ZAGADNIENIA:

1. Wyżarzanie: normalizujące, zmiękczające (sferoidyzacja), rekrystalizujące, odprężające, zupełne.

2. Zakres temp. dla stopów żelaza i "co chcemy uzyskać"

3. Obróbka cieplna

4. Utwardzanie wydzieleniowe

5. Różnica między hartowaniem a przesyceniem?

6. Obróbka cieplno-chemiczna (istota)

7. Cel węgloutwardzania (nawęglania)

8. Struktura po nawęglaniu i wolnym chłodzeniu

9. Obróbka cieplna po nawęglaniu

10. Hartowanie bezpośrednio po temp. nawęglania

11. Cel azotowania (struktura - azotki)

12. Powłoki zanurzeniowe (dyfuzja)

13. Cynkowanie i aluminiowanie ogniowe

14. Powłoki galwaniczne

15. Chromowanie dyfuzyjne i galwaniczne (podobienistwa i różnice)

16. Definicja stali

OPRACOWANIE:

Ad.1 Wyżarzanie: normalizujące, zmiękczające (sferoidyzacja), rekrystalizujące, odprężające, zupełne.

WYŻARZANIE:

Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia. np. dzięki jednej z metod wyżarzania ( wyżarzanie zupełne ) otrzymujemy stop o zregenerowanej strukturze uprzednio przegrzanej i rozdrobnieniu ziarn.

Szybkość chłodzenia po wygrzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian powinna być niewielka, gdyż szybkie chłodzenie uniemożliwiłoby powstanie faz zgodnych ze stanem równowagi stopu. Po wyżarzeniu w zakresie temperatury poniżej przemian szybkość chłodzenia może być zasadniczo dowolna, gdyż nie zachodzą w tym zakresie żadne przemiany fazowe.

W praktyce zależnie od celu rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzenia:

• ujednorodniające

• normalizujące

• odprężające

• zmiękczające

• rekrystalizujące

• odpuszczające

• starzące.

Do obróbki cieplnej stali stosuje się zależnie od celu obróbki i sposobu jej przeprowadzenia dwa rodzaje wyżarzania:

• Przeprowadzane z wygrzaniem powyżej temperatur krytycznych:

• wyżarzanie normalizujące

• wyżarzanie zmiękczające

• Przeprowadzane z wygrzaniem poniżej temperatur krytycznych:

o wyżarzanie odpuszczające dla stali poddanych przedtem hartowaniu

o wyżarzanie odprężające

Procesy wyżarzania bez przekrystalizowania.

Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu materiału do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywrócenie pierwotnych właściwości materiału. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu określić:

Tr»(0,35-0,6)Tt [K]

gdzie: Tr - temperatura rekrystalizacji, Tt - temperatura topnienia.

Wyżarzanie odprężające (odprężanie) polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej Ac1, najczęściej 600-650°C, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu. Celem wyżarzania odprężającego jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

Wyżarzanie stabilizujące przeprowadza się w temperaturze do 150°C i ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Najczęściej jest stosowane do narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, walców hutniczych itp. Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi nazwę sezonowanie.

Procesy wyżarzania z przekrystalizowaniem.

Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000-1200°C (o ok.100-200°C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności (mikrosegregacji) składu chemicznego.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50°C powyżej temperatury linii GSE (Ac3, Acm) i następnie studzeniu w powietrzu. Celem operacji jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to poprawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

Wyżarzanie zupełne polega na nagrzaniu stali, jak przy wyżarzaniu normalizującym i powolnym studzeniu (np. z piecem). Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości, usunięcie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali. Procesowi temu poddaje się zwykle stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu podczas normalizowania jest za duża i może prowadzić do zahartowania stali.

WYŻARZANIE ZMIĘKCZAJĄCE (sferoidyzacja)

Przeprowadzane w temperaturze zbliżonej do temperatury przemiany austenitycznej. Zwykle najpierw wygrzewa się w temperaturze około 15 °C powyżej linii PSK wykresu żelazo-węgiel, następnie 15 °C C poniżej tej temperatury, po czym następuje powolne schładzanie. Taki zabieg powoduje przemianę cementytu płytkowego w postać kulkową (sferoidalną), co podwyższa obrabialność skrawaniem stopu. Takiemu wyżarzaniu poddaje się stale, staliwa i żeliwa.

Ad.2 BRAK !

Ad.3 OBRÓBKA CIEPLNA

Obróbka cieplna to proces technologiczny, którego celem jest zmiana właściwości mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych w wyniku działania temperatury, czasu i środowiska, a czasem również odkształcenia plastycznego i pola magnetycznego. W związku z tym obróbkę cieplną dzielimy na: zwykłą, cieplno-chemiczną, cieplno-plastyczną i cieplno-magnetyczną.

Ad. 4. Utwardzanie wydzieleniowe

Utwardzanie wydzieleniowe duraluminium

Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) polega na umocnieniu roz¬tworu stałego przez dyspersyjne (bardzo drobne) wydzielenia faz międzymetalicz¬nych. Im drobniejsze wydzielenia, (mniejsze odległości między nimi), tym bardziej jest utrudniony ruch dyslokacji i dzięki temu wzrasta poziom właści¬wości wytrzymałościowych.

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Duraluminium nagrzewa się do temperatury 500-520°C, w której uzyskuje się dużo większe stężenie miedzi w roztworze stałym alfa dzięki prawie całkowitemu rozpuszczeniu cząstek fazy theta. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej theta - uzyskuje się roztwór przesycony, zawierający więcej miedzi, niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność roztworu przesyconego zależy od temperatury, tzn. w niskiej temperaturze (np. -50°C) na skutek mocno ograniczo¬nej dyfuzji roztwór taki jest stabilny. Przesycony roztwór stały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniami fazy theta, tzn. jest miękki i plastyczny. Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno – można je kształtować plastycznie na zimno, np. zginać, tłoczyć itp. Dobrym przykładem jest stosowanie nitów duraluminiowych w stanie przesyconym.

Przesycony roztwór alfa nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagi przez wydzielenie nadmiaru miedzi – ulega starzeniu. Starzenie jest procesem długotrwałym, polegającym na tworzeniu skupisk atomów miedzi w roztworze alfa, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw. stref G-P (Guiniera – Prestona), z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych po¬średnich, kolejno theta” i theta’, oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy rów¬nowagowej theta (CuA12). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicz¬nych, całkowicie lub częściowo koherentnych z osnową (koherencja polega na spójności sieci krystalograficznych wydzielenia i osnowy), powodują umocnienie stopu. Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwięk¬szenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości między nimi. Wynika z tego, że utwardzenie stopu jest tym mniejsze im wyższa jest temperatura starzenia.

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni sta¬rzeniu jest roztwór stały alfa z wydzieleniami stref G-P. Starzenie naturalne pozwala na uzyskanie największego umocnienia. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta od około 250 MPa bezpośrednio po przesycaniu do około 420, a nawet 450 MPa, twardość dochodzi wtedy do 115 HB.

Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 160°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Przyspieszone starzenie jest nazy¬wane starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wy¬trzymałość – 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych theta” i theta’ które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwałe przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C pro¬wadzi do przestarzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej theta (CuAl2) i jej koagulacją (koagulacja jest to rozrost wydzieleń). Uzyskuje się wtedy trwałe zmiękczenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po przestarzeniu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

Ad. 5 Różnica między hartowaniem a przesycaniem.

Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się wystąpienia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję. Przesycanie zwykle stosuje się dla stali nierdzewnych i kwasoodpornych.

Ad. 6 OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA (ISTOTA)

Obróbka cieplno - chemiczna stali

Obróbka cieplno – chemiczna polega na wprowadzeniu drogą dyfuzji do warstwy powierzchniowej przedmiotu obcego pierwiastka przy temperaturze podwyższonej celem wytworzenia żądanych własności warstwy powierzchniowej. Do procesów obróbki cieplno – chemicznej należy: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, chromowanie, aluminiowanie, krzemowanie, siarkowanie, siarko – azotowanie i inne.

Wszystkie procesy obróbki cieplno – chemicznej oparte są na dyfuzji, aby ten proces zachodził muszą być spełnione trzy warunki:

Pierwiastek, który ma dyfundować w warstwę powierzchniową metalu podstawowego, musi być w postaci wolnych atomów, które w tym stanie mają większą aktywność. Wnikanie pierwiastka w sieć przestrzenną drugiego metalu zgodnie z teoriami mechanizmu dyfuzji jest możliwe tylko wtedy, gdy pierwiastek jest w postaci wolnych atomów ( nie cząsteczek ).

Pierwszym etapem procesu obróbki cieplno – chemicznej jest adsorbcja atomów wzbogacających warstwę powierzchniową. Adsorbcja jest to nagromadzenie się atomów obcych na powierzchni ciała stałego. Czysta powierzchnia metalu rozporządzająca wolnymi wiązaniami ma zdolność adsorbcji obcych atomów. Ta zdolność ułatwia zapoczątkowanie procesu dyfuzji.

Pierwiastek, który ma wzbogacić powierzchnię, musi rozpuszczać się w metalu podstawowym. Tylko wtedy pierwiastek dyfunduje w sieci przestrzennej drugiego składnika , gdy zdolny jest rozpuszczać się w nim w stanie stałym. Im większa jest rozpuszczalność składnika dyfundującego w metalu, tym większe jest prawdopodobieństwo wydajnego przebiegu dyfuzji. Niektóre rzadziej stosowane rodzaje obróbki cieplno – chemicznej opierają się na tzw, dyfuzji reakcyjnej, w której powstaje w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy metalem a pewnym składnikiem wzbogacającym warstwę powierzchniową, lecz nierozpuszczalnym w metalu, produkt reakcji chemicznej. Grubość warstwy związku pokrywającego metal główny jest w takim procesie bardzo mała.

7. Cel nawęglania.

Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wykonanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości C 0,05-0,25%, w temp. występowania austenitu (900-930°C). celem nawęglania jest utworzenie warstwy wzbogaconej w C o stężeniu 0,7-1,0% i o grubości 0,6-1,5 mm, która po nastepnie występującym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC(750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości (25-45 HRC) zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne.

8. Struktura po nawęglaniu i wolnym chłodzeniu

W nawęglonym przedmiocie zawartość węgla zmniejsza się od powierzchni do rdzenia, co świadczy też o zmianie struktury. Strefa zewnętrzna, najsilniej nawęglona (nadeutektoidalna) powinna składac się z: perlitu + ewentualnie niewielkiej ilości cementytu. Perlit z wyraźna siatka cementytu jest niedopuszczalny, ponieważ powoduje kruchość i łatwo pęka przy hartowaniu. Strefa perlityczna (eutektoidalna) powinna przechodzić w ferrytyczno – perlityczną strukturę rdzenia. W stalach stopowych po nawęglaniu występują węgliki stopowe. Twardość stali węglowej nawęglonej i wolno chłodzonej wynosi 240-280 HV, ale jej właściwości mechaniczne są gorsze ze względu na rozrost ziaren.

9. Obróbka cieplna po nawęglaniu / 10. Hartowanie bezpośrednio po temp. nawęglania

Nawęglone przedmioty poddaje się obróbce cieplnej: hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu w celu: *zwiększenia twardości powierzchni do ok. 60 HRC poprzez otrzymanie w warstwie wierzchniej drobnoiglastego martenzytu z węglikami. Wystepuje tam również austenit szczątkowy.

*zapewnienia znacznej ciągliwości i wymaganych właściwości wytrzymałościowych rdzenia.

Nawęglanie z nastepującym po nim hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni, odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń po obróbce wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne obciążenia.

11. Cel azotowania (struktura - azotki)

Azotowanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na dyfuzyjnym nasyceniu azotem warstwy powierzchniowej stalowego elementu. Proces ten polega na wprowadzeniu do warstwy wierzchniej przedmiotu stalowego azotu, który wiąże się z żelazem oraz dodatkami stopowymi, zwłaszcza aluminium, tworząc powierzchniową warstwę azotków.

Utworzona warstwa zapewnia polepszenie następujących właściwości:

• odporność na ścieranie

• wytrzymałość na rozciąganie

• twardość

• właściwości przeciwkorozyjne (nierdzewność)

W przeciwieństwie do nawęglania przy azotowaniu strefa powierzchniowa utwardza się bez dodatkowej obróbki cieplnej. Azotowaniu poddaje się stale uprzednio ulepszone cieplnie, gdzie temperatura odpuszczania powinna być nieznacznie wyższa niż temperatura samego azotowania.

Strukturę fazową azotowanej warstwy wierzchniej można odczytać z układu równowagi fazowej żelazo-azot. Fazami tworzącymi się w procesie azotowania są:

• ferryt azotowy

• austenit azotowy

• azotki γ' (Fe4N)

• azotki ε (Fe2N)

• azotki ε (Fe2N)

Azotowanie gazowe

Do azotowania używa się stali węglowej, niskostopowej i stopowej. Jako medium w procesie tym stosuje się środowisko gazowe z wykorzystaniem amoniaku. Sama operacja bazuje na zapewnieniu w trakcie procesu odpowiedniej termodynamicznej aktywności atmosfery azotującej, określanej umownie poprzez wartość potencjału azotowego. W czasie tego typu obróbki zachodzą trzy podstawowe procesy:

• dysocjacja amoniaku — polegająca na rozkładzie cząsteczek podgrzanego do temperatury 500 °C gazu i wydzielenia aktywnych atomów pierwiastka dyfundującego - azotu, wg równania: 2NH3 ⇌ N2 + 3H2,

• absorpcja — polegająca na wchłanianiu (rozpuszczaniu) w metalu powstałego azotu, który następnie reaguje z żelazem, tworząc azotek,

• dyfuzja — polegająca na przemieszczaniu się obcych atomów w sieci przestrzennej obrabianego metalu.

Po azotowaniu, azotki metali, głównie żelaza, a także innych metali stopu, w szczególności aluminium i chromu, tworzą cienką, nie przekraczającą 0,6 mm, oraz bardzo twardą i odporną na ścieranie, warstwę na powierzchni stali. Azotowanie jest procesem długotrwałym; trwa od 10 do 100 godzin. Twardość powierzchni azotowanej dochodzi do 1100 HV i zachowana jest w podwyższonych temperaturach dochodzących do 550 °C.

Inne technologie azotowania

Azotowanie gazowe jest najszerzej stosowaną metodą azotowania. Wśród innych metod wyróżnić można:

• azotowanie plazmowe (jarzeniowe)

• azotowanie w złożach fluidalnych

• azotowanie w proszkach

• azotowanie jonowe - umożliwia nasycenie stopów żelaza azotem w temperaturach 300 - 600 stopni celcjusza i czasie 0,5 - 30 godzin. Umożliwia ono także wytworzenie jednofazowych struktur dyfuzyjnych zlożonych z azotku gamma i epsilon. Proces azotowania jonowego przeprowadza się w specjalnym urządzeniu wyposażonym w komorę roboczą, w której przy napięciu 400-1000V (prąd stały) i ciśnieniu (0,1 - 10) * 133,3 Pa wprowadzony do komory amoniak, azot z wodorem lub czysty azot ulega jonizacji w bezpośrednim sąsiedztwie elementu obrabianego. Przedmiot stanowi katode, natomiast obudowa komory roboczej anodę. W strefie jonizacji występuje efekt świecenia, a przyspieszone w polu elektrycznym dodatnie jony azotu implantują w powierzchnię, powodując nagrzewanie elementu obrabianego oraz dyfundują w głąb, tworząc warstwę azotowania. Na powierzchni przedmiotów azotowanych jonowo występuje efekt rozpylenia katodowego, który umożliwia oczyszczenie i uaktywnienie powierzchni przed procesem dyfuzyjnym. Warstwy składające sie z fazy gamma uzyskuje się w atmosferach nie zawierających związków węgla, a grubość ich jest mała, gdyż dochodzi do 0,008 mm. Twardość warstw złożonych z azotku gamma waha sie w granicach 1200-1400HV. Warstwy typu epsilon wytwarza sie przy dodatku do atmosfery ok 0,5% atomowych węgla. Przeważnie twardość ich wynosi 1300-1500HV, przy niewielkiej kruchości. Azotowanie jonowe pozwala na uzyskanie równomiernej grubości warstwy niezależnie od kształtu i wielkości przedmiotów, a także w głębokich i ślepych otworach

12. Powłoki zanurzeniowe (dyfuzja)

Powłoki zanurzeniowe (ogniowe)

Powłoki metalowe nakładane metodą zanurzeniową są skutecznym, długotrwałym i ekonomicznym zabezpieczeniem, głównie stopów żelaza przed korozją elektrochemiczną, a w wypadku niektórych rodzajów powłok także przed korozją chemiczną.

Nanoszenie powłok polega na zanurzaniu pokrywanego metalu w kąpieli z roztopionego metalu powłokowego, dlatego nakładany metal musi mieć stosunkowo niską temperaturę topnienia, a metal pokrywany nie może tracić swych właściwości fizycznych w tej temperaturze. Warunki te spełniają: cyna (tt = 232°C), ołów (tt = 372°C), cynk (tt = 419°C) i aluminium (tt = 660°C), nakładane na stal, żeliwo lub miedź

Nakładanie powłoki metalowej uzyskuje się przez zanurzenie lub przeciąganie półwyrobów przez stopiony metal. Warunkiem uformowania ciągłej powłoki zanurzeniowej jest dobra zwilżalność pokrywanego metalu, zależna zarówno od jego właściwości jak i metalu nakładanego oraz od stanu powlekanej powierzchni. W wyniku zwilżania na powierzchni ciała stałego powstaje cienka warstwa adsorpcyjna cieczy. Jeżeli średnica atomu ciekłego metalu jest zbliżona do średnicy atomu metalu podłoża to tworzy się warstwa faz międzymetalicznych w wyniku dyfuzji reaktywnej, stąd nazywa się tę warstwę - dyfuzyjną. W odniesieniu do pokrywanych stopów żelaza warunek ten spełniają: Sn, Zn i Al. Roztopiony ołów nie zwilża żelaza ani nie tworzy z nim faz międzymetalicznych, a pokrywanie zanurzeniowe staje się możliwe dzięki wprowadzeniu do stopionej kąpieli np. cyny. Wytworzenie warstwy dyfuzyjnej jest warunkiem dobrej i trwałej

przyczepności powłoki do podłoża. Fazy międzymetaliczne są jednakże twarde i kruche, mogą być więc przyczyną łuszczenia się powłoki, jeżeli warstwa dyfuzyjna jest zbyt gruba. Grubość tej warstwy reguluje się przez czas zanurzenia w kąpieli. Na warstwie dyfuzyjnej krystalizuje po wyjęciu przedmiotu warstwa zewnętrzna o składzie kąpieli. Grubość tej warstwy reguluje się przez zgarnianie nadmiaru ciekłego metalu albo zdmuchiwanie strumieniem gazu, tuż powyżej miejsca wynurzania wyrobu z kąpieli.

13. Cynkowanie i aluminiowanie ogniowe

3.3. Powłoki aluminiowe

Aluminiowanie zanurzeniowe polega na wytwarzaniu powłok aluminiowych na elementach konstrukcji i urządzeń wykonanych ze stali, staliwa lub żeliwa, a narażonych na korozję w wodzie, atmosferach przemysłowych, gazach spalinowych oraz na oddziaływanie temperatur do około 900°C a okresowo do 1100°C. Stale żaroodporne aluminiowane zwiększają swe właściwości żaroodporne i mogą pracować w środowiskach bardziej agresywnych, szczególnie zawierających siarkę.

tylko warstwa dyfuzyjna, która posiada wyższy potencjał elektrochemiczny niż aluminium, to utlenianiu (korozji) będzie ulegać zewnętrzna warstwa aluminium powłoki.

W środowisku wody morskiej powłoki aluminiowe mają niższy potencjał elektrochemiczny niż podłoże stalowe, wskutek nietrwałości warstewki pasywnej w roztworach chlorków. W tych warunkach powłoki aluminiowe stają się anodowymi względem podłoża, zapewniając jednakże lepszą ochronę stali w porównaniu z powłokami cynkowymi.

Powłoki aluminiowe na stalach niestopowych nadają im żaroodporność do temperatury 600°C. Po wyżarzeniu w temperaturach około 800°C powłoki stają się odporne na oddziaływanie temperatur do 900°C, a nawet powyżej 900°C, po wyżarzeniu w zakresie do 1100°C.

Rozwój metody aluminiowania zanurzeniowego zmierza w kierunku technologii aluminiowania stopowego, która stanowi skuteczniejsze zabezpieczenie metali przed coraz bardziej zanieczyszczonym środowiskiem i obecnie w świecie wypiera klasyczne aluminiowanie zanurzeniowe.

Aluminiowanie przeprowadza się na ciągłych liniach roboczych podobnych do stosowanych do powlekania stali cynkiem. Wyróżnia się dwa rodzaje pokryć: czystym aluminium i stopem Al-Si z udziałem około 8 ÷ 11%Si. Krzem w procesie powlekania stopem z Al zapewnia dobrą głębokotłoczność stali dzięki ograniczeniu rozrostu warstewki fazy międzymetalicznej Fe-Al, a powstanie cienkiej warstewki fazy Fe-Al-Si, powoduje dobre przyleganie powłoki do podłoża.

3.2. Powłoki cynkowe

Cynkowanie zanurzeniowe, nazywane również cynkowaniem ogniowym stanowi podstawową technologię wytwarzania powłok cynkowych. Powłoki cynkowe skutecznie zabezpieczają powierzchnie drutów, blach i rur stalowych narażonych na działanie czynników atmosferycznych. Stosuje się je do ochrony elementów konstrukcji budowlanych, rur do przesyłania gorącej i zimnej wody. Zgrzewalne i podatne do głębokiego tłoczenia stalowe blachy ocynkowane stosuje się do produkcji elementów karoserii samochodowych i wyposażenia wnętrz samochodów. Powłoki cynkowe stanowią dobry podkład pod powłoki malarskie, znacznie przedłużając ich żywotność.

Cynk posiada niższy potencjał elektrochemiczny niż żelazo, dzięki czemu żelazo jest chronione przez samorzutnie przebiegającą reakcję utleniania cynku, co czyni tę powłokę anodową. Jeżeli ocynkowaną powierzchnię pokrywa cienka warstwa elektrolitu to zasięg ochrony odsłoniętej powierzchni podłoża nie przekracza 20 mm, przy grubszych warstwach roztworu, rzędu kilku milimetrów zasięg ochrony wzrasta do około 60 mm.

W środowiskach wodnych działanie ochronne powłok cynkowych zależne jest od temperatury, a także od składu elektrolitu pokrywającego metal. Przy temperaturze środowiska około 70oC cynk może osiągnąć wyższy potencjał elektrochemiczny niż żelazo, stając się katodą, a żelazo anodą. Jest to zjawisko odwrócenia biegunowości, a sprzyja mu obecność węglanów, azotanów i rozpuszczonego tlenu w elektrolicie. W tych warunkach powłoka cynkowa pokrywa się produktem korozji w postaci tlenku cynku, który posiada wyższy potencjał elektrochemiczny niż cynk i żelazo, co czyni tę powłokę katodową. Przy braku szczelności tej powłoki występuje korozja wżerowa podłoża - żelaza.

Powłoki cynkowe są szczególnie przydatne w środowiskach słabo kwaśnych i słabo zasadowych. Wzrost zanieczyszczenia środowiska naturalnego i spowodowane tym zwiększenie agresywności korozyjnej przez udział tlenków siarki, tlenku i dwutlenku węgla, tlenków azotu, chlorków, obniżają skuteczność zabezpieczenia antykorozyjnego powłoką cynkową. Dlatego coraz szerzej wprowadza się cynkowanie stopowe zapewniające kilkakrotnie większą odporność na korozję.

14. Powłoki zanurzeniowe (dyfuzja)

POWŁOKI GALWANICZNE

Pokrycia galwaniczne nakłada się w procesach elektrolizy na podłoże, które przewodzi prąd elektryczny. Metodą galwaniczną można osadzać większość metali zarówno elektrododatnich np. Au, Ag, Cu jak i elektroujemnych np. Zn Sn, Ni, w stanie czystym lub w postaci stopów galwanicznych.

Stosowane w praktyce powłoki galwaniczne z punktu widzenia ich przeznaczenia można podzielić na następujące grupy:

1. powłoki ochronne - mające za zadanie wyłącznie ochronę metalu podłoża przed korozją,

2. powłoki dekoracyjna - nakładane dla poprawy wyglądu przedmiotu (barwa, połysk, gładkość),

3. powłoki ochronno-dekoracyjne - stosowane, jako ochrona przed korozją z jednoczesnym nadaniem i zachowaniem własności dekoracyjnych powierzchni metalu podłoża,

4. powłoki techniczne (funkcjonalne) - stosowane w celu uzyskania określonych własności fizycznych lub technologicznych powierzchni.

Do najważniejszych wymagań stawianych powłokom galwanicznym należą min.: dobra przyczepność powłoki do podłoża, wygląd zewnętrzny, drobnokrystaliczna struktura, szczelność, odpowiednia, minimalna grubość dla danych warunków użytkownika. Głównymi czynnikami wpływającymi na wartość powłoki są: stężenie i intensywność mieszania elektrolitu, temperatura, obecność substancji powierzchniowo czynnych, gęstość prądu katodowego, rodzaj elektrolitu, własność metalu, na którym osadza się powłokę. Technologia nakładania powłok galwanicznych obejmuje: przygotowanie powierzchni podłoża, elektrolityczne nakładanie powłoki, obróbkę wykańczającą. Powłoki galwaniczne wymagają bardzo starannego i dokładnego przygotowania powierzchni metalu podłoża do elektrolizy. Przedmioty do pokrywania galwanicznego powinny być całkowicie wykończone i pod względem obróbki powierzchniowej, posiadać odpowiednie wymiary, i wymagany stopień gładkości powierzchni i krawędzi.

15. Chromowanie dyfuzyjne i galwaniczne (podobienistwa i różnice)

• Chromowanie dyfuzyjne, rodzaj obróbki cieplno-chemicznej, polegającej na nasycaniu chromem warstwy powierzchniowej przedmiotów stalowych ze stali średnio- i wysokowęglowych, w celu poprawienia ich parametrów wytrzymałościowych, głównie twardości oraz odporności na korozję, ścieranie i wysoką temperaturę Grubość warstwy nasyconej do 0,3 mm.

Chromowanie dyfuzyjne przeprowadzać można w środowisku stałym (mieszanina sproszkowanego żelazochromu, tlenku aluminium i salmiaku, wymagana temperatury 1000°C, czas do 20 godz.), ciekłym (roztwór roztopionych soli chlorku sodu i chlorku chromu(II) ze sproszkowanym żelazochromem) lub gazowym (pary chlorku chromu(II), wymagana temperatury 1000°C, czas ok. 4 godz.).

Odmianami chromowania dyfuzyjnego są: chromokrzemowanie dyfuzyjne, czyli równoczesne nasycanie warstwy powierzchniowej chromem i krzemem w mieszaninie chlorków chromu(II) i krzemu, oraz chromoaluminiowanie dyfuzyjne, tj. nasycanie chromem i aluminium, proces prowadzony w mieszaninie chlorku chromu(III) i chlorku glinu (temp. ok. 980°c, czas 8 godz.). Te dwa procesy zwiększają znacznie żaroodporność poddanych im przedmiotów.

2.4.2. Powłoki chromowe galwaniczne

Chrom jest metalem powszechnie stosowanym w galwanotechnice do pokryć dekoracyjno-ochronnych z uwagi na nadawanie powierzchniom atrakcyjnego wyglądu – trwałego lustrzanego połysku w warunkach atmosferycznych i znacznej odporności korozyjnej, wynikającej z własności pasywnych chromu. Jednocześnie bardzo wysoka twardość warstw chromu otrzymanego w odpowiednich warunkach (większa od twardości zahartowanych stali) jest wykorzystywana do pokryć technicznych.

• Powłoki ochronno-dekoracyjne są cienkie, poniżej 1 μm, osadzane na podwarstwie miedzi i niklu lub niklu. Powłoki techniczne nakłada się bezpośrednio na podłoże stalowe lub inne, a ich grubość wynosi 5 ÷ 200 μm, niekiedy do 1 mm.

• Podstawowym składnikiem kąpieli do chromowania jest bezwodnik kwasu chromowego, CrO3, którego roztwory wodne z dodatkiem ok. 1% kwasu siarkowego są najczęściej stosowane przy temperaturze od 40 ÷ 60°C i katodowej gęstości prądu 35 ÷ 50 A/dm2. Przy chromowaniu stosuje się anody nierozpuszczalne, zazwyczaj ze stopu ołowiu z antymonem lub cyną. Anody chromowe są nieprzydatne, ponieważ wydajność ich rozpuszczania jest wielokrotnie wyższa niż wydajność procesu osadzania chromu na katodzie, co powodowałoby szybki, nadmierny wzrost stężenia jonów chromu w elektrolicie.

• Wydzielony elektrolitycznie chrom posiada wyjątkowo drobnokrystaliczną budowę.

• Powłoki ochronno-dekoracyjne stosuje się do przedmiotów codziennego użytku, elementów aparatury, akcesoriów samochodowych.

• Powłoki techniczne o grubości większej niż 25 μm, z uwagi na wysoką twardość, ok.1000 HV, określa się też jako „chrom twardy”, są one jednak kruche. Zaletą ich jest obniżenie współczynnika tarcia względem stali, wysoka odporność na zużycie, dobra przewodność cieplna i trwałość w wysokich temperaturach. Taki zespół właściwości pozwala na zastosowanie chromu wszędzie tam, gdzie wymagana jest odporność na ścieranie, erozję i korozję wysokotemperaturową. Rozpowszechnione jest chromowanie cylindrów silników spalinowych, pierścieni tłokowych, tłoczysk podnośników hydraulicznych. Doskonałe wyniki daje chromowanie matryc i tłoczników, zwłaszcza do wykonywania przedmiotów z tworzyw sztucznych, gumy i skóry. Duża gładkość i mały współczynnik tarcia tych narzędzi zapewnia doskonały wygląd wytwarzanych produktów. Chromowaniu poddaje się narzędzia skrawające, wykorzystując małą adhezję obrabianych materiałów, chromuje się przyrządy pomiarowe i sprawdziany, łożyska dla lotnictwa.

• Przedmioty podlegające ścieraniu i pracujące w warunkach niedostatecznego smarowania, jak cylindry silników spalinowych, pierścienie tłokowe, sworznie zaworów poddaje się chromowaniu porowatemu. Na powierzchni powłoki chromowej występują pory, w których zbiera się smar ułatwiający poślizg współpracujących części. Wytworzenie warstwy chromu porowatego polega na dodatkowej obróbce anodowej przedmiotów chromowanych. Chrom rozpuszcza się w porach i szczelinach, które zwykle występują w warstwach chromowanych – poszerza i pogłębia te pory.

• Jednym z ważnych zastosowań jest regeneracyjne uzupełnianie ubytków powierzchni eksploatowanych wałów, a także powlekanie wszelkiego rodzaju nowych wałów.

Ad.16 DEFINICJA STALI

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt, występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu zwane są zanieczyszczeniami.

Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia – stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie wysokiej jakości stali.

Stal dostarczana jest w postaci różnorodnych wyrobów hutniczych- wlewki, pręty okrągłe, kwadratowe, sześciokątne, rury okrągłe, profile zamknięte i otwarte (płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, dwuteowniki), blachy.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej – co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem – głównie węglików o bardzo wysokiej twardości