Ocrotirea Mediului

Ocrotirea Mediului

1 ANALIZA NOXELOR SI A REZIDUURILOR POLUANTE IN PROCESELE DE CEMENTARE - CARBONITRURARE - NITRURARE IN GAZE

Noxele poluante pentru tratamentele de cementare - carbonitrurare si nitrurare in gaze au fost discutate in capitolul 8. Metode pentru imbunatatirea mediului si a conditiilor de munca la producerea si utilizarea atmosferelor controlate.

Asa cum s-a aratat, atmosferele endotermice folosite la tratamentul de cementare si carbonitrurare contin cantitati ridicate de oxid de carbon, care este toxic, si de hidrogen care este exploziv. In cazul carbonitrurarii si nitrurarii, amoniacul este un gaz foarte toxic. Pe langa metodele descrise in capitolul 8, ca de exemplu utilizarea atmosferelor produse pe baza de azot comercial, metode noi au fost introduse in practicarea tratamentelor termochimice si care vor fi descrise in cele ce urmeaza.

2 METODE PENTRU IMBUNATATIREA MEDIULUI SI A CONDITIILOR DE MUNCA LA PROCESELE DE CEMENTARE IN GAZE

Indiferent de tehnica utilizata, principiul cementarii este acelasi: cementarea este un proces limitat de difuziune:

timpul pentru realizarea gradientului de carbon dorit este guvernat de rata de difuzie a carbonului in piese;

difuzivitatea creste exponential cu temperatura absoluta, deci o difuzie rapida se obtine prin ridicarea temperaturii.

Dezvoltarea de echipamente si procese noi de cementare este dirijata de nevoia de a creste productivitatea, de a trata piese variate, de a reduce efectul poluant asupra mediului inconjurator si de a reduce costul.

Metode noi de cementare, care indeplinesc aceste cerinte sunt:

a) cementarea la temperatura inalta;

b) cementarea in vid;

c) cementarea in plasma - cementarea ionica.

2.1 CEMENTAREA LA TEMPERATURA RIDICATA

Prin cresterea temperaturii de cementare de la 900°C la 950°C, timpul pentru acelasi strat se reduce la jumatate, iar de la 955°C la 1010°C inca la jumatate, asa cum este aratat in figura 1.

Figura 1 - Influenta temperaturii de cementare la reducerea duratei de cementare

Desigur, cresterea temperaturii de cementare poate avea efecte negative ca reducerea timpului de viata a cuptorului de cemntare si posibilitatea de a reduce proprietatile mecanice ale pieselor, datorita cresterii grauntilor.

Incercari pe diferite oteluri de cementare au demonstrat ca este posibil sa se cementeze la temperatura ridicata fara a avea efecte daunatoare asupra proprietatilor mecanice.

Pentru temperaturi de cementare ridicate, timpul de cementare este redus substantial pentru obtinerea unui strat echivalent. In aceste conditii nu se obtine o marire a grauntilor.

S-a demonstrat ca nu apoare nici o schimbare importanta la rezistenta si rezilienta Charpy pentru piese cementate la temperaturi intre 930 si 1040°C.

Desigur ca marirea (cresterea) grauntilor este in functie si de otelul utilizat, existand o limita a temperaturii pentru fiecare otel.

Pentru a face posibila cementarea la temperaturi ridicate, producatorii de cuptoare au construit cuptoare cu bazin integrat, capabile sa functioneze un timp indelungat la temperaturi ridicate de cementare.

Pe langa modificari in constructia generala a cuptorului, sunt folosite aliaje speciale pentru tuburile radiante, care impreuna cu arzatoare cu eficienta ridicata, permit utilizarea tuburilor radiante la temperaturi ridicate si cresterea vitezei de incalzire.

Temperatura maxima a cuptorului modificat poate ajunge la 1065°C. Cantitati mai mari de materiale pot fi incalzite la temperaturi ridicate. De exemplu, pentru obtinerea unui start cementat de 1,25 mm, cuptorul de tip nou asigura o crestere a productivitatii de 50%, respectiv 119% (1820 kg/sarja), cand functioneaza la 955°C si 1040°C, comparat cu cementarea intr-un cuptor standard (1360 kg si la 955°C). De asemenea, este si o reducere a costului si a substantelor poluante emanate.

2.2 CEMENTAREA IN CUPTOARE CU VID

Cementarea in vid este un proces de cemnetare la temperaturi ridicate si presiuni sub presiunea atmosferica (sub 760 torr). Temperatura in cazul cementarii in vid variaza intre 980°C si 1050°C (poate ajunge pana la 1095°C). Atmosfera de cemnetare consta in hidrocarburi ca: gazul natural, metan sau propan. Uneori azotul este folosit ca gaz purtator in timpul procesului de cementare, presiunea in cuptor fiind mentinuta in limita de 50 pana la 400 torr.

Fluxul de gaz poate fi mentinut constant sau alternant cand cuptorul este vidat si alimentat cu gaze. Cementarea se produce prin disocierea hidrocarburii gazoase pe suprafata otelului si prin absorbtie directa a carbonului. Din reactie rezulta hidrogen. In cazul utilizarii metanului, reactia este:

CH + Fe = Fe(C) + 2H

La temperaturile de cementare, reactia are loc de la stanga la dreapta. Reactia favorizeaza disocierea rapida a gazului si absorbtia rapida a carbonului de catre suprafata calda a otelului.

Normal aceasta reactie nu atinge echilibrul. Echilibrul potentialului de carbon nu este folosit in cementarea in vid.

Cementarea in vid foloseste asa-zisa metoda de difuzie in salturi, un proces in doua trepte. In prima treapta suprafata este saturata cu carbon, iar in treapta a doua se produce difuzia carbonului in otel la o presiune scazuta, fapt care face sa scada concentratia carbonului din suprafata si stratul sa creasca.

Treapta de carburare a suprafetei se produce la o presiune de 50 la 400 torr (uzual la 300 torr). Gazele carbonizate sunt prevazute la mentinerea acestei presiuni. Treapta de difuzie este executata la presiunea normala in vid de 100 torr sau mai jos. In figura 2 este prezentat un ciclu de cementare in vid. In unele cazuri ciclul de carbuarare-difuzie poate fi repetat de mai multe ori pentru obtinerea stratului si a gradientului de carbon dorit.

In afara reducerii timpului de cementare, ca urmare a temperaturii mai ridicate decat cea normala, cementarea in vid are urmatoarele avantaje:

a) deoarece procesul se produce utilizand numai un gaz natural sau propan, necesitatea pentru un generator de gaze dispare; daca totuai un gaz purtator este necesar, se foloseste azot din butelii;

b) preincalzirea si tratamentul dupa cementare se poate face in vid obtinandu-se piese foarte curate;

c) elementele de aliere ca: Cr, Mn, Si, nu sunt oxidate in timpul ciclului de cementare conventional, fenomen care nu are loc in cazul cementarii in vid;

d) echipamentul poate fi pornit si oprit in cateva minute, iar gazul este folosit numai in timpul ciclului de carburare;

e) gazele de evacuare din cuptorul de cementare in vid sunt in cantitate foarte mica si nu prezinta un pericol ecologic;

f)  parametrii procesului de cementare in vid sunt usor de controlat si rezultatele obtinute sunt repetabile;

g) cuptorul poate fi folosit si la alte operatii de tratament termic ca: brazarea, sintetizarea fara curatiri speciale;

h) diferite procese pot fi combinate, de exemplu: piese din pulberi metalice pot fi sintetizate, cementate si calite in acelasi proces, fara a fi necesara transportarea pieselor in alte cuptoare.

Figura 2 - Ciclul tipic pentru cementarea in vid

a)

b)

2.3 CEMENTAREA IN PLASMA (CEMENTAREA IONICA)

Cementarea in plasma nu se deosebeste foarte mult de cementarea in vid in ceea ce priveste gazele utilizate. Cementarea in plasma este facuta in cuptoare speciale, folosind gaze naturale la presiuni subatmosferice, ca sursa de carbon, ceea ce elimina necesitatea folosirii generatorului de atmosfera controlata. Sursa de carbon este imunizata si accelerata datorita unui potential electric intre piese si mediul din cuptor. Acest potential electric creeaza un mediu bogat in carbon care inconjoara uniform suprafetele ce trebuie cementate.

Spre deosebire de cementarea in gaze care utilizeaza atmosfera endotermica, continand dioxid de carbon si vapori de apa, in cementarea in plasma nu exista oxidanti, deci oxidarea intergranulara la suprafata este complet eliminata.

Mecanismul transferului de carbon, la carburarea in plasma in timpul unei incarcari luminiscente, nu este perfect cunoscut. Este posibil ca reactiile la suprafata sa fie similare cu cele produse la nitrurarea ionica. Ionii de carbon de fier, creati prin extragerea atomilor de fier de la suprafata sunt atrasi de campul electric creat la suprafata pieselor. Acest fenomen este prezentat schematic in figura 3.

Temperaturi in general mai ridicate sunt folosite la cementarea in plasma, comparativ cu temperaturile utilizate in cazul cementarii in atmosfera endoterma; in plus descacarea luminiscenta este foarte eficienta in eliminarea cu carbon a suprafetei pe aproape tot timpul carburarii.

Combinatia alimentarii eficiente cu carbon si a temperaturii mai ridicate a procesului in plasma permit reducerea duratei procesului de cementare fara a deteriora calitatea si obtinerea de piese curate si cu deformatii reduse.

C, O, metal  h x v

Figura 3 - Schema mecanismului de transfer al carbonului in procesul de cementare in plasma.

Sarja 850-1000°C

P = 0,1 - 10 KPa < CH4 + Ar >

La cementarea in atmosfera controlata, gazele transporta carbonul la suprafata pieselor. In cazul in care piesele au cavitati, transportul carbonului in cavitate se face cu dificultate. Acelasi lucru se intampla si la cementarea rotilor dintate.

Prin comparatie, carburarea in plasma, care se produce uniform in gauri si cavitati genereaza starturi cementate mult mai uniforme. De exemplu asa cum este prezentat in figura 4. Cementarea in plasma poate produce straturi uniforme in gauri nepatrunse, avand raportul lungime/diametru (L/D) aproape de doua ori mai mare in comparatie cu cementarea in atmosfera controlata. Cuptoarele in care se face cementarea in plasma nu difera de cuptoarele de cementare in atmosfera decat prin faptul ca au prevazute instalatia de producere a luminiscentei.

Cementarea in plasma este din ce in ce mai mult acceptata in toata lumea. Utilizarea cementarii in plasma pe o scara din ce in ce mai mlarga, se datoreaza urmatoarelor avantaje:

a) ecologic - procesul este curat, nu este toxic si nu are probleme de depozitare si de manipulare a deseurilor poluante;

b) reducerea costului - cementarea in plasma este o metoda economica deoarece reduce necesarul de manopera, spatiul necesar, materiale consumabile si costul de energie; un dezavantaj este pretul ridicat al investitiei initiale comparat cu pretul altor utilaje de tratamente termice, dar in final costul redus de exploatare a echipamentului echilibreaza investitia initiala;

c) repetabilitatea - rezultatele sunt foarte reproductibile si uniforme;

d) curatirea - piesele nu necesita curatire dupa cementare;

e) considerente metalurgice - uniformitate a stratului cementat in special pentru roti dintate si piese cu forme complicate, lipsa oxidarii intergranulare, datorita lipsei totale a vapoorilor de apa si a dioxidului de carbon, deformatii reduse ale pieselor. Un alt avantaj metalurgic este posibilitatea de a cementa oteluri cu continut ridicat de crom, care sunt greu de tratat in procesul de cementare in atmosfera controlata.

Figura 4 - Comparatia in adancimea de cementare a unei gauri nepatrunse

3 METODE PENTRU IMBUNATATIREA MEDIULUI SI A CONDITIILOR DE MUNCA LA PROCESELE DE NITRURARE IN GAZE

3.1 NITRURAREA IN PLASMA (NITRURAEA IONICA)

Nitrurarea in plasma este un proces la temperatura joasa (400°C la 650°C), ideal pentru aplicatii in care se cere un strat putin adanc, dar cu duritate foarte mare. Acest proces castiga popularitate deoarece constituie o alternativa ecologica curata la nitrurarea in gaze sau nitrurarea in bai de sare. Reactia care se produce la procesul de nitrurare in gaze este reprezentata printr-o simpla formula de disociere a amoniacului:

2NH3 = N + 3H

Formula indica faptul ca atunci cand amoniacul este incalzit se disociaza in gazele componente: azot si hidrogen. Posibilitatea de a aduce separat azot si hidrogen impreuna permite a se varia raportul de azot la hidrogen dupa dorinta.

Daca azotul este considerat ca principalul gaz care formeaza nitruri stabile in otel,

e- + N = N + N + 2e

atunci utilizand numai azot, gazul poate fi ionizat ca sa produca atomi de azot neutri.

Azotul monoatomic rezultat difuzeaza in suprafata pieselor si formeaza nitruri stabile.

In procesele conventionale de nitrurare se formeaza intotdeauna un "strat alb". Acest "strat alb" este format de un amestec de gaze, de nitruri epsilon si gamma care sunt foarte fragile. In cazul nitrurarii in plasma "stratul alb" fragil poate fi inlaturat.

Ca si in cazul cementarii in plasma prin aplicarea unui curent electric in vid are loc o descarcare luminiscenta intre piese si gazul de nitrurare care inconjoara piesele.

Sunt doua metode diferite pentru procesul nitrurarii in plasma.

Primul sistem utilizeaza o camera in vid cu pereti reci, fara sistem de incalzire. Incalzirea pieselor se producee prin curentul electric care formeaza descarcarea luminiscenta. Schema acestui tip de instalatie este prezentata in figura 5.

Alt sistem este instalatia cu pereti calzi care are forma unui cuptor vertical dar care incorporeaza o retorta cu vid. In acest sistem sursa de caldura si voltajul pentru producerea plasmei sunt separate.

Acest sistem permite un control mai adecvat al producerii plasmei. Folosind sistemul cu pereti calzi pentru producerea plasmei se poate utiliza o presiune mai scazuta fara deteriorarea ratei de difuzie.

Schema instalatiei de nitrurare in plasma cu pereti calzi este prezentata in figura 6.

Aceleasi avantaje ca la cementarea in plasma se regasesc si la nitrurarea in plasma, in plus cel mai mare avantaj ecologic este reducerea consumului de amoniac care este un gaz foarte toxic.