Tratamente termice

CUPRINS

INTRODUCERE ......................................................................................................................................5

Capitolul 1. BAZELE TEORETICE ALE TRATAMENTELOR TERMICE .......................................7

1.1. Operaiile de baz ale tratamentelor termice .................................................................................7

1.l. l. Operaia de nclzire ..............................................................................................................8

1.1.2. Operaia de meninere .........................................................................................................24

1.1.3. Operaia de rcire ................................................................................................................27

1.2. Transformrile structurale de baz ale T. T. ...............................................................................35

1.2.1. Transformri structurale la nclzire ...................................................................................36

1.2.2. Transformri structurale la rcire ........................................................................................39

1.3. Tensiuni interne ...........................................................................................................................60

1.3.1. Tensiuni termice ..................................................................................................................60

1.3.2. Tensiuni structurale .............................................................................................................66

1.3.3. Efectul tensiunilor interne ...................................................................................................70

Capitolul 2. ROLUL, DIVERSITATEA I CLASIFICAREA TEHNOLOGIILOR DE

TRATAMENT TERMIC ......................................................................... .........................................76

2.1. Condiiile aplicabilitii cu efect a tratamentelor termice ............ ..............................................76

2.2. Clasificarea i terminologia tehnologiilor de T.T. .................................... .................................78

Capitolul 3. TEHNOLOGIA TRATAMENTELOR TERMICE .................... .....................................86

3.1. Tratamentele termice ale otelurilor ...................................... ......................................................86

3.1.1. Tratamente termofizice ......................................................... .............................................86

3.1. l. l. Recoacerea otelurilor ........................................... .................................................87

3.1.1.2. Clirea .................................................................... .............................................100

3.1.1.3. Revenirea ..................................................................... ........................................129

3.2. Tratamente termice ale fontelor ...................................................... .........................................139

3.2.1. Recoacerea de detensionare ..................................................... ........................................139

3.2.2. Recoacerea pentru mbuntirea prelucrrii ....................... .............................................143

3.2.3. Recoacerea de normalizare ........................................... ....................................................148

3.2.4. Clirea ..................................................................................... ........................................151

3.2.5. Revenirea ..................................................................................... .....................................156

3.2.6. Tratamente termochimice aplicate fontelor ................................. .....................................157

Capitolul 4. TRATAMENTE TERMOCHIMICE ..............................................................................159

4.1. Carburarea .................................................................................................................................163

4.1.1. Adncimea stratului carburat ............................................................................................163

4.1.2. Temperatura de carburare ..................................................................................................164

4.1.3. Durata procesului carburri ...............................................................................................165

4.1.4. Structura stratului carburat ................................................................................................166

4.2. Metode de carburare ..................................................................................................................166

4.2.1. Carburarea n medii solide ................................................................................................166

4.2.2. Carburarea n medii lichide ...............................................................................................169

4.2.3. Carburarea n medii gazoase .............................................................................................170

4.2.4. Practica carburrii .............................................................................................................171

4.2.5. Tratamentele termofizice dup carburare .........................................................................172

4.3. Nitrurarea ..................................................................................................................................173

4.3.1. Temperatura de nitrurare ..................................................................................................173

4.3.2. Durata nitrurrii ................................................................................................................174

4.3.3. Metode practice de nitrurare .............................................................................................174

4.3.4. Practica nitrurrii ..............................................................................................................176

4.4. mbogirea simultan cu carbon i azot (cianurarea) ..............................................................177

4.5. Carbonitrurarea .........................................................................................................................181

4.6. Nitrocarburarea ..........................................................................................................................181

4.7. Sulfizarea ............................................................................................ ......................................182

4.8. Sulfocianurarea ................................................................................... ......................................183

4.9. Borurarea ............................................................................................ ......................................184

4.10. Cromarea .......................................................................................... ......................................186

4.11. Alitarea ............................................................................................. ......................................187

Capitolul 5. UTILAJE PENTRU TRATAMENTE TERMICE .................................... .....................190

5.1. Utilaje pentru nclzire ....................................................................... ......................................190

5.1. l. Cuptoare cu flacr .................................................................... ......................................192

5.1.2. Cuptoare electrice ...................................................................... ......................................198

5.1.3. Cuptoare bi ............................................................................... ......................................203

5.2. Utilaje pentru rcire ........................................................................... ......................................206

5.2.1. Utilaje pentru rcire lent .......................................................... ......................................206

5.2.2. Utilaje pentru rcire accelerat .................................................. ......................................206

5.2.3. Utilaje pentru rcire rapid ........................................................ ......................................208

5.2.4. Utilaje pentru rcire la temperaturi joase .................................. ......................................212

5.3. Utilaje complementare ...................................................................... ...................................... 213

5.3. l. Utilaje pentru curirea pieselor ................................................ ......................................213

5.3.2. Utilaje pentru splare ................................................................ ......................................215

5.3.3. Utilaje pentru ndreptare ........................................................... ......................................216

5.3.4. Utilaje auxiliare ......................................................................... ......................................217

5.3.4. Aparate pentru msur .............................................................. ......................................217

5.3.4.1. Termometre cu rezistent electric .............................. ......................................217

5.3.4.2. Termometrele termoelectrice ...................................... ......................................219

5.3.4.3. Pirometre cu radiaie total .......................................... ......................................221

5.3.4.4. Pirometre cu radiaie parial ....................................... ......................................222

Capitolul 6. COROZIUNEA I PROTECIA METALELOR ...................................... ..................223

6.1. Generaliti ........................................................................................... ...................................223

6.1.1. Definiie, clasificare ..................................................................... ....................................223

6.1.2. Prevenirea coroziunii. Metode ..................................................... ....................................225

6.2. Procedee de acoperire a suprafeelor materialelor ............................... ....................................227

6.2. l. Acoperirea suprafeelor cu structur metalic protectoare .......... ....................................227

6.2.2. Acoperirea suprafeelor prin cufundarea piesei n metalul topit .. ....................................227

6.2.3. Acoperirea suprafeelor metalice prin metalizare folosind diferena termic ...228

6.2.4. Acoperirea suprafeelor prin metalizare folosind pulverizarea ... .................................... 228

6.2.5. Acoperirea suprafeelor metalice prin placare ............................. .....................................229

6.2.6. Acoperirea suprafeelor prin galvanizare ..................................... ....................................230

6.2.6.1. Noiuni de electrochimie ................................................. ....................................232

6.2.6.2. Legile electrolizei ........................................................... .....................................233

6.2.6.3. Teoria depunerii galvanometrice .................................... .....................................233

6.2.7. Metode chimice i electrochimice de curire. Degresarea ......... .....................................234

6.2.7.1. Degresarea n solveni organici ...................................... .....................................235

6.2.7.2. Degresarea n soluii alcaline .......................................... ....................................235

6.2.7.3. Degresarea cu emulsii ..................................................... .....................................236

6.2.7.4. Degresarea electrochimic .............................................. .....................................236

6.2.7.5. Degresarea cu ultrasunete ............................................... .....................................236

6.2.7.6. Decaparea ........................................................................ ....................................236

6.2.8. Elemente de depunere, procedee .................................................. ....................................237

6.2.8.1. Argintul............................................................................ ....................................237

6.2.8.2. Aurul................................................................................ .....................................239

6.2.8.3. Cadmiul ........................................................................... ....................................239

6.2.8.4. Cobaltul ........................................................................... ....................................239

6.2.8.5. Cromul ............................................................................. ....................................239

6.2.8.6. Cuprul .............................................................................. ....................................241

6.2.8.7. Nichelul ........................................................................... ....................................241

6.2.8.8. Plumbul ........................................................................... ....................................242

6.2.8.9. Staniul ............................................................................. .....................................243

6.2.8.10. Zincul ............................................................................ ....................................243

6.2.8.11. Aluminiul ...................................................................... ....................................243

6.2.8.12. Fierul ............................................................................. ....................................244

6.2.9. Pelicule de natur anogarnic ...................................................... .....................................244

6.3. Protecia suprafeelor prin lcuire i vopsire .......................................... ...................................246

6.3. l. Pigmeni i materiale de umplut .................................................. .................................... 247

6.3.1.1. Rini naturale ................................................................ .....................................247

6.3.1.2. Rini sintetice ................................................................ ....................................247

6.3.2. Pregtirea suprafeelor pentru vopsire ......................................... .....................................248

6.3.2.1. Decaparea cu substane acide ......................................... .....................................249

6.3.2.2. Fosfatarea si pasivitatea metalelor ................................. .....................................250

6.3.2.2.1. Fosfatarea cu fosfat de zinc ........................................ ......................................250

6.3.2.2.2. Fosfatarea cu fosfat de mangan .................................. ......................................251

6.3.3. Metode de aplicare a lacului i a vopselei ................................. ......................................251

6.3.3.1. Vopsirea cu pensula ....................................................... .....................................251

6.3.3.2. Vopsirea prin pulverizare .............................................. .....................................251

6.3.3.3. Vopsirea prin imersie ..................................................... ......................................251

6.3.3.4. Vopsirea prin electroforez ........................................... ......................................252

6.3.4. Uscarea peliculei de lac i vopsea ............................................. ......................................252

6.3.4.1. Uscarea prin convecie .................................................. ......................................252

6.3.4.2. Uscarea prin radiaie ..................................................... ......................................252

6.3.4.3. Uscarea prin nclziri combinate .................................. ......................................253

6.3.5. Defecte la depozitare, aplicare i uscare ale lacurilor i vopselelor ................................253

6.3.5.1. Defecte datorit aplicrii vopselelor .............................. .....................................253

6.3.5.2. Defecte care apar dup uscarea piesei ........................... ......................................253

6.3.5.3. Defecte datorit depozitrii vopselelor .......................... .....................................254

Norme de tehnica securitii muncii .................................................... ......................................255

6.4.1. Acizii .......................................................................................... .....................................255

6.4.1.2. Bazele ............................................................................. .....................................256

6.4.1.3. Srurile ........................................................................... .....................................257

6.4.2. n seciile de vopsire .................................................................. ......................................259

LUCRRI DE LABORATOR

Laboratorul 1. Identificarea rapid a calitii oelurilor ........................................ ...........................267

Laboratorul 2. Determinarea clibilitii oelurilor prin metoda rcirii frontale (Metoda Jominy.274

Laboratorul 3. Stabilirea tehnologiei de clire a oelurilor de mbuntire ................. ...................280

Laboratorul 4. Stabilirea regimului de revenire a oelurilor carbon .............................. .................. 285

Laboratorul 5. Clirea izoterm i n trepte ................................................................... .................. 290

Laboratorul 6. T.T. aplicate oelurilor bogat aliate de scule (Rp3) ................................. ..................296

Laboratorul 7. Defecte ce pot apare la T.T. ............................................................... ...................... 304

Bibliografie

5INTRODUCERE

La proiectarea n construcia de maini i metalurgie se va porni de lacerinele rolului funcional al obiectului metalic. Aceasta impune unul sau maimulte tipuri de tratamente termice care asigur proprietile optime n funciede rolul funcional al piesei. Apoi se alege aliajul cel mai indicat acestortratamente termice. n sfrit se proiecteaz variantele de tratamente termiceadecvate.

Tratamentele termice sunt o ramur a tiinei metalelor. Durabilitatea,adic rezistenta la solicitri mecanice - n general - poate fi mult amelioratprin alegerea judicioas a materiei prime i prin aplicarea unor tratamentetermice adecvate rolului funcional al piesei n cauz. Realizarea aproape atuturor obiectelor metalice utilizate de om, este de nenchipuit, fr aplicareavariatelor tehnologii de tratamente termice, aplicate metalelor folosite naceast activitate de producie.

Aplicarea tehnologiilor de tratamente termice adecvate i executarea lorcorect conduce la avantaje economice i tehnice prin urmtoarele ci: economie de metal prin posibilitatea reducerii dimensiunilor pieselor,implicit a greutii i gabaritelor, dar cu meninerea parametrilor funcionalisau chiar ameliorarea lor; economie de metal prin reducerea uzrii i a degradrii obiectelor metalice(pierderi de metal de obicei nerecuperabile); economie de metale deficitare i scumpe, ridicnd proprietile oelurilornealiate sau slab aliate la cele ale oelurilor nalt aliate; economie de manoper i timp prin mrirea durabilitii sculelor, a pieselori mainilor, reducnd avariile lor n funcionare; realizarea unor supercaliti i superproprieti de nenchipuit n trecutulapropiat al tehnicii, prin folosirea noilor aliaje, eventual bogat aliate ncombinaie cu tehnologii de tratamente termice noi, adaptate acestora(metalizri prin difuzie, oelul i tratamentul "maraging", etc. ).

Din aceste considerente rezult c toi inginerii, indiferent despecialitate sunt implicai n proiectarea i executarea n mod competent atuturor tehnologiilor de tratamente termice. Fiabilitatea, care impliccompetitivitatea mainilor i utilajelor, este strns legat (dup cum s-astabilit n practica schimburilor internaionale) de tehnologia de tratamenttermic, care n multe cazuri este secretul firmei productoare.

Pentru ca un inginer s tie s proiecteze aceste tehnologii i utilajecare de fapt sunt extrem de variate, trebuie s posede cunotine din disciplineconexe ca: studiul materialelor, metalurgie fizic, termodinamic,electrotehnic, mecanic, etc.

6n contact cu mediul nconjurtor, metalele i aliajele sunt supuseprocesului de coeziune. Exist un interes deosebit manifestat n prezent fade problemele coeziunii i a proteciei anticorosive. Prin coroziune are loc odistrugere a materialului metalic, se produc pagube reale, pierderi nsemnatede metal ce nu pot fi recuperate. De aceea combaterea coroziunii metalelortrebuie asigurat i coordonat n cadrul tuturor ramurilor economieinaionale.

Tehnica proteciilor de suprafa a metalelor a cptat o dezvoltareconsiderabil att pe plan mondial ct i naional. Un loc important ntremetodele de protecie l deine acoperirile metalice depuse electrochimic iacoperirile prin lacuri i vopsele.

Lucrarea se adreseaz tuturor studenilor facultii de inginerie, precumi celor interesai de tratamente termofizice, termochimice, proteciaanticorosiv a metalelor cu care lucreaz. Ea reprezint ncercarea autoruluide a cuprinde ntr-un volum relativ restrns principalele aspecte aletehnologiilor sus amintite.

Autorii

71. BAZELE TEORETICE ALE TRATAMENTELOR TERMICE

1.1. Operaiile de baz ale tratamentelor termice

n cazul cel mai general, un tratament termic presupune o nclzire apiesei pn la o anumit temperatur, o meninere a ei la aceast temperaturi apoi o rcire efectuat n condiiuni bine determinate. Aceast succesiunede operaii se numete ciclu de tratament termic i se reprezint grafic subforma unei curbe n coordonate temperatur-timp (fig.1.1), curba continunotat eu Ts reprezentnd variaia temperaturii suprafeei piesei, iar cea notatcu Tc, variaia temperaturii centrului.

Fig. 1.1. Ciclul de tratament termic

Pentru ca un ciclu s fie complet determinat, trebuiesc cunoscui urmtoriiparametrii:- temperatura iniial a piesei, Tpi;- temperatura final a piesei, Tpf ;- durata nclzirii, i;- durata de meninere la temperatura final, m ;- durata rcirii, r;- viteza de nclzire, V ;- viteza de rcire, Vr .

8Acetia se stabilesc n funcie de o serie de factori dintre care cei maiimportani sunt: compoziia chimic, destinaia piesei, forma i dimensiunileei, starea de tensiuni i structural a materialului nainte de tratament. Prinstabilirea tipului de tratament termic aplicat unei piese dintr-un anumit aliaj,se fixeaz ntre anumite limite valorice numai o parte dintre parametriitehnologici: temperatura maxim de nclzire, durata meninerii la aceasttemperatur i viteza de rcire. Alegerea celorlali parametrii se facedifereniat, innd seama de specificul tratamentului respectiv, cum ar fi cazulclirii superficiale sau a tratamentelor termochimice.

Fig. 1.2 Ciclul de tratament termic pentru un oel aliat

Se pot reprezenta grafic (schematic) i tratamentele termice complexe,din care s se desprind itinerarul tehnologic complet pe care l parcurgepiesa. n figura 1.2 se reprezint ciclul de tratament termic pentru un oel aliatde scule.

1.1.1. Operaia de nclzire

Este prima etap a unui ciclu de tratament termic, etap ?n caresuprafaa piesei atinge temperatura prescris - Tpf. Aceast operaie trebuieexecutat n conformitate cu o serie de parametrii temperatur-timp(Tpf, V,), care se stabilesc prin calcul, pe baza legilor transmisiei cldurii ,constantelor termofizice ale materialului, formei i dimensiunii piesei, amrimii arjei i a modului de arjare n instalaia de nclzire. Valorilerezultate din calcule se verific practic, fcndu-se apoi corecturile necesare;aceste experimente pot particulariza formele generale pentru diferite grupe depiese.

9Parametrii operaiei de nclzire trebuiesc corect determinai, ntructinflueneaz direct productivitatea instalaiei i calitatea piesei tratate termic.

Aceast prim operaie este caracterizat prin ramura ascendent acurbei ( )fTp = , din figura 1.1.

Temperatura final a piesei

Este temperatura maxim pe care trebuie s o ating suprafaa piesei lasfritul operaiei de nclzire. Ea este n funcie de tratamentul termic ncauz, prin condiia impus pentru structura ce trebuie obinut prin nclzirei de compoziia chimic a aliajului, respectiv, punctele critice la nclzire.

n practica industrial cazul cel mai frecvent este acela cndtratamentul termic este indicat de ctre proiectant, iar materialul din care esteconfecionat reperul respectiv este standardizat. n astfel de situaii se recurgela indicaiile i recomandrile cuprinse n standarde.

Cnd aliajul respectiv nu este standardizat, se pot utiliza indicaiilecuprinse n literatura de specialitate sau normativele strine, pentru aliajesimilare. n cazul unor aliaje binare, pentru care sunt publicate diagramele deechilibru, este suficient s se cunoasc concentraia elementului de adaospentru a se determina punctele critice (fig. 1.3).

Fig. 1.3 Domeniul temperaturilor de clire pentru aliajele Fe-C

n cazul clirii oelurilor hipoeutectoide la valoarea lui AC3 se maiadaug 30 80 C pentru a avea certitudinea c s-a trecut n domeniulaustenitic; n cazul celor hipereutectoide se adaug 30 80 C la AC1.

10

Cum majoritatea utilajelor de nclzire lucreaz cu o precizie relativsczut, temperatura final a piesei se indic sub forma unui interval detemperatur i trebuie s pn seama de o serie de criterii, cum ar fi: tendinade supranclzire a unor aliaje (creterea grunilor), aciunea termochimic amediului de nclzire la temperaturi ridicate, posibilitatea deformrii pieseisub propria sa greutate la temperaturi ridicate unde caracteristicile mecanicesunt sczute i altele. n cazul tratamentelor termochimice, temperatura finalare un rol foarte important n reglarea progreselor de adsorbie i difuzie.La producia de serie este necesar i efectuarea de experimente la scar delaborator sau chiar cu utilajele de nclzire din dotarea sectorului. Odatdeterminat temperatura final a piesei, se stabilete temperatura necesar nspaiul de lucru al utilajului de nclzire:

( )CTT PfC += 40~30Diferena de temperatur dintre pies i utilajul de nclzire apare din

considerente legate de transmiterea cldurii; teoretic acestea nu vor putea finiciodat egale.

Viteza de nclzire a piesei

Din alura curbelor de nclzire a suprafeei i centrului piesei (fig. 1.1 )rezult c viteza de nclzire nu este constant n timpul T;; la nceputuloperaiei de nclzire ea este mai mare, iar la sfrit mai mic. n practicdeci, cnd se vorbete de o anumit valoare a vitezei de nclzire se vanelege viteza medie pe toat durata nclzirii:

[ ]hCTTV

PPf /

= ntr-un interval de timp viteza de nclzire este :

[ ]hCTTV / 12 =

iar viteza real de nclzire dup un timp T , va fi reprezentat prin:tgVrA =

La stabilirea vitezei de nclzire trebuie s se in seama de o serie defactori legai de caracteristicile fizico-chimice ale aliajului din care esteexecutat piesa, de factorul economic precum i de posibilitile utilajului denclzire.

11

Din punctul de vedere economic este bine s se lucreze cu viteze ctmai mari i apropiate de posibilitile utilajului, pentru a influena n senspozitiv productivitatea. Concomitent, piesa fiind supus aciunii mediului denclzire un timp mai scurt, efectele termochimice de oxidare i decarburaresunt mult reduse, creterea grunilor fiind la rndul ei mpiedicat. Darfactorul cel mai important ce condiioneaz limita superioar a vitezei denclzire este cel legat de apariia tensiunilor termice. n figura 1.1 se observc n perioada de nclzire curba TC, corespunztoare centrului piesei, este nntrziere fa de cea a suprafeei TS, datorit condiiilor de transmitere acldurii de la suprafaa piesei spre centrul ei, condiii dependente deconstantele fizice ale materialului. Pe tot parcursul nclzirii va exista deci, odiferena de temperatura:

CS TTT = 0ce va duce la apariia unor tensiuni interne n material, datorit condiiilor dedilatare diferite. Aceste tensiuni se pot exprima prin relaia:

= 2max mm

daN 1

TE

unde: - coeficientul de dilatare liniar [C];E - modulul de elasticitate [daN/mm2]; - coeficientul de contracie transversal a materialului;T - diferena de temperatur dintre suprafaa sau centrul piesei i

temperatura medie a piesei [C], i se vede c sunt direct proporionale cu T.Acestea au valori mari i sunt periculoase n prima faz a nclzirii,

atunci cnd materialul are plasticitate redus, putnd atinge valori ce depescrezistena la rupere a materialului i deci apariia deformrilor i fisurilor.Tensiunile termice sunt influenate foarte puternic i de gradul de aliere amaterialului: cu ct acesta este mai bogat aliat, conductibilitatea termic estemai sczut, iar OT va atinge valori mai ridicate.

Limita inferioar a vitezei de nclzire este condiionat deproductivitatea necesar i efectul termochimic intens al mediului de nclzirela expuneri ndelungate ale piesei.

n concluzie, la stabilirea vitezei optime de nclzire este necesar s seaib n vedere toi factorii amintii, corelai cu particularitile utilajului denclzire folosit. Spre exemplificare, n figura 1.4 se prezint ciclul termic alclirii unui material bogat pentru scule; n ipoteza nclzirii dup curba l,viteza mare poate duce la apariia de tensiuni foarte mari. nclzirea n trepte(curba 2), prin utilizarea a trei instalaii de nclzire, permite folosirea a treiviteze de nclzire diferite, n funcie de fenomenele fizice caracteristice celortrei intervale de temperatur; pn la T1, prin folosirea unor viteze mici

12

se elimin tensiunile termice, fenomenele termochimice fiind i ele ncreduse.

Fig. 1.4. Ciclul termic de clire pentru un oel aliat

n intervalul T1 - T2 se poate mri deja viteza, pentru ca aciuneamediului s se reduc, diferena de temperatur dintre centru i suprafa fiinddeja mic, iar n intervalul T2 - Taust, se poate lucra cu viteza maxim ce orealizeaz utilajul, materialul avnd o bun plasticitate. Se observ c n finaldurata nclzirii poate s fie chiar scurtat comparativ cu nclzirea dupciclul 1. Prin protejarea piesei mpotriva efectului termochimic al mediului denclzire (utilizarea de atmosfere controlate, mpachetare) se poate reducetotul la alegerea unor viteze optime din punctul de vedere al tensiunilortermic. n cazul particular al recoacerii de detensionare, viteza de nclzireva fi ct mai redus, pentru a nu introduce alte tensiuni n materialul i aatensionat.

Durata nclzirii

Fiind parametrul de care depinde n cea mai mare msur reuitaoperaiei de nclzire, el trebuie cu ct mai mare exactitate. n practicaindustrial se folosesc de cele mai multe ori relaiile empirice, avnd la bazarezultatele experimentale i care scutesc tehnologul de o serie de calcule. Darutilizarea acestora este limitat la condiiile practice pentru care au fostdeterminate, iar precizia las de dorit. Relaiile analitice ns sunt mai precise,avnd un cmp mai larg de aplicabilitate i au la baz legile transmiteriicldurii.

13

Pentru a putea determina durata de nclzire prin metoda analitic estenecesar s se stabileasc n prealabil condiiile de calcul:

- metoda de nclzire (mediul i utilajul);- regimul de nclzire;- condiiile de transfer a cldurii de la utilajul folosit la pies;- constantele fizice ale utilajului, geometria pieselor i aezarea lor nspaiul de lucru al utilajului de nclzire.

Metoda de nclzire

Pentru realizarea unui tratament termofizic se pot utiliza mai multetipuri de utilaje de nclzire, iar pentru tratamentele termochimice trebuiescfolosite utilaje specializate. La alegerea metodei de nclzire se va avea nvedere mediul de nclzire optim pentru condiiile impuse, utilajul ce permitefolosirea unui astfel de mediu, temperatura maxim, variaia temperaturii ntimp, etc. n vederea unei alegeri corecte, n cele ce urmeaz se prezint oschem cuprinznd principalele variante de nclzire folosite n cazultratamentelor termice.

a) nclzire n medii gazoase (cuptoare electrice, cu gaz);- cu temperatur constant;- cu vitez de nclzire constant;- cu temperatur variabil n spaiul de lucru.

b) nclzire n medii lichide (bi);- metale topite;- sruri i alcalii topite;- ulei;- ap.

c) nclzire n medii solide (ntre plci);d) nclzire n medii speciale;

- nclzire electric prin contact galvanic;- prin inducie;- cu role;- cu flacr oxiacetilenic;- n electrolii;- cu plasm.

14

Regimul de nclzire

nclzirea n vederea tratamentului termic se poate realiza dup una dinschemele prezentate n figura 1.5. Regimul din figura 1.5 a. asigur o nclzirelent a pieselor odat cu cuptorul, micornd tensiunile interne, Ta fiindmic. Se folosete n cazul oelurilor aliate ce au conductibilitate termicredus. Durata nclzirii fiind mare, productivitatea este sczut, iar consumulde energie ridicat.

Regimul din figura 1.5 b. presupune introducerea pieselor ntr-un utilajavnd temperatura Tcup constant. Viteza de nclzire este mai mare deci iTb va fi mai mare; n schimb durata nclzirii este mai redus.

Fig. 1.5 Scheme ale regimurilor de nclzire

Regimul din figura 1.5 c. corespunde cazului cnd piesele suntintroduse la o temperatur a utilajului Tcup >> Tpf, dar care scade pe msur cepiesa se nclzete. Se asigur o vitez de nclzire foarte mare, deci i oproductivitate ridicat; dar consumul de energie i tensiunile interne suntridicate. Acest regim de nclzire se folosete mai rar.

Regimul din figura 1.5 d. reprezint nclzirea n dou trepte,folosindu-se dou utilaje nclzite la temperatur constant. Fiecare din etapese reduce la schema din figura 1.5 b., iar durata nclzirii este mai mic dectn regimul din figura 1.5 a. Prin comparaie se poate observa c :

adbc

15

Condiiile de transfer a cldurii de la utilajul de nclzire la pies

Transferul de cldur se poate realiza prin conductibilitate, convecie siradiaie.

a) Transferul de cldur prin conductibilitate are loc princontactul direct intre particulele vecine ale unui corp sau doumateriale diferite, fiind condiionat de diferenia detemperatur a acestora.

Fig. 1.6. Transferul de cldur prin conducie

n figura 1.6 sunt reprezentate schematic dou corpuri de temperaturT1, respectiv T2 ( T1>T2 ) a cror suprafa de contact este S.

Dac corpul 1 se gsete n regim staionar (dT/d = 0), corpul 2 se vanclzi datorit fluxului de cldur specific:

( )

=hm

kJsaumWTTq 2221

unde: - conductibilitatea termic a materialului din care este confecionat corpul 2 (piesa) n [W/m grd. ] sau [kJ/m2h];

S - grosimea corpului 2 n [m].

Cantitatea de cldur ce se va transmite corpului 2 prin ntreagasuprafa de contact va fi:

( ) [kJ/h]sau [W] 21 TTSSqQ ==

S fiind suprafaa de contact n m. Din relaie se desprinde faptul c diferenade temperatur este hotrtoare i condiioneaz fluxul de cldur. Acest modde transmitere a cldurii este caracteristic nclzirii n medii lichide (bi) i n

16

medii solide.b) Transferul de cldur prin convecie are loc ntre un fluid (lichid

sau gazos) aflat n micare i suprafaa unui corp solid pe care acesta l spal.n figura 1.7 corpul solid are temperatura T2 < T1, care este temperatura

fluidului (gazelor n micare).

Fig. 1.7. Transferul de cldur prin convecie

Particulele de gaz se mic cu vitez v i se spal suprafaa corpului;prin contact ele cedeaz o cantitate de cldur, se renclzesc i ciclul serepet. Particulele se succed, schimbul de cldur avnd loc pe toat suprafaaS. Schimbul de cldur are loc doar n condiiile existenei unei micrirelative cu o vitez v ntre fluid i corp, iar intensitatea acestuia depinde dediferena de temperatur i de coeficientul superficial de transfer a cldurii:

( ) [ ] [ ]kJ/hsau W 21 TTSQ CC =unde: C - coeficientul superficial de transfer al cldurii n

[W/m2grd] sau [kJ/m2 h]S - suprafaa de transfer a cldurii n [m2].Transferul de cldur prin convecie este caracteristic nclzirii n

cuptoare electrice i cu flacr unde mediu de nclzire este gazos. n spaiulde lucru al utilajului de nclzire gazele se mic liber cu o vitez

v datorit

diferenei de temperatur, micare suficient pentru a asigura transferul decldur; n acest caz se numete convecie liber. Dac viteza de micare agazelor este mrit cu ventilatoare, schimbul de cldur este mult intensificati n acest Gaz convecia este forat. Transferul de cldur prin convecie esteeficace pn la temperaturi de 750 C i viteze de micare a gazelor de5~10 m/s.c) Transferul de cldur prin radiaie. Fiecare corp nclzit la otemperatura T, radiaz de pe unitatea de suprafaa, n timp de o or, o energiesub forma de unde electromagnetice, care reprezint puterea de emisie acorpului respectiv. Aceast energie radiat de un corp absolut negru este datde relaia lui Stephan-Boltzmann:

17

4

00 100

= TcE [w/m2 h sau kJ/m2 h]unde: c0 - reprezint constanta de radiaie a corpului absolut negru, avndvaloarea de 5,75 [W/m h] sau 20,73[kJ/m2 h];

T- temperatura considerat [C].n cazurile reale corpurile nu sunt absolut negre ci cenuii, n

consecin energia radiat va fi mai mic:4

00 100

== TcEE [w/m2 h sau kJ/m2 h] - reprezentnd coeficientul de negreal al corpului considerat,

coeficient ce se gsete n tabele i este subunitar.Presupunnd un corp cenuiu nclzit la temperatura T, (fig. 1.8), avnd

o suprafa radiant S, (corp radiant), acesta va radia asupra corpului detemperatur T2 i suprafa S2 o energie total E. O parte din energie, E1, estereflectat de corpul receptor, iar o alt parte, E2, este absorbit (dac corpuleste transparent, o parte a energiei E3 traverseaz corpul), transformndu-sedin nou n cldur i producnd nclzirea lui. Aceast component prezintinteres practic n cazul tratamentelor termice, cantitatea de cldur absorbit,n condiiile unui regim staionar, exprimndu-se prin relaia:

Fig. 1.8. Transferul de cldur prinradiaie

][ 100100

73,54

24

1 WHTTQ rr

=

212

121

11111

1

+

+

=r

][ 2221112 mSSH ==

unde: r - este gradul de negreal;T1 i T2 - temperaturile suprafeelor S1 i S2 n [C];H - suprafaa de radiaie reciproc a celor dou corpuri n [m];1 i 2 - reprezint gradul de negreal al celor dou corpuri;

18

12 i 21 - parametrii adimensionali care depind de forma i poziia reciproca celor dou corpuri.

Transferul de cldur n instalaiile de nclzire este foarte complexeaprnd toate cele trei forme artate mai sus. Rezultatul aciunii lorconcomitente este atribuit n mod obinuit unuia sau dou din modurile detransmitere a cldurii, considerate ca principale. Pentru domeniul detemperaturi pn la 900 C calculul cantitii de cldur se face cu o relaiesimilar deci din cazul conveciei, unde intervine ns un coeficient global detransfer al cldurii:

rc +=unde c ia n considerare aportul conveciei, iar r aportul radiaiei. Latemperaturi ce depesc 900 C transferul de cldur se face prin radiaie nproporie de 90-95%, deci convecia este neglijabil, calculul fcndu-se nconsecin.

Fig. 1.9 Prezentarea schematica celor trei moduri de transfer ale cldurii

S considerm o pies avnd o seciune circular cu diametrul 2x, cafiind introdus n spaiul de lucru al unei instalaii de nclzire (fig. 1.9). Piesaopune o rezisten exterioar la nclzirea suprafeei sale Rext, care va fi inversproporional cu coeficientul global de transmitere a cldurii:

1extR

Transferul de cldur de la suprafa ctre interiorul piesei se va faceprin conductibilitate termic, ntmpinnd o rezisten interioar Rintproporional cu grosimea de nclzire x i invers proporional cuconductibilitatea termic . a materialului din care este confecionat:

19

xR int

Fcnd raportul lor:

iext

Bxx

RR ==

1

int

se obine un criteriu adimensional numit "criteriul Biot", care arat cnclzirea straturilor interioare se face cu att mai greu cu ct rezistenainterioar este mai mare n raport cu cea exterioar.

Criteriul Biot caracterizeaz, deci, condiiile n care are loc acumulareacldurii la suprafaa piese; n funcie de natura transferului de cldur de lainstalaia de nclzire. Condiiile de transfer al cldurii prin conductibilitate dela suprafaa piesei ctre centrul ei sunt caracterizate printr-un alt criteriuadimensional numit "criteriul lui Fourier":

= 20 XaF

n care: a =/pc [m/h] - difuzibilitatea termic a materialului; - conductibilitatea termic a materialului [W/m grd);c - cldura specific [Wh/Kg grd];p - densitatea materialului [Kg/m];x - grosimea de nclzire n [m], criteriu care ine seama i de

timpul de nclzire .Din punctul de vedere al transferului de cldur de instalaia de

nclzire la pies, piesele tratate termic se consider ca fiind de dou feluri:- piese subiri, la care diferena de temperatur dintre suprafa i centru

este mic, ea putndu-se neglija n calculele analitice ale duratei de nclzire.Pentru ele, valoarea criteriului Biot este B, < 0,25;

- piese masive, la care diferena de temperatur ntre suprafa i centrueste mare i pentru care B; > 0,25.

Condiiile i relaiile analitice pentru calculul duratei de nclzire suntdiferite pentru fiecare din grupe.

Medii de nclzire

n perioada nclzirii ntre piese i mediul din spaiul de lucru alutilajului folosit, pot s apar o serie de reacii chimice nedorite, care duc ladegradarea suprafeei pieselor. Intensitatea acestora depinde de compoziiaaliajului i a mediului, temperatura de lucru i durata ct acestea sunt expuseaciunii mediului.

a) Medii gazoase: sunt mediile din cuptoarele electrice i cele acionate

20

cu combustibili, precum i atmosferele controlate. Aciunea lor termochimicasupra piesei const n oxidare, reducere, decarburare i carburare.

- Oxidarea se datorete urmtoarelor reacii chimice:O2 + 2Fe 2FeOH2O + Fe FeO + H2CO2 + Fe FeO + CO

De aici rezult c 02, H20 i C02 sunt gaze oxidante, iar CO i H2 suntreductoare.

- Sub 670 C nu se impun deci msuri deosebite pentru proteciasuprafeei. Stratul oxidat are o structur compus din FeO, Fe3O4 i Fe2O3,putnd atinge adncimi ce depesc adaosurile de prelucrare. Aciuneareductoare a H2 i CO este dorit, asigurnd suprafee curate pieselor.

- Fenomenul de decarburare const n srcirea straturilor superficialeale piesei n carbon, fenomen ce genereaz o serie de neajunsuri ca: stratuldecarburat nu se clete, rezistena la oboseal scade foarte mult. Reaciilechimice caracteristice sunt urmtoarele:

H2O + Fe (c) Fe y + CO + HzCO2 + Fe (c) Fe y + 2COO2 + 2Fe (c) 2Fe y + 2CO2H2 + Fe (c) Fe y + CH,

unde se vede caracterul decarburant al H2O, CO2, O2 i H2, ce intr n reaciecu austenita la temperaturi nalte, pe de o parte i caracterul carburant(de mbogire a stratului superficial cu carbon) al CO i al hidrocarburilor dincombustibili (CH4).

mpotriva oxidrii i decarburrii piesele se pot proteja prinmpachetare n cutii ce conin amestecuri neutre sau care au un efectcompensator, operaie imposibil de realizat ns, n condiiile produciei deserie mare i mas.

Efectele termochimice ale mediului, artate mai sus, dou cte dousunt de sens contrar: oxidarea cu reducerea i decarburarea cu carburarea. ncondiii practice, n atmosfera utilajelor de nclzire sunt prezente amestecuria dou sau mai multe gaze, aciunea termochimic rezultant fiind dependentde raportul cantitativ al lor. Pe baza echilibrului de reacie se pot crea condiiide aa natur - la temperatura respectiv - nct mediul de nclzire devineneutru din punct de vedere chimic, avnd un efect protector, sau, sreacioneze ntr-o direcie dorit. Aceste amestecuri de gaze se numescatmosfere controlate i se produc n instalaii speciale numite generatoare deatmosfer controlat.

Utilizarea atmosferelor controlate prezint avantajul c suprafaa pieseirmne curat, adaosul de prelucrare este mult redus, iar productivitateainstalaiilor de nclzire mult sporit.

21

Atmosferele protectoare simple sunt: hidrogenul tehnic care are uncaracter decarburant, azotul i argonul, care nu reacioneaz cu metalul, darsunt scumpe i amestecul de hidrogen i azot obinut prin disociereaamoniacului. n practica tratamentelor se folosesc mai mult atmosferelecompuse din mai multe gaze, care se obin prin arderea incomplet a uneihidrocarburi; n ara noastr materia prim este gazul metan - CH4. nprezena aerului necesar pentru ardere i la temperaturi ridicate, CH4 ardecomplet dup reacia:

CH4 + 2O2 + N2 CO2 + 2H2O + N2

(din aer) (oxidant - decarburante)

Dac aerul necesar arderii este insuficient (1/3), arderea va fiincomplet i produsele arderii vor fi urmtoarele:

3CH4 + 3O2 + N2 CH4 + N2 + CO + CO2 + 3H2O + H2 (fr efect (oxidant (decarburantoxidant i decarbu- -reductor) carburant) rante)

Rezult c, prin reglajul aerului necesar pentru ardere se poate dirijacaracterul atmosferei (tabelul 1.1 )

Tabelul 1.1 Compoziia atmosfereiCompoziia atmosfereiTipul

atmosfereiCoef. deexces de

aerH2 N2 CO H2O CH4 CO2

ENDOGAZ 0,25 - 0,30 36-40 34-42 18-22 0,1 2-4 0,50,5 - 0,6 10-20 56-76 8-l5 1,5 2 2-6EXOGAZ

0,85 - 0,95 0,5-1 86-88 0,5-1 2,0 0 10

b) Mediile lichide folosite la nclzirea pieselor sunt metalele topite isrurile topite, a cror eficacitate este mult mai mare dect a celor gazoase:vitez de nclzire de 2-4 ori mai mare, aciunea oxidant i decarburantreduse. La alegerea acestora se are n vedere faptul c ader sau nu lasuprafaa piesei, efectul termochimic, preul de cost i dac eman sau nuvapori nocivi.

22

Metalele i aliajele folosite pentru bi sunt prezentate n tabelul 1.2 prezentatmai jos:

Tabelul 1.2 Metale i aliaje folosite ca biCompoziia bii Temp. de

topire [C]Temp. de

utiliz. [C]Observaii

Pb 100% 327 800-900 Eman gazeSn 100% 232 400-500 Ader la piesSn 13% + Al rest silumin 590 850-900Sn 92% + Zn g% l 99 500-600 Ader la piesSn 51,2% + Pb 30,6% + Cd 18,2% 145 357-427Sn 40% + Bi 56% + Zn 4% 130 327-377Sn 25,9% + Bi 53,9% + Cd 20,2% l 13 277-377

Bile de sruri topite acoper un interval larg de temperaturi, cuprinsntre 150 - 600 C, fiind alctuite din amestecul de azotai, azotii, cloruri ialtele. La temperaturi joase ( 150 -600 C) se folosesc amestecuri de azotii iazotai de sodiu i potasiu, n diferite procente. Tratamentele termice pentrucare sunt potrivite, sunt: revenirile, punerea n soluie a neferoaselordurificabile prin precipitare. Bile de sruri corespunztoare intervalului de600 - 850 C constau din amestecuri n diferite proporii de clorur de bariu,sodiu i potasiu i carbonai de sodiu i potasiu, fiind destinate tratamentelortermofizice ale oelurilor carbon i slab aliate. La temperaturi ridicate, 1000 -1350 C, corespunztoare tratamentului termic al oelurilor rapide,inoxidabile i refractare, baia de nclzire const din clorur de bariu, la carese mai poate aduga i borax. n tabelul 1.3 sunt prezentate amestecurile desruri standardizate folosite pentru tratamente termice.

Ca mediu lichid se mai poate utiliza uleiul mineral, dar numai pn latemperaturi de 180 C, sau uleiuri de turbin pn la 300 C. Aceste medii denclzire sunt potrivite pentru tratamente termice a oelurilor de rulmeni imbtrnirea artificial a aliajelor durificabile prin precipitare (duraluminiu).

Utilizarea mediilor de nclzire lichide impune msuri severe deprotecia muncii, datorit toxicitii unora dintre ele. Bile de nclzire vor fiprevzute cu sisteme de exhaustoare speciale, plasate la nivelul topiturii i cuaparate de msur a temperaturii pentru a preveni autoaprinderea.

23

Tabelul 1.3 Amestecurile de sruri folosite pentru tratamente termiceCompoziia

amestecului icaracteristici

SR 140 SR 220 SC 430 SC 630 SC 960 Sareneutr

Aspectul amestec omogen de cristale alb-cenuiiAzotit de sodiu% 44-46 44-46

Azotit de sodiu% 54-56Azotat de potasiu % 54-56Clorur de bariu% 30-32 min 98 89-92Clorur de calciu% 48-52 3-4Clorur de sodiu% 18-22 52-54

Clorur de potasiu% 43-45Borax% 4-6

Ferosiliciu, % max 0-8Substane insolubile

n a % max0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 1

Sulfuri BaS , %max 0,05 0,05Fier, % max 0,06 0,06

Umiditate, % max 1 1 1 1 1 6Temp. de top. C l40 220 430 630 930 920

150 250 600 700 1100 1100Temperatura deutilizare C 500 650 870 870 1350 1350

Observaie: - SR - nseamn sare pentru reveniri;- SC - sare pentru cliri;- cifra ce urmeaz grupul de litere reprezint temperatura de topire a amestecului, n C.

Operatorul tratamentist va fi echipat cu mijloace de protecieindividual (or, ochelari, mnui ignifuge, etc.) pentru a se feri deeventualele stropiri. nainte de introducere n baie, piesele trebuiesc curate,uscate i prenclzite pentru a nu acuza stropiri, iar manevrarea dispozitivelorde imersare se va face cu mare grij. Se va evita prezena apei n vecintateaacestor utilaje, iar rcirea pieselor se va face numai n bi de rcire prevzutecu ecrane de protecie sau capace. Aspectele mai detaliate ale problemei vor fianalizate la capitolul destinat utilajelor pentru tratamente termice i a celuidestinat proteciei muncii i pazei contra incendiilor.

24

1.1.2 Operaia de meninere

n conformitate cu ciclul general al unui tratament termofizic, operaiade nclzire este urmat imediat de operaia de meninere, operaie care seexecut n acelai utilaj de nclzire. Momentul cnd suprafaa piesei atingetemperatura final Tpf constituie sfritul operaiei de nclzire i nceputulcelei de meninere (fig. 1.10). Deci dup , ntre suprafaa piesei i centrul eiva fi o diferen de temperatur Tim proporional cu conductibilitateatermic a materialului; cum pentru tratamentul termic prescris este necesar cacentrul piesei s depeasc i el punctul critic respectiv, iar pentru catransformarea structural ce se desfoar prin difuzie i necesit timp spoat avea loc, este necesar un timp de meninere pentru egalizareatemperaturilor i un timp necesar pentru transformrile structurale.

Fig. 1.10. Operaia de meninere

Suma acestora, n cazul cel mai general, reprezint durata de meninere m:m = me + mt

25

Durata de egalizare termic

Problema egalizrii termice ntre suprafaa i centrul piesei se pune lapiesele masive din punct de vedere termic, unde la sfritul operaiei denclzire exist Tim = Tpf - Tcf. Durata de egalizare termic minim necesarme reprezint timpul de meninere necesar pentru ca i centrul piesei s atingtemperatura Tpf, respectiv curba de variaie a temperaturii centrului sintersecteze izoterma Tpf. In acest moment, diferena de temperatur ntresuprafa i centru va fi:

Tfm = Tse - Teunde: Tse - temperatura suprafeei la finele duratei de egalizare;

Tce - temperatura centrului la finele duratei de egalizare, iar valoarea luise impune n funcie de tratamentul termic ce se execut.

Raportul:

eim

fm GTT =

se numete grad de egalizare relativ, i are n vedere diferena de temperaturacceptabil pe seciune.

Durata de egalizare termic se calculeaz cu relaia :

][ 2

haxkme =

unde: k - este un coeficient ce se determin din diagrama prezentat n figura1.11, n funcie de gradul de egalizare Ge;

x - grosimea de nclzire, n [m];a - difuzibilitatea termic, n [m2/h].Din figura 1.10 rezult c de fapt operaia de meninere este o

continuare a operaiei de nclzire pn cnd centrul atinge temperatura Tpf,curbele de variaie fiind continue. Dei comod, acest mod de realizare aprocesului de egalizare termic prezint neajunsul de a supranclzi suprafaapiesei, fenomen nedorit datorit creterii grunilor i nrutiriicaracteristicilor mecanice ulterioare.

Schema prezentat n figura 1.12 reprezint metoda egalizrii termiceprin oprirea nclzirii, n momentul cnd suprafaa piesei atinge temperaturaTPf, se reduce sursa de cldur n aa fel nct temperatura spaiului de lucrus se stabilizeze la o valoare T'cup < Tcup. Aceast soluie presupune otemperatur iniial a cuptorului mai mare dect n cazul precedent, darasigur o durat de nclzire i meninere pentru egalizare termic mai scurt.De asemenea se elimin i posibilitatea supranclzirii suprafeei

26

piesei. Metoda a doua se poate realiza uor n cazul cuptoarelor electrice,reglajul fcndu-se automat dup un program bine stabilit.

Fig. 1.11. Determinarea gradului de meninere

Fig. 1.12. Durata de egalizare termic

Durata de transformare structural

Se consider din momentul terminrii duratei de egalizare termic ieste notat cu mt (fig. 1.10). Ea depinde de tipul tratamentului termic aplicat,de structura iniial a materialului i de temperatura de nclzire. Durata detransformare structural trebuie luat n considerare n primul rnd la aceletratamente termice care au la baz procese de difuzie greoaie i necesitdurate de ordinul orelor: recoacerea de omogenizare, recoacerea deglobulizare, recoacerile de detensionare i altele. Durata de meninere pentruaceste tratamente va fi tratat separat, n capitolul aferent lor.

27

O serie de tratamente termice ns necesit durate de meninere pentrutransformri structurale foarte scurte, de ordinul ctorva secunde sau minute:austenitizarea oelurilor n vederea clirii sau normalizrii, recoacerea derecristalizare, etc. Multe transformri structurale ncep i se desfoar chiardin perioada nclzirii, desvrindu-se n cursul perioadei de egalizaretermic. n situaiile amintite, durata de meninere n vederea transformrilorstructurale se va considera ca fiind inclus n durata de nclzire i cea deegalizare termic.

Criteriul de apreciere a duratelor de meninere rmne totui verificareaexperimental, ea permind efectuarea corecturilor necesare pn la atingerearezultatelor dorite.

1.1.3 Operaia de rcire

Dup nclzire i meninere urmeaz cea mai pretenioas operaie -rcirea - de parametrii creia va depinde structura materialului tratat termic,respectiv caracteristicile mecanice ale acestuia. Varietatea mare atratamentelor termice impune utilizarea unor modaliti de rcire foartediverse, fiecare din ele caracterizat printr-o curb de rcire, n coordonateletemperatur - timp. Factorul cel mai important l constituie viteza de rcire, eadeterminnd tipul de transformare structural ce va nsoi operaia de rcire:vitez ce depinde de natura mediului folosit, capacitatea de rcire a acestuia itemperatura piesei.

O curb de rcire cu vitez constant (fig. 1.13a) poate fi reprezentati n coordonate semilogaritmice (fig. 1.13b) pentru a putea fi utilizat lainterpretarea diagramelor T.T.T.

Fig 1.13. Tipuri de curbe de rcire

28

Rcirea cu vitez constant nu poate fi realizat uor n condiiipractice; reprezentarea grafic este util pentru asimilarea unor poriuni dincurbele reale de rcire. Curba de rcire newtonian (fig. 1.13c) sau ncoordonate semilogaritmice (fig. 1.13d), este tot o curb de rcire continudar cu vitez variabil, situaie care se ntlnete n practica tratamentelortermice. n cazul unor tratamente termice ce se desfoar la temperaturconstant, se folosesc nite modaliti de rcire ca cea prezentat n fig. 1.13e;teoretic se face o rcire brusc pn la temperatura Tit, apoi se face omeninere la aceast temperatur (curba 1). n practic fiind imposibil derealizat o rcire ideal dup curba l, se folosete curba real 2. Aceastmodalitate de rcire poart denumirea de rcire discontinu.

Capacitatea de rcire a unui mediu de rcire

Principala caracteristic a unui mediu de rcire este capacitatea sa de aprelua cldura de la piesa cald. Mrimea ce caracterizeaz acest schimb decldur se numete intensitate de rcire superficial i se definete ca fiindraportul:

]/[ mlH =

artnd n ce raport se gsesc condiiile de transfer a cldurii de la suprafaapiesei ctre mediul de rcire i condiiile de transfer din centrul piesei ctresuprafaa sa. Un mediu de rcire ideal ar trebui s fie caracterizat prin H = ,respectiv a = , adic s asigure o rcire instantanee a piesei pn latemperatura mediului de rcire. Mediile de rcire reale ns au intensiti dercire finite i sunt raportate la intensitatea de rcire a apei linitite,considerat n practic drept mediu de referin. Aceasta se numeteintensitate de rcire relativ i se noteaz cu Hrel; valoarea sa pentru diferitemedii este dat n tabelul 1 .4.

Capacitatea de rcire a unui mediu depinde de urmtorii factori:- de gradul de agitare, exprimat prin valoarea coeficientuluide transfer a;- de gradul de puritate a mediului;- starea suprafeei piesei;- dac i modific sau nu starea de agregare;- temperatura mediului.

29

Tabelul 1.4 Intensitatea de rcire relativ pentru diferite medii

Mediul de rcire TemperaturamediuluiTmed [C]

Gradul deagitare relativ

Intensitatea relativHrel [1/m] n intervalul

300-600Cfr 1,00Ap 20

intens 4,00fr 2,00Soluia apoas

10 15 % NaClsau NaOH

20intens 5,00

fr 0,30Ulei mineral 3 - 60intens 0,90

Azotai i azotii 200 - 300 intens 1,20Baie de Plumb 400 - 900 mediu 1,50

linitit 0,015ventilat 0,03 - 0,06

Aer

comprimat 0,1 - 0,2

Medii de rcire industriale

Acestea sunt mediile gazoase, lichide i solide. n practicatratamentelor termice se utilizeaz mai mult mediile gazoase i lichide.

Medii de rcire gazoase

Transferul de cldur de la pies la mediul gazos se realizeaz nprincipal prin radiaie i convecie, deci coeficientul de transfer al cldurii vafi un coeficient global = r + c.

a) Rcirea cu cuptorulPrin reducerea aportului de cldur (reglajul arztoarelor sau a

elementelor nclzitoare electrice) sau oprirea complet a lui, temperaturacuptorului scade scznd i temperatura piesei n funcie de curba de rcire aacestuia. Viteza de rcire este sczut i variaz ntre limitele 0,5 - 10~15grd/min.

b) Rcirea n aerSub temperatura de 500 C rcirea se realizeaz preponderent prin

convecie; deci la temperaturi joase coeficientul de transfer al cldurii vascdea foarte mult (Tabelul 1.5)

30

Tabelul 1.5 Valoarea coeficientului de transfer global Temperatura suprafeei piesei, n C Condiiile

rcirii 1100 960 900 800 700 600 500 400 300 200Aer linitit 174 145 116 98 81 64 46 35 23 17W/m2

grd Aer ventilatv = 6-10 m/s

290 232 210 174 145 116 93 75 58 46

Piesele sunt scoase din utilajul de nclzire i sunt aezate pe nitesupori urmnd a se rci liber n aer sau forat cu ajutorul unor ventilatoarespeciale sau duze cu aer comprimat ce asigur o presiune de ordinul 300 -1000 daN/m2.

Medii de rcire lichide

n timpul lucrului o parte din lichidele folosite ca medii de rcire imodific starea de agregare, datorit temperaturii coborte de vaporizare.Acest fenomen trebuie avut n vedere atunci cnd se elaboreaz tehnologiarcirii, deoarece poate modifica viteza rcirii n diferite intervale detemperatur, iar rezultatul final s fie altul dect cel scontat. n aceast grupintr apa, uleiurile minerale i vegetale i soluiile apoase de NaCl i NaOH.

Dac o pies nclzit la temperatura Tp este introdus ntr-un mediu acrei temperatur de vaporizare este sczut, procesul rcirii comporturmtoarele faze (fig. 1.14): n faza A, care este de foarte scurt durat,rcirea este foarte intens (poriunea 1 - 2 a curbei de rcire), datoritconsumrii unei mari cantiti de cldur pentru vaporizarea brusc amediului. n faza B, se formeaz o cmaa de vapori n jurul piesei, avnd uncaracter izolator (poriunea 2 - 3), fenomen numit calefacie.

31

Fig. 1.14 Exemplu de rcire ntr-un mediucare i schimb starea de agregare

Cldura fiind transmis prin radiaie i conductibilitate, iar coeficientulglobal de transfer al cldurii prin cmaa de vapori fiind foarte redus, curba dercire are alura din figur. n faza urmtoare cmaa de vapori devineinstabil i ncepe o fierbere intens, iar apoi linitit a mediului din jurulpiesei; schimbul de cldur este foarte intens n acest interval 3 - 4. n faza D,temperatura piesei scznd sub temperatura de fierbere a mediului,transmiterea cldurii se face prin convecie. Coeficientul de transfer alcldurii prin convecie scznd cu temperatura, rcirea se face foarte lent peporiunea 4 - 5.

Privind n ansamblu fenomenul rcirii n medii lichide cu schimbareastrii de agregare, se desprinde concluzia c pe parcursul rcirii coeficientulglobal de transfer al cldurii variaz foarte mult i neuniform, mai ales nintervalul 300 - 600 C, care este extrem de important n cazul tratamentelortermice. Pentru a mri capacitatea de rcire a mediului trebuie s existe omicare relativ ntre pies i mediu, deoarece aceasta rupe mecanic cmaade vapori i reduce perioada de calefacie.

32

a) ApaEste cel mai utilizat mediu de rcire datorit capacitii mari de rcire

pe care o are i datorit faptului c este la ndemna oricrui operatortratamentist. Asigur viteze de rcire mari ntr-un interval mari detemperaturi, dac temperatura ei rmne constant n intervalul 25 - 40 C.Pentru aceasta este necesar ca volumul lichidului de rcire s fie de 50 ori maimare dect al pieselor supuse rcirii sau s se asigure recirculaia i rcireaforat a lui. Prin adaosuri de substane solubile ca NaCl sau NaOH, nproporie de 10 - 15%, viteza de rcire crete foarte mult (tabelul 1.6 ); prinadaosuri de substane insolubile ca uleiul, spunul (sub form de emulsie), sepot obine viteze de rcire mai mici dect a apei industriale (viteze ce nu sefolosesc n practica clirilor). In felul acesta se poate obine o gam larg deviteze de rcire. Pentru ap, coeficientul de transfer al cldurii poate fi luatdin tabelul 1.6.

Tabelul 1.6 Valoarea coeficientului de transfer

Temperatura suprafeei piesei n C Mediude

rcire100 200 300 400 500 600 700 800 900

Aprece27C

657 2027 13727 4327 2627 2027 1427 887 537W/m2grd

Ulei47C

-43 187 307 537 887 1127 537 77 17

b) Uleiul

Are o capacitate de rcire mai mic dect apa n ntreg interval detemperaturi i se folosete la materialele care nu suport viteze mari de rciredatorit tensiunilor interne ce pot apare. n prima faz a rcirii capacitatea dercire este foarte sczut datorit stabilitii mari a peliculei de vapori, care dedata acesta conine i gaze rezultate din cracarea uleiului. Temperatura optimde utilizare este 40 - 80 C, iar limita superioar este hotrt de temperaturade aprindere (150 - 330 C). La temperaturi sub 40 C, uleiurile nu pot fiutiliza din cauza vscozitii sczute i capacitii de rcire reduse.n ara noastr se fabric un ulei special destinat tratamentelor termice,simbolizat T.T - 25 (STAS 2720-90); este un ulei mineral rafinat, care seobine din ieiuri selecionate i care este destinat n primul rnd clirilor. Sepot ntrebuina i amestecuri de uleiuri ce asigur viteze de rcireintermediare.

33

Pentru a nu atinge temperatura de autoaprindere este necesar cavolumul uleiului s fie de 10 ori mai mare dect cel al pieselor supuse rciriisau s fie rcit cu ajutorul unor serpentine cu ap. Pentru destrmareapeliculei de ap se impune agitarea continu a bii.

Acest mediu de rcire impune operaii suplimentare ulterioare: splare,curare a eventualelor aderene, etc.

c) Topiturile de sruri i de aliaje metalice

Sunt mediile care au fost folosite i n cazul operaiei de nclzire.Acestea nu formeaz vapori n prima faz a rcirii, iar transferul de cldur seface n principal prin convecie i conductibilitate. Vitezele de rcire maximesunt de ordinul celor obinute n cazul uleiurilor i sunt asigurate tocmai nintervalul de temperaturi cel mai important (cotul perlitic); la temperaturijoase, unde tensiunile structurale sunt foarte mari (transformareamartensitic), ele asigur o vitez de rcire sczut. De aceea topiturile desruri ndeplinesc n mai mare msur condiiile impuse mediilor de rciredect uleiurilor.

La utilizarea acestora se impune regenerarea periodic a lor irespectarea unor msuri specifice de protecie a muncii, artate de altfel laoperaia de nclzire.

O caracteristic foarte important a srurilor i metalelor topite esteposibilitatea de a fi utilizate ca medii de rcire izoterm. O serie detransformri structurale se pot obine n condiii foarte avantajoase prinaceast metod, piesele fiind totodat lipsite de tensiuni interne.

Fig. 1.15. Variaia vitezei cu temperatura

34

n afara mediilor de rcire artate, n practica tratamentelor termice seutilizeaz tot mai mult mediile de rcire sintetice sau o serie de mediicomplexe. Dintre acestea cele mai utile par a fi mediile de rcire pe baz depolimeri (compui organici solubili n ap), care asigur o gam de viteze dercire foarte larg n funcie de concentraia acestora. Dac se are n vedere ifaptul c acestea sunt neinflamabile, avantajul lor este de necontestat.

n figura 1.15 se prezint variaia vitezei de rcire cu temperaturapentru diferite medii de rcire.

Durata operaiei de rcire

Determinarea duratei de rcire n intervalul de temperatur de interespractic este greu de determinat pe cale analitic, datorit urmtoarelorconsiderente:- alura curbelor de rcire difer de la mediu la mediu;- constantele fizice ale mediului variaz cu temperatura (punct de fierbere,vscozitate, cldura latent de vaporizare, densitate);- n timpul rcirii variaz i constantele fizice ale aliajului din care esteexecutat piesa (, Cp, );- condiiile rcirii sunt legate de geometria, calitatea suprafeei piesei i demicarea relativ dintre pies i mediu.

Fig. 1.16. Curba de rcire newtonian a unei piese subiri

35

n figura 1.16 este reprezentat curba de rcire newtonian a unei piesesubiri, care se rcete la Tpir la Tpfr prin imersare ntr-un mediu ce nu-imodific starea de agregare, a crei temperatur este Tm. Calculul duratei dercire are la baz acelai considerent i principiu de calcul ca i n cazuloperaiei de nclzire: egalitatea dintre cantitatea de cldur introdus de piesi cea recepionat de mediu. n aceste condiii, durata rcirii se poate calculacu suficient aproximaie cu relaia:

][ log hTTTT

Scm

medpfr

medpirr

=

unde: m - masa piesei n [kg];c - cldura specific medie n intervalul de rcire considerat n [Wh/kggrd];a - coeficientul global de transfer al cldurii n [W/m2grd];S - suprafaa piesei supuse aciunii mediului de rcire n [m2];Tpir- Tpfr - temperatura iniial, respectiv final a piesei la rcire n [C]Tmed - temperatura mediului de rcire n [C].

n cazul pieselor masive i n cazul general al mediilor ce-i modificstarea de agregare, durata rcirii se poate calcula utiliznd criteriile Bi, Fo i calculate pe intervale de temperatur corespunztoare fazelor rcirii(figura 1.14), i utiliznd reprezentrile grafice ale acestora.

1.2 Transformrile structurale de baz ale tratamentelor termice

n cazul aliajelor fier-carbon, structura final i caracteristice mecanicevor fii n funcie de transformrile structurale n stare solid ce ,nsoesc operaiile de baz ale tratamentelor termofizice. Structurile principalesunt:

austenita: este o soluie de inserie a carbonului n fierul ,notat prin Fe (C) sau A;

36

perlita: un amestec mecanic de ferit i cementit, notat prin[Fe (C) + Fe3C] sau P;

martensita: o soluie solid de inserie suprasaturat a carbonului nfierul a, notat prin Fe ' sau M;

bainita: un amestec mecanic de ferit suprasaturat n carbon icarburi de tipul FexC, notat prin [Fe ' (C)+FexC] sau B.

Trecerea de la o structur la alta se realizeaz prin nclzire ircire, efectuate n anumite condiiuni, pentru fiecare din structurile de maisus, structura de pornire fiind austenita. Principalele transformri n cazultratamentelor termofizice sunt:

- transformarea perlitei n austenit (P A): are loc la nclzire i are labaz procesul de difuzie;

- transformarea austenitei n perlit (A P): se desfoar la rciriefectuate cu vitez mic, avnd la baz tot procesul de difuzie;

- transformarea austenitei n martensit (A M): are loc la rcireaaustenitei cu vitez mare, deci ar difuzie;

- transformarea austenitei n bainit (A B): are loc la rcirea austeniteicu viteze cuprinse ntre cele necesare obinerii perlitei i martensitei.Aceast transformare este parial guvernat de legile difuziei.Din cele de mai sus rezult clar c majoritatea tratamentelor

termofizice au la baz fenomenul de difuzie.

1.2.1. Transformri structurale la nclzire

Acestea sunt: transformarea perlitei n austenit sau pe scurttransformarea austenitic i transformarea martensitei n perlit.Transformarea martensitei la nclzire va fi prezentat n cadrul tratamentuluitermofizic de revenire.

Din diagrama Fe-Fe3C (fig. 1.17) rezult c austenita ncepe s aparabia la temperaturi de nclzire ce depesc limita Ac1 (727 C). n cazul unuioel eutectoid (0,8 %C), avnd structur perlitic (punctul 1), prin nclzirecrete treptat concentraia n carbon a feritei, iar peste linia Acl, respectivpunctul S, ncepe s apar austenita:

Fe (C) + Fe3C Fe (C)

0,02% 6,67% 0,8%

perlit austenit

37

Fig. 1.17. Transformarea austenitei dup diagrama Fe-C

Se observ c din cele dou faze cu concentraie diferit n carbon seformeaz o a treia faz de alt concentraie; aceast transformare este decicondiionat de deplasri ale atomilor de fier i carbon n stare solid, adic deprocese de difuzie.

n figura 1.17 este prezentat schematic transformarea austenitic, pemsur ce evolueaz procesul de nclzire, att pentru structura perliticlamelar ct i pentru cea perlitic globular. Structura nou - austenita - seformeaz pe suprafaa de separare a celor dou faze existente (ferita icementita); de aceea structura perlitic lamelar se transform mult mairepede, suprafaa interfizic fiind mai mare dect n cazul perlitei globulare. intr-un caz i n cellalt, la sfritul transformrii austenita este neomogendin punctul de vedere al concentraiei de carbon. O meninere la aceasttemperatur va face ca austenita s devin omogen, datorit fenomenului deautodifuzie, omogenizare extrem de important pentru structura ce va rezultadup operaia de rcire.

38

Factorii care influeneaz transformarea austenitic

a) Viteza de nclzire: influena acesteia se pune n eviden pe curbade nclzire, momentul transformrii fiind marcat printr-un paliercorespunztor reaciei endoterme ce o caracterizeaz. Dou probe de oelidentice din punctul de vedere al compoziiei chimice sunt nclzite cu vitezediferite (fig. 1.l 8), peste linia Ac1;se poate observa c la viteze mari de nclzire transformarea ncepe latemperaturi mai ridicate (T2 > T1), interval de timp necesar transformriieste mai mic (2 < 1), iar procesul transformrii se declaneaz dup untimp 1 < 2.

Fig. 1.18. Influena vitezei de rcire asupra transformrii

b) Structura iniial

perlita lamelar se transform mult mai repede dect cea globular, avndsuprafeele de separare interfazice mult mai mari. pe asemenea timpul detransformare este mult mai mic n cazul structurilor iniiale care conin carburifine, fapt care are aceeai explicaie.

c) Compoziia chimic: viteza transformrii crete odat cu coninutulde carbon (figura 1.I9), datorit faptului c va crete i cantitatea particulelorde carburi, respectiv suprafaa de separaie interfazic.

39

Fig. 1.19. Influena coninutului de carbon asupra transformrii

Elementele de aliere, cu excepia nichelului, micoreaz vitezatransformrii perlitei n austenit i influeneaz poziia punctelor critice.Elementele care formeaz carburi, deplaseaz punctele critice ctre valori mairidicate ale temperaturii.

Mrimea grunilor de austenit

Deoarece gruntele de austenit nu sufer n cursul rcirii modificriidimensionale important, se poate considera c granulaia austenitic, formatn cursul procesului de nclzire, rmne neschimbat pn la temperatura .ambiant. n consecin, gradul de finee al structurilor ce rezult din austenitprin rcire, precum i caracteristicilor mecanice finale vor fi n funcie demrimea pe care o au avut-o grunii de austenit n faza final a operaiei denclzire.

Dup terminarea transformrii P A, prin nclzirea n continuare aoelului sau o meninere mai ndelungat la aceeai temperatur(supranclzirile), ncepe faz de cretere a grunilor formai. Rezult cpentru o corect conducere a procesului de nclzire trebuie avut n vederecea mai potrivit granulaie a austenitei, pentru scopul urmrit. Factorii careinflueneaz mrimea gruntelui de austenit sunt: temperatura de nclzire,durata de meninere, coninutul de carbon, condiiile de elaborare, dacmaterialul a fost sau nu deformat plastic la cald, etc. Determinarea mrimiigrunilor const n punerea n eviden a limitelor lui, existente la sfrituloperaiei de nclzire - meninere de egalizare, pe cale microscopic icompararea dimensiunilor lui cu etaloane standardizate.

40

1.2.2. Transformri structurale la rcire

Procesele care au loc la rcirea austenitei prezint o mare importanteoretic i practic, deoarece mecanismul i cinetica acestor proceseinflueneaz natura, forma, mrimea i distribuia fazelor n structura oelului,determinnd astfel proprieti corespunztoare dup tratamentul termic.Particularitatea cea mai important a transformrii austenitei la rcire constn aceea c, n funcie de o serie de factori structurali, de temperatur, timp,etc., ea se produce n moduri diferite att n privina condiiilortermodinamice ct i, mai ales, a mecanismului i a cineticii.

Transformarea austenitei n perlit

Rcind austenita cu vitez mic, la temperaturi inferioare liniei Af,, seva transforma n perlit , dup schema:

Fe (C) Fe (C) + Fe3C

0,8% 0,02% 6,67%perlit

Dup cte se poate observa, transformarea este nsoit de apariia unorfaze noi cu un coninut de carbon foarte diferit. Acest lucru dovedete ctransformarea perlitic are la baz procesul de difuziune, avnd un caracterevolutiv.

Transformarea se caracterizeaz prin germinarea fazei noi i cretereaacesteia cu o anumit vitez, fenomen ce se desfoar concomitent din clipacnd condiiile necesare sunt ndeplinite.

Fig. 1.20. Declanarea germinrii constituenilor

41

Germenii de perlit se formeaz n locurile unde exist deranjamente nreeaua cristalin sau la limitele grunilor, precum i pe suprafeele formatede diferite incluziuni i neomogeniti. ntr-un grunte de austenit (figura1.20a) s presupunem c declanarea germinrii se datorete unei particulesubmicroscopice de ferit format n condiiile artate mai sus. Pentru a sedezvolta, acest germene preia din masa de austenit ioni de fier i pe msurce crete, n straturile vecine de austenit va crete concentraia de carbon. Laun moment dat, n vecintatea lamelelor de ferit, austenita devinesuprasaturat n carbon, crendu-se condiii pentru transformarea ei ncementit (figura 1.20b). Germenii de cementit, contrar celor de ferit,pentru a putea crete i ei vor prelua carbonul necesar din austenitanconjurtoare. Aceasta srcete n aa msur nct nu mai poate alimentaprocesul de cretere a cementitei;

Fig. 1.21. Dezvoltarea coloniilor de perlit

se creeaz n acest fel condiii favorabile pentru transformarea ei (ferit figura1.20c). Acest proces continu, formndu-se coloniile de perlit (figura 1.21 ),a cror dezvoltare are loc att n direcie frontal F ct i lateral L. Coloniiledezvolt pn se epuizeaz ntreg gruntele de austenit considerat (figura1.20c), putnd chiar depi limitele acestuia.

Dac faza iniiatoare nu este ferita i cementita (problem ncneelucidat), procesul transformrii rmne n principiu acelai.

Procesul de transformare a austenitei n perlit poate avea loc att prinrcirea continu ct i prin rcirea izoterm a austenitei. n cel de-al doilea caztransformarea are loc la temperatur constant, mecanismul rmnnd acelai.Apar deosebiri n ceea ce privete uniformitatea i fineea granulaiei perlitei:la rcire continu coloniile de perlit care apar n ultima faz a rcirii, suntmult mai fine dect cele corespunztoare nceputului rcirii, datorit graduluimai mare de subrcire.(Prin grad de subrcire se nelege diferena de

42

temperatur - la rcirea austenitei - fa de linia Ac1 la care ncepetransformarea austenitei). Structura rezultat va fi deci neuniform, iarcaracteristicile mecanice la fel. n cazul transformrii izoterme a austenitei,gradul de subrcire fiind acelai pentru tot intervalul de transformare,granulaia va fi uniform pe toat seciunea piesei, indiferent de masivitatea satermic.

La rcire continu, n cazul pieselor masive este posibil ca punctele dela suprafaa piesei s se rceasc cu vitez mai mare, iar cele din centru cuvitez mai mic. n asemenea cazuri structura perlitic rezultat esteneuniform pe seciune, fapt ce impieteaz asupra caracteristicilor mecanice.Constituenii care se formeaz prin descompunerea austenitei n intervalulperlitic, poart denumiri diferite dup forma i gradul de finee a lamelelor decementit i ferit: perlit globular, perlit lamelar, perlit sorbitic,troostit.

Factori ce influeneaz transformarea austenitei n perlit

Factorii mai importani sunt:

a) viteza de rcire: dac viteza de rcire este mic, viteza de germinare(numrul de germeni de faz nou ce apar n unitatea de timp) este miccomparativ cu viteza de cretere a germenilor, iar structura final va figrosolan. Dac viteza de rcire este mare, numrul germenilor ce apar nunitatea de timp este mult mai mare dect n cazul precedent i nu au timpulnecesar pentru a crete. n consecin, la viteze de rcire mari, structurarezultat este mult mai fin, n final numrul coloniilor de perlit fiind multmai mare.b) condiiile de austenitizare: este important temperatura de nclzire laaustenitizare i gradul de omogenizare a austenitei. Cu ct temperatura estemai ridicat, austenita este mai omogen, deci numrul de microvolume cuconcentraie diferit de cea medie, precum i numrul de particule de carburirmase nedizolvate, care constituie germeni de cristalizare pentru perlit,scade. n consecin, structura final va avea un aspect grosolan.c) gradul de subrcire: cu creterea subrcirii se micoreaz distanainterlamelar a perlitei, deci ea este mult mai fin. Rezult c, pentru diferitetemperaturi de nceput ale transformrii corespund perlite de diferite grade definee, ale cror denumire a fost artat mai sus.d) elemente de aliere: influena lor se manifest prin modificarea poziieipunctelor critice i a intervalului n care are loc transformarea perlitic,precum i asupra fineei perlitei. Acest aspect se va analiza n cadrulcapitolului destinat diagramelor T.T.T.

43

Transformarea austenitei n martensit (martensitic)(transformare la rcire)

Dintre tipurile de transformri n stare solid, transformareamartensitic prezint cea mai mare nsemntate teoretic i practic, stand labaza celui mai important tratament termofizic al oelurilor - clirea.

Aceast transformare (numit scurt "martensitic") const ntransformarea soluiei solide de austenit ntr-o soluie solid suprasaturat decarbon n fier a, numit martensit:

Fe (C) Fe ' (C)(pentru a nu se confunda cu ferita Fe (C), soluia solid de feritsuprasaturat n carbon se va nota cu Fe '(C)).

Transformarea are loc la grade mari de subrcire, respectiv la viteze dercire mai mari dect viteza critic a transformrii. Prin vitez critic senelege viteza minim necesar pentru ca aceast transformare s poat avealoc.

Faza nou rezultat - martensita - are aceeai concentraie ca iaustenita din care a provenit, cu deosebirea c, atomii de fier ocup poziii noin reeaua cristalin (de la cubic cu fee centrate la o reea tetragonal).Procesul avnd loc cu vitez foarte mare, iar concentraia n carbon rmnndneschimbat, rezult clar c procesul de difuzie nu mai are loc, iartransformarea are un caracter revolutiv. Structura rezultat este deci ostructur metastabil (n afar de echilibru), avnd o duritate foarte ridicat.

Referitor la mecanismul acestei transformri s-au emis foarte multeipoteze. Una din ipotezele mai apropiate de realitate consider c, germenii demartensit apar pe planele de alunecare ce se nasc datorit strii puternictensionate a reelei de austenit supus rcirii cu vitez mare (figura 1.22a).

Fig. 1.22. Formarea structurii martensitice

44

Prin rcire n continuare apar noi plane de alunecare i lamele de martensitmereu noi, care vor mpri gruntele de martensit n volume din ce n ce maimici (figura 1.22b). Martensita avnd un volum specific mai mare dect alaustenitei, poriunile de austenit netransformat vor fi supuse uneicompresiuni multilaterale, care n faza final poate frna procesultransformrii (figura 1.22c). Cantitate de austenit care rmnenetransformat i apare n structur alturi de martensit se numete austenitrezidual. Ea poate fi transformat prin rcire n continuare la temperaturijoase sau prin tratamente ulterioare (revenire).

Examinnd curba cinetic a transformrii A M se constat ctransformarea se declaneaz la o anumit valoare a temperaturii, cnd aparprimele lamele (ace) de martensit (cca. 1 %); acest punct se numete punctulde nceput al transformrii i se noteaz cu Ms. Fenomenul se desfoar apoicu vitez mare (0,002 secunde) i scade din nou, la o anumit temperaturviteza fiind att de mic nct se poate considera ca punct de sfrit altransformrii, notat cu Mf. Intervalul de temperatur dintre Ms i Mf senumete interval de transformare martensitic i este caracteristic pentrufiecare aliaj n parte.

Factorii ce influeneaz transformarea austenitei n martensit

a) Viteza de rcire n intervalul de transformare. n cazul a dou probeaustenitizate n aceleai condiiuni, dar rcite cu viteze diferiteV1 >> V2, curbele cinetice ale transformrilor ne arat urmtoarele (figura1.23):

- n prima faz a transformrii Ms - M, n cazul vitezei mai mici V2 seobine o cantitate mai mare de martensit dect n cazul vitezei V1;

- n intervalul M - Mf, cantitatea mai mare de martensit se obine laviteza mai mare V,. n acest caz cantitatea de austenit rezidual estemai sczut cu %, fapt important n practica tratamentelor termice declire.n concluzie, n mod practic ar trebui ca n primul interval Ms - M

rcirea s se fac cu viteze mici, iar n intervalul M - Mf cu viteze mari,asigurndu-se o cantitate maxim de martensit. Aceast modalitate de rcireare o mare importan practic n cazul acelor aliaje unde austenita prezint omare stabilitate. Modalitile de rcire se vor prezenta la tratamentultermofizic de clire.

45

Punctul M la care se observ ce(e de mai sus se numete punct mijlociu ialturi de punctele Ms i Mf, reprezint punctele transformrii martensitice.b) ntreruperea procesului de rcire n intervalul de temperatur Ms - M nuinflueneaz cantitatea final de martensit format. Sub punctul M, prinoprirea rcirii se oprete i transformarea austenitei n martensit; la reluarearcirii procesul rencepe, dar cantitatea de martensit ce se formeaz este maimic. Deci ntreruperea rcirii duce la fenomenul de "stabilizare a austenitei".c) Mrimea gruntelui de austenit. Cu ct acesta este mai mare, cu attaustenita este mai stabil, transformndu-se mai greu i necesitnd o perioadde incubaie mai lung. Transformarea ei n martensit va necesita o vitez dercire mai mic.d) Compoziia chimic a aliajului. Coninutul de carbon are o influencomplex:

cu creterea coninutului de carbon se mrete stabilitatea austenitei; odat cu creterea procentajului de carbon, punctele critice ale

transformrii se deplaseaz ctre valori mai sczute ale temperaturii(figura 1.23);

Fig. 1.23. Intervalul de transformare al martensitei

46

Al i Co coboar punctele de transformare martensitic i mai alesstabilizeaz foarte mult austenita. La o serie ntreag de oeluri bogat aliate,influena elementelor de aliere este att de puternic nct structura finaldup clire, conine o cantitate extrem de ridicat de austenit rezidual (Rp -urile, C 120, etc.).

Transformarea austenitei n bainit

Prin rcirea austenitei n intervalul de temperatur 400 - 200 C cuviteze mai mari dect cea necesar transformrii perlitice i mai mici dectviteza critic corespunztoare transformrii martensitice, se va obine ostructur intermediar - bainita. Schema transformrii este:

Fe (C) Fe "(C)+ FexCBainita

Acest amestec mecanic const n ferit suprasaturat Fe "(C)'(s-anotat din considerente didactice pentru a nu se confunda cu cea a martensiteiFe '(C)), mai srac n carbon dect cea martensitic i carburi de tipul FexC,la rndul lor diferite de Fe3C. transformarea bainitic poate avea loc att ncondiiile rcirii continue ct i izoterme a austenitei; n ultimul caz tensiuniletermice vor fi aproape nule, fapt deosebit de important n practicatratamentelor termice.

Structura bainitei depinde de subrcire, rcirea austenitei la temperaturiimediat sub 400 C, favorizeaz apariia bainitei superioare. n gruntele deaustenit (figura 1.24) apariia germenilor de faz nou i creterea lordecurge dup aceleai legi ca i n cazul transformrii perlitice; apar plachetede ferit n care ulterior precipit, prin difuziune, carburile de tipul FexC dupo direcie ce face un unghi de 60 fa de direcia de cretere a plachetei deferit. Bainita superioar are proprieti mecanice mai bune dect perlita, dareste mai fragil.

O rcire a austenitei n zona temperaturilor imediat superioar lui200 C, favorizeaz apariia unei bainite de form acicular, numit bainitinferioar. Ferita suprasaturat n carbon apare sub forma unor ace n careprecipit ulterior carburile FexC, ca i n cazul bainitei superioare. Acele facunghiuri de 60 ca i n cazul martensitei, aspectul general fiind foarteasemntor cu al acesteia.

47

Fig. 1.24. Formarea bainitei

De altfel i caracteristicile mecanice sunt mai apropiate de alemartensitei dect de ale perlitei; duritate mai mare ca a perlitei, dar mai micdect a martensitei, rezilien mai bun dect a martensitei.

ntruct structurile bainitice mprumut o serie de caracteristici att dela structurile perlitice ct i de la cele martensitice, ele. se mai numesc istructuri intermediare. De altfel i mecanismul transformrii bainitice poate fiiconsiderat ca intermediar: ferita suprasaturat n carbon aprnd prinalunecare ca i n cazul transformrii martensitice, iar carburile FexC prinprocesul de difuzie, ce caracterizeaz transformarea perlitic. Decitransformarea bainitic poat

Tratamente termice

Documents

Transcript of Tratamente termice