Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Obserwacje mikroskopowe stali po obróbce cieplnej

 (nawęglaniu, azotowaniu i cyjanowaniu)

 

Ogólne wiadomości o obróbce cieplno - chemicznej.

 

Obróbka cieplno - chemiczna różni się od zwykłej obróbki cieplnej tym , że zasadnicza w tym 

zabiegu czynność jaką jest wygrzewanie , odbywa się w specjalnie stosowanym ośrodku , 

mającym na celu zmianę składu chemicznego materiału obrabianego , którym może być metal 

lub stop lecz tylko w warstwie powierzchniowej.

Aby taka zmiana mogła nastąpić muszą zajść pewne procesy :

- w samym ośrodku , w którym znajduje się materiał obrabiany,

- na granicy między gazowymi lub ciekłymi produktami ośrodka

a materiałem obrabianym ,

- w samym metalu lub stopie , w jego zewnętrznych warstwach.

Zasadniczym zjawiskiem w obróbce cieplno - chemicznej jest dyfuzja przez którą rozumie się 

przemieszczanie atomów pierwiastka dyfundującego ( z ośrodka ) w metalu podstawowym . 

Szybkość dyfuzji zależy od czasu wzrasta z podwyższeniem temperatury . Doświadczalnie 

stwierdzono , że dyfuzja w metalach zachodzi łatwiej na granicach ziarn niż w samych ziarnach 

. Stwierdzono również , że dyfuzja w samym ziarnie zachodzi najłatwiej w tym kierunku , w 

którym atomy są ułożone najrzadziej i że przebiega szybciej w materiale odkształconym na 

zimno przez zgniot , niż w materiale wyżarzonym .

Zależnie od pierwiastka wprowadzonego do obrabianego materiału , obróbka cieplno - 

chemiczna przybiera nazwy bardziej szczegółowe , jak :

- nawęglanie ,

- azotowanie ,

- cyjanowanie i inne .

 

Nawęglanie

Nawęglanie jest rodzajem obróbki cieplno - chemicznej polegającym na powierzchniowym 

nasyceniu stali węglem .

Celem procesu jest uzyskanie części o twardej i odpornej na ścieranie powierzchni przy 

zachowaniu plastycznego rdzenia , zapewniającego odporność na obciążenia udarowe . Takie 

własności mechaniczne są pożądane w przypadku kół zębatych ,

osi , części wałków jak czopy , wielo - wypusty , krzywki itd . , które to detale często są 

nawęglane .Innym zastosowaniem nawęglania jest obróbka elementów

łańcuchowych , które są wycinane i kształtowane z miękkiej niskowęglowej blachy , a 

następnie nawęglane , hartowane i odprężane . Do nawęglania stosuje się stale węglowe 

wyższej jakości oraz stale stopowe o zawartości węgla do 0,25% . Stale stopowe do 

nawęglania z reguły zawierają chrom , utrudniający przegrzanie i podnoszący wytrzymałość 

oraz takie pierwiastki jak : Ni , Mn , Mo , zwiększające wytrzymałość rdzenia , po obróbce 

cieplnej przy zachowaniu jego wysokiej plastyczności .Równocześnie dodatki stopowe 

umożliwiają hartowanie tych stali w oleju , co daje mniejsze naprężenia hartownicze przy 

zachowaniu wysokiej twardości warstwy powierzchniowej .

Proces nasycania powierzchni stali węglem składa się z trzech elementów :

1/ dysocjacji karboryzatora , w wyniku której tworzy się węgiel

atomowy , zdolny do wnikania w powierzchnię stali ,

2/ absorbcji polegającej na pochłanianiu atomów węgla przez

powierzchnię metalu ,

3/ dyfuzji polegającej na przemieszczaniu atomów węgla w głąb stali .

Najczęściej stosowane głębokości nawęglania wahają się w granicach 0,5 - 1,5 mm

z tym , że ostatnio daje się zauważyć tendencje do stosowania części ze stali o zawartości 

węgla 0,25 - 0,35% , zapewniającej wyższą wytrzymałość rdzenia , nawęglonych na 

głębokość nie przekraczającą 1mm . Optymalną strukturą warstwy nawęglanej jest perlit , 

przy czym przejście od struktury perlitycznej do ferrytyczno - perlitycznej rdzenia powinno 

być łagodne , gdyż ostre przejście może być powodem odpryskiwania warstwy nawęglonej . 

Również struktura perlitu z siatką drugorzędnego cementytu na powierzchni jest niepożądana , 

gdyż jest krucha i łatwo pęka przy hartowaniu . aby uzyskać wystarczająco grubą warstwę 

nawęgloną w stosunkowo niedługim czasie konieczna jest temperatura procesu wynosząca 

900 - 950 oC , kiedy to stal przechodzi w stan austenityczny i szybkość dyfuzji węgla jest 

wystarczająco duża .

Odpowiednio wysoka temperatura zapewnia równowagę pomiędzy szybkością absorpcji i 

dyfuzji gdyż przy niższych temperaturach 800 - 900 oC absorbcja przebiega szybciej nią 

dyfuzja co powoduje nadmierną koncentracje węgla w pobliżu powierzchni . Podobny efekt 

daje zbyt intensywne działający karboryzator , a także zbyt wysoka temperatura , przy której 

otrzymuje się warstwę o dużej koncentracji węgla.

Koncentrację węgla w warstwie można wyrównać przez wyżarzanie części nawęglonych przy 

temperaturze zbliżonej do temperatury nawęglania . Na skutek dyfuzji węgla w głąb stali 

nastąpi wówczas zwiększenie grubości warstwy nawęglonej kosztem zmniejszenia zawartości 

węgla w pobliżu powierzchni .

Grubość i charakter warstwy nawęglanej zależy nie tylko od czasu i temperatury nawęglania 

oraz aktywności karboryzatora , lecz od rodzaju stali . Mianowicie takie dodatki stopowe jak 

Cr, Mn , Mo zwiększają głębokość nawęglania , podczas gdy Ni ją obniża , poza tym 

pierwiastki węglikotwórcze : Cr , Mo , W , N , Ti zwiększają koncentracje węgla w pobliżu 

powierzchni . Stale nieodtlenione należycie wskazują skłonność do tzw. struktury anormalnej , 

polegającej na tym , że oprócz cementytu i perlitu występuje również ferryt tworząc skupienia 

otaczające siatkę cementytu . Części ze strukturą anormalną wymagają wysokiej temperatury 

( ok. 900 oC ) i dłuższego czasu wygrzewania , przy hartowaniu celem rozpuszczenia 

wydzieleń ferrytu i cementytu , gdyż p hartowaniu mogą wystąpić miękkie plamy .

 

A. Nawęglanie w proszku .

Jest metodą najbardziej rozpowszechnioną , gdyż jest ona stosunkowo łatwa i nie

wymaga specjalnych urządzeń. Nawęglanie przeprowadza się w piecach komorowych 

elektrycznych lub gazowych do których wstawia się skrzynki stalowe , wypełnione częściami 

obrabianymi obsypanymi proszkiem nawęglającym .

Proces przeprowadza się przy temperaturze 900 - 930 oC . Czas nawęglania wynosi 4 - 12 

godz. w zależności od zalanej grubości nawęglonej . Typowy proszek nawęglający jest 

domieszką 80 % węgla drzewnego + 10 % Na2Co 3+ 10 % BaCo3. Bar i sud dodaje się 

celem zaktywizowania procesu , gdyż węgiel drzewny nawęgla zbyt powoli. W czasie 

procesu zachodzą następujące zasadnicze reakcje :

rozkład węgla na : 

BaCo3 - BaO + Co2

lub

 Na2Co 3 - Na2O + Co2

 

utlenianie węgla 

C + O2 - Co2

Powstały Co2 reaguje z nadmiarem węgla : 

Co2 + C - 2CO

Reakcja ta jest silnie endotermiczna , więc przy wysokich temperaturach przebiega z lewej 

strony w prawo , dodając tlenek węgla który w zetknięciu się z żelazem , działającym 

katalitycznie ulega rozkładowi

2CO - CO2 + C

Przy czym powstały węgiel "in statu nascendi " rozpuszcza się w austenicie, wzbogacając go 

w węgiel .

Metoda nawęglania w proszkach posiada wiele wad :

a/ trudności regulowania grubości warstwy i zawartości w niej węgla ,

b/ długotrwałość procesu ,

c/ kłopotliwe załadowanie skrzynek i związana z tym zautomatyzowanie

procesu

d/ duża strata energii i czasu na podgrzewanie skrzynek z proszkiem

nawęglającym,

e/ nierównomierny rozkład temperatury w skrzynkach ,

f/ trudności pomiaru temperatury części nawęglonych ,

B. Nawęglanie w kąpielach .

Metodę tę stosuje się do szybkiego nawęglania małych i średnich części na

niewielką głębokość ( 0,2 - 0,6 mm ) . Proces przeprowadza się w tyglach zawierających 

stopione sole o temperaturze 815 - 860 oC . Wyższej temperatury nie stosuje się ze względu 

na silne zażużlanie kąpieli przy temperaturze przekraczającej 860 oC . Czas nawęglania waha 

się 1 - 4 godz. Typowa kąpielą nawęglającą jest mieszanina : 80% Na2Co2 + 10% NaCi + 

10% SiC . Na skutek obecności chloru powstałego z rozkładu NaCi , SiC dysocjuje już przy 

temperaturze 600 oC , zatem po nagrzaniu kąpieli zachodzi w niej reakcja :

2Na2CO3 + SiC - Na2SiO3 + Na2O + 2 Co + C

Przy czym Na2SiO3 i Na2O przechodzą do żużla , Co wydostaje się na

powierzchnię gdzie ulega spaleniu na Co2 , a C nawegla przedmioty znajdujące się w kąpieli . 

Metoda nawęglania kąpielowego w porównaniu z nawęglaniem w proszkach posiada szereg 

zalet jak :

a/ szybkie i równomerne nagrzewanie przedmiotów dając w efekcie

mniejsze odkształcenia ,

b/ łatwość regulacji temperatury ,

c/ około dwukrotnie większe nawęglanie .

Mimo tych zalet nawęglanie kąpielowe stosuje się rzadko , ze względu na

stosunkowo wysokie koszty oraz konieczność stałego dozorowania kąpieli .

 

C. Nawęglanie gazowe .

Proces przeprowadza się zazwyczaj przy temperaturze 820 - 930 C w piecach szybowych 

lub w piecach o ruchu ciągłym . Stosowanie tych ostatnich daje szczególnie dobre warunki 

zwłaszcza w przypadku części bardzo drobnych nawęglanych z obrotową retortą oraz 

zastosowanie do części bardzo dużych nawęglanych w zmechanizowanych piecach 

przepychowych . Czas nawęglania jest bardzo różny i waha się od godziny do kilkunastu 

godzin , w zależności od grubości i warstwy nawęglonej . Szybkość nawęglania jest 

przeciętnie o 25% większa niż przy nawęglaniu w ośrodkach stałych . Do nawęglania stosuje 

się gazy zawierające Co lub węglowodory nasycone i nienasycone . Do najczęściej 

stosowanych należą : gaz ziemny , świetlny , generatorowy , propan , butan , oraz gazy 

powstałe z rozkładu nafty,

alkoholu i benzolu lub priobenzolu skraplanych do komory pieca . Przy tym temperatura 

nawęglania Co oraz węglowodory ulegają rozkładowi.

Wydzielanie aktywnego węgla z rozkładu węglowodorów ( szczególnie metanu ) jest tak 

intensywne , że często przewyższa szybkość dyfuzji węgla w głąb stali i osadza się on na 

powierzchni przedmiotów w postaci sadzy , która utrudni dalsze nawęglanie .

Jednocześnie przeprowadzone nawęglanie gazowe umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje 

procesu . Osiąga się to przez stosowanie tzw. atmosfer kontrolnych o kontrolowanym 

potencjale węgla , zapewniających uzyskanie żądanej zawartości węgla w warstwie 

nawęglanej . Spośród atmosfer kontrolowanych najszersze zastosowanie znalazły atmosfer 

endotermiczne otrzymywane z mieszaniny powietrza z węglowodorami ciekłymi lub gazowymi 

. Atmosfery te wytwarzane są droga rozkładu gazów w retorcie wytwornicy i przesyłane do 

pieca , do którego dostarcza się równocześnie , głownie w początkowym stadium procesu 

określone ilości gazu , wzbogacającego by zapewnić dostateczną szybkość nawęglania Nawęglanie gazowe przewyższa dwie pozostałe metody , gdyż umożliwia pełną kontrolę i automatyzacje procesu oraz nadaje się do masowej obróbki małych jak i dużych detali gdy podczas nawęglania kąpielowego nie stosuje się do dużych przedmiotów ze względu na ograniczone rozmiary tygli .

 

Obróbka cieplna po nawęglaniu .

Warstwa powierzchniowa otrzymana bezpośrednio po nawęglaniu nie spełnia stawianych jej 

wymagań wysokiej twardości i odporności na ścieranie , gdyż twardość jej wynosi 240 - 280 

HB dla stali węglowych i 250 - 350 HB dla stali stopowych .Dopiero po zahartowaniu 

uzyskuje ona strukturę martenzytyczną i twardość przekraczającą 60 HRC , przy czym rdzeń 

pozostaje miękki i plastyczny . Jedynie w przypadku stali stopowych w rdzeniu może 

powstać martenzyt niskowęglowy lub mieszanina martenzytu z ferrytem o twardości ok. 30 

HRC . Zahartowanie części bezpośrednio z temperatury nawęglania daje zazwyczaj 

gruboziarnistą i kruchą strukturę ze względu na zbyt wysoką temperaturę i długi czas 

wygrzewania . Zjawisko to występuje szczególnie wyraźnie w stalach węglowych 

posiadających niewielką odporność na przegrzanie oraz przystosowanie nawęglania w 

proszkach wymagającego długiego czasu wygrzewania . Lepsze warunki daje chłodzenie 

części po nawęglaniu w powietrzu lub oleju a następnie hartowaniu . Stale węglowe hartujemy 

760 - 780 C co daje drobnoziarnisty martenzyt w warstwie nawęglonej a stale stopowe 680 

- 880 C , aby uzyskać rdzeń o większej wytrzymałości . W celu zmniejszenia naprężeń 

hartowniczych oraz polepszenia udarności warstwy nawęglonej, po hartowaniu stosuje się 

zawsze odprężanie przy temperaturze 150, 180C . Właściwie obrobiona cieplnie warstwa 

nawęglona poza dużą twardością i odpornością na ścieranie cechuje się większą 

wytrzymałością zmęczeniową , zwłaszcza w wypadku zginania i skręcania .

 

Azotowanie .

Proces ten polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego 

zazwyczaj ulepszonego cieplnie - azotu , który tworząc odpowiednie związki przyczynia się 

do uzyskania bardzo twardej i odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej , i to już bez 

dodatkowych zabiegów cieplnych . Rozpuszczalność azotu atmosferycznego ( 

cząsteczkowego N2 ) w żelazie ciekłym jest bardzo nieznaczna i praktycznie nie ma 

większego znaczenia . Jeżeli natomiast do żelaza stałego dostarczany jest azot " in statut nas 

cendi " to znaczy w stanie atomowym to jego rozpuszczalność jest znacznie większa i w 

odpowiedniej temperaturze może dochodzić do 11% .

Azotowanie przeprowadza się za pomocą amoniaku , który podgrzany do temperatury 

powyżej 400 *C dysocjuje wg. równania

2Nh3 - 2N + 3H2

i dostarcza do przedmiotów stalowych przeznaczonych do obróbki bardzo aktywnie 

chemiczny azot " in statut nas cendi " , który reaguje z żelazem , tworząc azotek który 

rozpuszcza się w żelazie na skutek dysocjacji amoniaku wzrasta znacznie ilość cząstek 

gazowych , ponieważ amoniak doprowadza się do przestrzeni zamkniętej , w której znajdują 

się przedmioty do azotowania , przeto wraz z dysocjacją wzrasta również ciśnienie . Aby 

wrastające ciśnienie nie przeciwstawiało się a kolei dysocjacji , należy je obniżyć w taki 

sposób , żeby proces azotowania zachodził tylko przy nieznacznym nadciśnieniu . Obecność 

węgla w stalach utrudnia proces azotowania . Wobec tego stale wysoko węglowe nie nadają 

się do azotowania , a stale niskowęglowe , mimo iż nadają się są rzadko stosowane ze 

względu na stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe rdzenia . Przeważnie do 

azotowania używa się stali stopowych o takich składnikach które wykazują dużą skłonność 

do tworzenia twardych azotków , jak glin , chrom , tytan , i wanad . najtwardszym z nich jest 

azotek glinu , który poza tym jest bardzo twardy i rozkłada się dopiero w temperaturze 1000 

C , gdy tymczasem azotek dysocjuje się w temperaturze 800C . Ponieważ azotki tych 

pierwiastków są bardzo twarde więc twardość warstewki naazotowanej dochodzi na 

powierzchni do około 1200 HV , co przewyższa znacznie twardość stali nawęglonej i 

następnie hartowanej . Na skutek azotowania stale mają warstewkę bardzo twardą lecz 

niestety również bardzo kruchą i o gwałtownym do ciągliwego rdzenia. W celu otrzymania 

maksymalnej twardości warstewki naazotowanej i minimalnych odkształceń przedmiotu 

obrabianego , należy proces azotowania prowadzić w temperaturze niskiej 480 - 520C , przy 

stopniu dysocjacji amoniaku wynoszącym 15 - 30 % . W celu przyspieszenia procesu można 

podnieść nieco temperaturę lecz wtedy wrasta również stopień dysocjacji amoniaku i 

otrzymuje się niższą twardość oraz istnieje większa możliwość odkształceń . W celu nadania 

stali lub żeliwu większej odporności na korozję stosuje się czasem tzw. azotowanie 

antykorozyjne , na skutek którego uzyskuje się bardzo cienką warstewkę naazotowaną , 

wystarczającą jednak do zabezpieczenia stali lub żeliwa na pewien czas przed korozją . 

Proces ten przeprowadza się w temperaturze 500 - 850 C , przy czym w miarę wzrastania 

temperatury skraca się czas przetrzymywania stali w ośrodku azotującym . W temperaturze 

500 C azotowanie trwa 2 - 3 godz. , a w temperaturze 800 - 850 C

10 - 20 min. W porównaniu z nawęglaniem azotowanie ma następujące zalety

a/ przy mniejszej liczbie zabiegów i niższej temperaturze procesu otrzymuje się większą 

twardość warstewki o normalnej i podwyższonej temperaturze ,

b/ większą odporność na ścieranie i korozję ,

c/ miejsze zmiany wymiarów ,

Mimo swych zalet posiada również szereg wad :

a/ przy kosztowniejszych środkach azotujących od nawęglania i dłuższym procesie 

azotowania niż nawęglania otrzymuje się cieńszą warstewkę ,

b/ bardziej kruchą i o gwałtowniejszym przejściu do ciągliwego rdzenia ,

c/ koszty są większe niż przy nawęglaniu .

W celu skrócenia czas azotowania oraz otrzymania mniej kruchej warstewki wierzchniowej i 

łagodniejszym przejściu do ciągliwego rdzenia stosuje się tzw. azotowanie dwu , lub 

trójstopniowe . Azotowanie dwustopniowe polega na tym , że podczas procesu stosuje się 

kolejna dwie różne następujące po sobie temperatury przy dwu różnych stopniach dysocjacji 

amoniaku . Otrzymana warstewka wykazuje mniejszą kruchość niż warstewka otrzymana w 

jednym zabiegu i łagodniejsze przejście do ciągliwego rdzenia , przy zachowaniu tej samej 

twardości . Azotowanie trójstopniowe polega na tym , że podczas procesu stosuje się kolejno 

trzy różne następujące temperatury przy różnych stopniach dysocjacji amoniaku . Azotowanie 

to wykazuje szereg korzyści , gdyż w stosunkowo krótkim czasie uzyskuje się dość dużą 

grubość warstwy naazotowanej i to przy łagodnym przejściu twardej warstwy wierzchniej do 

ciągliwego rdzenia .

 

Cyjanowanie .

Jest to obróbka cieplno-chemiczna , podczas której zachodzą dwa procesy wyżej 

wymienione nawęglanie i azotowanie . W temperaturze 800 - 850 *C zachodzi głównie 

nawęglanie i wskutek tego przedmioty cyjanowane w tych warunkach w celu uzyskania 

twardej warstwy wierzchniej wymagają następnego hartowania , natomiast w temperaturze 

ok. 500 *C zachodzi tylko azotowanie , wskutek tego przedmioty cyjanowane w tej 

temperaturze nie wymagają hartowania , gdyż i bez tego są bardzo twarde na powierzchni . 

Podczas cyjanowania w temperaturze pośredniej zachodzą w mniejszym lub większym 

stopniu dwa procesy , tzn. nawęglanie i azotowanie . Zależnie od ośrodka w którym odbywa 

się obróbka rozróżnia się cyjanowanie w ośrodkach stałych ciekłych i gazowych . 

Cyjanowanie w kąpielach ciekłych może być wykonywane w niskiej temperaturze jak 

również w wysokiej temperaturze . Cyjanowanie w niskiej temperaturze przeprowadza się w 

stopniowym technicznie cyjanku sodu lub stopniowym roztworze dwóch cyjanków o 

zawartości 50% NaCn i 50% KcM. Zastosowana temperatura kąpieli wynosi 550 - 600 C a 

czas procesu 15 - 30 min . W wyniku takiego procesu otrzymuje się bardzo cienką i 

jednocześnie twardą warstewkę o grubości 0,02 do 0,04 mm przy dużej zawartości azotu , a 

małej węgla . Cyjanowanie takie stosuje się również w celu zwiększenia twardości krawędzi 

skrawających narzędzi ze stali szybkotnących uprzednio zahartowanych . W czasie 

cyjanowania w takich warunkach stale szybkotnące ulegają również odpuszczaniu . 

Cyjanowanie w wysokiej temperaturze przeprowadza się w kąpieli solnej składającej się z 

roztworu cyjanku sodu lub potasu , najczęściej z sodą i solą kuchenną w temperaturze 800 - 

840 C. Podstawową reakcją tego procesu jest działanie tlenku atmosferycznego na cyjanek 

sodowy lub potasowy

2NaCn + 202 = Na2Co3 + CO + 2N

 

Powstały tlenek węgla zdała nawęglająco , a azot atomowy " in statut nas cendi " działający 

azotująco . Uzyskana w tych warunkach warstewka zawiera stosunkowo małą ilość azotu , 

lecz duża ilość węgla i z tego powodu w celu jej utwardzenia stosuje się dodatkowo 

hartowanie i to bezpośrednio z kąpieli . Obróbkę tę stosuje się do wykonywanych ze stali 

konstrukcyjnych części precyzyjnych przyrządów pomiarowych pracujących na ścieranie .

Głównymi zaletami cyjanowania są:

a/ możność uzyskania większej twardości na powierzchni niż przez zwykłe hartowanie 

wysokowęglowej stali lub po procesie normalnego nawęglania z hartowaniem ,

b/ czystość powierzchni .

Cyjanowanie obok zalet ma również szereg wad :

a/ niebezpieczeństwo zatrucia pracowników parami soli cyjanowych ,

b/ konieczność częstego kontrolowania składu kąpieli ,

c/ wysoki koszt obróbki .

 

Pytania:

1. Co to jest nawęglanie ?

2. Metody nawęglania ?

3. Obróbka cieplna po nawęglaniu ?

4. Wady i zalety azotowania ?

5. Cyjanowanie - wady i zalety .

6. Zaprojektować proces nawęglania dla wybranego gatunku stali .

7. Zaprojektować proces azotowania dla wybranego gatunku stali.