Tepelné a chemické zpracování kovů
Obsah
Moderní inženýrské konstrukce vyžadují materiály s vysokou povrchovou pevností, vysokou odolností proti otěru, únavě a chemickým látkám, při zachování tažnosti a houževnatosti jádra. Této žádoucí kombinace vlastností lze dosáhnout tepelným a chemickým zpracováním.
Tepelné a chemické zpracování je soubor technologických procesů, při nichž dochází k nasycení povrchové vrstvy kovových prvků aktivními chemickými prvky (jako je uhlík, dusík, bór, chrom) při současném působení tepla. V důsledku těchto úprav dochází v povrchové vrstvě kovu ke strukturálním a chemickým změnám, které radikálně mění jeho vlastnosti.
Výsledkem dobře provedené tepelné a chemické úpravy je tvrdá, otěruvzdorná povrchová vrstva při zachování tažného a tvárného jádra, což výrazně zvyšuje životnost strojních součástí a nástrojů.
V závislosti na použitém prvku a procesu existují různé typy termochemického zpracování, z nichž nejběžnější jsou nauhličování, nitridace a karbonitridace (známá také jako kyanidace), jakož i specializovanější metody, jako je chromování, hliníkové pokovování a borování.
V následujících částech tohoto článku se budeme podrobněji zabývat mechanismy těchto procesů, jejich praktickým použitím a vlivem na mikrostrukturu a vlastnosti povrchové vrstvy kovů.
Mechanismus působení – difúze prvků
Základem všech procesů tepelného a chemického zpracování je jev difúze, tj. spontánní pohyb atomů z oblasti s vyšší koncentrací do oblasti s nižší koncentrací. V tomto případě se jedná o difúzi aktivního chemického prvku (např. uhlíku, dusíku) do kovu, nejčastěji železa. Proces nasycení povrchu kovu sestává ze tří fází:
- Adsorpce aktivních atomů – atomy nasycujícího prvku se usazují na povrchu kovu a tvoří tzv. přechodovou vrstvu.
- Povrchová difúze – atomy se pohybují po povrchu a hledají vhodná místa pro „vstup“ do krystalové struktury.
- Vnitřní (objemová) difúze – při dostatečně vysoké teplotě se atomy difundují do kovu a usazují se ve volných prostorech krystalové mřížky (nejčastěji mezi uzly, v tzv. mřížkových mezerách).
Zde hraje klíčovou roli teplota – čím je vyšší, tím je difúze rychlejší, tím větší je hloubka nasycení vrstvy, ale také tím větší je riziko růstu zrn a změn v jádru materiálu.
V závislosti na typu prvku interagují difuzní atomy s atomy železa a vytvářejí různé pevné roztoky nebo chemické sloučeniny (např. nitridy, karbidy, boridy). Právě jejich přítomnost je zodpovědná za zvýšenou tvrdost povrchové vrstvy, zvýšenou odolnost proti otěru a únavě a zlepšenou odolnost proti korozi a teplu.
Difúzní proces probíhá podle koncentračního gradientu, což znamená, že koncentrace saturačního prvku s rostoucí hloubkou klesá. Výsledkem je charakteristická vrstevnatá struktura: saturační zóna (povrch) – velmi tvrdá, přechodová zóna – s postupně se měnícími vlastnostmi a jádro – zachovávající původní vlastnosti kovu.
Právě tato postupná strukturální a chemická změna dává tepelné zpracování výhodu oproti jiným povrchovým technologiím, jako je povlakování nebo stříkání.
Cementace
Cementace je proces tepelného zpracování, při kterém je povrch ocelového dílu nasycen uhlíkem za účelem zvýšení jeho tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a únavě. Používá se zejména u nízkouhlíkových ocelí, které nejsou samy o sobě vhodné pro kalení. Po cementaci však získávají tvrdý povrch a zároveň si zachovávají tažnost jádra.
Princip fungování
Proces karburace zahrnuje zahřátí oceli na austenitizační teplotu (přibližně 880–950 °C) a její udržování v atmosféře obsahující aktivní uhlík po stanovenou dobu (od několika do několika desítek hodin), v závislosti na požadované hloubce vrstvy.
Během této doby se atomy uhlíku adsorbují na povrchu a poté difundují do oceli, kde zabírají meziprostory krystalové mřížky austenitu. Po nasycení se součásti kalí a popouští, což umožňuje dosáhnout vysoké tvrdosti vrstvy (často vyšší než 60 HRC) při zachování tažnosti jádra.
Druhy nauhličování
Nauhličování práškem
- Tradičně se používá v loži z dřevěného uhlí a aktivátorů (např. BaCO₃),
- Není příliš přesná, obtížně kontrolovatelná,
- V současné době se používá méně, hlavně při malosériové výrobě nástrojů a starožitných dílů.
Plynové nauhličování
- Nejčastěji používané v průmyslu,
- Provádí se v atmosféře nauhličujících plynů (např. CO, CH₄) v plynotěsných pecích,
- Umožňuje přesnou kontrolu teploty, času a složení atmosféry.
- Umožňuje dosažení rovnoměrné karbonované vrstvy o hloubce až několik mm.
Vakuové (nízkotlaké) karbonování
- Moderní metoda využívající cyklické přivádění karbonizačního plynu ve vakuu.
- Umožňuje vysokou čistotu vrstvy bez oxidace a deformace.
- Doporučuje se zejména pro přesné mechanické díly (např. ozubená kola, ložiska).
Struktura a vlastnosti karbonované vrstvy
Po vytvrzení se v povrchové vrstvě vytvoří struktura martenzitu nasyceného uhlíkem, která se při pronikání hlouběji do materiálu mění na bainit, ferit nebo perlit. Karbonovaná vrstva dosahuje tvrdosti přes 62 HRC, vyznačuje se vysokou odolností proti otěru a únavě při kontaktu, ale má nízkou odolnost proti vysokým teplotám a korozi (což omezuje její použití).
Nitridace
Nitridace je proces, při kterém se povrch kovu nasytí dusíkem, čímž se zvýší tvrdost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi a únavová pevnost bez nutnosti kalení. Na rozdíl od nauhličování se nitridace obvykle provádí při nižších teplotách (obvykle 500–580 °C), což minimalizuje riziko deformace, zachovává rozměrovou přesnost obrobku a zachovává strukturu jádra.
Během nitridace se atomy dusíku adsorbují na povrchu oceli, difundují do krystalové struktury a vytvářejí vazby s atomy slitinových kovů (např. Al, Cr, Mo, V), což vede k tvorbě intermetalických nitridů (např. AlN, CrN, VN). Právě tyto sloučeniny jsou zodpovědné za vysokou tvrdost a odolnost povrchu.
Druhy nitridace
Plynová nitridace
- Provádí se v atmosféře amoniaku (NH₃), který se rozkládá na aktivní dusík a vodík.
- Populární, levná a osvědčená metoda.
- Doba trvání procesu: 10 až 100 hodin.
- Tloušťka vrstvy až 0,5 mm, tvrdost až 1100 HV.
Iontová nitridace (plazma)
- Provádí se za nízkotlakých podmínek za použití elektrického pole.
- Povrch kovu funguje jako katoda a molekuly dusíku jsou přitahovány a „vháněny“ do materiálu.
- Umožňuje přesnou kontrolu hloubky a profilu vrstvy.
- Proces je čistý, rychlý, energeticky účinný a ideální pro přesné díly.
Nitridace v solné lázni
- Méně používaná metoda, při které se díly ponoří do roztoku kyanidů a dusičnanů.
- Podmínky jsou obtížněji kontrolovatelné, ale vrstva může být odolnější proti korozi.
Účinnost nitridace závisí na obsahu prvků tvořících dusík (např. Al, Cr, Mo, V), jakož i na mikrostruktuře a předchozím tepelném zpracování. Ocel by měla být předem tepelně zpracována a povrch důkladně očištěn (bez okují, mastnoty a rzi).
Typická vrstva se skládá ze dvou zón: vázané vrstvy, která je velmi tvrdá, tenká (10–20 μm) a složená převážně z nitridů, a difúzní nosné vrstvy, která je silnější (až 0,5 mm) a zodpovědná za přenos zatížení.
Mezi její charakteristické vlastnosti patří tvrdost 900–1200 HV, vynikající odolnost proti otěru a únavě, vysoká odolnost proti korozi, zejména při použití nerezových ocelí, a nemusí se po procesu kalit, což snižuje deformaci a náklady.
Karbonitridace (kyanidace)
Karbonitridace, známá také jako kyanidace, je termochemický proces, při kterém je povrch kovu současně nasycen uhlíkem a dusíkem. Cílem této úpravy je dosáhnout tvrdé, tenké povrchové vrstvy, která nabízí vysokou odolnost proti opotřebení, otěru a únavě, a to při kratší době úpravy ve srovnání s klasickým nauhličováním.
Ve srovnání s nauhličováním je teplota procesu nižší, obvykle v rozmezí 700–900 °C, doba nasycení je kratší a výsledná vrstva je tenčí, ale tvrdší díky přítomnosti nitridů.
Karbonitridace spočívá v zahřátí oceli na příslušnou teplotu a jejím udržování v prostředí obsahujícím uhlík a dusík, například ve formě plynů (CH₄ + NH₃) nebo solných lázní (kyanáty, kyanidy).
Během tohoto procesu se atomy uhlíku a dusíku adsorbují na povrch a poté difundují do materiálu, kde vytvářejí smíšenou difúzní vrstvu obsahující karbidy a nitridy železa a legujících prvků.
Po karbonitridování je tvrdost až 850–1000 HV, vrstva má vysokou odolnost proti otěru a dobrou odolnost proti oxidaci a korozi (lepší než po samotném nauhličování). Vrstva je obvykle 0,2–0,5 mm silná a dochází k velmi malé deformaci; často není nutné další tepelné zpracování. Díky těmto vlastnostem se karbonitridace používá mimo jiné pro ozubené kola, hřídele, pouzdra, šrouby a součásti, které vyžadují vysokou odolnost povrchu a rozměrovou přesnost.
Druhy karbonitridace
Plynová karbonitridace
- Provádí se v atmosféře směsi nasycených plynů (např. amoniaku a uhlovodíkových plynů),
- Nejčastěji se používá v průmyslu,
- Umožňuje řízení parametrů procesu a dosahuje tvrdé vrstvy o tloušťce 0,1–0,5 mm.
Lázeňská karbonitridace (kyanidace)
- Provádí se v roztocích kyanidových solí (NaCN, KCN),
- Velmi rychlý proces, ale škodlivý pro životní prostředí (toxicita kyanidu).
- V současné době se používá stále méně a je často nahrazován netoxickým kyanidováním (např. pomocí kyanátů).
Iontová karbonitridace
- Moderní metoda prováděná ve vakuu.
- Umožňuje přesné tvarování difúzní vrstvy.
- Používá se při výrobě dílů se složitými geometriemi a přesnými požadavky.
Další typy difúzní impregnace
Kromě karburizace, nitridace a karbonitridace existuje několik dalších termochemických procesů, při kterých se kovový povrch impregnuje různými prvky za účelem dosažení speciálních vlastností, jako je odolnost vůči vysokým teplotám, korozi, erozi nebo oxidaci.
Každý z těchto procesů umožňuje přizpůsobit povrchovou vrstvu velmi specifickým provozním podmínkám, kde standardní metody (např. kalení) nestačí. Jejich použití často zvyšuje životnost a spolehlivost klíčových součástí zařízení pracujících v extrémních podmínkách. Nejdůležitější z nich jsou uvedeny níže:
Difúzní chromování
Spočívá v nasycení povrchu kovu chromem při vysoké teplotě (900–1100 °C). Provádí se v plynné atmosféře (např. chloridy chromu) nebo v práškových lázních.
Difúzní chromování vytváří vrstvu chromidu železa, která se vyznačuje:
- velmi dobrou odolností proti korozi a oxidaci,
- tvrdostí a odolností proti oděru,
- odolností proti plynům a agresivním chemikáliím.
Používá se v chemickém, petrochemickém a energetickém průmyslu (např. kotlové trubky, ventily, součásti reaktorů).
Aluminování (aluminace)
Proces nasycení povrchu hliníkem, obvykle při teplotě 800–1050 °C. Vede k tvorbě intermetalických sloučenin FeAl nebo Fe₃Al. Mezi jeho hlavní výhody patří:
- vysoká odolnost proti oxidaci při vysokých teplotách,
- ochrana proti erozi plyny a metalurgickými struskami,
- zlepšená odolnost proti korozi pod vlivem síry a chloridů.
Používá se v turbínách, výměnících tepla, kotlích a proudových motorech.
Borování (boridování)
Borování je povrchová úprava, při které dochází k difúzi boru do struktury kovu. Výsledkem borování je tvorba tvrdých boridů, jako jsou FeB, Fe₂B, s tvrdostí vrstvy až 1800–2000 HV. Borování se vyznačuje:
- vynikající odolností proti otěru,
- odolností proti kyselinám, zásadám a solným roztokům,
- křehkostí, která omezuje jeho použití v dynamických součástech.
Používá se pro: řezný nástroje, formy, lisovací nástroje a třecí prvky.
Křemíčení
Křemíčení spočívá v nasycení povrchu křemíkem při teplotě přibližně 1000 °C. Výsledkem je tvorba křemičitanů železa, které zajišťují odolnost proti oxidaci a korozi při vysokých teplotách a také zvýšenou tvrdost a únavovou pevnost. Používá se v metalurgii, v součástech vystavených vysokým teplotám a kontaktu se struskou.
Tepelné a chemické zpracování kovů – shrnutí
Tepelné a chemické zpracování patří mezi nejdůležitější nástroje v materiálovém inženýrství, které umožňují cílenou modifikaci vlastností povrchu kovů bez ovlivnění jejich vnitřní struktury. Díky procesům, jako je nauhličování, nitridace, karbonitridace a chromování, je možné dosáhnout kombinace vysoké povrchové tvrdosti, tažnosti a pevnosti jádra.
Tyto úpravy zvyšují odolnost proti opotřebení, korozi, únavě a vysokým teplotám, což se přímo promítá do delší životnosti součástí strojů a zařízení. Dovedný výběr typu procesu, teplotních parametrů a výchozího materiálu umožňuje inženýrům optimalizovat konstrukci pro skutečné provozní podmínky.
Moderní průmysl se neobejde bez přesných metod úpravy povrchů – proto zůstává termochemické zpracování nejen důležitým vědeckým tématem, ale především praktickým nástrojem pro zvyšování trvanlivosti, spolehlivosti a bezpečnosti technických konstrukcí.
