Universitatea Tehnică „ Ghe. Asachi” IasiFacultatea de „Ştiinţa şi Ingineria Materialelor”
Profesor coordonator:
sef lucrari Perju Manuela
Student:BULUC GHEORGHE
Grupa 9303
Tema proiectului:
Să se proiecteze tehnologia de tratament termic primar şi final pentru
produsul „Arbore ” , executat din oţel marca 40Cr10, Stas 791 – 82, şi să se
determine numărul de utilaje de bază necesare pentru realizarea unei producţii de
200.000 bucăţi / an.
Cuprins:
Capitolul 1 - Studiul produsului din punct de vedere funcţional şi al proprietăţilor
necesare
Capitolul 2 - Caracteristicile oţelului OLC 60
Capitolul 3 - Studiul tehnologiei de prelucrare a materialului
3.1. Calculul temperaturii punctelor critice
3.2. Determinarea călibilităţii prin metoda Jominy
3.3. Calculul ariei şi volumului semifabricatului şi a piesei finite
3.4. Determinarea diametrelor critice de călire ideal şi real
Capitolul 4 - Calculul parametrilor termofizici ai materialului
4.1. Calculul temperaturilor medii pe intervale la răcire şi încălzire
4.2. Calculul parametrilor termofizici ai materialului
4.2.1. Căldura specifică (ci) 4.2.2. Conductivitatea termică (λi) 4.2.3. Masa specifică (ρi) 4.2.4. Difuzivitatea termică (ai) 4.2.5. Masa semifabricatului 4.2.6. Masa piesei finiteCapitolul 5 - Calculul tratamentului termic primar al semifabricatului
5.1. Alegerea variantei de tratament termic primar
5.2. Alegerea utilajului de încălzire
5.3. Recoacerea de normalizare
5.3.1. Determinarea temperaturii de normalizare 5.3.2. Determinarea temperaturii cuptorului
1
5.3.3. Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiaţie 5.3.4. Calculul criteriului Biot şi a timpilor de încălzire şi menţinere 5.3.5. Calculul curbei de răcire 5.3.6. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului producţiei date5.4. Recoacerea subcritică
5.4.1. Determinarea temperaturii de tratament termic şi a temperaturii cuptorului 5.4.2. Calculul curbei de încălzire şi al coeficientului global de încălzire 5.4.3. Calculul curbei de răcire 5.4.4. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului producţiei dateCapitolul 6 - Calculul tratamentului termic final
6.1. Călire martensitică
6.1.1. Caracteristicile cuptorului cu atmosferă controlată 6.1.2. Calculul curbei de încălzire 6.1.3. Calculul curbei de răcire 6.1.4. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului producţiei date6.2. Revenire înaltă
6.2.1. Determinarea temperaturii de tratament termic 6.2.2. Determinarea temperaturii cuptorului şi alegerea utilajului de încălzire 6.2.3. Calculul curbei de încălzire 6.2.4. Calculul timpului de menţinere 6.2.5. Calculul curbei de răcire 6.2.6. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului producţiei date
Capitolul 1
2
Memoriu justificativ de calcul
Studiul produsului din punct de vedere funcţional
şi al proprietăţilor necesare
Materialul din care se execută reperul „Arbore ”, se alege funcţie de tipurile
şi valorile solicitărilor la care este supus în timpul exploatării şi de asemenea în
funcţie de modul în care se realizează practic piesa (tipul de prelucrare mecanică şi
tipul de tratament temic).
Reperul „Arbore ” este utilizat pentru transmiterea unei mişcări de rotaţie în
angrenajul unui reductor, iar în timpul funcţionării este supus la următoarele
solicitări de bază:
- solicitări dinamice: oboseală prin încovoiere, şocuri mecanice;
- solicitări statice : încovoiere, torsiune;
- solicitări de frecare între suprafeţele de contact : presiune de contact ciclică
pe pereţi canal – pană, uzură la fusuri, solicitări de strivire filet;
- acţiunea chimică a lubrefiantului.
Materialul din care se realizează reperul prezintă caracteristici de rezistenţă
corespunzătoare pentru a rezista la solicitările impuse în timpul funcţionării.
Caracteristicile materialului depind de compoziţia chimică ( % C, %
elemente de aliere); de microstructură şi sunt determinate la rândul lor de
tratamentele termice aplicate.
Materialul, pe lângă caracteristicile mecanice, trebuie să prezinte
caracteristici tehnologice: călibilitate, prelucrabilitate prin aşchiere, sudabilitate,
etc.
3
Pentru obţinerea calităţilor necesare în exploatare se realizează un tratament
termic de călire + revenire înaltă, iar pentru îmbunătăţire prelucrabilitate prin
aşchiere, un tratament termic primar.
Capitolul 2
Caracteristicile oţelului OLC 60
2.1. Compoziţia chimică
CalitateaCompoziţia chimică, %
C Mn Si P S
-0,36
....
0,44
0,50
...
0,80
0,17
...
0,37
Max. 0,035Max. 0,035
S 0,02...0,04
-Max. 0,025
Max. 0,025
XS 0,02...0,04
OBSERVAŢII:
1. Elem. reziduale admise: max. 0,30 % Cr, max. 0,30 % Ni, max. 0,30 % Cu;
max. 0,05 % As;
2. X – Oţel elaborat superior; S – Oţel cu conţinut controlat de sulf.
VALORI ADOPTATE:
Compoziţie chimică, %
C Mn Si P S Cr Ni Cu As
0,40 0,60 0,27 0,035 0,035 1 - - -
4
2.2. Caracteristici mecanice
Tratamenttermic
Diametrul piesei[mm]
Rm
[N/mm2]Rp 0,2
[N/mm2]A5
[ %]KCU300/2
[J/cm2]
Normalizaremax.40 min.700 400 13 -
40 – 100 min.670 380 12 -100 – 250 min.650 360 11 -
Călire martensiticăvolumică +
Revenire înaltă
max 16 830 – 980 570 11 -16 – 40 780 – 930 490 13 -40 – 100 740 – 880 450 14 -100 – 250 min. 690 390 15 -
Pentru reperul studiat, de diametru max. 50 mm, caracteristicile mecanice ale
piesei sunt:
Tratamenttermic
Diametrul piesei[mm]
Rm
[N/mm2]Rp 0,2
[N/mm2]A5
[ %]KCU300/2
[J/cm2]Călire martensitică
volumică +Revenire înaltă
40 780 – 980 560 13 80
Capitolul 3
Studiul tehnologiei de prelucrare a materialului
Se va utiliza oţel sub forma de bară laminată cu = 40 + 10 = 50 mm.
Debitarea acestuia se va realiza la L = 410 + 10 = 420 mm la fierăstrău
circular.
Tratamentul termic primar aplicat are ca efect înlăturarea defectelor
prelucrărilor anterioare ( laminare) şi îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin aşchiere.
Prelucrările mecanice prin aşchiere aplicată pe strung sunt de degroşare şi de
finisare.
Prelucrările mecanice pe maşina de frezat sunt necesare pentru obţinerea
canalului de pană.
5
Mai este realizată şi operaţia de filetare.
Tratamentul termic final este aplicat pentru obţinerea caracteristicilor
necesare în exploatare.
Operaţiile finale sunt cele de prelucrare mecanică tip rectificare, finisare,
conuire şi CTC.
3.1. Calculul temperaturii punctelor critice
Se realizează cu relaţiile:
AC1 = 722 – 14 (%Mn) + 22 (%Si) + 23 (%Cr) – 14 (%Ni)
AC3 = 855 – 180 (%C) – 14 (%Mn) + 45 (%Si) + 2 (%Cr) – 18 (%Ni)
MS = 539 – 423 (%C) – 30,4 (%Mn) – 17,7 (%Ni) – 12,1 (%Cr) – 7,5 (%Mo)
Obţinem:
AC1 = 722 – 14 · 0,60 + 22 · 0,27 + 23 · 1 – 14 · 0
= 722 – 8,4 + 23 + 5,94 – 0 AC1 = 742,54 ° C
AC3 = 855 – 180 · 0,40 – 14 · 0,60 + 45 · 0,27 + 2 · 1 – 18 · 0
= 855 – 72 – 8,4 + 12,15 + 2 – 0 AC3 = 760,45 ° C
MS = 539 – 423 · 0,40 – 30,4 · 0,60 – 17,7 · 0 – 12,1 · 1 – 7,5 · 0
= 539 – 169,2 – 12,1 – 18,24 – 0 MS = 339,46 ° C
3.2. Determinarea călibilităţii prin metoda Jominy
Pentru utilizarea metodei Jominy se folosesc epruvete standardizate de tipul:
6
Metoda constă în încălzirea epruvetei până la
temperatura de călire a mărcii de oţel folosit, după care se face răcirea bruscă a
capătului epruvetei în condiţii stabilite:
- jetul de apă trebuie să ude numai suprafaţa frontală a epruvetei, fără a uda
pereţii laterali;
- debitul apei trebuie să fie constant;
La capătul răcit brusc cu apă se obţine o structură corespunzătoare operaţiei
de călire (95% martensită), iar de-a lungul generatoarei duritatea variază
descrescător începând de la capătul răcit cu apă, până ajunge la duritatea
corespunzătoare structurii ferito-perlitice de echilibru a materialului.
Calculul se realizează în funcţie de distanţa de la capătul răcit lc folosind
relaţiile:
- pentru lc ≤ 6 mm (95% martensită)
[ HRC]
[ HRC]
- pentru lc > 6 mm:
7
30
25
9
100
K –
punctajul grăuntelui austenitic, cu valori cuprinse între 5...8;
Vom adopta K = 5.
- pentru lc = 8 mm:
- pentru lc = 10 mm:
- pentru lc = 12 mm:
- pentru lc = 15 mm:
- pentru lc = 20 mm:
- pentru lc = 25 mm:
- pentru lc = 30 mm:
- pentru lc = 40 mm:
8
- pentru lc = 50 mm:
lc ≤ 6 8 10 12 15 20 25 30 40 5062,2 48,64 46,32 44,28 41,77 38,53 36,05 34,08 31,14 29
3.3. Calculul ariei şi volumului semifabricatului şi a piesei finite
z3.3.1. Calculul ariei şi volumului semifabricatului
73,5
9
Fig. 1. Banda de călibilitate a oţelului OLC 60
183
Semifabricatul folosit va avea forma prezentată în figura de mai jos.
Fig.2. Dimensiunile semifabricatului
Calculul ariei:
Atotală = Al + 2 · Ab
Al = 2πRh = 2 · 3,14 · 67 · 420 = 176719,2 mm2
Ab = π R2 = 3,14 · 672 = 14095,2 mm2
Atotală = 176719,2 + 2 · 14095,2 = 204910,12 mm2 = 0,204 m2
Calculul volumului: V = π R2 h = 3,14 · 672 · 420 = 5920093,2 mm3 = 0,00592 m3
3.3.2. Calculul ariei şi volumului piesei finite
Împărţind piesa în corpuri geometrice simple, obţinem 8 cilindri care
compun piesa şi înca 1 cilindru care reprezintă orificiul interior al piesei.
Calculul suprafeţei piesei:
Atotală = Al1 + Al2 + Al3 + Al4 + A15 + A16+ Al7 + Al8 + AC1 + AC2 – AC1 + AC3 – AC2 +
AC3 –AC4 + AC4 –AC5 + AC6 – AC5 + AC6 – AC7 + AC7 – AC8
Atotală = Al1 + Al2 + Al3 + Al4 + A15 + A16+ Al7 + Al8 +2AC3 + 2AC6 –2AC5 – AC8
1. Al1 = 2πRh = 2 · 3,14 · 40 · 81,25
= 20410 mm2
AC1 = πR2 = 3,14 · 402 = 5024 mm2
2. Al2 = 2πRh = 2 · 3,14 · 44,43 · 182,75
10
420
= 50990,9 mm2
AC2 = πR2 = 3,14 · 44,432 = 6190,07mm2
3. Al3 = 2πRh = 2 · 3,14 · 57 · 20
= 7159,2 mm2
AC3 = πR2 = 3,14 · 572 = 10201,86mm2
4. Al4 = 2πRh = 2 · 3,14 · 40 · 46
= 11555,2 mm2
AC4 = πR2 = 3,14 · 402 = 5024mm2
5. Al5 = 2πRh = 2 · 3,14∙2∙37
=464,72 mm2
AC5 = πR2 = 3,14 · 372 = 4298,6mm2
6. Al6 = 2πRh = 2 · 3,14∙40∙24
=6028,8 mm2
AC6 = πR2 = 3,14 · 402 = 5024mm2
7. Al7 = 2πRh = 2 · 3,14∙22∙35
=4835,6 mm2
AC7 = πR2 = 3,14 · 352 = 3846,5mm2
8. Al8 = 2πRh = 2 · 3,14∙32∙30
=6028,8 mm2
AC4 = πR2 = 3,14 · 302 = 2826mm2
Atotală = 107473,2 + 42734,9 = 150208,1 mm2 = 0,150208 m2
Calculul volumului piesei:
Vtotal = V1 + V2 + V3 + V4 – V5 +V6 + V7 + V8
V1 = π R2 h = 3,14 · 402 · 81,25 = 408200 mm3
V2 = π R2 h = 3,14 · 44,432 · 182,75 = 1132764,5 mm3
V3 = π R2 h = 3,14 · 572 · 20 = 204037,2 mm3
V4 = π R2 h = 3,14 · 402 · 46 = 231104 mm3
11
V5 = π R2 h = 3,14 · 372 · 2 = 8597,32 mm3
V6 = π R2 h = 3,14 · 402 · 24 = 120576 mm3
V7 = π R2 h = 3,14 · 352 · 22 = 84623 mm3
V8 = π R2 h = 3,14 · 302 · 32 = 90432mm3
Vtotal = 2280334 mm3 = 0,0022803 m3
3.4. Determinarea diametrelor critice de călire ideal şi real
Prin diametru critic se înţelege diametrul maxim al unei piese cilindrice din
oţel care se căleşte la duritatea semimartensitică în centrul secţiunii (înălţimea
piesei este egala cu dublul diametrului), duritatea martensitică fiind
corespunzătoare unei structuri cu 50% martensită în structură.
Cu ajutorul diametrelor critice se pot face aprecieri asupra călibilităţii
oţelurilor.
Etapele care se parcurg pentru determinarea diametrelor critice şi reale sunt
următoarele:
a) Cunoscând conţinutul de carbon se determină călibilitatea zonei
semimartensitice
C = 0,40% HRCsemimartensitic = 42
b) Cunoscând HRCsemimartensitic , cu ajutorul diagramei de călibilitate a oţelului 50VCr
11 se obţine lungimea zonei semimartensitice:
lcSM = 15
c) Cunoscând lungimea zonei semimartensitice se determină diametrul critic ideal
(Dci) , care reprezintă diametrul maxim al unei piese într-un mediu de călire ideal
cu viteză infinită de răcire:
Dci = 75
d) Cunoscând diametrul critic ideal, în funcţie de modul de agitaţie a mediului şi intensitatea de
răcire a mediului, se determină diametrele de răcire critice reale conform tabelului:
12
Medii de răcire Grad de agitare Dci [mm]Intensitatea de
răcireDcr [mm]
ulei fără agitare 75 0,2 20ulei agitare foarte bună 75 0,7 32apă fără agitare 75 1,0 44apă agitare foarte bună 75 1,6 52
Capitolul 4
Calculul parametrilor termofizici ai materialului
4.1. Calculul temperaturilor medii pe intervale la răcire şi încălzire
Intervalele pe care vor avea loc procesele de încălzire – răcire sunt:
La încălzire: 1) 20 ... 200 °C 2) 200 ... 400 °C 3) 400 ... 600 °C 4) 600 ... 800 °C 5) 800 ... 900 °C
Temperatura medie de pe fiecare interval se stabileşte cu relaţia:
,unde: Toi = temperatura iniţială pe intervalul i;
Tfi = temperatura finală pe intervalul i.
La încălzire: ;
La răcire:
13
La răcire : 1) 900 ... 800 °C 2) 800 ... 600 °C 3) 600 ... 400 °C 4) 400 ... 200 °C 5) 200 ... 20 °C
14
Temperatura în grade Kelvin se stabileşte cu relaţia:Tmed i (K) = Tmed i (°C) + 273 [K]
Obţinem: La încălzire: Tmed 1 (K) = Tmed 1 (°C) + 273 = 413,14 [K]
Tmed 2 (K) = Tmed 2 (°C) + 273 = 606,48 [K]
Tmed 3i (K) = Tmed 3 (°C) + 273 = 806,48 [K]
Tmed 4 (K) = Tmed 4(°C) + 273 = 1006,48 [K]
Tmed 5 (K) = Tmed 5 (°C) + 273 = 1139,81 [K]
La răcire : Tmed 1 (K) = Tmed 1 (°C) + 273 = 1106,48 [K]
Tmed 2 (K) = Tmed 2 (°C) + 273 = 938,81 [K]
iToi
[°C]Tfi
[°C]Tmed i
[°C]Tmed i
[K]ki
1 20 200 140 413,14 0,95
La încălzire2 200 400 333,33 606,48 0,853 400 600 533,33 806,48 0,754 600 800 733,33 1006,48 0,705 800 tt = 900 866,66 1139,81 0,65
1 tt = 900 800 833,33 1106,48 0,65
La răcire2 800 600 666,66 938,81 0,703 600 400 466,66 739,81 0,754 400 200 266,66 539,81 0,855 200 20 80 353,15 0,95
15
Tmed 3i (K) = Tmed 3 (°C) + 273 = 739,81 [K]
Tmed 4 (K) = Tmed 4(°C) + 273 = 539,81 [K]
Tmed 5 (K) = Tmed 5 (°C) + 273 = 353,15 [K]
4.2. Calculul parametrilor termofizici ai materialului
4.2.1. Căldura specifică (ci)
Se calculează cu relaţia:
unde: a, b = constante ce ţin cont de materialul din care se execută piesa
- pentru oţel: a = 0,112; b = 0,8.
La încălzire:
La răcire:
4.2.2. Conductivitatea termică (λi)
Se calculează cu relaţia:
unde: - ki = valoarea tabelată anterior;
- Σ = suma tuturor procentelor elementelor de aliere ce intră în compoziţia
oţelului + procentul de carbon
Σ = % C + % Mn + % Si + % Cr + % P + % S + % Ni + % Cu + % V + % Ti
16
Σ = 0,40 + 0,60 + 0,0035 + 0,035 + 0,27+1
Σ = 2,34 %
La încălzire:
La răcire:
4.2.3. Masa specifică (ρi)
Se calculează cu relaţia:
La încălzire:
La răcire:
17
4.2.4. Difuzivitatea termică (ai)
Se calculează cu relaţia:
La încălzire:
La răcire:
18
4.2.5.Masa semifabricatului
Se calculează cu relaţia:
Obţinem:
4.2.6. Masa piesei finite
Se calculează cu relaţia:
19
20
Nr.
crt.
Interval
[°C]
Toi
[°C]
Tfi
[°C]
Tmedi
[°C]
Ki ci
[J/kgK]
λi
[W/mK]
ai
[m2/s]
ρi
[kg/m3]
ρmed
[kg/m3]
msf
[kg]
mpf
[kg]
1 20-200 20 200 139,93 0,95 606,99 45,18 9,6·10-6 7751
7631
45.1
7
17,4
0
La
încă
lzir
e2 200-400 200 400 333,33 0,85 671,7 40,42 7,8·10-6 7691
3 400-600 400 600 533,33 0,75 738,66 35,67 6,3·10-6 7631
4 600-800 600 800 733,33 0,70 805,62 33,29 5,8·10-6 7561
5 800-900 800 900 866,66 0,65 850,22 30,91 5,6·10-6 7521
1 900-800 900 800 833,33 0,65 839,11 30,91 4,8·10-6 7531
7667
45.3
8
17,4
8
La
răci
re
2 800-600 800 600 666,66 0,70 783,31 33,29 5,2·10-6 7581
3 600-400 600 400 466,66 0,75 716,35 35,67 6,5·10-6 7651
4 400-200 400 200 266,66 0,85 649,4 40,42 8,0·10-6 7711
5 200-20 200 20 80 0,95 586,9 45,18 9,7·10-6 7861
21
Capitolul 5
Calculul tratamentului termic primar al semifabricatului
5.1. Alegerea variantei de tratament termic primar
Ca variante de tratament termic se alege o recoacere de normalizare
urmată de o recoacere de globulizare cu globulizare subcritică. Recoacerea de
normalizare se aplică în scopul regenerării structurii după prelucrările
anterioare de forjare, laminare sau matriţare, precum şi pentru obţinerea unei
bune omogenizări chimice şi structurale a materialului din care este executat
semifabricatul.
În principal se obţine o finisare a structurii. Recoacerea de normalizare
constă în menţinerea peste AC3 cu 30 – 60 °C pentru uniformizarea
temperaturii şi desăvârşirea transformării structurale urmată de răcire în aer
liber cu scopul micşorării mărimii grăuntelui, uniformizarea structurală şi
ameliorarea caracteristicilor mecanice şi tehnologice.
La oţelurile hipoeutectoide se obţine la răcire o structură perlitică fină,
care are în componenţă Ce lamelară, ce este abrazivă pentru scula aşchietoare.
Recoacerea subcritică de globulizare se aplică pentru a obţine o valoare
a durităţii convenabilă astfel încât semifabricatul să fie uşor prelucrabil prin
aşchiere.
Recoacerea subcritică constă în încălzirea oţelului sub AC1, menţinerea
o perioadă mai îndelungată urmată de o răcire lentă o dată cu cuptorul. În
urma acestui tratament se obţine o globulizare a perlitei lamelare formată
anterior. S-a modificat numai forma particulelor de cementită din perlită.
Tratamentul termic de globulizare se face subcritic (sub AC1) pentru a se
putea păstra efectul tratamentului termic de normalizare.
22
5.2. Alegerea utilajului de încălzire
Se foloseşte un cuptor cu flacărăr şi vatră fixă, încălzirea făcându-se cu
gaz metan şi având următorii parametri:
- temperatura maximă de încălzire a cuptorului este Tmax = 1100°C;
- lungimea este L = 1500mm = 1,5 m;
- lăţimea este l = 1000 mm = 1,0 m;
- înălţimea este h = 600 mm = 0,6 m;
- greutatea maximă a şarjei este Gmax = 500kg.
5.3. Recoacerea de normalizare
5.3.1. Determinarea temperaturii de normalizare
Se face cu relaţia:
TttN = AC3 + (30 ... 60 °C); [°C]
Se obţine:
TttN = 760,45 + 49,55 = 810 [°C]
TttN = 810 + 273 = 1073 [K]
5.3.2. Determinarea temperaturii cuptorului
Se face cu relaţia:
TC = TttN + (20 ... 60 °C); [°C]
Se obţine:
TC = 810 + 40 = 850 [°C]
TC = 850 + 273 = 1123 [K]
23
5.3.3. Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiaţie
Se face cu relaţia: αi = αc + αri [W/m2 · K] , unde:
● αc = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulaţia
gazelor în cuptor;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α c vor
fi:
αc = 5,58 + 3,9 · v – pentru suprafeţe netede;
αc = 6,15 + 4,19 · v – pentru suprafeţe rugoase;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor : v = 5...10 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 7,12 · v 0,78 – pentru suprafeţe netede;
αc = 7,52 · v 0,78 – pentru suprafeţe rugoase;
Deoarece avem de-a face cu un semifabricat, acesta nu va fi prelucrat
anterior prin aşchiere, deci va avea o suprafaţa rugoasă.
Pentru o viteză de circulaţie a gazelor în interiorul cuptorului a cărei
valoare adoptată este v = 8 m/s, obţinem:
αc = 7,52 · v 0,7 = 7,52 · 8 0,78 = 38,7 [W/m2 · K]
● αri = coeficient de transfer termic prin radiaţie, se calculează cu relaţia:
unde: TC = temperatura cuptorului, în grade Kelvin;
Tmed i = temperatura medie pe intervale, în grade Kelvin;
C0 = constanta de radiaţie a corpului negru , cu valoarea C0 = 5,77
W/m2 · K;
εr = grad redus de negreală, se calculează cu relaţia:
24
unde: - ε1 = grad redus de negreală al piesei încărcată în cuptor, cu valorile:ε1 = 0,9 pentru piese tratate anterior;
ε1 = 0,7 ...0,8 pentru piese semifabricate;
ε1 = 0,35...0,4 pentru piese cu luciu metalic.
Se adoptă: ε1 = 0,9
- ε2 = grad redus de negreală al zidăriei refractare, cu valoarea ε2 = 0,75.
- φ12 = coeficient ce depinde de aşezarea pieselor pe vatră. Se adoptă φ12 =
1
- φ21 = raportul dintre suprafeţele de radiaţie, se calculează cu relaţia:
Atot.semifabricat = 0,204 m2
Atot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h), [ m2 ]
Atot.cuptor = 2 · (1,5 · 1 + 1,5 · 0,6 + 1 · 0,6), [ m2 ]
Atot.cuptor = 6 [ m2 ]
Obţinem:
La încălzire:
25
Pentru o valoare a TttN = 810 [°C], vom calcula valoarea Tmed.5 cu relaţia
folosită anterior în paragraful 4.1:
Obţinem:
Rezultă: α1 = 38,7+123,8=162,5 [W/m2 · K]
α 2 = 38,7+ 159,17 = 197,87 [W/m2 · K]
α3 = 38,7+ 208,38 = 247,08 [W/m2 · K]
α4 = 38,7+ 273,61 = 312,31 [W/m2 · K]
α5 = 38,7+ 326,97 = 365,67 [W/m2 · K]
Nr.crt.
IntervalTC
[K]Tmed
[K]
αc
[W/m2 · K]
εr
αri
[W/m2 · K]
αi
[W/m2 · K]
1 20 – 200
1123
413,14
38,7 0,898
123,8 162,52 200 – 400 606,48 159,17 197,873 400 – 600 806,48 208,38 247,084 600 – 800 1006,48 273,61 312,315 800 – 807 1077,67 326,97 365,67
5.3.4. Calculul criteriului Biot şi a timpilor de încălzire şi menţinere
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia:
,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
26
- x = dimensiunea principală a semifabricatului, se calculează cu relaţia:
x = sf / 2 = 67 / 2 = 35 mm = 0,035 m
Obţinem:
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 20 – 200 162,5 45,180,
035
1,09
0,61
2 200 – 400 197,87 40,42 0,173 400 – 600 247,08 35,67 0,244 600 – 800 312,31 33,29 0,325 800 – 807 365,67 30,91 1,27
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se
consideră subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa semifabricatului, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria semifabricatului;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– TC = temperatura cuptorului, [°C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
27
tînc.total = t1 + t2 + t3 + t4 + t5
tînc.total = 323,5 + 367,5 + 519,8 + 1238 + 163 = 2612 [s]
Timpul de menţinere se calculează cu relaţia:
tmenţinere = tînc.total · ¼ = 2612 · ¼ = 653 [s]
Nr.crt.
Interval[°C]
m[kg]
ci
[J/kg · K]Asf
[m2]TC
[°C]αi
[W/m2 · K]tînc.i
[s]tînc.total
[s]tm.total
[s]1 20 – 200
45.1
7
606,99
0.15
850
162,5 323.5
2612 6532 200 – 400 671,7 197,87 367.53 400 – 600 738,66 247,08 519.84 600 – 800 805,62 312,31 12385 800 – 807 850,22 365,67 163
5.3.5. Calculul curbei de răcire
Răcirea la operaţia de normalizare se realizează în aer, pentru a se
obţine o structură de echilibru cu o granulaţie foarte fină.
Se foloseşte pentru calculul curbei coeficientul global de tratament
termic αaer funcţie de intervalul de temperatură, ţinând cont că răcirea se face în aer
liniştit.
28
Temperaturasuprafeţei [°C]
900 800 700 600 500 400 300 200 100 50
αaer
[W/m2 · K]116 98,6 81,2 63,8 46,4 34,8 23,2 17,4 17,4 17,4
Prin interpolare se determină αmed. i corespunzător temperaturilor medii
ale intervalelor.
Fig.5. Calcul prin interpolare
Obţinem:
Se calculează criteriul Biot la răcire pe intervale cu relaţia: ,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic al aerului pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a semifabricatului, se calculează cu relaţia:
x = sf / 2 = 60 / 2 = 30 mm = 0,030 m
29
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 807 – 800 99,4 30.91
0,03
5
0,096
0,04
42 800 – 600 75,4 33,29 0,0663 600 – 400 42,53 35.57 0,0354 400 – 200 21,27 40.42 0,0155 200 – 20 17,4 45,18 0,011
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se consideră
subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa semifabricatului, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria semifabricatului;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– Tmed.r = temperatura mediului de răcire, [Tmed.r = 20 °C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
30
tracire.total = t1 + t2 + t3 + t4 + t5
tracire.total = 22.8+908+2148+6490+2910=12748[s]
Nr.crt.
IntervalMasa[kg]
ci
[J/kg · K]Asf
[m2]Tmed.rac
[°C]T0i
[°C]Tfi
[°C]αi
[W/m2 · K]trac.i
[s]tracire.total
[s]1 807-800
45.1
7839,11
0,15 20
807 800 99,4 22.8
1274
82 800-600 783,31 800 600 75,4 9083 600-400 716,35 600 400 42,53 21484 400-200 649,4 400 200 21,27 64905 200-20 586,9 200 20 17,4 2910
31
5.3.6. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului
producţiei date
Timpul de utilizare a unui cuptor se calculează cu relaţia:
tu = tinc.tot + tmentinere = 2612 + 653 = 3265 [s] = 0,90 [h]
32
6
Timpul ciclului de funcţionare se calculează cu relaţia:
Tciclu = Ka · tu = 2 · 3265 = 6530 [s] = 1,81 [h] ,
unde Ka = coeficient necesar mişcării auxiliare.
Productivitatea încălzirii la tratamentul de normalizare se calculează cu
relaţia: , unde N – numărul de semifabricate din şarjă.
N = n1 · n2
,
unde: d – diam. max. al
semifabricatelor;
l – lăţimea cuptorului;
L – lungimea cuptorului.
Obţinem: n1 = (1500 – 100)/420 = 1400/420 = 3,41 Adoptăm n1 =4
n2 = 1000 / 57 = 14,9. Adoptam n2 = 15.
N = 4 · 15 = 60 semifabricate.
PN = 45,17 · 60 / 1,81 = 1497,3 kg/h.
Numărul de utilaje se calculează cu relaţia:
unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;
- Ki = coeficient ce depinde de gradul de încărcare al cuptorului (0,8÷0,9)
33
Fig.7.
Fig.6.
Se adoptă Ki = 0,8;
- Fr = fondul real de timp (Fr = (1 - ta) · Ft );
- Ft = fondul de timp al utilajului (Ft = 6777 ore/an);
- ta = timpul necesar pentru operaţii auxiliare ( ta = 0,15).
Fr = (1 - ta) · Ft = (1 – 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.
Deoarece Nu = 1.30 este necesar un singur cuptor
5.4. Recoacerea subcritică
După normalizare, semifabricatul rezultă cu o structură uniformă
omogenă din punct de vedere chimic şi structural, având o granulaţie fină
(normalizarea finisează structura).
Oţelul are o duritate de HRC ( s-a obţinut din diagramă, după
efectuarea răcirii).
Pentru a scădea duritatea semifabricatului astfel încât să fie uşor de
prelucrat prin aşchiere (forţe mici de aşchiere şi uzură redusă a sculelor) se va
realiza o recoacere subcritică de globulizare. Această operaţie are ca efect
modificarea cementitei din perlită, care este lamelară şi foarte abrazivă, în
cementită globulară.
34
5.4.1. Determinarea temperaturii de tratament termic şi a
temperaturii cuptorului
Determinarea temperaturii de globulizare se face cu relaţia:
TttG = AC1 - (30 ÷ 50 °C); [°C]
Se obţine: TttG = 742,5 – 32,5 = 710 [°C]
TttG = 710 + 273 = 983 [K]
Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relaţia:
TC = TttG + (20 ÷ 40 °C); [°C]
Se obţine: TC = 710 + 35 = 745 [°C] = 1018 [K]
35
Figura .8.
Fig.6.
5.4.2. Calculul curbei de încălzire şi al coeficientului global de încălzire
Calculul se realizează la fel ca în cazul normalizării, deoarece avem
acelaşi cuptor, cu excepţia gradului redus de negreală al piesei, deoarece acum
avem piesă tratată termic anterior.
Calculul se face cu relaţia: αi = αc + αri [W/m2 · K] , unde:
● αc = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulaţia
gazelor în cuptor;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile α c vor
fi:
αc = 5,58 + 3,9 · v – pentru suprafeţe netede;
αc = 6,15 + 4,19 · v – pentru suprafeţe rugoase;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor : v = 5...10 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 7,12 · v 0,78 – pentru suprafeţe netede;
αc = 7,52 · v 0,78 – pentru suprafeţe rugoase;
Deoarece avem de-a face cu un semifabricat, acesta nu va fi prelucrat
anterior prin aşchiere, deci va avea o suprafaţa rugoasă.
Pentru o viteză de circulaţie a gazelor în interiorul cuptorului a cărei
valoare adoptată este v = 7 m/s, obţinem:
αc = 7,52 · v 0,7 = 7,52 · 7 0,78 = 7,52 · 4,56 = 34,31 [W/m2 · K]
● αri = coeficient de transfer termic prin radiaţie, se calculează cu relaţia:
unde: TC = temperatura cuptorului, în grade Kelvin;
Tmed i = temperatura medie pe intervale, în grade Kelvin;
C0 = constanta de radiaţie a corpului negru , cu valoarea C0 = 5,77
W/m2 · K;
εr = grad redus de negreală, se calculează cu relaţia:
36
unde: - ε1 = grad redus de negreală al piesei încărcată în cuptor, cu valorile:ε1 = 0,9 pentru piese tratate anterior;
ε1 = 0,7 ...0,8 pentru piese semifabricate;
ε1 = 0,35...0,4 pentru piese cu luciu metalic.
Se adoptă: ε1 = 0,9
- ε2 = grad redus de negreală al zidăriei refractare, cu valoarea ε2 = 0,75.
- φ12 = coeficient ce depinde de aşezarea pieselor pe vatră. Se adoptă φ12 = 1.
- φ21 = raportul dintre suprafeţele de radiaţie, se calculează cu relaţia:
Atot.semifabricat = 0,15 m2
Atot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h), [ m2 ]
Atot.cuptor = 2 · (1,5 · 1 + 1,5 · 0,6 + 1 · 0,6), [ m2 ]
Atot.cuptor = 6 [ m2 ]
Obţinem:
La încălzire:
37
Pentru o valoare a TttG = 703 [°C], vom calcula valoarea Tmed.4 cu relaţia
folosită anterior:
Obţinem:
Rezultă: α1 = 38,7 + 88 = 126,7 [W/m2 · K]
α 2 = 38,7 + 116,5 = 154,2 [W/m2 · K]
α3 = 38,7 + 157,5 = 196,4[W/m2 · K]
α4 = 38,7 + 193,1 = 231,8 [W/m2 · K]
Nr.crt.
IntervalTC
[K]Tmed
[K]
αc
[W/m2 · K]
εr
αri
[W/m2 · K]
αi
[W/m2 · K]
1 20 – 200
1011
413,14
34,31 0,898
88 126,72 200 – 400 606,48 116,5 154,23 400 – 600 806,48 157,5 196,44 600 – 703 941,7 193,1 231,8
Calculul criteriului Biot şi a timpilor de încălzire şi menţinere
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia:
,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a semifabricatului, se calculează cu relaţia:
x = sf / 2 = 60 / 2 = 30 mm = 0,035 m
Obţinem:
38
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 20 – 200 122,3 45,95
0,03
0
0.089
0,152 200 – 400 150,81 41,1 0.12
3 400 – 600 191,81 36,28 0.174 600 – 703 227,41 33,86 0.22
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se
consideră subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa semifabricatului, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria semifabricatului;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– TC = temperatura cuptorului, [°C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
39
tînc.total = t1 + t2 + t3 + t4
tînc.total = 151 + 219 + 375 + 509 = 1254 [s]
Timpul de menţinere se calculează cu relaţia:
tmenţinere = tînc.total · ¼ = 1254 · ¼ = 314 [s]
40
Interval Tmed TC αc αri αti λi Bii ci msf ai · 10-6 tînc.i tînc.total tm.total
t0i
[°C]
tfi
[°C][K] [K] [W/m2 · K] [W/m · K] [J/kg · K] [kg] [m2 /s] [s] [s] [s]
20 200 413,14
1011 34,31
88 122,3 45,95 0,089 606,99
6,916
9,8 151
1254 314200 400 606,48 116,5 150,81 41,1 0,12 671,7 7,98 219
400 600 806,48 157,5 191,81 36,28 0,17 738,66 6,46 375
600 703 941,7 193,1 227,41 33,86 0,22 805,62 5,58 509
41
42
5.4.3. Calculul curbei de răcire
Piesele se răcesc continuu şi lent în cuptor, cu o viteză de răcire de 25 ÷
35°C/h, până la atingerea unei temperaturi notată Tevacuare, care pentru oţelurile de
îmbunătăţire sunt cuprinse în intervalul (250; 450) °C.
Vom adopta temperatura de evacuare Tevacuare = 300 °C, iar în cazul vitezei de
răcire vom adopta valoarea v = 30°C/h.
Cu valorile adoptate vom calcula timpul de răcire, cu formula:
După răcirea în cuptor urmează răcirea în aer, care se calculează folosind αaer
pe intervale.
Temperaturasuprafeţei [°C]
900 800 700 600 500 400 300 200 100 50
αaer
[W/m2 · K]116 98,6 81,2 63,8 46,4 34,8 23,2 17,4 17,4 17,4
Prin interpolare se determină αmed. i corespunzător temperaturilor medii ale
intervalelor.
Fig.9. Calcul prin interpolare
Obţinem:
Se calculează criteriul Biot la răcire pe intervale cu relaţia:
43
,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic al aerului pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a semifabricatului, se calculează cu relaţia:
x = sf / 2 = 60 / 2 = 30 mm = 0,030 m
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se consideră
subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa semifabricatului, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria semifabricatului;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i = αaer ;
– Tmed.r = temperatura mediului de răcire, [Tmed.r = 20 °C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
tracire.total = tracire cuptor + t1 + t2
tracire.total = 48360 + 705 + 3542 = 52607 [s] = 14,61 [h]
44
Interval αi λi Bii ci trăc.aer trăc. aer total
t0i
[°C]tfi
[°C][W/m2 ·
K][W/m ·
K][J/kg ·
K][s] [s]
300 200 21,27 41,1 0,016 694,4 70552607
200 20 17,4 45,95 0,011 586,9 3542
5.4.4. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului producţiei
date
Timpul de utilizare a unui cuptor se calculează cu relaţia:
tu = tinc.tot + tmentinere + tracire cuptor = 1254 + 314 + 48360 = 49928 [s]
= 13,87 [h]
45
Timpul ciclului de funcţionare se calculează cu relaţia:
Tciclu = Ka · tu = 2 · 49928 = 99856 [s] = 27,74 [h] ,
unde Ka = coeficient necesar mişcării auxiliare.
Productivitatea încălzirii la tratamentul de normalizare se calculează cu
relaţia: ,
unde N = 64 – numărul de semifabricate din şarjă (calculat anterior).
PN = 6,916 · 64 / 27,74 = 15,956 kg/h.
Numărul de utilaje se calculează cu relaţia:
unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;
- Ki = coeficient ce depinde de gradul de încărcare al cuptorului (0,8÷0,9)
Se adoptă Ki = 0,8;
- Fr = fondul real de timp (Fr = (1 - ta) · Ft );
- Ft = fondul de timp al utilajului (Ft = 6777 ore/an);
- ta = timpul necesar pentru operaţii auxiliare ( ta = 0,15).
Fr = (1 - ta) · Ft = (1 – 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.
Deoarece Nu = 18,81 sunt necesare 19 cuptoare
Capitolul 6
Calculul tratamentului termic final
Tratamentul termic final se aplică piesei finite şi ţine cont de proprietăţile
necesare în exploatare ale acesteia, şi anume: o rezilienţă bună şi o duritate ridicată
46
la suprafaţă, care imprimă proprietatea de rezistenţă la uzură. De exemplu, este
necesar în cazul suprafeţelor de contact pentru fusuri.
Duritatea e dată de operaţia de tratament termic de călire, iar tenacitatea
piesei se obţine în urma tratamentului termic de revenire înaltă, când se obţine o
structură sorbitică, cu bune proprietăţi de rezilienţă.
Tratamentul termic final se numeşte îmbunătăţire şi constă dintr-o călire
urmată de o revenire înaltă.
6.1. Călire martensitică
Pentru a se asigura o călire martensitică se foloseşte un cuptor cu
atmosferă controlată, cu tuburi radiante şi bazin de călire integrat.
Acest cuptor trebuie să realizeze două cerinţe:
- încălzirea pieselor în cuptor trebuie să fie lentă, astfel încât să nu apară
tensiuni termice mari, care pot duce la deformarea sau la fisurarea piesei;
- încălzirea trebuie să fie realizată într-o atmosferă care să nu producă
decarburarea stratului superficial al piesei.
47
Pentru aceasta se calculează potenţialul de carbon al atmosferei cuptorului ce
este necesar la un tratament termic corect, cu relaţia lui Gunnarson:
6.1.1. Caracteristicile cuptorului cu atmosferă controlată
Se foloseşte un cuptor cu atmosferă controlată, cu următorii parametri:
- temperatura maximă de încălzire a cuptorului este Tmax = 950°C;
- lungimea este L = 1200mm = 1,2 m;
- lăţimea este l = 760 mm = 0,76 m;
- înălţimea este h = 760 mm = 0,76 m;
- greutatea maximă a şarjei este Gmax = 600kg.
6.1.2. Calculul curbei de încălzire
6.1.2.1.Determinarea temperaturii de călire martensitică şi
a temperaturii cuptorului
TttCM = AC3 + (30 ÷ 50 °C); [°C]
Se obţine: TttCM = 760,45 + 30,55 = 791 [°C]
TttCM = 791+ 273 = 1064 [K]
Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relaţia:
TC = TttCM + (10 ÷ 20 °C); [°C]
Se obţine: TC = 791 + 10 = 801 [°C] = 1074 [K]
6.1.2.2. Calculul coeficientului de transfer de căldură la încălzire
48
Calculul se face cu relaţia:
αi = αc + αri [W/m2 · K] , unde:
● αc = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulaţia
gazelor în cuptor;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 5,58 + 3,9 · v – pentru suprafeţe netede;
αc = 6,15 + 4,19 · v – pentru suprafeţe rugoase;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor : v = 5...10 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 7,12 · v 0,78 – pentru suprafeţe netede;
αc = 7,52 · v 0,78 – pentru suprafeţe rugoase;
Deoarece avem de-a face cu piesa finită, aceasta fiind prelucrată anterior
prin aşchiere, va avea o suprafaţa netedă.
Pentru o viteză de circulaţie a gazelor în interiorul cuptorului a cărei valoare
adoptată este v = 7 m/s, obţinem:
αc = 7,12 · v 0,7 = 7,12 · 7 0,78 = 7,12 · 4,56 = 32,47 [W/m2 · K]
● αri = coeficient de transfer termic prin radiaţie, se calculează cu relaţia:
unde: TC = temperatura cuptorului, în grade Kelvin;
Tmed i = temperatura medie pe intervale, în grade Kelvin;
C0 = constanta de radiaţie a corpului negru , cu valoarea C0 = 5,77 W/m2 · K;
εr = grad redus de negreală, se calculează cu relaţia:
unde: - ε1 = grad redus de negreală al piesei încărcată în cuptor, cu valorile:
49
ε1 = 0,9 pentru piese tratate anterior;
ε1 = 0,7 ...0,8 pentru piese semifabricate;
ε1 = 0,35...0,4 pentru piese cu luciu metalic.
Se adoptă: ε1 = 0,4
- ε2 = grad redus de negreală al zidăriei refractare, cu valoarea ε2 = 0,75.
- φ12 = coeficient ce depinde de aşezarea pieselor pe vatră. Se adoptă φ12 = 1.
- φ21 = raportul dintre suprafeţele de radiaţie, se calculează cu relaţia:
Atot.piesa finită = 0,0356 m2
Atot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h), [ m2 ]
Atot.cuptor = 2 · (1,2 · 0,76 + 1,2 · 0,76 + 0,76 · 0,76), [ m2 ]
Atot.cuptor = (0,912 + 0,912 + 0,577) · 2 = 4,8 [ m2 ]
Obţinem:
La încălzire:
Pentru o valoare a TttCM = 791 [°C], vom calcula valoarea Tmed.4 cu relaţia folosită
anterior:
50
Obţinem:
Rezultă: α1 = 32,47 + 45,92 = 78,4 [W/m2 · K]
α 2 = 32,47 + 59,5 = 91,97 [W/m2 · K]
α3 = 32,47 + 78,83 = 111,3 [W/m2 · K]
α4 = 32,47 + 103,3 = 135,8 [W/m2 · K]
Nr.crt.
IntervalTC
[K]Tmed
[K]
αc
[W/m2 · K]
εr
αri
[W/m2 · K]
αi
[W/m2 · K]
1 20 – 200
1074
413,14
32,47 0,4
45,92 78,42 200 – 400 606,48 59,5 91,973 400 – 600 806,48 78,83 111,34 600 – 791 1000,3 103,3 135,8
6.1.2.3. Calculul criteriului Biot
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia: ,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a piesei, se calculează cu relaţia:
x = piesa / 2 = 50 / 2 = 25 mm = 0,025 m
Obţinem:
51
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 20 – 200 78,4 45,95
0,02
5
0,047
0,07
42 200 – 400 91,97 41,1 0,063 400 – 600 111,3 36,28 0,084 600 – 787 135,8 33,86 0,109
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se consideră
subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa piesei finite, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria piesei finite;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– TC = temperatura cuptorului, [°C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
tînc.total = t1 + t2 + t3 + t4
52
tînc.total = 119 + 175 + 275 + 822 = 1391 [s]
Timpul de menţinere se calculează cu relaţia:
tmenţinere = tînc.total · ¼ = 1391 · ¼ = 348 [s]
Nr.crt.
Interval[°C]
m[kg]
ci
[J/kg · K]Ap
[m2]TC
[°C]αi
[W/m2 · K]tînc.i
[s]tînc.total
[s]tm.total
[s]1 20 – 200
1,48
2606,99
0,03
56
807
78,4 119
1391 3482 200 – 400 671,7 91,97 1753 400 – 600 738,66 111,3 2754 600 – 787 805,62 135,8 822
6.1.3. Calculul curbei de răcire
La călire, răcirea se face în ulei de tratament termic, deoarece diametrul
piesei este de 50 mm şi nu este comparabil cu Dcr = mm.
Temperatura[°C]
900 800 700 600 500 400 300 200 100
α[W/m2 · K]
ulei 50°C 290 348 812 2552 3480 812 580 468 232apă 20°C 812 1160 2900 2320 2900 4680 13920 2320 928
6.1.3.1. Calculul criteriului Biot
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia:
,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a piesei, se calculează cu relaţia:
x = piesa / 2 = 50 / 2 = 25 mm = 0,025 m
53
Prin interpolare se determină αmed. i corespunzător temperaturilor medii ale
intervalelor.
Fig. 10 . Calcul prin interpolare
Obţinem:
Obţinem:
6.1.3.2. Calculul timpilor de răcire
Deoarece Bimed 0,25 piesa este considerată groasă, iar calculul timpilor
de răcire se face criterial, cu ajutorul criteriilor Biot şi Fourier.
Se va calcula:
unde: - T0i – temperatura iniţială pe intervalul i;
54
- Tfi – temperatura finală pe intervalul i;
- Tm – temperatura mediului ambiant = 20°C.
Pentru: ; .
Din diagramă rezultă:
- pentru c1 = s1 = 0.756 şi Bi1 = 1,084 Foc1 = 0,4 ; Fos1 = 0,1;
- pentru c2 = s2 = 0.655 şi Bi2 = 1,78 Foc2 = 0,3 ; Fos2 = 0,06;
- pentru c3 = s3 = 0.474 şi Bi3 = 0,33 Foc3 = 1,3 ; Fos3 = 1,05;
- pentru c4 = s4 = 0.05 şi Bi4 = 0,1 Foc4 = 14 ; Fos4 = 13,5;
Obţinem:
55
Timpul total de răcire este:
tc racire total = tc1 + tc2 + tc3 + tc4
tc racire total = 44 + 28 + 99 + 866 = 1037 [s]
ts racire total = ts1 + ts2 + ts3 + ts4
ts racire total = 11 + 6 + 80 + 835 = 932 [s].
Nr.crt.
Intervalx
[m]ai
[m/s2]Bii ci
si
Foci Fosi tc i
[s]ts i
[s]
1 787-600
0,025
5,72·10-6 1,084 0756 0,4 0,1 44 112 600-400 6,65·10-6 1,78 0,655 0,3 0,06 28 63 400-200 8,23·10-6 0,33 0,474 1,3 1,05 99 804 200-20 10,1·10-6 0,1 0,05 14 13,5 866 835
11
56
6.1.4. Calculul numărului de utilaje necesare realizării volumului
producţiei date
Timpul de utilizare a unui cuptor se calculează cu relaţia:
tu = tinc.tot + tmentinere = 1391 + 348 = 1739 [s] = 0,483 [h]
Timpul ciclului de funcţionare se calculează cu relaţia:
Tciclu = Ka · tu = 2 · 1739 = 3478 [s] = 0,966 [h] ,
unde Ka = coeficient necesar mişcării auxiliare.
Productivitatea încălzirii la tratamentul de călire martensitică se calculează
cu relaţia: , unde N – numărul de piese din şarjă.
N = n1 · n2
,
unde: d – diam. max. al
piesei;
l – lăţimea cuptorului;
57
L – lungimea cuptorului.
Obţinem: n1 = (1200 – 100)/312 = 1100/312 = 3,52 . Adoptăm n1 = 3.
n2 = 760 / 50 = 15,2 . Adoptam n2 = 15.
N = 3 · 15 = 45 piese.PN = 1,482 · 45 / 0,966 = 69,04 kg/h.
Numărul de utilaje se calculează cu relaţia:
unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;
- Ki = coeficient ce depinde de gradul de încărcare al cuptorului (0,8÷0,9)
Se adoptă Ki = 0,8;
- Fr = fondul real de timp (Fr = (1 - ta) · Ft );
- Ft = fondul de timp al utilajului (Ft = 6777 ore/an);
- ta = timpul necesar pentru operaţii auxiliare ( ta = 0,15).
Fr = (1 - ta) · Ft = (1 – 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.
Deoarece Nu = 0,93 este necesar un singur cuptor
6.2. Revenire înaltă
Imediat după operaţia de călire se aplică obligatoriu operaţia de revenire,
deoarece structura obţinută în urma călirii (martensită + austenită reziduală) este
instabilă şi fragilă, iar revenirea înaltă are scopul de a aduce materialul într-o stare
mai apropiată de echilibru, de a micşora fragilitatea materialului (creşte tenacitatea)
şi totodată micşorează valoarea tensiunilor interne datorate vitezelor mari de răcire
la care au fost supuse.
Structura obţinută după revenirea înaltă este o structură sorbitică, iar piesa
trebuie să capete caracteristicile mecanice trecute de proiectant pe desenul de
58
execuţie al piesei. Parametrii importanţi ai tratamentului termic de revenire sunt
temperatura de menţinere şi timpul de menţinere.
6.2.1. Determinarea temperaturii de tratament termic
Din tabelul cu caracteristici mecanice, în funcţie de dimensiunile piesei, se
alege temperatura de revenire.
12
59
Adoptăm Rm = 740 – 880 [N/mm2], iar din diagrama din figura de mai jos
adoptăm temperatura de revenire TR = 630 °C.
Fig. 13. Variaţia unor caracteristici mecanice în funcţie de temperatura de revenire
6.2.2. Determinarea temperaturii cuptorului şi
alegerea utilajului de încălzire
Determinarea temperaturii cuptorului se face cu relaţia:
TC = TttR + (10 ÷ 20 °C); [°C]
Se obţine: TC = 630 + 15 = 645 [°C] = 928 [K]
Pentru încălzire se foloseşte un cuptor electric, cu următorii parametri:
60
- temperatura maximă de încălzire a cuptorului este Tmax = 950°C;
- lungimea este L = 600mm = 0,6 m;
- lăţimea este l = 500 mm = 0,5 m;
- înălţimea este h = 500 mm = 0,5 m;
- greutatea maximă a şarjei este Gmax = 500kg.
6.2.3. Calculul curbei de încălzire
6.2.3.1. Calculul coeficientului de transfer de căldură la încălzire
Calculul se face cu relaţia:
αi = αc + αri [W/m2 · K] , unde:
● αc = coeficient de transfer termic convectiv, care depinde de circulaţia
gazelor în cuptor;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor cu valoarea: v < 5 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 5,58 + 3,9 · v – pentru suprafeţe netede;
αc = 6,15 + 4,19 · v – pentru suprafeţe rugoase;
- pentru o viteză de circulaţie a gazelor : v = 5...10 m/s, valorile αc vor fi:
αc = 7,12 · v 0,78 – pentru suprafeţe netede;
αc = 7,52 · v 0,78 – pentru suprafeţe rugoase;
Deoarece avem de-a face cu piesa finită, aceasta fiind prelucrată anterior prin
aşchiere, va avea o suprafaţa netedă.
Pentru o viteză de circulaţie a gazelor în interiorul cuptorului a cărei valoare
adoptată este v = 7 m/s, obţinem:
αc = 7,12 · v 0,78 = 7,12 · 8 0,78 = 7,12 · 4,56 = 32,47 [W/m2 · K]
● αri = coeficient de transfer termic prin radiaţie, se calculează cu relaţia:
61
unde: TC = temperatura cuptorului, în grade Kelvin;
Tmed i = temperatura medie pe intervale, în grade Kelvin;
C0 = constanta de radiaţie a corpului negru , cu valoarea C0 = 5,77 W/m2 · K;
εr = grad redus de negreală, se calculează cu relaţia:
unde: - ε1 = grad redus de negreală al piesei încărcată în cuptor, cu valorile:
ε1 = 0,9 pentru piese tratate anterior;
ε1 = 0,7 ...0,8 pentru piese semifabricate;
ε1 = 0,35...0,4 pentru piese cu luciu metalic.
Se adoptă: ε1 = 0,9
- ε2 = grad redus de negreală al zidăriei refractare, cu valoarea ε2 = 0,75.
- φ12 = coeficient ce depinde de aşezarea pieselor pe vatră. Se adoptă φ12 = 1.
- φ21 = raportul dintre suprafeţele de radiaţie, se calculează cu relaţia:
Atot.piesa finită = 0,0356 m2
Atot.cuptor = 2 · (L · l + L · h + l · h), [ m2 ]
Atot.cuptor = 2 · (0,6 · 0,5 + 0,6 · 0,5 + 0,5 · 0,5), [ m2 ]
Atot.cuptor = (0,30 + 0,30 + 0,25) · 2 [ m2 ]
Atot.cuptor = 1,7 [ m2 ]
Obţinem:
62
La încălzire:
Pentru o valoare a TttR = 630 [°C], vom calcula valoarea Tmed.4 cu
relaţia folosită anterior:
Obţinem:
Rezultă: α1 = 32,47 + 69,82 = 102,3 [W/m2 · K]
α 2 = 32,47 + 95,52 = 128 [W/m2 · K]
α3 = 32,47 + 133,3 = 165,8 [W/m2 · K]
α4 = 32,47 + 153,7 = 186,2 [W/m2 · K]
Nr.crt.
IntervalTC
[K]Tmed
[K]
αc
[W/m2 · K]
εr
αri
[W/m2 · K]
αi
[W/m2 · K]
1 20 – 200
918 413,14 32,47 0,896 69,82 102,32 200 – 400 606,48 95,52 128
63
3 400 – 600 806,48 133,3 165,84 600 – 630 893 153,7 186,2
6.2.3.2. Calculul criteriului Biot
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia:
,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe intervale;
- x = dimensiunea principală a piesei, se calculează cu relaţia:
x = piesa / 2 = 50 / 2 = 25 mm = 0,025 m
Obţinem:
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 20 – 200 102,3 45,95
0,02
5
0,025
0,092 200 – 400 128 41,1 0,078
3 400 – 600 165,8 36,28 0,114 600 – 630 186,2 33,86 0,13
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se consideră
subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
64
unde: – m = masa piesei finite, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria piesei finite;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– TC = temperatura cuptorului, [°C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
tînc.total = t1 + t2 + t3 + t4
tînc.total = 84 + 127 + 284 + 234 = 729 [s]
6.2.4. Calculul timpului de menţinere
Timpul de menţinere se calculează cu relaţia:
tmenţinere = D / 25 [h], deoarece D < 100 mm.
Obţinem: tmenţinere = 50 / 25 = 2 [h] = 7200 [s].
Nr.crt.
Interval[°C]
m[kg]
ci
[J/kg · K]Ap
[m2]TC
[°C]αi
[W/m2 · K]tînc.i
[s]tînc.total
[s]tm.total
[s]1 20 – 200
1,4 606,99
0,0
64
102,3 84 729 76002 200 – 400 671,7 128 127
65
82 25 53 400 – 600 738,66 165,8 2844 600 – 630 805,62 186,2 234
6.2.5. Calculul curbei de răcire
Se foloseşte pentru răcire aerul ca mediu de răcire pentru a obţine o structură
de echilibru cu o granulaţie foarte fină. Răcirea se face în aer liniştit şi se foloseşte
coeficientul de transfer termic αaer, calculat anterior pe intervale la operaţia de
normalizare.
Temperaturasuprafeţei [°C]
900 800 700 600 500 400 300 200 100 50
αaer
[W/m2 · K]116 98,6 81,2 63,8 46,4 34,8 23,2 17,4 17,4 17,4
6.2.5.1. Calculul criteriului Biot şi timpilor de răcire
Criteriul Biot este un criteriu adimensional şi se calculează cu relaţia: ,
unde: - αi = coeficientul de transfer termic total pe intervale;
- λi = coductivitatea termică pe
intervale;
- x = dimensiunea principală a piesei, se
calculează cu relaţia:
x = piesa / 2 = 50 / 2 = 25 mm = 0,025 m
Prin interpolare se determină αmed. i Fig.14.
Calcul prin interpolare corespunzător temperaturilor medii ale
intervalelor.
Obţinem:
66
Obţinem:
Nr.crt.
Intervalαi
[W/m2 · K]
λi
[W/m · K]
x[m]
Bii Bimediu
1 630 – 600 65,54 33,86
0,025
0,048
0,0242 600 – 400 42,53 36,28 0,033 400 – 200 21,27 41,1 0,014 200 – 20 17,4 45,95 0,009
Deoarece piesa are valoarea coeficientului Bimediu ≤ 0,25, piesa se consideră
subţire şi calculul timpului de încălzire se face cu relaţia:
unde: – m = masa semifabricatului, în kg;
– ci = căldura specifică pe interval;
– Asf = aria semifabricatului;
– αi = coeficient de transfer termic pe intervalul i;
– Tmed.r = temperatura mediului de răcire, [Tmed.r = 20 °C];
– Toi = temperatura iniţială a intervalului i , [°C];
67
– Tfi = temperatura finală a intervalului i , [°C].
Timpul total de răcire este:
tracire.total = t1 + t2 + t3 + t4
tracire.total = 25 + 295 + 942 + 1407 = 2669 [s]
Nr.crt.
IntervalMasa[kg]
ci
[J/kg · K]Asf
[m2]Tmed.rac
[°C]T0i
[°C]Tfi
[°C]αi
[W/m2 · K]trac.i
[s]tracire.total
[s]1 630-600
1,485
783,31
0,03
56
20
630 600 65,54 25
26692 600-400 716,35 600 400 42,53 2953 400-200 649,4 400 200 21,27 9424 200-20 586,9 200 20 17,4 1407
6.2.6. Calculul numărului de utilaje necesare realizării
volumului producţiei date
Timpul de utilizare a unui cuptor se calculează cu relaţia:
tu = tinc.tot + tmentinere = 729 + 7200 = 7929 [s] = 2,203 [h]
Timpul ciclului de funcţionare se calculează cu relaţia:
Tciclu = Ka · tu = 2 · 7929 = 15858 [s] = 4,405 [h] ,
unde Ka = coeficient necesar mişcării auxiliare.
68
Productivitatea încălzirii la tratamentul de călire martensitică se calculează
cu relaţia: , unde N – numărul de piese din şarjă.
N = n1 · n2
,
unde: d – diam. max. al
piesei;
l – lăţimea cuptorului;
L – lungimea cuptorului.
Obţinem: n1 = (600 – 100)/312 = 500/312 = 1,6 . Adoptăm n1 = 1.
n2 = 500 / 50 = 10 . Adoptam n2 = 10.
N = 1 · 10 = 10 piese.
PN = 1,482 · 10 / 4,405 = 3,364 kg/h.
Numărul de utilaje se calculează cu relaţia:
unde: - Vol.prod/an = 200.000 buc;
- Ki = coeficient ce depinde de gradul de încărcare al cuptorului (0,8÷0,9)
Se adoptă Ki = 0,9;
- Fr = fondul real de timp (Fr = (1 - ta) · Ft );
69
- Ft = fondul de timp al utilajului (Ft = 6777 ore/an);
- ta = timpul necesar pentru operaţii auxiliare ( ta = 0,15).
Fr = (1 - ta) · Ft = (1 – 0,15) · 6777 = 5760,45 ore / an.
Deoarece Nu = 16,99 sunt necesare 17 cuptoare
70
Top Related