Marek Jastrzębski
126645
Inż. materiałowa
Sem. VI
Rok ak. 2006/07
LABORATORIUM
Obróbki cieplnej
ćw. nr. 12
Temat: Metalizacja dyfuzyjna.
1. Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z przebiegiem procesu metalizacji dyfuzyjnej.
2. Wstęp teoretyczny:
Metalizacja dyfuzyjna (chromowanie, tytanowanie, wanadowanie i aluminiowanie dyfuzyjne oraz procesy złożone), z punktu widzenia fizykochemii zjawisk jest procesem o cechach
metod CVD, to jednak z uwagi na wybitnie dyfuzyjny charakter wzrostu warstw i jego konsekwencje (istnienie warstwy przejściowej do podłoża nierozerwalnie z
nim związanej) jest technologią zaliczaną do grupy metod obróbki cieplno-chemicznej.
Polega ona na dyfuzyjnym nasycaniu warstw wierzchnich stali pierwiastkami metalicznymi w wysokich temperaturach (850¸1100°C).
W tak wysokich temperaturach nasycanie przebiega w warunkach dyfuzji wzajemnej (dordzeniowej pierwiastka nasycającego oraz odrdzeniowej pierwiastków
wchodzących w skład podłoża) tak, że w konsekwencji ostateczna struktura warstwy dyfuzyjnej jest kompozycją różnych związków najczęściej węglików metalu wprowadzanego dyfuzyjnie lub jego faz międzymetalicznych z żelazem. Wzrost warstw metalizowanych jest warunkowany szybkością dyfuzji metali, czyli pierwiastków o względnie dużych średnicach atomowych, która jest o ok. dwa rzędy wielkości wolniejsza od dyfuzji międzywęzłowej, charakterystycznej dla pierwiastków o małych średnicach, jak C, N, B. Dlatego też warstwy metalizowane dyfuzyjnie są niewielkiej grubości rzędu setnych części milimetra. Głównym celem metalizacji dyfuzyjnej jest wytworzenie w prosty i tani sposób bardzo twardych warstw odpornych na zużycie erozyjne i ścierne oraz żaroodpornych.
Źródłem metalu nasycającego w tradycyjnych metodach metalizacji dyfuzyjnej są halogenki metali będące w wysokich temperaturach procesu substancjami lotnymi. Tak więc procesy te mogą być realizowane metodą gazową lub metodą proszkową, odbywa się ona bezpośrednio w
skrzynce przy udziale aktywatora procesu najczęściej halogenku amonu..
3. Przebieg ćwiczenia:
Początkowo zapoznaliśmy się z metodą metalizacji dyfuzyjnej i następnie przeprowadziliśmy badania mikroskopowe i wytrzymałościowe otrzymanych próbek.
Metalizacja była przeprowadzona metodą proszkową, próbki były przygotowane w następujący sposób:
- chromowanie: przedmiot ze stali N11 został umieszczony w skrzyni i zasypany mieszanką FeCr o składzie (48 % Al2O3, 50 % FeCr oraz 2 % chlorku amonu tzw. salmiak – pełni on rolę aktywatora)
Następnie tak przygotowana próbka umieszczona została w piecu o T= 940 oC i wygrzewana przez 3 h.
- aluminiowanie: przedmiot ze stali N11 został umieszczony w skrzyni i zasypany mieszanką o składzie (48 % Al2O3, 50 % Al oraz 2 % chlorku amonu )
Następnie tak przygotowana próbka umieszczona została w piecu o T= 900 oC i wygrzewana przez 3 h.
4. Wyniki badań:
Pomiar twardości dla chromowania:
d [mm]
50
150
250
350
450
550
650
800
950
1450
HV 0,1
1097
1048
1187
285
254
264
d [μm]
80
110
140
190
240
290
340
400
[HV0,1]
135
336
213
206
274
221
Rys. Wykres twardości w funkcji odległości od powierzchni dla chromowania.
Schematy struktur:
- materiał: stal N11
- powiększenie: x 400
- trawienie: Mi1Fe
- stan: chromowanie w T=940oC, t=3h
- struktura: podłoże o strukturze ferrytycznej, natomiast warstwa od zewnątrz znajdują się węgliki (Febr)7C3 +duża ilość porów, w głąb znajduje się warstwa przejściowa (roztwór Cr w Feα)
a)
- stan: aluminiowanie w T=900oC, t=3h
- struktura: podłoże o strukturze ferrytycznej, natomiast warstwa aluminiowana zbudowana jest z faz międzymetalicznych Fe3Al, Fe2Al, FeAl,
b)
5. Wnioski:
Nałożenie warstw metalicznych bardzo korzystnie wpłynęło na właściwości materiałów poddanych tej obróbce. Chromowanie spowodowało, że wytworzyła się warstwa kilkakrotnie twardsza od materiału podłoża. Jest to bardzo korzystne ponieważ zmniejsza to zużycie ścierne, dodatkowo zaletą powłok chromowych jest zwiększenie odporności korozyjnej. Ponieważ na tak znaczny wzrost twardości ma wpływ utworzenie się węglików chromu, zatem proces chromowania najlepiej jest przeprowadzać na stalach o zwiększonej zawartości węgla. Mogliśmy się także przekonać, o tym iż jest to proces dyfuzyjny ponieważ widoczna była strefa przejściowa. Warstwa ta tworzy się w wyniku odrdzeniowej dyfuzji węgla do powłoki, tworzy się zatem obszar uboższy w węgiel, w którym znajduje się roztwór Cr w Feα.
Aluminiowanie nie przyniosło aż tak spektakularnego wzrostu twardości, jednak spełnia ono inne zadanie. Chroni ono przed korozją a także wpływa na wzrost żarowytrzymałości nawet do 900-1200 oC. Kolejną różnicą jest to, że do aluminiowania stosuje się stale o mniejszej zawartości węgla.
Z wykresu wyraźnie widać, że powłoka chromowana ma ok. 0,5 mm grubości, gdy odległość wzrasta następuje znaczący spadek twardości. Powłoka aluminiowana także ma podobną grubość, jednak ze względu na mniejszą twardość faz międzymetalicznych nie jest to widoczne na wykresie.
Podsumowując, w ćwiczeniu obejrzeliśmy bardzo cienkie powłoki, które znacząco wpłynęły na właściwości a co za tym idzie zastosowanie materiału podłoża. Aby uzyskać jak najlepsze efekty należy odpowiednio dobierać rodzaj powłoki do warunków pracy oraz materiał na jaki mają być nakładane.
Bpd_6