11.4 TRATAMENTE TERMOCHIMICE

Tratamentele termochimice se deosebesc de celelalte tratamente termice prin faptul că pe lângă modificările de

structură, ele determină şi modificări de compoziţie chimică în straturile superficiale ale pieselor, ca urmare a îmbogăţirii acestora

cu diferite elemente. Îmbogăţirea straturilor superficiale cu atomi ai diferitelor elemente se face prin încălzirea pieselor la

anumite temperaturi în medii bogate în elementul dorit. Tratamentele termochimice conduc la creşterea durităţii superficiale, a

rezistenţei la uzură, la coroziune şi la oboseală, cu menţinerea la valori ridicate a caracteristicilor de plasticitate şi de tenacitate

ale miezului piesei.

11.4.1 Procesele fizico- chimice care stau la baza tratamentelor termochimice

Piesele care urmează a fi supuse tratamentelor termochimice, se introduc într-un spaţiu închis în care se introduce şi un

mediu activ (solid, lichid sau gazos), în scopul punerii în libertate în urma unor reacţii chimice a unor atomi activi, ai elementului

cu care se urmăreşte îmbogăţirea suprafeţei piesei. În timpul tratamentelor termochimice au loc trei procese principale:

disocierea, adsorbţia şi difuzia.

Disocierea constă din descompunerea moleculelor unor anumiţi compuşi ai mediului utilizat şi naşterea în urma

acestei descompuneri a unor atomi activi capabili de a fi adsorbiţi la suprafaţa piesei şi apoi de a difuza în interiorul ei.

Pentru a caracteriza cantitativ măsura în care s-a produs disocierea, se foloseşte noţiunea de grad de disociere, care

reprezintă raportul dintre numărul de molecule disociate şi numărul total de molecule din mediul dat. Gradul de disociere este

determinat de parametrii tehnologici ca: temperatura, presiunea de lucru, prezenţa unor catalizatori, mărimea şarjei etc.

Atomii activi obţinuţi în urma disocierii suferă în continuare fenomenul de adsorbţie la suprafaţa pieselor metalice.

Adsorbţia este procesul prin care atomii activi sunt atraşi de către suprafaţa pieselor care urmează a fi tratate

termochimic. Acest proces are loc deci, la limita de separaţie dintre faza gazoasă şi suprafaţa metalului şi este influenţat atât de

factori care ţin de suprafaţa metalului (compoziţie chimică, natura, suprafeţei, geometrie, etc.) cât şi de factori care ţin de faza

gazoasă (compoziţia chimică a mediului, tipul de atomi activi) precum şi de parametri la care se desfăşoară procesul

(temperatură, presiune). De la suprafaţa piesei, atomii adsorbiţi încep un proces de migrare spre interiorul piesei.

Difuzia este fenomenul de migrare al atomilor adsorbiţi, de la suprafaţă spre interior. În figura 11.65 este prezentată o

schemă principială de desfăşurare a proceselor descrise mai sus.

Fig.11.65 Schema de desfăşurare a unui tratament termochimic

Pentru descrierea şi explicarea fenomenelor care au loc la difuzie, se folosesc legile lui Fick. Expresia matematică a

primei legi a lui Fick se referă la cantitatea de substanţă ce difuzează într-un corp solid cristalin izotrop. Procesul de difuzie este

considerat ca un flux continuu de atomi sau ioni pe suprafaţa (dm) printr-un strat izotrop de o anumită grosime (dx), cu secţiunea

transversală (ds) şi în cursul duratei de timp (dt). Cu (dC) se notează variaţia concentraţiei.

Expresia primei legi a lui Fick este:

Conform primei legi, cantitatea de substanţă care difuzează este direct proporţională cu gradientul de concentraţie în

direcţia difuziei (dC/dx), cu suprafaţa secţiunii transversale (dS) şi cu timpul (dt). S-a notat cu D factorul de proporţionalitate care

a primit denumirea de coeficient de difuzie, reprezentând cantitatea de substanţă difuzată într-o secundă, printr-o suprafaţă de l

cm2 , la o variaţie a concentraţiei, egală cu unitatea. Coeficientul de difuzie se exprimă în cm2/s, semnul minus arătând că difuzia

este însoţită de deplasarea atomilor dinspre porţiunile mai bogate în substanţa respectivă, spre porţiunile mai sărace.

Prima lege a lui Fick este valabilă pentru cazul în care concentraţia în orice punct, nu variază în timp (starea staţionară).

A doua lege a lui Fick descrie cazul unui flux nestaţionar când concentraţia, în orice punct variază în timp. În cazul în

care coeficientul de difuzie D nu depinde de concentraţie, a doua lege a lui Fick are forma:

S-a constat, prin cercetări experimentale că există o dependenţă de temperatură a coeficientului de difuzie D, redată de ecuaţia:

unde: Do este un factor determinat de tipul reţelei cristaline, frecvenţa oscilaţiilor atomului care difuzează şi de alţi factori;

Q - energia de activare;

R - constanta gazelor perfecte;

T - temperatura la care are loc procesul de difuzie [°K].

Fig. 11.66 Dependenţa coeficientului de difuzie (D) în funcţie de temperatură

O influenţă mare asupra adâncimii straturilor de difuzie obţinute o au durata tratamentului termochimic şi temperatura

la care el se desfăşoară procesul. Cu creşterea duratei tratamentului, intensitatea procesului de difuzie scade, datorită micşorării

treptate a gradientului de concentraţie. Variaţia adâncimii stratului de difuzie, în funcţie de durata procesului, pentru o serie de

tratamente termochimice se exprimă printr-o parabolă, care are ecuaţia:

unde: x este adâncimea stratului de difuzie;

t - durata procesului;

k - constantă care depinde de natura substanţei care difuzează, precum şi de alţi factori.

Reprezentarea grafică a acestei ecuaţii este dată în figura 11.67.

Fig. 11.67 Variaţia stratului de difuzie în funcţie de timp

Influenţa temperaturii asupra adâncimii stratului de difuzie este dată de relaţia :

unde: A şi α sunt coeficienţi experimentali;

T - temperatura în grade Kelvin.

Nu în toate cazurile această relaţie se verifică. Date mai recente arată că forţa motrice a procesului de difuzie nu este de

fapt gradientul de concentraţie adoptat în mod obişnuit, ci gradientul potenţialului chimic pentru calculul căruia lipsesc unele

date, motiv pentru care se utilizează expresiile în care intră gradientul de concentraţie.

Difuzia în cazul corpurilor cristaline, depinde de mai mulţi factori cum ar fi: orientarea cristalului în spaţiu, faţă de

fluxul care difuzează, deformaţiile reţelei cristaline, defectele reticulare, granulaţie, transformările fazice, etc.

După cum s-a mai arătat, etapele principale ale unui tratament termochimic sunt: disocierea (d),adsorbţia (A) şi difuzia (D). Pot

să apară diferite situaţii în funcţie de raporturile existente între aceste trei procese de bază:

- în cazul în care d < A, numărul de atomi activi fiind prea mic, nu se obţine o îmbogăţire suficientă a suprafeţei

metalului de bază;

- în cazul în care d > A,atomii activi fiind în cantităţi prea mari, ei nu pot fi absorbiţi integral şi cei neadsorbiţi se

reunesc din nou în molecule, depunându-se pe suprafaţa pieselor, ceea ce determină micşorarea intensităţii procesului de

tratament termochimic;

- în cazul în care A < D, migrarea atomilor înspre interior făcându-se cu o viteză care nu poate fi compensată în

procesul de adsorbţie, stratul de difuzie va creşte în grosime, dar concentraţia la suprafaţă nu va atinge valori ridicate;

- în cazul în care A > D datorită migrării mai puţin accelerate a atomilor înspre interior, concentraţia la suprafaţă va

atinge valoarea maximă, chiar la durate mici de menţinere şi la grosimi mici ale stratului .

Pentru ca procesul de tratament termochimic să se producă în condiţii optime ar trebui, în mod teoretic, ca între cele trei

etape să existe următoarea relaţie:

În practică, prin reglarea temperaturii şi presiunii, şi prin corelarea mediului utilizat la îmbogăţire, cu mărimea şarjei, se

optimizează satisfacerea acestei relaţii.

11.4.2 Clasificarea tratamentelor termochimice

Tratamentele termochimice se clasifică de obicei după criteiul elementului de îmbogăţire superficială, care determină şi

utilizările în exploatare, astfel:

Tabelul 11.8

Nr.

crt.

Elementul de

îmbogăţire

suprafeţei

Denumirea tratamentului

termochimic

Scopurile principale urmărite

1. Carbon Carburare (cementare) Durificare superficială şi ulteriorCălire + revenire joasă

2. Azot Nitrurare Durificare superficială3. Carbon+Azot Carbonitrurare, cianurare

nitrurare moaleDurificare superficială

4. Sulf Sulfizare Reducerea coeficientului de frecare5. Sulf+Carbon+Azot Sulfocianurare Reducerea coeficientului de frecare6. Bor Borurare (borizare) Durificare superficială la rece şi la cald

mărirea rezistenţei la coroziune7. Diferite metale Metalizare prin difuzie

Aluminiu Aluminizare (alitare, calorizare) Mărirea rezistenţei la oxidare la cald

Crom Cromare prin difuzie (cromizare)

Durificare superficială. Mărirea rezistenţei la oxidare şi coroziune.

Siliciu Siliciere (silicizare) Mărirea rezistenţei la oxidare la caldZinc Zincare, sherardizare Mărirea rezistenţei la oxidare şi coroziune

11.4.3 Principalele tipuri de tratamente termochimice

11.4.3.1 Carburarea (cementarea)

Carburarea este tratamentul termochimic care constă din îmbogăţirea cu carbon a stratului superficial al pieselor din

oţel cu conţinut scăzut de carbon, prin încălzirea şi menţinerea acestora la o anumită temperatură, în contact cu mediul solid,

lichid sau gazos, capabil să cedeze atomi de carbon.

În mod obişnuit se supun carburării, aşa numitele oţeluri de cementare, care au un conţinut scăzut de carbon (până la

0,25 %C). În urma carburârii, prin ridicarea conţinutului de carbon la suprafaţă (0,7- 1,1 %C), se conferă piesei o duritate

superficială ridicată, rezistenţă la uzură şi la oboseală mare, având în acelaşi timp miezul tenace, capabil de a prelua solicitările

dinamice. Datorită acestor proprietăţi care rezultă în urma carburării, aceasta se aplică la: roţi dinţate, arbori, bolţuri, etc.

Carburarea în mediu solid, este cea mai veche metodă de carburare, care utilizează drept donor de carbon, medii

solide care cuprind un component organic şi diferite adaosuri de activare. Ca material de bază este utilizat, de obicei, cărbune de

lemn (mangal). Ca materiale cu rol de activator, se folosesc de obicei săruri ale metalelor alcalino - pământoase ca: BaCO 3,

CaCO3, Na2CO3. Amestecul clasic este format din 60% mangal şi 40% BaCO3. Acest amestec trebuie să fie uscat, să aibe o

granulaţie medie (3 - 15 mm) şi să fie reîmprospătat după fiecare utilizare. Raportul între greutatea amestecului folosit şi

greutatea pieselor supuse carburării este cuprins între valorile 0,25 - 0,5.

Piesele care urmează a se supune carburării (cementării), se găsesc în cutiile de comentare, împachetate în amestecul de

carburare. Cutiile de cementare se închid ermetic şi se introduc în cuptoarele obişnuite de tip cameră, unde se încălzesc la

temperaturi de 930 - 950°C, având loc între carbonatul de bariu şi mangal, următoarele reacţii chimice:

BaCO3 → BaO + CO2

CO2 + C (din mangal) → 2CO

La suprafaţa oţelului are loc disocierea oxidului de carbon după reacţia:

2CO → C02+Cactiv

Carbonul activ care ia naştere în urma acestei reacţii, este adsorbit la suprafaţa oţelului iar de aici difuzează spre

interiorul piesei. Adâncimea stratului carburat depinde de durata carbuării, de temperatură (fig.11.68) şi de alţi factori.

Adâncimea stratului carburat obţinut în mediu solid într-un interval de timp de 8 - 10 ore este de 0,5 - 2 mm. Deşi procedeul de

carburare are o productivitate relativ scăzută şi este neigienic din cauza prafului de cărbune, totuşi el se utilizează în special în

întreprinderi mici, datorită simplităţii metodei.

Fig.11.68 Influenţa timpului şi temperaturii asupra adânimii stratului carburat

Carburarea în paste, constă în folosirea ca mediu de carburare a unei paste care se depune pe suprafeţele care

urmează să fie carburate. Pastele sunt formate din negru de fum (30 - 60%), carbonat de sodiu sau carbonat de bariu (20 -

40%), oxalat de sodiu (5 - 10%) şi ferocianură de potasiu (10 - 15%), componenta fluidă fiind cleiul sau smoală.

Pasta se depune cu pensula pe suprafaţa care trebuie carburată, grosimea stratului fiind proporţională cu adâncimea

stratului carburat care trebuie obţinut. De exemplu, pentru un strat carburat cu adâncimea 1-1,5 mm, grosimea stratului de

pastă trebuie să fie de 3 - 4 mm. După o uscare naturală, piesele se introduc pe dispozitive în cuptorul de încălzire şi sunt

menţinute la temperatura de 900- 950°C, în funcţie de adâncimea de carburare dorită.

Carburarea în mediu lichid, este utilizată mai rar în practică. Ca mediu de carburare se utilizează amestecuri de

săruri topite, bogate în carbon. Piesele se introduc în băi de săruri topite (de exemplu având o compoziţie de 75 - 85%

Na2CO3, 10 - 15% NaCl şi 6 - 10% SiC), aflate la temperaturi de aproximativ 850 - 880°C şi se menţin aici timp de 2 - 3

ore, pentru obţinerea unor straturi carburate de 0,4- 0,5 mm, având loc reacţiile:

2Na2CO3 + SiC ↔ Na2SiO3 + Na2O + 2CO + C

2CO ↔ C02 + Cactiv

Carbonul activ rezultat, va fi adsorbit la suprafaţa pieselor şi difuzat spre interior, obţinându-se astfel stratul

carburat. Piesele carburate în mediul lichid, pentru obţinerea durităţii ridicate, se supun în continuare călirii, direct din baia

de carburare şi revenirii joase pentru reducerea tensiunilor interne, apărute la călire. În urma carburării în mediul lichid, se

obţin suprafeţe foarte curate ale pieselor. Acest gen de caburare se aplică la piese mici, cum ar fi cele care intră în

componenţa echipamentelor de mecanică fină.

Carburarca în mediul gazos, este în prezent cel mai răspândit procedeu de îmbogăţire superficială în carbon,

aceasta datorită posibilităţilor de control şi reglare a parametrilor care influenţează procesul, cât şi gradului ridicat de

reproductibilitate, folosind instalaţii mecanizate şi automatizate, cu o productivitate foarte ridicată.

Carburarea în mediul gazos, constă în introducerea pieselor într-un spaţiu etanş de carburare (cutii, retorte, mufle, camere

de lucru ale cuptoarelor speciale, etc.) şi încălzirea lor la temperaturi ridicate (850- 1000°C). În spaţiul de carburare se

introduce un amestec gazos ori un lichid care se gazeifică rapid în spaţiul de lucru al cuptorului (petrol lampant, benzol,

etc.). Mediile gazoase, folosite pentru carburarea gazoasă, pot fi împărţite în trei grupe pricipale, în funcţie de modul lor de

obţinere :

a) Medii naturale, utilizate fără prelucrări esenţiale, cum ar fi: gazul natural (92% CH4, gazul de sondă);

b) Medii gazoase, obţinute prin gazeificarea unor hidrocarburi lichide, picurate în spaţiul de carburare, cum ar fi:

petrol lampant, benzolul, metanolul, etc.

c) Atmosfere controlate, formate dintr-un gaz suport sau purtător care este deobicei endogazul şi dintr-un gaz de

îmbogăţire (metan sau propan), care intensifică puterea de carburare a amestecului. Endogazul se obţine prin arderea

incompletă a gazului natural, având drept component carburizator, oxidul de carbon.

La temperaturile de carburare, hidrocarburile se descompun, punând în libertate carbon activ, care este adsorbit

de suprafaţa pieselor, difuzând apoi înspre interior, realizându-se astfel îmbogăţirea în carbon a stratului superficial.

Obţinerea carbonului activ, în cazul utilizării gazului metan, se face după reacţia:

CH4 → Cact+2H2

11.4.3.1.1 Tratamente termice ulterioare carburării

Valorificarea deplină a modificării de compoziţie chimică după carburare se realizează numai prin tratamente termice

ulterioare carburării. În principiu tratamentul termic aplicat după carburare constă din călire + revenire joasă.

a) Călirea

La piesele cementate există o diferenţă între conţinutul de carbon de la suprafaţa carburată şi miez, motiv pentru care

temperaturile la călire vor fi diferite pentru strat şi pentru miez (fig.11.69).

Fig.11.69 a – temperaturile de încălzire corespunzătoare suprafeţei şi miezului carburat; b – structura produselor

carburate

Se recomandă aplicarea unei căliri duble, respectiv una pentru suprafaţă şi a doua pentru miez (fig.11.70). Dacă piesele

cementate necesită prelucrări mecanice după carburare (strunjire,burghiere,etc.), între călirea I-a şi a II-a se mai intercalează o

recoacere de înmuiere pentru strat (reprezentată punctat în fig.11.70). După efectuarea prelucrărilor mecanice, se efectuează

călirea a II-a pentru stratul cementat.

Fig.11.70 Ciclograma tratamentelor termice aplicate după carburare

Călirea simplă se aplică în cazul în care au fost supuse carburării piese executate din oţeluri cu grăunte ereditar mic,

adică oţeluri la care creşterea grăuntelui de austenită începe mai târziu (900 - 950°C). În cazul acestor oţeluri, la care nu există

pericolul creşterii grăuntelui de austenită în stratul cementat, încălzirea se poate face şi pentru strat la temperaturi mai ridicate

efectuându-se o singură câlire, atât pentru suprafaţă cât şi pentru miez (fig.11.71). Dacă după carburare mai sunt necesare

anumite prelucrări mecanice, atunci, între cementare şi călire, se mai intercalează o recoacere de înmuiere.

Fig.11.71 Tratamente termice după carburare: Recoacere de înmuiere + călire simplă + revenire joasă

Călirea directă se efectuează direct din cuptorul de cementare, în cazul când cementarea s-a făcut în mediul gazos şi în

cazul în care oţelurile utilizate au fost oţeluri cu grăunte ereditar mic (fig.11.72). Varianta aceasta se aplică numai în cazul în care

piesele cementate nu necesită prelucrări mecanice ulterioare carburării şi când atelierul de tratamente termice dispune de utilaje

specializate, respectiv cuptoare de carburare cu bazin de călire integrat.

Fig.11.72 Călirea directă la sfârşitul carburării + revenire joasă

b) Revenirea

În urma călirii se obţine în stratul cementat o structură formată din martensită de călire (tetragonală) dură şi fragilă.

După călire se aplică obligatoriu o revenire joasă tocmai pentru a reduce această fragilitate.

11.4.3.2 Nitrurarea

Nitrurarea este tratamentul termochimic care constă în îmbogăţirea în azot a stratului superficial al pieselor din oţeluri

şi fonte aliate.

Nitrurarea gazoasă, constă în încălzirea şi menţinerea pieselor într-un mediu capabil să pună în libertate azot activ şi

anume amoniac disociat. Piesele ce urmează a fi nitrurate, se introduc în mufla unui cuptor încălzit la 480- 650°C, prin aceasta

trecându-se un curent de amoniac. Amoniacul se descompune conform reacţiei :

2NH3 → 2Nactiv+3H2

Azotul activ este adsorbit de suprafaţa piesei şi difuzează spre interior pe o adâncime de 0,1- 0,5 mm, în funcţie de

regimul de lucru. Durata procesului de nitrurare este lungă (25-50 ore), pentru obţinerea unui strat de 0,01 mm fiind necesară o

menţinere de o oră la temperatura de 500°C.

Fig.11.73 Diagrama de echilibru a sistemului Fe - N

În diagrama 11.73 se observă că în stratul nitrurat se află nitrurile de fier (Fe4N şi Fe2N)

care sunt foarte dure, determinând ca stratul să fie rezistent la uzură şi la coroziune. Nitrurile de fier nu sunt însă stabile şi prin

ridicarea temperaturii pieselor, ele se descompun, inconvenient care se elimină prin utilizarea oţelurilor aliate cu Al, Mo şi Cr.

Oţeluri de îmbunătăţire special elaborate pentru executarea unor piese supuse niturării sunt: 34CrAl6, 34CrAlMo5, 41CrAlMo7,

31CrMoV9, 39CrMoV13-9. În stratul nitrurat se formează nitruri şi carbonitruri complexe care conferă suprafeţei pieselor o

duritate mai ridicată decât cea a martensitei şi implicit o rezistenţă la uzare superioară. Având în vedere că grosimea stratului

nitrurat este foarte mică, acest tratament se aplică doar pieselor finite, după tratament ne mai fiind admise alte prelucrări.

Nitrurarea în băi de săruri, este tratamentul termochimic de îmbogăţire cu azot şi carbon a stratului superficial al

pieselor, prin încălzirea acestora în intervalul de temperatură 560...600'°C, în băi de săruri capabile să cedeze azot şi carbon activ.

Se aplică în scopul ridicării rezistenţei la uzură şi gripare. Din cauza temperaturii relativ scăzute predomină adsorbţia azotului.

Băile de săruri topite au în compoziţia lor cianaţi şi din acest motiv în atelierele în care se practică un astfel de tratament sunt

necesare măsuri de protecţia muncii, deosebit de riguroase.

Nitrurarea ionică este procedeul de nitrurare care utilizează bombardamentul ionic realizat ca urmare a diferenţei de

potenţial între piesă (catod) şi peretele retortei (anod), în care se introduce la presiune scăzută amestecul gazos reactiv.

Prin nitrurare se obţine: mărirea durităţii şi rezistenţei la uzură, mărirea rezistenţei la oboseală şi mărirea rezistenţei la coroziune.

În comparaţie cu carburarea, care mai necesită, în continuare un tratament termic, nitrurarea este un tratament final.

11.4.3.3 Carbonitrurarea

Carbonitrurarea este tratamentul termochimie de îmbogăţire simultană cu carbon şi azot a stratului superficial al pieselor din oţel,

prin încălzire într-o atmosferă gazoasă carburantă, la care se adaugă amoniac. Carbonitrurarea la temperaturi înalte (800- 850°C)

constă în îmbogăţirea stratului superficial, mai ales în carbon, procedeul fiind apropiat de carburarea gazoasă, cu deosebirea că la

carbonitrurarea la temperaturi înalte se face şi o îmbogăţire în azot. Datorită stimulării reciproce a difuziunii atomilor de C şi N,

stratul de aceaşi grosime obţinut prin carbonitrurare, se formează la o temperatură mai scăzută şi într-un timp mai scurt decât

stratul carburat (cca. 3 ore, fig.11.74). În urma carbonitrurării se obţin proprietăţi superioare de duritate, rezistenţă la uzare, la

oboseală şi la coroziune, faţă de cele rezultate în urma carburării,

Fig.11.74 Influenţa temperaturii şi duratei de menţinere asupra adâncimii stratului carbonitrurat

Carbonitrurarea la temperaturi înalte se aplică pieselor executate din oţeluri aliate de cementare şi după

carbonitrurare se efectuează tratamentul de călire + revenire joasă.

Carbonitrurarea la temperaturi joase (500- 600°C) constă în îmbogăţirea stratului superficial, mai ales în azot şi mai

puţin în carbon, procedeul fiind deci mai apropiat de tratamentul de nitrurare.

Carbonitrurarea se realizează prin încălzirea pieselor într-un amestec de gaze: un gaz de carburare şi un gaz de

nitrurare. Se utilizează cel mai des un amestec format din: 75% gaz metan şi 25% amoniac.

11.4.3.4 Cianizarea (cianurarea)

Cianizarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire simultană în carbon şi azot a stratului superficial al pieselor din

oţel, prin încălzirea acestora în băi de săruri topite (cianuri topite), care cedează carbon şi azot.

Cianizarea la temperaturi înalte (750- 930°C). La aceste temperaturi şi sub influenţa azotului (element austenitogen),

structura oţelului din care este confecţionată piesa, este austenitică. Austenita dizolvă mai mult carbon decât azot, astfel încât

predomină îmbogăţirea cu atonii de carbon şi mai puţin cu atomi de azot. În urma cianizării la temperaturi înalte se obţine un strat

de culoare gri care este foarte dur, rezistent la uzură şi coroziune.

În general, tratamentul de cianizare la temperaturi înalte se aplică oţelurilor de construcţie şi anume oţelurilor de

cementare şi mai rar oţelurilor de îmbunătăţire, iar după cianizare se efectuează o călire în ulei, urmntă de o revenire joasă la 160

- 200°C, timp de 2 ore.

În mod obişnuit băile pentru cianizare la temperaturi înalte se compun din: 7 - 30% NaCN, 20 - 55% BaCl2, 5 -

25% NaCl, 5 - 25% KC1 şi 10 - 30% Na2CO3.

În figura 14.11 este prezentată influenţa temperaturii şi a duratei cianizării la temperaturi înalte, asupra adâncimii

stratului cianizat.

Fig.11.75 Influenţa temperaturii şi duratei de menţinere asupra adâncimii stratului cianizat

Cianizarea la temperaturi joase (530- 650°C). La aceste temperaturi, oţelul are o structură ferito - perlitică sau

perlitică, în funcţie de conţinutul de carbon. Ferita va dizolva cu precădere azotul, motiv pentru care stratul cianizat va fi

îmbogăţit mai mult în azot şi mai puţin în carbon. Cianizarea la temperaturi joase se aplică după călire şi revenire, fiind deci un

tratament final. Acest tip de cianizare se aplică în special sculelor executate din oţeluri de scule şi mai ales sculelor executate din

oţeluri rapide, obţinându-se ridicarea rezistenţei lor la uzură a durabilităţii lor şi a capacităţii lor de aşchiere.

Pentru cianizare, se utilizează mai ales băile pe bază de cianuri alcaline, care conţin în mod obişnuit 30-45% NaCN şi

30 – 35% KCNO, iar restul, săruri alcaline neutre, respectiv cloruri şi carbonaţi.

Principalele reacţii chimice ce au loc în aceste băi sunt:

2NaCN + O2 ↔ 2NaCNO

4NaCNO ↔ Na2CO3 +2NaCN + 2N + CO

2C0 → CO2 + Cactiv

Utilizarea băilor pe bază de cianuri prezintă dezavantajele că sunt toxice şi cianurile sunt săruri deficitare. În ţara

noastră, ţinând cont de aceste dezavantaje se utilizează băile de nitrurare moale pe bază de uree, cu compoziţia:55% CON2H4

(uree) şi 45% Na2CO3, la temperaturi de 530 - 580°C. În acest caz, cianatul de sodiu (NaCNO) se obţine în urma reacţiei ce are

loc în baie, între uree şi carbonatul de sodiu:

2CON2H4 + Na2CO3 = 2NaCNO + 2NH3 + CO2 + H2O

11.4.3.5 Sulfizarea şi sulfocianizarea

Sulfizarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire cu sulf a stratului superficial al pieselor din oţel, fontă sau bronz,

prin încălzirea acestora într-un mediu capabil să cedeze sulf activ. Acest tip de tratament termochimic se aplică pieselor în scopul

creşterii rezistenţei la uzură şi gripare. Aceste proprietăţi ale stratului se explică prin faptul că în timpul frecării suprafeţelor (în

timpul funcţionării pieselor) ionii mari de sulfuri din stratul sulfizat, se polarizează puternic electrostatic, absorb lubrefiantul

menţinându-l astfel pe suprafeţele în frecare. Astfel se reduce coeficientul de frecare iar alunecarea este favorizată. În lipsa

lubrifiantului, respectiv în condiţiile frecării uscate, sulfurile de fier se descompun, punând în libertate sulful, care se topeşte,

favorizând astfel alunecarea.

Sulfizarea se aplică cu succes segmenţilor de piston şi cămăşilor de cilindri pentru motoarele cu ardere internă, tacheţi

de supape, roţi melcate, roţi dinţate, scule din oţeluri rapide, etc. Sulfizarea la temperaturi joase (150 - 250°C) se aplică în mod

obişnuit, pieselor din oţel care în prealabil au fost călite şi revenite la temperaturi joase.

Mediul de sulfizare poate fi gazos (hidrogen sulfurat) sau lichid. O utilizare mai largă o au mediile lichide formate din:

75% sulfocianură de potasiu şi 25% tiosulfat de sodiu, în acestea realizându-se de fapt o sulfocianizare, stratul superficial

îmbogăţindu-se atât cu sulf cât şi cu carbon şi azot. Se obţine un strat de cca. 0,02 mm în aproximativ 3 ore.

În ultima perioadă de timp, a apărut o nouă variantă a sulfizării la temperaturi joase şi anume sulfizarea anodică

(sulfizarea în electrolit) unde tratamentul se face într-o baie de electroliză, piesele fiind legate la anodul băii. La trecerea

curentului electric prin electrolitul care este format din sulfocianaţi, meciul (săruri topite) se descompune eliberând ioni de sulf

care ajungând la anod sunt adsorbiţi de suprafaţa pieselor şi de aici difuzează spre interior, obţinându-se un strat de cca. 0,012

mm în timp de aproximativ 10 - 15 min. Datorită faptului că durata sulfizării anodice este foarte mică, acest tip de tratament

termochimic este aplicat în industria modernă.

Sulfizarea la temperaturi medii (450 - 580°C) se efectuează în mediul gazos sau lichid, fiind cel mai utilizat procedeu

de sulfizare. Cel mai des se utilizează mediile lichide, formate dintr-un amestec de: săruri neutre (NaCl, BaCl2,

CaCl2), săruri active de sulfizare (Na2S, Na2SO3, Na2S2O3) şi săruri de activare K4[Fe(CN)6], NaCN, care sunt cianuri şi care vor

contribui la saturarea stratului în C şi N. Acest procedeu este şi el un procedeu de sulfocianurare, care se aplică pieselor din

oţeluri de construcţie.

La sulfizarea la temperaturi medii, în mediul gazos, piesele se introduc în instalaţii de nitrurare unde se introduce pe

lângă amoniac şi hidrogen sulfurat, în proporţie de 2%, obţinându-se un strat sulfonitrurat de cea. 0,25- 0,35 mm, în decurs de

aproximativ 2 - 3 ore.

Sulfizarea la temperaturi ridicate (840 - 900°C), se aplică în general, pieselor din oţeluri de construcţie, care se supun

carburării lichide sau cianizării la temperaturi ridicate. În băile respective, pentru saturarea suplimentară a stratului de difuzie şi

în sulf, se mai adaugă şi sulfura de fier, obţinându-se straturi saturate în sulf de cca. 0,3 mm după menţineri de aproximativ 3 ore.

11.4.3.6 Borurarea (borizarea)

Borurarea este tratamentul termochimic care constă în saturarea prin difuzie cu bor a stratului superficial al oţelului.

Prin aceasta, la suprafaţa pieselor se formează borurile de fier (Fe2B şi FeB) care fiind foarte dure şi stabile la temperaturi

ridicate, măresc rezistenţa la uzură la temperaturi ridicate a oţelului. Acest tratament se aplică oţelurilor de construcţie (carbon şi

aliate) cât şi oţelurilor pentru scule.

Borurarea se poate face în: mediu solid (amestecuri de pulberi), mediu lichid (borax topit cu adaos de 30-40% carbură

de bor) şi în mediu gazos. Mai des se utilizează borurarea în mediu lichid. Atomii activi de bor care îmbogăţesc suprafaţa piesei,

se formează prin reducerrn oxizilor de bor de către carbonul din carbura de bor. Grosimea stratului obţinut prin borurare în

mediul lichid este de 0,1 - 0,3 mm, într-un timp de 4 - 8 ore la o temperaturp de 1000°C.

Piesele după borurare se supun tratamentelor de călire şi revenire.

11.4.3.7 Metalizarea prin difuzie

Metalizarea prin difuzie este tratamentul termochimic de îmbogăţire a suprafeţei oţelului cu un anumit metal. În funcţie

de metalul cu care se face îmbogăţirea superficială, sunt aplicate mai multe variante de metalizare prin difuzie:

Alitarea (aluminizarea, calorizarea) este tratamentul termochimic de îmbogăţire cu aluminiu al stratului superficial al

pieselor din oţel şi fontă, prin încălzirea acestora în medii capabile să cedeze aluminiu (de ex. pulbere de aluminiu depusă prin

pulverizare, imersie în aluminiu topit, etc.). Se aplică de obicei pentru creşterea rezistenţei la oxidare la temperaturi ridicate.

Silicizarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire cu siliciu a stratului superficial al pieselor din oţel şi fontă, prin

încălzirea acestora la temperatură ridicată, într-un mediu care să poată ceda siliciu activ. Stratul silicizat are proprietăţi antiacide,

rezistând la acţiunea corozivă a acizilor şi la oxidarea la temperaturi ridicate.

Cromizarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire în crom a stratului superficial al pieselor din fontă şi oţel prin

încălzirea acestora într-un mediu solid, lichid sau gazos, capabil să poată ceda crom activ. Stratul cromizat prezintă caracteristici

de rezistenţă la coroziune şi oxidare la temperatură ridicată.

Titanizarea este tratameniul termochimic de îmbogăţire în titan a stratului superficial din oţel şi fontă, prin încălzirea

acestora la o temperatură şi într-un mediu care să poată ceda titan activ. Stratul titanizat conferă rezistenţă la coroziune şi la

uzură.

Sherardizarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire cu zinc a stratului superficial al pieselor din fontă şi oţel,

prin încălzirea acestora la o temperatură de aproximativ 400°C, într-un mediu care să poată ceda zinc activ (de obicei praf de

zinc). Stratul sherardizat are proprietăţi anticorozive.

FIŞĂ DE LUCRU

Tema: Tratamente termochimice

Lucraţi individual. Timp de lucru 20 minute.

EXERCIŢIUL nr. 18

I. Alegeţi din paranteză cuvântul potrivit astfel încât următoarele enunţuri să fie adevărate şi tăiaţi cu o linie celălalt cuvânt.

1. Tratamentele (termice / termochimice) constau în modificări dirijate ale compoziţiei chimice şi structurii straturilor superficiale ale produselor metalice cu scopul conferirii acestora de proprietăţi mecanice, fizice şi chimice diferite de ale restului volumului lor.

2. Tratamentele termochimice conduc la (scăderea /creşterea) durităţii superficiale, a rezistenţei la uzură, la coroziune şi la oboseală, cu menţinerea la valori (scăzute/ridicate) a caracteristicilor de plasticitate şi de tenacitate ale miezului produsului.

II. În coloana A sunt date denumirile unor tratamente termochimice, iar în coloana B obiectivele acestora.Realizaţi corespondenţa între acestea unind cifra cu litera corespunzătoare.

A B

1-carburare a-creşterea rezistenţei la oxidare la temperaturi înalte (până la 700-9000C şi la coroziunea atmosferică;

2-alitare b-mărirea rezistenţei la coroziune, în acizi (acid azotic şi sulfuric), atât la temperatura obişnuită cât şi la temperatură ridicată;

3-silicizare c-realizarea unui strat superficial cu duritate ridicată, rezistent la uzură, la oboseală şi a unui miez moale cu tenacitate mare, rezistent la şocuri;

4-sherardizare d-creşterea rezistenţei la coroziune în atmosferă, şi în gaze fierbinţi care conţin hidrogen sulfurat;

5-nitrurare

III. Grupaţi următoarele categorii de piese în funcţie de tratamentul care li se aplică astfel:

sârme, cutii pentru tratamente termice, table, teaca termocuplelor, oale pentru turnarea aluminiului, ţevi de eşapament, paletele turbinelor cu gaze, came şi axe cu came, bolţuri, bucşe, inele şi role de rulmenţi, ţevi, roţi dinţate;

cementare cu aluminiu cementare cu carbon cementare cu zinc

Comparaţi răspunsurile voastre cu cele ale colegilor. Argumentaţi răspunsurile alese de voi.