hemijsko termicka obrada celika

Termika obrada metala - Dr Dragan Adamovic 1

Termika obrada metala- Predavanje

HEMIJSKO-TERMIKA OBRADA ELIKA


Termika obrada pri kojoj nastaje pored strukturnih izmena i promena

hemijskog sastava povrinskog sloja putem adsorpcije i difuzije naziva se

hemijsko-termika obrada (HTO).

HTO predstavlja proces zagrevanja delova do odreenih temperatura (iznad

AC3, obino oko 930C) u vrstoj, tenoj ili gasovitoj sredini, pri emu dolazi

do obogaivanja povrinskog sloja elementima kao to su C, N, Al, Si, Cr, B i

dr. Putem difuzije ili adsorpcije njihovih atoma iz spoljne sredine.

Hemijsko-termika obrada (HTO)


Cementacija

Cementacija je termo-hemijski proces u kojem se povrinski slojevi obogauju ugljenikom.Cilj cementacije je da se dobije visoka tvrdoa povrinskog sloja (55-65 HRC) a time i visoka otpornost na habanje.

Dubina cementiranog sloja moe biti 0.5-1.5 mm a izuzetno i do 10 mm i zavisi od:

9 Vremena,9 Temperature,9 Hemijskog sastava i9 Aktivnosti sredstva za cementaciju.Delovi koji se podvrgavaju cementaciji moraju se pripremiti. Pripremaobuhvata:

9 ienje,9 Odmaivanje i 9 Zatita povrina koje se ne cementiraju.


Pretpostavimo da je isto gvodje opkoljeno smeom CO i CO2 odredjenog sastava i visoke temperature. Bude li u tom sastavu vei sadraj CO nego to odgovara ravnotenom odnosu, na povrini gvodja izluivae se ugljenik, koji e se sjedinjavati sa gvodjem kao cementit. Suprotno, ako je u smei vei sadraj CO2 nego to odgovara ravnotenoj krivoj, nastaje razugljeniavanje elika

400 600 800 1000

100

80

60

40

20

0

0

20

40

60

80

100

Temperatura, C

%

C

O

%

C

O

2CO CO2

Buduarova kriva


Struktura cementiranog sloja


Izgled cementiranog sloja

Cementacija se moe izvoditi u:

9 Gasnoj,9 Tenoj i9 vrstoj sredini.


Cementacija u gasovitoj sredini

Glavni sastojci gasa za naugljenisavanje su ugljenmonoksid (CO), zasieni i nezasieni ugljovodonici (metan, propan, butan); Reakcijom ugljenmonoksida (CO) sa usijanim gvodjem ili razlaganjem metana (CH4). Pri temperaturi cementacije (oko 900C) odvijaju se reakcije:

Povienje temperature potpomae tok reakcija udesno, tj. naugljenisavanje komada, a sniavanje deluje suprotno tj. komad se razugljenisava.

22CO CO C +4 22CH H C +


Cementacija u vrstom sredstvu (praku)

Cementacija u vrstom sredstvu se izvodi u prakastoj smesi ije glavne sastojke ine drveni ugalj i viterit (BaCO3).Delovi se slau u sanduk naizmenino sa umurom, granulacije 3-10 mm, ubacuju u pe zagrejanu do 950C, dre u njoj oko 6h; posle toga sanduk se vadi i hladi do 450C. Na ovoj temperaturi sanduk se otvara, delovi izbacuju i hlade do sobne temperature. Posle toga, delovi se kale i nisko otputaju.


Cementacija u tenoj sredini

Cementacija u tenoj sredini izvodi se u sonim kupatilima podesnog

sastava, koristi se za delove malih dimenzija pri emu se postiu male

dubine cementiranog sloja (0.2 0.3 mm), a sam proces traje kratko.

Tena cementacija se u praksi najmanje primenjuje, iz vie razloga:

9 Ograniena je dubina cementacije,9 Mali su predmeti obrade i9 Dobijanje neravnomerne dubine cementiranog sloja.


Osnovni parametri cementacije

Osnovni parametri cementacije su:

9 temperatura zagrevanja, 9 vreme dranja i 9 debljina cementiranog sloja.

Temperatura cementacije mora biti iznad take AC3. U intervalu temperatura 800-850C proces je spor pa su zato najpogodnije temperature oko 900C.


Vreme dranja na odabranoj temperaturi odredjuje se prema traenoj debljini cementiranog sloja.

0 4 8 12 140

0.5

1.0

1.5

2.5900C

Gas

Kupatilo

vrsta sredina

Vreme, h

D

u

b

i

n

a

s

l

o

j

a

,

m

m

Zavisnost debljine cementiranog sloja od temperature i vremena cementacije


Debljina cementiranog sloja se odredjuje na razliite naine:9 merenjem udaljenosti od povrine komada, pa do dubine

koja sadri 0.40% C,

9 merenjem udaljenosti povrine na kojoj je posle kaljenja tvrdoa 50 55 HRC (oko 550HV)


Termika obrada pre i posle cementacije

Pre cementacije, delovi se bilo normalizuju ili poboljavaju.

Posle cementacije se delovi uvek kale. Kaljenje je neophodno da

se u povrinskim slojevima dobije martenzit i da se gruba zrna

(povrine i jezgra) nastala dugotrajnim arenjem delova na 950C,

transformiu u sitnija zrna.

Prema traenim osobinama delova mogu se naini kaljenja, posle naugljenisavanja, podeliti na tri grupe:

9 direktno kaljenje,9 jednostruko kaljenje i9 dvostruko kaljenje.


Direktno kaljenje

Vreme

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C

Cementacija Niskootputanje

u vodi ili ulju 150 - 200C

VremeT

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C


u vodi ili ulju

sporo

150 - 200C


Jednostruko kaljenje

Vreme

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C


u vodi ili ulju

150 - 200C

sporo

Kaljenjena jezgro

Vreme

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C


u vodi ili ulju

150 - 200C

sporoKaljenje

na povrinu

Vreme

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C


u vodi ili ulju

150 - 200C

sporo

Kompromisnokaljenje

Kaljenje na jezgro Kaljenje na povrinu

Kompromisno kaljenje


Dvostruko kaljenje

Vreme

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

AC1

AC3

900 - 950 C


u vodi ili ulju150 - 200C

sporo

Kaljenjena jezgro

u vodi ili ulju

Kaljenjena povrinu


a) b)

Izgled cementiranog sloja pre (a) i posle (b) termike obrade kaljenja


Razliiti delovi izloeni cementaciji


Nitriranje

Nitriranje je difuziono zasienje povrine elika azotom u gasnoj ili tenoj

sredini, pri emu se stvara povrinski sloj, koji sadri tvrde nitride

legirajuih elemenata.

Nitriranje se moe izvesti:

9 u gasovitoj sredini (tvrdo nitriranje) atomnim azotom, koji se oslobadja iz azotnih jedinjenja raspadnutih pri viim temperaturama;

9 u kupatilu (meko nitriranje) i9 jonsko nitriranje.


Nitriranje u gasu (tvrdo nitriranje)

Za pripremanje atmosfere se koristi tean amonijak koji disocira prema jednaini:

Azot difunduje u povrinske slojeve elika i sa nekim legirajuim elementima obrazuje nitride. Temperatura tvrdog nitriranja se kree od 500 540C. Delove namenjene za nitriranje potrebno je prethodno povrinski i termiki obraditi (kaljenjem i otputanjem). Tako obradjeni delovi stavljaju se u hermetine komorne elektrine pei, u koje se dovodi amonijak iz boce. Tvrdo se nitriraju delovi automobilskih i avionskih motora, uglavnom osovinice klipova, kolenasta vratila, delovi vodene pumpe i pumpe za gorivo.

Sadraj ugljenika kod elika za nitriranje se kree od 0.3 do 0.4%. Da bi se na povrini stvorio pojas sa tvrdim dispergovanim nitridima, legiraju se elici za nitriranje elementima koji grade tvrde nitride. Najee se koristi kombinacija Al, V, Cr kao i Mo.

Povrine koje treba zatititi od nitriranja prethodno se kalajiu, ili se elektrolitiki nikluju ili bakariu. Istina, kalaj se topi na temperaturi nitriranja, ali kao zatita ostaje tanak kalajni film.

32 6 2 atNH H N +


Nitriranje u kupatilu (tenifer postupak ili meko nitriranje)

Sprovodi se u smei rastopljenih cijanida (NaCN) i kristalne sode (Na2CO3)

pri temperaturi oko 560C. Iz ove smee izdvajaju se atomni N i C, a u

povrinske slojeve elika difunduje uglavnom N, jer je za difuziju ugljenika

potrebna via temperatura (oko 950C). Otpornost na habanje nitriranih

alata za obradu rezanjem poveava se ne samo zbog porasta tvrdoe ve i

zbog smanjenja koeficijenta trenja. Zato se u kupatilu nitriraju uglavnom

alati kao to su nareznice, glodai, proirivai od brzoreznog elika. Poto se

zahteva tanak sloj (0.05 mm), proces ne traje due od 30 minuta


Jonsko nitriranje

Postupak se ostvaruje u komori koja sadri gasove NH3 i N2, a deo koji se

nitrira vezuje se za negativan pol izvora struje (katodu), a zid komore za

pozitivan pol (anodu). Pozitivni joni gasa bombarduju komad (katodu) i

zagrevaju ga do potrebnih temperatura. Sam proces se odvija u tri faze:

9 u prvoj nastaje ienje povrine, 9 u drugoj difuzija atoma azota, 9 i u treoj hladjenje delova u vakuumu. Difuzioni sloj obrazuju vrsti rastvori azota u - Fe i nitridi azota sa Al, Cr, V i Mo. Ovim se postupkom nitriraju elici i livena gvodja. Na ovaj nain se radni vek kovakih i preserskih kalupa moe poveati 3-10 puta.


Cijanizacija, karbonitriranje i sulfidizacija

Cijanizacija i karbonitriranje se sastoje u istovremenom obogaivanju povrinske zone elinih delova ugljenikom i azotom, posle ega se izvodi kaljenje. Pri tome je cilj da se postigne velika povrinska tvrdoa kod alatnih elika i otpornost prema habanju kod konstrukcionih elika.

Cijanizacija se obavlja potapanjem delova u tena sredstva, odnosno istopljene soli koje sadre cijansku grupu (CN), kao to su: NaCN, KCN, Ca(CN)2 i dr.Rezni alati od brzoreznih elika i visokohromni elici za alate pri obradi deformisanjem podvrgavaju se cijanizaciji niskotemperaturskim postupkom(T = 510-560C, t = 10-30 min, dubina sloja 0.05 mm, 900-950 HV). Delovi maina od konstrukcionih srednje ugljeninih elika postaju otporniji na habanje posle visokotemperaturske cijanizacije (T 778C, 58-62 HRC (680-760 HV)). U pogledu kvaliteta cijanizacija je slina cementaciji, ali daje znatno veu tvrdou - najveu koja se moe postii pre naknadne termike obrade, koja se sastoji iz kaljenja i niskog otputanja.


Karbonitriranje je postupak difuznog unoenja ugljenika i azota iz odgovarajue gasne atmosfere u plitke povrinske slojeve elinih delova. Posle toga obavlja se kaljenje, najee u ulju. Po svojoj sutini ovaj postupak je blizak visokotemperaturskoj cijanizaciji, a po rezultatima cementaciji. Zato

karbonitriranje esto zamenjuje cementaciju jer krae traje i daje istije povrine (zahvaljujui azotu).

Dubina karbonitriranog sloja ne prelazi 0.8 mm (najee ispod 0.60 mm).

Temperatura karbonitriranja je neto nia od temperature cementacije, a via od

temperature nitriranja, tako da predstavlja izvestan kompromis sa gledita

brzine difuzije ugljenika i azota. Zagrevanje je u granicama 800-900C za konstrukcione elike to daje karbidnu strukturu otvrdnutog sloja, i 830-850C za alatne elike kad se dobija preteno nitridna struktura tog sloja.


Sulfidizacija predstavlja zasienje povrinskog sloja elika sumporom,

ugljenikom i azotom u cilju poveanja otpornosti prema habanju.

Proces sulfidizacije izvodi se pri temperaturi 580 590 C, u toku 3 sata u

rastopljenim solima posebnog sadraja.


Ostali metodi termo-hemijskog otvrdnjavanja povrine (difuzna metalizacija)

Pored navedenih postupaka, koriste se i postupci difuzne metalizacije, iji je cilj

da se uvodjenjem odgovarajuih elemenata u povrinske slojeve elika i livenih

gvodja postignu povoljna svojstva (poveana otpo rnost prema habanju,

koroziji itd.). Ovi elementi obrazuju sa - Fe supstitucijske vrste rastvore, koji poboljavaju osobine povrinskih slojeva.

Najee se koriste:

9 Alitiranje9 Siliciranje9 Tvrdo hromiranje9 Boriranje


Alitiranje - obogaivanje povrinskih slojeva aluminijumom, radi poveanja otpornosti na oksidaciju do oko 900C i koroziju u morskoj vodi.

Siliciranje - obogaivanje povrinskih slojeva silicijumom, to doprinosi korozionoj otpornosti u morskoj vodi i kiselinama HNO3, H2SO4, HCl.

Tvrdo hromiranje - obogaivanje povrinskih slojeva hromom, to daje visoku povrinsku tvrdou, otpornost na habanje i vatrootpornost i korozionu

otpornost u morskoj vodi i HNO3.

Boriranje - obogaivanje povrinskih slojeva borom putem elektrolize boraksa (Na2B4O7) pri 930-950C. Dubina otvrdnutog sloja je 0.1-0.2 mm, a

tvrdoa dostie 1800-2000 HV. Osim toga boriranjem se postie visoka

otpornost na habanje i koroziju. Nalazi primenu za opremu u petrohemiji.

hemijsko termicka obrada celika

Documents