1 CHEMICKO-TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ OCELÍ Pod pojmem chemicko-tepelné zpracování se obvykle zařazuje řada způsobů, při nichž se sytí povrch oceli různými prvky, aby se dosáhlo různých vlastností, např. žárovzdornost, korozivzdornost, odolnost proti opotřebení atd. Cementování Jeden z nejpoužívanějších způsobů chemicko-tepelného zpracování je cementování. Při něm se povrch ocelového předmětu z měkké oceli (s obsahem uhlíku max. 0.2%) nasycuje uhlíkem v pevném, kapalném nebo plynném prostředí při teplotách nad A c3 (pouze austenit v sobě rozpouští uhlík) na obsah 0.7-0.9%C. Zakalením této vrstvy se dosáhne vysoké tvrdosti, přičemž se zachová houževnatost jádra. Nauhličená vrstva bývá 0.5-1.5mm tlustá. Pro cementování jsou určeny ušlechtilé konstrukční oceli, jejichž 4. číslice je 1 nebo 2 (12 010, 12 020, 16 420 atd.). Při cementování difunduje uhlík do oceli z plynné nebo kapalné fáze. Plynné prostředí vzniká v peci buď z cementačního prášku (směs mletého dřevěného uhlí se 7 až 20% uhličitanu barnatého BaCO 3 ), nebo v šachtových pecích (tzv. pece "Monocarb") ze směsi uhlovodíků a vzduchu. Plynné prostředí musí obsahovat buď dostatečné množství CO, nebo směs CO a CH 4. Jako kapalné cementační prostředí se používají solné lázně obsahující kyanid sodný. Při cementační teplotě uvolněné atomy uhlíku difundují do povrchové vrstvy součásti. Pozor! Tyto soli a zbytky lázní jsou prudce jedovaté! Cementační teploty bývají mezi 850 až 950 C, přičemž platí zásada, že čím vyšší teplota, tím rychlejší je cementace a tím větší hloubky dosáhne. Cementace v prášku má malou produktivitu, proto se použití omezuje jen na malosériovou a kusovou výrobu. Ve velkosériové výrobě se používá cementace v plynu, popř. v lázni. Někdy požadujeme, aby část povrchu součásti zůstala měkká. V tom případě musíme tuto část povrchu chránit před cementací. Při cementaci v prášku a plynu používáme různé pasty a nátěry, které však nebývají spolehlivé. Účinnější je ochrana elektrolytickým poměděním. Nejlepším řešením je, že daná část je provedena s přídavkem odpovídajím hloubce cementování. Po cementaci se přídavek odebere. obr.: Rychlost růstu cementované vrstvy v různých prostředích. Nejpoužívanější postupy tepelného zpracování po cementaci
2 Po cementaci musíme součásti ještě kalit, aby nauhličená vrstva dosáhla potřebné tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Na obrázku jsou uvedeny různé používané postupy tepelného zpracování po cementaci. Zpravidla nezahrnují jen kalení povrchové vrstvy, nýbrž zajišťují i zlepšení struktury zhoršené dlouhým setrváním na vysoké cementační teplotě. Nitridování Je to sycení povrchu oceli dusíkem, který reaguje se železem a s jinými úmyslně přidávanými prvky (Al, Cr) a vytváří tím tvrdé nitridy, které způsobují značné zvýšení tvrdosti povrchové vrstvy. Probíhá při teplotách 500 až 600 o C v plynném nebo kapalném prostředí (solná lázeň). V plynném prostředí je zdrojem dusíku čpavek, který ve styku s povrchem součásti při nitridačních teplotách disociuje na atomární dusík a vodík. Část vzniklých atomů dusíku difunduje do oceli. V lázni se používá směs kyanidu sodného a kyanatanu draselného. Vzhledem k nízkým nitridačním teplotám mohou být součásti před nitridací plně zušlechtěny a vzhledem k neoxidačnímu prostředí obrobené na hotovo. Nitridování v plynném prostředí je velmi pomalé (vytvoření vrstvy 0.1mm = 10-12 hodin podle teploty), a tím drahé. Proto vytváříme vrstvy o tloušťce 0.1-0.5mm. Nitridování v lázni je rychlejší, ale vytvořené vrstvy jsou velmi tenké (do 0.05mm). Tyto tenké vrstvy jsou vhodné pro nástroje. Nitrocementování Nitrocementuje se v kyanidových lázní při teplotě 750 až 850 C, nebo v plynné cementační atmosféře s přísadou čpavku při teplotách 800 až 880 C. Dojde k sycení povrchu dusíkem a uhlíkem současně tak, že čím vyšší teplota, tím víc převládá nasycení uhlíkem a naopak. Po nitrocementaci se součásti kalí do oleje, což snižuje pnutí. Po kalení se součásti popouštějí stejně jako po cementaci na teplotu 180 o C. Z obrázku plyne, že nejvyšší tvrdosti dosahují nitridované vrstvy, avšak tvrdost prudce klesá na tvrdost jádra. V důsledku toho snášejí nitridované vrstvy největší namáhání na otěr, ale nesnášejí
3 velké měrné tlaky, při kterých by se vrstva mohla prolomit. Povrchově kalené vrstvy jsou nejtlustší a snášejí i největší tlaky. obr.:porovnání tvrdosti v povrchové tvrzených vrstvách. Kromě uvedených způsobů se někdy používá tzv. sulfonitridace. Je to sycení povrchu sírou, uhlíkem a dusíkem. Tyto vrstvy se vyznačují výbornými kluznými vlastnostmi i při špatném mazání. Pro zvláštní účely někdy používáme boridaci - sycení povrchu oceli bórem. Vznikají při tom velmi tvrdé boridy. Zařízení pro tepelné zpracování Protože všechny způsoby tepelného zpracování vyžadují nejprve ohřev, bude každé zařízení obsahovat ohřívací pec. Půjde-li o kalení, bude zařízení doplněno zařízením pro dosažení rychlého ochlazování. Volba typu zařízení je závislá: 1. na typu výroby (malo, velkosériová, kusová) 2. na druhu materiálu a na typu tepelně zpracovávaného výrobku Druh materiálu ovlivňuje zejména rychlost ohřevu (měkká ocel nejvyšší rychlost, RO pomalu a zpravidla přerušovaně, aby nepopraskala). 3. na druhu použitého zdroje tepelné energie (plyn, topný olej, elektrický proud) 4. na požadavcích na jakost povrchu (k zabránění oduhličení nebo okujení se musí pracovat v ochranné atmosféře). Zařízení pro tepelné zpracování pro malosériovou a kusovou výrobu Komorové pece se stavějí v různých velikostech. Při vytápění mohou spaliny vznikat a proudit přímo kolem předmětů (viz. komorová pec plynová), nebo jsou vedeny mimo ně (pece muflové). Vytápí se pomocí tzv. sálavých trubek, kde se plyn spaluje ve zvláštních trubkách, které tvoří vlastně stěny pece. U těchto pecí nepříjdou spaliny ve styk s vyhřívaným prostorem, takže lze použít ochrannou atmosféru.
4 Komorové pece vytápěné elektricky mají mnoho předností. Jejich regulace a spouštění je velmi snadné a rozložení teplot v peci bývá lepší než u pecí plynových. I u nich lze použít ochrannou atmosféru. Vytápění se děje odporovými dráty nebo pásy do teplot asi 1150 C. Šachtové pece mají pracovní prostor svislý, zpravidla válcový, a bývají většinou zapuštěny do podlahy. Vytápění je obvykle elektrické a ventilátory umístěné ve víku nebo ve dně zajišťují oběh atmosféry, a tím rovnoměrně rozloženou teplotu v celém prostoru pece. Hodí se pro zpracování dlouhých součástí, nebo pro kratší díly uložené v koších. Používají se jako popouštěcí pece, nebo se zařízením pro přípravu cementační atmosféry jako zementačmí pece pro cementaci v plynu. Pece pro solné lázně, nejčastěji vytápěné elektricky, bývají kelímkové, vanové nebo šachtové. Teplo se získává odporem roztavené soli kladeným proudu procházejícímu mezi elektrodami v lázni, anebo z vnějšku topnými odpory. Podle použité soli a teploty slouží jak pro kalení, tak pro popouštění. Olejových lázní se používá jak pro ochlazování při kalení, tak pro popouštění na nižší teploty. Ochlazovací olejové lázně bývají ocelové nádrže, opatřené chladícími, popř. ohřívacími plášti nebo hady. Přítok a odtok oleje je regulován podle potřeby. Ve vodní lázni se kalí součásti z uhlíkových a některých nízkolegovaných ocelí. Zařízení pro velkoseriovou výrobu a hromadnou výrobu Je přizpůsobeno vlastnímu postupu a zpracovaným předmětům. Přitom je proces mechanizován nebo automatizován. V některých případech jde o samostatné agregáty, ve kterých probíhá celý cyklus, v jiných případech o linkové uspořádání, kde doprava z jednoho do druhého zařízení je mechanizována nebo automatizována. Většina zařízení pracuje s ochrannými atmosférami v peci i dalších agregátech. (CO a CH 4, H 2, N 2 ). Schéma elektrické odporové pece
5 a nuceným oběhem atmosféry