Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Proces azotowania - Notatki - Materiałoznawstwo, Notatki z Inżynieria materiałowa

Inżynieria: notatki z dziedziny materiałoznawstwa dotyczące procesu azotowania.

Typologia: Notatki

2012/2013

Załadowany 15.04.2013

spartacus_80
spartacus_80 🇵🇱

4.5

(55)

350 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Proces azotowania - Notatki - Materiałoznawstwo i więcej Notatki w PDF z Inżynieria materiałowa tylko na Docsity! SPIS TREŚCI 1 AZOTOWANIE............................................................................................................................. 2 1.1 CHARAKTERYSTYKA PROCESU............................................................................................ 2 1.2 STALE DO AZOTOWANIA......................................................................................................... 2 1.3 AZOTOWANIE CZĘŚCI ELEMENTÓW.................................................................................... 3 1.4 PIECE DO AZOTOWANIA.......................................................................................................... 3 1.5 DYSOCJACJA AMONIAKU....................................................................................................... 4 1.6 FAZY POWSTAJĄCE W PROCESIE AZOTOWANIA............................................................... 5 1.7 GRUBOŚĆ WARSTWY NAAZOTOWANEJ.............................................................................. 6 1.8 TWARDOŚĆ WARSTWY NAAZOTOWANEJ........................................................................... 8 2 TECHNOLOGIE AZOTOWANIA............................................................................................... 8 2.1 AZOTOWANIE W OŚRODKACH GAZOWYCH...................................................................... 8 2.2 REGULOWANE PROCESY AZOTOWANIA............................................................................. 10 2.3 AZOTOWANIE PLAZMOWE (JARZENIOWE)........................................................................ 11 2.4 AZOTOWANIE W ZŁOŻACH FLUIDALNYCH....................................................................... 14 2.5 AZOTONASIARCZANIE............................................................................................................ 14 3 LITERATURA............................................................................................................................... 15 AZOTOWANIE CHARAKTERYSTYKA PROCESU Azotowanie jest obróbką cieplno-chemiczną, podczas której warstwę wierzchnią przedmiotów wykonanych na ogół z żelaza i jego stopów wzbogaca się dyfuzyjnie azotem. Najważniejszą z właściwości warstw azotowanych jest ich wysoka twardość. Warstwę azotowaną cechuje także odpowiednio wysoka odporność na zmęczenie, ścieranie, korozję, erozję kawitacyjną. Warstwy azotowane zachowują twardość do temperatur w zakresie 500 – 600°C, a krótkotrwałą nawet do wyższych temperatur. W procesie azotowania zazwyczaj zostaje zachowana struktura i własności rdzenia przedmiotu uzyskane uprzednią obróbką cieplną (ulepszanie cieplnym, wyżarzaniem normalizującym). Powierzchnie przedmiotów przeznaczone do azotowania powinny być obrobione mechanicznie na gotowo, ponieważ po azotowaniu (w zależności od struktury warstwy wierzchniej) dopuszcza się zdjęcie warstwy o grubości do 0,05mm. STALE DO AZOTOWANIA Podstawową różnicą pomiędzy azotowaniem a innym procesem utwardzania powierzchni jest fakt, iż elementy azotowane muszą być wykonane ze stali stopowych. Jeżeli twardość materiału przed procesem wynosi 300HV, a po procesie wzrasta o 100HV jest oczywiste, że nikiel jest pierwiastkiem neutralnym w tym procesie. Molibden i wanad dają wzrost twardości o 200 do 300HV, podczas gdy aluminium i tytan dają nieporównywalnie większy wzrost twardości przy stosunkowo małym dysocjacji amoniaku jest połączona ze wzrostem ilości cząsteczek (atomów), a więc ze wzrostem ciśnienia. Wzrost ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w kierunku na lewo, czyli tworzenia się cząstek NH3 niezdysocjowanego. Natomiast zmniejszenie ciśnienia spowoduje przesunięcie równowagi w kierunku dysocjacji amoniaku. Amoniak jest wpuszczany do pieca w sposób ciągły, przez co odnawia stale ilość azotu w przestrzeni pieca. FAZY POWSTAJĄCE W PROCESIE AZOTOWANIA Podstawą do określenia struktury warstw azotowanych przedmiotów wykonanych z żelaza i jego stopów jest układ równowagi fazowej Fe-N W układzie równowagi fazowej Fe-N występują następujące fazy mając, znaczenie w procesie azotowania: • faza α (ferryt azotowy),która jest roztworem stałym granicznym azotu w żelazie α, o maksymalnej rozpuszczalności 0,1%N w temperaturze eutektoidalnej- 590°C i 0,004%N w temperaturze pokojowej, • faza γ (austenit azotowy) będąca roztworem stałym w żelazie γ o maksymalnej rozpuszczalności 2,8%N w temperaturze 650°C; trwała powyżej temperatury utektodainej, • azotek γ' jest fazą międzywęzłową zakresie sieci A1 trwałą w zakresie stężeń ok. 5,7 - 6,1%N i do temperatury 680°C, której przypisuje się wzór Fe4N, • azotek ε, któremu przypisuje się wzór Fe2N, jest fazą międzywęzłową o sieci A3, trwałą w zakresie stężeń ok. 8,2 - 11 %N. Podczas azotowania tworzą się różne fazy, przy czym na powierzchni powstają fazy o dużym stężeniu azotu, utrudniając dyfuzję azotu w głąb warstwy. Warstwą azotowaną zgodnie z obowiązująca normą nazywa się obszar wzbogacony w azot składający się, z następujących stref: • przypowierzchniowej P, • porowatej Pp, • azotowania wewnętrznego W, ' • eutektoidalnej E. Strefa przypowierzchniowa P składa się z węglikoazotków ε-Fe2(N,C) i azotków γ'-Fe4N lub tylko azotków γ'. W przypadku azotowania w temperaturze poniżej 590° C graniczy ona ze strefą azotowania wewnętrznego, a powyżej temperatury eutektoidalnej (590°C} - ze strefą eutektoidalną E. Strefa porowata Tp składa się z węglików ε o stężeniu azotu powyżej 8,5 %. Strefa azotowania wewnętrznego - W ma strukturę ferrytu i azotków γ', Strefa eutektoidalna E jest mieszaniną ferrytu i azotka γ' utworzoną w wyniku rozpadu austenitu, azotowego γ podczas wolnego chłodzenia z temperatury azotowania powyżej 590°C, graniczy ze strefą azotowania wewnętrznego. GRUBOŚĆ WARSTWY NAAZOTOWANEJ Grubość warstwy to odległość od powierzchni do miejsca gdzie warstwa przechodzi w rdzeń. Grubość warstwy naazotowanej określa się na trawionych zgładach metalograficznych (warstwa trawi się odmiennie niż materiał azotowany). Grubość warstwy można określać również przez pomiar twardości. Za grubość warstwy przyjmuje się szerokość strefy od powierzchni do miejsca o minimalnej umownej twardości, która w zależności od rodzaju materiału azotowanego zawiera się w granicach od 300 - 600 HV. Rys.5 Struktura stali konstrukcyjnej chromowo- molibdenowej Rys.6 Struktura Stali szybkotnącej Zawartość pierwiastków stopowych ma także wpływ na grubość uzyskiwanej warstwy. Zależność taką pokazuje rysunek 7. Tabela 1 natomiast pokazuje typowe grubości warstwy uzyskiwanej w procesie azotowania w zależności od czasu trwania procesu na przykładzie stali 3%CrMo. Twardość warstwy przy wszystkich grubościach przekracza 800HV. Staje się oczywiste iż podwojenie czasu procesu nie pozwala na osiągnięcie dwa razy grubszej warstwy. STAL 3% Cr Mo AZOTOWANA W T=500°C CZAS GŁĘBOKOŚĆ WARSTWY GRUBOŚĆ BIAŁEJ WARSTWY 12 godzin 0.10mm 0.004” 0.005mm 0.0002” 24 godzin 0.15mm 0.006” 0.010mm 0.0004” 48 godzin 0.25mm 0.010” 0.015mm 0.0006” 60 godzin 0.30mm 0.012” 0.020mm 0.0008” 72 godzin 0.34mm 0.013” 0.022mm 0.0009” 96 godzin 0.38mm 0.014” 0.025mm 0.0010” Tabela 1. Azotowanie krótkotrwałe realizowane jest w temperaturze 580 - 620°C w czasie od 1 do 6 godzin. Grubość warstw wynosi od 0,005 - 0,03 mm. Warstwy utworzone w stalach stopowych mogą osiągać grubość do 0,3 mm. Przedmioty przeznaczone do azotowania krótkotrwałego wyżarza się i normalizująco lub ulepsza cieplnie przed azotowaniem. Azotowanie krótkotrwałe stosuje się do części maszyn narażonych w pracy na ścieranie, zatarcie i zmienne obciążenia oraz do narzędzi skrawających. Poza tym jest stosowane jako antykorozyjne, dla części narażonych na korozję w wodzie i w wilgotnej atmosferze. Krótkotrwałemu azotowaniu utwardzającemu poddaje się elementy, np.: • pojazdów (np. wały korbowe, sworznie tłokowe, wałki zębate, trzpienie zaworów, drążki kierownicze, żeliwne popychacze itp.), • taboru kolejowego (np. zderzaki hydrauliczne, prowadnice, sworznie hamulców itp.), • maszyn włókienniczych (np. wrzeciona przędzarek, nawijarki krosna, obrączki przędzalnicze itp.). ' Azotowaniu krótkotrwałemu poddaje się narzędzia do obróbki plastycznej, tłoczniki, ciągadła, wiertła, rozwiertaki, gwintowniki, formy do tworzyw sztucznych, ślimaki do wtryskarek i wytłaczarek. Krótkotrwałe azotowanie antykorozyjne stosuje się do części wykonanych ze stali niestopowych, niskostopowych i żeliw. Zasadnicze parametry konwencjonalnego azotowania (temperatura, czas i stopień dysocjacji amoniaku) nie pozwalają w pełni na kontrolę procesu. W wyniku tworzy się porowata i krucha strefa fazy ε (strefa przypowierzchniowa – Pp) wskutek nadmiernej ilości azotu dyfundującego do warstwy wierzchniej i silnego jej nawodorowania, wymagająca mechanicznego usunięcia po procesie. W przypadku cienkich warstw, których nie można usunąć poprzez szlifowanie, elementy azotowane z pozostawiona po procesie strefą ε cechują niższe własności użytkowe w porównaniu z możliwymi do uzyskania w przypadku prawidłowej budowy warstwy. REGULOWANE PROCESY AZOTOWANIA Celem uzyskania warstw azotowanych o morfologii ukształtowanej w zależności od potrzeb opracowano regulowane procesy azotowania. Procesy te w odróżnieniu od konwencjonalnych realizowane są przy mniejszej intensywności azotowania, osiąganej przez odpowiednie rozcieńczenie atmosfer (zwykle amoniaku) azotem lub zdysocjowanym amoniakiem. Przez regulację potencjału azotowego atmosfery zależnego od rodzaju materiału azotowanego, temperatury i czasu procesu stosownie do wymagań można otrzymać warstwy azotowane ze strefą przypowierzchniową Pp lub bez niej. Przy wytwarzaniu warstw bez strefy przypowierzchniowej zdolność azotującą atmosfery dobiera się tak, aby nie przekroczyć granicznego stężenia azoty w strefie; azotowania wewnętrznego - W. Części maszyn i narzędzi poddawane azotowaniu regulowanemu należy obrabiać mechanicznie na gotowo z uwzględnieniem tolerancji wymiarowej stosownej dla procesu (orientacyjnie od 0,003 do 0,015 mm na każda stronę azotowanej powierzchni). AZOTOWANIE PLAZMOWE (JARZENIOWE) Istotne, oprócz zapewnienia warstwy azotowanej o zaprojektowanej morfologii, grubości i twardości, jest osiągnięcie celu w coraz krótszym czasie. Realizację powyższych wymagań może zapewnić proces azotowania jarzeniowego. Proces azotowania jarzeniowego polega na azotowaniu przedmiotów w warunkach wyładowania jarzeniowego przy ciśnieniu atmosfery obróbczej (gazu reaktywnego) od 100 do 1300 Pa. Jako atmosfery obróbcze stosuje się azot lub amoniak, ewentualnie z dodatkiem wodoru, argonu lub węglowodoru itp. kombinacje. Dobór odpowiedniej atmosfery obróbczej oraz, co się z tym wiąże, możliwości optymalizacji struktury warstwy azotowanej dla uzyskania i określonych właściwości użytkowych jest najważniejszym zadaniem podczas projektowania procesu obróbki cieplno- chemicznej w warunkach wyładowania jarzeniowego. Aktywne atomy azotu uzyskuje się poprzez jonizację gazu reaktywnego, zachodzącą w wyniku wyładowania jarzeniowego w specjalnym urządzeniu wyposażonym w reaktor. Azotowane przedmioty podłączone do elektrody ujemnej są katodą, a anodą są ścianki komory roboczej reaktora. W przypadku azotowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach stosuje się specjalnie wyprofilowane anody. Między katodą a anodą różnica potencjałów wynosi od 1 - 2,5 kV w zależności od składu chemicznego gazu reaktywnego. Podczas przepływu prądu wokół powierzchni obrabianych elementów wsadu powstaje zjonizowana strefa (poświata katodowa). Rys.9 Poświata katodowa na elementach obrabianych W polu elektrycznym następuje jonizacja gazu i dodatnie jony azotu bombardują powierzchnię azotowanych przedmiotów, przy czym wydziela się ciepło niezbędne do aktywacji termicznej i dyfuzji azotu w warstwę wierzchnią. Regulując stopień rozpylenia katodowego, można otrzymywać warstwy dyfuzyjne o różnej strukturze. Efekt rozpylenia katodowego powoduje usuwanie z powierzchni przedmiotów atomów tlenu; azotu, węgla i żelaza. Umożliwia to oczyszczenie i uaktywnienie powierzchni przed procesem dyfuzyjnym. Przygotowanie wsadu do azotowania jarzeniowego ma określoną specyfikę w stosunku do procedury obowiązującej przy azotowaniu konwencjonalnym. wysokowęglowych ze stali nisko, średnio i wysokostopowych oraz ze stali narzędziowych i żeliw. Technologia SULFONIT jest szczególnie zalecana do obróbki elementów maszyn i mechanizmów eksploatowanych w warunkach tarcia suchego lub granicznego np. ślimacznic, sworzni, wałków rozrządu, tulejek łożyskowych, prowadników i popychaczy zaworowych, mechanizmów krzywkowych, tulei cylindrowych i matryc. Technologia SULFONIT gwarantuje: • wytwarzanie warstw wierzchnich o żądanych własnościach • całkowite wyeliminowanie zacierania elementów maszyn • wysoką trwałość elementów • obniżenie współczynnika tarcia • podwyższoną odporność na korozję • wzrost wytrzymałości zmęczeniowej • niskie koszty procesu i obniżenie kosztów eksploatacji maszyn i urządzeń • w odróżnieniu od innych technologii proces SULFONIT nie powoduje zanieczyszczenia środowiska naturalnego Azotonasiarczanie gazowe w pełni zabezpiecza elementy przed zacieraniem, zwiększając jednocześnie ich odporność na zużycie przy niskim współczynniku tarcia. LITERATURA [1]. Larisch, B.; Brusky, U.; Spies, H.-J.- Plasma nitriding of stainless steels at low temperatures (Surface and Coatings Technology, Volume: 116-119, September, 1999, pp. 205-211 ) [2]. Musil, J.; Vlcek, J.; Ruzicka, M.,- Recent progress in plasma nitriding (Vacuum, Volume: 59, Issue: 4, December, 2000, pp. 940-951 ) [3]. Michler, T.; Grischke, M.; Bewilogua, K.; Dimigen, H.,- Properties of duplex coatings prepared by plasma nitriding and PVD Ti–C:H deposition on X20Cr13 ferritic stainless steel (Thin Solid Films, Volume: 322, Issue: 1-2, June 8, 1998, pp. 206-212 ) [4]. Priest, J.M.; Baldwin, M.J.; Fewell, M.P.; Haydon, S.C.; Collins, G.A.; Short, K.T.; Tendys, J.,- Low pressure r.f. nitriding of austenitic stainless steel in an industrial- style heat-treatment furnace (Thin Solid Films, Volume: 345, Issue: 1, May 7, 1999, pp. 113-118 ) [5]. L.A. Dobrzański,- Podstawy nauki o materiałach [6]. D. Szewiczek,- Obróbka cieplna [7]. Nitriding materials, Nitrex Metal Inc. www.nirtrex.com [8]. Wilkinsons Heat Treatment. www wilkinsons.com [9]. www.nitrex.com