Kształtowanie struktury i własności materiałów inżynierskich i ...
-
Upload
truonghanh -
Category
Documents
-
view
244 -
download
5
Transcript of Kształtowanie struktury i własności materiałów inżynierskich i ...
-
Gliwice, 2009
Prof. Leszek A. Dobrzaski
Ksztatowanie struktury i wasnoci powierzchni
materiaw inynierskich i biomedycznych
Ksztatowanie struktury i wasnoci powierzchni
materiaw inynierskich i biomedycznych
1.
-
Foresight wiodcych technologii ksztatowania wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych
1.
-
Gliwice, 2009
Prof. Leszek A. Dobrzaski
Ksztatowanie struktury i wasnoci powierzchni
materiaw inynierskich i biomedycznych
Ksztatowanie struktury i wasnoci powierzchni
materiaw inynierskich i biomedycznych
1.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 5
IINNSSTTYYTTUUTT MMAATTEERRIIAA WW IINN YYNNIIEERRSSKKIICCHH II BBIIOOMMEEDDYYCCZZNNYYCCHH PPOOLLIITTEECCHHNNIIKKAA LL SSKKAA ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice tel. +48 32 237 16 53, fax. +48 32 237 22 81 e-mail: [email protected], http://www.imiib.polsl.pl
Wydano za zgod Dyrektora Instytutu Materia w In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach FFOORRSSUURRFF
FFIINNAANNSSOOWWAANNIIEE BBAADDAA :: Projekt POIG.01.01.01-00-023/08
Foresight wiod cych technologii kszta towania w asno ci powierzchni materia w in ynierskich i biomedycznych
AAUUTTOORR:: Prof. zw. dr hab. in . Leszek A. Dobrza ski M.Dr h.c. WWSSPP PPRRAACCAA MMEERRYYTTOORRYYCCZZNNAA II TTEECCHHNNIICCZZNNAA:: Dr in . Anna Dobrza ska-Danikiewicz Dr in . Eugeniusz Hajduczek OOPPIINNIIOODDAAWWCCYY:: Prof. Pol. l. dr hab. in . Ryszard Nowosielski Prof. Pol. l. dr hab. in . Zbigniew Rdzawski OOPPRRAACCOOWWAANNIIEE GGRRAAFFIICCZZNNEE OOKK AADDKKII:: PERFECT Gliwice WWYYDDAAWWCCAA::
Gliwice, 44-100, Poland ul. Konarskiego 18a/366
Copyright by L.A. Dobrza ski Gliwice 2009 Utwr w ca o ci ani we fragmentach nie mo e by powielany ani rozpowszechniany za pomoc urz dze elektronicznych, mechanicznych, kopiuj cych, nagrywaj cych i innych, w tym rwnie nie mo e by umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarwno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. SSEERRIIAA WWYYDDAAWWNNIICCZZAA:: Prace Instytutu Materia w In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach ISBN 83-89728-52-4 EAN 9788389728524
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 5
1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich wytwarzania . . . . . . . . . . . . . . 22
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4. Nawglanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5. Azotowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6. Kompleksowe nasycanie azotem i innymi pierwiastkami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7. Borowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8. Dyfuzyjne nasycanie stali pierwiastkami metalicznymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9. Atmosfery ochronne i obrbka cieplna w prni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
10. Procesy nanoszenia powok z fazy gazowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
11. Warstwy powierzchniowe ksztatowane z wykorzystaniem technologii laserowych . . . . . . . 80
12. Warstwy powierzchniowe nanoszone metodami spawalniczymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
13. Warstwy powierzchniowe gradientowych materiaw narzdziowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
14. Powierzchniowe warstwy stopowe odlewnicze i infiltracyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
15. Powierzchniowe warstwy ceramiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
16. Pokrycia polimerowe i obrbka powierzchniowa polimerw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
17. Zmiany struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych w wyniku eksploatacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
18. Korozja metali i stopw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
19. Korozja elektrochemiczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
20. Korozja gazowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
21. Zuycie trybologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
22. Zuycie i niszczenie narzdzi skrawajcych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
23. Zuycie narzdzi do pracy na gorco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
24. Podsumowanie i uwagi kocowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Spis treci IINNSSTTYYTTUUTT MMAATTEERRIIAA WW IINN YYNNIIEERRSSKKIICCHH II BBIIOOMMEEDDYYCCZZNNYYCCHH PPOOLLIITTEECCHHNNIIKKAA LL SSKKAA ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice tel. +48 32 237 16 53, fax. +48 32 237 22 81 e-mail: [email protected], http://www.imiib.polsl.pl
Wydano za zgod Dyrektora Instytutu Materia w In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach FFOORRSSUURRFF
FFIINNAANNSSOOWWAANNIIEE BBAADDAA :: Projekt POIG.01.01.01-00-023/08
Foresight wiod cych technologii kszta towania w asno ci powierzchni materia w in ynierskich i biomedycznych
AAUUTTOORR:: Prof. zw. dr hab. in . Leszek A. Dobrza ski M.Dr h.c. WWSSPP PPRRAACCAA MMEERRYYTTOORRYYCCZZNNAA II TTEECCHHNNIICCZZNNAA:: Dr in . Anna Dobrza ska-Danikiewicz Dr in . Eugeniusz Hajduczek OOPPIINNIIOODDAAWWCCYY:: Prof. Pol. l. dr hab. in . Ryszard Nowosielski Prof. Pol. l. dr hab. in . Zbigniew Rdzawski OOPPRRAACCOOWWAANNIIEE GGRRAAFFIICCZZNNEE OOKK AADDKKII:: PERFECT Gliwice WWYYDDAAWWCCAA::
Gliwice, 44-100, Poland ul. Konarskiego 18a/366
Copyright by L.A. Dobrza ski Gliwice 2009 Utwr w ca o ci ani we fragmentach nie mo e by powielany ani rozpowszechniany za pomoc urz dze elektronicznych, mechanicznych, kopiuj cych, nagrywaj cych i innych, w tym rwnie nie mo e by umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarwno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. SSEERRIIAA WWYYDDAAWWNNIICCZZAA:: Prace Instytutu Materia w In ynierskich i Biomedycznych Politechniki l skiej w Gliwicach ISBN 83-89728-52-4 EAN 9788389728524
1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich wytwarzania . . . . . . . . . . . . . . 22
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4. Nawglanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5. Azotowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6. Kompleksowe nasycanie azotem i innymi pierwiastkami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7. Borowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8. Dyfuzyjne nasycanie stali pierwiastkami metalicznymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9. Atmosfery ochronne i obrbka cieplna w prni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
10. Procesy nanoszenia powok z fazy gazowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
11. Warstwy powierzchniowe ksztatowane z wykorzystaniem technologii laserowych . . . . . . . 80
12. Warstwy powierzchniowe nanoszone metodami spawalniczymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
13. Warstwy powierzchniowe gradientowych materiaw narzdziowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
14. Powierzchniowe warstwy stopowe odlewnicze i infiltracyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
15. Powierzchniowe warstwy ceramiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
16. Pokrycia polimerowe i obrbka powierzchniowa polimerw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
17. Zmiany struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych w wyniku eksploatacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
18. Korozja metali i stopw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
19. Korozja elektrochemiczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
20. Korozja gazowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
21. Zuycie trybologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
22. Zuycie i niszczenie narzdzi skrawajcych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
23. Zuycie narzdzi do pracy na gorco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
24. Podsumowanie i uwagi kocowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Spis treci
-
L.A. Dobrza ski 6
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 7
1. Wprowadzenie
Jednym z zada wynikaj cych z wytycznych polityki naukowej, naukowo-technicznej
i innowacyjnej pa stwa do 2020 roku jest gospodarka oparta na wiedzy (GOW), ktra zasa-
dza si na tworzeniu traktowanym jako produkcja oraz na dystrybucji i praktycznym wykorzy-
staniu wiedzy i informacji. Podstaw rozwoju gospodarczego s zatem produkcja, dystrybucja
i wdro enie, a wiedza b d ca produktem stanowi g wny przyczynek do zrwnowa onego
rozwoju. W rd podstawowych programw i inicjatyw Unii Europejskiej realizowanych
w ramach wsp pracy mi dzynarodowej dla osi gni cia wymienionego stanu jest 7. Program
Ramowy Wsplnoty Europejskiej na lata 2007-2013 (7. PR) w zakresie bada , rozwoju
technologicznego i wdro e . Wzmacnianie potencja u badawczego Europy, tworzenie regio-
nw wiedzy, budowanie infrastruktury badawczej, a tak e spjny rozwj polityk badawczych
oraz dzia ania w zakresie wsp pracy mi dzynarodowej wyznaczaj zakres programu szcze-
g owego CAPACITIES (Mo liwo ci) 7. PR o zasadniczym znaczeniu dla konkurencyjno ci
i utrzymania potencja u wytwrczego Unii Europejskiej, niezb dnego wzmocnienia bada
przemys owych, oraz wprowadzania nowych rozwi za dla doskonaleniu istniej cego
potencja u wytwrczego. Program szczeg owy IDEAS (Pomys y) 7. PR zak ada wspieranie
najbardziej twrczych, interdyscyplinarnych bada naukowych na granicy wiedzy (ang.:
frontier research). Do si nap dowych (ang.: drivers) rozwoju nowych technologii, okre lo-
nych przez Komisj Europejsk nale y presja na rozwj nowych technologii, intensyfikacja
popytu na nowe materia y i procesy produkcyjne oraz spe nianie zasad zrwnowa onego
rozwoju. Szanse sukcesu maj g wnie zespo y i laboratoria interdyscyplinarne, w sk ad
ktrych wchodz specjali ci wielu dziedzin. Efekty innowacyjne i zwi zana z tym konkuren-
cyjno wytwrcw produktw na rynkach mi dzynarodowych zale ne s oczywi cie od przy-
j tej strategii rozwojowej technologii. Brak mo liwo ci konkurowania przez Uni Europejsk
z krajami rozwijaj cymi si o relatywnie taniej sile roboczej, wymusza wybr strategii
integracji r nych zaawansowanych dziedzin nauki i technologii oraz osi gania efektw
synergicznych w opracowywaniu nowych technologii, w tym materia owych i dotycz cych
kszta towania struktury i w asno ci powierzchni materia w in ynierskich, czego skutkiem
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 7
1. Wprowadzenie
Jednym z zada wynikajcych z wytycznych polityki naukowej, naukowo-technicznej
i innowacyjnej pastwa do 2020 roku jest gospodarka oparta na wiedzy (GOW), ktra zasa-
dza si na tworzeniu traktowanym jako produkcja oraz na dystrybucji i praktycznym wykorzy-
staniu wiedzy i informacji. Podstaw rozwoju gospodarczego s zatem produkcja, dystrybucja
i wdroenie, a wiedza bdca produktem stanowi gwny przyczynek do zrwnowaonego
rozwoju. Wrd podstawowych programw i inicjatyw Unii Europejskiej realizowanych
w ramach wsppracy midzynarodowej dla osignicia wymienionego stanu jest 7. Program
Ramowy Wsplnoty Europejskiej na lata 2007-2013 (7. PR) w zakresie bada, rozwoju
technologicznego i wdroe. Wzmacnianie potencjau badawczego Europy, tworzenie regio-
nw wiedzy, budowanie infrastruktury badawczej, a take spjny rozwj polityk badawczych
oraz dziaania w zakresie wsppracy midzynarodowej wyznaczaj zakres programu szcze-
gowego CAPACITIES (Moliwoci) 7. PR o zasadniczym znaczeniu dla konkurencyjnoci
i utrzymania potencjau wytwrczego Unii Europejskiej, niezbdnego wzmocnienia bada
przemysowych, oraz wprowadzania nowych rozwiza dla doskonaleniu istniejcego
potencjau wytwrczego. Program szczegowy IDEAS (Pomysy) 7. PR zakada wspieranie
najbardziej twrczych, interdyscyplinarnych bada naukowych na granicy wiedzy (ang.:
frontier research). Do si napdowych (ang.: drivers) rozwoju nowych technologii, okrelo-
nych przez Komisj Europejsk naley presja na rozwj nowych technologii, intensyfikacja
popytu na nowe materiay i procesy produkcyjne oraz spenianie zasad zrwnowaonego
rozwoju. Szanse sukcesu maj gwnie zespoy i laboratoria interdyscyplinarne, w skad
ktrych wchodz specjalici wielu dziedzin. Efekty innowacyjne i zwizana z tym konkuren-
cyjno wytwrcw produktw na rynkach midzynarodowych zalene s oczywicie od przy-
jtej strategii rozwojowej technologii. Brak moliwoci konkurowania przez Uni Europejsk
z krajami rozwijajcymi si o relatywnie taniej sile roboczej, wymusza wybr strategii
integracji rnych zaawansowanych dziedzin nauki i technologii oraz osigania efektw
synergicznych w opracowywaniu nowych technologii, w tym materiaowych i dotyczcych
ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich, czego skutkiem
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 8
z pewnoci bdzie generowanie nowych miejsc pracy dla wysoko wykwalifikowanych kadr.
Obszar merytoryczny bada okrelonych w 7. PR dotyczcy gwnej linii rozwojowej
inynierii materiaowej i metod wytwarzania objty jest tematem Nanonauki, nanotechno-
logie, materiay i nowe technologie produkcyjne programu szczegowego COOPERATION
(Wsppraca) 7. PR i dobrze wpisuje si w polityk europejsk budowania konkurencyjnej
Europy. Technologie procesw materiaowych i nowe materiay stanowi kluczowy zakres
badawczo-rozwojowy B+R, o zasadniczym znaczeniu dla przemysu oraz innych obszarw
zastosowa tych technologii. Do okrelenia tyche programw szczegowych 7. PR w za-
kresie materiaw i metod wytwarzania wykorzystano wyniki bada wykonanych w ramach
Foresightu technologicznego Europy w 5. i 6. Programach Ramowych Wsplnoty Europejskiej
i ogoszonych w raportach z realizacji projektw The Future of Manufacturing in Europe
(FutMan)1) oraz Manufacturing Visions The Futures Project (ManVis)2). Uoglnieniem
wynikw Foresightu europejskiego na rne nowe materiay i rne technologie procesw ma-
teriaowych jest oczekiwanie na wytwarzanie materiaw o wasnociach zamwionych przez
uytkownikw produktw. Zasadniczo zmienia to metodologi projektowania materiao-
wego w oglnoci oraz projektowania materiaowego produktw, gdy na danie wytwrcw
naley dostarcza materiay o odpowiednio uksztatowanej strukturze gwarantujcej wyma-
gany zesp wasnoci fizyko-chemicznych, a nie jak poprzednio z dostarczonych materiaw
o oferowanych strukturze i wasnociach wytwrcy mogli dokonywa wyboru materiau naj-
bardziej zblionego do oczekiwa. Prognozy europejskie wymuszaj zatem klasyfikacj mate-
riaw inynierskich ze wzgldu na charakterystyki funkcjonalne. Wobec tego mniej istotny
jest rodzaj uytego materiau, a waniejsza jest jego funkcjonalno. W raportach projektu
FutMan ujawniono zmian w ocenie roli materiaw inynierskich, ktre nie mog by nadal
postrzegane jako towary same w sobie, o poszukiwanych dla nich zastosowaniach, a rynek
nowych materiaw inynierskich nie moe pozostawa w dalszym cigu rynkiem producenta.
Nowe materiay inynierskie i procesy wytwarzania s bowiem podporzdkowane potrzebom
klienta i funkcjom uytkowym produktw. Wytwarzanie materiaw speniajcych potrzeby
wytwrcw produktw rynkowych w odpowiednim czasie i miejscu (ang.: materials on
demand) stanowi priorytet nowych technologii materiaowych i procesw wytwarzania. Z tak
1) http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/pro-futman-doc3a.pdf 2) http://manufacturing-visions.org/download/Final_Report_final.pdf
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 9
zmienion metodologi projektowania materiaowego wi si liczne dziaania okrelone
w tym Foresighcie europejskim zwizane z modelowaniem i symulacj procesw wytwarza-
nia oraz predykcj wasnoci eksploatacyjnych materiaw, opracowaniem bezpiecznych
technologii materiaw i produktw zoonych z elementw nanostrukturalnych, normalizacj
bada wasnoci materiaw zwaszcza nanostrukturalnych, opracowaniem metodyki predykcji
zachowa nowych materiaw podczas eksploatacji. W europejskim Foresighcie technologicz-
nym przewiduje si komplementarne technologie bazowe (doskonalenie istniejcych rozwi-
za), alternatywne (wykorzystujce synergi rnych rozwiza) i oryginalne (opracowywa-
nie nowych rozwiza). Do gwnych zada w tym zakresie zaliczono aplikacje osigni
nanonauki i nanotechnologii jako technologii przyszociowych (ang.: emerging technologies),
ze wzgldu na przewidywane moliwoci opracowywania nowych materiaw inynierskich
dla oczekiwanych zastosowa, jak rwnie uproszczenie procesw przetwrstwa materiaw
inynierskich. W projekcie FutMan przewidziano alternatywne moliwoci rozwoju nowych
procesw wytwarzania w odniesieniu do nowych materiaw inynierskich przez specjalizacj
(doskonalenie istniejcych technologii materiaowych przez osignicie jednej z podstawo-
wych ich funkcji), konwergencj (uzyskanie zaoonych cech uytkowych przez powizanie
ze sob rnych typw materiaw inynierskich) oraz integracj (wytwarzanie materiaw
wielofunkcyjnych przy wykorzystaniu wiedzy z wielu dziedzin nauki i technologii dla spe-
nienia wymaga uytkownikw i przetwrcw materiaw).
Poprawa wasnoci uytkowych produktw wymagana przez nowe strategie rozwoju
materiaw inynierskich, w tym biomedycznych oraz technologii procesw materiaowych
okrelone w projekcie FutMan zwizana jest bardzo czsto z odpowiednim ksztatowaniem
struktury i wasnoci warstw powierzchniowych materiaw inynierskich i biomedycznych.
Wasnoci uytkowe wielu produktw i ich elementw zale bowiem nie tylko od moliwoci
przeniesienia obcie mechanicznych przez cay czynny przekrj elementu z zastosowanego
materiau lub od jego wasnoci fizykochemicznych, lecz bardzo czsto take lub gwnie od
struktury i wasnoci warstw powierzchniowych [1-6]. W wyniku odpowiedniego doboru
materiau elementu wraz z procesami ksztatujcymi jego struktur i wasnoci oraz rodzaju
i technologii warstwy powierzchniowej, zapewniajcych wymagane wasnoci uytkowe,
moliwe jest najkorzystniejsze zestawienie wasnoci rdzenia i warstwy powierzchniowej
wytworzonego elementu. Wspczenie bardzo czsto wytwarza si materiay powierzchniowo
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 10
gradientowe. Koncepcja funkcjonalnych materiaw gradientowych (FGM ang.: functio-
nally graded materials) dotyczca materiaw, w ktrych wasnoci zmieniaj si stopniowo,
w sposb cigy lub dyskretny (skokowo), wraz z pooeniem, zostaa teoretycznie przewi-
dziana jeszcze w roku 1972 przez Bevera i wsppracownikw [7, 8], lecz rozwinita dopiero
po 15 latach w ramach projektu badawczego podjtego w Japonii, kiedy to opracowano liczne
metody wytwarzania takich materiaw [9-13], i szczegowo przebadana w ostatnim dzie-
sicioleciu w ramach priorytetowego programu w Niemczech [14], a w latach 2005-2007 take
w Polsce, w ramach ktrych metodycznie przeanalizowano wiele nowoczesnych technologii
wytwarzania materiaw tej kategorii. Gradientowe wasnoci materiaw uzyskuje si dziki
zmieniajcym si z pooeniem skadem chemicznym, skadem fazowym i struktur lub upo-
rzdkowaniem atomw. Wrd procesw wytwarzania funkcjonalnych materiaw gradien-
towych mona wyrni metody metalurgii proszkw zwizane ze zrnicowaniem wielkoci
ziarn na przekroju [15-19] jak rwnie z gradientem temperatury w czasie spiekania [20],
udziaem fazy ciekej [21], wspomagania laserowego i wyadowania plazmowego [22, 23].
Wrd wspczesnych metod mona wyrni zwizane z gradientem udziau objtociowego
faz i zrnicowaniem wielkoci ziarn w materiaach dwu lub wielowarstwowych [14], w tym
take przez zalewanie gstwy [24]. Metoda ta zostaa rwnie zbadana w Austrii [25] w od-
niesieniu do wglikw spiekanych i cermetali [26] jak rwnie w Hiszpanii [27] w odniesieniu
do stali szybkotncych. W Izraelu opracowano metod wtapiania NbC w osnow stali szybko-
tncej z uyciem lasera [28]. Gradientowe warstwy stopowane wytworzono z uyciem lasera w
Chinach [29-31] na podoach z rnych metali. Warstwy gradientowe s rwnie wytwarzane
metodami PVD na podou ze spiekanych materiaw narzdziowych [32-37]. Mona
uzyskiwa warstwy gradientowe przez spiekanie w reaktywnej atmosferze [25], jak rwnie
w obecnoci par metali, np. Cr [38]. We wszystkich wymienionych zakresach istotny jest
rwnie wkad wasnych prac Zakadu Technologii Procesw Materiaowych, Zarzdzania
i Technik Komputerowych w Materiaoznawstwie Instytutu Materiaw Inynierskich i Bio-
medycznych Politechniki lskiej w Gliwicach.
Ustawicznym deniem projektantw jest wola opracowania i wytworzenia idealnego
materiau, np. narzdziowego, ktry wykazywaby rwnoczenie maksymalnie moliw
odporno na zuycie w warunkach pracy oraz wysok cigliwo. Z natury rzeczy takie
poczenie wasnoci jest niemoliwe do uzyskania. Podejmowano wobec tego rne prby
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 11
choby czciowego rozwizania problemu przez stworzenie struktur warstwowych, m.in.
metodami obrbki cieplno-chemicznej, przez wytworzenie materiaw kompozytowych oraz
pokrywanie jednowarstwowe metodami CVD i PVD, a take napawanie lub natryskiwanie
twardych warstw metod metalizacji natryskowej. Kada z tych metod wykazuje jednak
ograniczenia, zwizane m.in. z nieodpowiedni gruboci warstwy wierzchniej, a zwaszcza
z problemami zwizanymi z nieodpowiedni przyczepnoci wytworzonej warstwy lub ze zbyt
duymi napreniami midzy warstw wierzchni a podoem, co czsto jest przyczyn przy-
spieszonego zuszczania lub odpryskiwania warstwy, zwaszcza w warunkach superpozycji
wewntrznych napre strukturalnych i napre zewntrznych wynikajcych z obcie
w warunkach pracy. Hybrydowe technologie zawierajce midzy innymi procesy obrbki
cieplno-chemicznej, stopowania, przetapiania lub wtapiania laserowego, formowania wtrysko-
wego proszku, a take fizycznego osadzania z fazy gazowej zapewniaj pene i kompleksowe
rozwizanie problemu projektowania materiaw do odpowiednich zastosowa. Jest to nowo-
czesny kierunek technologiczny i atrakcyjny badawczo. W tym wietle ponownie atrakcyjne
stay si klasyczne technologie, w tym obrbki cieplno-chemicznej. Obecnie koncepcja funk-
cjonalnych materiaw gradientowych, w tym narzdziowych materiaw gradientowych,
naley bowiem do jednej z najpowszechniej badanych w wiecie, jako jedna z moliwoci
dostosowywania (ang.: tailoring) wasnoci rnych elementw i narzdzi do wymogw eks-
ploatacyjnych. W tym obszarze Zakad Technologii Procesw Materiaowych, Zarzdzania
i Technik Komputerowych w Materiaoznawstwie Instytutu Materiaw Inynierskich i Bio-
medycznych Politechniki lskiej w Gliwicach ma rwnie znaczce dokonania.
Koncepcja gradientu struktury i wasnoci materiaw obecnie najczciej dotyczy warstw
powierzchniowych rnych grup materiaw inynierskich, w tym konstrukcyjnych, narz-
dziowych, funkcjonalnych oraz biomedycznych. Powoduje to coraz wiksze zainteresowanie
orodkw naukowych w caym wiecie t problematyk, a nawet swoisty nawrt do techno-
logii, ktrych jak si wydawao znaczenie poprzednio nawet zmalao. Ten nawrt zaintere-
sowa wynika gwnie z przesanek ekonomicznych, ale rwnie ekologicznych, a take
wynika ze zwikszenia wasnoci eksploatacyjnych produktw wytworzonych z udziaem tych
technologii, ktre czsto stosowane s jako hybrydowe, czc rne technologie zapewniajce
najlepsze moliwie wasnoci kolejno na sobie naoonych warstw powierzchniowych.
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 12
Obrbka powierzchni przez uzupenienie ubytkw w eksploatowanych dugotrwale ele-
mentach maszyn i urzdze, np. pojazdw samochodowych i silnikw spalinowych, oraz kszta-
towanie struktury i powierzchni ponownie uksztatowanych elementw konstrukcyjnych, stano-
wi moe obecnie podstaw re-manufacturingu. Przykadowo w Chinach, kraju o gospodarce
najintensywniej rozwijajcej si w wiecie, wybudowano cakowicie nowe fabryki wyposaone
w najnowsze dostpne na wiecie urzdzenia do obrbki powierzchniowej, z wykorzystaniem
technologii laserowych, plazmowych, PVD i CVD, w ktrych cakowitej renowacji poddawane
s zuyte cakowicie samochody, z ktrych odzyskuje si niezuyte elementy, a pozostae
poddaje si re-manufacturingowi. Koszty ponownego wyprodukowania pojazdu stanowi
jedynie cz kosztw produkcji pojazdu nowego, przy ponownym zapewnieniu 100% trwa-
oci. Ma to rwnie ogromne znaczenie dla wtrnego obrotu surowcami i ich recyklingu
i niewtpliwie stanowi oryginalny wkad do idei zrwnowaonego rozwoju i popierania
technologii proekologicznych.
O ile rozeznanie nowoczesnych technologii ksztatowania struktury i wasnoci powierz-
chni poszczeglnych grup materiaw inynierskich i biomedycznych przez rodowisko
naukowe mona uzna za dobre, o tyle wdraanie nowoci technologicznych w tym zakresie
w jednostkach przemysowych, a zwaszcza w maych i rednich przedsibiorstwach, z pewno-
ci nie jest zadowalajce. Naley przy tym zauway, e problem nie dotyczy wycznie
awangardowych technologii realizowanych przez wzorcowe przedsibiorstwa, lecz rwnie
bezwzgldnej potrzeby podwyszenia redniego poziomu realizacji tych technologii przez
statystyczn wikszo producentw, co ma bardzo istotne znaczenie dla jakoci i trwaoci,
statystycznej wikszoci produktw trafiajcych na rynek oraz istotnie decyduje o konkuren-
cyjnoci krajowej gospodarki. W wietle tych uwag problem ma wane znaczenie gospodarcze.
Technologie obrbki powierzchniowej wymagaj upowszechnienia oraz wdroenia we wszel-
kich uzasadnionych przypadkach, zwaszcza w maych i rednich przedsibiorstwach, ktre
dysponuj relatywnie maymi rodkami na badania i rozwj. Wszystkie z argumentw wspo-
mnianych w projekcie FutMan w odniesieniu do nowych materiaw inynierskich dotycz
take technologii ksztatowania struktury i wasnoci warstw powierzchniowych materiaw
inynierskich i biomedycznych. Najczciej z powodw ekonomicznych, ale rwnie ekologi-
cznych winny by wdraane nowe technologie w tym zakresie, ktre czsto nale do domeny
nanotechnologii, a ksztatowane powoki powierzchniowe o gruboci kilku mikrometrw
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 13
zoone mog by z kilkudziesiciu do kilkuset warstw. Technologie obrbki powierzchniowej
s coraz bardziej powszechnie stosowane we wszystkich niemal sektorach produkcyjnych
przemysu, w tym samochodowym, budownictwie, wyposaenia medycznego, urzdze
sanitarnych, elektrotechnice, elektronice, a nawet przy wytwarzaniu biuterii. Ale jest te wiele
innych sektorw bdcych wanymi odbiorcami dla brany obrbki powierzchniowej, w tym
midzy innymi przemys budowy maszyn i narzdzi, przemys metalurgiczny, elektrotech-
niczny, elektroniczny, tworzyw polimerowych oraz przemys lotniczy. W wyniku odpowie-
dniego doboru procesw ksztatujcych struktur i wasnoci produktw, rodzaju i technologii
warstwy powierzchniowej oraz materiau podoa elementu zapewniane s bowiem wymagane
wasnoci uytkowe wytworzonych elementw.
Zdefiniowanie wiodcych technologii i kierunkw bada strategicznych w zakresie metod
ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych
stanowi warunek opracowania wasnych strategii rozwojowych przez wiele maych i rednich
przedsibiorstw i poprawy ich konkurencyjnoci w skali krajowej i globalnej, w wyniku
aplikacji i rozwoju zaawansowanych technologii ksztatowania struktury i wasnoci powie-
rzchni, jako istotnego fragmentu technologii wytwarzania produktw oraz warunkuje bardziej
elastyczn adaptacj produkcji do aktualnych potrzeb rynkowych. Technologie ksztatowania
struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych s coraz bardziej
powszechnie stosowane w wielu sektorach produkcyjnych przemysu, w tym w przemyle
budowy maszyn i narzdzi, samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, elektrotechnicznym,
elektronicznym, tworzyw sztucznych, wyposaenia medycznego, urzdze sanitarnych,
budownictwie, elektrotechnice, elektronice, jubilerstwie. Brana obrbki powierzchniowej
i pokrywania powierzchni to jeden z najbardziej dynamicznie rozwijajcych si sektorw gos-
podarki, np. w Niemczech z kilkunastoprocentow dynamik w porwnaniu ze rednim okoo
2,7% wzrostem gospodarczym w tym kraju, co zaprezentowano m.in. na targach WIAT
POKRY POWIERZCHNI Centralnego Zwizku Technik Obrbki Powierzchniowej ZVO
w Stuttgarcie w Niemczech w 2008 roku. Analizy niemieckie wskazuj, e wzrost gospodarczy
firm aktywnych w obszarze inynierii powierzchni jest zatem ponad 4-krotnie wikszy ni
rednia krajowa, a ksztatowanie struktury i wasnoci warstw powierzchniowych produktw
i ich elementw wytworzonych z materiaw inynierskich i biomedycznych zapewnia
polepszenie wasnoci uytkowych, trwaoci i niezawodnoci produkcji. Z nieproporcjonalnie
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 14
wysok, kilkunastoprocentow dynamik rozwija si sektor pokry galwanicznych i obrbki
powierzchni, obejmujcy wycznie przedsibiorstwa mae i rednie, zatrudniajce od 5 do 400
pracownikw. Podstawowe zainteresowanie t problematyk przejawiaj przedstawiciele
przemysu (77%) oraz sub serwisowych (16%). Rwnoczenie obecne zainteresowania
zawodowe w Niemczech dotycz usug w zakresie obrbki powierzchniowej (44%), urzdze
czyszczcych i przygotowujcych do obrbki powierzchni (22%), technologii elektrolitycz-
nych (21%), specjalnych systemw obrbki powierzchniowej (17%), materiaw lakierniczych
i surowcw do obrbki powierzchniowej (9%), systemw lakierniczych, emalierskich i pokry-
wania materiaami polimerowymi (9%), systemw kontroli zanieczyszcze powodowanych
przez obrbk powierzchniow (9%), systemw kontrolno-pomiarowych stosowanych do
obrbki powierzchniowej (6%), systemw obrbki laserowej oraz plazmowej (2%) i systemw
ksztatowania struktury powierzchni (1%). Wrd zagadnie najbardziej interesujcych
wymieniane s technologie elektrolityczne (38%), urzdzenia czyszczce i przygotowujce do
obrbki powierzchni (30%), usugi w zakresie obrbki powierzchniowej (28%), systemy
kontrolno-pomiarowe stosowane do obrbki powierzchniowej (24%), specjalne systemy
obrbki powierzchniowej (23%), materiay lakiernicze i surowce do obrbki powierzchniowej
(21%), systemy lakiernicze, emalierskie i pokrywania materiaami polimerowymi (20%),
systemy kontroli zanieczyszcze powodowanych przez obrbk powierzchniow (14%),
systemy obrbki laserowej oraz plazmowej (11%) i systemy ksztatowania struktury
powierzchni (5%). Pomidzy tymi dwoma zestawieniami wystpuj znaczce rnice.
Niezalenie od oceny tego, na ile adekwatny jest podzia na wskazane zakresy zainteresowa
oraz od oceny reprezentatywnoci wykonanych ankiet naley bezsprzecznie stwierdzi, e
obserwuje si znaczce zainteresowanie postpem w wymienionej brany przemysowej.
Przewidywanie intensywnego rozwoju tej brany rwnie w Polsce, uzasadnia zainteresowanie
wymienion problematyk. Brana ta oprcz wielkich wytwrcw, np. samochodw, samo-
lotw lub urzdze energetycznych, obejmuje wiele przedsibiorstw maych i rednich, w tym
rwnie czsto kooperujcych z wielkimi wytwrcami produktw gotowych. Wdraanie
nowoci technologicznych w tym zakresie w jednostkach przemysowych, a zwaszcza w
maych i rednich przedsibiorstwach, z pewnoci nie jest zadowalajce. Naley zauway, e
problem nie dotyczy wycznie awangardowych technologii realizowanych przez wzorcowe
przedsibiorstwa, lecz rwnie bezwzgldnej potrzeby podwyszenia redniego poziomu
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 15
realizacji tych technologii przez statystyczn wikszo producentw, w tym zwaszcza
drobnych, co ma bardzo istotne znaczenie dla jakoci i trwaoci, statystycznej wikszoci
produktw trafiajcych na rynek oraz istotnie decyduje o konkurencyjnoci krajowej gospo-
darki. Problem ma zatem wane znaczenie gospodarcze. W dugim horyzoncie czasowym
polskie przedsibiorstwa, wzorem firm dziaajcych w krajach tzw. starej Unii Europejskiej,
powinny ka bowiem nacisk na cigy rozwj zaawansowanych technologii wytwarzania
i poszukiwanie innowacyjnych rozwiza, w celu realizacji produkcji elastycznie reagujcej na
cige zmiany preferencji klientw. Rozwj ten powinien bazowa na osigniciach sfery
badawczo-rozwojowej, ktrej zasadnicze kierunki bada powinny by zbiene z kierunkami
rozwoju firm wynikajcymi z szans, jakie pyn dla nich z otoczenia, zapewniajc deklarowany
zrwnowaony rozwj.
W okresie stycze-wrzesie 2008 roku wrd dziaw o znaczcym udziale w produkcji
metod ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni w najwikszym stopniu zwikszya si
produkcja: maszyn i urzdze o 19,9% (w tym produkcja urzdze do wytwarzania i wyko-
rzystywania energii mechanicznej, w wyczeniem silnikw lotniczych, samochodowych
i motocyklowych o 20,6%), pojazdw samochodowych, przyczep i naczep o 16.2% (w tym
produkcja pojazdw samochodowych o 20,1%), obrbka metali o 15,7%, obrbka metalowych
elementw konstrukcyjnych o 14,1%. W wojewdztwie lskim produkuje si 91,4% pol-
skiego wgla kamiennego, 63,0% wyrobw walcowanych, 42,6% koksu, 68,8% stali surowej,
19,7% energii elektrycznej i 82,7% samochodw oglnego przeznaczenia. Dla gospodarki
wojewdztwa w dalszym cigu due znaczenie ma grnictwo wgla kamiennego, hutnictwo
elaza, cynku i oowiu, energetyka, przemys elektromaszynowy, spoywczy i chemiczny, a w
ostatnim okresie rwnie przemys motoryzacyjny. W procesie przebudowy gospodarki woje-
wdztwa lskiego rozwj sektora maych i rednich przedsibiorstw (MSP) ma znaczenie
strategiczne. Od kilkunastu lat zmienia si struktura wasnociowa i organizacyjna przedsi-
biorstw wojewdztwa. Przybywa maych i rednich firm prywatnych, prowadzcych rno-
rodn dziaalno gospodarcz. W 2003 r. w wojewdztwie lskim w sektorze prywatnym
pracowao 946,7 tys. osb (tj. 10,7% zatrudnienia krajowego tego sektora), co stanowio 63,3%
pracujcych ogem (w kraju 70,1%). W wojewdztwie lskim mieszka 4,65 mln osb, co
stanowi 12,2% ludnoci Polski. Pod wzgldem liczby ludnoci znajduje si na 2. miejscu
w kraju po wojewdztwie mazowieckim (13,6%). Na 1 km2 powierzchni oglnej przypadao
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 16
przecitnie 377 osb (w kraju 122 osoby). Pod wzgldem gstoci zaludnienia wojewdztwo
lskie zajmowao pierwsze miejsce w kraju. Wojewdztwo lskie jest najbardziej zurbani-
zowanym wojewdztwem w kraju. W kocu 2007 r. w miastach mieszkao 3647,2 tys. osb,
tj. 78,4% oglnej liczby ludnoci. Wojewdztwo lskie mieci si w grupie najsilniejszych
gospodarczo regionw Polski. W regionie wytwarza si 13,7% Produktu Krajowego Brutto
(PKB) i 17,2% krajowej produkcji sprzedanej przemysu (z tego 62% przypada na sektor
prywatny). Pod wzgldem wielkoci wytwarzanego PKB wojewdztwo lskie zajmuje po
wojewdztwie mazowieckim (20,4%) drugie miejsce w kraju. Produkt Krajowy Brutto w prze-
liczeniu na 1 mieszkaca wynosi 22,6 tys. z i jest wyszy od redniej krajowej (20,4 tys. z).
Jest to efektem prnoci skoncentrowanego tutaj przemysu, jak rwnie rozwoju sektora
prywatnego i usug. W wietle przedstawionych danych mona stwierdzi, e rynek przedsi-
biorstw przemysowych wykorzystujcych bezporednio w produkcji metody ksztatowania
struktury i wasnoci powierzchni, w tym zwaszcza w wojewdztwie lskim, jest dynamiczny
i naley do najszybciej rozwijajcych si w kraju3),4) (tabl. 1 i 2 oraz rys. 1).
Tablica 1 Dziay przemysu o duym lub bardzo duym udziale metod ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni w produkcji (w I-II kwartale 2008 r. wg klasyfikacji GUS)
Liczba przed-sibiorstw
Produkcja sprze-dana w cenach
biecych
Przecitne zatrudnienie Lp. Dzia przemysu
liczba % mln PLN % tys. osb %
WSZYSTKIE PRZEDSIBIOR-STWA PRZEMYSOWE 8 592 100 385 068,1 100 2 140,8 100
1. Produkcja metali 170 2,0 21 326,0 5,5 63,3 2,9
2. Produkcja wyrobw z metali 1 048 12,2 20 481,5 5,3 169,0 7,9
3. Produkcja maszyn i urzdze 729 8,5 21 279,4 5,5 161,9 7,6
4. Produkcja instrumentw medycz-nych, precyzyjnych i optycznych, zegarw i zegarkw
127 1,5 2 310,7 0,6 26,4 1,2
5. Produkcja pojazdw samochodo-wych, przyczep i naczep 272 3,2 44 717,0 11,6 128,0 6,0
Razem 2 346 27,4 110 114,6 28,6 548,6 25,6
3) Informacja o sytuacji spoeczno-gospodarczej kraju. I-III kwarta 2008 r. z dnia 22.10.2008 r , GUS 4) http://www.stat.gov.pl/cps/rde/xbcr/gus/PUBL_tablice_nakl_przem_II_kw_2008.xls
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 17
Tablica 2 Dziay przemysu stosujce metody ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni w ograniczonym zakresie lub wykorzystujce narzdzia i oprzyrzdowani wykonane z zastosowaniem tych metod (w I-II kwartale 2008 r. wg klasyfikacji GUS)
Liczba przed-sibiorstw
Produkcja sprze-dana w cenach
biecych Przecitne
zatrudnienie Lp. Dzia przemysu
liczba % mln PLN % tys. osb % WSZYSTKIE PRZEDSIBIOR-STWA PRZEMYSOWE 8 592 100 385 068,1 100 2 140,8 100
1. Grnictwo wgla kamiennego i brunatnego; wydobywanie torfu 28 0,3 12 384,0 3,2 138,7 6,5
2. Produkcja artykuw spoywczych i napojw 1 453 16,9 57 668,9 15,0 295,2 13,8
3. Wkiennictwo 287 3,3 3 946,3 1,0 55,6 2,6
4. Produkcja skr wyprawionych i wyrobw z nich 111 1,3 1 045,2 0,3 16,9 0,8
5. Produkcja drewna i wyrobw z drewna oraz ze somy i wikliny 403 4,7 8 389,8 2,2 71,2 3,3
6. Produkcja masy wknistej oraz papieru 189 2,2 7 283,3 1,9 31,5 1,5
7. Dziaalno wydawnicza; poli-grafia i reprodukcja zapisanych nonikw informacji
263 3,1 6 354,6 1,7 44,8 2,1
8. Produkcja koksu i produktw rafinacji ropy naftowej 24 0,3 28 375,6 7,4 14,5 0,7
9. Produkcja wyrobw chemicznych 288 3,4 23 035,6 6,0 90,9 4,2
10. Produkcja wyrobw gumowych i z tworzyw sztucznych 602 7,0 16 674,5 4,3 112,9 5,3
11. Produkcja wyrobw z pozosta-ych surowcw niemetalicznych 429 5,0 16 467,8 4,3 101,9 4,8
12. Produkcja metali 170 2,0 21 326,0 5,5 63,3 3,0
13. Produkcja maszyn biurowych i komputerw 23 0,3 696,7 0,2 5,4 0,3
14. Produkcja maszyn i aparatury elektrycznej 308 3,6 13 182,3 3,4 94,6 4,4
15. Produkcja sprztu i urzdze ra-diowych, telewizyjnych i teleko-munikacyjnych
75 0,9 7 231,7 1,9 31,9 1,5
16. Produkcja pozostaego sprztu transportowego 127 1,5 5 308 1,4 62,1 2,9
17. Produkcja mebli; pozostaa dziaalno produkcyjna 533 6,2 11 879,7 3,1 132,3 6,2
18. Przetwarzanie odpadw 37 0,4 1 631,9 0,4 5,0 0,2 Razem 5 350 62,3 242 881,9 63,1 1 368,7 63,9
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 18
27,4
62,7
9,9
A
B
C
Rysunek 1. Udzia procentowy liczby przedsibiorstw: A o duym lub bardzo duym udziale metod ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni w produkcji, B stosujcych metody ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni w ograniczonym zakresie lub wykorzystuj-cych narzdzia i oprzyrzdowanie wykonane z zastosowaniem tych metod, C pozostaych
Zagadnieniami dotyczcymi ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni materiaw
inynierskich i biomedycznych jest potencjalnie zainteresowanych 1276 instytucji i jednostek
naukowych w kraju5). Szczegowe dane prezentujce liczb tych instytucji z uwzgldnieniem
gwnych obszarw tematycznych bdcych przedmiotem ich dziaalnoci przedstawiono na
rysunku 2.
156
35
298
15084
181
21046 116
1234567
Rysunek 2. Instytucje naukowe zainteresowane wynikami foresightu; 1 Automatyka i robo-
tyka, 2 Inynieria biomedyczna, 3 Budowa i eksploatacja maszyn, 4 Elektrotechnika, 5 Energetyka, 6 Inynieria materiaowa, 7 Mechanika, 8 Metalurgia, 9 Transport
Analiza informacji publicznych dotyczcych finansowania bada ze rodkw publi-
cznych, obecnie za porednictwem Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyszego, wskazuje e
tematyka inynierii powierzchni stanowi zauwaaln cz finansowanych projektw bada-
wczych. Finansowano rwnie powaniejsze projekty o zblionej tematyce, midzy innymi
5) Szacunek na podstawie bazy danych OPI (stan na dzie 10.11.2008)
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 19
projekt zamawiany dotyczcy materiaw gradientowych oraz projekt FOREMAT, ktrego
gwnym celem byo opracowanie scenariuszy rozwoju technologii materiaw metalowych,
ceramicznych i kompozytowych w Polsce, przy zastosowaniu najnowszych osigni metodo-
logii foresight, a take projekt ROTMED dotyczcy monitorowania i scenariuszy rozwoju
technologii medycznych w Polsce. Projekty badawcze z natury rzeczy dotyczyy szczego-
wych aspektw zwizanych ze zjawiskami i mechanizmami zachodzcymi w rnych mate-
riaach w wyniku lub w trakcie obrbki powierzchniowej, chocia tematyka metod ksztato-
wania struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych nie bya
w nich reprezentowana.
W celu ukierunkowania rozwoju najkorzystniejszych rozwiza technologicznych doty-
czcych ksztatowania struktury i wasnoci warstw powierzchniowych produktw i ich ele-
mentw wytworzonych z materiaw inynierskich i biomedycznych z punktu widzenia
poprawy konkurencyjnoci przedsibiorstw, zwaszcza maych i rednich oraz polepszenia
wasnoci uytkowych, trwaoci i niezawodnoci produkcji podjto realizacj projektu
FORSURF nt. Foresight wiodcych technologii ksztatowania wasnoci powierzchni
materiaw inynierskich i biomedycznych. Wyniki projektu adresowane s do wielu
przedsibiorstw na terenie caego kraju i zostan wykorzystane w ich proinnowacyjnej
dziaalnoci, przyczyniajc si do intensyfikacji transferu wiedzy do gospodarki. Promocja
wynikw projektu oraz szerokie wykorzystanie elektronicznych narzdzi, takich jak strona
internetowa, bazy danych o technologiach ksztatowania wasnoci powierzchni materiaw
inynierskich i biomedycznych oraz produktach, do ktrych mog by zastosowane, konfe-
rencje, warsztaty i seminaria zapewniajce dostp do wynikw projektu, bardzo szerokiemu
gronu uytkownikw jego rezultatw.
Celem oglnym projektu FORSURF jest zwikszenie innowacyjnoci i konkurencyjnoci
polskiej gospodarki poprzez zacienienie wsppracy midzy sfer badawczo-rozwojow
(B+R) a gospodark, a w szczeglnoci dostosowanie tematyki prac badawczych do biecego
i rzeczywistego zapotrzebowania przedsibiorstw przemysowych oraz zwikszenie zaangao-
wania krajowych przedsibiorstw w dziaalno proinnowacyjn, co przyczyni si do wzrostu
chonnoci innowacji i absorpcji finansowania dziaalnoci proinnowacyjnej w gospodarce.
Gwnym celem projektu FORSURF jest identyfikacja priorytetowych innowacyjnych
technologii oraz kierunkw bada strategicznych w zakresie metod ksztatowania struktury
-
1. Wprowadzenie
L.A. Dobrzaski 20
i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych, ktrych rozwj w kraju
bdzie mia kluczowe znaczenie w cigu najbliszych 20 lat. Projekt jest realizowany
z udziaem wysokiej klasy ekspertw z kraju i z zagranicy przy zastosowaniu najnowszych
osigni w metodologii foresightu, jako wane rdo diagnoz kluczowych problemw
naukowych, technologicznych, gospodarczych i ekologicznych oraz instrument prognozowania
i podejmowania decyzji przez wadze krajowe zarzdzajce nauk, rodowisko biznesowe oraz
instytucje administracji publicznej. Identyfikacja priorytetowych innowacyjnych technologii
dotyczcych metod ksztatowania struktury i wasnoci powierzchni materiaw inynierskich
i biomedycznych ma na celu ukierunkowanie wzrostu innowacyjnoci polskich przedsi-
biorstw produkcyjnych i przyczynienie si do zrwnowaonego rozwoju gospodarczego kraju.
Wytyczenie kierunkw bada strategicznych w zakresie przedmiotu projektu FORSURF ma
zwizek ze zwikszeniem roli nauki polskiej w gospodarce oraz z pozytywnym wpywem na
poziom konkurencyjnoci polskich bada z zakresu nauk technicznych w UE i na wiecie.
Proinnowacyjne ukierunkowanie krajowych bada naukowych i dziaalnoci polskich przed-
sibiorstw przyczynia si do zwikszenia udziau innowacyjnych produktw w gospodarce
krajowej, a co za tym idzie wpywa na utworzenie licznych nowych, trwaych miejsc pracy
zwizanych z budow gospodarki opartej na wiedzy. Istota celw projektu FORSURF jest w
peni zgodna z celami Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, gdy bezporednio
lub porednio przyczynia si do zwikszenia innowacyjnoci przedsibiorstw, wzrostu
konkurencyjnoci polskiej nauki, zwikszenia roli polskiej nauki w rozwoju gospodarczym,
zwikszenia udziau innowacyjnych produktw polskiej gospodarki w rynku midzynarodo-
wym, tworzenia trwaych i lepszych miejsc pracy, a take wzrostu wykorzystania technologii
informacyjnych i komunikacyjnych w gospodarce. Projekt jest zgodny z tematyk okrelon
przez ministra waciwego ds. nauki w zakresie celw polityki naukowej, naukowo-technicznej
i innowacyjnej pastwa. Identyfikacja priorytetowych innowacyjnych technologii i kierunkw
bada strategicznych bdca gwnym celem projektu umoliwia waciwe ukierunkowanie
rozwoju, a tym samym wpywa pozytywnie na wzrost innowacyjnoci polskich przedsi-
biorstw, ktre dziaaj w obszarze tematycznym objtym projektem. Projekt ze wzgldu na
badawczy charakter wspiera take rozwj gospodarki opartej na wiedzy (GOW), ktry jest
jednym z priorytetowych zada wynikajcych z wytycznych polityki naukowej, naukowo-
technicznej i innowacyjnej pastwa do 2020 roku.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 21
Celem niniejszej publikacji jest oglna analiza podstawowych danych literaturowych
dotyczcych stanu technologii ksztatowania struktury i wasnoci warstw powierzchniowych
oraz identyfikacja stosowanych w Polsce technologii i podanego ich rozwoju wraz ze wska-
zaniem produktw, dla ktrych naley je zastosowa, w celu wyonienia najbardziej efekty-
wnych i koniecznych do upowszechnienia w przemyle rozwiza. Efektem upowszechnienia
wiedzy w tym zakresie wrd rodowisk przemysowych i naukowych zainteresowanych t
tematyk oraz aktywizacja debaty publicznej jej dotyczcej, stwarza dobre podstawy do
rozpoczcia bada nad identyfikacj i nastpnym rozwojem wiodcych technologii i zwiza-
nych z tym kierunkw bada strategicznych w zakresie metod ksztatowania struktury i wa-
snoci powierzchni materiaw inynierskich i biomedycznych oraz produktw i ich elemen-
tw.
-
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich wytwarzania
L.A. Dobrzaski 22
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich
wytwarzania
Struktura i wasnoci warstw powierzchniowych bardzo czsto, a nawet gwnie, decy-
duj o wasnociach uytkowych wielu produktw i ich elementw (rys. 3). Rwnie wzgldy
ekonomiczne nakazuj stosowanie w takich przypadkach warstw powierzchniowych, zape-
wniajcych wymagane wasnoci uytkowe przy rwnoczesnym uyciu moliwie tanich
materiaw na rdze elementu, od ktrego wymaga si z reguy mniejszych wasnoci
uytkowych. W wyniku odpowiedniego doboru materiau elementu wraz z procesami
ksztatujcymi jego struktur i wasnoci oraz rodzaju i technologii warstwy powierzchniowej,
zapewniajcych wymagane wasnoci uytkowe, moliwe jest rwnie najkorzystniejsze zesta-
wienie wasnoci rdzenia i warstwy powierzchniowej wytworzonego elementu.
Rysunek 3. Najwaniejsze wasnoci eksploatacyjne warstwy powierzchniowej
Uzyskane warstwy powierzchniowe mog by:
warstwami wierzchnimi, ograniczonymi powierzchni obrabianego elementu, obejmu-
jcymi obszar materiaw o wasnociach rnicych si od wasnoci materiaw
rdzenia, uzyskanymi w wyniku cznego dziaania si mechanicznych, elektrycznych,
ciepa, czynnikw chemicznych,
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 23
powokami, czyli warstwami metalu, stopu, materiau ceramicznego, materiau polime-
rowego lub innych materiaw, naniesionymi trwale na powierzchni podoa, w celu
uzyskania wymaganych wasnoci fizycznych, antykorozyjnych lub dekoracyjnych.
Warstwy powierzchniowe ze wzgldu na zastosowanie, mona podzieli na:
wykazujce wymagane wasnoci fizyczne zapewniajce produktom lub ich elementom
okrelone wasnoci mechaniczne, jak wysok twardo w stosunku do waciwej dla
podoa, zwikszon odporno na zuycie trybologiczne, zwikszon przewodno elek-
tryczn lub ciepln, du odporno na dziaanie wysokiej temperatury,
antykorozyjne, w tym o charakterze anodowym lub katodowym, przeciwdziaajce ko-
rozji elektrochemicznej, jak rwnie stanowice barier dyfuzyjn dla korozji gazowej,
dekoracyjne i ochronno-dekoracyjne, nadajce produktom estetyczny wygld zewn-
trzny, o czym decyduje barwa, poysk, odporno na pokrywanie si nalotem i ewentual-
nie faktura powierzchni oraz zdolno do fluorescencji, fosforescencji lub radioaktyw-
noci, a czsto take rwnoczesnej odpornoci antykorozyjnej.
Metody wytwarzania warstw powierzchniowych w zalenoci od rodzaju zjawisk
przebiegajcych podczas ich wytwarzania mona podzieli na 6 grup (rys. 4), z ktrych kada
pozwala na uzyskanie odpowiedniego rodzaju warstwy powierzchniowej o zrnicowanej gru-
boci i przeznaczeniu.
Rysunek 4. Metody wytwarzania warstw powierzchniowych
Do procesw technologicznych konstytuowania warstw powierzchniowych zestawionych
na rysunku 5 s zaliczane metody:
-
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich wytwarzania
L.A. Dobrzaski 24
Rysunek 5. Podzia metod wytwarzania warstw powierzchniowych ze wzgldu na sposb
powstawania warstw
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 25
mechaniczne, wykorzystujce nacisk lub energi kinetyczn narzdzia albo czstek w celu umocnienia warstwy wierzchniej na zimno bd otrzymania powoki ochronnej na
zimnym podou,
cieplno-mechaniczne, w ktrych wykorzystuje si czne oddziaywanie ciepa i nacisku w celu otrzymania powok, jak rwnie niekiedy warstw wierzchnich,
cieplne, ktre s zwizane z oddziaywaniem ciepa na warstw powierzchniow mate-riaw w celu spowodowania zmian struktury materiaw, gwnie metali, w stanie sta-
ym, jak rwnie zmian stanu skupienia ze stanu staego w cieky i nastpnie odwrotnie,
materiaw pokrywanych (nadtopienie), jak i pokrywajcych (napawanie lub natapianie),
cieplno-chemiczne, w ktrych oddziauj cznie ciepo i aktywny chemicznie orodek, w celu pokrycia obrobionego materiau, gwnie stopw metali, wymaganym
pierwiastkiem lub substancj chemiczn dla spowodowania zmian struktury warstwy
powierzchniowej; wrd metod cieplno-chemicznych oddzieln grup stanowi procesy
chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD,
chemiczne i elektrochemiczne, polegajce na bezporednim osadzeniu materiau niemetalowego lub metalowego na powierzchni obrabianego elementu (np. powoki
malarskie, z materiaw polimerowych, powoki galwaniczne i konwersyjne), usuwaniu
zanieczyszczonej lub utlenionej warstwy powierzchniowej w procesach trawienia i po-
lerowania lub zestalania cieplno-chemicznego przez samoutlenianie oraz polimeryzacj
tlenow substancji bonotwrczych bd sieciowanie w temperaturze pokojowej lub
podwyszonej ywic chemoutwardzalnych nanoszonych metodami lakierniczymi,
fizyczne, zwizane z osadzaniem powok adhezyjnie poczonych z podoem, niekiedy z udziaem pocze dyfuzyjnych w wyniku zjawisk fizycznych przebiegajcych pod
cinieniem atmosferycznym (np. odparowanie rozpuszczalnika podczas nanoszenia
powoki malarskiej) lub zwykle pod cinieniem obnionym, z udziaem jonw, jak napa-wanie, napylanie, rozpylanie, implantowanie jonw lub pierwiastkw metalicznych bd
niemetalicznych; do metod tych naley fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD,
zwizane z odparowaniem metali lub stopw lub rozpylaniem katodowym w prni
i jonizacj gazw par metali, ktrych cech jest krystalizacja par z plazmy.
W zalenoci od zastosowanych procesw technologicznych obrbki powierzchniowej,
naley w odpowiedni sposb przygotowa powierzchni obrabianego elementu, w wyniku
czego mona polepszy rone, podane wasnoci warstwy wierzchniej. W tablicy 3 por-
wnano rne procesy technologiczne obrbki powierzchniowej.
-
2. Oglna klasyfikacja warstw powierzchniowych i procesw ich wytwarzania
L.A. Dobrzaski 26
Tablica 3 Porwnanie procesw technologicznych obrbki powierzchniowej (opracowano wedug danych N.A. Watermana i M.F. Ashbyego)
Proces Podstawowe polepszane wasnoci
Dodatkowe korzystne wasnoci
Zacho-wanie
wymia-rw
Przygo-towanie powie-rzchni
Koszt
Moli-wo
zastoso-wania
Znie-kszta-cenie
Limit grubo-ci, m
Tempera-tura pod-oa, C
Malowanie odporno korozyjna szczotko-
wanie ~20
Powoki organiczne proszkowe
odporno korozyjna
lepsza odpor-no na
cieranie po malowaniu
szczotko-wanie,
odtusz-czanie
Galwa-nizacja
odporno korozyjna
i na cieranie
smarno, prze-wodno
cieplna i ele-ktryczna
odtusz-czanie ~100 ~20
Powlekanie bezprdowe
odporno korozyjna
i na cieranie
smarno, wasnoci
elektryczne i magnetyczne
odtusz-czanie 25 1200
PACVD odporno na zuycie i na korozj
specjalne 10 >600
PVD odporno na zuycie i na korozj
specjalne 10 >500
PAPVD odporno na zuycie i na korozj
bariera cieplna, odporno ero-zyjna, wasno-ci magnetycz-ne i elektryczne
specjalne 25 >500
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 27
Proces Podstawowe polepszane wasnoci
Dodatkowe korzystne wasnoci
Zacho-wanie
wymia-rw
Przygo-towanie powie-rzchni
Koszt
Moli-wo
zastoso-wania
Znie-kszta-cenie
Limit grubo-ci, m
Tempera-tura pod-oa, C
Platerowa-nie przez walcowanie
odporno korozyjna
szczotko-wanie 20
Powlekanie chemiczne konwer-syjne
odporno korozyjna
i na zuycie smarno
obrbka skrawa-
niem 700 80
Nawglanie odporno na zuycie wytrzymao zmczeniowa
obrbka skrawa-
niem 2000 825950
Wglo-azotowanie wysoko-tempera-turowe
odporno na zuycie
obrbka skrawa-
niem 750 800870
Azotowanie odporno na zuycie wytrzymao zmczeniowa
obrbka skrawa-
niem 500 500590
Wglo-azotowanie niskotem-peraturowe
odporno na zuycie anty scuffing
obrbka skrawa-
niem 250 540600
Borowanie odporno na zuycie twardo na
gorco obrbka skrawa-
niem 25 1100
Chromo-wanie
odporno korozyjna i na utle-
nianie
obrbka skrawa-
niem 1000 1300
Aluminio-wanie
odporno korozyjna i na utle-
nianie
obrbka skrawa-
niem 1000 1000
Hartowanie powierz-chniowe
odporno na zuycie
wytrzymao zmczeniowa
obrbka skrawa-
niem 5000 1000
Nagniataniewytrzyma-o zm-czeniowa
obrbka skrawa-
niem 250 ~20
Oznaczenia: bardzo dobry, tak, wysoki, redni, umiarkowany, niekiedy, nie, niski, aden, nie ma, dobry, ograniczony, rny.
-
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
L.A. Dobrzaski 28
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
Obrbka cieplno-chemiczna jest dziedzin obrbki cieplnej obejmujc zesp operacji
i zabiegw umoliwiajcych zmian skadu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej
stopu (a przez to zmian wasnoci obrabianych elementw) w wyniku zmian temperatury
i chemicznego oddziaywania orodka. Obrbka cieplno-chemiczna polega zatem na zamierzo-
nej dyfuzyjnej zmianie skadu chemicznego warstwy powierzchniowej elementw metalowych
w celu uzyskania odpowiednich ich wasnoci uytkowych.
Obrbce cieplno-chemicznej poddaje si zwykle stopy elaza, gwnie stale, chocia
znalaza ona rwnie zastosowanie w technologii elementw z metali nieelaznych, np.
molibdenu, wolframu, tytanu i innych. Obrbce cieplno-chemicznej s poddawane zarwno
elementy konstrukcyjne, w tym elementy maszyn, jak i narzdzia. Celem obrbki cieplno-
chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwikszonej odpornoci na cieranie
i zuycie trybologiczne, o zwikszonej odpornoci korozyjnej i erozyjnej, czsto zwikszenie
odpornoci elementw na zmczenie lub poprawa niektrych wasnoci fizycznych powie-
rzchni.
W przypadku stopw elaza, procesy obrbki cieplno-chemicznej mog prowadzi do
uzyskania trzech podstawowych typw ukadw rwnowagi fazowej elaza, stanowicego
podoe, ze skadnikami nasycajcymi (rys. 68):
typ I, np. Fe-C,
typ II, np. Fe-N,
typ III, np. Fe-B.
Typ I charakteryzuje si odpowiednio duym obszarem roztworw staych elaza ze
skadnikami nasycajcymi. Wzbogacanie elaza w skadnik nasycajcy zachodzi tylko do
ste odpowiadajcych obszarowi roztworu staego (rys. 6).
Typ II ukadw rwnowagi, takich jak Fe-N lub Fe-C, charakteryzuje si wystpo-
waniem niewielkiego zakresu ste odpowiadajcych roztworom staym elaza i pierwiastka
nasycajcego. Wzbogacanie stopu pierwiastkiem nasycajcym powyej obszaru rozpuszczal-
noci powoduje powstanie okrelonych faz (rys. 7).
Typ III ukadw rwnowagi, takich jak Fe-B, cechuje si wystpowaniem bardzo maych
zakresw ste odpowiadajcych roztworom staym elaza i pierwiastkw nasycajcych (rys. 8).
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 29
Wzbogacanie pierwiastkami nasycajcymi do okrelonych ste powoduje powstawanie
faz midzymetalicznych, po utworzeniu ktrych przebiega dyfuzja danego skadnika.
Rysunek 6. Wykres rwnowagi Fe-C jako przykad typu I ukadw rwnowagi
Rysunek 7. Wykres rwnowagi Fe-N jako przykad typu II ukadw rwnowagi
Rysunek 8. Wykres rwnowagi Fe-B jako przykad typu III ukadw rwnowagi
-
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
L.A. Dobrzaski 30
W zalenoci od typu ukadu rwnowagi tworzonego przez obrabiany metal i skadnik
nasycajcy mona wyrni dwa zasadnicze przypadki budowy powstajcych warstw powie-
rzchniowych (rys. 9 i plansza 1) zoonych z:
warstwy roztworu staego,
sekwencji stref faz midzymetalicznych, poredniej i dyfuzyjnej.
Rysunek 9. Schemat powstawania warstw powierzchniowych w wyniku obrbki cieplno-
chemicznej stali a) zmiana stenia pierwiastka nasycajcego w warstwie powierzchniowej poniej zakresu jego rozpuszczalnoci, b) przyrastanie warstwy w wyniku tworzenia si faz pod
powierzchni, c) narastanie warstwy w wyniku tworzenia si faz na powierzchni stali
Pierwszy przypadek, gdy powstaj warstwy roztworu staego, odpowiada nawglaniu
stali. W pozostaych przypadkach budowa tworzcej si warstwy powierzchniowej jest zalena
od rodzaju jednorodnej strefy zewntrznej i przylegajcej do niej strefy dyfuzyjnej (rys. 10).
Jednorodn stref zewntrzn, powstajc w czasie operacji obrbki cieplno-chemicznej, two-
rz fazy midzymetaliczne, najczciej fazy midzywzowe, zoone z metalu osnowy i pier-
wiastka nasycajcego, np. wgliki, azotki, borki, krzemki. W strefie dyfuzyjnej sigajcej na
gboko h, odpowiadajc steniu ci pierwiastka nasycajcego w rdzeniu, pierwiastek ten
moe wystpowa w roztworze staym lub w postaci dyspersyjnych wydziele. Rnice
midzy warstwami powierzchniowymi odpowiadajcymi dwu ostatnim typom wykresw
polegaj gwnie na budowie strefy dyfuzyjnej i strefy poredniej midzy jednorodn zewn-
trzn stref faz midzymetalicznych a stref dyfuzyjn.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 31
5
1 32
4 6
7 98 Plansza 1. Struktura badana w mikroskopie wietlnym 1) warstwy wierzchniej stali 16MnCr5 nawglonej w 920C przez 6 h, pow. 50x; 2) warstwy azotkw -Fe2-3N i -Fe4N na stali typu 38CrAlMo5-10, pow. 350x; 3) powoki TiN na podou z azotowanej plazmowo stali X37CrMoV5-1, pow. 900x; 4) warstwy borkw FeB i Fe2B na stali X40CrMoV5-1, pow. 350x; 5) powierzchni galwanicznej powoki cynkowej na podou ze stali, pow. 50x; 6) powoki galwanicznej Ni+Cr na podou ze stopu miedzi z cynkiem CuZn40Pb2, pow. 650x; 7) powoki galwanicznej Cu na podou ze stali niskowglowej, pow. 150x; 8) warstwy przejciowej midzy kompozytow warstw stopow Fe-Cr-C a rdzeniem staliwnym, pow. 25x; badana w mikroskopie elektronowym skaningowym: 9) przeomu kompozytowej warstwy wierzchniej Al-Al2O3 (czstki) wytworzonej metod infiltracji cinieniowej, pow. 4000x
-
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
L.A. Dobrzaski 32
Rysunek 10. Schemat zmian stenia pierwiastka nasycajcego w warstwie przejciowej;
ci stenie pierwiastka nasycajcego w rdzeniu stali obrabianej cieplno-chemicznie
Metody obrbki cieplno-chemicznej stali mog by podzielone na podstawie rnych kry-
teriw (tabl. 4). Szczegowy podzia metod obrbki cieplno-chemicznej ze wzgldu na
rodzaj pierwiastka nasycajcego przedstawiono na rysunku 11, a ze wzgldu na stan orodka
nasycajcego na rysunku 12.
Tablica 4 Podzia metod obrbki cieplno-chemicznej
Kryterium podziau Grupy metod obrbki cieplno-chemicznej
Stan orodka nasycajcego w orodku staym w orodku ciekym w orodku gazowym
Rodzaj pierwiastka nasycajcego nasycanie metalami nasycanie niemetalami kompleksowe nasycanie metalami i niemetalami
Temperatura operacji niskotemperaturowe,
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 33
Rysunek 11. Podzia metod obrbki cieplno-chemicznej ze wzgldu na rodzaj pierwiastka nasycajcego
Rysunek 12. Podzia metod obrbki cieplno-chemicznej ze wzgldu na stan orodka nasycajcego
Obrbka cieplno-chemiczna poza przekazywaniem ciepa jest zwizana z transportem
masy. Najoglniej w procesie transportu masy mona wyrni pi procesw skadowych
(rys. 13), do ktrych nale:
reakcje w orodku nasycajcym, zwizane z tworzeniem czynnika umoliwiajcego
transport skadnika nasycajcego,
-
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
L.A. Dobrzaski 34
dyfuzja w orodku nasycajcym, polegajca na dopywie skadnika dyfundujcego do
powierzchni metalu i czsto na odpywie produktw reakcji tworzcych si na granicy
rozdziau faz,
reakcje na granicach rozdziau faz,
dyfuzja w metalu,
reakcje w metalu, np. tworzenie si roztworw staych lub wydziele faz.
Rysunek 13. Schemat procesw skadowych decydujcych o transporcie masy podczas obrbki
cieplno-chemicznej
Aktywne atomy jednego lub kilku pierwiastkw nasycajcych powstaj w wyniku reakcji
dysocjacji, wymiany lub redukcji (rys. 14). Ten proces skadowy obrbki cieplno-chemicznej
jako jedyny moe przebiega w sposb odizolowany od pozostaych. Umoliwia to uzyskanie,
np. aktywnych gazw, w specjalnych generatorach, niezalenie od reakcji przebiegajcych w
metalu podczas obrbki cieplno-chemicznej.
Adsorpcja polega na osadzaniu si wolnych atomw, z fazy gazowej lub ciekej, na
granicy fazy staej w postaci warstewki o gruboci jednego atomu. Przyczyn adsorpcji s siy
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 35
przycigania atomw orodka gazowego lub ciekego przez niewysycone rdzenie atomw
wystpujce na powierzchni metalu (rys. 15). Zjawisko to jest nazywane adsorpcj fizyczn.
Rysunek 14. Schemat reakcji zachodzcych podczas obrbki cieplno-chemicznej
Rysunek 15. Schemat dziaania si adsorpcji
Adsorpcja chemiczna jest zwizana z tworzeniem warstewki fazy midzymetalicznej
zoonej z atomw metalu i orodka adsorbowanego.
Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzcym wskutek ruchu atomw w
sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrwnania stenia skadnikw. Warunkiem przebiegu
dyfuzji jest rozpuszczalno w stanie staym pierwiastka nasycajcego w metalu osnowy.
Dyfuzj opisuj prawa Ficka, ktre maj jednak ograniczone zastosowanie. Ilociowy opis
dyfuzji jest bowiem bardzo skomplikowany i moliwy tylko przy licznych zaoeniach
upraszczajcych. Oglnie mona stwierdzi, e procesy dyfuzji s zalene od temperatury,
czasu i gradientu stenia dyfundujcych pierwiastkw. Od czynnikw tych zaley zatem
-
3. Obrbka cieplno-chemiczna stali
L.A. Dobrzaski 36
grubo i struktura warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku obrbki cieplno-chemi-
cznej. Prawa Ficka opisuj nastpujce zalenoci:
pierwsze prawo Ficka okrela strumie dyfuzji J skadnika nasycajcego:
,exp,dd
0Tk
Q-DD
xcDJ == (1)
gdzie: D wspczynnik dyfuzji,
xc
dd gradient stenia pierwiastka dyfundujcego,
Q energia aktywacji dyfuzji,
k staa Boltzmanna,
T temperatura w skali bezwzgldnej,
D0 staa, zalena od struktury krystalicznej metalu;
drugie prawo Ficka opisuje zaleno rozkadu stenia skadnika od czasu:
=
xcD
xc
dd
dd
dd , (2)
gdzie: czas procesu.
Mechanizmy dyfuzji (rys. 16) mona wyrni dwa:
w roztworach rnowzowych wakansowy (rys. 16a),
w roztworach midzywzowych midzywzowy (rys. 16b), charakterystyczny dla
dyfuzji m.in. C, N, B w stopach elaza.
Rysunek 16. Mechanizmy dyfuzji w krysztaach (wedug Y. Addy i J. Philiberta): a) wakansowy, b) midzywzowy, c) bezporedniej wymiany, d) piercieniowy,
e) midzywzowo-wzowy, f) wzowy szeregowy
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 37
W zalenoci od energii aktywacji rne s drogi atwej dyfuzji, ktra przebiega (rys. 17):
wzdu powierzchni metalu najatwiej,
wzdu granic ziarn trudniej,
wewntrz ziarn najtrudniej.
Rysunek 17. Schematyczne przedstawienie kierunkw dyfuzji atomw; 1 wzdu powierzchni,
2 po granicach ziarn, 3 przez ziarna
Pierwiastki nasycajce czsto reaguj z osnow metalu lub wydzieleniami, tworzc nowe
fazy o odmiennych strukturach sieciowych. Zjawisko to, charakterystyczne dla obrbki
cieplno-chemicznej metali, jest nazywane dyfuzj reaktywn. Od kinetyki reakcji chemicz-
nych zachodzcych w warstwie powierzchniowej oraz od pozostaych czynnikw decydu-
jcych o przebiegu dyfuzji zaley zatem grubo i struktura warstw powierzchniowych,
powstajcych w wyniku obrbki cieplno-chemicznej, zwizanej z dyfuzj reaktywn.
-
4. Nawglanie
L.A. Dobrzaski 38
4. Nawglanie
Nawglanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w wgiel podczas
wygrzewania obrabianego przedmiotu w cigu okrelonego czasu w orodku zawierajcym
wgiel atomowy. Nawglanie odbywa si najczciej w temperaturze 900950C.
O gruboci warstwy nawglonej, ktra zwykle osiga 0,52 mm, decyduje czas nawgla-
nia, ktry dobiera si tak, aby skad fazowy warstwy powierzchniowej odpowiada strukturze
stali eutektoidalnej (plansza 1).
W warstwie nawglonej stali wglowych mona wyrni kilka stref:
nadeutektoidaln o strukturze perlitu z cementytem, w niektrych przypadkach wyst-
pujcego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn perlitu,
eutektoidaln o strukturze perlitycznej,
podeutektoidaln o strukturze perlityczno-ferrytycznej.
W stalach stopowych w warstwie nawglonej wystpuj ponadto wgliki stopowe.
Nawglanie w orodkach staych, obecnie praktycznie nie stosowane, odbywa si w
proszku wgla drzewnego, czsto wymieszanego ze sproszkowanymi wglanami sodu, wapnia,
litu lub baru, zwykle w temperaturze ok. 900C. W wyniku reakcji spalania przy niedomiarze
tlenu powstaje CO, z ktrego tworzy si CO2 i wgiel atomowy, nasycajcy powierzchni stali.
Do nawglania mog by rwnie wykorzystywane pasty zawierajce np. 50% sadzy, 20%
wglanu baru, 20% wglanu sodu i 10% elazocyjanku potasu lub 50% sadzy, 40% wglanu
sodu, 10% elazochromu, zwizane melas. Sposb ten umoliwia otrzymanie warstw naw-
glonych na niektrych wybranych powierzchniach obrabianego przedmiotu.
Nawglanie wykonywano rwnie przez zanurzanie obrabianych przedmiotw w rozto-
pionych solach, zwykle mieszaninach wglanw, chlorkw lub cyjankw metali alkalicznych,
zawierajcych np. 47,5% wglanu sodu, 47,5% chlorku potasu i 5% wglika wapnia lub 60%
wglanu sodu, 5% wglanu baru, 20% chlorku sodu i 15% wglika krzemu. Temperatura
nawglania w tym orodku wynosi 830850C.
Podczas nawglania gazowego, czsto stosowanego obecnie, odbywajcego si w tempe-
raturze ok. 920C w atmosferze tlenku wgla, metody otrzymywania orodka nawglajcego
mog polega na:
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 39
otrzymywaniu tlenku wgla w piecu w wyniku spalania wglowodorw w powietrzu,
wytwarzaniu atmosfery nawglajcej z ciekych zwizkw organicznych, np. nafty, meta-
nolu lub acetonu, rozkadajcych si w temperaturze ok. 700C na wgiel i wodr.
Gazy nawglajce s specjalnie oczyszczane, co zapobiega niekorzystnemu osadzaniu si
sadzy na powierzchni obrabianych przedmiotw, utrudniajcej adsorpcj wgla. Poza tempera-
tur i czasem nawglania o wynikach procesu decyduje potencja wglowy i natenie prze-
pywu orodka nawglajcego.
Nawglanie, podobnie jak inne rodzaje obrbki cieplno-chemicznej, moe by wyko-
nywane w zou fluidalnym. Zoe fluidalne jest tworzone przez czstki ciaa staego, np.
piasku lub tlenku aluminium, utrzymywane w zawieszeniu przez gorcy gaz nasycajcy
przepywajcy przez zoe od dou ku grze. Przedmioty obrabiane cieplno-chemicznie
zanurza si w zou fluidalnym, podobnie jak w cieczy.
Nawglanie moe odbywa si take pod obnionym cinieniem w atmosferze metanu,
propanu i innych gazw. W metodzie tej atomowy wgiel jest uzyskiwany w wyniku reakcji
rozpadu wymienionych gazw. Nawglanie prniowe zapewnia lepsz adsorpcj wgla
z atmosfery o niskim cinieniu i mniejsze zuycie gazu.
Stosowane jest nawglanie jonizacyjne (metoda ta zyskaa szczeglnie due znaczenie w
przypadku azotowania). Polega ono na wygrzewaniu stali w piecu prniowym w atmosferze
wglowodorw o niskim cinieniu z jednoczesnym przyoeniem wysokiego napicia staego
midzy obrabianym przedmiotem, ktry stanowi katod, a anod. W warunkach tych nastpuje
wyadowanie jarzeniowe i wytworzenie plazmy. W wyniku aktywacji plazm powstaj jony
wgla, przyspieszane w polu potencjau w pobliu obrabianego materiau, ktry jest przez nie
bombardowany, co znacznie uatwia adsorpcj wgla przez metal. Metoda ta zapewnia wysok
wydajno procesu, umoliwia regulacj gruboci i struktury warstwy nawglonej.
Twardo stali wglowej nawglonej i chodzonej w powietrzu wynosi ok. 250300
HBW, a jej wasnoci mechaniczne s stosunkowo niskie ze wzgldu na rozrost ziarn zacho-
dzcy w czasie procesu. W celu poprawienia wasnoci stal nawglon poddaje si dalszej
obrbce cieplnej; w szczeglnoci dy si do:
otrzymania struktury drobnolistwowego martenzytu z wglikami w postaci ziarnistej w
warstwie powierzchniowej,
zwikszenia twardoci stali na powierzchni do ok. 60 HRC,
zapewnienia znacznej cigliwoci, odpornoci na dynamiczne dziaanie obcie oraz
wymaganych wasnoci wytrzymaociowych w nienawglonym rdzeniu.
-
4. Nawglanie
L.A. Dobrzaski 40
Obrbka cieplna stali nawglonej polega na hartowaniu z temperatury waciwej dla
rdzenia wyszej od Ac3 i ponownym hartowaniu z temperatury wyszej od Ac1, waciwej
dla nawglonej warstwy powierzchniowej (rys. 18). Nowoczesne stale stopowe do nawglania
(odporne na rozrost ziarn austenitu podczas nawglania) umoliwiaj stosowanie jedno-
krotnego hartowania elementw maszyn bezporednio z temperatury nawglania gazowego, co
znacznie upraszcza proces technologiczny (rys. 18a). Przedmioty nawglone i zahartowane
poddaje si niskiemu odpuszczaniu w temperaturze 160180C przez 1,52 h.
Nawglanie bez nastpnego hartowania i odpuszczania jest bdem technologicznym
i staje si niecelowe.
Rysunek 18. Schemat obrbki cieplnej stali po nawglaniu; a hartowanie bezporednie
z temperatury nawglania i niskie odpuszczanie, b jednokrotne hartowanie z temperatury waciwej dla rdzenia, c jednokrotne hartowanie z temperatury waciwej dla warstwy
powierzchniowej, d dwukrotne hartowanie z niskim odpuszczaniem
Nawglanie z nastpnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia du twardo
powierzchni obrobionych elementw, du odporno na cieranie i naciski powierzchniowe,
znaczn wytrzymao zmczeniow. Rdze stali po takich operacjach obrbki cieplno-
chemicznej i cieplnej wykazuje du cigliwo, sprysto i odporno na dynamiczne
dziaanie obcie.
W celu zapewnienia wymienionych wasnoci nawglanie jest stosowane midzy innymi
w procesach technologicznych k zbatych, wakw zbatych i z wielowypustami, wakw
rozrzdu, sworzni tokowych i kulistych, piercieni i wakw oysk tocznych o duych wy-
miarach.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 41
5. Azotowanie
Azotowanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrze-
wania obrabianego przedmiotu przez okrelony czas w orodku zawierajcym wolne atomy
azotu. Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niszej od Ac1.
Azotowanie moe by:
krtkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do kilku godzin,
dugookresowe, gdy wynosi kilkadziesit godzin.
Przy staej temperaturze azotowania struktura warstw wierzchnich obrabianej stali zaley
od czasu tej operacji.
W wyniku azotowania dugookresowego na powierzchni stali tworzy si ciga strefa
azotkw typu w stali wglowej Fe2-3N, a czsto wglikoazotkw Fe2(C,N)1-x. W sprzyja-
jcych warunkach pod stref azotkw powstaje cienka strefa azotkw . Strefa ta przechodzi
w wewntrzn stref dyfuzyjn ferrytu przesyconego z wydzieleniami azotkw i metasta-
bilnych azotkw -Fe16N2. W stalach stopowych w strefie wewntrznej wystpuj ponadto
bardzo drobne azotki i wglikoazotki, ktrych struktura i ilo zale od stenia azotu
i pierwiastkw stopowych. Morfologia i skad fazowy warstwy azotowanej w stalach zale od
stenia azotu w poszczeglnych strefach (rys. 19 i plansza 1).
Rysunek 19. Fragment ukadu rwnowagi fazowej elazo-azot (wedug D.T. Hawkinsa)
-
5. Azotowanie
L.A. Dobrzaski 42
W przypadku azotowania krtkookresowego, zwaszcza stali narzdziowych, w cigu
kilkunastu lub kilkudziesiciu minut, na powierzchni stali nie tworzy si ciga strefa azotkw,
lecz jedynie strefa dyfuzyjna ferrytu przesyconego azotem z wydzieleniami azotkw i wgliko-
azotkw i .
Strefa azotkw i wglikoazotkw decyduje o odpornoci na cieranie stali wglowych.
W przypadku stali stopowych na wasnoci te wpywa dodatkowo strefa dyfuzyjna. Warstwa
azotowana wykazuje najwiksz odporno na cieranie, gdy jest twarda i nieporowata i gdy
jej grubo wynosi 0,0200,025 mm. Pod wzgldem strukturalnym warstwa taka jest zoo-
na z mieszaniny azotkw i wglikoazotkw + . W miar wzrostu czasu azotowania narasta
wycznie powierzchniowa strefa azotkw i wglikoazotkw , porowata i krucha. Jednocze-
nie nastpuje przesuwanie si w gb strefy mieszaniny azotkw i wglikoazotkw +
o staej gruboci 0,0200,025 mm, zwartej, bez porw i o duej twardoci 8001200 HV0,05.
Z tego wzgldu warstwy uzyskane w wyniku azotowania krtkookresowego cechuj si wy-
sok odpornoci na cieranie.
Na rysunku 20 przedstawiono charakterystyk zuycia poszczeglnych stref warstwy
azotowanej. Kt nachylenia stycznej do krzywej charakteryzuje szybko zuycia. Wyniki
tych bada wskazuj na najwiksz szybko zuycia strefy azotkw i najmniejsz
mieszaniny azotkw + . Wraz ze zmniejszeniem si stenia azotu w warstwie azotowanej
w kierunku rdzenia zmniejsza si twardo tej warstwy (rys. 21). Azotowanie powoduje zwik-
szenie odpornoci stali na korozj i zmniejszenie wspczynnika tarcia. W wyniku azoto-
wania nastpuje niewielki przyrost wymiarw, o 10-310-2 mm.
Rysunek 20. Zuycie liniowe w funkcji czasu cierania stali C45 azotowanej w amoniaku
w temperaturze 580C przez 8 h
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 43
Rysunek 21. Rozkad twardoci na przekroju warstw naazotowanych w niektrych stalach
Azotowanie w proszkach jest stosowane bardzo rzadko. Proszek stosowany do takiego
azotowania moe zawiera 80% cyjamidu wapniowego CaC(CN), 15% wglanu sodowego
Na2CO3, 3% elazomanganu i 2% wglika krzemu SiC. Temperatura operacji zaley od ro-
dzaju stali oraz wymiarw obrabianego przedmiotu i wynosi 500600C. Czas azotowania
w proszkach wynosi zwykle 0,510 h w zalenoci od wymiarw i przeznaczenia obrabianego
przedmiotu oraz gatunku stali.
Azotowanie gazowe odbywa si najczciej w strumieniu zdysocjowanego amoniaku w
temperaturze 500600C:
2NH3 6H + 2N. (3)
elazo dziaa katalitycznie na przebieg tej reakcji.
Podczas azotowania gazowego stenie azotu w warstwie powierzchniowej zmienia si
w sposb niekontrolowany. Potencja atmosfery azotujcej utworzonej w wyniku dysocjacji
amoniaku moe by regulowany przez rozcieczenie czystym azotem. Umoliwia to kontrolo-
wanie skadu warstwy powierzchniowej w stali azotowanej, gdy w danej temperaturze nasy-
canie tej warstwy przebiega znacznie wolniej ni podczas azotowania w czystym amoniaku.
Azotowanie jonizacyjne odbywa si w atmosferze zjonizowanego azotu w urzdzeniu
skadajcym si ze szczelnej retorty, pompy prniowej, urzdzenia dozujcego gaz oraz zasi-
lacza. Azotowane przedmioty, odizolowane od cianek retorty, s umieszczane w retorcie,
-
5. Azotowanie
L.A. Dobrzaski 44
stanowicej anod, i podczane do bieguna ujemnego. Przyoone napicie wynosi 0,51,5
kV, a cinienie azotu lub mieszaniny z wodorem w retorcie jest obniane do 10-21 Pa.
Wysokie napicie powoduje jonizacj gazu w wskiej strefie spadku napicia przy kato-
dzie (rys. 22). W wyniku zderze jonw azotu z powierzchni obrabianego przedmiotu wy-
dziela si ciepo, a obrabiany przedmiot nagrzewa do temperatury wystarczajcej do azoto-
wania. Atomy elaza wybite z powierzchni tworz azotki FeN, ulegajce nastpnie kondensacji
na powierzchni metalu i rozkadowi z wykorzystaniem azotu atomowego dyfundujcego w
gb metalu. Zjawiska te mona regulowa przez zmian napicia, cinienia oraz skadu chemi-
cznego gazu. Umoliwia to regulowanie struktury warstwy powierzchniowej i uzyskanie na
powierzchni albo cigej strefy azotkw + , lub samej strefy dyfuzyjnej. Warstwy powie-
rzchniowe wytworzone w tym procesie odznaczaj si wysok odpornoci na cieranie i wy-
trzymaoci zmczeniow oraz znacznie wiksz cigliwoci w porwnaniu z warstwami
uzyskiwanymi podczas azotowania innymi metodami.
Rysunek 22. Schemat mechanizmu azotowania jonizacyjnego (wedug B. Edenhofera)
Podobnie jak nawglanie (porwnaj rozdz. 4) azotowanie moe odbywa si w zoach
fluidalnych.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 45
Azotowanie jest ostatni operacj w procesie technologicznym. Dlatego azotowaniu
poddaje si przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temperaturze wyszej od
temperatury azotowania. W niektrych przypadkach operacja odpuszczania moe by po-
czona z operacj azotowania. Ze wzgldu na ma grubo warstwy azotowanej przedmioty
azotowane nie mog by poddawane szlifowaniu.
Azotowanie jest stosowane do elementw ze stali niestopowych i stopowych, maszy-
nowych i narzdziowych, naraonych podczas pracy na zuycie cierne, do elementw
naraonych na korozj w rodowisku wodnym lub wilgotnej atmosfery, a take do narzdzi
skrawajcych. Azotowaniu s poddawane bardzo liczne elementy silnikw i pomp wytwarza-
nych w przemyle lotniczym, okrtowym i motoryzacyjnym, np. way korbowe, korbowody,
tuleje cylindrowe, koa zbate, waki, toki, piercienie i sworznie tokowe, cylindry, nurniki
pomp. W przemyle obrabiarkowym azotowanie znalazo zastosowanie np. do rub pocigo-
wych, wrzecion, k zbatych, elementw przekadni limakowych i sprzgie elektromagne-
tycznych. Do narzdzi poddawanych azotowaniu nale np. matryce kunicze, cigada i inne
narzdzia do obrbki plastycznej, formy do tworzyw sztucznych oraz elementy wtryskarek
i wytaczarek, narzdzia skrawajce ze stali szybkotncych, takie jak frezy, wierta, gwinto-
wniki i narzdzia do obrbki k zbatych.
-
6. Kompleksowe nasycanie azotem i innymi pierwiastkami
L.A. Dobrzaski 46
6. Kompleksowe nasycanie azotem i innymi pierwiastkami
Coraz szersze znaczenie praktyczne zyskuj procesy technologiczne azotowania z jedno-
czesnym nasycaniem innymi pierwiastkami, gwnie:
wglem,
tlenem,
siark.
Wgloazotowanie polega na jednoczesnym nasycaniu powierzchni stali wglem i azotem
w orodkach gazowych lub ciekych. W zalenoci od temperatury procesu wgloazotowanie
moe by:
wysokotemperaturowe (azotonawglanie) w 750950C, stosowane powszechnie np.
dla elementw konstrukcyjnych w przemyle samochodowym,
niskotemperaturowe w 450600C.
Struktur warstwy powierzchniowej uzyskanej w wyniku wgloazotowania wysoko-
temperaturowego po nastpnym hartowaniu i odpuszczaniu, zblion do charakterystycznej dla
nawglania, stanowi martenzyt drobnolistwowy z niewielkim udziaem austenitu szcztko-
wego. Niedopuszczalne s wydzielenia wglikw w postaci ziarnistej lub siatki na granicach
ziarn austenitu pierwotnego, a take wystpowanie bainitu w warstwie powierzchniowej.
Optymalne stenie wgla w warstwie powierzchniowej, zapewniajce wystpienie podanej
struktury, wynosi 0,70,8%, a azotu 0,20,3%.
Elementy poddane wgloazotowaniu wysokotemperaturowemu obrabia si cieplnie w taki
sam sposb jak przedmioty nawglane. Struktur rdzenia stali prawidowo wgloazotowanej
wysokotemperaturowo stanowi martenzyt lub bainit, nie za struktura bainityczno-ferrytyczna.
Warstwy powierzchniowe uzyskane w wyniku wgloazotowania niskotemperaturowego
maj budow zblion do warstw azotowanych. W zewntrznej monofazowej strefie wy-
stpuj jednak wglikoazotki. Warstwy wgloazotowane niskotemperaturowo i azotowane
rni si steniem wgla. W odrnieniu od azotowania, podczas wgloazotowania wgiel
dyfunduje do strefy wglikoazotkw zarwno z orodka nasycajcego, jak i rdzenia stalo-
wego. Strefa wglikoazotkw uzyskana w wyniku wgloazotowania charakteryzuje si
mniejsz twardoci i odpornoci na cieranie od warstw otrzymanych podczas azotowania.
-
FORSURF POIG.01.01.01-00-023/08 47
Wysokotemperaturowe wgloazotowanie gazowe najczciej jest wykonywane we wzbo-
gaconej atmosferze endotermicznej (porwnaj rozdz. 9). Gazami wzbogacajcymi moe by
mieszanina 18% amoniaku oraz 14% propanu lub 310% gazu ziemnego. Innymi rodkami
wykorzystywanymi do wgloazotowania gazowego s cieke zwizki organiczne zawierajce
azot, a w szczeglnoci trjetanoloamina (C2H4OH)3N. W wyniku jej rozkadu w temperaturze
procesu w skad atmosfery gazowej wchodz tlenek i dwutlenek wgla, wodr, metan i cyja-
nowodr. Zastosowanie znajduje rwnie mieszanina terpentyny, etanolu, acetonu i pirydyny
w stosunku 4 : 3 : 3 : 2.
Niskotemperaturowe wgloazotowanie gazowe wykonuje si w atmosferach wytworzo-
nych z amoniaku oraz gazu nawglajcego lub ciekych wglowodorw. Przykadowo atmo-
sferami wgloazotujcymi mog by mieszaniny zawierajce 50% amoniaku i 50% metanu,
50% amoniaku i 50% gazu endotermicznego lub 33% amoniaku i 67% gazu egzotermicznego
(porwnaj rozdz. 9).
Wgloazotowanie niskotemperaturowe odbywa si najczciej w temperaturze
560580C przez 25 h. W czasie procesu przebiegaj reakcje:
2CO C + CO2 , (4)
CH4 C + 2H2 (5)
oraz dysocjacja amoniaku, umoliwiajce nastpn adsorpcj i dyfuzj atomw wgla i azotu
w gb stali.
Wgloazotowanie kpielowe ma obecnie zmniejszajce si znaczenie ze wzgldu na
silne toksyczne oddziaywanie stosowanych kpieli solnych.
Wysokotemperaturowe wgloazotowanie kpielowe wykonuje si w temperaturze
750850C w mieszaninie soli cyjanowych, np. NaCN, z solami obojtnymi, np. NaCl lub
Na2CO3.
Niskotemperaturowe wgloazotow