Tratarea termică și chimică a metalelor
Cuprins
Structurile inginerești moderne necesită materiale cu rezistență ridicată la suprafață, rezistență ridicată la abraziune, oboseală și agenți chimici, menținând în același timp ductilitatea și duritatea miezului. Această combinație dorită de proprietăți poate fi obținută prin tratare termică și chimică.
Tratarea termică și chimică este un set de procese tehnologice care implică saturarea stratului superficial al elementelor metalice cu elemente chimice active (cum ar fi carbon, azot, bor, crom) și aplicarea simultană a căldurii. Ca urmare a acestor tratamente, în stratul superficial al metalului apar modificări structurale și chimice care îi alterează radical proprietățile.
Rezultatul unui tratament termic și chimic bine realizat este un strat superficial dur, rezistent la uzură, menținând în același timp un miez ductil și maleabil, ceea ce crește semnificativ durabilitatea pieselor și uneltelor mașinilor.
În funcție de elementul utilizat și de proces, există diferite tipuri de tratamente termochimice, dintre care cele mai comune sunt cărburarea, nitrurarea și carbonitrurarea (cunoscută și sub denumirea de cianurare), precum și metode mai specializate, cum ar fi cromarea, aluminierea și borurarea.
În secțiunile următoare ale acestui articol, vom examina mai detaliat mecanismele acestor procese, aplicațiile lor practice și influența lor asupra microstructurii și proprietăților stratului superficial al metalelor.
Mecanismul de acțiune – difuzia elementelor
Baza tuturor proceselor de tratare termică și chimică este fenomenul de difuzie, adică mișcarea spontană a atomilor dintr-o zonă cu concentrație mai mare către o zonă cu concentrație mai mică. În acest caz, avem de-a face cu difuzia unui element chimic activ (de exemplu, carbon, azot) în metal, cel mai adesea fier. Procesul de saturare a suprafeței metalice constă în trei etape:
- Adsorbția atomilor activi – atomii elementului saturant se depun pe suprafața metalică, formând un așa-numit strat de tranziție.
- Difuzia de suprafață – atomii se deplasează pe suprafață, căutând locuri potrivite pentru a „intra” în structura cristalină.
- Difuzia internă (volumetrică) – la o temperatură suficient de ridicată, atomii se difuzează în metal, așezându-se în spațiile libere ale rețelei cristaline (cel mai adesea între noduri, în așa-numitele goluri ale rețelei).
Temperatura joacă un rol crucial aici – cu cât este mai ridicată, cu atât difuzia este mai rapidă, cu atât adâncimea de saturație a stratului este mai mare, dar și cu atât este mai mare riscul de creștere a granulelor și de modificări în miezul materialului.
În funcție de tipul elementului, atomii difuzori interacționează cu atomii de fier pentru a forma diverse soluții solide sau compuși chimici (de exemplu, nitruri, carburi, boruri). Prezența acestora este responsabilă de creșterea durității stratului superficial, creșterea rezistenței la abraziune și oboseală și îmbunătățirea rezistenței la coroziune și căldură.
Procesul de difuzie are loc în funcție de gradientul de concentrație, ceea ce înseamnă că concentrația elementului saturant scade odată cu creșterea adâncimii. Rezultatul este o structură stratificată caracteristică: o zonă saturată (suprafață) – foarte dură, o zonă de tranziție – cu proprietăți care se modifică treptat și un nucleu – care păstrează proprietățile originale ale metalului.
Tocmai această schimbare structurală și chimică treptată conferă tratamentului termic un avantaj față de alte tehnologii de suprafață, cum ar fi acoperirea sau pulverizarea.
Cărburarea
Cărburarea este un proces de tratament termic în care suprafața unei componente din oțel este saturată cu carbon pentru a-i crește duritatea, rezistența la uzură și rezistența la oboseală. Este utilizată în special pentru oțelurile cu conținut redus de carbon, care nu sunt adecvate pentru călire pe cont propriu. Totuși, după călire, acestea capătă o suprafață dură, păstrând în același timp ductilitatea miezului.
Principiul de funcționare
Procesul de carburare implică încălzirea oțelului la temperatura de austenitizare (aproximativ 880-950 °C) și menținerea acestuia într-o atmosferă care conține carbon activ pentru o perioadă specificată (de la câteva ore la câteva zeci de ore), în funcție de adâncimea stratului necesar.
În acest timp, atomii de carbon se adsorb pe suprafață și apoi se difuzează în oțel, ocupând spațiile interstițiale ale rețelei cristaline austenitice. După saturare, componentele sunt călite și temperate, ceea ce permite obținerea unei durități ridicate a stratului (adesea mai mare de 60 HRC), păstrând în același timp un miez ductil.
Tipuri de carburare
Carburarea cu pulbere
- Utilizată în mod tradițional într-un pat de cărbune și activatori (de exemplu, BaCO₃),
- Nu este foarte precisă, dificil de controlat,
- În prezent, este mai puțin utilizată, în principal în producția de serie mică de scule și piese antice.
Cărburarea cu gaz
- Cea mai utilizată în industrie,
- Se realizează într-o atmosferă de gaze de cărburare (de exemplu, CO, CH₄) în cuptoare etanșe la gaz,
- Permite controlul precis al temperaturii, timpului și compoziției atmosferei,
- Permite obținerea unui strat carburat uniform cu o adâncime de până la câțiva mm.
Carburarea în vid (la presiune scăzută)
- O metodă modernă care utilizează alimentarea ciclică cu gaz de carbonizare în condiții de vid,
- Permite o puritate ridicată a stratului, fără oxidare și deformare,
- Recomandată în special pentru piese mecanice de precizie (de exemplu, angrenaje, rulmenți).
Structura și proprietățile stratului carburat
După întărire, în stratul superficial se formează o structură de martensită saturată cu carbon, care trece în bainită, ferită sau perlită pe măsură ce materialul este penetrat mai adânc. Stratul carburat atinge o duritate de peste 62 HRC, se caracterizează prin rezistență ridicată la abraziune și la oboseală de contact, dar are o rezistență scăzută la temperaturi ridicate și la coroziune (ceea ce limitează aplicațiile sale).
Nitrurare
Nitrurarea este un proces care saturează suprafața metalică cu azot, crescând duritatea, rezistența la uzură, rezistența la coroziune și rezistența la oboseală fără a fi necesară călire. Spre deosebire de carburare, nitrurarea se efectuează de obicei la temperaturi mai scăzute (de obicei 500–580 °C), ceea ce minimizează riscul de deformare, menține precizia dimensională a piesei și păstrează structura miezului.
În timpul nitrurării, atomii de azot se adsorb pe suprafața oțelului, se difuzează în structura cristalină și formează legături cu atomii metalici ai aliajului (cum ar fi Al, Cr, Mo, V), ducând la formarea de nitruri intermetalice (de exemplu, AlN, CrN, VN). Acești compuși sunt responsabili de duritatea ridicată și rezistența suprafeței.
Tipuri de nitrurare
Nitrurare cu gaz
- Se realizează într-o atmosferă de amoniac (NH₃), care se descompune în azot activ și hidrogen.
- Populară, ieftină și bine recunoscută.
- Durata procesului: 10 până la 100 de ore.
- Grosimea stratului până la 0,5 mm, duritate până la 1100 HV.
Nitrurare ionică (plasma)
- Se realizează în condiții de presiune scăzută, utilizând un câmp electric.
- Suprafața metalică acționează ca un catod, iar moleculele de azot sunt atrase și „împinse” în material.
- Permite controlul precis al adâncimii și profilului stratului.
- Procesul este curat, rapid, eficient din punct de vedere energetic și ideal pentru piese de precizie.
Nitrurare în baie de sare
- Mai puțin utilizată, implică scufundarea pieselor într-o soluție de cianuri și nitrați.
- Condițiile sunt mai dificil de controlat, dar stratul poate fi mai rezistent la coroziune.
Eficacitatea nitrurării depinde de conținutul de elemente formatoare de azot (de exemplu, Al, Cr, Mo, V), precum și de microstructura și tratamentul termic anterior. Oțelul trebuie tratat termic în prealabil, iar suprafața trebuie curățată temeinic (fără zgură, grăsime și rugină).
Un strat tipic este format din două zone: un strat de legătură, care este foarte dur, subțire (10-20 μm) și compus în principal din nitruri, și un strat de suport de difuzie, care este mai gros (până la 0,5 mm) și responsabil de transferul sarcinii.
Caracteristicile sale includ o duritate de 900–1200 HV, rezistență excelentă la abraziune și oboseală, rezistență ridicată la coroziune, în special la utilizarea oțelurilor inoxidabile, și nu este necesară călire după proces, ceea ce reduce deformarea și costurile.
Carbonitrurare (cianurare)
Carbonitrurarea, cunoscută și sub denumirea de cianurare, este un proces de tratare termochimică în care suprafața metalică este saturată simultan cu carbon și azot. Tratamentul are ca scop obținerea unui strat superficial dur și subțire, care oferă o rezistență ridicată la uzură, abraziune și oboseală, cu un timp de tratare mai scurt în comparație cu carburarea clasică.
În comparație cu carburarea, temperatura procesului este mai scăzută, de obicei în intervalul 700–900 °C, timpul de saturare este mai scurt, iar stratul rezultat este mai subțire, dar mai dur datorită prezenței nitrurilor.
Carbonitrarea implică încălzirea oțelului la temperatura adecvată și menținerea acestuia într-un mediu care conține atât carbon, cât și azot, sub formă de gaze (CH₄ + NH₃) sau băi de sare (cianuri, cianuri).
În timpul acestui proces, atomii de carbon și azot se adsorb pe suprafață și apoi se difuzează în material, formând un strat mixt de difuzie care conține carburi și nitruri de fier și elemente de aliere.
După carbonitrurare, duritatea este de până la 850–1000 HV, stratul are rezistență ridicată la abraziune și rezistență bună la oxidare și coroziune (mai bună decât după carburare singură). Stratul are de obicei o grosime de 0,2–0,5 mm și se deformează foarte puțin; adesea, nu este necesar un tratament termic suplimentar. Datorită acestor proprietăți, carbonitrarea este utilizată, printre altele, pentru angrenaje, arbori, bucșe, șuruburi și componente care necesită o rezistență ridicată a suprafeței și precizie dimensională.
Tipuri de carbonitrare
Carbonitrare cu gaz
- Se realizează într-o atmosferă de amestec de gaze saturate (de exemplu, amoniac și hidrocarburi),
- Cel mai frecvent utilizat în industrie,
- Permite controlul parametrilor procesului și obține un strat dur cu o grosime de 0,1-0,5 mm.
Carbonitrurare în baie (cianurare)
- Se realizează în soluții de săruri de cianură (NaCN, KCN),
- Un proces foarte rapid, dar nociv pentru mediu (toxicitate cianură),
- În prezent, este din ce în ce mai puțin utilizat și este adesea înlocuit cu cianurarea netoxică (de exemplu, utilizând cianuri).
Carbonitrarea ionică
- O metodă modernă realizată în condiții de vid.
- Permite modelarea precisă a stratului de difuzie.
- Utilizată în producția de piese cu geometrii complexe și cerințe de precizie.
Alte tipuri de impregnare prin difuzie
Pe lângă carburare, nitrurare și carbonitrurare, există și alte procese de tratare termochimică care implică impregnarea suprafeței metalice cu diverse elemente pentru a obține proprietăți specializate, cum ar fi rezistența la temperaturi ridicate, coroziune, eroziune sau oxidare.
Fiecare dintre aceste procese permite adaptarea stratului superficial la condiții de funcționare foarte specifice, în care metodele standard (cum ar fi călire) se dovedesc insuficiente. Utilizarea lor crește adesea durata de viață și fiabilitatea componentelor cheie ale echipamentelor care funcționează în medii extreme. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate mai jos:
Cromarea prin difuzie
Aceasta implică saturarea suprafeței metalice cu crom la o temperatură ridicată (900-1100 °C). Se realizează într-o atmosferă gazoasă (de exemplu, cloruri de crom) sau în băi de pulbere.
Cromarea prin difuzie creează un strat de cromură de fier, care se caracterizează prin:
- rezistență foarte bună la coroziune și oxidare,
- duritate și rezistență la abraziune,
- rezistență la gaze și substanțe chimice agresive.
Se utilizează în industria chimică, petrochimică și energetică (de exemplu, tuburi de cazane, supape, componente de reactoare).
Aluminare (aluminare)
Un proces de saturare a unei suprafețe cu aluminiu, de obicei la o temperatură de 800–1050 °C. Conduce la formarea de compuși intermetalici FeAl sau Fe₃Al. Principalele sale avantaje includ:
- rezistență ridicată la oxidare la temperaturi ridicate,
- protecție împotriva eroziunii gazelor și zgurelor metalurgice,
- rezistență îmbunătățită la coroziune sub influența sulfului și clorurilor.
Se utilizează în turbine, schimbătoare de căldură, cazane și motoare cu reacție.
Borurarea (boridarea)
Borurarea este un tratament de suprafață care implică difuzia borului în structura metalului. Borurarea duce la formarea de boruri dure, cum ar fi FeB, Fe₂B, cu o duritate a stratului de până la 1800–2000 HV. Borurarea se caracterizează prin:
- rezistență excelentă la abraziune,
- rezistență la acizi, alcali și saramuri,
- fragilitate, care limitează utilizarea sa în componente dinamice.
Utilizată pentru: scule de tăiere, matrițe, matrițe și elemente de frecare.
Siliconare
Siliconarea implică saturarea suprafeței cu siliciu la o temperatură de aproximativ 1000 °C. Acest lucru duce la formarea de siliciuri de fier, care asigură rezistență la oxidare și coroziune la temperaturi ridicate, precum și o duritate și rezistență la oboseală sporite. Utilizat în metalurgie, în componente expuse la temperaturi ridicate și contact cu zgură.
Tratarea termică și chimică a metalelor – rezumat
Tratarea termică și chimică se numără printre cele mai importante instrumente din ingineria materialelor, permițând modificarea țintită a proprietăților suprafeței metalelor fără a afecta structura lor internă. Datorită proceselor precum carburarea, nitrurarea, carbonitrurarea și cromarea, este posibilă obținerea unei combinații de duritate ridicată a suprafeței, ductilitate și rezistență a miezului.
Aceste tratamente sporesc rezistența la uzură, coroziune, oboseală și temperaturi ridicate, ceea ce se traduce direct într-o durată de viață mai lungă a componentelor mașinilor și echipamentelor. Selectarea abilă a tipului de proces, a parametrilor termici și a materialului de pornire permite inginerilor să optimizeze proiectele pentru condițiile reale de funcționare.
Industria modernă nu poate funcționa fără metode precise de modificare a suprafețelor – de aceea tratarea termochimică rămâne nu numai o problemă științifică importantă, ci mai ales un instrument practic pentru asigurarea durabilității, fiabilității și siguranței structurilor tehnice.
