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 durităţii superficiale, 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 stabilitate termică mai mare, duritatea înaltă 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 refractare austenitice 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 nitrurării, piesele sînt pregătite în modul următor:suprafeţele care nu se nitrurează se protejează prin depunerea unui strat protector, care se poate realiza prin cositorire galvanică la 0,01 ... 0,02 mm, nichelăre galvanică la 0,03... 0,05 mm, care este însă scumpă, zincare galvanică la 0,04 ... 0,05 mm, cu menţiunea că zincarea duce la reacţii între stratul de zinc şi atmosferă, modificînd echilibrul acesteia. Cea mai rentabilă protecţie, care e simplă şi ieftină, constă într-o dublă depunere de sticlă solubilă la 1 ... 2 mm grosime, cu uscare la 100 °C timp de 1,5 ore.Suprafeţele supuse nitrurării trebuie să fie bine curăţite şi degresate, în care scop se foloseşte des tricloretilena.Pentru nitrurare se utilizează întotdeauna atmosferă gazoasă. Azotul molecular nu se foloseşte însă, deoarece duce la un grad foarte redus de disociere şi nu asigură saturarea suprafeţei. Nitrurarea se face în amoniac, care la încălzire peste 270 °C începe să se disocieze.Încălzirea pieselor se face în instalaţii speciale prevăzute cu o retortă din oţel refractar (oţelul carbon se nitrurează puternic şi devine fragil). După introducerea pieselor în cuptorul care nu trebuie să aibă mai mult de 200 CC, retorta se „spală" timp de circa patru ore de aerul din interior prin insuflare de azot sau, în lipsa lui, amoniac (la peste 280 °C, în prezenţa ae-rului, amoniacul provoacă explozie).Parametrii tehnologici principali ai nitrurării sînt temperatura şi durata de încălzire. În mod curent, temperatura de nitrurare este între 500 ... 550 °C, ceea ce conferă atît o difuzie slabă, cît şi o solubilitate redusă a azotului în ferită (la 500 °C, circa 0,04%), fapt pentru care, însă, durata de nitrurare este foarte mare (40 ... 60 ore). În aceste condiţii, grosimea stratului nitrurat este doar de cîteva zecimi de mm (0,4... 0,6 mm), în schimb duritatea lui este deosebit de ridicată.În timpul încălzirii şi menţinerii are loc disocierea amoniacului conform reacţiei (1), în urma căreia rezultă în prima fază atît hidrogen, cît şi azot în stare atomică, care apoi trec în stare moleculară

2 NH3->2 N+6H. (1)Gradul de disociere depinde de temperatura, presiunea, viteza de curgere a amoniacului în cuptor, precum şi de mărimea suprafeţelor în contact cu atmosfera gazoasă (suprafaţa piese-lor şi a retortei). Pentru fiecare caz dat există un grad optim de disociere, care asigură cantitatea maximă de azot adsorbit. La grade prea mari de disociere difuzează în parte şi hidrogenul, ceea ce are ca efect fragilizarea stratului nitrurat. Gradul de disociere se reglează prin debitul de amoniac introdus în cuptor.

Fig.1Asupra grosimii stratului nitrurat influenţează temperatura, duratade menţinere şi compoziţia chimică a oţelului (fig.1). Asupra durităţii stratului nitrurat influenţează temperatura (în raport invers), durata de încălzire şi compoziţia chimică.

NITRURAREA IONICĂ

Este un procedeu foarte 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 con-vecţie 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.Nitrurarea ionică se produce numai în prezenţa unei descărcări luminiscente anormale, în atmosferă de azot şi hidrogen (amoniac disociat).In principiu, o instalaţie de nitrurare ionică (fig. 2) este compusă din catodul descărcării (C), care reprezintă 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. 2. Schema de principiu a unei instalaţii de nitrurare ionică.

Alimentarea electrică este asigurată de un redresor (R) prevăzut cu un variator de putere şi protecţie la scurtcircuitele rezultate în urma descărcărilor, iar măsurarea presiunii şi a temperaturii se face cu manometrul (M), respectiv termocuplul (T).După o atentă curăţire a pieselor şi introducerea lor în recipient, se face vidarea acestuia şi degazarea pieselor la o presiune sub 1 torr (mm/Hg), timp în care are loc şi curăţirea superficială a pieselor prin pulverizare catodică. După degazare se măreşte presiunea la 3 . . . 10 torr, iar puterea de descărcare pînă la atingerea temperaturii de nitrurare (450 .. . 600 °C).Caracteristicile stratului superficial obţinut prin nitrurare ionică, privind distribuţia şi valoarea durităţii, precum şi grosimea acestuia sînt în dependenţă de temperatura şi durata procesului.Ca urmare a multiplelor avantaje tehnico-economiee pe care le oferă procedeul de nitrurare ionică, el a început să fie introdus deja în industrie, iar în prezent se execută şi la noi în ţară instalaţii specifice de acest gen de către Institutul de fi zică şi tehnologia aparatelor cu radiaţii (I.F.T.A.R.), în mai multe tipuri (INI 15 ; INI 70 şi INI 150) şi de către Metalotehnica din Tîrgu Mureş.

CIANIZAREA Şl CARBONITRURAREA

Sînt tratamente termochimice care se aplică în aceleaşi scopuri ca şi cementarea şi nitrurarea şi constau în îmbogăţirea simultană a suprafeţei în carbon şi în azot.Cianizarea şi carbonitrurarea se pot realiza la temperaturi înalte de 820 ... 950 °C, cînd se aplică oţelurilor de construcţie cu conţinut redus în carbon (de cementare) sau mediu (de îm-bunătăţire), aliate sau nealiate, oţelurilor inoxidabile sau, la temperaturi joase de 570 ... 600 °C, pentru mărirea rezistenţei la uzură a oţelurilor de îmbunătăţire, precum şi oţelurilor rapide la 550 ... 560 °C, pentru mărirea durităţii superficiale, a rezistenţei la uzură şi a stabilităţii termice.La alegerea tipului de tratament trebuie să se ţină seama de proprietăţile urmărite în stratul superficial şi de grosimea acestuia, ambele depinzînd de temperatură. La temperaturi joase predomină difuzia azotului şi deci proprietăţile se apropie de cele obţinute la nitrurare, în timp ce la temperaturi înalte predomină difuzia carbonului, proprietăţile apropiindu-se de cele obţinute la cementare. În fig. 3 se prezintă grafic această dependenţă.Tratamentul poate fi realizat în mediul solid, lichid sau gazos. La primele două variante se utilizează săruri pe bază de cianuri şi de aici denumirea de cianizare, iar cînd se foloseşte mediul gazos, de regulă, i se spune carbonitrurare.

Fig.3 Caracteristicile stratului de difuziune funcţie de temperatură

CIANIZAREA ÎN MEDIU SOLID

Se foloseşte extrem de rar, în lipsa condiţiilor de aplicare a celorlaltor variante. Se supun cianizării scule din oţel rapid, care sînt împachetate în cutii metalice, întocmai ca şi la cementarea în mediu solid. Amestecul de cianizare conţine granule de mangal de 1 . . . 5 mm, în proporţie de 60 ... 70%, carbonat de sodiu 10. . . 20% şi ferocianură de potasiu sau de sodiu 20 . . . 30%.Temperatura de cianizare este între 550 ... 560 °C, iar durata este între 1 . . . 3 ore, în funcţie de grosimea stratului, care de regulă este de 0,02 ... 0,03 mm.

CIANIZAREA IN MEDIU LICHID

Tratamentul se execută în băi de săruri, care au în compoziţie şi cianuri (de exemplu, un amestec des utilizat conţine 30% NaCN, 40% Na2CO3 şi 30% NaCl, care se topeşte în jur de 630 °C şi se utilizează în jur de 850 °C).În cazul pieselor executate din oţeluri de cementare sau chiar de îmbunătăţire, se aplică cianizarea înaltă, în jur de 850 ... 950 °C, timpul depinzînd de grosimea stratului cianizat şi temperatura aleasă.În prezenţa oxigenului dizolvat în baie au loc o serie de reacţii, care, în final, pun în evidenţă atomii de carbon şi azot în stare activă şi care difuzează apoi în stratul marginal al piesei

4NaCN+3O2→2Na2CO3+4N + 2C.Pentru temperaturi între 900 . .. 950 CC se foloseşte un amestec din nouă părţi cloruri (88,8% BaCl2 şi 11,2% NaCl) şi o parte cianură NaCN.Deoarece prin utilizarea băilor activitatea lor scade continuu, este necesar să fie reîmprospătate la intervale de circa 2 ore prin adăugarea de 1,5% cianură, iar în rest,

pentru menţinerea nivelului băii, se adaugă amestecul de cloruri.După cianizare ia temperaturi înalte, întotdeauna piesele se supun călirii, întocmai ca şi la cementare. Călirea lor se face în ulei sau în apă, în funcţie de oţel şi de forma piesei.Piesele călite antrenează şi mici cantităţi de sare, care aderă la suprafaţa lor, ele avînd acţiune corozivă. Din acest motiv se cere curăţirea lor, lucru ce se execută în bazine cu apă fierbinte, unde, prin menţinerea de cîteva ore, sarea se dizolvă. Spălarea finală se face în apă curgătoare. După călire se aplică o revenire joasă la 160 . . . 180 °C, timp de circa 2 ore, pentru reducerea tensiunilor interne şi prevenirea apariţiei fisurilor la rectificare.In comparaţie cu cementarea, cianizarea înaltă prezintă avantajul că aceeaşi grosime a stratului se realizează într-un timp mai scurt şi la temperaturi mai joase şi că stratul are caracteristici mecanice mai bune datorită prezenţei nitrurilor.Cianizarea lichidă la temperaturi joase se aplică oţelurilor de construcţie carbon şi aliate, tot în topituri de săruri, care conţin cianuri. Pentru o adîncime de strat de 0,1 . . . 0,2 mm temperatura de încălzire este subcritică, 710±10°C, iar durata de încălzire de 0,5 . . . 2 ore, duritatea obţinută atingînd 800 1 000 HV.Rezultate bune se obţin şi în cazul cianizării oţelurilor rapide, cînd temperatura băii este 550 . . . 560 °C.

CARBONITRURAREA

Tratamentul se aplică în aceleaşi scopuri şi cu aceleaşi efecte ca şi cianizarea înaltă, prin utilizarea unui amestec gazos bogat în carbon şi azot. Faţă de cianizare prezintă unele avantaje demne de luat în seamă :— costul mai redus al mediului de carbonitrurare;— toxicitate mai redusă ;— posibilitatea de automatizare a unei producţii pe bandă.Atmosfera conţine, de regulă, 70 . . . 90% endogaz, la carese adaugă 2 . . . 20%' CH4 şi 2 ... 10% NH3.Temperatura de încălzire este în mod obişnuit între 800 . . . 850 °C, iar durata se alege în funcţie de grosimea stratului carbonitrurat şi temperatura adoptată, această corelare fiind prezentată în fig. 4.Trebuie remarcat faptul că în special la temperaturi înalte (peste 800 °C) difuzia carbonului este accelerată de prezenţa azotului, fapt care conduce la obţinerea într-un timp mai scurt, faţă de cementare, a unor grosimi de strat de aceeaşi mărime.

a. b.

Fig.4. Variaţia grosimii stratului (a), a durităţii şi aconţinutului în C şi N a stratului carbonitrurat, în funcţie de temperatura şi durata de încălzire.

Datorită prezenţei azotului în austenită şi în carbonitruri, în urma călirii, stratul carbonitrurat are o duritate şi o rezistenţă la uzură mai mare decît cel obţinut prin cementare, caracteristicile lui fiind prezentate în fig. 4.b.Rezultatele carbonitrurării sînt deosebit de bune dacă se asigură o limitare a conţinutului în carbon şi azot şi a grosimii stratului, pentru a nu se produce o cantitate prea mare de austenită reziduală după călire. Austenită reziduală reduce duritatea stratului carbonitrurat şi poate avea efecte nedorite în cazul pieselor aflate în mişcare de rotaţie, cînd prin frecare cu piesa conjugată, ea se transformă şi prin creşterea de volum care o însoţeşte, piesele se blochează (gripează).