ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΑΛΥΒΩΝ

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΓENIKA ΣΚΟΠΟΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Οι επιφανειακές κατεργασίες που εφαρµόζονται στα χαλύβδινα αντικείµενα έχουν σκοπό να τα προστατεύσουν (δηλ. να αυξήσουν την αντοχή τους) έναντι: Φθοράς, που προκαλείται από την επαφή της επιφάνειας µε τις επιφάνειες άλλων αντικειµένων. ιάβρωσης, όταν η επιφάνεια φέρεται σε υγρό περιβάλλον που δρα δυσµενώς επ αυτής. Οξείδωσης, όταν η επιφάνεια υπόκειται σε ξηρό περιβάλλον µε υψηλές θερµοκρασίες που ενεργοποιεί τη χηµική δράση των οξειδωτικών αερίων. Κόπωσης, η οποία εκδηλώνεται ως αστοχία του υλικού λόγω εναλλασσόµενης µηχανικής ή θερµικής φόρτισης. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Οι επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες: (α) Κατεργασίες τροποποίησης της επιφάνειας, µε τις οποίες επιτυγχάνεται µεταβολή της κρυσταλλικής δοµής ή/και της χηµικής σύστασης της επιφάνειας, χωρίς εναπόθεση πρόσθετου υλικού σ αυτή. (β) Κατεργασίες µε απόθεση υλικού, κατά τις οποίες εναποτίθεται πάνω στην υπό προστασία επιφάνεια στρώµα άλλου υλικού (επίστρωση ή επικάλυψη). ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ (ΠΙΝΑΚΑΣ 1) Πίνακας 1: Υποκατηγορίες κατεργασιών τροποποίησης της επιφάνειας Υποκατηγορία Χαρακτηριστικά Είδος κατεργασίας Εισαγωγή «επωφελών» πεδίων παραµενουσών 1. Σφαιροβολή τάσεων στην επιφά- 2. Επιφανειακή έλαση νεια του υλικού. Κρυσταλλική δοµή και χηµική σύσταση της επιφάνειας παραµένουν αµετάβλητες. Μηχανικές επιφανειακές κατεργασίες Θερµικές επιφανειακές κατεργασίες Θερµοχηµικές επιφανειακές κατεργασιές ή εµποτισµοί Επιβολή συνδυασµένων κύκλων θέρµανσης/ψύξης. Μεταβάλλεται µόνο η κρυσταλλική δοµή της επιφάνειας, ενώ η χηµική της σύσταση δεν αλλάζει. Η επιφάνεια εµπλουτίζεται µε άτο- µα άλλου στοιχείου µέσω µηχανισµών διάχυσης, µε αποτέλεσµα την αλλαγή της χηµικής της σύστασης. Στα αµέσως επόµενα θα ασχοληθούµε µε τις δύο τελευταίες υποκατηγορίες. 1. Φλογοβαφή 2. Επαγωγική βαφή 3. Βαφή µε δέσµη laser 4. Βαφή µε δέσµη ηλεκτρονίων 1. Ενανθράκωση 2. Εναζώτωση 3. Ενανθρακαζώτωση 4. Ενδοκυάνωση 5. Εγχρωµίωση 6. Εναργιλίωση 7. Ενσιλίκωση 8. Βορίωση 9. Σεραρδίωση 10. Βαναδίωση 11. Εµφύτευση ιόντων 1

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΓΕΝΙΚΑ Με τις θερµικές επιφανειακές κατεργασίες επιτυγχάνεται σκλήρυνση του επιφανειακού στρώµατος του αντικειµένου, ενώ το εσωτερικό τµήµα του παραµένει στα αρχικά επίπεδα σκληρότητας. Εφαρµόζονται µε πολύ καλά αποτελέσµατα σε αντικείµενα από χάλυβα και φαιό χυτοσίδηρο. Συνίστανται σε θέρµανση των επιφανειακών στρωµάτων σε θερµοκρασία θ Є (Α c3, T m ) και απότοµη ψύξη (βαφή). Οι βασικές θερµικές επιφανειακές κατεργασίες είναι: η φλογοβαφή (επιφανειακή σκλήρυνση µε φλόγιστρα), η επαγωγική επιφανειακή σκλήρυνση και ο βοµβαρδισµός µε δέσµες υψηλής πυκνότητας ενέργειας. ΒΑΘΟΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ Το βάθος βαφής, καθώς επίσης και το βάθος της θερµικά επηρεασµένης ζώνης (HAZ), µπορούν να προβλεφθούν µε ασφάλεια µε κατάλληλη επιλογή των βασικών παραµέτρων της θερµικής κατεργασίας (παρεχόµενη θερµική ισχύς και χρόνος κατεργασίας). Το βάθος βαφής χαρακτηρίζεται κατά σύµβαση από σκληρότητα µεγαλύτερη από 550 ΗV. Συνήθως κυµαίνεται µεταξύ 1-2 mm, αλλά µπορεί να φθάσει µέχρι 6-8 mm. Εξαρτάται από τις συνθήκες κατεργασίας και τη χηµική σύσταση του χάλυβα. ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ (Σχ. 1) Επιφανειακό στρώµα χάλυβα που θερµαίνεται σε θερµοκρασία θ>α c3 αναπτύσσει ωστενική δοµή κατά τη θέρµανση και µαρτενσιτική δοµή κατά τη βαφή, ενώ στην τελική δοµή ο υπολειπόµενος ωστενίτης κυµαίνεται σε πολύ µικρά ποσοστά (µικρός χρόνος ωστενιτοποίησης µερική διαλυτοποίηση καρβιδίων ανύψωση του σηµείου Μ f ). Ζώνη υλικού που θερµαίνεται σε θερµοκρασίες θ: Α c1 < θ <A c3 υφίσταται µερική ωστενιτοποίηση κατά τη θέρµανση και αναπτύσσει φερριτική και µπαινιτική δοµή κατά τη βαφή. Ζώνη υλικού που θερµαίνεται σε θερµοκρασίες θ<α c1 υφίσταται επαναφορά κατά τη θέρµανση και παρατηρείται µείωση της σκληρότητας. Σχήµα 1: Μεταλλουργικές αλλαγές στο επιφανειακό στρώµα χαλύβων λόγω επιφανειακής κατεργασίας ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΒΑΦΗΣ Οι συνήθεις τεχνικές µπορεί να αποδώσουν µια από τις ακόλουθες χαρακτηριστικές περιπτώσεις επιφανειακής βαφής: (i) Υψηλή θερµική ισχύς και µικρός χρόνος κατεργασίας (καµπύλη Α στο Σχ. 2) οδηγούν στα εξής επιµέρους χαρακτηριστικά: 1. Πολύ υψηλή θερµοκρασία στην κατεργαζόµενη επιφάνεια. 2. Πολύ µικρό βάθος επιφανειακού στρώµατος όπου η θερµοκρασία θ>α c3. 2

3. Πολύ µικρού πάχους ζώνη HAZ. (ii) Σχετικά χαµηλότερη θερµική ισχύς από την προηγούµενη περίπτωση και µεγαλύτερος χρόνος κατεργασίας (καµπύλη Β στο Σχ. 2) εξασφαλίζουν: 1. Χαµηλότερη θερµοκρασία στην επιφάνεια. 2. Μεγαλύτερο βάθος βαφής. 3. Μεγάλο πάχος ζώνης HAZ. Σχήµα 2: Τεχνικές επιφανειακής βαφής ΦΛΟΓΟΒΑΦΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ (Σχ. 3 και 4) Εφαρµόζεται κυρίως στην επιφανειακή σκλήρυνση µεγάλων επιφανειών ή εξαρτηµάτων πολύπλοκης γεωµετρίας και µικρού αριθµού παραγωγής, καθώς επίσης και σε περιπτώσεις στις οποίες δεν είναι συµφέρουσα η µέθοδος των επαγωγικών ρευµάτων (οδοντωτοί τροχοί). Η θέρµανση γίνεται µε τη χρήση φλογίστρων (δαυλών). Μπορεί να χρησιµοποιηθεί απλή φλόγα δαυλού µεγάλης ισχύος ή πολυάριθµες φλόγες παραγόµενες από σύστηµα δαυλών. Στην τελευταία περίπτωση επιτυγχάνεται πιο οµοιόµορφη θέρµανση της επιφάνειας. Η φλόγα προέρχεται από την καύση µε οξυγόνο ενός καυσίµου, συνήθως προπανίου, µεθανίου ή ασετιλίνης. Η παρεχόµενη ισχύς ανά µονάδα επιφανείας είναι της τάξης των 1.500 W/cm 2. Η κατεργαζόµενη επιφάνεια, ταυτόχρονα µε την θέρµανσή της, ψύχεται αµέσως µε ψεκασµό της µε ψυκτικό υγρό. Ο δαυλός και το σύστηµα ψύξης κινούνται µε ταχύτητα υ=0.1-0.4 m/min. Η φλογοβαφή ακολουθείται συχνά από επαναφορά σε θερµοκρασία 180-200 ο C. Ανάλογα µε το βάθος βαφής που επιδιώκεται και την θερµαντική ισχύ του χρησιµοποιούµενου εξοπλισµού, έχουν αναπτυχθεί δύο µέθοδοι φλογοβαφής: (α) Η σταδιακή µέθοδος. (β) Η ταυτόχρονη µέθοδος. Κατά την σταδιακή µέθοδο τα φλόγιστρα αποµακρύνονται και το τεµάχιο εµβαπτίζεται στο ψυκτικό µέσο (λάδι ή νερό). Στην ταυτόχρονη µέθοδο, το φλόγιστρο ακολουθείται από το σύστηµα ψύξης σε συγκεκριµένη απόσταση. Το βάθος βαφής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Γενικά, µπορεί να γραφεί: x=f (P, υ, d) όπου: x το βάθος της ζώνης σκλήρυνσης, Ρ η παρεχόµενη θερµική ισχύς, υ η ταχύτητα µετακίνησης του φλογίστρου και d η απόσταση µεταξύ φλογίστρου-ψύκτη. 3

Σχήµα 3: Σχηµατική παράσταση φλογοβαφής 1: δαυλός, 2: πορεία δαυλού, 3: φλόγα, 4: ψύξη, 5: κατεργαζόµενη επιφάνεια Σχήµα 4: ιαδικασία επιφανειακής σκλήρυνσης οδοντωτού τροχού µε φλογοβαφή ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΣΚΛΗΡΥΝΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Εφαρµόζεται κυρίως για την επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτηµάτων µικρών διαστάσεων και/ή απλής σχετικά γεωµετρίας και για µεγάλη σειρά παραγωγής (άξονες κιβωτίων ταχυτήτων). Το κατεργάσιµο υλικό τοποθετείται ως πυρήνας στο εσωτερικό ενός επαγωγικού πηνίου που διαρρέεται από υψίσυχνο ρεύµα (µέχρι 1 MHz), βλ. Σχ. 5. Το αναπτυσσόµενο ισχυρό µαγνητικό πεδίο επάγει επιφανειακά στο τεµάχιο δινορρεύµατα Foucault, που µεταφέρουν θερµότητα Joule και θερµαίνουν το µέταλλο. Το βάθος διείσδυσης των δινορρευµάτων µειώνεται µε αύξηση της συχνότητας του ρεύµατος τροφοδοσίας του πηνίου. Η παρεχόµενη ισχύς µπορεί να φθάσει την τιµή 25.000 W/cm 2. Το βάθος της ζώνης σκλήρυνσης παρέχεται από την εµπειρική σχέση: x= 5.03 10 4 ρ µ f 4

όπου: x το βάθος βαφής [mm], ρ η ειδική αντίσταση του κατεργαζόµενου υλικού [Ω.mm 2 /m], µ η µαγνητική διαπερατότητα του κατεργαζόµενου υλικού [G/Oe] και f η συχνότητα του ρεύµατος τροφοδοσίας του πηνίου [Hz]. (α) (β) Σχήµα 5: Βασικές αρχές της επαγωγικής σκλήρυνσης (α) Γενική διάταξη, (β) ράση µαγνητικού πεδίου BΟΜΒΑΡ ΙΣΜΟΣ ΜΕ ΕΣΜΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ H τεχνική του βοµβαρδισµού µε δέσµες υψηλής πυκνότητας ενεργείας έχει αναπτυχθεί σχετικά πρόσφατα (τελευταία 20ετία). Εφαρµόζονται δέσµες ηλεκτρονίων ή ιόντων και δέσµες ακτίνων laser. Η υψηλής ενεργειακής πυκνότητας δέσµη (10 3-10 7 W/cm 2 ) εστιάζεται µέσω ειδικών διατάξεων εστίασης σε πολύ µικρές επιφάνειες (>100 µm 2 ), ενώ επιτυγχάνεται η δυνατότητα τοπικής κατεργασίας µικρού πάχους επιφανειακών στρωµάτων (0.1-3 mm). Η ψύξη της επιφάνειας είναι ταχεία και εξασφαλίζεται δι αγωγής της θερµότητας µέσα από τον κύριο όγκο του αντικειµένου (αυτοβαφή της επιφάνειας). Η δέσµη ηλεκτρονίων και ιόντων εκπέµπεται υπό κενό και απορροφάται εύκολα από τη µεταλλική επιφάνεια. 5

Η δέσµη laser δεν απαιτεί εφαρµογή κενού και ανακλάται εύκολα από ανοικτόχρωµες και λείες επιφάνειες. Για αύξηση της απορροφητικής ικανότητας της κατεργαζόµενης επιφάνειας επιβάλλεται αµµοβολή της ή επικάλυψή της µε γραφίτη πριν από την εφαρµογή της δέσµης laser. ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΓΕΝΙΚΑ Πραγµατοποιούνται σε σχετικά υψηλές θερµοκρασίες. Ταξινοµούνται µε βάση το στοιχείο εµπλουτισµού της µεταλλικής επιφάνειας. Οι βασικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα σ όλους τους εµποτισµούς είναι: ιάλυση του στοιχείου εµπλουτισµού. Προσρόφηση. ιάχυση. Πριν από κάθε εµποτισµό απαιτείται πολύ καλός καθαρισµός της προς κατεργασία επιφάνειας, ώστε να διευκολύνεται η προσρόφηση και διάχυση του στοιχείου εµπλουτισµού από αυτή. Οι πιο συχνά εφαρµοζόµενες θερµοχηµικές κατεργασίες σε βιοµηχανική κλίµακα είναι: H ενανθράκωση. Η εναζώτωση. Η ενανθρακαζώτωση. ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΣΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Εφαρµόζεται κυρίως σε χάλυβες µε χαµηλό ποσοστό C (π(c)=0.10-0.25%) και επιτελείται σε 2 στάδια: Στάδιο 1 O χάλυβας θερµαίνεται παρουσία ενανθρακωτικού µέσου σε θερµοκρασία πλήρους ωστενιτοποίησης (900-950 ο C). Τα άτοµα άνθρακα διαχέονται στο πλέγµα του ωστενίτη, σε ορισµένο βάθος από την επιφάνεια, µέχρι την τιµή της µέγιστης διαλυτότητας σ αυτόν (βλ. λεπτοµέρειες κατωτέρω). Ακολουθεί βραδεία απόψυξη µέχρι τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Λόγω της παρατεταµένης θέρµανσης, σχηµατίζονται κόκκοι µεγάλου µεγέθους, τόσο στον πυρήνα (φερρίτης+περλίτης), όσο και στην εµποτισµένη επιφάνεια (σεµεντίτης+περλίτης). Στάδιο 2 Ακολουθεί βαφή που επιτελείται σε 2 φάσεις. Φάση 1 Θέρµανση σε θερµοκρασία θ>α c3. Μετασχηµατισµός του χονδρόκοκκου ωστενίτη του πυρήνα σε λεπτόκοκκο ωστενίτη. Ακολουθεί βαφή σε νερό. Μετασχηµατισµός του λεπτόκοκκου ωστενίτη του πυρήνα σε λεπτόκοκκο φερρίτη και µαρτενσίτη, η δοµή όµως της εµποτισµένης επιφάνειας παραµένει χονδρόκοκκη. Φάση 2 Επαναθέρµανση σε θερµοκρασία θ 760 ο C. Σχηµατισµός λεπτόκοκκου ωστενίτη (ευτηκτοειδούς σύστασης) στην εµποτισµένη επιφάνεια. Ακολουθεί βαφή σε λάδι. Μετασχηµατισµός του λεπτόκοκκου ωστενίτη σε λεπτόκοκκο σκληρό µαρτενσίτη, ενώ ο µαρτενσίτης του πυρήνα υφίσταται επαναφορά. 6

ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΤΙΚΑ ΜΕΣΑ (α) Στερεά Σκόνη µίγµατος ξυλάνθρακα και ανθρακούχων ενώσεων (BaCO 3 και Na 2 CO 3 ) καλύπτουν την προς κατεργασία επιφάνεια. Με τη θέρµανση οι σκόνες διασπώνται προς CO και CO 2 που αποτελούν το φορέα του C που διαχέεται στο επιφανειακό στρώµα. Μια τυπική σειρά αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα κατά την ενανθράκωση παρουσιάζονται αµέσως παρακάτω: C + O 2 CO 2 BaCO 3 BaO + CO 2 CO 2 + C 2CO 2CO CO 2 + C Fe-γ + C Fe-γ (C) (β) Υγρά Λουτρά τηγµάτων ανθρακούχων ενώσεων (Βa(CN) 2, NaCN, Na 2 CO 3 ). Με τη θέρµανση διασπώνται και επιτελείται η διάχυση των ατόµων C ως ανωτέρω. Ως ενεργοποιητές της διεργασίας χρησιµοποιούνται χλωρίδια Νa, Ba, Sr (τα δύο τελευταία είναι τοξικά) Εφαρµόζουν στην ενανθράκωση αντικειµένων µικρών διαστάσεων, όπου απαιτείται µικρό βάθος εµποτισµού. (γ) Αέρια Αέρια µίγµατα H 2, CO, CO 2, CH 4, C 2 H 6. Mε τη θέρµανση αντιδρούν µεταξύ τους και παράγουν τον απαραίτητο C για την ενανθράκωση. ΒΑΘΟΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ Εξαρτάται από τη θερµοκρασία και το χρόνο ενανθράκωσης. Για δεδοµένη θερµοκρασία, υπολογίζεται από τη σχέση: x = Dt, όπου: D ο συντελεστής διάχυσης και t ο χρόνος ενανθράκωσης. Συνήθως επιλέγεται x 10% της µέγιστης διάστασης της διατοµής του χαλύβδινου αντικειµένου. Ο χρόνος ενανθράκωσης κυµαίνεται µεταξύ 4-5 h. Ο συντελεστής διάχυσης αυξάνεται µε αύξηση του ποσοστού C. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Η θερµοκρασία του φούρνου πρέπει να είναι αυστηρά ρυθµισµένη. Οποιαδήποτε θερµοκρασιακή απόκλιση επηρεάζει το ποσοστό C στην επιφανειακή στιβάδα. H ενανθράκωση µε αέρια ενανθρακωτικά µέσα είναι η πλέον εφαρµοζόµενη µέθοδος σε βιοµηχανική κλίµακα, διότι παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήµατα έναντι των άλλων ενανθρακωτικών µέσων, όπως: Μείωση του χρόνου ενανθράκωσης κατά 2-3 h. Αύξηση της παραγωγικότητας. Μικρότερη µόλυνση περιβάλλοντος. υνατότητα επέµβασης κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. υνατότητα άµεσης εφαρµογής της επόµενης θερµικής κατεργασίας (βαφής). υνατότητα υψηλού βαθµού αυτοµατισµού της κατεργασίας. Περιοχές που δεν πρέπει να ενανθρακωθούν επικαλύπτονται µε ηλεκτρολυτικό Cu, που αφαιρείται µετά το πέρας της κατεργασίας. Θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 950 ο C οδηγούν σε µεγέθυνση των κόκκων και ψαθυροποίηση του χάλυβα. 7

Όταν ενανθρακώνονται αντικείµενα µε πολύπλοκη γεωµετρία και διαβαθµίσεις πάχους, πρέπει να δίνεται µεγάλη προσοχή στα σηµεία µεγάλης καµπυλότητας, όπου το βάθος ενανθράκωσης µπορεί να είναι µεγαλύτερο από το πάχος του αντικειµένου. Στην περίπτωση αυτή δηµιουργούνται καρβίδια στα όρια κόκκων που οδηγούν σε ψαθυρή συµπεριφορά του υλικού. Για την επιφανειακή σκλήρυνση χαλύβων µε 0.25% π(c) 0.30% χρησιµοποιούνται κραµατω- µένοι χάλυβες (τυπική σύνθεση: 4% Ni, 1.1% Cr, 0.2-0.3% Mo). ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗΝ ΕΝΑΝΘΡΑΚΩΣΗ Το Mg (έως 8%) προκαλεί αύξηση της σκλήρυνσης και της τάσης επιφανειακής ρηγµάτωσης. Το Ni (έως 5%) παρεµποδίζει την αύξηση του µεγέθους κόκκων. Το Cr συντελεί στην αύξηση της σκληρότητας, της αντοχής σε φθορά και του µεγέθους κόκκων. Το Μο (έως 1%) ευνοεί τη δηµιουργία ψαθυρών καρβιδίων στα όρια κόκκων. ΕΝΑΖΩΤΩΣΗ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑΣ Πρόκειται για κατεργασία εµποτισµού της επιφανειακής στιβάδας χαλύβων µε άτοµα αζώτου. Το προς κατεργασία αντικείµενο τοποθετείται σε αεροστεγές δοχείο, όπου θερµαίνεται µαζί µε NH 3 σε θερµοκρασία χαµηλότερη από την ευτηκτική του συστήµατος Fe-N (~590 ο C), δηλαδή ο χάλυβας δεν υφίσταται ωστενιτοποίηση. Η NH 3 διασπάται και παρέχει το αναγκαίο N 2. H διάχυση του Ν 2 στο πλέγµα του φερρίτη (Fe-α) οδηγεί στο σχηµατισµό κατακρηµνισµάτων ή στρώµατος νιτριδίων, στα οποία οφείλεται η πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα. Επιπλέον, επιτυγχάνονται για τον κατεργαζόµενο χάλυβα: (α) Βελτίωση της αντοχής σε κόπωση, λόγω της εισαγωγής «επωφελούς» πεδίου θλιπτικών τάσεων στην επιφανειακή στιβάδα, που προέρχεται από τη στρέβλωση του κρυσταλλικού πλέγµατος του Fe από την παρουσία των νιτριδίων. (β) Βελτίωση της αντοχής σε φθορά, λόγω του χαµηλού συντελεστή τριβής των νιτριδίων. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Βάθος εµποτισµού: 1 µm. Θερµοκρασία κατεργασίας: 500-550 ο C. Η επιφανειακή σκληρότητα ανέρχεται στους 1350 ΗV και διατηρείται αµείωτη µέχρι θερµοκρασία 500 ο C περίπου. Ο χρόνος εναζώτωσης είναι αρκετά µεγάλος (50-60 h), λόγω της µικρής ταχύτητας διάχυσης του Ν 2. εν απαιτείται περαιτέρω βαφή του χάλυβα. Εφαρµόζεται σ όλα τα είδη χαλύβων και χυτοσιδήρων χωρίς κανένα περιορισµό. Η παρουσία Αl, Cr και V, ως κραµατικών στοιχείων του χάλυβα, συντελεί σε επιπρόσθετη σκλήρυνση της επιφανειακής ζώνης, λόγω σχηµατισµού σκληρών νιτριδίων τους. ΕΝΑΝΘΡΑΚΑΖΩΤΩΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Χρησιµοποιείται για ταυτόχρονη ενανθράκωση και εναζώτωση των χαλύβδινων προϊόντων. Το µέσο που εξασφαλίζει τα άτοµα εµποτισµού είναι µίγµα ΝΗ 3 και CO. Επιτελείται αρχικά θέρµανση του συστήµατος στο θερµοκρασιακό εύρος των 750-900 o C και ακολουθεί απόψυξη σε ισχυρό θερµό ρεύµα αέρα. ΛΟΙΠΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ (Πίνακας 2) 8

Τεχνική Ενδοκυάνωση Εναργιλίωση Πίνακας 2: Λοιπές κατεργασίες εµποτισµού χαλύβων Μέσο εµποτισµού Θερµοκρασία Επιπλέον Περιορισµοί - Παρατηρήσεις Αντίδραση κατεργασίας θερµική ( ο C) κατεργασία Λουτρά τηγµένων αλάτων τυπικής σύστασης: NaCN (30%), Na 2 CO 3 (40%), NaCl (30%) Σκόνη Al και NH 4 Cl σε ειδικό φούρνο Fe + AlCl 3 FeCl 3 + Al 760-870 Βαφή Εµπλουτισµός σε C και N. Bάθος εµποτισµού: 30-50 µm. Επικίνδυνη κατεργασία λόγω του CN Απαιτείται σύστηµα απαγωγής τοξι-κών αερίων. Επιτυγχάνεται επιφανειακή σκλήρωση Εφαρµογές: Χάλυβες µικρής π(c). 800-1000 - Εµπλουτισµός σε Al. Βάθος εµποτισµού: <1 µm. ιάρκεια κατεργασίας: 40-50 h. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση µέχρι 750 ο C λόγω σχηµατισµού Al 2 O 3 στην επιφάνεια. Εφαρµογές: Χάλυβες µε π(c) = 0.08-0.2% κ.β., εσχάρες φούρνων, σωλήνες ατµού, σερπαντίνες κλπ. Εγχρωµίωση Σκόνη Cr 1300-1400 - Εµπλουτισµός σε Cr. Βάθος εµποτισµού: <1 µm. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση σε περιβάλλον ΗΝΟ 3 και σε θερµό περιβάλλον. Εφαρµογές: Χάλυβες µε π(c) = 0.05-0.2% κ.β., σε χηµικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας ΗΝΟ 3. Ενσιλίκωση Σκόνη SiC ή SiCl 4 σε ατµόσφαιρα Cl 2. 930-1010 - Εµπλουτισµός σε Si, που παράγεται µε διάσπαση της σκόνης από το Cl 2. Βάθος εµποτισµού: 0.1-2.5 µm. ιάρκεια κατεργασίας: ~2 h. Επιτυγχάνεται προστασία σε διάβρωση σε υψηλή θερµοκρασία. Εφαρµογές: Κοινοί χάλυβες µε µικρές π(c) και π(si), εξαρτήµατα αντλιών αυτ/του, βαλβίδες, κύλινδροι ΜΕΚ, εγκαταστάσεις επεξεργασίας πετρελαίου Σεραρδίωση Λεπτή σκόνη Zn. 350-380 - Εµπλουτισµός σε Αl και σχηµατισµός των φάσεων FeZn 7 και FeZn 10. Βάθος εµποτισµού: < 300 µm. ιάρκεια κατεργασίας: πολύ µεγάλη. Υψηλό κόστος. Επιτυγχάνεται βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση και οξείδωση. Εφαρµόζεται σπάνια. Βορίωση Σκόνη Β. 815-980 ιάφοροι θερµικοί κύκλοι Εµπλουτισµός σε Β και σχηµατισµός των σκληρών ενώσεων FeB και Fe 2 B. Βάθος εµποτισµού: 25-125 µm. ιάρκεια κατεργασίας: 15 min 2 h. Επιτυγχάνονται πολύ µεγάλη σκληρότητα (1500-2000 HV), προστασία σε φθορά και διάβρωση σε όξινο περιβάλλον. Εφαρµογές σε πολλά είδη χαλύβων, γρανάζια αντλιών λαδιού σε ΜΕΚ, εγχυτήρες καυστήρων υψηλής πίεσης, βαλβίδες ασφαλείας, βάνες διαβρωτικών ρευστών κλπ. 9

ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΘΟΥΣ ΕΜΠΟΤΙΣΜΟΥ Το πρόβληµα του εµποτισµού διέπεται από τον 2 ο 2 C C Νόµο του Fick: = D (1) 2 t x Πρόκειται για µη µόνιµο πρόβληµα (µεταβάλλεται µε το χρόνο) µονοδιάστατης µεταφοράς µάζας µέσα σε στερεό, µε οριακές συνθήκες: C(x,0) = C s o C(,t) = C C(0, t) = C o (2) όπου: C s : η συγκέντρωση του στοιχείου εµποτισµού στην επιφάνεια του χάλυβα (που θεωρείται ότι παραµένει σταθερή σε όλη τη διάρκεια της κατεργασίας). C o : η αρχική συγκέντρωση του χάλυβα σε στοιχείο εµποτισµού. Η λύση της διαφορικής εξίσωσης (1) που προκύπτει από την εφαρµογή των οριακών συνθηκών (2) περιγράφει τη µεταβολή της συγκέντρωσης C του στοιχείου εµποτισµού (που διαχέεται µέσα στον χάλυβα) συναρτήσει του χρόνου t και της απόστασης x από την επιφάνεια του χάλυβα µέσω της σχέσης: x C(x,t) = C s + (Co C s) erf 2 Dt (3) όπου: z 2 2 u erf (z) = e du : η συνάρτηση σφάλµατος Gauss µε ιδιότητες: π erf( ) = 1 erf(0) = 0 erf( + ) = 1 0 3 5 7 2 z z z erf(z) = z + +... π 31! 52! 73! Γραφική παράσταση όπως φαίνεται στο Σχ. 6. Σχήµα 6 Τιµές της συνάρτησης erf(z) παρέχονται στον Πίν. 2. 10

Πίνακας 3: Τιµές της erf(z) Ως βάθος εµποτισµού ορίζεται η απόσταση x p από την επιφάνεια του χάλυβα, στην οποία η Co + Cs συγκέντρωση του στοιχείου εµποτισµού είναι ίση µε C( x p ) =. 2 (Co C s) xp Με αντικατάσταση στην εξ. (3) λαµβάνουµε: = C s + (Co C s) erf 2 2 Dt και xp 1 µετά την εκτέλεση των πράξεων προκύπτει: erf =. 2 Dt 2 xp 1 Από τον Πίν. 3 διαπιστώνουµε ότι: ή ισοδύναµα xp 2 Dt 2 Dt (4). 11