54. Chemicko-tepelné zpracování

Podstatou chemicko - tepelného zpracování oceli je difúzní obohacování povrchových vrstev ocelových součástí při zvýšené teplotě některým prvkem, který jim dodává zvláště tvrdost, odolnost proti opotřebení a únavě nebo odolnost proti korozi. Nejběžnější je sycení povrchu uhlíkem, dusíkem nebo jejich kombinacemi, kterými se dosahuje hlavně zvýšené tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Cementování je sycení povrchu obvykle nízkouhlíkové oceli uhlíkem při teplotě nad Ac3 (obr. 95). Vzniklá povrchová vrstva se po zakalení vyznačuje velkou tvrdostí a odolností proti opotřebení. Při velké povrchové tvrdosti musí být jádro součásti houževnaté. Proto se k cementování volí buď ušlechtilé oceli uhlíkové s nejvyšším obsahem uhlíku asi 0,25 %, nebo oceli slitinové, u nichž se pevnost a tvrdost zakalením příliš nemění. Cementuje se bud v uhelném prášku, v tekuté cementační lázní, nebo v plynu. Při cementování v tuhém prostředí (cementování v prášku) se postupuje tak, že součásti určené pro cementování se uloží do plechových nebo litinových krabic a zasypou se práškem, skládajícím se obvykle asi ze 60 % dřevěného uhlí a z 40% uhličitanu barnatého. Po uzavření se krabice vloží do pece a ohřívají se na teplotu, při níž může uhlík vnikat do oceli, tj. nad Ac3 (850 až 930°C), kdy je struktura oceli austenitická. Doba ohřevu závisí na požadované tloušťce cementované vrstvy. Obvykle se žádá tloušťka cementované vrstvy asi 0.5 až l mm (obr. 98) a v tom případě je třeba po prohřátí krabic sytit ocel po dobu l až 4 h. Obsah uhlíku v cementované vrstvě bývá na povrchu kolem 1 %, do hloubky ho ubývá. Aby bylo možno během cementování kontrolovat hloubku cementované vrstvy, vkládají se do krabic tyčky, které z nich vyčnívají. Po předpokládané době cementace se jedna ze zkušebních tyček vyjme, zakalí a přerazí a na lomu se posuzuje tloušťka cementované vrstvy. Jestliže se dosáhlo správné tloušťky, následuje kalení. Nejjednodušší je kalení z jednoho žáru, tedy ihned po cementaci. Tento způsob je však nejméně výhodný; struktura oceli, zejména uhlíkové, dlouhým ohřevem zhrubla a následkem toho nebudou ani vlastnosti oceli po zakalení nejlepší. Oceli, které jsou méně náchylné ke zhrubnutí, tj. oceli slitinové, se po cementaci nechají zchladnout v cementačních krabicích. Pak se znovu ohřeje na teplotu nevýhodnější pro zakalení povrchové vrstvy asi s l % C, tj. na teplotu těsně nad Ac1, a zakalí se např. do oleje. Někdy se vyžaduje, aby se tvrdá vrstva vytvořila jen na části povrchu. Zbytek musí zůstat měkký, aby se součást mohla obrábět, nebo aby nebyla zbytečně křehká. V takovém případě je nutno příslušnou část povrchu chránit proti cementování. V prášku a v plynu lze použít pro tento účel různých past a nátěrů, které však nejsou příliš spolehlivé. Účinnější je ochrana galvanickým poměděním. Nejdokonalejší ochranou však je přídavek na obrábění na příslušné části povrchu, jehož tloušťka odpovídá hloubce cementované vrstvy. Po cementování se přídavek obrobí. Tento způsob je také jedině možný při cementování v solné lázni. Cementování je možné i v tekutých lázních, skládajících se z vhodných solí, např. z uhličitanu sodného, chloridu sodného apod., s přísadou látek dodávajících oceli uhlík. Jsou to zejména různé kyanidy. Při cementování v tekutých lázních je povrch oceli sycen nejen uhlíkem, ale i dusíkem. Pochod trvá mnohem kratší dobu než cementování v prášku, neboť odpadá prohřívání krabic a sycení uhlíkem postupuje v lázni rychleji než v prášku. Kalení cementovaných součástí se děje obdobně jako u cementování v prášku. Cementováni v plynném prostředí. Je to v současné době nejpokrokovější způsob chemicko-tepelného zpracování. Jako aktivního nauhličovadla se používá kysličníku uhelnatého (CO), získávaného ze svítiplynu, zemního plynu, propan-butanu apod. Používají se i jiné plyny, vzniklé rozložením vhodné cementační tekutiny přímo v peci (např. směs terpentýnového oleje, acetonu a etylalkoholu). Například cementační kapalina Teral se skládá ze 40 % terpentýnu, 30 % acetonu a 30 % alkoholu. Používané pece jsou obvykle šachtové (obr. 100), vytápěné odporově, často s nuceným oběhem plynů (např. pece Monocarb s vkapáváním cementační kapaliny). Součásti určené k cementování se zavěsí nebo uloží na speciální přípravky (obr. 101) a jeřábem se vloží do pece. Cementování v plynu trvá asi 3 h. Pak následuje pomalé chladnutí, zakalení a popuštění. Celková doba potřebná pro celou operaci je mnohem kratší než u cementování v prášku. Cementování v plynu však vyžaduje stálou kontrolu zařízení a jeho pečlivou údržbu. Nejdůležitější však je možnost mechanizace a automatizace celého pochodu. Nitridování je povrchové sycení oceli dusíkem, který vytváří s vhodnými slitinovými kovy (AI, Cr, Ti, V) velmi tvrdé nitridy. Dusík je však plyn celkem netečný, je proto třeba získat dusík ve stavu zrodu, který s kovy reaguje. Proto se do pece, ohřáté na teplotu asi 500°C, vhání čpavek (NH), který se rozkládá a dusík ve stavu zrodu vniká do oceli a tvoří nitridy (obr. 102). Uhlíková ocel není vhodná pro nitridování, poněvadž vzniklé nitridy nejsou dost tvrdé a stálé za vyšších teplot. Používají se proto oceli slitinové; vhodná slitinová ocel pro nitridování obsahuje asi 1% Al a 1,5 % Cr; uhlíku bývá asi 0,3 až 0,4 %. Nitridování je pochod trvající velmi dlouho, a proto je drahý. Nitridované vrstvy tloušťky asi 0,3 mm se dosáhne asi za 30 h, tloušťky 0,5 mm asi za 50 hodin. Po skončení nitridování následuje pomalé zchladnutí oceli. To je velká přednost proti cementování, neboť odpadá kalení, které je zdrojem potíží následkem vznikajících deformací, vnitřních pnutí, popř. trhlin. Nitridované povrchy jsou velmi tvrdé, mnohem tvrdší než u cementování. Nejlepších výsledků se dosáhne, byla-li ocel před nitridováním zušlechtěna. Části, které nemají být nitridovány, se nejčastěji chrání tenkou vrstvou cínu. Nitrocementování Tvoří přechod mezi cementováním a nitridováním; jde o současné sycení povrchu oceli uhlíkem a dusíkem při teplotách kolem Ac3. Provádí se buď v plynné atmosféře (plynná cementační atmosféra s přídavkem čpavku) při teplotě 820 až 860°C, nebo v kyanidové solné lázní o teplotě 800 až 850 °C. Po nasyceni povrchu následuje ihned kalení. Pochodu v lázni se někdy říká kyanování. Nitrocementování v plynném prostředí je pokrokový způsob chemicko-tepelného zpracování, který se rozšiřuje na úkor běžné cementace. K nitrocementování v plynu je možno použít téhož zařízení a přípravků jako pro cementování v plynu.