste elementy stalowe, które zanurza się w roztopionym cynku. Temperatura robocza kąpieli cynkowej wynosi ok. 450°C. Następuje wtedy szybka reakcja między żelazem i cynkiem, która prowadzi do powstania na powierzchni stali powłoki cynkowej. Jej budowa i właściwości zależą od składu chemicznego podłoża stalowego, a także od jego grubości i konstrukcji. Przy spełnieniu określonych warunków dotyczących gatunku stali, szczególnie chodzi o zawartość krzemu i fosforu, a także przy odpowiednim skonstruowaniu elementów przeznaczonych do cynkowania, otrzymuje się powłoki antykorozyjne wytrzymałe na uszkodzenia mechaniczne, ścieranie, erozję, udary, wolne od porowatości, wykazujące doskonałą przyczepność do podłoża. Powłoka cynkowa otrzymywana w procesie cynkowania ogniowego ma strukturę warstwową. Składa się z faz stopowych, żelazowo-cynkowych oraz warstwy czystego cynku. Obecność warstw stopowych sprawia, że powłoka cynkowa jest nierozdzielnie związana ze stalowym podłożem. Jest to bardzo ważna cecha, jeśli uwzględni się fakt, że elementy stalowe są wystawiane na znaczne obciążenia powierzchni podczas transportu, montażu i dalszego użytkowania, których nie wytrzymują powłoki związane z podłożem jedynie przez fizyczny efekt adhezji.

Aluminiowanie zanurzeniowe (ogniowe) polega na przetrzymywaniu wyrobów - najczęściej ze stopów żelaza - w kąpieli ciekłego aluminium przez czas niezbędny do utworzenia się powłoki o żądanej grubości. O właściwościach użytkowych zanurzeniowych powłok aluminiowych decyduje ich skład chemiczny, grubość i struktura. Czynniki te mogą być regulowane w szerokim zakresie za pomocą takich parametrów procesu, jak sposób przygotowania powierzchni taśmy, skład chemiczny i temperatura kąpieli, prędkość taśmy oraz sposób jej wyciągnięcia z wanny. Temperatura kąpieli Al wynosi około 700°C. W nowoczesnych liniach ciągłych czas przebywania taśmy w kąpieli wynosi zaledwie kilka sekund. W czasie zanurzania taśmy stalowej w kąpieli tworzą się dwie zasadnicze warstwy powłoki aluminiowej - strefa przejściowa zbudowana z kruchych związków Fe-Al oraz osadzająca się na niej w czasie wyciągania z kąpieli zewnętrzna warstwa o składzie zbliżonym do składu kąpieli. Całkowita grubość powłoki mieści się w granicach 15-100 μm. Rozrost przejściowej warstwy stopowej można ograniczyć przez obniżenie temperatury kąpieli aluminiowej, skrócenie czasu przebywania taśmy w kąpieli, a zwłaszcza przez dodanie krzemu do kąpieli. Wpływ krzemu na zmniejszenie grubości przejściowej warstwy stopowej zaznacza się wyraźnie przy zawartości około 6% Si. W praktyce zaleca się kąpiele aluminiowe o temperaturze 700-715°C, zawierające 6-8% Si, i możliwie krótki czas przebywania taśmy w kąpieli. Wytworzona powłoka jest na tyle plastyczna, że procesy wytwarzania wyrobów z blachy aluminiowanej (tłoczenie, zginanie, wiercenie, cięcie) nie powodującej łuszczenia. Aluminiowanie zanurzeniowe blach umożliwia zwiększenie ich odporności na korozję 3-8 razy w porównaniu z powłokami cynkowymi. Istotną zaletą powłok Al jest również brak toksyczności w zetknięciu z artykułami spożywczymi oraz możliwość zwiększania estetyki wyrobów przez trwałe barwienie. Dla nadania blachom aluminiowanym większej żaroodporności wykonuje się dalszą obróbkę, polegającą na wyżarzaniu dyfuzyjnym w temperaturze 950-1050°C w celu przereagowania całej warstwy aluminium w żaroodporne związki żelaza z glinem.

Powłoki galwaniczne są nakładane na przedmioty wykonane z metali lub stopów metali w kąpieli galwanicznej z udziałem lub bez udziału zewnetrznego źródła prądu. Stosuje się je powszechnie ze względu na dobrą odporność na korozję, walory dekoracyjne i odporność na ścieranie. Najbardziej znanym i powszechnie stosowanym procesem nakładania powłok ochronnych metodą elektrolityczną jest chromowanie galwaniczne, które odbywa się w wannach galwanicznych zasilanych prądem stałym z prostownika lub prądnicy prądu stałego. Do chromowania stosuje się kąpiele będące wodnym roztworem bezwodnika kwasu chromowego z dodatkiem kwasu siarkowego. Najważniejszymi warunkami procesu, od których zależy odpowiednia jakość powłok, są skład i temperatura kąpieli oraz gęstość prądu. Zazwyczaj do otrzymania powłok chromu przyjmuje się temperaturę kąpieli w granicach 45-55°C i katodową gęstość prądu 35-50 A/dm2. Powłoki otrzymane w tych warunkach są gładkie i błyszczące. 1) chromowanie dekoracyjne powłoki chromu: nakłada się na podwarstwach miedzi i niklu lub niklu. Zewnętrzna warstwa chromu o grubości 1-5 μm ma tutaj jedynie zabezpieczać powierzchnię przed porysowaniem i zmatowieniem, ponieważ nawet błyszczący nikiel z czasem żółknie i ulega ścieraniu. Zewnętrzna warstwa chromu o grubości ponad 1,5 μm w wielowarstwowej powłoce dekoracyjnej jest szczelna, odporna na ścieranie i chroni podłoże przed korozją. Grubość tej warstwy nie przekracza 5 μm. Powłoki dekoracyjne na podwarstwie Cu-Ni stosuje się powszechnie w produkcji samochodów, motocykli, rowerów, wagonów kolejowych i tramwajowych, armatury sanitarnej, okuć meblowych i budowlanych, przyrządów precyzyjnych oraz innych elementów dekoracyjnych, które muszą mieć estetyczny wygląd, być odporne na ścieranie i korozję. 2) powłoki chromu technicznego są bardziej porowate. Ich szczelność i odporność na korozję chronionego podłoża uzyskuje się dopiero przy grubościach większych od 0,1 μm. Chromowanie techniczne stosuje się zarówno do przedmiotów nowych, jak i regenerowanych. Powłoki są gładkie, odporne chemicznie, twarde, o małym współczynniku tarcia w połączeniach zarówno z powierzchnią chromowaną, jak i stalową. Chromowanie techniczne znacznie zwiększa trwałość tłoczników i matryc do przetwórstwa tworzyw sztucznych, gumy i skóry. Doskonałe wyniki uzyskuje się również w przypadku chromowania cylindrów silników, pierścieni tłokowych, prowadnic zaworów, siłowników hydraulicznych, sprawdzianów itp. Przez chromowanie techniczne można regenerować zużyte elementy narzędzi i części maszyn. chromowaniu technicznym nakłada się grubsze powłoki chromu - 10-150 μm - bezpośrednio na stal lub stopy miedzi dla uzyskania odpowiedniej twardości i odporności na ścieranie. Tą metodą praktycznie można nakładać powłoki o grubości do 1 mm, jednak są one wtedy bardzo nierównomierne i kruche. Powłoka chromu może być szara, błyszcząca lub mleczna w zależności od warunków wytwarzania. Najlepsze jakościowo błyszczące powłoki chromu mają twardość 1000+1200 HV. Powłoki nie zmieniają swojego wyglądu na powietrzu, są odporne na działanie kwasu azotowego i siarkowego oraz na zużycie przez tarcie.

Definicja stali: stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nie przekraczającej 2,06%. Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu. Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia - stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali. Stal dostarczana jest w postaci różnorodnych wyrobów hutniczych - wlewki, pręty okrągłe, kwadratowe, sześciokątne, rury okrągłe, profile zamknięte i otwarte (płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki), blachy. Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej - co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem - głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

Wyżarzanie normalizujące:

Staliwa: Ważnym zabiegiem obróbki cieplnej odlewów jest wyżarzanie normalizujące. Jego celem jest rozdrobnienie ziarna oraz usunięcie ferrytu Widmanstättena w wyniku przemiany α→γ. Wyżarzanie to odbywa się w zakresie temperatury 850 - 950°C z chłodzeniem w spokojnym powietrzu. Gdy odlew po normalizowaniu stygnie z piecem, wyżarzanie nazywamy zupełnym. Obróbka cieplna żeliw szarych: Obróbce cieplnej poprawiającej właściwości wytrzymałościowe poddaje się tylko żeliwa modyfikowane lub sferoidalne, w przypadku innych żeliw wzrost wytrzymałości jest nieznaczny. Wyżarzanie normalizujące ma na celu wzrost Rm, HB i odporności na ścieranie. W temperaturze wyżarzania 850 - 950°C (1 h / 25 mm przekro-ju) zachodzi dyfuzja węgla z grafitu do austenitu, w efekcie zmniejsza się objętość grafitu i ferrytu, a wzrasta udział drobnoziarnistego perlitu.

Obróbka cieplna staliw

Podstawowym zabiegiem obróbki cieplnej staliw jest wyżarzanie odprężające. Jego celem jest usunięcie naprężeń, które powstały podczas krzepnięcia odlewu w związku ze skurczem staliwa. Nieusunięte naprężenia mogą powodować zmianę wymiarów odlewu podczas obróbki mechanicznej lub eksploatacji. W skrajnych przypadkach naprężenia odlewnicze prowadzą do pękania odlewu. Wyżarzanie od-prężające prowadzi się w temperaturze 500 - 600°C w czasie obliczonym według zasady: 1 h na 25 mm grubości odlewu, przy czym minimalnym przyjętym w prak-tyce czasem odprężania są 2 h.

Stan normalizowany N - w wyżarzaniu normalizującym wykorzystuje się efekt rozdrobnienia ziarna przy przemianie ferryt + perlit→austenit. Chłodzenie po nor-malizowaniu odbywa się w spokojnym powietrzu, co zbliża strukturę stali do rów-nowagowej, zgodnej z układem fazowym żelazo - cementyt. Normalizowanie dzięki rozdrobnieniu ziarna wyraźnie zwiększa granicę plastyczności i udarność przy nie-znacznym wzroście twardości. Zmniejsza się przy tym poziom naprężeń własnych wyrobu i niejednorodność struktury. W stanie normalizowanym dostarcza się stale niestopowe, niskostopowe, automatowe oraz stale do hartowania powierzchniowego.

Stan wyżarzony ujednoradniająco J - inaczej zwany homogenizowanym -uzyskuje się przez wyżarzanie w wysokiej temperaturze (1000 - 1200°C) w czasie kilkunastu godzin. Efektem jest wyrównanie składu chemicznego i duże ziarno. W stanie J dostarcza się głównie wlewki i odlewy staliwne.

Stan sferoidyzowany Sf uzyskuje się przez kilkugodzinne wyżarzanie w okolicy temperatury przemiany eutektoidalnej. W efekcie otrzymuje się kuleczki cementytu w osnowie ferrytu. Struktura taka nazywa się sferoidytem i zapewnia małą twardość i dobrą plastyczność stali. Sferoidyt jest korzystną strukturą wyjściową do hartowania, szczególnie stali narzędziowych, ułatwia obróbkę skrawaniem. W stanie Sf są oferowane stale narzędziowe i łożyskowe, a niekiedy stale do ulepszania cieplnego.

Stan rekrystalizowany R oznacza wyżarzanie wykonane po przeróbce plastycznej na zimno w celu usunięcia skutków umocnienia. Temperatura rekrystalizacji stali wynosi najczęściej 600 - 700°C, lecz zależy od gatunku stali i wielkości zgniotu. Wyżarzanie rekrystalizujące jest jedynym sposobem rozdrobnienia ziarna w stalach stopowych bez przemiany alotropowej, np. w stalach austenitycznych.

Stan wyżarzony odprężająco O ma na celu usunięcie naprężeń powstałych w Wyniku krzepnięcia odlewu, spawania, skrawania lub odkształcenia plastycznego na zimno. Wyżarzanie to prowadzi się w zakresie 400 - 650°C w ciągu kilku godzin, po czym odlew powoli się studzi. Mikrostruktura stali nie zmienia się, korzystny jest przy tym wzrost sprężystości stali zgniecionej na zimno bez zmniejszenia twardości i wytrzymałości.

Stan wyżarzony przeciwpłatkowo Pl. Płatkami nazywa się wadę stali, która na przełomie pojawia się w formie plam, a na szlifie stali obserwuje się pęknięcia o długości od kilku do kilkunastu milimetrów. Przyczyną powstawania płatków jest wodór rozpuszczony w ciekłej stali, który nie zdążył wydyfundować podczas krzepnięcia i kucia wlewka. Szczególnie wrażliwe są na to duże wlewki ze stali wysoko-stopowych. Wyżarzanie przeciwpłatkowe polega na długotrwałym wygrzewaniu odkuwek w temperaturze 650°C i wolnym studzeniu w celu pozbycia się nadmiaru wodoru.

Obróbka cieplna to proces technologiczny, którego celem jest zmiana właściwości mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska, a czasem również odkształcenia plastycznego i pola magnetycznego. W związku z tym obróbkę cieplną dzielimy na: zwykłą, cieplno-chemiczną, cieplno-plastyczną i cieplno-magnetyczną.

Utwardzanie wydzieleniowe duraluminium (obróbka cieplna stopów aluminium)

Utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne polega na umocnieniu roztworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne) wydzielenia faz międzymetalicznych. Im drobniejsze wydzielenia, a tym samym mniejsze odległości między nimi, tym bardziej jest utrudniony ruch dyslokacji i dzięki temu wzrasta poziom właściwości wytrzymałościowych.

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia (rys. 7.2). Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Dur-aluminium nagrzewa się do temperatury 500 - 520°C, w której uzyskuje się jedno-rodną strukturę roztworu stałego α dzięki całkowitemu rozpuszczeniu miedzi w aluminium. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej Θ i cała miedź pozostaje w roztworze stałym α. Roztwór taki nazywa się roztworem przesyconym, czyli zawierającym więcej pierwiastka rozpuszczonego, niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność roztworu przesyconego zależy od temperatury, tzn. w niskiej temperaturze (np. -50°C) na skutek mocno ograniczonej dyfuzji roztwór taki jest stabilny. Przesycony roztwór słały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniami fazy Θ, tzn. jest miękki i plastyczny. Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno -można je kształtować plastycznie, np. nitować.

Przesycony roztwór a nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagą przez wydzielenie nadmiaru miedzi - ulega starzeniu. Starzenie jest procesem długotrwałym, polegającym na tworzeniu skupisk atomów miedzi w roztworze α, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw stref G-P (Guinier-Preston), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno Θ" i Θ' oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej Θ (CuAl2). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicznych, całkowicie lub częściowo koherentnych z osnową (koherencja polega na spójności sieci krystalograficznych wydzielenia i osnowy), powodują umocnienie stopu (patrz ćwiczenie 11). Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwiększenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości między nimi. Wynika z tego, że utwardzenie stopu jest tym mniejsze, im wyższa jest temperatura starzenia.Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni starzeniu jest roztwór stały α z wydzieleniami stref G-P. Starzenie naturalne pozwala na uzyskanie największego umocnienia. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta od około 250 MPa bezpośrednio po przesycaniu do około 420, a nawet 450 MPa, twardość dochodzi wtedy do 115 HB. Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 160°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Przyspieszone starzenie jest nazywane starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wytrzymałość - 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych Θ" i Θ' które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwałe przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C prowadzi do prze-starzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej Θ (CuAl2) i jej ko-agulacją (koagulacja jest to rozrost wydzieleń). Uzyskuje się wtedy trwałe zmięk-czenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po prze-starzeniu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

Obróbka cieplno-chemiczna, będąca dziedziną obróbki cieplnej, to zespół operacji, których celem jest wytworzenie zmian struktury, a w konsekwencji zmian właściwości użytkowych warstwy wierzchniej metali i stopów w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska. W tych procesach technologicznych wykorzystuje się szeroko nasycanie (stopowanie) dyfuzyjne, czyli wprowadzanie w wyniku dyfuzji do warstwy wierzchniej metalu lub stopu w stanie stałym jednego lub kilku składników w celu nadania jej pożądanych właściwości mechanicznych i (lub) fizykochemicznych. Nasycanie to prowadzi się w temperaturze zapewniającej szybką dyfuzję. Obróbce cieplno-chemicznej poddaje się części maszyn i narzędzia wykonane najczęściej ze stopów żelaza, od których wymaga się zwiększonej odporności na: ścieranie, korozyjne i erozyjne oddziaływania środowiska oraz zmęczenie mechaniczne i cieplne.

Nawęglanie

Ogólna charakterystyka

Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wyko-nanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25%. Ope-rację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakre-sie 900 - 930°C. Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 - 1,0% i o grubości 0,6 - 1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne. Szybkość nawęglania zależy przede wszystkim od temperatury i czasu trwania procesu (rys. 3.3), a także od aktywności ośrodka (potencjału węglowego) i składu chemicznego stali.

Stale konstrukcyjne do nawęglania

W tablicy 3.1 podano skład chemiczny oraz właściwości mechaniczne po hartowaniu i niskim odpuszczaniu niektórych krajowych stali do nawęglania. Stale węglowe mają małą hartowność oraz stosunkowo niską granicę plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie po hartowaniu i niskim odpuszczaniu. W związku z tym stosuje sieje na części mało obciążone, od których wymaca się tylko odporności na ścieranie. Konieczność hartowania w wodzie jest przyczyną znacznych naprężeń i odkształceń.

W stalach stopowych do nawęglania zwykle występuje chrom (1-2%) a także Mn, Ni, Mo. Dodatki stopowe zwiększają hartowność, zapewniają wymagane właściwości wytrzymałościowe rdzenia, a także zmniejszają naprężenia hartownicze. Jednakże dodatki te (Mn, Ni Cr, Mo) obniżają temperaturę Ms , co wpływa na zwiększenie ilości austenitu szczątkowego i tym samym zmniejszenie twardości warstwy utwardzonej.

Struktura warstwy nawęglonej

W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się stopniowo od powierzchni w kierunku rdzenia, w związku z czym zmienia się również struktura (rys. 3.4). Najsilniej nawęglona strefa zewnętrzna (nadeutektoidalna) powinna składać się z perlitu, ewentualnie z niewielką ilością cementytu. Natomiast struktura perlitu z wyraźną siatką cementytu przy powierzchni (rys. 3.5) jest niedopuszczalna, gdyż jest krucha i łatwo pęka podczas hartowania. Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna łagodnie przechodzić w ferrytyczno-perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują ponadto węgliki stopowe.

Metody nawęglania

Ze względu na cechy ośrodka można wymienić następujące metody nawęglania:

- Nawęglanie gazowe - ma ono obecnie największe zastosowanie przemysłowe. Jest prowadzone w atmosferach zawierających CO, CO2, H2, H2O, CH4 i N2, które wytwarza się przez częściowe spalanie gazów opalonych (metanu, propanu, butanu) lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych dostarczanych bez- pośrednio do komory pieca do nawęglania. Do podstawowych zalet nawęglania ga- zowego należy możliwość precyzyjnej regulacji grubości warstwy nawęglonej i za wartości w niej węgla (z wykorzystaniem sterowania komputerowego), duża szyb kość procesu i możliwość hartowania przedmiotów bezpośrednio po nawęglaniu.

- Nawęglanie w ośrodkach stałych - obecnie rzadko stosowane. Odbywa się ono w proszku węgla drzewnego nasyconego węglanami sodu, wapnia lub baru. Proces zachodzi w skrzynkach, gdzie pod wpływem temperatury i przy niedoborze tlenu powstaje CO, będący źródłem węgla atomowego. Metoda ta charakteryzuje się dużą czaso- i energochłonnością oraz trudnością regulowania grubości warstw i stężenia w nich węgla.

- Nawęglanie w złożach fluidalnych, które jest tworzone przez cząstki ciała sta-łego (np. piasku) utrzymywane w zawieszeniu przez gorący gaz nasycający, prze pływający przez złoże od dołu ku górze. Obrabiane cieplno-chemicznie przedmioty zanurza, się w złożu fluidalnym podobnie jak w cieczy.

- Nawęglanie próżniowe, przebiegające przy obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu, propanu i innych gazów. W metodzie tej atomowy węgiel jest uzyskiwany w wyniku reakcji rozpadu wymienionych gazów. Metoda ta charakteryzuje się lep szą adsorpcją węgla i mniejszym zużyciem gazów.

- Nawęglanie jonizacyjne - polega ono na wygrzewaniu stali w piecu próżnio wym w atmosferze węglowodorów o niskim ciśnieniu z jednoczesnym przyłożeniem wysokiego napięcia stałego między obrabianym przedmiotem (katoda) a anodą. W tych warunkach następuje wyładowanie jarzeniowe i wytwarza się plazma. W wyniku tego powstają jony węgla, które przyspieszane w polu elektrycznym bombardują obrabiany materiał, co znacznie ułatwia adsorpcję. Metoda ta zapewnia dużą wydajność procesu, umożliwia regulację grubości i struktury warstwy dyfuzyjnej.

Obróbka cieplna po nawęglaniu

Twardość stali węglowej nawęglonej i wolno chłodzonej wynosi 240 - 280 HV, a jej właściwości mechaniczne są nie najlepsze ze względu na rozrost ziaren zachodzący podczas procesu. W związku z tym nawęglone przedmioty poddaje się dalszej obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i niskim odpuszczaniu w celu:

- otrzymania w warstwie wierzchniej struktury drobnoiglastego martenzytu z węglikami (rys. 3.7), co zwiększa twardość powierzchni do około 60 HRC; w warstwie tej z reguły występuje również austenit szczątkowy (rys. 3.8), którego ilość zależy od gatunku nawęglonej stali, stężenia węgla w warstwie i rodzaju hartowania po nawęglaniu;

- zapewnienia znacznej ciągliwości i wymaganych właściwości wytrzymałościowych rdzenia; struktura rdzenia stali stopowych to najczęściej niskowęglowy martenzyt lub bainit, w niektórych przypadkach z wydzieleniami ferrytu.

Nowoczesne stale stopowe do nawęglania (odporne na rozrost ziaren austenitu podczas nawęglania) umożliwiają stosowanie hartowania bezpośrednio z temperatury nawęglania gazowego, co znacznie upraszcza proces technologiczny.

Określony rozkład struktury na przekroju warstwy utwardzonej determinuje odpowiednie właściwości mechaniczne. Na rysunku 3.9 przedstawiono typowy rozkład twardości warstwy utwardzonej wraz z rozkładem stężenia węgla. Zastosowanie nawęglania

Nawęglanie z następującym po nim hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń po takiej obróbce cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne obciążenia. W związku z tym nawęglanie jest stosowane w procesach wytwarzania silnie obciążonych, odpowiedzialnych elementów, takich jak: koła zębate, wałki zębate i z wielowypustami, wałki rozrządu, sworznie tłokowe. Aby te duże wymagania były spełnione, twardość powierzchni powinna wynosić min 58 HRC, a dla silnie, obciążonych elementów 60 HRC (750 HV). Powierzchniowe stężenie węgla w wyrobach narażonych na ścieranie i zużycie kontaktowe powinno się zawierać w przedziale 0,9 - 1,0% C, a w przypadku dynamicznych obciążeń zmęczeniowych - w przedziale 0,7 - 0,8% C. Strukturę warstwy utwardzonej powinien stanowić skryto- lub drobnoiglasty martenzyt. Dopuszczalne jest występowanie ograniczonej ilości globularnych węglików oraz austenitu szczątkowego. Struktura rdzenia o twardości 30 - 45 HRC powinna składać się z martenzytu niskowęglowego lub bainitu bez wydzieleń ferrytu. Za grubość warstwy utwardzonej przyjmuje się według PN-71/M-05010 odległość od powierzchni do miejsca o twardości 550 HV (50 HRC). Odpowiada to miejscu o stężeniu węgla 0,35 - 0,40%. Tak oznaczona grubość warstwy utwardzonej stanowi około 0,7 całkowitej grubości warstwy nawęglonej. Grubość warstwy utwardzonej powinna być dobierana zależnie od przekroju elementu nawęglanego i odpowiednio do warunków pracy (np. dla kół zębatych powinna wynosić 0,15 - 0,20 modułu uzębienia).

Azotowanie

Ogólna charakterystyka

Azotowanie polega na dyfuzyjnym -nasycaniu stali azotan. Przebiega ono zwykle w zakresie temperatury 500 - 600°C w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu. Azotowanie może być: krótko-, średnio- i długookresowe (rys. 3.10). Obecnie najczęściej stosuje się azotowanie gazowe i jarzeniowe. Może się ono odbywać także w złożu fluidalnym. W praktyce przeważa azotowanie ferrytyczne, wykonywane w temperaturze niższej od Ac1 obrabianej stali (z uwzględnieniem układu równowagi Fe - N). Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w atmosferze częściowo zdysocjowanego amoniaku (NH3). Współcześnie stosuje się nowoczesne metody regulowanego azotowania gazowego, umożliwiające kontrolowanie składu strukturalnego warstwy azotowanej. Grubość warstwy i twardość powierzchni azotowanej zależą od temperatury i czasu procesu, a także od składu chemicznego stali i aktywności atmosfery (rys. 3.11).

Azotowanie jonizacyjne (jonowe) odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu. Przyłożone napięcie wynosi 0,5 - 1,5 kV, a ciśnienie gazu jest obniżone do 10-2 — 1 Pa. W wyniku zderzeń jonów azotu z powierzchnią obrabianego przedmiotu wydziela się ciepło, a obrabiany przedmiot nagrzewa a się do temperatury azotowania. Zjawiska powierzchniowe, w wyniku których powstaje określona struktura warstwy, można regulować przez zmianę napięcia, ciśnienia oraz składu chemicznego gazu. Warstwy wierzchnie wytworzone w tym procesie odznaczają się - oprócz dużej odporności na ścieranie i wytrzymałości zmęczeniowej - znacznie większą ciągliwością w porównaniu z warstwami uzyskiwanymi podczas azotowania innymi metodami. Struktura warstwy azotowanej

Warstwy wytwarzane w procesie konwencjonalnego azotowania gazowego są zwykle zbudowane z dwóch stref (rys. 3.12):

- strefy przypowierzchniowej, nie ulegającej trawieniu, składającej się z bogatych w azot węgloazotków Fe2-3(N,C) i azotków γ' (Fe4N) lub tylko azotków γ'; w strefie węgloazotków ε mogą występować pory;

- strefy azotowania wewnętrznego, która w stalach węglowych jest roztworem stałym azotu w żelazie z wydzieleniami lub bez wydzieleń azotków żelaza; w przypadku stali stopowych strefa ta zawiera drobnodyspersyjne wydzielenia azotków pierwiastków stopowych (Cr, W, Mo, V, Ti) rozmieszczonych w podłożu ferrytycznym (rys. 3.13); strefa ta trawi się ciemniej niż rdzeń. Wytwarzana metodą konwencjonalną strefa węgloazotków typu ε jest bardzo krucha. Gdy występują silne naciski jednostkowe w obszarze styku elementów, konieczne jest jej zeszlifowanie. Wiąże się to jednak ze zmniejszeniem grubości warstwy utwardzonej. Uzyskanie bezpośrednio w procesie obróbki cieplno-chemicznej twardej warstwy jednostrefowej, wolnej od wydzieleń azotków przy powierzchni, jest możliwe jedynie metodami azotowania regulowanego (strefa azotków nie prze-kracza grubości 10-15 μm).

Jako kryterium efektywnie użytecznej grubości warstwy azotowanej przyjmuje się grubość strefy utwardzonej o twardości większej niż np. 600 HV1 dla stali wysokostopowych i specjalnych do azotowania bądź 50 HRC (550 HV) dla stali średniostopowych (PN-82/H-04550). Zalety i zastosowanie azotowania

Z uwagi na liczne zalety zarówno procesu, jak i otrzymywanych warstw zakres zastosowania azotowania w przemyśle jest znaczny (tabl. 3.2) i systematycznie rośnie.

Do korzystnych cech azotowania pod względem strukturalnym, wytrzymałościowym i technologicznym należy zaliczyć:

- dużą twardość powierzchniową ,

- zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze (do 600°C),

- zwiększoną odporność na ścieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne,

- odporność na korozję gazową i atmosferyczną,

- dużą wytrzymałość zmęczeniową elementów azotowanych,

- względnie niską temperaturę procesu, umożliwiającą wytworzenie twardej warstwy na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu,

- niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania.

Powłoki nakładane galwanicznie

Powłoki galwaniczne są nakładane na przedmioty wykonane z metali lub stopów metali w kąpieli galwanicznej z udziałem lub bez udziału zewnętrznego źródła prądu. Stosuje się je powszechnie ze względu na dobrą odporność na korozję, walory dekoracyjne i odporność na ścieranie.

Najbardziej znanym i powszechnie stosowanym procesem nakładania powłok ochronnych metodą elektrolityczną jest chromowanie galwaniczne. Chrom w szeregu napięciowym zajmuje miejsce w grupie metali elektroujemnych, jednak z uwagi na dużą zdolność do pasywacji ma on właściwości metali szlachetnych. Spasywowany chrom ma potencjał normalny +1,19 V, a więc wyższy od platyny.

Chromowanie galwaniczne odbywa się w wannach galwanicznych zasilanych prądem stałym z prostownika lub prądnicy prądu stałego. Do chromowania stosuje się kąpiele będące wodnym roztworem bezwodnika kwasu chromowego z dodatkiem kwasu siarkowego. Najważniejszymi warunkami procesu, od których zależy odpowiednia jakość powłok, są skład i temperatura kąpieli oraz gęstość prądu. Zazwyczaj do otrzymania powłok chromu przyjmuje się temperaturę kąpieli 320 K i katodową gęstość prądu 35 -i- 50 A/dm2. Powłoki otrzymane w tych warunkach są gładkie i błyszczące.

Chromowanie galwaniczne stopów żelaza w zależności od technologii wytwarzania prowadzącej do różnej budowy powłok można podzielić na dekoracyjne i techniczne. Dekoracyjne powłoki chromu nakłada się na podwarstwach miedzi i niklu lub niklu. Zewnętrzna warstwa chromu o grubości 1 ÷ 5 μm ma tutaj jedynie zabezpieczać powierzchnię przed porysowaniem i zmatowieniem, ponieważ nawet błyszczący nikiel z czasem żółknie i ulega ścieraniu.

Wymagania co do jakości chromowych powłok dekoracyjnych zostały określone w normie PN-83/H-97006.

Zewnętrzna warstwa chromu o grubości ponad 1,5 (im w wielowarstwowej powłoce dekoracyjnej jest szczelna, odporna na ścieranie i chroni podłoże przed korozją. Grubość tej warstwy nie przekracza 5 μm. Powłoki dekoracyjne na podwarstwie Cu-Ni stosuje się powszechnie w produkcji samo-

chodów, motocykli, rowerów, wagonów kolejowych i tramwajowych, armatury sanitarnej, okuć meblowych i budowlanych, przyrządów precyzyjnych oraz innych elementów dekoracyjnych, które muszą mieć estetyczny wygląd, być odporne na ścieranie i korozję. W chromowaniu technicznym nakłada się grubsze powłoki chromu - 10 ÷150 μm - bezpośrednio na stal lub stopy miedzi dla uzyskania odpowiedniej twardości i odporności na ścieranie. Tą metodą praktycznie można nakładać powłoki o grubości do 1 mm, jednak są one wtedy bardzo nierównomierne i kruche.

Powłoka chromu może być szara, błyszcząca lub mleczna w zależności od warunków wytwarzania. Najlepsze jakościowo błyszczące powłoki chromu mają twardość 1000 ÷ 1200 HV.

Powłoki nie zmieniają swojego wyglądu na powietrzu, są odporne na działanie kwasu azotowego i siarkowego oraz na zużycie przez tarcie.

Powłoki chromu technicznego są bardziej porowate. Ich szczelność i odporność na korozję chronionego podłoża uzyskuje się dopiero przy grubościach większych od 0,1 μm. Chromowanie techniczne stosuje się zarówno do przedmiotów nowych, jak i regenerowanych. Powłoki są gładkie, odporne chemicznie, twarde, o małym współczynniku tarcia w połączeniach zarówno z powierzchnią chromowaną, jak i stalową. Chromowanie techniczne znacznie zwiększa trwałość tłoczników i matryc do przetwórstwa tworzyw sztucznych, gumy i skóry. Doskonałe wyniki uzyskuje się również w przypadku chromowania cylindrów silników, pierścieni tłokowych, prowadnic zaworów, siłowników hydraulicznych, sprawdzianów itp.

Przez chromowanie techniczne można regenerować zużyte elementy narzędzi i części maszyn. Ubytki materiału - maksymalnie do 0,5 mm - po wyrównaniu powierzchni przez szlifowanie uzupełnia się powłoką chromową z odpowiednim naddatkiem na obróbkę wykańczającą.

Powłoki wytwarzane metodą zanurzeniową

Metalizowanie zanurzeniowe polega na wytwarzaniu na powierzchni wyrobów ze stopów żelaza powłoki metalowej trwale związanej z podłożem przez zanurzenie w ciekłym metalu lub stopie metali niskotopliwych. Powłoki wytwarzane metodą zanurzeniową charakteryzują się dobrą odpornością na korozję i utlenianie w podwyższonej temperaturze. Najbardziej rozpowszechnione w przemyśle są metody cynkownia i aluminiowania.

Warunki procesu metalizowania zanurzeniowego muszą być tak dobrane, aby było można uzyskać odpowiednią grubość i jakość powłoki przy niezmienionych właściwościach wyrobu. Na właściwości powłoki wpływa wiele czynników, a zwłaszcza przygotowanie powierzchni wyrobu, skład ciekłego stopu, rodzaj pokrywanego stopu żelaza, szybkość wyciągania przedmiotu z kąpieli, temperatura kąpieli i czas zanurzania.

Aluminium i cynk tworzą ze stopami żelaza, w temperaturze procesu trwale związane z podłożem roztwory i fazy międzymetaliczne. Powłoki zanurzeniowe są więc zwykle wielowarstwowe, przy czym warstwę zewnętrzną stanowi strefa zbudowana z materiału powłokowego o składzie kąpieli, powstająca podczas wyciągania przedmiotu z cieczy.

Cynkowanie zanurzeniowe jest procesem polegającym na przetrzymywaniu przez określony czas odpowiednio przygotowanych przedmiotów stalowych w kąpieli cynkowej o zawartości cynku 96,5 ÷ 99%. W wyniku reakcji fizykochemicznych za-chodzących na granicy pokrywanego materiału i ciekłego cynku o temperaturze zwykle około 715 K tworzy się warstwa faz międzymetalicznych Fe - Zn. Ma ona w temperaturze procesu postać głównie słupkowych kryształów prostopadłych do stalowego podłoża. Rozróżnia się w niej strefę fazy γ zawartości 21 ÷ 28% Fe, przy-legającą do podłoża, strefę fazy γ o zawartości 7 ÷ 11,5% Fe oraz strefę fazy ξ o zawartości 6 ÷ 6,2% Fe, stykającą się z kąpielą. Granica warstwy faz międzymetalicznych z podłożem jest w zasadzie linią prostą, natomiast granica z kąpielą cynkową jest nierównomierna - bardzo silnie rozwinięta (rys. 8.7). Z upływem czasu warstwa faz międzymetalicznych przesuwa się w głąb materiału, przy czym od strony zewnętrznej kryształy fazy ξ systematycznie odrywają się i przechodzą do cieczy. Kryształy te mają ciężar właściwy większy od ciężaru właściwego kąpieli i wolno opadają na dno wanny, w której odbywa się cynkowanie.

Czas przetrzymywania wyrobu stalowego w kąpieli wynosi zwykle od kilku do kilkunastu minut. W czasie wyciągania wyrobu z kąpieli na powierzchni wytworzonej uprzednio warstwy faz międzymetalicznych zostaje również wyniesiona pewna ilość kąpieli cynkowej, która krzepnie i tworzy zewnętrzną warstwę powłoki. W warstwie tej, o składzie chemicznym zbliżonym do składu kąpieli, występują również kryształy oderwane od warstwy faz międzymetalicznych w czasie cynkowania.

Grubość, struktura i skład chemiczny warstwy faz międzymetalicznych zależą od składu chemicznego podłoża, temperatury i składu kąpieli oraz czasu cynkowania. Grubość, struktura i skład chemiczny zewnętrznej warstwy w powłoce cynkowej zależą od składu kąpieli i szybkości wyciągania przedmiotów z wanny.

Rozróżnia się dwie metody cynkowania: ciągłą i jednostkową (indywidualną).

Metodą ciągłą cynkuje się półwyroby (blachę, drut, rury, złączki rurowe itp.), które przechodzą płynnie w ruchu ciągłym przez wszystkie stanowiska technologiczne linii cynkowania. Metodą indywidualną pokrywa się wyroby gotowe, które są dostarczane na kolejne stanowiska linii za pomocą odpowiednich urządzeń dźwigowych. Wieszaki ze wsadami mogą poruszać się w kierunku poziomym wzdłuż linii do cynkowania oraz w kierunku pionowym, co zapewnia zanurzenie i wynurzenie z kąpieli.

Trwałość powłoki cynkowej zależy w sposób istotny od jej grubości. Cynk wskutek działania atmosfery pokrywa się warstwami nalotowymi, złożonymi głównie z węglanu cynku, które go chronią, a tym samym powierzchnię stali. Z biegiem czasu wskutek ścierania warstwy te są usuwane, ale odnawiają się systematycznie kosztem cynku znajdującego się w powłoce. Grubość powłoki powoli maleje, a o szybkości jej degradacji decyduje otaczająca atmosfera.

Cynkowanie zanurzeniowe stosuje się powszechnie w produkcji rur wodociągowych, złączek, kolanek, śrubunków, pokryć dachowych, rynien, zbiorników itp. Ocynkowane elementy można łączyć za pomocą nitowania, spawania, lutowania lub skręcania śrubami.

Aluminiowanie zanurzeniowe polega na przetrzymywaniu wyrobów - najczęściej ze stopów żelaza - w kąpieli ciekłego aluminium przez czas niezbędny do utworzenia się powłoki o żądanej grubości.

Proces aluminiowania zanurzeniowego można realizować przez aluminiowanie:

- ciągłe,

- indywidualne.

Obie metody różnią się zasadniczo pod względem asortymentu pokrywanych wyrobów, struktury uzyskiwanych powłok, a przede wszystkim urządzeń niezbędnych do ich wytwarzania.

Aluminiowanie ciągłe jest bardzo rozpowszechnioną technologią stosowaną na skalę przemysłową. Polega ono na pokrywaniu cienką, stosunkowo plastyczną warstewką Al powierzchni drutów, taśm stalowych, blach itp.

O właściwościach użytkowych zanurzeniowych powłok aluminiowych decyduje ich skład chemiczny, grubość i struktura. Czynniki te mogą być regulowane w szerokim zakresie za pomocą takich parametrów procesu, jak sposób przygotowania

powierzchni taśmy, skład chemiczny i temperatura kąpieli, prędkość taśmy oraz sposób jej wyciągnięcia z wanny. Temperatura kąpieli Al wynosi około 980 K. W nowoczesnych liniach ciągłych czas przebywania taśmy w kąpieli wynosi zaledwie kilka sekund.

W czasie zanurzania taśmy stalowej w kąpieli tworzą się dwie zasadnicze warstwy powłoki aluminiowej - strefa przejściowa zbudowana z kruchych związków Fe - Al oraz osadzająca się na niej w czasie wyciągania z kąpieli zewnętrzna warstwa o składzie zbliżonym do składu kąpieli.

Grubość i właściwości przejściowej warstwy stopowej decydują o przyczepności powłoki do podłoża i jej właściwościach mechanicznych. Całkowita grubość powłoki mieści się w granicach 15 ÷ 100 μm. Rozrost przejściowej warstwy stopowej można ograniczyć przez obniżenie temperatury kąpieli aluminiowej, skrócenie czasu przebywania taśmy w kąpieli, a zwłaszcza przez dodanie krzemu do kąpieli. Wpływ krzemu na zmniejszenie grubości przejściowej warstwy stopowej zaznacza się wy-raźnie przy zawartości około 6% Si.

W praktyce zaleca się kąpiele aluminiowe o temperaturze 970 ÷ 985 K, zawierające 6 ÷ 8% Si, i możliwie krótki czas przebywania taśmy w kąpieli. Wytworzona powłoka jest na tyle plastyczna, że procesy wytwarzania wyrobów z blachy aluminiowanej (tłoczenie, zginanie, wiercenie, cięcie) nie powodują jej łuszczenia.

Aluminiowanie zanurzeniowe blach umożliwia zwiększenie ich odporności na korozję 3 ÷ 8 razy w porównaniu z powłokami cynkowymi. Istotną zaletą powłok Al jest również brak toksyczności w zetknięciu z artykułami spożywczymi oraz możliwość zwiększania estetyki wyrobów przez trwałe barwienie.

Dla nadania blachom aluminiowanym większej żaroodporności wykonuje się dalszą obróbkę, polegającą na wyżarzaniu dyfuzyjnym w temperaturze 1220 ÷1320 K w celu przereagowania całej warstwy aluminium w żaroodporne związki żelaza z glinem.

Blachy aluminiowane można stosować w warunkach korozji atmosferycznej lub w wielu mediach chemicznych (gazowych lub ciekłych), w korozji gazowej w połączeniu z odkształceniem oraz korozji gazowej w wysokiej temperaturze. Blachy aluminiowane można tłoczyć i łączyć przez zaginanie i zwijanie brzegów, zgniatanie i spawanie oraz za pomocą śrub i nitów.

Aluminiowanie indywidualne jest procesem wytwarzania powłok aluminiowych na wyrobach gotowych, takich jak odlewy, konstrukcje spawane lub tłoczone, przez ich zanurzanie w kąpieli aluminium lub jego stopów.

Istota procesu aluminiowania nieciągłego polega na zanurzeniu wyrobów - najczęściej ze stopów żelaza - o uprzednio przygotowanej powierzchni w kąpieli ciekłego aluminium lub jego stopów o temperaturze 950 ÷ 1220 K z szybkością nie przekraczającą 10 m/min, przetrzymywaniu w tej kąpieli przez okres niezbędny do utworzenia się powłoki o żądanej grubości i następnie wynurzeniu z kąpieli z szyb-kością około 0,1 ÷ 10 m/min.

Powłoki są zbudowane z dyfuzyjnej warstwy zewnętrznej, którą stanowią krystality słupkowe fazy FeAl3,. oraz wypełniającego wolne obszary między nimi stopu eutektycznego bogatego w aluminium (Al + FeAl3). Dyfuzyjna warstwa przejściowa oddziela warstwę zewnętrzną od pokrywanego podłoża, a jej głównym składnikiem strukturalnym są „językowate" kryształy fazy Fe2Al5 (rys. 8.8).

Czynnikiem wpływającym w bardzo poważnym stopniu na strukturę powłok aluminiowych jest rodzaj pokrywanego materiału. Warstwa przejściowa powłoki aluminiowanej w tych samych warunkach procesu najszybciej wzrasta na podłożu ferrytycznym, a znacznie wolniej w przypadku aluminiowania stali wysokowęglowych i żeliw (rys. 8.9).

Na stopach Fe - C o dużej zawartości węgla dyfuzyjna warstwa przejściowa fazy Fe3Al5 w powłoce jest bardzo zredukowana w porównaniu z powłoką wytworzoną na żelazie Armco. Podobny efekt uzyskuje się przez dodanie do kąpieli krzemu w granicach 6 ÷ 8%. Rozrost fazy przejściowej nie wywiera szkodliwego wpływu na właściwości powłoki wytworzonej na gotowym wyrobie, a więc nie podlegającej takim odkształceniom jak blacha aluminiowana w metodzie ciągłej. Powłoki aluminiowe wytwarzane metodą indywidualną są również znacznie grubsze, a przez to bardziej odporne na korozję atmosferyczną i gazową w wysokiej temperaturze.

Warstwy dyfuzyjne

Nasycanie dyfuzyjne jest to proces wprowadzania pierwiastków w postaci atomowej do warstwy wierzchniej metali lub stopów metali. Efekt procesu zależy od czasu jego trwania i temperatury, materiału podłoża oraz od stężenia ośrodka aktywnego, z którego pochodzi pierwiastek wzbogacający warstwę wierzchnią.

Warstwy dyfuzyjne wytwarza się ze względu na ich cenne właściwości użytkowe, takie jak: duża twardość i odporność na ścieranie, żaroodporność oraz odporność na korozję. Pierwiastkami nasycającymi są najczęściej takie niemetale, jak węgiel, azot, siarka i bor oraz metale: glin, chrom, tytan i krzem.

Jednym z mniej znanych procesów nasycania dyfuzyjnego, ale bardzo interesują-cym ze względu na cenne właściwości użytkowe powstającej warstwy, jest chromowanie dyfuzyjne. Jest to proces polegający na nasycaniu warstwy wierzchniej stopów żelaza chromem, prowadzony w środowisku stałym, gazowym lub ciekłym.

Spośród znanych metod największe zastosowanie w praktyce znalazło chromowanie w proszkach z uwagi na prostotę technologii i łatwą obsługę procesu. Inne metody okazały się bardzo skomplikowane i drogie. Prace nad nimi nie wyszły poza skalę prób laboratoryjnych bądź półtechnicznych.

W wyniku chromowania dyfuzyjnego stopów żelaza w zależności od zawartości węgla w podłożu tworzą się dwa typy warstw powierzchniowych. W stopach o za-wartości węgla poniżej 0,15% warstwa jest zbudowana z roztworu stałego chromu w ferrycie, a w stopach powyżej tej granicy warstwa powierzchniowa o charakterze powłoki jest zbudowana z węglików chromu (rys. 8.10).

Na stalach wysokowęglowych tworzy się zwykle węglik typu M7C3 zawierający około 60% Cr, 30% Fe i 10% C o strukturze iglastych kryształów prostopadłych do powierzchni. W szczególnych przypadkach, np. po długotrwałym chromowaniu żeliwa o zawartości węgla powyżej 3,5%, w powłokach uzyskuje się trzy rodzaje węglików: M3C przy podłożu, M7C3 w środku i M23C6 przy powierzchni.

Warstwa roztworu stałego powstająca wskutek dyfuzji chromu do ferrytu zawiera około 30% Cr przy powierzchni, jest niewiele twardsza od podłoża stalowego i po 5 h chromowania w temperaturze 1270 K ma grubość około 200 um. Ma ona szare zabarwienie, jest dość porowata i chropowata, co powoduje, że niezwykle trudno jest ją całkowicie oczyścić z proszku chromującego, który pod wpływem wilgoci szybko koroduje. Z tego względu chromowanie stali niskowęglowych nie znalazło praktycznego zastosowania.

Powłoka węglikowa powstająca wskutek reakcji chromu z węglem z podłoża stalowego ma barwę srebrzystą z wyraźnym połyskiem, twardość około 2000 HV, dobrą odporność na ścieranie, korozję i żaroodporność. Grubość powłoki zależy od zawartości węgla w podłożu stalowym oraz od temperatury i czasu procesu chromowania (rys. 8.11). Wartość użytkową mają powłoki o grubości 15 ÷ 40 um.

Chromowanie dyfuzyjne z powodzeniem można stosować do obróbki elementów narażonych podczas eksploatacji na zużycie przez tarcie i korozję atmosferyczną lub gazową w podwyższonej temperaturze. Zwiększenie trwałości takich elementów, jak sprawdziany tłoczkowe, narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco oraz formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych wynosi od kilku procent do kilkudziesięciu razy w zależności od warunków pracy wyrobów. Części maszyn i narzędzia,

np. sprawdziany tłoczkowe, formy do tworzyw sztucznych itp., które podczas eksploatacji podlegają jedynie statycznym lub niewielkim dynamicznym obciążeniom, po chromowaniu dyfuzyjnym nie wymagają już zastosowania obróbki cieplnej utwardzającej podłoże stalowe. Utwardzenie podłoża stalowego jest jednak niezbędne w przypadku chromowania elementów narażonych na znaczne obciążenia dynamiczne, takich jak np. matryce do tłoczenia i kucia oraz matryce do przeciwbieżnego wyciskania stali i stopów metali kolorowych.

Obróbkę cieplną elementów stalowych należy wykonać w takiej samej tempera-turze jak elementów z materiałów bez powłoki. Nie jest wymagane stosowanie atmosfer ochronnych, ponieważ powłoka chromowana ma właściwości żaroodporne do temperatury 1250 K. Po hartowaniu chromowanych elementów stalowych w oleju na ich powierzchni występują zanieczyszczenia, które można usunąć przez polerowanie mechaniczne. Nie obserwuje się po tych zabiegach wyraźnego ubytku grubości powłok chromowanych.

W przypadku hartowania przedmiotów o niewielkich gabarytach, wykonanych ze stali wysokostopowych, np. typu NC10, można chłodzić elementy z temperatury austenityzowania w wodzie wraz z retortą. Uzyskuje się wtedy odpowiednią twardość przy niezmienionym stanie powłoki.

---