Parametrii tehnologici ai tratamentului termic

Proprietile fizice, mecanice, chimice i tehnologice ale materialelor metalice sunt dependente de tratamentul termic aplicat. Pentru oelurile inoxidabile, tratamentele termice prezint o importan deosebit, n special pentru a le conferi o mai bun rezisten la coroziune i pentru a le ameliora proprietile mecanice i fizice. Cele mai mici greeli n efectuarea tratamentului termic au consecine mari, n sensul c pot compromite materialul i aceasta cu att mai mult n cazul oelurilor speciale.

Indiferent de tipul de tratament termic (recoacere, clire, revenire, durificare structural), trebuie alei corect urmtorii parametrii tehnologici: viteza de nclzire, temperatura i durata nclzirii, viteza sau gradul de subrcire, pentru a se asigura transformrile structurale dorite sau pentru a diminua tensiunile interne i pentru a reface granulaia materialului.

Natura materialului, tipul de tratament termic, natura mediului de nclzire sau de rcire, dimensiunile i configuraia pieselor pot influena ciclul de nclzire rcire, obinndu-se ciclograme specifice.

Pentru piese de form simpl i fabricate din materiale cu bun conductivitate termic se recomand ciclograma in figura (a), iar pentru cele de form complex i materiale cu slabe conductiviti termice se recomand ciclograma complex din figura (b). De asemenea, rcirile aplicate pot fi anizoterme (curba 1) sau izoterme (curba 2) sau pot avea caracter anizoterm, cu rcire n medii refrigerente (tratament la temperaturi joase curba 3).

Fig 3.1. Ciclograme de tratament termic pentru oeluri

Alegerea vitezei de nclzire se face n funcie de proprietile fizice i mecanice ale materialului, respectiv n funcie de tipul de tratament termic (recoacere, clire).

Pentru recoaceri se recomand viteze mici de nclzire (vnc1o/min), iar pentru cliri, reveniri, vitezele de nclzire pot fi de 1,6 .... 6o/min. De fapt, viteza de nclzire pentru clire se poate determina cu relaii de tipul

[0/s] (3.1)

Unde:c = 5,6 pentru piese cilindrice i 2,3 pentru piese cu seciune ptrat

coeficient de difuzibilitate termic, m2/s

este conductivitate termic, J/msK,cp cldura specific, J/kg K

este conductivitate termic, J/msK

coeficient de dilataie termic, m/mK

E modul de elasticitate, daN/mm2x dimensiunea pieselor, m

Ra rezistena admisibil la rupere, daN/mm2

Temperatura de nclzire se alege n funcie de natura materialului i de tipul de tratament termic aplicat.

Temperatura optim de nclzire pentru un anumit material se poate determina folosind cliri succesive; n funcie de punctele critice de transformare; n funcie de diagramele de transformare izoterm sau anizoterm.

Temperatura de nclzire trebuie s asigure punerea n soluie a componentelor aliajului sau s activeze procesele de difuziune ale elementelor.

Durata nclzirii se alege n funcie de natura materialului, dar n special n funcie de tipul tratamentului termic. Durata nclzirii are trei componente principale: nclzirea propriu zis, care depinde de viteza nclzirii; meninerea la temperatura de nclzire, care depinde de dimensiunile pieselor i de tipul de tratament termic i durata necesar transformrilor de faz. Ca o regul general se admite pentru clire o durat necesar transformrilor de faz la nclzire egal cu 1 .... 3 min, iar pentru recoacere o durat egal cu (0,3 ... 0,5)tmen, n special la oelurile aliate cu elemente care formeaz i carburi.

Durata nclzirii propriu zis i durata de meninere se determin orientativ prin calcul, folosind criteriile adimensionale.

Alegerea vitezei sau a gradului de subrcire se face n funcie de natura materialului i tipul tratamentului termic. Pentru rcirile anizoterme se recomand n cazul recoacerilor viteza de rcire de 0,6 ... 1o/min, iar pentru cliri viteza de rcire de 500 ... 50000/min. Valoarea vitezei de rcire se alege de pe diagramele de transformare anizoterm a oelului, iar gradul de subrcire se alege de pe diagramele de transformare izoterm ale oelului respectiv.

Tratamentul termic corespunztor este ales n funcie de rezultatele urmrite i de natura materialului. n cazul oelurilor inoxidabile, alegerea tratamentului termic este dependent de tipul oelului.

Clasificarea operaiilor de tratament termic

Pentru a putea modifica structura unui aliaj, aflat n stare stabil nainte de tratament termic, diagrama de echilibru a aliajului terbuie s indice transformri n stare solid. Dac aliajul se afl ntr-o stare de neechilibru, prin nclzirea progresiv el se apropie de starea de echilibru termodinamic i structural. Aliajele metalice, prin tratament termic pot fi de asemenea saturate la suprafa n diferite elemente. Toate tipurile de tratamente termice pot fi clasificate n urmtoarele grupe mari:GRUPA I Recoaceri de recristalizare nefazic

n aceast grup sunt incluse operaiile de tratament termic care nu sufer transformri n stare solid. Scopul acestor operaii este de a aduce n stare de echilibru termodinamic un material aflat n stare de neechilibru. Starea de neechilibru poate fi provocat la diferitele prelucrri anterioare. Aceste recoaceri se realizeaz prin nclzirea materialului peste temperatura de recristalizare, meninere la aceast temperatur i rcire ulterioar lent.

Operaiile de tratament termic din aceast grup se pot aplica i n cazul metalelor i aliajelor la care pe diagrama de echilibru apar transformri n stare solid, dar n aceast situaie nclzirea materialului se face la temperaturi subcritice.

GRUPA A II A Recoacerile de recristalizare fazic

Operaiile de tratament termic din aceast grup se aplic metalelor i aliajelor care prezint transformri de faz n stare solid i au drept scop aducerea acestor materiale dintr-o stare de neechilibru n starea de echilibru. Aceste operaii constau n nclzirea aliajului peste temperatura de transformare (punct critic), meninerea la aceast temperatur i rcire lent. Prin rcire lent, aliajele capt structura de echilibru, deoarece toate transformrile din diagrama de echilibru au posibilitatea s se desfoare.

Aceste recoaceri se aplic pieselor turnate, deformate plastic la cald sau la rece, sudate etc.

GRUPA A III A Clirile

Clirile se efectueaz asupra aliajelor care prezint transformri de faz n stare solid i urmresc obinerea unor structuri ct mai ndeprtate de echilibru. Structurile de neechilibru se obin prin nclzirea aliajelor deasupra temperaturii de transformare, meninere i rcire rapid.GRUPA A IV A Revenirile

Starea obinut dup clire se caracterizeaz prin lips de stabilitate. Chiar la temperatura ambiant n aliaj pot avea loc procese care s-l apropie de starea de echilibru. Prin nclzire aceste transformri sunt favorizate, procesele decurgnd cu vitez mai mare.

Tratamentul termic constnd din nclzirea aliajului clit la o temperatur inferioar temperaturii de transformare n stare solid, se numete revenire. Procesele care se produc n aliajele clite, meninute la temperatura ordinar poart denumirea de mbtrnire sau maturizare.

GRUPA A V- A Tratamentele termochimice

Cu ajutorul acestora se modific compoziia chimic a straturilor superficiale, n scopul obinerii unor caracteristici deosebite. Operaiile din aceast grup poart denumiri diferite, n funcie de natura elementului cu care se mbogete zona superficial a pieselor. Tratamentele termochimice se realizeaz att prin aportul factorului termic ct i chimic.

Procesele sunt posibile datorit capacitii metalelor de a dizolva la temperaturi nalte, atomii substanei care nconjoar suprafaa pieselor, substan ce constituie mediul activ de tratament termochimic.

GRUPA A VI A Tratamentele termo mecanice

Tratamentele termo mecanice constau n aplicarea unei deformri plastice nainte sau n timpul unei transformri alotropice, aceast operaie avnd drept scop ameliorarea proprietilor mecanice ale produsului final. Tratamentele termomecanice se clasific n dou categorii n funcie de temperatura la care se efectueaz deformarea plastic: tratamente termomecanice la temperaturi superioare (la care deformarea se realizeaz la temperaturi superioare celei de recristalizare) i tratamente termomecanice la temperaturi inferioare (la care deformarea se realizeaz la temperaturi mai joase dect cea de recristalizare).

Operaiile de tratament termic din primele dou grupe se aplic semifabricatelor sau pieselor semifinite, reprezentnd aa numitul tratament termic primar sau preliminar.

Operaiile de tratament din grupele III, IV; V i VI se aplic unor piese aflate ntr-un stadiu avansat de prelucrare sau chiar finite i formeaz aa numitul tratament termic secundar sau final. Tratamentul termomecanic aplicndu-se concomitent cu deformarea plastic la cald, la prima vedere ar reprezenta un tratament preliminar, dar prin proprietile mecanice ce se realizeaz i datorit faptului c nu se mai aplic un alt tratament final (numai eventual o revenire) poate fi considerat totui ca fcnd parte din tratamentele termice secundare.

Scopul tratamentelor termice este modificarea unor proprieti de baz ale aliajelor, de cele mai multe ori modificarea proprietilor mecanice (duritate, tenacitate etc). Principiul de baz al tratamentelor termice este nclzirea i meninerea metalelor la o anumit temperatur, apoi rcirea la o vitez controlat. n timpul procesului metalul rmne totdeauna n stare solid, nu se schimb compoziia doar n cazuri aparte cnd se urmrete acest lucru i doar la suprafa (exist tratamente termice al crui scop este de a schimba compoziia crustei de suprafa). Operaiunile de baz n timpul tratamentelor termice sunt: recoacere, clire i revenire. Dup recoacere, procesul de rcire poate fi de normalizare sau de detensionare, funcie de viteza de rcire. Deci tratamentele termice sunt tehnologii de prelucrare la cald compuse din ansambluri de operaii, constnd din nclziri i rciri n condiii determinate, aplicate produselor metalice cu scopul aducerii acestora n stri structurale i de tensiuni interne corespunztoare anumitor asociaii i proprieti.

1. Recoacerea

n cazul n care oelul prezint proprieti de duritate nalta, prelucrabilitate la cald i la rece mai greoaie, este nevoie de recoacere. Duritatea nalt a metalului este cauzat pe deoparte de procesul de formare plastic, pe de alt parte de viteza de rcire necontrolat dup turnare, intervenind o clire parial a oelului. Prin urmare, recoacerea se aplic pentru a corecta unele defecte provenite de la prelucrri anterioare (turnare, deformare plastic).

1.1.Recoacerea de recristalizare.

La nclzirea produselor formate la rece, n detrimentul particulelor existente se formeaz distorsiuni ale structurii cristaline. Odat depit un anumit grad de deformare, considerat critic, apare ecruisarea structurii materialului metalic, fenomen nsoit de creterea densitii defectelor structurale de tipul dislocaiilor, scderea plasticitii i tenacitii i creterea sensibil a duritii. Proprietile produselor tratate sunt determinate de mrimea cristalelor formate. Acestea depind de gradul de formare la rece, temperatura i timpul de nclzire. n general se urmrete obinerea unor cristale de dimensiuni mici, sau cel puin revenirea la formele cristaline iniiale unor deformri la rece. Sunt i excepii, ca de exemplu n cazul transformatoarele, unde cu ct sunt cristale mai dure cu att cresc proprietile magnetice. n multe cazuri este nevoie doar de o recoacere parial, deci se efectueaz doar o recristalizare parial. Astfel,de exemplu, se poate obine din srm tare de arc, sarma semi moale. Pentru verificare, cu ajutorul unor teste tehnologice complete de formare se pot supune piesele la ncercri de duritate i traciune.

1.2 Recoacerea de nmuiere (globulizare )

n cazul pieselor clite sau semi - clite este nevoie de o restabilire a echilibrului n structura oelului pentru prelucrri sau tratamente ulterioare. Acest lucru poate fi realizat n ansamblu prin recoacere de nmuiere a oelului. Oelul se va nclzi la o temperatur adecvat strii gamma, urmat de o rcire lent n izoterma pn la finalizarea transformrii n starea gamma alfa, aprox. 600C. nmuierea depinde de viteza de rcire. Rcirea final se poate face n aer liber. Globulizarea trebuie s se realizeze n aa fel, nct, odat cu mbuntirea prelucrabilitii prin achiere, s se asigure i o structur optim pentru austenitizarea ulterioar n vederea clirii. Parametrii de verificare corespunztoare acestui procedeu sunt prescrise de ncercrile tip Brinell.

1.3. Recoacere sub critica - sub 700 C

Piesele prelucrate i tratate termic fr succes (de exemplu cele nalt aliate), naintea unor tratamente termice ulterioare au nevoie de recoacere. Un tratament de globulizare poate duce la modificri dimensionale i structurale. Totodat din cauza temperaturilor nalte oelurile au o tendin mare de decarburare, bazat pe tendina perlitei lamelare de a se globuliza fin. Pentru a evita efectul de decarburare, recoacerea se face prin nclzire la o temperatur nalt, imediat sub punctul critic de austenitizare, cu timpi de meninere ndelungat, apoi cu rcire lent. Recoacerea se produce n timpul meninerii la temperatura critica, prin echilibrarea structurii aliate sau clite parial. Aceast procedur este n mod evident mai scump dect globulizarea.

2. Normalizarea

Normalizarea este tratamentul termic care const n nclzirea oelurilor pentru austenitizare la temperaturi care depesc punctul critic, urmat de rcire direct n aer liber sau ventilat. n cazul oelurilor nealiniate sau slab aliate creeaz un echilibru cu o structur mult mai fin ca la recoacere. Prin normalizare se mbuntesc n mod simitor caracteristicile mecanice ale oelului cum sunt limita de curgere, rezistena de rupere la traciune, alungirea relativ gtuirea i rezilienta ct i caracteristicile mecanice. Proprietile materialelor sunt definite de compoziia chimic a acestora. Greutile pe compoziie chimic, individual, pot fi considerate identice. n timpul proceselor de fabricaie, punctele critice de topire pot fi foarte diferite. Din aceast cauz, individual piesele nu prezint aceeai structur i proprieti. n cazul n care se supune unui tratament de austenitizare, i la o rcire constant structura va deveni identic, proprietile devenind identice. Echilibrul din structura, i nu n ultimul rnd structura fin creat poate fi foarte benefic n procesul de normalizare. Tratamentul termic de normalizare este mai ieftin dect cel de recoacere, deoarece are un ciclu mai scurt i se execut mai uor. n cazul tratamentelor prin inducie, pe considerentul microstructurii oelului i a caracteristicilor magnetului se folosete maleabilizarea. Atunci cnd cererile sunt mai modeste, acesta se poate nlocui cu o normalizare.

3. Tratamente termice de detensionare

Datorit prelucrrilor anterioare n material pot aprea tensiuni interne reziduale. Acestea pot fi duntoare din dou aspecte. n primul rnd se adaug la tensiunile cauzate din fabricaie, reducnd astfel capacitatea de ncrcare i durata de via, pe de alt parte, la o funcionare pe durata lung, se adaug la tensiunile interne, care se elimin prin procesul de relaxare pe durata exploatrii, ceea ce poate duce la modificri de forma i apariia defectelor. Prin urmare este oportun relaxarea tensiunilor interne prin tratamente termice de detensionare.

Problemele cele mai frecvente :- detensionarea pieselor turnate nainte de operaiunea de achiere, pentru apariia defectelor naintea prelucrrii;- tratamentul de relaxare intre operaiunea de achiere i prelucrare ulterioar pentru a evita apariia defectelor naintea obinerii cotelor finale ale pieselor; - relaxarea pieselor obinute prin deformri plastice, pentru evitarea apariiei defectelor ulterioare, ce pot aprea n timpul exploatrii;- detensionarea pieselor i sculelor clite la nivel micro - i macroscopic, n vederea modificrii proprietii materialului: creterea duratei de viaa i scderea duritii;- relaxarea tensiunilor interne este cu att mai eficient cu ct temperatura de nclzire este mai mare. Petru evitarea apariiei unor tensiuni noi, rcirea trebuie s fie foarte lent.

Regul de baza la alegerea temperaturii de detensionare este ca ea s nu depeasc valoarea critic la care poate aprea efecte nefavorabile. n consecin pentru produse turnate i structuri sudate poate fi utilizat o temperatur de pn la 650 C-680 C, iar n cazul materialelor aliate nu se poate depi temperatura de clire. Piesele formate la rece ncep s se nmoaie pe la aprox. 250 C, deci acesta se poate considera temperatura limit.

4. Ameliorarea

Tratamentul termic de ameliorare (clire revenire) este un proces complex, compus din clire i relaxare. Scopul este de a obine o structur cu granulaie fin, aa numita structur sferoidal. Acesta se realizeaz prin descompunerea structurii clite n timpul revenirii. Cu ct temperatura de revenire este mai nalt i timpul de meninere mai lung cu att procesul de descompunere este mai precis. Urmare a creterii temperaturii de revenire scade duritatea i rezistena totodat crete tenacitatea i ductilitatea materialului. n cele din urm, prin creterea temperaturii se poate obine o anulare complect a efectelor survenite n urma clirii, i se revine la starea de recoacere. n cazul oelurilor de o anumit calitate (compoziie chimic) parametri se stabilesc anterior pentru a obine la final tenacitatea i ductilitatea necesar. Deci, pentru rezolvarea problemei este necesar o optimizare complex.

4.1.Clirea

Clirea const n nclzirea materialului pn la domeniul austenitizrii, i rcire ulterioar. Temperatura i timpul optim de nclzire, ct i viteza de rcire se stabilesc funcie de calitatea oelului, forma i dimensiunile produsului. Scopul este de a obine o structur ct mai fin i mai omogen. Din aceast structur se poate obine ulterior o structur foarte fin, martensitic cu o duritate foarte mare. Prin revenire va rezulta o structur sferoidal foarte avantajoas. Cerinele prezentate mai sus sunt n contradicie, deoarece austenita devine cu att mai omogen cu ct temperatura de nclzirea este mai mare. Totodat, prin nclzirea materialelor la temperaturi nalte apare fenomenul de cretere a grunilor. Pentru a se obine structura dorit, parametrii procedeului se vor optimiza individual, n funcie de viteza de rcire aplicabil. Viteza de rcire este un parametru important, optimizat dup caz (rcire treptat pe etape). Cu ct viteza de rcire este mai mare, cu att au loc transformri martensitice pe zone tot mai adnci din produsul care se clete. Totodat, datorit vitezei de rcire mari, crete i riscul apariiei fisurilor. Evident c temperatura de rcire trebuie s se situeze sub limita valorilor critice care pot cauza fisuri.Tehnologia elaborat pentru clire este funcie de suma a multor parametrii, n funcie de calitatea oelului, forma i dimensiunile produsului.Respectarea strict a tehnologiei testate poate oferi calitatea dorit i prevenirea fisurilor i defectelor ulterioare.

4.2. Revenirea

Prin corelarea adecvat a parametrilor tehnologici se poate obine o revenire adecvat a pieselor clite. Lund n considerare duritatea i ductilitate dorit se determina temperatura i durata nclzirii. n cazul n care procesul de clire nu a fost corespunztor, indiferent de revenirea aplicat nu se va ajunge la rezultatele dorite, deoarece nici o metod de revenire nu poate oferi valorile dorite de rezisten i ductilitate simultan. Prin urmare, doar piesele clite cu o tehnologie corespunztoare pot fi supuse unei reveniri. Este posibil ca n cazul unor cerine foarte stricte, chiar dac clirea a fost efectuat n parametrii optimi, totui revenirea s nu aibe rezultatele scontate.

5. Tratamente termice de suprafa

Scopul tratamentului termic de suprafaa este in general protecia uzurii sculelor, astfel nct, caracteristicile materialului de baz s fie rezistente la rupere. Tratamentul termic de suprafaa are dou principii de baz. Una dintre metode ar fi un tratament termic, n cursul creia nu se schimb compoziia chimic doar structura materialului. n acest caz, printr-un tratament de ameliorare se asigura o rezisten la rupere a materialului, iar suprafaa va fi supus local unui tratament de austenitizare i clire. Procedeele de clire de suprafa sunt diverse: clire prin flacr, prin inducie, cu fascicol de electroni, cu laser etc. Cel mai uzual este clirea prin inducie. A doua metod este tratamentul termochimic. n acest caz suprafaa piesei este mbogit cu anumite elemente de aliere prin difuzie. Astfel, materialul de baz i scoara piesei va avea compoziie chimic diferit. Cele mai uzuale metode in acest caz sunt tratamentul termic cu carbon aplicat, adic cementarea, sau cu azot aplicat adic nitrurarea._1463349915.unknown

_1463350021.unknown