Nawęglanie - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy procesu technologicznego stali. Zapoznaj się również z: proces podawania paliwa do palenisk przemysłowych.

Nawęglanie – zabieg cieplny polegający na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe (do 0,25% zawartości węgla), by zmodyfikować własności warstwy wierzchniej materiału w dalszych fazach obróbki np. zwiększyć jej twardość, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia stali niskowęglowej. Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1–1,3%, a głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,5 do 2 mm.

Nawęglanie – proces dostarczenia węgla lub innego paliwa stałego do palenisk przemysłowych lub parowozów. Układ nawęglania elektrowni obejmuje zestaw urządzeń i instalacji pomocniczych służących do: odbioru węgla ze środków transportu zewnętrznego, mechanizacji składowisk węgla, wstępnego przygotowania węgla (sortowanie, kruszenie, mieszanie, uśrednianie) i transportu do zasobników przykotłowych. Najogólniej zespół nawęglania tworzą:

Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o odporności na działanie sił punktowych (skupionych). Efektami oddziaływania sił skupionych mogą być odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie. Twardość materiału mierzy się za pomocą sklerometru i mikrotwardościomierza. Twardość jest istotną charakterystyką materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego z typu tych materiałów utworzono odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości.

W procesie nawęglania można wyodrębnić dwa etapy:

absorpcja, tj. pochłanianie węgla w postaci atomowej przez powierzchnię metalu
przenikanie węgla w głąb materiału

W warstwie nawęglanej można wyróżnić 3 strefy:

strefa nadeutektoidalna zawierająca perlit oraz węgliki żelaza, które w czasie nawęglania przechodzą w siatkę cementytu na granicy ziaren

strefa eutektoidalna zawierająca tylko perlit; grubość tej warstwy zależy od szybkości dyfuzji (im większa szybkość dyfuzji, tym większa grubość tej strefy)

strefa podeutektoidalna zawierająca perlit i ferryt

Metody nawęglania

Nawęglanie w proszkach: Przedmiot umieszczany jest w specjalnej skrzynce wypełnionej sproszkowanym węglem drzewnym, najczęściej dębowym, bukowym lub brzozowym, wymieszanym ze środkami przyśpieszającymi nawęglanie takimi jak węglan baru, węglan sodu itp. Nawęglanie proszkowe prowadzi się w temperaturze około 900°–950° C. Przedmiot nawęglony często hartuje się powierzchniowo.

Nawęglanie gazowe: Przedmiot umieszcza się w atmosferze gazowej, najczęściej gazu ziemnego lub innego gazu powstałego przy rozkładzie produktów naftowych. Nawęglanie gazowe prowadzi się w temperaturach 850°–950° C przy stałej cyrkulacji gazu w specjalnych piecach muflowych. Nawęglanie gazowe jest bardziej skomplikowane od proszkowego oraz wymaga specjalnych instalacji, lecz jest dokładniejsze i znacznie szybsze.

Nawęglanie w ośrodkach ciekłych: Proces przeprowadza się w temperaturze około 850° C. Nawęglaczem jest mieszanka soli z dodatkiem karborundu SiC.

Nawęglanie w złożach fluidalnych: Przedmiot zanurza się w złożu fluidalnym (tworzonym przez cząstki tlenku glinu lub piasku unoszone przez gorący gaz nasycający przepływający od dołu przez złoże).

Nawęglanie próżniowe: Nawęglanie w obniżonym ciśnieniu w atmosferze metanu lub innych gazów. Zaletami tej metody jest dobra adsorpcja i niskie zużycie gazu.

Nawęglanie jonizacyjne: Metoda polega na nagrzewaniu w piecu próżniowym w atmosferze węglowodorowej. Po przyłożeniu napięcia następuje wytworzenie plazmy, a w konsekwencji wytworzenie jonów węgla, które bombardują powierzchnię metalu.

Obecnie po procesie nawęglania stosuje się dalszą obróbkę cieplną (hartowanie do temperatury właściwej dla rdzenia, hartowanie do temperatury właściwej dla powierzchni i niskie odpuszczanie), a jej zaniechanie jest traktowanie jako błąd technologiczny. Procesy podobne do nawęglania to azotowanie oraz procesy łączone, np. węgloazotowanie (cyjanowanie).

Stal węglowa (niestopowa) - obejmuje te gatunki stali, w których zawartość określonych pierwiastków jest mniejsza od pewnych wartości granicznych. Graniczne wartości pierwiastków wyrażane w procentach są następujące: bor < 0.0009%, cyrkon, tytan i inne (oprócz C, P, S, N) < 0.05%, niob <0.06%, molibden <0.08%, bizmut, selen, tellur i wanad <0.1%, aluminium, chrom, kobalt, nikiel i wolfram <0.3%, ołów i miedź <0.4%, krzem <0.5% oraz mangan <1.65%.

Hartowanie – rodzaj obróbki cieplnej materiału prowadzący do zwiększenia jego twardości i wytrzymałości, jak również podniesienia granicy plastyczności i sprężystości.

Bibliografia

Karol Przybyłowicz, "Metaloznawstwo", WNT, Warszawa 1992, 2003, ISBN 83-204-2822-X

L. A. Dobrzański, "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo: materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego",WNT, ISBN 83-204-2793-2