Azotowanie i nawęglanie

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 z 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 800C. 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. W celu otrzymania maksymalnej twardości warstewki naazotowanej i minimalnych odkształceń przedmiotu obrabianego, należy proces azotowania prowadzić w temperaturze niskiej 480 - 520C, przy stopniu dysocjacji amoniaku wynoszącym 15 - 30 %. W celu przyspieszenia procesu można podnieść nieco temperaturę, lecz wtedy wzrasta 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/ mniejsze 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 czasu 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 kolejno 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.

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. 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 stal .
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. Aby uzyskać wystarczająco grubą warstwę nawęgloną w stosunkowo niedługim czasie konieczna jest temperatura procesu wynosząca 900 - 950 C, 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 C 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.
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 C. Czas nawęglania wynosi 4 - 12 godz. w zależności od zalanej grubości nawęglonej . Typowy proszek nawęglający jest domieszką 80 % węgla drzewnego + 10 % Na2CO3 + 10 % BaCO3. Bar i sud dodaje się celem zaktywizowania procesu, gdyż węgiel drzewny nawęgla zbyt powoli.
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 C. Wyższej temperatury nie stosuje się ze względu na silne zażużlanie kąpieli przy temperaturze przekraczającej 860 C. Czas nawęglania waha się 1 - 4 godz. Typowa kąpielą nawęglającą jest mieszanina : 80% Na2Co2 + 10% NaCi +
10% SiC. Na skutek obecności składu NaCi, SiC dysocjuje już przy
temperaturze 600 C , 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 nawęgla przedmioty znajdujące się w kąpieli. Metoda nawęglania kąpielowego w porównaniu z nawęglaniem w proszkach posiada szereg zalet jak:
a/ szybkie i równomierne 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 atmosfery endotermiczne otrzymywane z mieszaniny powietrza z węglowodorami ciekłymi lub azotowymi. Atmosfery te wytwarzane są droga rozkładu gazów w retorcie wytwornicy i przesyłane do pieca, do którego dostarcza się równocześnie, głównie 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.