|
|
|
Tratamente termochimice oteluri
Tratamentul termochimic consta in imbogatirea superficiala a otelului prin difuzia unui element adus in stare atomica, dintr-un mediu adecvat incalzit la temperaturi ridicate. Scopul acestui tratament este realizarea unei distributii a compozitiei chimice, structurii si proprietatilor pe sectiunea piesei.
In functie de natura elementului de difuzie, tratamentele termochimice sunt de mai multe tipuri: C - carburare sau cementare; N- nitrurare; C+N-carbonitrurare sau cianizare; B-borizare; Ti-titanizare; Al-alitare; Si-silicizare; Cr-cromizare; Zn-sherardizare; S-sulfizare, etc.
Proprietatile urmarite sunt:
- durificarea superficiala si rezistenta la uzura abraziva sau de adeziune asociate cu un miez tenace: C, N, C+N, B, Ti, Cr
- rezistenta la coroziune: Cr, Si, Ti, Zn,
- rezistenta la oxidare: Al, Si, Cr
- rezistenta la gripare: S
1 Carburarea otelului
Carburarea sau cementarea este o metoda de durificare superficiala a pieselor din otel cu continut redus de carbon 0,08-0,25%C, spre deosebire de piesele din otel cu continut mediu in carbon care se durifica prin calire superficiala.
Este un proces de imbogatire in carbon a straturilor superficiale ale pieselor din otel, urmata de calire martensitica si revenire joasa. Piesele carburate au un strat superficial dur, rezistent la uzura si oboseala asociata cu un miez ductil si tenace. Se aplica la arbori cu came, roti dintate, scule pneumatice, pene, bolturi de piston etc.
Carburarea se executa prin incalzirea piesei intr-un mediu carburant la temperaturi 920-950˚C, cand otelul este adus in stare austenitica, capabila sa dizolve o cantitate mare de carbon (fig. 9.37, punct 1). La temperatura de carburare, otelul dizolva superficial o cantitate de carbon inferioara limitei de solubilitate a carbonului in austenita (cmax), in general maxim 1,2%C (punct 2). Continutul de carbon scade in austenita monoton de la suprafata spre miez. La racire lenta austenita sufera transformari conform diagramei Fe-Fe3C. La temperatura ambianta in stratul de difuziune se disting trei substraturi:
- substratul hipereutectoid care contine perlita si cementita secundara;
- substratul eutectoid care contine numai perlita
- substratul hipoeutectoid de tranzitie la materialul de baza, care contine perlita si ferita, cantitatea de perlita scazand continuu pana la structura miezului.
Grosimea stratului carburat se defineste ca suma intre grosimea substratului hpereutectoid, eutectoid si jumatate din cel de tranzitie hipoeutectoid.
Grosimea stratului carburat variaza in general intre 0,5-2mm. In practica la otelurile cu<0,17%C este luata 15% din diametrul sectiunii cementate. La continuturi de C>0,17% stratul se micsoreaza la 5-9% pentru piese supuse la uzura, iar daca sarcini de contact nesemnificative poate ajunge la 3-4%.
Continutul de carbon din strat variaza in general intre 0,8 si 1%C. Pentru a obtine rezistenta maxima la oboseala de contact continutul de carbon din strat se ridica la 1,1-1,2%C.
Elementele de aliere din otel influenteaza structura, viteza de difuzie a carbonului si adancimea de
carburare. Elementele carburigene (Cr, Ti, Mn, Mo, W, V) favorizeaza aparitia de carburi globulare, graunte ereditar fin, durificarea suplimentara a stratului carburat. In acest caz continutul de carbon in strat poate ajunge la 1,8-2%.
Carburarea se poate executa in mediu solid, lichid sau gazos.
1. Carburarea solida se face in cutii de cementare din otel sudat in care se aseaza distantat (10 -15mm) piesele decapate prealabil in mediul de saturare.
Agentul de carburare este format din granule de diametru 3,5-10mm din lemn de mangal de lemn de mesteacan sau stejar, rezistent la compresiune si pur din punct de vedere al P si S ca si semi-cocs de huila sau cocs de turba. Pentru accelerarea carburarii se adauga 20-25%BaCo3 si pana la 3,5%CaCo3 pentru a preveni sinterizarea. Cutiile se inchid etans cu un capac lipit cu argila refractara.
La temperatura de incalzire 910-930˚C, carbunele incandescent reactioneaza chimic cu oxigenul intragranular, formand dioxidul de carbon, care apoi este redus de carbunele incandescent la monoxidul de carbon capabil de disociere.
C + O2 → CO2
CO2 + C → 2CO
2CO → CO2 + Catomic
Substanta de activare este redusa de carbunele incandescent la oxidul de bariu si monoxid de carbon. Dupa disocierea monoxidului, dioxidul de carbon format reactioineaza chimic cu oxidul de bariu si reface carbonatul de bariu, care reintra in circuit.
BaCO3 + C → BaO + 2CO
2CO → CO2 + Catomic
CO2 +BaO → BaCO3
Timpul de mentinere la temperatura de carburare variaza in functie de dimensiunile cutiei de cementare si adancimea de carburare dorita. Pentru o cutie cu dimensiunea minima 150mm, pentru un strat gros de 1mm este necesara o mentinere de 8-10 ore. Este un procedeu cu productivitate mica, recomandat otelurilor cu graunte ereditar fin.
Carburarea gazoasa, se executa prin incalzirea pieselor in cuptoare inchise etans intr-un mediu carburant gazos: gaz natural (CH4), amestecuri de butan si propan, hidrocarburi lichide (benzen, kerose, syntol), atmosfere endoterme (20%CO, 40%H2, 40%N2) la care se adauga 5-8% CH4.
Procedeul permite obtinerea unei concentratii exacte de carbon in strat, micsoreaza durata de mentinere, permite mecanizarea si automatizare procesului de cementare; se simplifica tratamentul termic ulterior, permitand calirea de la temperatura de cementare. La 930˚C pentru realizarea unui strat cementat de 0,7-1mm este necesara o durata de mentinere in cuptoarele continue 6-12 ore si de 3-10 ore in cuptoarele cu cuva. Se poate accelera procesul prin circularea gazului si cresterea temperaturii de carburare la 1000-1050˚C, daca otelul este cu grauinte ereditar fin. Este procedeul industrial de cementare a pieselor de serie mare.
3. Carburarea lichida se executa in bai desaruri topite care contin 78-85%Na2CO3, 10-15%NaCl, 6-8%SiC. Are cea cea redusa durata de carburare: 0,15-0,20mm grosime de strat in 30min, iar 1mm in 4-5 ore. Se preteaza la piese mici si prezinta dificultatea mentinerii constante a capacitatii de carburare a baii.
Tratamentul termic aplicat pieselor carburate are ca scop:
- corijarea structurii de supraincalzire din stratul cementat si miez, rezultata in urma mentinerii indelungate la temperatura de tratament;
- durificarea stratului superficial si tenacitate in miez;
- eliminarea retelei de cementita secundara aparuta in stratul superficial, ca urmare al suprasaturarii cu carbon.
Se aplica urmatoarele variante de tratament termic (figura 9.38):
Calirea directa de la temperatura de cementare urmata eventual de calire la temperaturi negative pentru reducerea cantitatii de austenita reziduala din strat si revenirea joasa. Nu corijeaza structura de supraincalzire din miez si strat si de aceea se recomanda la otelurilor cu graunte ereditar fin. Calirea directa se aplica frecvent la carburarea gazoasa, dupa iesirea piesei din cuptor si racire in aer pana la 840-860˚C.
Calirea simpla consta dintr-o normalizare prin racirea in aer a piesei iesite de la cementare in scopul finisarii granulatiei si a anularii retelei de cementita secundara, urmata de calirea martensitica a stratului superficial de la temperaturi >Ac1 si revenire joasa. Se aplica pieselor cu graunte ereditar mare.
Calirea dubla consta intr-o prima calire martensitica de la temperatura de calire a miezului (peste Ac3 al miezului), care elimina reteaua de cementita secundara. A doua calire se efectueaza de la temperatura de calire a stratului superficial (peste Ac1), care ii asigura duritatea ridicata. Tratamentul final este revenirea joasa pentru obtinerea in stratul superficial a martensitei de revenire si pentru detensionare. Se aplica pieselor din otel cu graunte ereditar mare. Inconvenientul acestui tratament este complexitatea lui, deformarea crescuta a pieselor cu forme complexe, oxidarea si decarburarea suprafetei.
Proprietatile pieselor cementate sunt:
- duritatea stratului cementat 60-64HRC pentru otelul carbon si 58-61HRC la otelul aliat cu o cantitate marita de austenita reziduala. Durificarea superficiala mareste rezistenta la uzura si la sarcini de contact.
- rezistenta la soc mecanic datorata ductilitatii si tenacitatea miezului, a carui duritate variaza intre 20-40HRC;
- se mareste rezistenta la oboseala ca urmare a formarii in stratul superficial a tensiunilor reziduale de compresiune (400-500 N/mm2). La un otel Cr-Ni (0,12%c; 1,3%Cr; 3,5%Ni) rezistenta la oboseala a epruvetelor fara concentratori de tensiune creste de la 560 la 750N/mm2, iar in prezenta unei crestaturi de la 220 la 560N/mm2; scade sensibilitatea la crestaturi.
Aplicatii: arbori, pene, came, bucse de uzura, roti dintate, bolturi pentru piston, melci, etc.
Otelurile pentru cementare sunt oteluri pentru constructii de masini care contin sub 0,25%C: oteluri carbon de calitate (OLC10, OLC15, OLC20) si oteluri slab aliate (15Cr08, 13CrNi30, 18MnCr10, 18MoCrNi13, 18MoCrNi35, 20MoNi35, 21TiMnCr12,etc).
