Obróbka cieplno-chemiczna metali
Spis treści
Współczesne konstrukcje inżynierskie wymagają materiałów o wysokiej wytrzymałości powierzchniowej, dużej odporności na ścieranie, zmęczenie i działanie czynników chemicznych, przy jednoczesnym zachowaniu plastyczności i ciągliwości rdzenia. Tego rodzaju pożądane połączenie właściwości można uzyskać dzięki zastosowaniu obróbki cieplno-chemicznej.
Obróbka cieplno-chemiczna to zespół procesów technologicznych, polegających na nasycaniu warstwy wierzchniej elementów metalowych aktywnymi pierwiastkami chemicznymi (takimi jak węgiel, azot, bor, chrom) przy jednoczesnym oddziaływaniu cieplnym. W wyniku tych zabiegów w warstwie powierzchniowej metalu dochodzi do przemian strukturalnych i chemicznych, które radykalnie zmieniają jej właściwości.
Efektem dobrze przeprowadzonej obróbki cieplno-chemicznej jest uzyskanie twardej, odpornej na zużycie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu plastycznego i ciągliwego rdzenia, co znacząco zwiększa trwałość elementów maszyn i narzędzi.
W zależności od użytego pierwiastka i przebiegu procesu, wyróżnia się różne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej, z których najczęściej stosowane to nawęglanie, azotowanie i węgloazotowanie (cyjanowanie), a także bardziej specjalistyczne metody, takie jak chromowanie, aluminiowanie czy borowanie.
W kolejnych częściach artykułu przyjrzymy się dokładniej mechanizmom działania tych procesów, ich praktycznym zastosowaniom oraz wpływowi na mikrostrukturę i właściwości warstwy powierzchniowej metali.
Mechanizm działania – dyfuzja pierwiastków
Podstawą wszystkich procesów obróbki cieplno-chemicznej jest zjawisko dyfuzji, czyli samorzutnego przemieszczania się atomów z obszaru o większym stężeniu do obszaru o stężeniu mniejszym. W tym przypadku mamy do czynienia z dyfuzją aktywnego pierwiastka chemicznego (np. węgla, azotu) w głąb metalu – najczęściej żelaza. Proces nasycania powierzchni metalu składa się z trzech etapów:
- Adsorpcja aktywnych atomów – atomy pierwiastka nasycającego osiadają na powierzchni metalu, tworząc tzw. warstwę przejściową.
- Dyfuzja powierzchniowa – atomy przemieszczają się po powierzchni, poszukując miejsc dogodnych do „wejścia” w strukturę krystaliczną.
- Dyfuzja wewnętrzna (objętościowa) – przy odpowiednio wysokiej temperaturze, atomy dyfundują w głąb metalu, osadzając się w wolnych przestrzeniach sieci krystalicznej (najczęściej między węzłami, w tzw. lukach sieci).
Temperatura odgrywa tutaj kluczową rolę – im jest wyższa, tym szybciej przebiega dyfuzja, większa głębokość nasycenia warstwy, ale też większe ryzyko rozrostu ziarn i zmian w rdzeniu materiału.
Dyfundujące atomy, w zależności od rodzaju pierwiastka, oddziałują z atomami żelaza, tworząc różne roztwory stałe lub związki chemiczne (np. azotki, węgliki, borowce). To właśnie ich obecność odpowiada za wzrost twardości warstwy powierzchniowej, zwiększoną odporność na ścieranie i zmęczenie i poprawę odporności korozyjnej i cieplnej.
Proces dyfuzji zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, co oznacza, że stężenie pierwiastka nasycającego maleje wraz z głębokością. Dzięki temu uzyskuje się charakterystyczną strukturę warstwową: strefa nasycona (powierzchniowa) – bardzo twarda, strefa przejściowa – o właściwościach stopniowo zmieniających się oraz rdzeń – zachowujący pierwotne właściwości metalu.
Właśnie ta stopniowość zmian strukturalnych i chemicznych stanowi przewagę obróbki cieplno-chemicznej nad innymi technologiami powierzchniowymi, takimi jak np. powlekanie czy natryskiwanie.
Nawęglanie
Nawęglanie to proces obróbki cieplno-chemicznej, w którym powierzchnia stalowego elementu zostaje nasycona węglem w celu zwiększenia twardości, odporności na ścieranie i zmęczenie. Jest szczególnie stosowany w przypadku stali niskowęglowych, które same w sobie nie nadają się do hartowania, ale po nawęglaniu zyskują twardą powierzchnię przy jednoczesnej ciągliwości rdzenia.
Zasada działania
Proces nawęglania polega na nagrzewaniu stali do temperatury austenityzacji (ok. 880–950°C) i utrzymywaniu jej w atmosferze zawierającej aktywny węgiel, przez określony czas (od kilku do kilkunastu godzin), w zależności od wymaganej głębokości warstwy.
W tym czasie atomy węgla adsorbują się na powierzchni, a następnie dyfundują w głąb stali, zajmując międzywęzłowe przestrzenie sieci krystalicznej austenitu. Po zakończeniu nasycania, elementy są hartowane i odpuszczane, co pozwala uzyskać wysoką twardość warstwy (często > 60 HRC) przy zachowaniu plastycznego rdzenia.
Rodzaje nawęglania
Nawęglanie proszkowe
- Stosowane tradycyjnie, w złożu z węgla drzewnego i aktywatorów (np. BaCO₃),
- Mało precyzyjne, trudne do kontroli,
- Obecnie rzadziej stosowane – głównie w małoseryjnej produkcji narzędzi i części zabytkowych.
Nawęglanie gazowe
- Najczęściej stosowane przemysłowo,
- Przeprowadzane w atmosferze gazów nawęglających (np. CO, CH₄) w piecach gazoszczelnych,
- Umożliwia precyzyjną kontrolę temperatury, czasu i składu atmosfery,
- Pozwala osiągać równomierną warstwę nawęgloną o głębokości do kilku mm.
Nawęglanie próżniowe (niskociśnieniowe)
- Nowoczesna metoda z zastosowaniem cyklicznego podawania gazu nawęglającego w warunkach próżni,
- Pozwala na wysoką czystość warstwy, bez utleniania i odkształceń,
- Szczególnie polecane dla precyzyjnych części mechanicznych (np. przekładnie, łożyska).
Struktura i właściwości warstwy nawęglonej
Po zahartowaniu uzyskuje się strukturę martensytu nasyconego węglem w warstwie powierzchniowej oraz przechodzącą w bainit, ferryt lub perlit w głąb materiału. Warstwa nawęglona osiąga twardość nawet powyżej 62 HRC, charakteryzuje się wysoką odpornością na ścieranie i zmęczenie kontaktowe, ma jednak niewielką odporność na wysoką temperaturę i korozję (co ogranicza jej zastosowania).
Azotowanie
Azotowanie to proces nasycania powierzchni metalu azotem w celu zwiększenia twardości, odporności na zużycie, korozję i zmęczenie, bez konieczności hartowania. W odróżnieniu od nawęglania, azotowanie przeprowadza się w niższych temperaturach (najczęściej 500–580°C), dzięki czemu minimalizuje się ryzyko odkształceń, zachowuje się dokładność wymiarowa detalu a struktura rdzenia pozostaje niezmieniona.
Podczas azotowania atomy azotu adsorbują się na powierzchni stali, dyfundują w głąb struktury krystalicznej, tworzą wiązania z atomami metali stopowych (takimi jak Al, Cr, Mo, V), prowadząc do powstania azotków międzymetalicznych (np. AlN, CrN, VN). To właśnie te związki odpowiadają za wysoką twardość i odporność warstwy powierzchniowej.
Rodzaje azotowania
Azotowanie gazowe
- Przeprowadzane w atmosferze amoniaku (NH₃), który rozkłada się na aktywny azot i wodór,
- Popularne, tanie i dobrze rozpoznane,
- Czas procesu: od 10 do 100 godzin,
- Warstwa: grubość do 0,5 mm, twardość nawet 1100 HV.
Azotowanie jonowe (plazmowe)
- Odbywa się w warunkach niskiego ciśnienia, z wykorzystaniem pola elektrycznego,
- Powierzchnia metalu działa jak katoda, a cząsteczki azotu są przyciągane i „wbijane” w materiał,
- Umożliwia precyzyjne sterowanie głębokością i profilem warstwy,
- Proces czysty, szybki, energooszczędny, idealny dla części precyzyjnych.
Azotowanie w kąpielach solnych
- Rzadziej stosowane, polegające na zanurzeniu części w roztworze cyjanianów i azotanów,
- Warunki trudniejsze do kontroli, ale warstwa może być bardziej odporna na korozję.
Skuteczność azotowania zależy od zawartości pierwiastków azototwórczych (np. Al, Cr, Mo, V), a także od mikrostruktury i wcześniejszej obróbki cieplnej. Stal powinna być wcześniej ulepszona cieplnie, a powierzchnia – dokładnie oczyszczona (bez zgorzeliny, tłuszczu, rdzy).
Typowa warstwa składa się z dwóch stref: warstwy związanej – bardzo twarda, cienka (10–20 μm), zbudowana głównie z azotków, dyfuzyjnej warstwy nośnej – grubszej (do 0,5 mm), odpowiedzialnej za przenoszenie obciążeń.
Jej cechy charakterystyczne to twardość na poziomie 900–1200 HV, doskonała odporność na ścieranie i zmęczenie zmienne, wysoka odporność korozyjna, zwłaszcza przy zastosowaniu stali nierdzewnych, brak konieczności hartowania po procesie – co ogranicza deformacje i koszty.
Węgloazotowanie (cyjanowanie)
Węgloazotowanie, znane również jako cyjanowanie, to proces obróbki cieplno-chemicznej, w którym powierzchnia metalu jest jednocześnie nasycana węglem i azotem. Celem zabiegu jest uzyskanie twardej, cienkiej warstwy powierzchniowej, zapewniającej wysoką odporność na zużycie, ścieranie i zmęczenie, przy krótszym czasie obróbki niż w przypadku klasycznego nawęglania.
W porównaniu do nawęglania temperatura procesu jest niższa – zwykle w zakresie 700–900°C, czas nasycania krótszy, a uzyskana warstwa jest cieńsza, ale twardsza dzięki obecności azotków.
Węgloazotowanie polega na nagrzewaniu stali do odpowiedniej temperatury i utrzymywaniu jej w środowisku zawierającym zarówno węgiel, jak i azot – np. w postaci gazów (CH₄ + NH₃) lub kąpieli solnych (cyjaniany, cyjanki).
Podczas tego procesu atomy węgla i azotu adsorbują się na powierzchni, następnie dyfundują w głąb materiału tworząc mieszaną warstwę dyfuzyjną, w której występują węgliki i azotki żelaza oraz pierwiastków stopowych.
Po węgloazotowaniu twardość wynosi nawet 850–1000 HV, warstwa ma wysoką odporność na ścieranie oraz dobrą odporność na utlenianie i korozję (lepszą niż po samym nawęglaniu), warstwa ma grubości zazwyczaj 0,2–0,5 mm i występują bardzo małe odkształcenia – często nie wymaga dalszej obróbki cieplnej. Dzięki tym właściwościom węgloazotowanie stosuje się m.in. do: kół zębatych, wałków, tulei, śrub oraz elementów o wysokich wymaganiach dotyczących odporności powierzchniowej i dokładności wymiarowej.
Rodzaje węgloazotowania
Węgloazotowanie gazowe
- Przeprowadzane w atmosferze mieszaniny gazów nasycających (np. amoniaku i gazów węglowodorowych),
- Najczęściej stosowane przemysłowo,
- Umożliwia kontrolę parametrów procesu i uzyskanie twardej warstwy o grubości 0,1–0,5 mm.
Węgloazotowanie kąpielowe (cyjanowanie właściwe)
- Wykonywane w roztworach soli cyjanowych (NaCN, KCN),
- Proces bardzo szybki, ale szkodliwy dla środowiska (toksyczność cyjanków),
- Obecnie coraz rzadziej stosowany lub zastępowany przez cyjanowanie beztoksyczne (np. z użyciem cyjanianów).
Węgloazotowanie jonowe
- Nowoczesna metoda w warunkach próżniowych,
- Umożliwia precyzyjne kształtowanie warstwy dyfuzyjnej,
- Stosowana przy produkcji części o złożonej geometrii i wymaganiach precyzyjnych.
Inne rodzaje nasycania dyfuzyjnego
Oprócz nawęglania, azotowania i węgloazotowania, istnieje szereg innych procesów obróbki cieplno-chemicznej, polegających na nasycaniu powierzchni metalu różnymi pierwiastkami w celu uzyskania specjalistycznych właściwości – takich jak odporność na wysoką temperaturę, korozję, erozję czy utlenianie.
Każdy z wymienionych procesów pozwala na dopasowanie warstwy powierzchniowej do bardzo specyficznych warunków pracy, w których standardowe metody (takie jak hartowanie) okazują się niewystarczające. Ich zastosowanie często zwiększa żywotność i niezawodność kluczowych podzespołów w urządzeniach pracujących w ekstremalnych środowiskach. Poniżej przedstawiono najważniejsze z nich:
Chromowanie dyfuzyjne
Polega na nasycaniu powierzchni metalu chromem w wysokiej temperaturze (900–1100°C). Jest przeprowadzane w atmosferze gazowej (np. chlorki chromu) lub w kąpielach proszkowych.
Chromowanie dyfuzyjne tworzy warstwę chromku żelaza, która cechuje się:
- bardzo dobrą odpornością na korozję i utlenianie,
- twardością i odpornością na ścieranie,
- odpornością na działanie gazów i agresywnych czynników chemicznych.
Stosowane w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, energetycznym (np. rury kotłowe, zawory, elementy reaktorów).
Aluminiowanie (alityzacja)
Proces nasycania powierzchni aluminium, zazwyczaj przy temperaturze 800–1050°C. Prowadzi do powstania roztworów międzymetalicznych FeAl lub Fe₃Al. Do jego główny zalet należą:
- wysoka odporność na utlenianie w wysokich temperaturach,
- ochrona przed erozją gazową i żużlami metalurgicznymi,
- poprawa odporności na korozję pod wpływem siarki i chlorków.
Stosowane w turbinach, wymiennikach ciepła, kotłach, silnikach odrzutowych.
Boronowanie (borowanie)
Boronowanie polega na obróbce powierzchni polegającej na dyfuzji boru do struktury metalu. W wyniku boronowania powstają twarde borowce, takie jak FeB, Fe₂B, a twardość warstwy: nawet 1800–2000 HV. Boronowanie charakteryzuje się:
- doskonałą odpornością na ścieranie,
- odpornością na działanie kwasów, zasad, solanek,
- kruchością, co ogranicza zastosowanie w elementach dynamicznych.
Używane do: narzędzi skrawających, form, matryc, elementów ciernych.
Krzemowanie
Krzemowanie polega na nasycaniu powierzchni krzemem w temperaturze ok. 1000°C. Powoduje ono powstanie krzemków żelaza, dzięki czemu zapewnia odporność na utlenianie i korozję wysokotemperaturową oraz podwyższoną twardość i trwałość zmęczeniową. Stosowane w hutnictwie, w elementach narażonych na duże nagrzewanie i kontakt z żużlami.
Obróbka cieplno-chemiczna metali – podsumowanie
Obróbka cieplno-chemiczna to jedno z najważniejszych narzędzi inżynierii materiałowej, pozwalające na ukierunkowaną modyfikację właściwości warstwy wierzchniej metalu, bez ingerencji w jego strukturę wewnętrzną. Dzięki takim procesom jak nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie czy chromowanie, możliwe jest uzyskanie połączenia wysokiej twardości powierzchni z ciągliwością i wytrzymałością rdzenia.
Zabiegi te zwiększają odporność na zużycie, korozję, zmęczenie i działanie wysokich temperatur, co bezpośrednio przekłada się na dłuższą żywotność elementów maszyn i urządzeń. Umiejętne dobranie rodzaju procesu, parametrów cieplnych oraz materiału wyjściowego pozwala inżynierom optymalizować konstrukcje pod kątem ich rzeczywistych warunków eksploatacyjnych.
Współczesny przemysł nie może funkcjonować bez precyzyjnych metod modyfikacji powierzchni – dlatego obróbka cieplno-chemiczna pozostaje nie tylko ważnym zagadnieniem naukowym, ale przede wszystkim praktycznym narzędziem budowania trwałości, niezawodności i bezpieczeństwa konstrukcji technicznych.
