Universitatea Tehnica Gh Asachi Iasi

[Type the document subtitle]

Tratamente termice

Agapi Ovidiu Daniel

TRATAMENTE TERMICE

Tratamentele termochimice se folosesc pe scară tot mai largă în producţie ca mijloc de

îmbunătăţire a caracteristicilo rmecanice sau fizico-chimice ale straturilor superficiale ale

pieselor şi sculelor. Modificarea structurii şi proprietăţilor straturilor superficiale se obţine pe

seama modificării compoziţiei chimice, îmbogăţirii într-un anumit element,eveatual urmat de

tratament termic.

CEMENTAREA

Tratamentul termochimic de cementare (îmbogăţire în carbon) se aplică pieselor din oţeluri

carbon şi aliate cu un conţinut pînă la 0.25 %C (oţeluri de cementare). Are drept scop obţinerea

în suprafaţa pieselor, pe o adîncime de circa 1—2 mm, a unui conţinut în carbon de 0,7 ... 1,1 %,

care după călirea piesei îi conferă acesteia o duritate superficială mare (în jur de 60HRC). În

acest fel se poate asocia piesei la o tenacitate ridicată a miezului (acesta rămîne relativ moale

după călire datorită conţinutului scăzut în carbon) o duritate înaltă suprafeţei, rezistenţă la uzură,

la presiunea de contact

şi la oboseală.Cementarea se poate realiza în mediu solid, lichid sau gazos,alegerea procedeului

făcîndu-se din considerente tehnico-econornice.Tratamentul termochimic de cementare este un

tratament complex, ce se realizează în două etape distincte, şi

anume : prima etapă este cea de carburare, cînd se realizează de fapt îmbogăţirea în carbon, iar

cea de-a doua corespunde tratamentului termic propriu-zis, ce se aplică pieselor carburate.

CEMENTAREA IN MEDIU GAZOS

Procedeul este rentabil în special la producţia individual şi de serie mică, avînd avantajul

îndeosebi al simplităţii de realizare. Cementarea în mediu solid constă în împachetarea pieselor

într-o cutie în prezenţa unui mediu carburant, încălzirea şi menţinerea la o anumită temperatură

un timp determinat.

A. Pregătirea pieselor.

Piesele trebuie să fie bine curăţate pe cale mecanică de orice murdării care aderă la suprafaţa

lor şi degresate de ulei sau unsoare. Atunci cînd anumite suprafeţe trebuie să fie protejate

împotriva cementării, acest lucru se realizează în mai multe moduri, alegerea soluţiei făcîndu-se

în funcţie de disponibilităţi.

Cuprarea pe cale galvanică, la o depunere a unui strat de cupru de minimum 0,25 mm grosime,

asigură o protecţie bună împotriva cementării. Suprafeţele care urmează a se cementa vor fi

protejate contra cuprării fie prin acoperire cu un strat de parafină (care apoi se îndepărtează uşor

cu o baie de apă fierbinte), fie după cuprarea integrală a piesei, cuprul de pe aceste suprafeţe

fiind îndepărtat mecanic.Protejarea cu argilă sau amestecuri pe bază de argilă se utilizează des,

fiind ieftină. Argila simplă însă chiar la uscare naturală crapă şi se poate desprinde, protecţia

nefiind sigură. Deseori se recurge la „armarea" stratului de argilă, prin înfăşurarea suprafeţei

protejate cu sîrmă sau fir de azbest, peste care apoi se depune argila.

O protecţie mai bună oferă pastele protectoare, compoziţiauneia dintre acestea fiind

următoarea : — făină de cuarţ pentru turnătorie 41%,

— oxid de titan ................... 11,5%,

— oxid roşu de fier ............... 2,5%,

— alumină calcinată ............... 5,0%,

— verde de crom ................... 40 %,

— soluţie de silicat de sodiu . . . 40 . . . 50 g/100 g amestec.

Pasta astfel obţinută se aplică cu pensula în grosime de minimum 0,75 mm, după care se

usucă lent. O altă formă de protecţie constă în utilizarea unor dispozitive adecvate suprafeţelor

de protejat, ca, de exemplu, inele pentru protecţia suprafeţelor cilindrice exterioare, dopuri sau

inele filetate pentru protecţia filetelor, plăci pentru suprafeţe plane ş.a.

În fine, se poate renunţa la orice protecţie, cementînd toate suprafeţele piesei, iar după cementare

se îndepărtează prin prelucrări mecanice stratul cementat numai de pe suprafeţele care

interesează. Pe aceste suprafeţe este necesar ca adaosul de prelucrare lăsat să fie mai mare de trei

ori decît grosimea stratului cementat.

B. Pregătirea materialului carburant.

Materialul carburant este pe bază de cărbune, de regulă, de lemn (mangal), putînd fi însă şi

cocs sau cărbune animal (de oase sau de piele). La cărbune se mai adaugă întotdeauna şi diferite

substanţe pentru activare, care pot fi carbonaţi ai metalelor alcaline sau alcalino-pămîntoase, mai

rar cloruri. Dintre sorturile de cărbune, mangalul se comportă cel mai bine şi în special cel din

lemn de mesteacăn, întrucît rezistă mai bine sub greutatea pieselor şi produce mai puţină cenuşă.

Cărbunele trebuie sfărîmat şi cernut, astfel ca să rămînă numai granulele între 3,5 ... 10 mm,

asigurîndu-se în acest fel o bună permeabilitate la trecerea gazelor şi o suprafaţă de reacţie a

cărbunelui mare.

CEMENTAREA CU PASTE

Acest procedeu este o variantă a cementării în mediu solid, la care se înlocuieşte amestecul

granular pe bază de cărbune cu o pastă care se depune numai pe suprafeţele care interesează, în

grosime de 6 ... 8 ori grosimea de cementare.

După depunerea pastei în straturi succesive, pînă la grosimea dorită, piesele se lasă în aer cîteva

ore pentru uscarea natural a pastei. După uscare, piesele se introduc în cutii

care se închid etanş prin lipirea capacului cu argilă. Regimul termic este asemănător cementării

în mediu solid, încălzirea făcîndu-se în jur de 950 °C, cînd în circa 3 ore

se obţine un strat cementat în grosime de 1 mm, ceea ce evidenţiază faptul că durata de

cementare este mult mai redusă (pe seama scurtării timpului de încălzire), faţă de

cementarea în mediu solid. Majoritatea pastelor conţin negru de fum şi ferocianură de

potasiu, eventual carbonaţi, care sînt diluate cu sticlă apoasă, ulei sau alte substanţe. Prezenţa

cianurii duce la saturarea suprafeţei şi în azot, mărind duritatea şi

rezistenţa la uzură a suprafeţei tratate.

CEMENTAREA ÎN MEDIU GAZOS

Cementarea în gaze este cea mai răspîndită la producţia de serie şi de masă întrucît prezintă o

serie de avantaje nete, în comparaţie cu celelalte procedee, ca de exemplu :

— reduce durata de carburare cu 2,5—3 ori, diminuînd prin aceasta pericolul de supraîncălzire ;

— măreşte productivitatea operaţiei ;

— asigură condiţii igienice de lucru ;

— oferă posibilitatea controlului şi reglării procesului în timpul lucrului prin utilizarea probelor

martor ;

— se pretează la mecanizarea şi automatizarea operaţiei ;

— oferă posibilitatea aplicării călirii direct de la temperatura de cementare.

Cementarea se realizează prin încălzirea pieselor într-o retort sau cuptor special la temperaturi

în jur de 900 . .950 °C, în prezenţa unei atmosfere gazoase cu un potenţial de carbon ridicat.

În practica modernă a tratamentelor termochimice se folosesc instalaţii speciale, care utilizează

atmosphere controlate de diferite compoziţii. În condiţiile ţării noastre, care dispune de gaz

natural, se utilizează atmosfere endoterme obţinute prin arderea parţială a acestuia. în acest scop

se produc deja, la Independenţa —Sibiu, atît generatoare de atmosferă de diferite capacităţi, cît şi

instalaţii de tratament termic adecvate.

PARAMETRII PROCESULUI DE CEMENTARE IN MEDIU GAZOS

La aprecierea tratamentului de cementare se iau în considerare o serie de factori care definesc

calitatea stratului cementat, şi anume :

— concentraţia superficială în carbon (%C masă), care determină de fapt caracteristicile

mecanice ale stratului cementat după călire, ca duritatea, rezistenţă la uzură şi valoarea

tensiunilor interne.

— distribuţia carbonului în stratul cementat, ce se caracterizează atît prin conţinutul în carbon şi

duritatea suprafeţei, cît şi prin valoarea acestora la o anumită distanţă de suprafaţă (de exemplu,

distanţa la care se găseşte în strat 0,3% carbon sau 45 HRC etc.).

Modul de distribuţie a carbonului în suprafaţa piesei determină şi repartiţia durităţii în limitele

stratului cementat, după câlire, după cum se vede şi din (fig. 1). Acest mod de repartiţie a

durităţii este corelat cu succesiunea structurilor în strat, după faza de carburare (fig. 2). Pentru

obţinerea unei anumite distribuţii a carbonului, în stratul cementat se influenţează prin alegerea

corespunzătoare a parametrilor tehnologici de carburare, şi anume :

— potenţialul de carbon al atmosferei luată în calcul (% C),notat cu C;

— potenţialul de carbon corespunzător activităţii carbonului în austenită, ce depinde de

concentraţia în carbon. Întrucît concentraţia carbonului variază în stratul cementat se va nota Cs

— concentraţia superficială, Co — concentraţia iniţială şi Cl — concentraţia limită, care este de

fapt concentraţia superficială atinsă în condiţiile limită cînd potenţialul de carbon al austenitei şi

atmosferei gazoase sînt egale.

NITRURAREA

Nitrurarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire a suprafeţelor în azot. Se supun

nitrurării atît piese din oţel, cît şi din fontă la care se urmăreşte mărirea durităţiisuperficiale, a

rezistenţei la uzură, la oboseală şi chiar la coroziune.În raport cu cementarea, stratul nitrurat este

mult mai dur

şi deci mai rezistent la uzură şi prezintă o stabilitatetermică mai mare, duritatea înalt menţinîndu

se la 550—600°C.Se supun nitrurării, de regulă, oţeluri de îmbunătăţire,aliate cu Al, Cr, Mo, V

(reprezentantul tipic fiind oţelul 38 Mo Cr Al 09) sau chiar oteluri de scule bogat aliate.

Tot mai des se aplică nitrurarea la oţelurile refractareaustenitice şi inoxidabile, la care li se

măreşte mult rezistenţa la uzură, fără a diminua celelalte însuşiri ale acestor oţeluri.Înainte de

nitrurare, piesele din oţeluri de îmbunătăţire se supun tratamentului de îmbunătăţire.

Îmbunătăţirea constă din călire şi revenire înaltă, care să conducă la o structură sorbiţi că

globulară fină. Sculele din oţeluri rapide se călesc, revenirea putîndu-se suprapune peste

tratamentul de nitrurare, întrucît temperatura de încălzire este de acelaşi ordin de mărime.

Înaintea nitrurãrii, piesele sînt pregãtite în modul urmãtor: suprafetele care nu se nitrureazã se

protejeazã prin depunerea unui strat protector, care se poate realiza prin cositorire galvanicã la

0,01 ... 0,02 mm, nichelare galvanicã la 0,03... 0,05 mm, care este însã scumpã, zincare

galvanicã la 0,04 ... 0,05 mm, cu mentiunea cã zincarea duce la reactii între stratul de zinc si

atmosferã, modificînd echilibrul acesteia. Cea mai rentabilã protectie, care e simplã si ieftinã,

constã într-o dublã depunere de sticlã solubilã la 1 ... 2 mm grosime, cu uscare la 100 °C timp de

1,5 ore. Suprafeþele supuse nitrurãrii trebuie sã fie bine curãtite si degresate, în care scop se

foloseste des tricloretilena.Pentru nitrurare se utilizeazã întotdeauna atmosferã gazoasã.

Azotul molecular nu se foloseste însã, deoarece duce la un grad foarte redus de disociere si nu

asigurã saturarea suprafetei.Nitrurarea se face în amoniac, care la încãlzire peste 270 °C începe

sã se disocieze.Încãlzirea pieselor se face în instalatii speciale (fig.11.1)prevãzute cu o retortã din

otel refractar (otelul carbon se nitrureazã puternic si devine fragil). Dupã introducerea

pieselor în cuptorul care nu trebuie sã aibã mai mult de 200 CC, retorta se „spalã" timp de circa

patru ore de aerul din interior prin insuflare de azot sau, în lipsa lui, amoniac (la peste 280 °C, în

prezenþa aerului, amoniacul provoacã explozie).

NITRURAREA IONICĂ

Este un procedeu nou de nitrurare, aplicat pieselor finite din oţel şi din fontă, care s-a impus

prin caracteristicile superioare ale stratului şi îndeosebi durata foarte redusă în care se desfăşoară.

în acelaşi timp necesită un consum redus de energie, pierderile de energie prin conductibilitate şi

prin convecţie fiind nule. Nitrurarea ionică reprezintă un proces de sorbţie a azotului în suprafaţa

pieselor şi de fixare a lui interstiţială, în reţeaua fierului, cu formare de soluţii solide şi compuşi

chimici.Procesul de nitrurare se realizează ca urmare a bombardamentului suprafeţei cu ioni

(N+, N+, NiH+ j) şi neutri rapizi şi a retrodifuziei particulelor pulverizate catodic sub formă de

FeN. Acest bombardament asigură atît încălzirea superficială a piesei, cît şi iniţierea şi

accelerarea procesului de difuzie.

Fig.11.3 Diverse tehnologii de nitrurare în gaze

Nitrurarea ionicã se produce numai în prezenta unei descãrcãri luminiscente anormale, în

atmosferã de azot si hidrogen (amoniac disociat).In principiu, o instalatie de nitrurare ionicã

(fig.11.4)este compusã din catodul descãrcãrii (C), care reprezintã de fapt piesele de nitrurat,

anodul (A) fiind constituit dintr-un recipient metalic, în care se face un vid preliminar cu ajutorul

pompei Pp.

Fig. 11.4. Schema de principiu a unei instalaţii de nitrurare ionică.

Transformãri la rãcire.

In funcþie de conditiile în care are loc rãcirea de la temperatura de austenitizare, se pot obtine

acelea si tipuri de structuri ca si la otelurile carbon, respective perlitã, sorbitã, troostitã, bainitã

sau martensitã.Datoritã temperaturii înalte de austenitizare si a continutului ridicat de carbon si

elemente de aliere din austenitã, poziþia punctelor de transformare martensiticã este deplasatã

spre temperaturi mai joase, astfel cã prin cãlire pînã la temperature ambiantã în structurã rãmîne

o cantitate mare de austenitã rezidualã, alãturi ele ceva martensitã si carburi nedizolvate.Datoritã

austenitei reziduale în cantitate mare, duritatea dupã cãlire nu atinge valorile maxime oferite de

aceste oteluri.

REVENIREA

In procesul de revenire, prin încãlzire, difuziunea se intensificã, astfel cã pe la 300 °C, ca

urmare a separãrii carbonului, are loc o usoarã reducere a duritãþii. Încãlzirea în continuare

favorizeazã si difuziunea fierului si a elementelor de aliere, ce are ca efect precipitarea de carburi

fine de formã globularã si în consecintã cresterea duritãþii si a rezistenþei la uzurã.Totodatã,

austenitã devenind mai sãracã în carbon si elemente de aliere, în noile condiþii, punctele ele

transformare martensiticã urcã spre temperaturi mai înalte, facilitînd transformarea masivã a

austenitei reziduale în martensitã de revenire, transformare însoþitã de asemenea de o crestere de

duritate. Durificarea maximã apare în jur de 550 °C si poartã denumirea de „cãlire secundarã".În

fig. 12.2 este prezentatã variaþia duritãþii cu temperature de revenire.

Fig. 12.2 Variaþia cutemperatura de revenire aduritãþii oþelurilor rapide cãlit (cu diferite

temperaturi deaustenitizare).

. Calirea

In general se supun tratamentului termic de calire otelurile carbon si aliate cu continut de

carbon mai mare de 0,15-0,20% cu scopul obtinerii unei structuri martensitice. Se excepteaza

otelurile austenitice care se supun calirii pentru punere in solutie si cele feritice necalite, precum

si otelurile calite izoterm pentru bainita

Martensita obtinuta la calire reprezinta o structura afara de echilibru dar este foarte stabila

chiar si la temperatura ambianta. De aceea, pentru a se obtine o structura mai apropiata de starea

de echilibru sunt necesare actiuni exterioare cum sunt: deformare plastica incalzirea materialelor

calite etc, care permit obtinerea unei stari numita de revenire prin obtinerea structuri martensitice

se urmareste fie asigurarea unei duritati mari in special la stratul superficial si al produselor

tratate, fie asigurare dupa aplicarea trratamentului ulterior de revenire a uni structuri cu tenacitate

ridicata si duritate moderata. Caracteristicilor mecanice ale produselor calite si revenite sint

superioare celor obtinute prin recoacere sau normalizare, tratamente termice care permit

obtinerea, unor duritati apropiate.

Prin calire se poate obtine o structura martensitica pe o adincinime mare sau chiar in

toata sectiunea produsului (calirea volumica) sau numai in straturile superficiale pe o anumita

adincime (calire superficiala).

Otelurile carbon de imbunatatire se supun calirii cu austenitizare completa. In acest

scop, temperatura de incalzire pentru calire este situata cu 30-50°C peste punctul Ac3,

temperaturile minime fiind caracteristice pieselor cu pereti subtiri si loturi mici, iar

cele superioare pentru piese groase si loturi mari. Durata de mentinere este de 1-2 min/mm

grosime de material ,functie de modul de asezarare a pieselor in cuptor.

Revenirea

Revenirea se aplică totdeauna după călire şi împreună cu aceasta, cu scopul înlăturării

tensiunilor interne generate de răcirea bruscă de la călire, a micşorării durităţii exterioare, dar a

creşterii tenacităţii adică a aducerii miezului materialului cât mai aproape de starea de echilibru,

(structură sorbitică).Tratamentul de călire şi revenire, numit şi îmbunătăţire se aplică pieselor

care au un rol important în funcţionare, piese pretenţioase din punct de vedere al preciziei

dimensionale şi a calităţii suprafeţei, foarte solicitate din punct de vedere mecanic şi termic, sau

care trebuie să preia şocuri mari: ghidaje de supape, inele de ghidare, cămăşi de cilindrii, arbori

drepţi sau cotiţi, ştifturi şi bolţuri, şuruburi de mişcare, roţi dinţate, came, lagăre cu rostogolire,

etc