Nawęglanie stali

a w przypadku, gdy D = const

(12.3) Pod względem matematycznym problem ten sprowadza się do rozwiązania równań różniczkowych (12.2) lub (12.3) względem c(x,t),

gdzie: c - stężenie pierwiastka dyfundującego, t - czas procesu dyfuzji,

- gradient stężenia pierwiastka dyfundującego.

W procesach obróbki cieplno-chemicznej muszą być spełnione następujące warunki:

• w ośrodku, w którym odbywa się obróbka cieplno-chemiczna, muszą powstać aktywne atomy (tzw. "in statu nascendi") jako produkt dysocjacji cieplnej, reakcji podwójnej wymiany lub redukcji,

• na powierzchni materiału poddanego obróbce cieplno-chemicznej powinno zachodzić zjawisko adsorpcji,

• atomy zaadsorbowane na powierzchni powinny migrować w głąb materiału podłoża dzięki istnieniu mechanizmów dyfuzji.

Jeżeli któryś z tych warunków nie jest spełniony, wówczas nie ma możliwości przeprowadzenia obróbki cieplno-chemicznej. W chwili obecnej do podstawo­

wych procesów obróbki cieplno-chemicznej należą nawęglanie i azotowanie stali.

12.2. Nawęglanie stali

Nawęglanie jest zabiegiem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na wzbogaceniu w węgiel strefy powierzchniowej stali niskowęglowej. Proces prowadzi się w temperaturach 850—950°C w zakresie istnienia austenitu.

Optymalna zawartość węgla w warstwie po nawęglaniu powinna wahać się w granicach 0,8 —1,0%. Grubość warstwy nawęglonej, zależnie od warunków pracy i wymiarów przedmiotu, przeważnie wynosi 0,5—1,5 mm, a w uzasad-nionych przypadkach nawet do 2,5 mm.

Celem procesu nawęglania uzupełnionego późniejszą obróbką cieplną (hartowaniem i niskim odpuszczaniem) jest uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni (55 — 62 HRC) z zachowaniem ciągliwego, o dostatecznej wytrzymałości - rdzenia.

Najczęściej nawęglanie przeprowadza się w ośrodku stałym i gazowym.

Ośrodkiem bezpośrednio nawęglającym jest w obu wypadkach gaz, z tym, że w pierwszym wypadku powstaje on z proszku otaczającego obrabiane przed-mioty, w drugim zaś gaz doprowadza się do pieca z zewnątrz lub wytwarza z wprowadzonych do pieca ciekłych węglowodorów.

12.2.1. Nawęglanie w ośrodku stałym (proszkach)

Podstawowym składnikiem proszków do nawęglania jest węgiel drzewny w ilości 85 — 95%, i węglany: BaCO3, Na2CO3 lub CaCO3 w ilościach 5 — 15%. Węglany mogą występować w proszku grupowo lub pojedynczo.

Najbardziej uniwersalnym i prostym pod względem składu jest proszek zawierający 95% węgla drzewnego i 5% BaCO3. Proszek ten ma tę zaletę, że nie powoduje nadmiernego stężenia węgla w warstwie nawęglonej. Przy jego użyciu uzyskuje się powierzchniowe około 1-procentowe stężenie węgla.

Proces nawęglania w ośrodku stałym składa się z następujących czynności:

• ułożenie przedmiotów w skrzynkach z mieszaniną proszkową,

• zamknięcie skrzyni pokrywą, jej uszczelnienie najczęściej gliną i wysuszenie,

• włożenie do pieca,

• wygrzewanie w temperaturze nawęglania,

• chłodzenie skrzynek na powietrzu.

Podczas wygrzewania w temperaturze nawęglania tlen z zawartego w skrzynce powietrza reaguje z węglem drzewnym zgodnie z reakcją

2 C + O2→ 2 C O

Wytwarzający się tlenek węgla przy zetknięciu z powierzchnią stali rozkłada się według reakcji

2CO Ca t+ C O2

Powstały aktywny atomowo węgiel (Cat) zostaje następnie zaadsorbowany na powierzchni stali i dyfunduje w jej warstwy powierzchniowe. Tlenek węgla wytwarza się także z reakcji węglanu baru z węglem drzewnym

BaCO3 + C → BaO + 2CO

191 Wytworzony w tej reakcji tlenek baru reaguje z dwutlenkiem węgla powstałym przy rozkładzie tlenku węgla

BaO + CO2 → BaCO3,

co prowadzi do ponownego powstania węglanu baru. Wynika z tego, ilość BaCO3 nie ulega zmianie w trakcie nawęglania. Zmniejsza się natomiast zawartość węgla drzewnego w mieszaninie proszkowej. Powoduje to zmniej-szenie wraz ze wzrostem czasu potencjału węglowego1) w trakcie nawę-glania.

Czas nawęglania zależny jest od rodzaju stali, użytego proszku, a przede wszystkim od wymaganej grubości warstwy nawęglonej.

Nawęglanie w proszkach stosuje się w produkcji jednostkowej lub małose-ryjnej wówczas, gdy elementom nawęglonym, później hartowanym i odpusz-czonym, nie stawia się wysokich wymagań. Bardziej nowoczesnym procesem jest nawęglanie w ośrodku gazowym.

12.2.2. Nawęglanie w ośrodku gazowym

Podczas nawęglania gazowego często stosowanym ośrodkiem nawęg-lającym jest atmosfera endotermiczna (produkt rozkładu związków chemicznych pod wpływem ciepła dostarczanego z zewnątrz), która może być wytworzona przez konwersję w specjalnym generatorze z gazu ziemnego lub miejskiego, butanu bądź też propanu. Stanowi ona atmosferę nośną, zapewniającą wymagane nadciśnienie w piecu. Potencjał węglowy atmosfery endotermicznej ustala się odpowiednim dodatkiem gazu wzbogacającego. Gaz wzbogacający jest tym samym gazem, z którego wytwarza się atmosferę endotermiczna (gaz ziemny lub propan) i jest dodawany w ilości zapewniającej określony potencjał węglowy podczas procesu nawęglania. Najczęściej dodatek gazu ziemnego wynosi 5 — 20%, natomiast propanu, 2—10%. Dla uzyskania stężenia powierz-chniowego węgla 0,7 — 0,85% stosuje się samą atmosferę bez wzbogacenia, regulując odpowiednio stosunek gazu do powietrza w generatorze. Jakkolwiek nawęglanie w atmosferach endotermicznych wzbogaconych znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, to jednak ostatnio obserwuje się duże zainteresowa-nie atmosferami nawęglającymi z ciekłych związków organicznych. Wytwarza-nie atmosfer nawęglających z tych związków polega na bezpośrednim wprowa-dzeniu ich do komory grzejnej pieca, gdzie w temperaturze nawęglania rozpadają się tworząc głównie metan (CH4). Metan na powierzchni stali dysocjuje zgodnie z reakcją

C H4 → Ca t+ 2 H2, wytwarzając węgiel aktywny atomowo (Cat).

1) Potencjał węglowy - zawartość Cat w atmosferze nawęglającej.

Rys. 12.1. Zależność grubości warstwy na-węglonej w stali 15 od temperatury i czasu

nawęglania

Obecnie z ciekłych związków organicznych największe zastosowanie ma mieszanina metanolu z octanem etylu. Stosunek tych dwóch składników dobiera się w zależności od wymaganego potencjału węglowego atmosfery nawęglającej.

Nawęglanie gazowe prowadzi się w temperaturach 880—950°C z tym, że najczęściej stosuje się temperaturę 920°C.

W temperaturach niższych od 880°C uzy-skuje się warstwy cieńsze, co przy wy-ższych potencjałach węglowych (np.

1,1 %C) prowadzi do intensywnego wy-dzielania sadzy na powierzchni stali, któ-ra blokuje procesy dyfuzyjne. Zależność grubości warstwy nawęglanej na stali 15 w funkcji temperatury i czasu nawęglania gazowego przedstawiono na rysun-ku 12.1.

Pewien wpływ na czas nawęglania ma rodzaj atmosfery nawęglającej. Przy stosowaniu atmosfer z ciekłych związków organicznych czasy nawęglania są krót-sze niż przy nawęglaniu w atmosferach endotermicznych wzbogaconych.

Z doświadczenia wynika, iż potencjał węgla w atmosferach gazowych powinien być o 0,1% wyższy niż maksymalne stężenie węgla w warstwie nawęglonej.

Dodatki stopowe stali do nawęglania, takie jak Ni i Si, wydłużają czas niezbędny do wytworzenia określonej grubości warstwy nawęglonej, natomiast Cr, Mn i Mo - skracają. Jednakże praktycznie, przy stosounkowo małych ilościach tych pierwiastków w stalach do nawęglania, wpływ ich na czas nawęglania jest znikomy. Skrócenie czasu zabiegu możliwe jest również przez podniesienie temperatury nawęglania nawet do 1050°C, co dwukrotnie powięk-sza średni współczynnik dyfuzji w stosunku do konwencjonalnych temperatur obróbki. Proces ten nazwano nawęglaniem wysokotemperaturowym.

Innym sposobem nawęglania dającym podobne rezultaty jest nawęglanie przy obniżonym ciśnieniu. Temperatura procesu wynosi zwykle 1000— 1050°C, ciśnienie od 10 do 104 Pa, a ośrodkiem nawęglającym odpowiednio dozowany czysty metan (CH4). Podobnym rozwiązaniem jest nawęglanie jonowe, prowa-dzone w atmosferze mieszaniny metanu, argonu i wodoru przy ciśnieniu około 400 Pa. Elementy nawęglane stanowią katodę, a ściany komory pieca anodę.

Różnica napięć do 1000 V powoduje wytworzenie jonów dodatnich: C, Η i CH o dużej energii, które uderzając w powierzchnię wsadu oczyszczają ją, nagrzewają do temperatury 850—900°C i umożliwiają szybszą dyfuzję jo-nów C w głąb stali.

Grubość warstwy, mm

193 12.3. Stale do nawęglania

Do nawęglania stosuje się zarówno stale konstrukcyjne węglowe wyższej jakości jak i konstrukcyjne stopowe o zawartości węgla od 0,1 do 0,25%. Stale

węglowe zawarte w PN-75/H-84019 to głównie stale 10, 15 i 25. Wśród czternastu gatunków stali stopowych do nawęglania (PN-89/H-84030/02) znajdują się stale z dodatkiem chromu (np. 15H), chromu i manganu (np.

16HG), chromu, manganu i tytanu (18HGT), chromu, manganu i molibdenu (np. 15HGM), chromu, manganu i niklu (np. 17HGN), chromu i niklu (np. 15HN) oraz chromu, niklu i molibdenu (np. 22HNM). Sumaryczna zawartość pierwiastków stopowych w tych stalach nie przekracza 3,0%.

Dobór stali na elementy nawęglane powinien obejmować analizę skłonno-ści danej stali do rozrostu ziarna oraz wpływ pierwiastków stopowych na hartowność rdzenia i warstwy nawęglonej. Stale do nawęglania, które nie zawierają pierwiastków węgliko- lub azotkotwórczych bądź też dodatku molibdenu, nie powinny być hartowane bezpośrednio z temperatury nawęg-lania.

Typowymi częściami dla których stosuje się nawęglanie są:

• silnie obciążone koła zębate,

• wałki uzębione i z wieloklinami,

• sworznie tłokowe i kuliste,

• drągi i gryzy narzędzi do wierceń geologicznych i górniczych,

• pierścienie i wałki łożysk wielkogabarytowych,

• części spiekane z proszków żelaza.