2. ROLUL, DIVERSITATEA ŞI CLASIFICAREA TEHNOLOGIILOR DE TRATAMENTE TERMICE
Scopul tratamentelor termice este de a aduce materialul metalic într-o stare care să asigure proprietăţile optime posibile pentru satisfacerea rolului funcţional al reperului executat din el. Modific ări ale proprietăţilor metalelor prin tratamente termice au loc totdeauna în stare solid ă a lor, folosind acţiunea fizică şi chimică a conţinutului de căldur ă, respectiv a modificărilor variate ale acestuia în timp, ceea ce creeaz ă astfel diferite stări şi variaţii de temperatur ă, reprezentând premisele declanşării şi desf ăş ăşur ării unor procese interioare hotărâtoare în structura şi starea tensională a metalelor şi aliajelor. Prezenţa. unor împrejur ări chimice, mecanice, magnetice, electrice, etc. pot influenţa specific aceste procese interioare. Natural că diferite metale şi aliaje se comportă fiecare într-un mod anumit, faţă de aceste stări şi variaţii ale conţinutului de căldur ă., respectiv de temperatur ă având eventual prezente şi unele dintre împrejur ările amintite. Aceasta impune o diversificare adecvată a tehnologiilor tratamentelor termice, adaptate diferitelor metale şi aliaje pentru a avea efect maxim în ob ţinerea proprietăţilor dorite. 2.1 Condiţiile aplicabilit ăţii cu efect a tratamentelor termice
Un metal sau aliaj nu se preteaz ă la nici un tratament termic, respectiv acesta ar ineficace, dacă în intervalul de temperatur ă al tratamentelor termice (limitat ca valoare superioar ă de temperatura solidusului primar) nu ar prezenta cel puţin una dintre st ările sau fenomenele fizico - chimice următoare: a) Transformări alotropice în stare solidă. Tratamentul termic în asemenea cazuri acţionează de obicei prin crearea sau anularea unei stări în afar ă de echilibru, bazată pe transformarea alotropică. b) Variaţia limitei de satura ţie a unei faze de solu ţie solidă cu schimbarea temperaturii. Efectul tratamentului termic poate fi deplasarea liniilor pseudolichidus (GS şi SE la aliajele Fe-C) sau chiar suspendarea par ţială sau completă a precipitării fazei în exces la r ăciri mai rapide. c) Tendinţa de deplasare a punctelor critice , a lichidusului şi solidusului primar precum şi a pseudolichidusurilor şi pseudosolidusurilor secundare, ter ţiare, etc., cu ocazia solidificării şi r ăcirii prea rapide a aliajelor mai ales care au faze cu viteze de 77
difuzie reduse, rezultând astfel cristalizări în afar ă de echilibru cu faze necorespunzătoare diagramei de echilibru şi cu segregări dendritice. Tratamentele de recoacere de omogenizare şi de aducere în stare de echilibru (mai ales în cazul unor neferoase turnate) acţionează deci la readucerea aliajului în starea corespunzătoare diagramei de echilibru. d) Starea ecruisată, datorită deformărilor plastice la rece (eventual şi la cald) a metalului. Tratamentul de recoacere de recristalizare reface reţeaua deformată şi microstructura. e) Starea elastic pretensionată a reţelei cristaline datorită dilatărilor sau contracţiilor termice şi structurale (cauzată de procesele de solidificare, încălziri, r ăciri eventual legate de transformări fizice etc.) sau datorită deformărilor plastice. Tratamentele de recoaceri de detensionare şi par ţial revenirile au rolul de a înlătura această stare. f) Posibilitatea schimbării compoziţiei chimice prin difuzia atomilor străini în reţeaua atomică. Tratamentele termochimice devin eficace pe această cale. g) Instabilitatea chimică sau fizică a unor faze în echilibru sau în afară de echilibru la anumite condiţii de temperatur ă. Este baza tratamentelor de grafitizare, a revenirilor, a tratamentului maraging, tratamente de precipitare etc. h) Posibilitatea modific ării dislocaţiilor şi a domeniilor magnetice în anumite condiţii termice şi fizico - chimice (tratamentele termomagnetice, termomecano - magnetice). Metalele şi aliajele care nu îndeplinesc cel pu ţin una din condiţiile ar ătate, şi la care deci tratamentul termic nu are nici un efect asupra lor, sunt considerate în general inferioare din punct de vedere industrial. Varietatea mare de tehnologii de tratamente termice în cazul unei diversit ăţi mari de metale şi aliaje existente se explic ă prin posibilitatea existenţei uneia sau concomitent a mai multor condiţii din cele analizate mai sus, precum şi prin posibilitatea de combinare cantitativ diferită şi multiplă a acestor proprietăţi Ia multe dintre ele. Num ărul variantelor în tehnologia tratamentelor termice creşte şi prin faptul c ă pe lângă acţiunile pur termofizice şi termochimice, proprietăţile metalelor şi aliajelor pot f modificate şi prin prezenţa unor acţiuni mecanice (deformări plastice etc.), magnetice (tratament termic în câmp magnetic), electrice (tratament în câmp electric), etc.
78
2.2 Clasificarea şi terminologia tehnologiilor de tratamente termice
Diversitatea metalelor şi aliajelor precum şi posibilităţile multiple de procese modificatoare de proprietăţi (prezentate la punctul precedent) explică varietatea foarte mare a tehnologiilor de tratamente termice cunoscute în stadiul actual al dezvolt ării tehnice. Tocmai această mare varietate a tehnologiilor de tratamente termice impune necesitatea sistematizării lor printr-o clasificare cât se poate de completă, bazată pe criterii de clasificare ştiinţifice fenomenologic şi didactic justificate. Concomitent se impune şi precizarea terminologiei corecte, adecvată principiului de clasificare, deoarece multe dintre denumirile unor tratamente termice au un caracter comercial (denumirea de brevet) sau individualiste, provenite de la autorii tehnologiei, f ăr ă să fie pusă în concordanţă cu vreun criteriu de clasificare unic, consecvent aplicat. În tabelele următoare se prezintă o propunere de clasificare folosind şi o terminologie adecvată sistemului de clasificare propus. Categoria tehnico-ştiinţifică "tratamente termice" are un conţinut corespunzător unei sfere în care se înglobeaz ă totalitatea tehnologiilor de tratamente termice. Clasificările după criteriile de clasificare generală a "tratamentelor termice" trebuie să conţină deci totalitatea tehnologiilor de tratamente termice, independent de materialul prim şi de geometria pieselor pentru care se aplică. După caracterul fundamental sau aplicativ al criteriului de clasificare generală se propune o clasificare generală principală (fundamentală) şi o clasificare generală secundară (aplicativă). În vederea sistematizării tratamentelor din diferite domenii specializate ale tehnologiilor de tratamente termice, cu reducerea sferei şi conţinutului categoriilor de tratamente termice speciale se adoptă şi criterii de clasific ări particulare, simplificatoare. Aceste criterii de clasificare particulare pot lua în considerare unele sisteme de aliaje, rolul funcţional, geometria sau natura de provenienţă a pieselor sau a unor semifabricate etc. In aceste clasificări particulare, natural, se înglobeaz ă numai o parte a tratamentelor termice. Tabelul 2.1 indică cele două clasificări generale şi câteva exemple de clasificări particulare cu precizarea principiului, respectiv a criteriului de clasificare.
79
Tabelul 2.1 Clasificarea tratamentelor termice după criterii cu caracter: fundamental, aplicativ şi simplificator. I. Clasificarea (fundamentală)
generală
principală: După mecanismul transformărilor interioare şi după natura acţiunilor declanşatoare a 1. Tr. termofizice (propriu-zise). transformărilor. 2. Tr. termochimice. 3.Tr. termomecanofizice (termomecanice). 4. Tr. termomecanochimice. 5. Tr. termomagnetice. 6. Tr. termomecanomagnetice. 7. Tr. termoelectrochimice. II. Clasificarea generală (aplicativă) l. Tr. termice p ătrunse. 2. Tr. termice superficiale.
secundar ă: După adâncimea de pătrundere a efectului tratamentului termic.
III. Clasificări particulare:
După criterii simplificatoare ca:
De exemplu tratamente termice: - ale feroaselor (oţelurilor, fontelor, etc.) - ale neferoaselor - ale oţelurilor refractare, inoxidabile, etc.
- după sisteme de aliaje
- ale arborilor cotiţi - ale arcurilor - ale roţilor dinţate pieselor de tratat termic - după rolul funcţional - ale sculelor aşchietoare, etc. - ale şinelor de cale ferată - ale benzilor de oţel - ale sârmelor de otel . - ale pieselor sinterizate, etc.
- după forma şi natura pieselor - etc.
Fiecare clasificare generală sau particular ă conţine denumirea (terminologia) grupelor de tratamente termice cu conţinutul şi sfera astfel reduse. Denumirea grupelor provine de la criteriul de clasificare. 80
În cazul clasificării generale principale (fundamentale, aceasta având un caracter teoretic) criteriul de clasificare este natura mecanismului transformărilor interioare şi felul acţiunilor care declanşează transformările. Denumirea primei grupe "tratamente termofizice" este justificată prin: a) Mecanismul transformărilor, ele fiind procese ale fizicii solidelor (metalelor) ca: - transformări alotropice (fazice), fie prin difuzie (cu caracter evolutiv), fie prin basculări (cu caracter revolutiv, cu salt); - histereze - termice (subr ăciri, supraîncălziri); - dizolvări (puneri în soluţie), suprasatur ări, precipitări, coalescenţe, coagulări, restaur ări, relaxări, reversiune, etc.; b) Cauzele declanşatoare, sunt procesele termice repartizate în timp şi spaţiu. La "tratamentele termochimice" mecanismul transformărilor constă în modificări ale compoziţiei chimice (alieri prin difuzie); cauze declanşatoare, ca mai înainte; procese termice. La "tratamentele termomecanofizice" (sau pe scurt "termomecanice") mecanismul transformărilor constă în procesele fizicii metalelor, ca la tratamentele termofizice; cauzele declanşatoare fiind procesele termice şi mecanice (deformări plastice, vibraţii). La "tratamentele termomecanochimice" mecanismul transformărilor este generat de transformări ale compoziţiei chimice, de fapt ca şi la tratamentele termochimice; cauzele declanşatoare sunt procesele termice şi mecanice (ca şi la tratamentele termomecanice). La "tratamentele termomagnetice" mecanismul transformărilor constă în modificări ale proprietăţilor magnetice, eventual procese fizice; cauzele declanşatoare sunt procesele termice combinate cu acţiunea unui câmp magnetic. La "tratamentele termomecanomagnetice" mecanismul transformărilor constă în modificările proprietăţilor magnetice pe nivelul domeniilor magnetice (texturi orientate); cauzele declanşatoare sunt procesele termice, acţiuni mecanice (deformări plastice) şi acţiunea unui câmp magnetic. La "tratamentele termoelectrochimice" mecanismul transformărilor constă în modificări ale compoziţiei chimice, prin difuzie; cauzele declanşatoare sunt procesele electrotermice şi prezenţa unui câmp electric (activarea adsorbţiei atomilor str ăini prin electroionizare). Aceste grupe (categorii) de tratamente termice pot fi subclasificate la rândul lor, la fel, după criterii de subclasificare generale (fundamentale, aplicative) sau particulare.
81
Tabelul 2.2 Subclasificarea generală, principală a tratamentelor termice. Tratamente termice T.T.): 1. Tratamente termofizice - recoacerile (T.T.F) - călirile - revenirile După criterii metalografice: - îmbunătăţirea - durificările prin precipitare - reversiunea - maraging 2.Tratamente termochimice - cementare (C) (T.T.Ch.) - nitrurare (N) dur ă, anticoroziv; oxinitrurare (N, O) - carbonitrurare; cianurare joasă (N, C) (nitrurare moale); oxicarbonitrurare După criteriul elementului (N,C,O) de îmbogăţire. (simbolul - nitrocarburare; cianurare înaltă (C, N) chimic al elementului de (carbonitrurare înaltă) îmbogăţire în paranteză): - sulfizare (S) - sulfocianurarea (S, C, N) - metalizările prin difuzie (Al, Cr, Si, B, Zn, etc.) - maleabilizarea în mediu oxidant - feroxarea 3. Tratamente termomecanofizice -Tr. termomecanice cu deformare la rece: (T.T.M.F.) -Tr. termomecanic prealabil(T.T.M.P.) (tratamente termomecanice) -Tr. de precipitare (T.T.M.Pr.) -Tr. termomecanice cu deformare la cald După criteriul temperaturii -Tr. termomecanic la temperaturi joase de deformare plastică (T.T.M.Tj.) înaintea sau în timpul -Tr. termomecanic la temperaturi tratamentului termofizic, înalte(T.T.M.Tî.) sau după natura energiei -Tr. termomecanice cu ultrasunete vibrante comunicate: (T.T.M.Us.)
82
Tabelul 2.2 (continuare): 4. Tratamente termomecanochimice (T.T.M.Ch.) (cu deformare prealabilă sau cu ultrasunete) 5. Tratamente termomagnetice (T.T.Mg.) 6. Tratamente termomecanomagnetice(T.T.M.Mg.) 7. Tratamente termoelectrochimice (T.T.E.Ch.)
- cementare - nitrurare - cianurare joasă, carbonitrurare - cianurare înaltă, nitrocarburare - sulfizare, sulfocianurare - recoacerea în câmp magentic a aliajelor magnetice - normalizare, călire în câmp magnetic - tratamentul de orientare al texturii magentice a aliajelor magnetice - nitruare ionică (cu descărcări luminiscente) - sulfizare electrolitică
Tabelul 2.2 conţine subclasificarea grupelor de tratamente termice după clasificare generală principală (tabelul 2.1 ), indicând la fiecare grup ă de tratament termic ( 1 ÷ 7) un simbol prescurtat (în parantez ă) şi criteriul de subclasificare. Denumirea (terminolgia) subgrupelor se conformează criteriilor de subgrupare. La tratamentele termochimice (2), cele cu acelaşi efect de îmbogăţire, dar realizate în medii gazoase sau lichide, pot avea denumiri diferite, acceptabile, iar cele trecute în parantez ă trebuiesc abandonate, deoarece nu mai corespund criteriului de subclasificare. Cianur ării (ev. cianizării) joase (se înţelege la temperatur ă joasă) îi corespunde cu acelaşi tratament în mediul gazos: carbonitrurarea unde verbul "a nitrura" indică efectul termochimic preponderent de nitrurare faţă de cementare. Cianur ării înalte îi corespunde în mediul gazos nitrocarburarea cu efect preponderent de carburare. Clasificarea secundar ă generată (aplicativă) a tuturor tratamentelor termice împarte pe acestea în dou ă grupe mari după un criteriu de clasificare semnificativ din punctul de vedere al practicii industriale (deci cu caracter aplicativ); adâncimea de pătrundere preconizată a efectului tratamentului termic în secţiunea perpendicular ă pe suprafaţa pieselor de tratat termic. Adică, dacă se caută o pătrundere a efectului tratamentului termic, cât se poate până la centrul de simetrie a piesei (tratamente termice pătrunse),
83
sau numai într-o adâncime relativ mică faţă de secţiunea (grosimea) totală a piesei (tratamente termice superficiale) - aşa cum cere rolul funcţional al reperului tratat termic. Natural, tratamentele termice pătrunse şi superficiale se înglobeaz ă în clasificarea generală principală, de la care provine şi denumirea principală a lor. La acestea se poate adăuga denumirea secundar ă ("pătrunsă" sau "superficială"). Tabelul 2.3 Tratamente termice pătrunse: l. Tratamente termofizice - Recoacerile: - recoacerea de omogenizare - recoacerea de echilibru - recoacerea de normalizare - recoacerea de înmuiere (globulizare) - recoacerea de recristalizare - recoacerea de detensionare - recoacerea de stabilizare - recoacerea de resturare la gr ăunţe mari - recoacerea de grafitizare - recoacerea de maleabilizare - recoacerea pentru eliminarea fragilităţii de decapare, etc. - Călirile: - călire cu r ăcire continuă - călire izotermă (austempering) - călire etajată (în trepte, martempering) - călire în băi calde sub MF ( l 50 - 180 °C) - tratament sub 0 °C - Revenirile: Revenirile: - revenire joasă - revenire medie - revenire înaltă - revenire pentru durificare secundar ă - Maraging - Îmbunătăţirea - Durificări prin precipitare: - tratament de punere în soluţie + tratament de precipitare (îmb ătrânire) 2. Tratamente termochimice 3. Tratamente termomecanofizice 4. Tratamente termomagnetice 5. Tratamente termomecanomagnetice (Toate variantele din tabelul 2.2)
84
Tabelul 2.4 Tratamente termice superficiale (T.T.s.) 1. Tratamente termofizice superficiale: - Călirile superficiale: A. Metoda continuă (succesivă) a) rotativă b) translatorie c) rotativ - translatorie B. Metoda intermitentă (simultană) a) staţionar ă b) rotativă c) oscilatorie - călirile O.Ce. - călirile prin scăldare (imersie) - călire cu flacăr ă: - oxiacetilenică - oximetanică - cu plasmă - călire cu role (prin rezistenţă de contact) - călire în electrolit - călire prin inducţie 2. Tratamente termochimice superficiale: - feroxarea (Fe304) - cementarea (C) - nitrurarea (N) (dur ă, anticorozivă), oxinitrurare (N,O) - carbonitrurarea, cianurarea joasă (N,C) (nitrurare moale), oxicarbonitrurare (N,C,O) - nitrocarburarea, cianurarea înaltă (C,N) (carbonitrurare înaltă) - sulfizarea (S) - sulfocianurare (S, C, N) joasă, medie, înaltă, borurare (B) - metalizări prin difuzie: alitare (Al), cromare (Cr) siliciere (Si), titanare (Ti), etc. - carbometalizări prin difuzie: carbonitrurare (Ti,C), etc. 3. Tratamente termomecanochimice superficiale: - toate tratamentele termochimice superficiale - cu deformare plastică prealabilă sau concomitentă - cu vibrare prin ultrasunete 4. Tratamente termoelectrochimice superficiale: - nitrurare ionică (cu descărcări luminiscente) - sulfizare electrolitic ă - borurare cu electroliză, etc. - metalizări în câmp electric (prin pulverizări catodice, prin evapor ări în vid) 85
Deoarece, unele tratamente termice actualmente se aplică numai pătruns, altele (practic) numai superficial, iar o parte atât p ătruns cât şi superficial, subclasificarea lor se continuă în tabelele 2.3 şi 2.4. Acestea combină clasificarea generală principală cu cea secundar ă. Tabelul 2.3 conţine subclasificarea primei grupe de tratamente termice (grupa tratamentelor termice pătrunse) după clasificarea generală, secundar ă (aplicativă). Subclasificarea se face după criteriile clasificării generale, principale (fundamentale), din tabelul 2.2. În acest tabel, din motive de spaţiu disponibil se continuă subclasificarea (sub - subclasificare) generală, principală a tratamentelor termice, folosind ca şi criteriu de sub subclasificare: starea structurală şi tensională, existentă după efectuarea tratamentului termic (Ia recoaceri), modul (curba) r ăcirii (la c ăliri), după intervale de temperatur ă pentru cele trei grade de revenire a martensitei, respectiv după tipul revenirii (la reveniri) etc. Tabelul 2.4 prezintă subclasificarea celei de-a doua grupă de tratamente termice (grupa tratamentelor termice superficiale), după clasificarea generală secundar ă (aplicativă). Şi aici subclasificarea se face după criteriile clasificării generale, principale (fundamentale) din tabelul 2.2. Din tabelul 2.4 reiese că dintre toate tratamentele termofizice, doar călirea se aplică superficial. Călirile superficiale prezintă însă o importanţă deosebită în construcţia de maşini. Deoarece ta sub - subclasificarea călirilor se prezintă şi sistematizarea (cu terminologia unică recomandată) metodele de realizare a acesteia, cu variantele lor. Subclasificarea călirilor superficiale se face după natura sursei de energie calorică, necesar ă încălzirii, respectiv călirii superficiale. La denumirea finală (în cazul unui reper) se adaugă însă şi metoda de executare cu precizarea variantei acesteia. Evident, că toate tratamentele termochimice, inclusiv cele termomecanochimice şi termoelectrochimice, sunt în primul rând tratamente termice superficiale.
86
Evaluare
1. Cum se clasifică tratamentele termice? 2. Ce sunt tratamentele primare? 3. Care sunt tratamentele secundare şi care sunt?
87
