Curs11 NITRURAREA

Nitrurarea este tratamentul termochimic de îmbogăţire asuprafeţelor în azot. Se supun nitrurării atît piese dinoţel, cît şi din fontă la care se urmăreşte mărirea durităţiisuperficiale, a rezistenţei la uzură, la oboseală şi chiar lacoroziune.În raport cu cementarea, stratul nitrurat este mult mai durşi deci mai rezistent la uzură şi prezintă o stabilitatetermică 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 fiindoţelul 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 multrezistenţa la uzură, fără a diminua celelalte însuşiri aleacestor oţeluri.Înainte de nitrurare, piesele din oţeluri de îmbunătăţire sesupun tratamentului de îmbunătăţire. Îmbunătăţirea constă dincălire şi revenire înaltă, care să conducă la o structurăsorbiţi că globulară fină. Sculele din oţeluri rapide secălesc, revenirea putîndu-se suprapune peste tratamentul denitrurare, întrucît temperatura de încălzire este de acelaşiordin de mărime.Înaintea nitrurării, piesele sînt pregătite în modul următor:suprafeţele care nu se nitrurează se protejează prin depunereaunui strat protector, care se poate realiza prin cositoriregalvanică la 0,01 ... 0,02 mm, nichelare galvanică la0,03... 0,05 mm, care este însă scumpă, zincaregalvanică la 0,04 ... 0,05 mm, cu menţiunea că zincarea ducela reacţii între stratul de zinc şi atmosferă, modificîndechilibrul acesteia. Cea mai rentabilă protecţie, care esimplă şi ieftină, constă într-o dublă depunere de sticlăsolubilă la 1 ... 2 mm grosime, cu uscare la 100 °C timp de1,5 ore.Suprafeţele supuse nitrurării trebuie să fie bine curăţiteşi degresate, în care scop se foloseşte des tricloretilena.Pentru nitrurare se utilizează întotdeauna atmosferă gazoasă.Azotul molecular nu se foloseşte însă, deoarece duce la ungrad foarte redus de disociere şi nu asigură saturarea supra-feţei. Nitrurarea se face în amoniac, care la încălzirepeste 270 °C începe să se disocieze.Încălzirea pieselor se face în instalaţii speciale (fig.11.1)prevăzute cu o retortă din oţel refractar (oţelul carbon senitrurează puternic şi devine fragil). După introducereapieselor în cuptorul care nu trebuie să aibă mai mult de 200CC, retorta se „spală" timp de circa patru ore de aerul dininterior prin insuflare de azot sau, în lipsa lui, amoniac (lapeste 280 °C, în prezenţa aerului, amoniacul provoacă

explozie).

Fig. 11.1 Instalaţia utilizată pentru nitrurarea în gaze

Parametrii tehnologici principali ai nitrurării sînt tempe-ratura şi durata de încălzire. În mod curent, temperatura denitrurare este între 500 ... 550 °C, ceea ce conferă atît odifuzie slabă, cît şi o solubilitate redusă a azotului înferită (la 500 °C, circa 0,04%), fapt pentru care, însă,durata de nitrurare este foarte mare (40 ... 60 ore). Înaceste condiţii, grosimea stratului nitrurat este doar decîteva zecimi de mm (0,4... 0,6 mm), în schimb duritatea luieste deosebit de ridicată.În timpul încălzirii şi menţinerii are loc disocierea amonia-cului conform reacţiei (1), în urma căreia rezultă în primafază atît hidrogen, cît şi azot în stare atomică, care apoitrec în stare moleculară

2 NH3->2 N+6H. (1)Gradul de disociere depinde de temperatura, presiunea, vitezade curgere a amoniacului în cuptor, precum şi de mărimeasuprafeţelor în contact cu atmosfera gazoasă (suprafaţa piese-lor şi a retortei). Pentru fiecare caz dat există un gradoptim de disociere, care asigură cantitatea maximă de azotadsorbit. La grade prea mari de disociere difuzează în parteşi hidrogenul, ceea ce are ca efect fragilizarea stratuluinitrurat. Gradul de disociere se reglează prin debitul deamoniac introdus în cuptor.Asupra grosimii stratului nitrurat influenţează temperatura,duratade menţinere şi compoziţia chimică a oţelului(fig.11.2). Asupra durităţii stratului nitrurat influenţeazătemperatura (în raport invers), durata de încălzire şicompoziţia chimică.

Fig.11.2 Influenţa compoziţiei chimice, a duratei de menţinereşi a temperaturii asupra grosimii stratului nitrurat

METODE PRACTICE DE NITRURARE GAZOASĂ

În practică, nitrurarea în mediu gazos se execută îndiverse variante, funcţie de scopul urmărit şi de dotareaatelierului.Cel mai frecvent se utilizează nitrurarea cu osingură treaptă (fig.11.3 – a). Pentru accelerarea nitrurăriise aplică cicluri cu două sau trei trepte de temperatură şi cumodificarea corespunzătoare a gradului de disociere aamoniacului. La ciclul de nitrurare în două trepte (fig. 11.3,b), prima treaptă produce duritate superficială ridicată, însăstratul nitrurat conţine nitruri fragile de tipul ε şi γ',deoarece gradul de disociere utilizat (18 — 25%) produce oîmbogăţire mare a suprafeţei oţelului cu azot. In treapta aII-a, executată la o temperatură mai ridicată şi cu un grad dedisociere mai ridicat, are loc difuzia azotului în exces spreinteriorul piesei, avînd drept urmare îndepărtarea zoneide nitruri fragile, creşterea adîncimii stratului nitrurat,iar curba durităţii cu distanţa de la margine are o treceremai lină spre miez asemănătoare procesului de carburare cudifuzie.Ciclul de nitrurare în trei trepte (fig. 11.3, c) se aplică înspecial atunci cînd nitrurarea în două trepte nu produce omicşorare totală a fragilităţii stratului nitrurat. În ultima

vreme s-au propus cicluri mai complicate. Astfel, în ciclulprezentat în fig. 11.3, a în prima treaptă are loc saturareacu azot, pentru ca, în treapta a II-a, excesul de azot să fieîndepărtat prin denitrurare în atmosfera cuptorului şi difuzieîn interiorul piesei. În această perioada are loc şi creşterearelativ mare a stratului nitrurat. Gradul mare de disociere(85%) din treapta a doua nu poate fi realizat numai prinmetode simple, ca ridicarea temperaturii sau micşorareadebitului de amoniac. El este obţinut prin introducerea încuptor a unui amestec format din 1/3 amoniac şi 2/3 amoniactotal disociat în prealabil într-o instalaţie de disociere înprezenţa unui catalizator.Prin această metodă se obţine în 50 h un strat nitrurat cuadîncimea de 0,43—0,58 mm, fără strat fragil de nitruri ε şiγ'.Ciclul de nitrurare cu o singură treaptă prezentat în fig.11.3, b se execută la temperatura de 520°C timp de 60 h îndouă variante. La un grad de disociere de 30% (obţinut prinreglarea debitului) se obţine un strat de nitrurare de 0,3 mm,cu o zonă fragilă de 0,003 mm, care de cele mai multe ori nuproduce greutăţi în exlpoatare. În cazul în care nu se admiteacest strat de nitruri, se măreşte gradul de disociere înultimele 2/3 ale ciclului la 60—70%. Deoarece acest lucru numai este posibil prin metoda obişnuită de reglare a debitului,se utilizează un disociator separat.Alte cicluri (fig. 11.3, c) se deosebesc prin temperatura şigradul de disociere diferite, în funcţie de duritatea care sedoreşte să se obţină.De exemplu, la oţelul de nitrurare Cr-Mo-Al se aplică ciclul 1pentru durităţi de HV =950…1100 şi ciclul 2, pentruHV=750…850.

NITRURAREA IONICĂ

Este un procedeu nou de nitrurare, aplicat pieselor finitedin oţel şi din fontă, care s-a impus prin caracteristicilesuperioare ale stratului şi îndeosebi durata foarte redusăîn care se desfăşoară. în acelaşi timp necesită un consumredus de energie, pierderile de energie princonductibilitate şi prin convecţie fiind nule.Nitrurarea ionică reprezintă un proces de sorbţie a azotuluiîn suprafaţa pieselor şi de fixare a lui interstiţială, înreţeaua fierului, cu formare de soluţii solide şi compuşichimici.Procesul de nitrurare se realizează ca urmare a bombarda-mentului suprafeţei cu ioni (N+, N+, NiH+j) şi neutri rapizişi a retrodifuziei particulelor pulverizate catodic subformă de FeN. Acest bombardament asigură atît încălzireasuperficială a piesei, cît şi iniţierea şi accelerareaprocesului de difuzie.

Fig.11.3 Diverse tehnologii de nitrurare în gaze

Nitrurarea ionică se produce numai în prezenţa unei des-cărcări luminiscente anormale, în atmosferă de azot şihidrogen (amoniac disociat).In principiu, o instalaţie de nitrurare ionică (fig.11.4)este compusă din catodul descărcării (C), care reprezintăde fapt piesele de nitrurat, anodul (A) fiind constituitdintr-un recipient metalic, în care se face un vidpreliminar cu ajutorul pompei Pp.

Fig. 11.4. Schema de principiu a unei instalaţii de nitrurareionică.

Alimentarea electrică este asigurată de un redresor (R)prevăzut cu un variator de putere şi protecţie lascurtcircuitele rezultate în urma descărcărilor, iarmăsurarea presiunii şi a temperaturii se face cumanometrul (M), respectiv termocuplul (T).După o atentă curăţire a pieselor şi introducerea lor înrecipient, se face vidarea acestuia şi degazarea pieselor lao presiune sub 1 torr (mm/Hg), timp în care are loc şicurăţirea superficială a pieselor prin pulverizare catodică.După degazare se măreşte presiunea la 3 ... 10 torr, iarputerea de descărcare pînă la atingerea temperaturii denitrurare (450 .. . 600 °C).Caracteristicile stratului superficial obţinut prinnitrurare ionică, privind distribuţia şi valoareadurităţii, precum şi grosimea acestuia sînt în dependenţăde temperatura şi durata procesului.Ca urmare a multiplelor avantaje tehnico-economiee pe carele oferă procedeul de nitrurare ionică, el a început să fieintrodus deja în industrie, iar în prezent se execută şila noi în ţară instalaţii specifice de acest gen de cătreInstitutul de fizică şi tehnologia aparatelor cu radiaţii(I.F.T.A.R.), în mai multe tipuri (INI 15 ; INI 70 şi INI150) şi de către Metalotehnica din Tîrgu Mureş.

CIANIZAREA Şl CARBONITRURAREA

Sînt tratamente termochimice care se aplică în aceleaşi scopurica şi cementarea şi nitrurarea şi constau în îmbogăţireasimultană a suprafeţei în carbon şi în azot.Cianizarea şi carbonitrurarea se pot realiza la temperaturiînalte de 820 ... 950 °C, cînd se aplică oţelurilor deconstrucţie cu conţinut redus în carbon (de cementare) saumediu (de îmbunătăţire), aliate sau nealiate, oţelurilorinoxidabile sau, la temperaturi joase de 570 ... 600 °C,pentru mărirea rezistenţei la uzură a oţelurilor deîmbunătăţire, 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 deproprietăţile urmărite în stratul superficial şi de grosimeaacestuia, ambele depinzînd de temperatură. La temperaturijoase predomină difuzia azotului şi deci proprietăţile seapropie de cele obţinute la nitrurare, în timp ce latemperaturi înalte predomină difuzia carbonului,proprietăţile apropiindu-se de cele obţinute la cementare. Înfig. 11.4 se prezintă grafic această dependenţă.Tratamentul poate fi realizat în mediul solid, lichid saugazos. La primele două variante se utilizează săruri pe bazăde cianuri şi de aici denumirea de cianizare, iar cînd sefoloseşte mediul gazos, de regulă, i se spunecarbonitrurare.

Fig.11.4 Caracteristicile stratului de difuziune funcţie detemperatură

CIANIZAREA ÎN MEDIU SOLID

Se foloseşte extrem de rar, în lipsa condiţiilor deaplicare a celorlaltor variante. Se supun cianizării sculedin oţel rapid, care sînt împachetate în cutii metalice,întocmai ca şi la cementarea în mediu solid. Amestecul decianizare conţine granule de mangal de 1 ... 5 mm, înproporţie de 60 ... 70%, carbonat de sodiu 10... 20% şiferocianură de potasiu sau de sodiu 20... 30%.Temperatura de cianizare este între 550 ... 560 °C, iar du-rata 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 compo-ziţie şi cianuri (de exemplu, un amestec des utilizatconţine 30% NaCN, 40% Na2CO3 şi 30% NaCl, care se topeşte înjur de 630 °C şi se utilizează în jur de 850 °C).În cazul pieselor executate din oţeluri de cementare sauchiar de îmbunătăţire, se aplică cianizarea înaltă, înjur de 850 ... 950 °C, timpul depinzînd de grosimeastratului cianizat şi temperatura aleasă.În prezenţa oxigenului dizolvat în baie au loc o serie dereacţii, care, în final, pun în evidenţă atomii de carbonşi azot în stare activă şi care difuzează apoi în stratulmarginal al piesei

4NaCN+3O2→2Na2CO3+4N + 2C.Pentru temperaturi între 900 . .. 950 CC se foloseşte unamestec din nouă părţi cloruri (88,8% BaCl2 şi 11,2% NaCl) şio parte cianură NaCN.Deoarece prin utilizarea băilor activitatea lor scadecontinuu, este necesar să fie reîmprospătate la intervalede circa 2 ore prin adăugarea de 1,5% cianură, iar în rest,pentru menţinerea nivelului băii, se adaugă amestecul decloruri.După cianizare ia temperaturi înalte, întotdeauna pieselese supun călirii, întocmai ca şi la cementare. Călirea lorse face în ulei sau în apă, în funcţie de oţel şi de formapiesei.Piesele călite antrenează şi mici cantităţi de sare, careaderă la suprafaţa lor, ele avînd acţiune corozivă. Dinacest motiv se cere curăţirea lor, lucru ce se execută înbazine cu apă fierbinte, unde, prin menţinerea de cîtevaore, sarea se dizolvă. Spălarea finală se face în apăcurgătoare. După călire se aplică o revenire joasăla 160 . . . 180 °C, timp de circa 2 ore, pentru reducereatensiunilor interne şi prevenirea apariţiei fisurilor larectificare.In comparaţie cu cementarea, cianizarea înaltă prezintăavantajul că aceeaşi grosime a stratului se realizeazăîntr-un timp mai scurt şi la temperaturi mai joase şi căstratul are caracteristici mecanice mai bune datorităprezenţei nitrurilor.Cianizarea lichidă la temperaturi joase se aplicăoţelurilor de construcţie carbon şi aliate, tot întopituri de săruri, care conţin cianuri. Pentru o adîncimede strat de 0,1 ... 0,2 mm temperatura de încălzire estesubcritică, 710±10°C, iar durata de încălzire de 0,5 ... 2ore, duritatea obţinută atingînd 800 1 000 HV.Rezultate bune se obţin şi în cazul cianizării oţelurilorrapide, cînd temperatura băii este 550 ... 560 °C.

CARBONITRURAREA

Tratamentul se aplică în aceleaşi scopuri şi cu aceleaşiefecte ca şi cianizarea înaltă, prin utilizarea unui amestecgazos bogat în carbon şi azot. Faţă de cianizare prezintăunele 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 grosimeastratului carbonitrurat şi temperatura adoptată, aceastăcorelare fiind prezentată în fig. 11.5.Trebuie remarcat faptul că în special la temperaturi înalte(peste 800 °C) difuzia carbonului este accelerată deprezenţa azotului, fapt care conduce la obţinerea într-untimp mai scurt, faţă de cementare, a unor grosimi de stratde aceeaşi mărime.

a. b.Fig.11.5. Variaţia grosimii stratului (a), a durităţii şia conţinutului în C şi N a stratului carbonitrurat, înfuncţie de temperatura şi durata de încălzire.

Datorită prezenţei azotului în austenită şi în carbonitruri,în urma călirii, stratul carbonitrurat are o duritate şi orezistenţă la uzură mai mare decît cel obţinut prin cementare,caracteristicile lui fiind prezentate în fig. 11.5.b.Rezultatele carbonitrurării sînt deosebit de bune dacă se asi-gură o limitare a conţinutului în carbon şi azot şi a grosimiistratului, pentru a nu se produce o cantitate prea mare deaustenită reziduală după călire. Austenită reziduală reduce du-ritatea stratului carbonitrurat şi poate avea efecte nedoriteîn cazul pieselor aflate în mişcare de rotaţie, cînd prinfrecare cu piesa conjugată, ea se transformă şi prin

creşterea de volum care o însoţeşte, piesele se blochează(gripează).