Tratamentele termochimice se aplica cu scopul de a mari fie duritatea, fie rezistenta la coroziune sau uzura a stratului superficial cu mentinerea plasticitatii tenacitatii miezului .
Diviziunea in stare solida se bazeaza pe faptul ca atomii metalului isi pot schimba pozitia lor de echilibru, trecand intre nodurile retelei cristaline, iar de aici ei pot trece prin orice nod al retelei. In timpul tratamentului termochimic se deosebesc doua faze succesive : in prima faza are loc reactia dintre mediul inconjurator si suprafata piesei, iar in faza a doua, elementul absorbit de suprafata piesei difuzeaza spre interior.
Rezultatele procesului de tratament termochimic depind de viteza reactiilor de la suprafata piesei si de viteza cu care atomii elementelor care difuzeaza se deplaseaza din stratul superficial spre interiorul piese. S-a observat ca reactia cea mai activa a procesului are loc numai atunci cand elementul care difuzeaza sa degaja in stare atomica ( atom active ). Tratamentele termochimice se aplica in industrie, in cea mai mare masura aliajelor Fe-C si in special otelurilor.
In functie de elementul care difuzeaza tratamentele termochimice se numesc :cementarea, nitrurare, cianizare, etc.
Cementarea
Este tratamentul termochimic cu carbon aplicat otelurilor in general cu continut mic de carbon, la o temperatura imediat superioara punctului Ac3, intr-un mediu capabil sa cedeze carbon activ.
In vederea obtinerii unei piese cementate cu un miez tenace, cu 0,08-0,15%C. Pentru piese mai mari in cazurile in care se cere o duritate mai mare ptr. miez, continutul de C se mareste pana la 0,24%. Mediul care cedeaza elementul de difuziune, carbonul se numeste mediul carburant si poate fi in stare solida sau gazoasa.
Cementarea in mediu solid - se produce intr-un mediu carburant (de ex. in carbune de lemn ), in prezenta unor substante (carbonat de bariu, carbonat de sodiu etc. care activeaza procesul de carburare. Prin reactia carbune si oxigenul din aer, la temperaturi inalte se formeaza dioxidul de carbon (Co2), care reactioneaza cu carbunele, reducandu-se la oxid de carbon (CO). In contact cu suprafata metalului, oxidul de carbon se descompune in dioxid de carbon si in carbon atomic; formand cementita, sau se dizolva in austenita.
Mediile carburante solide sunt alcatuite din carbuni de lemn sub forma de granule, mai rar din carbuni de pamant (turba si cocs)sau carbune animal. Ptr. accelerarea cementarii in mediu solid, se folosesc si anumite sub. Cu rol de accelerator al procesului, numite carbonati ca :Na2CO3, BaCO3, care la incalzire se descompun usor . Astfel se adauga doua reactii:
BaCo3+C→BaO+2CO
2Co→C+CO2
Intrucat carbonatul se reface (BaO+CO2→BaCO3), se considera ca acceleratorii au rol catalitic.
Un mediu carburant se foloseste de mai multe ori, dar de fiecare data se adauga 15 - 20 % carbune proaspat ,iar uneori si 4-55 carbonat de sodiu sau bariu. Rezultatele operatiei de cementare depind de ; compozitia chimica a otelului de cementat, compozitia mediului carburant temperatura si durata de cementare. In cazul otelurilor cu continut mic de carbon, temperatura de cementare este de 900-920 ۫C.
Cementarea in mediu gazos - se realizeaza prin trecerea unui gaz, din care se poate degaja carbon in stare atomica, in spatiul in care se afla piesele ce urmeaza a fi cementate. Ca medii de cementare se folosesc gaze naturale si gaze preparate artificial ( gazul de iluminat, gazul de cocserie, gazele cracare etc. ), care contin Co, CH4, CO2, N2, H2, in prezenta unei cantitati insemnate de apa. Cel mai bun si mai ieftin este gazul metan. In acest caz, carburarea are loc cand metanul s-a disociat in carbon atomic si H2
CH4→2H2+C
Carbonul rezultat din descompunere trebuia sa difuzeze treptat in otel. Daca degajarea carbonului este prea intensa si depaseste viteza de difuziune a acestui hotel, pe suprafata piesei se depune carbon sub forma de negru de fum micsoreaza contactul dintre piesa si faza gazoasa. Ptr. evitarea acestui neajuns, in practica industriala se foloseste sistemul diluarii gazului metan care urmeaza sa fie disociat. Diluarea se face fie cu propriile sale produse de ardere, fie cu alte gaze mai purine bogate in carbon.
La cementarea cu gaze , temperatura este putin mai inalta decat la cea cu mediu solid, si anume de 900 - 950 ۫C. Durata de mentinere la aceasta temperatura ptr. difuziune nu este mica, dar luand in consideratie timpul cu mult mai scurt decat in cazul cementarii in mediu solid.
Structura stratului cementat. Dupa tratamentul de carburare si recoacere, in stratul cementat se pot deosebi trei zone :
-zona hipereutectoida, constituita din perlita si cementita in exces, cu un continut de 1,o -1,2 % C ;
-zona eutectoida, formata numai din perlita ; urmeaza zonei hipereutectoide ;
-zona hipoeutectoida, compusa din perlita si ferita, constitue ultima zona a stratului cementat.
Aceste zone nu trebuie sa prezinte delimitari precise ptr. a nu permite exfolierea stratului cementat. Este necesar ca zona hipoeutectoida sa fie cat mai mare, ptr. ca sa asigure o trecere treptata intre stratul cementat si miezul piesei.
Piesele cementate se supun tratamentului de calire dubla, cu scopul de a realiza duritatea stratului cementat ( 600 - 700 HB ). In acest scop, dupa cementare, piesele se incalzesc deasupra punctului A (la temperatura de 900 -920 ۫C ), dupa care se efectueaza prima calire in ulei si a doua in apa de la temperatura de 750 - 770 ۫C.
Nitrurarea
Este tratamentul termochimic cu azot aplicat otelurilor si fontelor cu o anumita compozitie de chimica, la o temperatura de inferioara punctului Ac1, intr-o atmosfera de amoniac sau in alt mediu capabil sa puna in libertate azot activ. Acest tratament se aplica ptr. obtinerea uni strat superficial bogat in azot, co scopul de a mari duritatea superficiala rezistenta la uzura, la oboseala si la coroziune. Nitrurarea este precedata, dar nu este urmata de un alt tratament termic.
Nitrurarea otelului (sau fontei )se poate efectua in mediu solid, lichid sau gazos ; in toate cazurile, insa nitrurarea se datoreste azotului activ in stare atomica. In industrie se foloseste frecvent nitrurarea in mediu gazos. Azotul atomic se obtine prin disocierea amoniacului (NH3) la temperaturi de peste 500 ۫C.
Procesul de nitrurare consta din urmatoarele faze : disocierea amoniacului, saturarea stratului superficial cu azot si difuziunea azotului in miez
2NH3→3H2+2N.
Azotul care se degaja rectioneaza cu fierul, formand nitruri. Racirea de le temperatura de nitrurare se efectueaza in cuptor, asfel incit in hotel nu se produc tensiuni interne.
Stratul nitrurat al otelurilor este foarte subtire , de numai cateva zecimi de mm . Duritatea stratului nitrurat ajunge la valoarea cea mai mare ce se poate obtine printr-un tratament termic sau termochimic. Structura straturilor nitrurate este foarte diferita si depinde de conditiile de nitrurare (temperatura si timp ) si in special de compozitia chimica a otelului.
Cianizarea
Este tratamentul termochimic cu carbon si azot aplicat otelurilor prin incalzire deasupra punctului Ac3, intr-un mediu lichid capabil sa cedeze azot activ. Prin cianizare, la suprafata pieselor se obtine o duritate si o rezistenta la uzura mari, mentinandu-se tenacitatea miezului. Se poate aplica diferitelor oteluri, insa cele mai bune rezultate se obtin la cianizarea otelurilor crom si crom nichel.
