Obróbka cieplno-chemiczna stopów żelaza

Komputerowo sterowane urządzenie do azotowania i nawęglania

Obróbka cieplno-chemiczna stopów żelaza – zabieg dokonywany na stopach żelaza z węglem takich jak stal, staliwo lub żeliwo, w którym pod wpływem ciepła i chemicznego oddziaływania otoczenia oraz innych działań modyfikuje się niektóre własności fizyczne i chemiczne tych stopów.

Rodzaje

Podstawowymi rodzajami obróbki cieplno-chemicznej są:

• aluminiowanie
• azotowanie
• naborowywanie
• nawęglanie
• siarkowanie
• węgloazotowanie (cyjanowanie)

Azotowanie a nawęglanie

Procesy nawęglania i azotowania są jednymi z podstawowych zabiegów obróbki cieplno-chemicznej stali – zwiększania twardości powierzchni w procesie produkcyjnym części. Atomy azotu i węgla powodują, że procesy technologiczne powyższych operacji różnią się od siebie. Różne też są gatunki stali poddawane azotowaniu i nawęglaniu, jak i uzyskiwane twardości powierzchni. Istotna jest również temperatura, do jakiej nagrzewa się materiał podczas poszczególnych procesów. Temperatura azotowania wynosi ok. 450–550 °C, natomiast nawęglania ok. 850–900 °C.

Stal azotowana jest twardsza od stali poddanej nawęglaniu. Azotowaniu poddaje się zazwyczaj wysokiej jakości stale stopowe, natomiast nawęglanie dedykowane jest dla stali niestopowych. Stal poddana procesowi azotowania wykazuje własności antykorozyjne, a stal nawęglana nie. Do azotowania stal jest najpierw poddawana obróbce cieplnej, a dopiero po niej następuje azotowanie. W przypadku nawęglania najpierw jest nawęglanie, a dopiero po nim obróbka cieplna. Stal azotowana wymaga wysokiego odpuszczania, by wywołany został efekt tzw. twardości wtórnej. W stalach nawęglonych nie należy stosować wysokiego odpuszczania aby nie zmiękczyć nawęglonych powierzchni.

Najistotniejsze różnice

Cecha, technologia	Azotowanie	Nawęglanie
Pierwiastek nasycający	Azot	Węgiel
Stale poddawane obróbce	Wysokiej jakości stale stopowe Stale niskostopowe	Stale niestopowe niskowęglowe (do 0,25%) niskiej jakości
Twardość po obróbce	900–940 HV (67– 68 HRC)	700 HV (60 HRC)
Własności antykorozyjne powłoki	Tak	Nie
Temperatura prowadzenia procesu	500–550 °C	900–950 °C
	Temperatura ta zapewnia odpowiednio intensywną dyfuzję atomów azotu.	Aby węgiel mógł dyfundować do stali, wymagane jest podniesienie jej temperatury powyżej temperatury A3 (zob. wykres) aby uzyskać austenit (bez ferrytu), w którym graniczne stężenie węgla może być niemal stukrotnie wyższe. Stal niskowęglowa, którą poddaje się nawęglaniu, ma temperaturę przemiany A3 właśnie w okolicach 900 °C.
Czas prowadzenia procesu	Azotowanie jest procesem długotrwałym; trwa od 10 do 100 godzin.	8–12 h
	Warstwy w przypadku azotowania: na stalach konstrukcyjnych węglowych wyższej jakości od 0,010 do 0,050 mm, na stalach niskostopowych od 0,05 do 0,30 mm.	W przypadku nawęglania uzyskiwane warstwy są grubości 0,5–2 mm
Grubość warstwy	0,01 mm–0,30 mm	0,5–2 mm
	Warstwa nie musi być gruba, gdyż stale poddawane azotowaniu są już wysokiej jakości. Warstwa nakładana ma poprawić twardość powierzchni i odporność na ścieranie.	Stale poddawane nawęglaniu nie mają wysokich własności wytrzymałościowych, warstwa nawęglona, która jest zdecydowanie twardsza od rdzenia, przejmuje całe obciążenie, co wymaga odpowiedniej jej grubości. Stale nawęglane mają plastyczny rdzeń, zdolny do przenoszenia naprężeń dynamicznych i twardą, odporną na ścieranie powłokę zewnętrzną.
Kolejność procesu technologicznego	Azotowaniu poddaje się stale uprzednio ulepszone cieplnie, gdzie temperatura odpuszczania powinna być wyższa niż temperatura azotowania.	Procesowi nawęglania poddaje się stale przed ulepszaniem cieplnym.
	Zastosowanie azotowania przed obróbką cieplną, mogło by powodować pękanie w czasie hartowania w wyniku naprężeń.	Powierzchnia materiału obrabianego musi być nawęglona przed obróbką cieplną, gdyż przy zawartości węgla poniżej 0,25% stal nie zahartowałaby się powierzchniowo.
Hartowanie	Hartowanie jak w przypadku stali stopowej.	Podwójne hartowanie w innych temperaturach przemiany austenitycznej
	Fakt występowania azotowania po obróbce cieplnej nie wymusza specjalnych warunków hartowania.	Po nawęglaniu następuje studzenie do temperatury otoczenia, gdyż nie można hartować stali bezpośrednio na nawęglaniu z powodu gruboziarnistej struktury powierzchni stali uzyskanej w trakcie nawęglania. Po studzeniu odbywają się dwa hartowania. Pierwsze rozpoczyna się po austenityzowaniu w temperaturze 30–50 °C powyżej A3 dla rdzenia (niższe stężenie węgla, wyższa temperatura A3). Pierwsze hartowanie nosi znamiona wyżarzania normalizującego. Drugie rozpoczyna się po austenityzowaniu w temperaturze 30–50 °C powyżej A1,3 dla nawęglonej powierzchni (temperatura niższa niż w pierwszym). Ma to na celu zmniejszenie wielkości ziarna w stali, które nadmiernie się rozrosło podczas nawęglania.
Odpuszczanie	Wysokie	Niskie
	Wysokie odpuszczanie jest konieczne do wywołania efektu tzw. twardości wtórnej po azotowaniu.	Średnie lub wysokie odpuszczanie doprowadziłoby do zmiękczenia warstwy nawęglonej.

Wykres fazowy stopu żelazo-węgiel

Zobacz też

• Obróbka cieplna metali

Bibliografia

• Rozdziały 4.13.1-4.13.2. W: L.A. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2002. ISBN 83-20427-93-2. Brak numerów stron w książce
• K. Wesołowski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna.
• Norma Branżowa BN-73 1063-02. Instytut Mechaniki Precyzyjnej Ustanowiona przez Dyrektora ZUT TECHMA dnia 26 października 1973 r. jako norma obowiązująca w zakresie produkcji od dnia l lipca 1974 r. (Dz. Norm. i Miar nr 4/1974 poz. 9)
• Metaloznawstwo, Karol Przybyłowicz, WNT, Warszawa 1992, 2003, ISBN 83-204-2822-X.

Linki zewnętrzne

• Porównanie twardości Vickersa i Rockwella