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: rmt1@polsl.pl, 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: rmt1@polsl.pl, 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