Tratamente termice și materiale speciale __________________________ TRATAMENTE TERMICE
CAPITOLUL I
NOŢIUNI INTRODUCTIVE INTRODUCTIVE
1.1 Definiţie.
Tratamentele termice sunt o succesiune de etape ce constau în
încălzirea, menţinerea şi răcirea unor aliaje metalice în scopul obţinerii unor anumite structuri care să asigure un ansamblu dorit de caracteristici fizico-chimice fără a modifica starea de agregare a materialului.
1.2 Clasificarea tratamentelor termice.
Dat fiind complexitatea modificărilor care se pot produce în semifabricate (prin aplicare de încălziri şi răciri controlate, în funcţie de starea iniţială a aliajului, scopul tratamentului, etc.) la ora actuală în literatura de specialitate nu există o clasificare unică a tratamentelor termice. Din multitudinea criteriilor care se pot lua în consideraţie, am selectat următoarele: 1.2.1 După locul pe care îl ocupă în fluxul tehnologic:
- tratamente termice preliminare (primare); (primare); - tratamente termice finale (secundare).
1.2.2
După natura aliajelor din care sunt confecţionate
produsele:
-
tratamente termice ale otelurilor; otelurilor;
-
tratamente termice ale fontelor; fontelor;
-
tratamente termice ale neferoaselor; neferoaselor;
8_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
tratamente termice ale metalelor speciale.
1.2.3
După adîncimea de pătrundere a efectului tratamentelor
termice:
- tratamente termofizice pătrunse; - tratamente termofizic termofizice de suprafaţă
(superficiale); (superficiale);
- tratamente termochimice de suprafaţă.
1.2.4 După mecanismul transformărilor interioare care au loc:
-
tratamente termofizice; -recoaceri : -fără transformare de fază – de ordinul I : -de omogenizare ; -de recristalizare ; -de detensionare ; -cu transformare de fază – de ordinul II : -de regenerare ; -de normalizare ; -de globulizare ; -de maleabilizare. -căliri : - pătrunsă pătrunsă ; -într -un -un singur mediu ; -în două medii ; -în trepte ; -izotermă ; -criogenică. -superficială ; -cu flacără ;
9_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
prin inducţie ; - prin -în electroliţi ; -în topituri ; -prin contact ; -de punere în soluţie-durificare prin precipitare ; -reveniri ;
joasă ; - joasă -medie ; -înaltă ; -
tratamente termochimice; termochimice; -sherardizarea; -cementarea ; -nitrurarea -nitrurarea ; -carbonitrurarea -carbonitrurarea ; -sulfizarea ; -oxinitrurarea -oxinitrurarea ; -sulfoceanurarea, -borizarea -tratamente termice în abur
-
supraîncălzit, etc.
metalizări prin difuzie; -aluminizarea ; -silicizarea ; -titanizarea ; -zincarea; -cromarea; -nichelarea; -cadmierea, etc;
-
tratamente termice neconvenţionale : - tratamente termomecanice;
10_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -de temperatură înaltă ; -de temperatură joasă ; -cu deformare pla stică: -anterioară tratamentului termic ; -concomitent cu tratamentul termic ; -ulterioară tratamentului termic . -tratamente termomagnetice; termomagnetice; -tratamente cu radiaţii laser; -tratamente cu fascicul de electroni; -tratamente termice în vid ;
1.2.5
După natura organelor de maşini şi a semifabricatelor la
care se aplică: - tratament e termice aplicate batiurilor şi carcaselor ; - tratamente termice aplicate cilindrilor; cilindrilor; - tratamente termice aplicate recipientelor; recipientelor; - tratamente termice aplicate ghidajelor; - tratamente termice aplicate organelor de asamblare demontabile
plastică la rece; executate prin deformare plastică - tratamente termice aplicate organelor de asamblare demontabile
executate prin aşchiere; - tratamente termice aplicate organelor de asamblare elastice ; - tratamente termice aplicate organelor de maşini
în mişcare;
- tratamente termice aplicate osiilor şi axelor; - tratamente termice aplicate arborilor cotiţi ; - tratamente termice aplicate arborilor cu came ; - tratamente termice aplicate roţilor dinţate, coroanelor, pinioanelor şi axelor canelate; - tratamente termice aplicate pistoanelor; pistoanelor; 11_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - tratamente termice aplicate supapelor ; - tratamente termice ale
rulmenţilor;
- tratamente termice ale arcurilor; - tratamente termice ale arborilor cotiţi; etc.
1.2.6. După natura sculelor :
- tratamente termice aplicate sculelor
aşchietoare ;
-tratamente termice ale pânzelor de
ferăstrău;
-tratamente termice ale cuţitelor dintr -o bucată ; -tratamente termice ale cuţitelor din două bucăţi ; -tratamente termice ale broşelor ; -tratamente termice ale frezelor ; -tratamente termice ale burghielor ; -tratamente termice ale alezoarelor ; -tratamente termice ale tarozilor ; -tratamente termice ale filierelor ; - tratamente termice aplicate sculelor pentru prelucrare la rece a materialelor metalice prin deformare plast ică şi tăiere ; - tratamente termice aplicate sculelor pentru prelucrarea la cald a materialelor metalice ;
1.2.7. După forma şi natura semifabricatelor:
-
tratamente termice ale benzilor din oţel;
-
tratamente termice ale sârmelor;
-
tratamente termice ale şinelor de cale ferată;
-
tratamente termice ale pieselor sinterizate, etc.
1.2.8.Tratamente termice aplicate îmbinărilor sudate;
-anterioare ; 12_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -concomitente ; -ulterioare ;
1.3 Ciclurile tratamentelor termice
Ciclul unui tratame nt termic este prezentat în figura 1. 1.
Fig.1.1
Principalii parametrii ai unui tratament termic sunt - temperatura de
următorii:
încălzire;
- timpul de
încălzire;
- timpul de
menţinere;
- timpul de
răcire;
- viteza de răcire; - viteza de încălzire. Viteza de răcire este data de raportul dintre de
diferenţa temperaturilor
încălzire şi a mediului ambiant şi timpul scurs de la începerea răcirii
pana la finalul acesteia. o
V=(Tînc-To)/(t1-to) [ C/min]
V=ΔT/Δt=tgα. 13_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Încălzirile aferente tratamentelor termice sunt de mai multe feluri ca în figurile 1.2, 1.3, 1.4.
Fig.1.2
Fig.1.3
Fig.1.4
În figura 1.2 este reprezentată încălzirea directă, încălzirea cu preîncălzire figura 1.3, iar figura 1.4 se prezintă graficul încălzirii în trepte. Se observă o izotermă în dreptul timpului de preîncălzire. Menţinerea în procesul tratamentului termic se clasifică în 2 moduri:
14_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.1.5
Fig.1.6
- menţinere controlat ă la temperatura de încălzire , figura 1.5; - menţinere pendular ă în jurul temperaturii de încălzire figura 1.6. Graficele curbelor răcirilor sunt prezentate
Fig.1.7
în figurile 1.7, 1.8, 1.9.
Fig.1.8
Fig.1.9
15_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
În figura 1.7 se prezintă răcirea directă intr-un singur mediu. În figura 1.8 se prezintă răcirea în 2 medii. Graficul
răcirii în trepte este prezentat în figura 1.9. Se observ ă o
menţinere izoterma b’b’’ la timp de menţinere Tiz, în scopul omogenizării temperaturii din corpul supus tratamentelor termice. Exista cicluri complexe de tratamente termice formate din mai multe curbe de
încălzire, menţinere şi răcire, figura 1.10.
o
T[ C]
t(h) Fig.1.10
Piesele care trebuie tratate termic se
spală de oxizi, grăsimi şi se
curăţă de vopsea.
1.4 Condiţiile
transformărilor de faza ale materialelor metalice. Transformările de fază sunt date de următorul grafic, figura 1.11. In zona I se observă că peste temperatura punctului A 1 Fp>Fa, deci perlita
se poate transforma în austenita. In zona 2 se observă că energia liberă a austenitei este mai mare decât energia libera a perlitei, aceasta ducând la transformarea austenitei în perlită.
16_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.1.11
În zona 3 se observ ă că energia liberă a austenitei este mai mare decât energia libera a martensitei pana la temperatura To. Zona 4 este cuprinsa între 2 linii paralele de energie liber ă
şi
anume Fm şi Fp. Din acest fapt rezult ă că întotdeauna martensita se poate transforma
în perlită indiferent de temperatura la care se face tratamentul
termic. 1.5 Mediile de
încălzire
ale pieselor supuse tratamentelor
termice.
Încălzirea se poate face prin conducţie, convecţie şi radiaţie în cuptor. Piesele se pot
Fig.1.12
încălzii în următoarele moduri:
Fig1.13
17_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.1.14
Fig.1.15
Fig.1.16
Tc - temperatura cuptorului; Ts - temperatura la
suprafaţa piesei;
Ti - temperatura în interiorul piesei.
În figura 1.12 se prezintă graficul încălzirii în cuptoare în care temperatura cuptorului creste
odată cu temperatura piesei. În figura 1.13
temperatura cuptorului coincide cu temperatura de dintre Ts
încălzire , diferenţa
şi Ti fiind mai mare ca în cazul precedent. În figura 1.14 se
prezintă graficul încălzirii pieselor mari, groase. În figura 1.15 se prezintă
18_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
încălzirii la care temperatura cuptorului este mai mare decât
graficul
temperatura de încălzire.
În figura 1.16 este reprezentat graficul cu preîncălzire pentru omogenizarea temperaturii din interiorul piesei.
Încălzirea pieselor se mai poate face şi în bai de săruri , sau prin efectul Joule-Lentz.
1.6 Efectele mediului de
încălzire şi răcire
asupra pieselor
tratate termic.
Se cunosc 2 mari efecte
ale mediului de încălzire asupra
materialelor pieselor supuse tratamentelor termice: - oxidarea; - decarburarea. Oxidarea are loc
în cuptoare la încălzirea pieselor datorit ă prezenţei
în mediul de încălzire a oxigenului, vaporilor de ap ă şi dioxidului de carbon. Fe+1/2O2=>FeO; Fe+H2O=>FeO+H2; Fe+CO2=>FeO+CO. Ordinea
oxidării metalelor este următoarea: Cu, Ni, Mb,W, Fe, Cr,
Mn, Si. Metodele de protecţie împotriva oxidăr ii sunt următoarele: - acoperirea suprafeţei cu argilă, borax, etc. - încălzirea să se facă în medii controlate; -
împachetarea pieselor în ţevi muflate sau în cutii cu aşchii sau
cărbune. Decarburarea se
realizează datorit ă temperaturilor înalte la care se
face tratamentul termic.
19_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Ea se
defineşte prin părăsirea atomilor de C din partea exterioara a
materialului piesei. Constituie un dezavantaj deoarece materialul metalic pierde în duritate. Cauzele care duc la decarburare sunt: - contactul piesei cu hidrogenul, cu vapori de apa
şi cu dioxidul de
carbon. C+CO2=>2CO C+H2O=>CO+H2 C+2H2=>CH4
20_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL II UTILAJE NECESARE TRATAMENTELOR TERMICE
2.1 Clasificarea utilajelor de încălzire .
Obţinerea unor piese tratate termic, de calitate superioară şi la un cost scăzut, a impus perfecţionarea şi diversificarea continuă a utilajelor pentru efectuarea acestor operaţii specifice. Într -o primă formă, gruparea lor se poate face în utilaje de încălzire, utilaje de răcire şi utilaje şi instalaţii auxiliare. Piesele tratate termic de o calitate superioar ă necesită perfecţiuni
şi un preţ scăzut
şi diverse utilaje specifice acestei operaţii.
Clasificarea acestor utilaje este - utilaje pentru
încălzire;
- utilaje pentru
răcire;
următoarea:
- auxiliare. Dintre acestea ponderea cea mai mare o ocup ă utilajele de cu 70%. Cele mai importante utilaje de pot fi proiectate
încălzire
încălzire sunt cuptoarele. Acestea
în funcţie de dimensiunile piesei, temperatura de
încălzire, automatizarea proceselor, etc. La alegerea unui cuptor trebuie să se ţină seama de o serie de factori, ca: tipul tratamentului tehnic (temperatura), forma şi dimensiunile piesei, seria de fabricaţie ş.a. Dificultatea costă în faptul că acelaşi tratament termic se poate efectua în cuptoare diferite, sau că acelaşi cuptor poate fi utilizat pentru mai multe tratamente termice.
Soluţia optimă se poate stabili numai în urma unor aprecieri comparative a diverselor tipuri de cuptoare, ţinând cont de particularităţile constructive şi parametrii tehnici şi economici. Clasificarea cuptoarelor se face
în funcţie de:
a. temperatura de încălzire: 21_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ o
- p înă la 300 C se poate realiza revenirea joas ă,
încălzirea aliajelor
neferoase: o
-300-550 C revenire medie, nitrurare, etc. o
-500-750 C recoaceri subcritice, revenire
înaltă, recoacere de
detensionare. o
-700-950 C
călirea oţelurilor şi fontelor, recoaceri de omogenizare
ale aliajelor metalice neferoase; o
încălzirea oţelurilor refractare, recoacere de
-900-1150 C
omogenizare a aliajelor metalice aliate. -1100-1350
o
C
călirea oţelurilor rapide, sinterizarea carburilor
metalice. Cuptoarele pot avea atmosfera normal ă
şi controlat ă şi pot fi
mecanizate. În ultimul timp o pondere mare o au cuptoarele electrice. b. după felul de încălzire :
- cu flacără; - cu curent electric - cu rezisten ţe feroase şi neferoase; - prin inducţie. c.după felul folosirii:
- cu funcţionare continuă; - periodică. d.după manevrarea pieselor:
- orizontale; - verticale.
Pentru producţia individuală sau de serie mică cuptoarele tip cameră cu funcţionare periodică sunt cele mai utilizate. Deservirea lor se poate executa manual (piese mici) sau mecanic, în care scop se utilizează dispozitivele adecvate.
Încălzirea cuptoarelor se poate asigura cu flacără sau electric, 22_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
în ambele cazuri putându-se folosi tuburi radiante sau mufle pentru o mai bună uniformizare a temperaturii în interiorul camerei cuptorului sau folosirea atmosferelor controlate.
După forma şi dispunerea camerei, cuptoarele pot fi cu vatră orizontală, care la rândul ei poate să fie fixă sau mobilă, şi cuptoare verticale. Cuptoarele trebuie
să aibă o putere destul de mare pentru a putea
încălzii atmosfera, piesele şi să acopere pierderile. Deoarece instalaţiile încălzite electric au o serie de avanta je, comparativ cu cele cu flacără: pot uniformiza mai bine temperatura pot concentra
în mediul de încălzire;
cantităţi mari de oxigen în volumul mic;
temperatura se pot regla mai fin, din 5
în 5 o;
se pretează mult mai uşor la automatizare; ele sunt tot m ai răspândite. Ca dezavantaj sunt mari consumatoare de electricitate; Sunt mai economice cuptoarele cu
flacără.
În figura 2.1 se prezintă cuptorul cu flacără: 1-arzător; 2-vatră; 3-coş de evacuare a gazelor;
Fig.2.1 23_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.2.2
În figura 2.2 se prezintă cuptorul cu încălzire prin rezistenţă electrică. 1-elemente încălzire; 2-uşă; 3-termocuplă; 4-camera de lucru; 5-căptuşeală refractară; 6-vatră din oţel refractar .
Fig.2.3
24_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
În figura 2.3 se prezintă schematic cuptorul cu tuburi radiante. Se foloseşte pentru obţinerea de temperaturi mai înalte. Tuburile sunt realizate din oţeluri refractare aliate cu 25% Cr
şi 12% Ni.
Fig.2.4
În figura 2.4 se prezintă încălzirea prin inducţie electromagnetica: 1-piesa; 2-inductor; 3-distanţier.
Fig.2.5 Cuptor cu inductie 25_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Cuptoarele camera pentru temperaturi ridicate sunt produse in
gama de temperaturi de 750°C - 1200°C, fiind incalzite cu sisteme de incazire electrica cu rezistori metalici sau tuburi radiante. Cuptoarele pot fi utilizate pentru tratamente termice de recoacere, normailizare, calire. Cuptoarele camera pentru sunt produse
și in gama de temperaturi
scazute : 100°C - 750°C , echipate cu sisteme de recirculare a aerului in spatiul de lucru (agitatoare si ecrane de recirculare),cu o uniformitate a
temperaturii de ±5°C.
Fig.2.6 Cuptoarele camera
Cuptoarele verticale sunt realizate in doua variante tehnologice cu retorta si cu ecrane de recirculare:
26_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
pentru temperaturi joase, intre 150°C si 750°C , utilizate la
tratamente termice (revenire,detensionare), termochimice (nitrurare, nitrocarburare) si tratamente termice aliaje. -
pentru temperaturi ridicate (750°C - 1100°C) , utilizate la
tratamente termice (calire, recoacere, normalizare) si termochimice (carburare, carbonitrare). - Cuptoarele de tratamente termochimice (carburare, nitrurare) sunt prevazute cu sisteme de ardere a gazelor tehnologice la evacuarea din cuptor.
Fig.2.7 Cuptoarele verticale
În figura 2.8 se prezintă o linie continua de tratament termic si termochimic in atmosfera controlata pentru piese mici , productivitate 50500kg/h temperatura de lucru 800 - 1 050°C. Componenta standard : - sistem de incarcare-dozare sarja (compus din incarcator vibrator, cantar dozator, echipat cu cantar electronic, skip de incarcare) - cuptor austenitizare - bazin ulei cu elevator - masina de spalat 27_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - cuptor revenire - bazin brunare.
Fig.2.8 Linie continua de tratament termic
Cuptoarele cu vatra mobila pot fi realizate cu sisteme de incalzire cu gaz sau cu sisteme de incalzire electrica (cu rezistori metalici). Ele se produc in doua game de temperatura : - 100°C - 650°C pentru detensionare, revenire; -
750°C - 1100°C pentru recoacere,maleabilizare, normalizare,
calire.
Fig.2.9 Cuptoarele cu vatra mobila 28_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Instalatiile sunt prevazute cu sisteme automate de conducere a parametrilor de proces (viteza de incalzire, viteza de racire). Particularitatea cuptoarelor
cu băi de săruri constă în mediile de
încălzire folosite, care pot fi: ulei, săruri sau metale topite. Faţă de cuptoarele cu cameră, cele cu băi au avantajul că asigură o uniformitate mai mare a încălzirii, ca urmare a conductivităţii termice a lichidelor
faţă de cea a gazelor. De asemenea, asigură o viteză
mai mare de încălzire ( mai mare), protecţia pieselor faţă de oxidare şi decarburare.
Ca dezavantaje se semnalează consumul mare de energie, ca urmare a pierderilor te rmice
mari (în special în oglinda băii), necesitatea
folosirii neîntrerupte din cauza duratei mari de punere în funcţiune, condiţii grele de lucru şi nocive ş.a. Aceste instalaţii pot avea capacităţi diferite şi pot lucra la diferite temperaturi în funcţie de natura băii întrebuinţate. Băile de ulei sunt încălzite electric şi se folosesc până la 250oC pentru revenirea joasă a oţelurilor şi îmbătrânirea aliajelor neferoase.
Băile de săruri până la 650oC se utilizează pentru reveniri medii
şi înalte, tratamente termochimice de cianizare, preîncălzire la
prima treaptă a sculelor din oţel rapid, căliri în trepte şi izoterme etc. Până la 950oC sunt utilizate pentru călire, preîncălzirea treptei a doua (850 oC) a sculelor din oţel rapid, cementarea sau cianizarea înaltă. o
Pentru temperaturi peste 1000 C se folosesc numai pentru
încălzirea finală a sculelor din oţel rapid. În figura 2.10 se prezintă un cuptor cu baie de săruri încălzit cu flacără.
29_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.2.10.Cuptor cu baie de săruri încălzit cu flacără: 1-manta metalică;2-cărămidă de diatomită;3-cameră de ardere;4 -arzătoare; 5-orificiu pentru aprindere;6-canal de fum;7-evacuare
în caz de avarie;8 -
creuzet
Alte tipuri de cuptoare sunt prezentate în figurile de mai jos.
Fig.2.11 Cuptor de tratament termic o
in vid pina la 800 C cu racire rapida
30_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.2.12 Cuptoare cu vatra rotativa
2.2 Utilaje de răcire .
Utilajele de răcire sunt plasate de regulă în vecinătatea instalaţii lor de încălzire, deservind una sau mai multe dintre acestea. Alegerea lor se face în funcţie de tratamentul (structura dorită) şi tehnologia aplicată. Astfel, pentru tratamentul de recoacere, unde se impune o răcire lentă, nu sunt necesare instalaţii speciale de răcire. În aceste cazuri, răcirea lentă după ciclul prescris se face în cuptor prin oprirea de regulă a alimentării cu energie. Dacă răcirea se face prea rapid, se recurge la oprirea intermitentă a cuptorului după nevoie, iar dacă este prea lentă (piese masive) se deschid uşile, ceea ce conduce la o răcire neuniformă şi degradarea rapidă a zidăriei refractare. La recoacerile izoterme, când se cere o răcire rapidă în intervalul critic de transformare, în cazul cuptoarelor continue, acestea au o cameră de prerăcire accelerată, prevăzută cu ventilatoare sau tuburi metalice prin care circulă apa. Pentru normalizare, în cele mai multe cazuri, nu sunt necesare instalaţii speciale, răcirea având loc pe solul atelierului sau direct pe 31_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
vatra cuptorului la cuptoarele cu vatră mobilă. Mai rar se recur ge la răcirea în gropi sau în retorte metalice, acestea din urmă fiind răcite intens la exterior printr-un curent de aer. Utilajele propriu- zise
de răcire apar în cazul tratamentelor
secundare de călire, când de regulă poartă denumirea de băi de călire. O primă calificare se poate face după modul lor de acţiune şi anume, cu acţiune periodică şi cu acţiune continuă. Un alt mod de clasificare se poate face după gradul de mecanizare, băile putând fi mecanizate şi nemecanizate. În funcţie de mediul folosit ca agent de răcire se întâlnesc băi cu răcire cu apă sau cu soluţii apoase şi băi de ulei sau produse petroliere. Indiferent de tipul băii de călire, pentru buna funcţionare a acesteia, se impune ca temperatura mediului de răcire să fie, pe cât posibil, constantă şi menţinută în anumite limite. 2.2.1 Băi de călire cu reîmprospătarea lichidului de răcire
Din punct de vedere constructiv sunt cele mai simple, fiind constituite dintr-un recipient paralelipipedic sau cilindric, din ta blă
de
grosime adecvată, în care se află lichidul de răcire. Menţinerea temperaturii lichidului de răcire în limitele prescrise se realizează prin introducerea lichidului proaspăt prin partea inferioară şi evacuarea celui cald prin parte superioară. La băile cu înălţime mare, pentru a nu se crea diferenţe prea mari de temperatură pe înălţimea băii, introducerea lichidului proaspăt se face prin mai multe puncte pe înălţimea acesteia. Pentru evacuarea lichidului dislocat de piesele introduse în baie, precum şi a celui rezultat în urma dilatării termice, baia de călire este prevăzută la partea superioară cu o „pungă de evacuare”.
32_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.2.13 Baie de călire cu
reîmprospătarea lichidului
2.2.2 Băi cu răcirea mediului de călire
În această categorie intră de regulă băile cu ulei, la care menţinerea temperaturii lichidului de răcire în limitele dorite se face prin răcirea uleiului. Acest lucru se poate realiza în mai multe moduri ca de exemplu : baia de călire se prevede cu pereţi dubli printre care circulă apă (fig.2.14) sau în baie se montează un radiator răcit cu apă (f ig.2.15 ) şi, în fine, baia se prevede
cu serpentine de răcire (fig.2.16). Dintre acestea băile cu
serpentine sunt cele mai răspândite.
Fig.2.14 Bazin cu cămașă de apă de răcire
Fig.2.15 Bazin cu radiator
Fig.2.16 Bazin cu serpentină
33_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Dimensionarea acestor băi este identică cu a celor cu reîmprospătarea lichidului, faţă de care în plus apar serpentine de răcire. Aceasta se face
din ţeavă de cupru prin care circulă apă şi se dispune pe
lângă pereţii băii. Căldura introdusă de piese în baie este preluată de serpentină prin suprafaţa exterioară. 2.2.3 Băi
cu turn de răcire Apa caldă este evacuată în rezervorul 2 unde este preluată prin filtrul 3 de pompa 4 și transmisă la turnul de răcire 5. Aici apa caldă se separă de cea rece deplasându-se în sus datorită greutății specifice mai mici. În acest fel apa rece pătrunde din nou în baia de răcire .
2.17 Bazin cu pompă de recirculaț ie 1.
Bazin de călire, 2.Rezervor, 3.Filtru, 4.Pompă, 5.Turn de răcire, 6. Deversare
2.2.4 Băi de călire mecanizate
Se întâlnesc într -o varietate mare de tipodimensiuni, ele fiind echipate cu mecanisme ce asigură trecerea mecanizată a pieselor prin baia de 34_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
călire. Astfel, pentru piese mijlocii şi mari se folosesc platforme ce se deplasează pe verticală, platforme rotitoare, etc. În cazul meselor cu deplasare pe verticală, acţionarea se poate face pneumatic sau mecanic prin intermediul unor
tije filetate, ca în figura
2.18.
Fig. 2.18 Cuptor 1.Extractor, 2.Bazin, 3.Traversă cu platformă, 4.Tijă filetată, 5 .Mecanism de deplasare a traversei
O altă soluţie folosită este aceea de utilizare a platformei deplasabile pe verticală şi cu rotirea la 180 0, când evacuarea se face pe aceeaşi direcţie, însă pe partea opusă. În funcţie de tipul de răcire al piesei şi de înălţimea de lichid H, se determină viteza de deplasare a platformei şi corespunzător, turaţia tijelor filetate. 35_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
2.2.5 Băi de călire cu acţiune periodică
Băile de călire cu acţiune continuă sunt instalaţii de mare productivitate şi ele deservesc instalaţii de încălzire cu acţiune continuă, respectiv se folosesc la producţia de serie mare, caracteristic pentru el e fiind gradul înalt de mecanizare şi automatizare. Deplasarea pieselor se poate face cu o bandă transportoare, care este din sârmă pentru piesele uşoare şi mici sau din plăci pentru piesele mai grele.
Partea inferioară a transportorului este scufundată în mediul de răcire, iar cea superioară, care se află destul de mult în afara bazinului, stă înclinată cu până la 30…400. Plăcile, în acest caz, vor fi striate pentru a putea reţine piesele. În scopul menţinerii temperaturii băii în limitele dorite, aceasta
este prevăzută cu serpentine de răcire, baia fiind totodată
agitată mecanic. Când timpul de menţinere al pieselor în baie este relativ mare, pentru a nu lungi prea mult banda transportoare, se recurge la deplasarea
ei intermitentă printr -un mecanism cu clichet. În fig.2.19 se prezintă o baie de călire cu transportor.
Fig.2.19
36_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Pentru piese mărunte se poate recurge la răcirea lor în coşuri de sârmă, folosind elevatoare de transport pe verticală sau la băi de călire prevăzute cu transportor cu melc, după modelul celei prezentate în fig.20.
Fig.2.20
Fig.2.21 Echipament racire cuptor
37_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL III TRATAMENTE TERMICE PRELIMINARE
3.1 Noţiuni introductive Materialele metalice suferă succesive de turnare,
modificări în timpul prelucrăr ilor
matriţare, forjare, sudare, etc. structura şi
proprietăţile tehnologice nu sunt întotdeauna bune. Pentru îmbunătăţirea acestora se recurge la tratamente termice preliminare ce constau recoaceri: - de omogenizare chimica; - de recristalizare; - de detensionare; - subcritice; - de globulizare; - de normalizare; - complete şi incomplete. In fig. 3.1 se
reprezintă graficul recoacerilor.
Fig.3.1
38_________________________________________________________________
în
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 3.2 Transformarea perlitei în austenita. 3.2.1 Condiţ ii termodinamice.
Aşa cum s-a aratat în capitolul I, deasupra punctului AC 1 austenita are energie libera mai mare
decât a perlitei, ducând astfel la
transformările perlitei în austenita. Majoritatea proprietarilor mecanice şi tehnologice sunt legate de
răcirea austenitei. Acestea se obţine conform
relaţiei: Feα +Fe3C=>Fe Fe α – cristalizare în reţea cubica cu volum centrat; Fe
– cristalizare în reţea cubica cu fete centrate.
3.2.2 Mecanismul şi cinetica transformării.
Austenita se obţine prin combinarea a 2
constituenţi:
- perlita α 0,2%C; - cementita primara 6,67%C;
Fig.3.2
Transformarea are loc datorita difuziei atomilor de Fe
şi C. Ea
începe la limita de separaţie dintre lamelele de ferită şi cementită. La
39_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
început după începerea cristalizării, austenita avansează spre lamela de ferită datorita faptului ca aceasta are acelaşi procent de C.
Fig.3.3
După absorbţia lamelei de ferită se dizolva şi carburile de Fe, în final realizându-se omogenitatea totala a austenitei. Viteza de
creştere a austenitei mare spre ferita, dar în acelaşi timp
austenita avansează spre cementită. Cinetica
transformării se poate studia cu încălzire continuă sau cu
încălzire izoterma. La început cu viteză mică se observă o supraîncălzire a materialului pe zona AB de pe curba 1 deoarece transformat ă este mică, iar
cantitatea de austenită
căldura primita este mult mai mare. După
creşterea cantităţii de austenită căldura devine insuficient ă, iar curba are o pantă descendentă după care se continua încălzirea.
Pe curba 2 se observă ca transformarea se face la temperaturi înalte şi rapide. Pentru studiul încălzirii izoterme s-a constatat ca la 1003 oK austenita s-a transformat transformat
după 200’, iar la 1018 oK austenita s-a
după 100’. Transformarea austenitei începe chiar de la
încălzire. La un timp infinit de mare transformarea arata astfel:
40_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.3.4
In domeniul 1 are loc difuzia carburilor reziduale; 2-omogenizarea
conţinutului de C; 3-omogenizarea elementelor de aliere; 4- se află austenita omogena. Elementele care
formează carburi intarzie transformarea austenitei,
iar cele care nu formează grăbesc transformarea.
3.3 Grăuntele austenitic.
La încălziri puternice grăunţii austenitei dimensiunea de echilibru
îşi măresc volumul pâna la
şi se realizează prin absorbţia grăunţilor vecini.
Mărimea grăuntelui se poate obţine prin diferite metode: - metoda hipoeotectoide
cementării cu reţea de cementita pentru oţeluri
şi pentru oţeluri hipereutctoide cu reţele de oxizi.
Fig.3.5
41_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Granulaţia este data de numărul de grăunţi, pe unitatea de suprafaţa sau de volum. medie,
Daca n=1…3 granulaţia este grosolana; n=4…5 este
n=6…8 granulaţia este fină.
Granulaţia mai este dată şi de ereditatea materialului, adică unele materiale metalice cresc la o temperatură
mai joasă, iar altele cresc de la
o temperatură mei înaltă.
Consecinţele mărimii grăuntelui austenitic se sintetizează în următoarele: - granulaţia mare poate produce -
căliri în profunzime;
granulaţia mare este suscepti bilă la fisuri în cazul tratamentelor
termochimice de cementare; - se constată o fragilitate ridicata.
a.
b.
Fig.3.6 Punerea în evidență a a.
grăuntelui austenitic:
prin rețea de ferită (100:1), b. prin rețea de cementită obținută prin hipercarburare (100:1). b.
3.4 Transformarea austenitei la răcire .
Este cea mai important ă transformare, deoarece din aceasta se
obţin proprietăţile tehnologice şi mecanice. Sub punctul AC1, energia 42_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
liberă a austenitei devine mai mare decât cea a perlitei transformându-se în aceasta. Se iau
în calcul doi parametrii şi anume: energia liberă şi difuzia
atomilor de carbon
şi fier.
Fig.3.7
o
Intre 721 C
şi 450 oC atât atomii de C cât şi cei de Fe îşi păstrează o
mobilitatea. Intre 450-200 C atomii de Fe fiind mai mari mobilitatea iar sub 200
o
îşi pierd
şi atomii de C îşi pierd mobilitatea.
Fig.3.8
43_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Datorită faptului ca dimensiunea reţelei austenitei este mai mare decât a feritei la subrăciri mari atomii de C rămân prinşi în reţeaua de ferită
şi duc la deformarea reţelei rezultând o structura tetragonal ă
caracteristică martensitei.
. Fig.3.9
3.5 Mecanismul transformării austenitei în perlita.
Datorită
concentraţiei neuniforme a carbonului în austenită
germinează grăunţi de cementită. Datorită acestui fapt în jurul grăunţilor de cementită austenita este slabă de perlită, care nu au o
în atomi de carbon formându-se grăunţi
concentraţie mai mare de 0,2%. La rândul ei
perlita nu dizolv ă atomi de C, ca
în fig.3.10.
44_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.3.10
Direcţia de creştere a grăunţilor este atât centrală cat şi laterală formându-se colonii de perlita în austenită sub forma ovoidală, fig.3.11. Centrii de cristalizare sunt
constituiţi din elemente de aliere cu
temperatura de aliere mai ridicat ă.
Fig.3.11
Dacă gradul de
subrăcire este mare atunci grăunţii de perlită încep
să crească dinspre exterior spre interiorul grăuntelui de austenită formând o structura din
grăunţi ca în fig. 3.12.
45_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig. 3.12
În momentul în care toată masa austenitică este transformată grăunţii de perlită intră în contact deformându -se căpătând o formă poliedrică ca în fig.13.
Fig.3.13
Cinetica perioadă de
transformării ne arată că mai întâi la răcire exista o
incubaţie în care nu are loc nici o transformare, creste brusc
pană la 50% după care se încetineşte ca în fig.3.14.
Fig.3.14
46_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Experimental s-a constatat c ă la diferite grade de izotermă transformarea
subrăcire
diferă şi este optimă pentru o anumit ă
temperatură, ca în fig.3.15.
Fig.3.15
Se
notează cu a1….a6, punctele de start ale transformăr ii, şi cu
b1…b6, punctele de final ale transformării. Dacă aceste puncte se trec printr-o alta diagram ă ca
în fig. 3.16 se
obţine diagrama TTT.
Fig.3.16 47_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Cinetica transformării mai este afectată şi de alţi 2 factori: 3
- viteza de germinare, N, [1/cm ]; - viteza de creştere a grăunţilor , G, [min/sec]. Temperaturile înalte şi timpul de N deoarece austenita se
menţinere îndelungat fac să scadă
omogenizează dizolvând carburile împraştiind
uniform atomii de C. Daca N>G atunci vom avea o structură fină cu grăunţi fini, iar dac ă N
scăderea ambelor viteze atât N cât şi G. Cobaltul
duce la creşterea celor 2 viteze.
constituenţilor obţinuţi la răcirea austenitei. După răcirea austenitei se pot obţine perlite lamelare, perlita 3.6 Structura
globular ă, sorbitic ă şi troostitic ă. Perlita lamelară se globular ă prin
obţine direct la răcirea din austenită iar cea
încălzire a puţin deasupra punctului AC 1urmând apoi o
răcire lentă.
3.17 Perlita lamelară (12000:1)
3.7 Recoacerea de omogenizare.
La
răcirea austenitei după procesele de turnare, deformare
plastică,etc. datorită pierderii modalităţii de difuziune a elementelor chimice rezultă neomogenit ăţi chimice. Acestea sunt de 2 feluri: 48_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - macroscopice sau zonale; - microscopice sau dendritice. Remedierea acestei structuri se face prin difuziune datorit ă energiei de activare la temperaturi înalte.
Neomogenităţile de ordin chimic zonale se datorează cantităţilor mari de gaze, sulf şi fosfor aflate
în material dar şi a conţinutului ridicat
de carbon.
Neomogenităţile chimice dendritice se refer ă la neomogenitatea elementelor chimice la nivel reticular. Temperatura de perioade de
încălzire se situează intre 1050-1350 oC cu
menţinere intre 10-12 ore viteza de încălzire fiind de 100
o
răcire de 50-60 oC/ora. Fiind un procedeu
C/ora, iar cea de
energointensiv se recomand ă
să se facă raţional şi să se cupleze cu alte
procedee de prelucrare cum ar fi turnarea, sudarea, deformarea plastică, etc.
3.18 Microstructura unei probe de oțel a.
Înainte de aplicarea recoacerii de omogenizare b.
După recoaceea de omogenizare (200:1)
3.8 Recoacerea de normalizare şi regenerare a structurii.
Se
realizează pentru finisarea granulaţiei grosolane obţinutăă în
urma proceselor de turnare, sudare, deformare plastică, etc. 49_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Totodată înlătura şi defectele structurale gen constituenţi lamelari, aciculari, etc. în afara de echilibru. La piesele turnate apare des structura Widmannstatten poziţionata pe pereţii mai
groşi ai pieselor, acestea ducând la fisurarea materialului.
Aceasta structura se remediază printr -o recoacere de regenerare ce consta în încălzirea cu 30-50 oC peste punctul de transformare AC3 şi răcire lenta
odată cu Cu pana la 600 oC, iar daca se urmăreşte şi uniformizarea o
tensiunilor interne remanente pana la 400 C.
3.19 Structura Widmannstatten (1000:1)
Piesele turnate cu tensiuni interne se evitarea
manevrează uşor pentru
fisurării şi se recoc în cuptor cu vatr ă mobilă şi cu viteza de
încălzire de 100 oC/ora. Construcţiile sudate care prezintă în zonele metalului dispus dar şi în zonele metalului de baz ă influenţat termic structura Widmannstatten de recoace ca şi în cazul anterior. Recoacerea de normalizare , spre deosebire de recoacerea de regenerare, se realizează cu o viteza de răcire mai mare, ca în fig.3.20.
50_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.3.20
Recoacerea de normalizare se aplic ă cu deosebire hipoeotectoide, pentru finisarea structurii perlitei
oţelurilor
şi feritei.
Recoacerea de normalizare este preferata recoacerii de regenerare pentru
oţelurile hipoeotectoide şi datorit ă faptului ca în cazul aplicării
ultimului tratament
poate cristaliza cementita
terţiară la marginile
grăunţilor de ferita ducând la fragilizare.
Fig.3.21 Microstructura unui oțel de a. turnat (70:1), b.
0,35%C, 1,07%Mn, și 0,12%V:
normalizat o singură dată (70:1), c. Normalizat de două
ori (70:1). 51_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
În cazul pieselor deformate plastic la cald exista trei cazuri: - temperatura mare
sfârşitului procesului de prelucrare este cu mult mai
decât temperatura de transformare a austenitei în perlita, În acest
caz rezultă o structura uniform ă. - temperatura mare
sfârşitului procesului de prelucrare este cu mult mai
decât temperatura de transformare. În acest caz structura are un
aspect de supraîncălzire. - temperatura
sfârşitului procesului de prelucrare este sub
temperatura procesului de transformare. În acest caz austenita
şi perlita
sunt deformate pe anumite porţiuni.
3.22 Structura în benzi într -un oțel hipereutectoid laminat la
3.9 Recoacerea pentru
imbunatătirea
cald (100:1)
prelucrabilităţii prin
aşchiere . În procesele tehnologice de prelucrare prin aşchiere se stabilesc diferiţi parametrii de prelucrare cum ar fi: adâncimea de aşchiere, avansul,
turaţia, etc.
Prin
mărirea productivităţii este necesar ca aceşti parametrii să fie
cat mai mari, insa toate acestea depind de calitatea materialului prelucrat.
52_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Daca avem un prelucrabilitate prin
oţel pana la 0,2%C acesta va prezenta o
aşchiere slabă deoarece are în componenţă mai multă
ferită cu proprietatea de prelucrabilitate scăzută deoarece este moale. Principalele remedieri sunt
următoarele:
- alierea materialului cu fosfor
şi siliciu, care duce la fragilizare
feritei.; - alierea materialului cu plumb, seleniu, sulf care fac
aşchia
sfărâmicioasa; - aplicarea unui tratament termic de normalizare ce const ă într-o
încălzire de pană la 900 oC cu răcire în aer liber. Acest tratament se aplică pieselor ce urmează a fi danturate, filetate, etc. Pentru materialele aliate cu crom, nichel,molibden a fi prelucrate prin forjare
şi care urmează
şi matriţare tratamentul termic const ă într-o
subrăcire de la temperatura de sfârşit a procedeului de prelucrare p ână la o
500 C
după care se încalzeşte pana la 600-650 oC şi răcire în aer liber,
fig.3.23.
Fig.3.23
Oţelurile cu un conţinut de C intre 0,2-0,5% au o prelucrabilitate prin
aşchiere buna. Daca insa se doreşte ca să se imbunatateasca totuşi
aceasta proprietate se vor face recoaceri de regenerare pentru
oţeluri mai
mici de 0,5% şi normalizare peste 0,5%. 53_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Oţelurile cu un conţinut de C mai mare de 0,65% prezintă o structur ă sub forme de lamele care constituie microcutite
şi uzează scula
aşchietoare. In îmbunătăţirea prelucrabilităţii acestor materiale se va realiza o recoacere de globulizare. Aceasta const ă
în încălzirea pană deasupra o
punctului de transformare AC1 pan ă la temperatura de 780-810 C cu
menţinere de 4-5 ore şi răcire cu cuptorul pana la 600 oC răcirea f ăcânduse în aer liber, fig. 3.24.
Fig.3.24
Un alt procedeu de globulizare se prezintă în fig. 3.25 unde avem o
răcire izotermă în jurul valorii de 650-680 oC.
Fig.3.25 54_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Recoacerea pendulară este prezentată pendularea temperaturii
în fig.3.26
şi constă în
în jurul punctului AC1 cu 30-50 oC şi menţinere
30-40 minute.
Fig.3.26
Recoacerea constă
oţelurilor pentru arcuri este prezentata în fig.3.27 şi
în încălzirea subcritica a materialului sub punctul AC1 datorit ă
tendinţei de decarburare a acestora şi de formare a perlitei globulare.
Fig.3.27
55_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
3.28
Influența microstructurii asupra calității suprafeței prelucrate prin
așchiere a. perlită lamelară b. perlită parțial globulizată 3.10 Recoacerea de recristalizare.
Datorită
deformărilor plastice din timpul de prelucrare apare
ecruisajul ce const ă
în durificarea locala a materialului cu tendinţe de
fisurare la solicitări mecanice. Tratamentele de recristalizare prezintă 3 faze: - restaurarea; - recristalizrea finală; - creşterea grăunţilor . La
creşterea temperaturii au loc procese de depalsare ale atomilor
pe distanţe egale sau mai mici decât dimensiunea reţelei precum şi eliminarea vacanţelor şi dislocaţiilor. Cu această ocazie se elimina parţial tensiunile de ordin 2. La
creşterea în continuare a temperaturii dislocaţiilor de sudare se
grupează în blocuri formând o stare poligonala şi eliminând tensiunile de ordin 2
şi parţial de ordin 3. La temperaturi înalte la marginea grăunţilor
germinează alţi grăunţi mai relaxaţi, netensionaţi care cresc în masa grăuntelui vechi. 56_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
3.29Structură de recristalizare
Temperatura la care are loc recristalizarea poarta denumirea de prag de recristalizare
şi este egala cu : T=(0,30,5)Ttop.Se constat ă o
creştere a grăunţilor recristalizaţi intr-o perioada de 160-180 min după care dimensiunea acestora r ămane constantă.
3.11 Recoacerea de detensionare.
În interiorul materialului exista 3 tipuri de tensiuni: - termice apar datorit ă dilatării şi contractării materialului
în timpul
încălzirii sau răcirii; - structurale apar datorită transformărilor de fază; - de lucru care datorate procedeului de prelucrare a materialului. Temperatura de detensionare trebuie
să îndeplinească următoarele
criterii: - nu trebuie
să depaseasca timpul de revenire daca materialul este
călit; - daca se
urmăreşte păstrarea unui anumit grad de ecruisare trebuie
să depasească timpul de recristalizare; - daca se
urmăreşte păstrarea structurii existente nu trebuie să
depasească temperatura punctelor de transformare. Tensiunile interne se
măsoară cu ajutorul mărcilor tensiometrice şi
se remediază prin recoacere de detensionare. 57_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL IV TRATAMENTE TERMICE FINALE
4.1 Călirea
Cea mai importanta transformare este transformarea austenitei martensită. Prin
în
călire se urmăreşte mărirea durităţii materialului metalic.
Caracteristica acestui procedeu este viteza mare de
răcire. Se aplică
oţelurilor cu un conţinut de C de peste 0,25%, precum şi oţelurilor aliate. Ea poate fi
în toata masa piesei, volumic ă, pe o anumita adâncime,
zonala, locala. 4.2 Transformarea austenitei în bainită.
Aşa cum s-a arătat în cursul anterior transformarea bainitic ă are loc 0
sub temperatura de 400 C, atunci
când mobilitatea atomilor de Fe scade.
Datorita acestui fapt ferita nu mai ia
naştere prin difuziune ci prin
deformare plastică. Ferita bainitei este mai bogata în C decât ferita perlitei. In fig. 4.1 este prezentata transformarea austenitei
în bainită.
Fig.4.1
58_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Creşterea cristalelor de bainită superioară se face atât frontal cât şi lateral prin adăugarea a noi lamele succesive de ferită şi cementită
Fig.4.2
La bainita
inferioară, unde conţinutul de carbon care urmează să se
transforme în ferită pri n mecanismul cu difuzie este mai mic fa ță de efectul alunecării, este necesar un mic grad de distribuire pentru ca lamelele de ferită să se înconjoare cu carburi fine, în mod izolat, cu orientări în direcţii diferit e, similar cu martensita, fig.4.2.
Fig.4.3 Aspectul suprafeței unei probe de oțel care după lustruire
a fost supusă
austenitizării și apoi transformării: a.
în intervalul perlitic la 600oC (400:1); b. în intervalul bainitic la 370oC.
59_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
La răcire în austenită are loc o migr are de C în anumite zone rezultând o fluctuaţie de procentul de C. Acestea duc la formarea tensiunilor interne şi la deformarea austenitei în zonele sărăcite în C transformând ferita prin alunecare. La limita grăunţilor formaţi de ferită cristalizează cementita formată din carbura de Fe. În concluzie factorii principali care duc la obţinerea bainitei sunt: - alunecarea planelor de densitate maxim ă; - deformarea plastică a reţelei; - scăderea mobilităţii atomilor de C şi Fe. La are
subrăciri mici o pondere mai mare în transformarea bainitei o
diferenţa dintre energiile libere ale austenitei şi bainitei şi la subrăciri
mari ponderea principala o
deţine imobilitatea atomilor.
4.3Transformarea austenitei în martensită.
răcirea austenitei cu viteze mari sub temperatura de 200 0C se
La
formează martensita. Dintr-o reţea cubica cu fețe centrate a austenitei cu o
dimensiunea de 3,64A se
obţine o reţea cubica cu volum centrat a feritei
o
cu 2,90A . Datorită acestui fapt coroborat cu imobilitatea atomilor de C
şi Fe
reţeaua cubica cu volum centrat este definit ă luând o forma de cub alungit, deoarece atomii de C
şi Fe sunt prinşi în interiorul cubului ei ne
mai având timp să migreze prin difuziune. Transformarea are loc atunci
când energia libera a martensitei este
mai mare decât energia libera austenitei. In punctul T 0 (fig.4.4) energiile libere ale celor 2 faze sunt egale, unde se observa un echilibru.
60_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.4.4
Pentru a se transforma trebuie insa ca
diferenţa dintre energiile
libere să fie de 350 calorii/gram. Punctul Ms
reprezintă martensită start, moment de începere al
transformării. Experimental s-a observat ca intre T 0 şi Ms exista o cal. Trebuie
diferenţa de 50
să se învingă o bariera de potenţial. Aceasta se explică prin
următorul experiment: înaintea transformării se aplica o def ormaţie plastică asupra austenitei . În acest caz la răcire are loc transformarea între punctele To
şi Ms. Energia totala consumata este data de relaţia
ET=EX+ES+EC , unde: EX- energia consumata pentru efectuarea L datorat
deformării elastice a reţelei; ES- energia consumata pentru realizarea de noi
suprafeţe;
EC- energia consumata pentru deformarea plastică a materialului. 4.4 Mecanismul transformării
La
răcire, în austenită au loc deplasări colective ale atomilor în
diferite zone ale materialului. Acest fapt
ducând la tensionarea reţelei, și
deformare plastică. 61_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Atomii au
deplasări pe distanțe interatomice ce nu depăşesc
lungimea dimensiunilor
reţelei. Deformarea plastică se realizează pe
anumite plane preferenţiale cu densitatea maximă de atomi (fig. 4.5).
Fig.4.5
În urma obţinerii martensitei materialul capătă o duritate foarte mare deoarece
reţeaua de cub alungit este cea mai rezistent ă dintre toate
formele pe care le poate lua aliajul de Fe-C. Transformarea nu este complet ă deoarece o parte din austenit ă rămâne nemodificată
și poartă denumirea de austenită reziduală. Ea este
de nedorit în masa de martensita deoarece este moale.
Fig.4.6 Microstructura martensitei (300:1)
62_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 4.5
Particularităţi ale răcirii austenitei cu viteze variabile sau
constante.
La
răcirea austenitei oţelurile se comport ă diferit referitor la
transformările structurale în funcţie de natura lor. Oţelurile aliate cu Cr şi Ni, Cr-Si-Mn,
şi conţinut de C peste 0,7% prezintă toate cele 3
transformări de pe curba TTT (fig.4.7a-b).
Fig.4.7
Oţelurile carbon obişnuite prezintă numai o singură transformare. Unele
oţeluri prezintă doar transformări perlitice şi martensitice
(fig.4.7.c), altele bainitice
şi martensitice (fig.4.7.d), iar altele doar
martensitice (fig.4.7.e).
63_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 4.6 Condiţii la încălzirea pentru călire
Viteza de încălzire trebuie să fie astfel aleasă încât să nu introducă tensiuni interne
în semifabricat.
Ea trebuie
să fie lentă sau cu trepte de preîncălzire pentru
uniformizarea temporar ă în toată masa materialului. Viteza de încălzire depinde de mai
mulţi factori:
-
natura materialului;
-
dimensiunea şi complexitatea piesei;
-
tipul cuptorului de
Pentru
încălzire.
călirea oţelurilor hipoeotectoide încălzirea se face peste 0
linia AC3 cu 30-50 C.
Încălzirea oţelurilor hipereutectoide se face peste
linia AC1 şi sub linia A Cem.
Explicaţie: pentru oţelurile hipoeotectoide se încalzeste peste linia AC3
şi nu intre liniile AC1 şi A C3 deoarece la răcire Fe se transformă în
martensită, însă
în masa acesteia rămane Fe α netransformată care are
proprietăţi mecanice scăzute. Pentru oţelurile hipereutectoide încălzirea se face între AC1 şi A Cem şi nu deasupra liniei ACem, datorita următoarei cauze: -
în masa de metal încins peste 721 0C se afla cementita
secundară care constituie carbura de fier cu proprietăţi superioare (duritate ridicat ă, 75-80 HRC),. - daca s-ar
ridica temperatura în domeniul austenitic,
atunci structura materialului ar deveni grosolana, şi deci susceptibila la fisuri, deoarece este fragila. structura are un aspect -
În acest caz
de supraîncălzire.
datorita temperaturii ridica te
şi vitezei de răcire mar e
se creează tensiuni interne mari care duc la deformarea pieselor tratate.
64_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.4.8
Pentru
oţelurile aliate la cere este dificil ă aflarea punctelor de
transformare se recurge la metoda
dilatometrică ca în figura următoare:
Fig.4.9
Pe diagramă se observa faptul ca
odată cu creşterea temperaturii
creste şi dilatarea materialului metalic (a). La o anumit ă temperatură T0 se
înregistrează o anomalie, deoarece se observ ă că temperatura crește în 65_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ continuare, însa materialul se contract ă între temperaturile T 0 Aceasta anomalie se explic ă prin faptul ca feritei în austenit ă are loc o
şi T1 (b).
în punctul de transformare a
scădere de volum deoarece volumul reţelei de
ferită este mai mare decât al austenitei. 3
VspecificFeα=0,1271 cm /gr; 3
VspecificFe = 0,1212 cm /gr. Deci prin aceasta metod ă se pot afla punctele critice de transformare
şi implicit şi temperatura de încălzire pentru călire.
4.7 Condiţii la răcire pentru călire.
Viteza de
răcire trebuie să fie astfel aleasă incat să aibă loc
transformarea austenitei în martensit ă, dar se nu
introducă tensiuni interne
mari, ce ar putea duce la deformarea pieselor.
Fig.4.10 Viteza critică -
Mediile de
viteza de la care se obţine martensita.
răcire sunt diverse, pornind de la ap ă, apă distilat ă,
uleiuri minerale, bai de
săruri topite, aer comprimat, aer liber.
Viteza cea mai mare de răcire este atunci când se răcește cu apă.
66_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.4.11
În cazul răcirii cu ulei temperatura din suprafaţa piesei este mai aproapiată de cea din centru, evitând astfel tensionarea materialului. Se observa din fig4.11.b c ă transformarea martensitei are loc la o temperatura relativ constant ă, spre deosebire de
răcirea cu apă, unde se
observa ca martensita e transformata cu o viteza de La introducerea materialului metalic produce, mai
răcire mare.
încins în mediul de răcire se
întâi o pelicula de vapori care îngreunează răcirea, fig 4.12,
porţiunea a.
67_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.4.12
În perioada imediat următoare pelicula de vapori e distrus ă şi răcirea e rapida, deoarece mediul de răcire ajunge la fierbere. Aceasta răcire continuă până sub temperatura de fierbere al mediului de răcire, perioada
în care schimbul de căldura se face mai greu (panta de răcire se
atenuează, c). În acest caz schimbul de căldură se face prin conducţie şi radiaţie.
Fig.4.13
În figura 4.13 se prezintă modul de răcire pentru diferitele medii.
68_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 4.8 Tensiunile interne şi efectele lor.
Tensiunile interne se
datorează diferenţelor de temperatură la
răcire între straturile din suprafaţa şi din centrul piesei, dar şi datorită transformărilor de structura ce au loc în masa materialului. Exista 2 mari
câtegorii de tensiuni întâlnite în cadrul tratamentelor
termice: -
tensiuni termice;
-
tensiuni structurale.
4.9 Efectele tensiunilor termice.
La introducerea piesei piesei care intră
în lichidul de răcire suprafaţa exterioară a
în contact cu mediul se aceste rapid, contractându-se,
deci exercită asupra miezului un efect de comprimare. In cea de-a doua a faz ă a
răcirii temperatura miezului e mai mare
decât a suprafeţei. Este rândul miezului să se contracte, însă nu este posibil deoarece ar trebui este deja rigidă. Se
să tragă înspre el partea exterioară a piesei care
realizează un efect invers, din aceasta cauz ă şi miezul
se va întinde comprimând partea exterioară a piesei.
Fig 4.14 69_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
4.10 Efectele tensiunii structurale.
La
răcirea în marginea piesei se formează martensita, volumul
crește brusc ducând la întinderea suprafeţei. Efectele datorate tensiunii structurale sunt exact invers efectelor datorate efectelor termice, fig. 11.
Fig.4.15
Cele mai periculoase sunt cele structurale, acestea
ducând la
deformaţii majore. 4.11 Procedee de călire.
Condițiile introducerii pieselor încălzite in vederea călirii acestora sunt următoarele: -
piesele drepte
şi lungi se introduc în baia de răcire
perpendicular pe
suprafaţa mediului; suprafaţa mediului;
-
discurile se introduc perpendicular pe
-
inelele se introduc cu generatoarea perpendicular pe
-
piesele cu dimensiuni complexe nu trebuie
suprafaţa;
să formeze bule în
cavităţi deoarece acestea sunt concentratoare de tensiuni; 70_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
blocurile mare se
călesc cu viteza mare pentru ca tensiunile
termice să echilibreze tensiunile structurale; -
piesele plate şi subţiri se călesc în matriţe.
Rezultatele
bune se obţin în răcirea în 2 medii, fiind greu de
apreciat punctul când se face răcirea dintr -un mediu în altul.
Fig.4.16
4.12 Călibilitatea.
Determinarea călibilităţii
Călibilitatea este proprietatea materialelor metalice care exprim ă adâncimea startului călit. Este influenţata de viteza critica de răcire, fig.4.17.
Cășibilitatea este influenţata şi de procentul de carbon de peste 0,9%.
71_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Elementele de aliere ca muta spre dreapta curbele TTT
astfel că
oțelurile alite se pot călii la viteze mici de răcire .
Fig.4.17
Fig.4.18
Metodele de analiz ă ale călibilităţii sunt următoarele: -
spargerea epruvetei
şi observarea cu ochiul liber a stratului
călit; -
analiza la microscop a stratului cald;
-
determinarea durităţii unei epruvete cu diametru,
secţiune rotunda pe
începând de la margine spre centru obţinând curbele
U (fig.4.19).
Fig.4.19
72_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Cea mai des folosita metoda pentru metoda Jominy, care const ă
măsura durabilităţii este
în măsurarea durabilităţii unei probe
cilindrice încălzite la temperatura de austenizare şi răcită frontal cu jet de apă, ca în fig. 4.20.
Fig.4.20 1-bazin de apa; 2-conducta;3-robinet ;4-jet de apa;5-epruveta
călita;6-
inel de susţinere;7-bara susţinere.
Fig.4.21
73_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.4.22 Diagrama durităţii pe generatoare d=20 mm, L=100 mm.
Se
defineşte ca fiind diametrul critic, diametrul la care în centrul
epruvetei se obţine o structura semimartensitic ă. Se
defineşte ca fiind diametrul ideal, diametrul la care în centrul
epruvetei se obţine 100% martensit ă.
4.13 Călirea superficiala.
Exista piese supuse
la şocuri şi la uzura pe suprafeţele exterioare.
Aceste trebuie să aibă tenacitate în miez
şi duritate la suprafaţa. Acest caz
se poate rezolva prin aplicarea procedeului de
călire superficial ă.
Avantaje:
-
rapiditate mare;
-
automatizare;
-
oxidare şi decarburare scăzută a suprafeţelor .
Dezavantaje:
-
utilaje costisitoare;
-
nu se poate realiza pe toate
suprafeţele datorită complexităţii
piesei.
74_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Viteza de
încălzire trebuie să fie mare şi durata de menţinere mică,
pentru a nu se produce
încălzirea spre miez a semifabricatelor, totuşi
trebuie avut grijă ca în stratul superficial temperatura să fie în domeniul austenitic. Sursele de
încălzire trebuie să asigure o temperatur ă înaltă în
intervale scurte de timp: 2
-
bai topite (10 W/cm s);
-
in călire cu flacăra (150 W/cm s);
-
încălzire prin inducţie (2500W/cm2s).
2
Cele mai utilizate procedee de
încălzire pentru călirea superficialaă
sunt încălzirea cu flacără şi prin inducţie.
4.14 Încălzirea cu flacără .
Se folosesc
realizează prin arderea unui gaz combustibil în oxigen. Se
instalaţii speciale, capetele de ardere fiind asemenea cu cele de la
sudarea cu flacără.
Fig.4.23
Temperatura ajunge
în jurul valorii de 3125 0C.
Se clasifică în doua categorii: -
încălzire simultană (statică şi în mişcare);
-
succesiva.
75_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Încălzirea simultana se realizează prin încălzirea întregii suprafeţe, urmată apoi de răcirea acesteia.
Încălzirea simultana statică se realizează încălzind toata suprafaţa nemişcând suflaiul şi se pretează pieselor cu suprafeţe mici(şuruburi s.a.). Încălzirea simultan ă în mişcare se realizează prin mişcări pendulare şi se pretează la suprafeţe mari (roți dinţate, ș.a.). Turaţia pieselor supuse călirii este de 80-120 rot/min., unghiul de o
atac al suflaiului este de 120-180 .
Călirea succesiv ă se realizează prin încălzirea pieselor urmat ă, imediat de răcirea acesteia cu jet de apă.
4.15 Factori tehnologici la
călirea cu flacără .
Aceștia sunt următorii: -
distanța dintre arzător şi piesa;
-
forma şi complexitatea piesei;
-
natura gazului combustibil şi puterea lui de încălzire;
-
viteza de încălzire a piesei;
-
natura materialului piesei.
Adâncimea stratului călit nu trebuie să fie mai
mare de 10%, şi mai
mica de 2%;
4.16 Încălzirea prin inducţie electromagnetica.
Michael
Faraday
a
descoperit
fenomenul
de
inducţie
electromagnetică în 1831. El a constatat că prin variaţia unui câmp magnetic se poate produce curent electric.
Circuitul unei bobine se închide printr -un galvanometru . Neexistând generator în circuitul electric, acul galvanometrului nu deviază .La introducerea unui magnet în bobină se constată că acul galvanometrului deviază atâta timp cât magnetul intră în bobină ,dar 76_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ revine la
zero când magnetul se opreşte. La scoaterea magnetului din
bobină acul galvanometrului deviază în sensul opus celui precedent .Prin urmare,
la mişcarea magnetului în bobină ia naştere un curent electric .
Un asmenea curent se numeşte curent indus. Se obţin aceleaşi rezultate dacă magnetul rămâne fix şi se mişcă bobina . Fenomenul de producer e
a unei tensiuni electromotoare într -un
circuit care înconjoară un flux magnetic variabil se numeşte inducţie electromagnetică. Spre deosebire de procedeul precedent la aceasta face
încălzire piesei se
în interior, iar întreg volumul la care ne-am propus să realizăm
tratamentul termic
se încălzeşte rapid. Se disting 4 zone distincte ca în
fig.4.24.
Fig.4.24
Zona 1
– este încălzita peste temperatura punctului AC3
(supraîncălzit); Zona 2 – este cuprinsă intre temperatura punctului AC1
şi AC3;
Zona 3 – este subîncălzită temperaturii punctului AC1; Zona 4 – miezul rămane rece. 77_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Inductoarele sunt sub forma de spiral ă, formate din conductori de Cu, ţevi de răcire, tălpi de fixare, etc.
Fig.4.25 Spira inductor Ø30 ÷ Ø40 mm (200 kW;
3000 Hz)
Fig.4.26 Inductor calire roata cu cale de rulare dubla
4.17
Condiţii
tehnologice
la
încălzirea
prin
inducţie
electromagnetica.
-
inductorii paralelipipedici sunt mai productivi
decât cei
cilindrici; -
dacă piesa este
orientată dezaxat atunci încălzirea este
neuniform ă.
78_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
daca spirele sunt apropiate
adâncimea de încălzire este mai
mare, iar daca spirele sunt depărtate adâncimea de încălzire este mai mică.
Fig.4.27 Instalatie de calire
cu deplasare pe orizontala, fara prindere între
vârfuri 4.18 Defecte de călire.
-
dacă viteza de
încălzire este lenta, atunci austenita va fi
omogen ă dar la
răcire se va obţine o cantitate mai mare de
austenita reziduala -
dacă viteza de
ducând la micşorarea durităţii;
încălzire este prea mare atunci vor exista
diferenţe mari de temperatura între suprafaţă şi miez ceea ce va duce la tensionarea materialului -
dacă se încalzește la temperaturi mai mari
decât temperatura de
încălzire atunci structura va avea un aspect de supra încălzire, grăunţii vor fi mari, deci va avea o granulaţie grosolan ă, ceea ce duce la fragilizarea materialului metalic. Se
remediază
printr-o recoacere de normalizare; 79_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
dacă va
încălzirea se face sub temperatura de încălzire, atunci se
obţine în afara martensitei şi ferita α care este de nedorit
datorita proprietarilor sale mecanice slabe; -
mediul de
răcire influenţează şi el prin oxidarea sau
decarburarea suprafeţelor ; -
poziţia incorect ă de introducere a pieselor în mediul de răcire poate duce la
deformaţii sau chiar la fisurarea piesei.
4.19 Revenirea.
Tratamentul termic de revenire, din martensita Dacă se
urmăreşte modificarea structurii
şi ferita şi carburi fine. urmăreşte pe curba dilatometria la încălzire se observa 3
zone (fig. 4.28):
Fig.4.28
Zona I – este cuprinsa
în intervalul de încălzire pană la 150o-2000C
arată faptul că materialul se comprimă, îşi micşorează dimensiunile;
80_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
în intervalul de încălzire pana la 270o-
Zona II – este cuprinsa o
300 C ne arata o întindere a materialului; Zona III – este cuprinsa
în intervalul de încălzire pana la 300o-
o
600 C ne arata din nou o comprimare a materialului. La
încălzirea peste 150oC în masa de martensită se separă carbura o
o
cu grade de dispersie mare. Intre 150 -300 C se poate separa continuare carbura din
în
soluţia α crescând în dimensiuni carburile,
totodată aceasta mărire realizându-se şi prin coagularea grăunţilor de dimensiuni mai mici.
în acest interval se transforma martensita. În jurul valorii de
Tot o
350 C carburile se dizolv ă de carbon crește, marginea
în masa soluţiei α, iar pe măsură ce conţinutul
soluţia devine suprasaturat ă, împingând carbonul la
grăunţilor unde se formează cementita sub forma de globule.
Revenirea se
realizează întotdeauna după călire, ea având ca scop
înlăturarea tensiunilor remanente de la călire, precum şi scăderea durităţii şi îmbunătățirea prelucrabilităţii după călire a materialului. Revenirea se clasific ă în 3 mari categorii: -
revenire joasă
– până în 150o-200oC, la care se urmăreşte
îndepărtarea tensiunilor remanente; -
o
o
revenire medie – 200 -400 C, la care se
urmăreşte scăderea
durităţii şi îndepărtarea tensiunilor remanente; -
revenire
înaltă – 400o-600oC, se urmăreşte realizarea
structurilor sorbitice.
4.20
Particularităţi
ale
tratamentelor
termice
aplicate
oţelurilor aliate. Elementele de aliere liniile AC1
influenţează cementita eutectoidă, precum şi
şi AC3. Elementele chimice care formează carburi sunt acelea
81_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ care au pe ultimul strat, d, o lipsa de electroni, aceasta ar putea fi suplinita de electronii de
valenţa ai carburii.
Dacă raportul dintre raza atomic ă a carbonului
şi a elementelor de
aliere depaseste valoarea de 0,59% atunci opusul chimic rezultat poart ă numele de fază de pătrundere. Exemple: TiC, ZrC, NbC, VaC, TaC, Wc, etc. Alte elemente de aliere
formează carburi şi anume: cromul, fierul şi
manganul: Cr2C3, Fe3C, Mn8C, etc. Elementele care nu
formează carburi
sunt: Co,Ni, Si, Al, N Ordinea
activităţii cu formarea carburilor a elementelor de aliere
este următoarea: Ti, Va, Ta, Nb, W, Cr, Fe, Mn. Dacă elementele sunt
în cantitate mare şi procentul de carbon la
fel se pot produce carburile. Dacă elementele de aliere sunt
în cantitate mai mare decât
conţinutul de carbon acestea vor absorbi conţinutul de carbon, iar restul se va dizolva
în masa metalelor.
4.21 Medii de răcire sintetice.
Datorita
complexităţii pieselor ca forma şi material, mediile de
răcire convenţionale ( apa, uleiurile minerale, băile de săruri topite, etc.) nu pot satisface
cerinţele pentru întreaga gama de tratamente.
Dezavantajele apei constau în faptul că viteza de se produc
răcire este mare şi
diferenţe de temperatura între suprafaţa şi miez rezultând
tensiuni interne mari, ce pot duce la
deformaţii şi fisuri. De aceea se
foloseşte uleiul care are o viteza de răcire mai mică, însă şi acesta prezintă un dezavantaj şi anume faptul ca la introducerea piesei în mediul de răcire se
formează o bulă de vapori care înconjoară piesa şi încetineşte
procesul de
răcire, cunoscut sub denumirea de calefacţie.
Pentru evitarea tensiunilor interne structurale, martensitic trebuie
răcirea în domeniul
să fie cat mai lenta. Din aceasta cauza s-a apelat la
82_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
răcirea în apa pana deasupra punctului martensită start, şi răcirea în continuare
în ulei pana la temperatura mediului mediului ambiant.
Problema care exista const ă trecere dintr-un mediu temperatură mai
în dificila apreciere a momentului de
în altul. Dacă se trece mai devreme, adică la o
înaltă se obţine perlita, dacă se trece mai târziu, la o
temperatura mai mică apar tensiunile. Toate aceste dezavantaje
şi
neajunsuri au condus la realizarea unor medii sintetice, care au o vitez ă de răcire mai mica decât a celor convenţionale. Un astfel de exemplu este mediul de ap ă
în amestec cu un copolimer, acrilat se sodiu – acrilamida.
Concentraţia acestuia este cuprinsa cuprinsa intre 0,1-1%. În momentul răcirii copolimerul intr ă în reacţie şi se consumă, de aceea după fiecare răcire soluţia trebuie completat ă.
Aplicaţii ale acestor medii sintetice sunt următoarele: -
răcirea pentru călire;
-
răcirea pentru călirea superficiala (roti dinţate);
-
răcirea pentru călirea de după cementare;
-
răcirea pentru călirea fontelor;
-
răcirea pentru patentarea sârmelor .
83_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL V
TRATAMENTE TERMOCHIMICE
5.1 Noțiuni generale Tratamentele termochimmice reprezintă tehnologii de natură metalurgică, prin care se introduc anumite sorturi de atomi în straturile superficiale
ale unui material metalic, în scopul obţinerii unor anumite
proprietăţi. Aşadar, la tratamentul termochimic se modifică proprietăţile stratului superficial, nu numai datorită modificării structurii lui, ci şi compoziţiei chimice. Tratamentele termochimmice acele tratamente care pe langă
încălzirea, menţinerea şi răcirea unui aliaj metalic asupra materialului mai acţionează şi un element chimic activ. Prin aplicarea tratamentului termochimic se
obţine o durificare
superficial ă a suprafeţei, rezistență la coroziune, etc. Avantajele față de călirea superficial ă sunt următoarele: nu exist ă straturi
supraîncălzite;
proprietăţile mecanice şi tehnologice între suprafaţa şi miez sunt mai pregnante;
se pot trata materiale indiferent de complexitatea formei constructive.
5.2 Clasificarea tratamentelor termochimice.
Tratamentele
termochimice pot fi clasificate după criteriul
elementului de îmbogăţire superficială: -
tratamente termochimice
după care nu se mai realizează
călirea şi revenirea: nitrurare, borizare. 84_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
tratamente termochimice
după care urmează tratamente de
îmbunătățire: cementarea, carbonitrurare. carbonitrurare. -
tratamente termochimice pentru piese rezistente la uzur ă superficială: cianurarea, sulfoceanurarea.
-
tratamente termochimice pentru protecţia
împotriva oxidării:
aurerizarea, zincarea. -
tratamente
termochimice
pentru
protecţia
împotriva
coroziunii: coroziunii: cromare, borizarea.
5.3 Etapele unui tratament termochimic sunt:
-
disocierea, d;
-
absorbţia, A;
-
difuzia, D.
Disocierea este imbogatirea mediului cu atomi ai elementului activ (carbon, azot, sulf);
Procesele de disociere pot avea loc atât în cazul compuşilor chimici cât şi în cazul moleculelor elementelor simple: ToC
3H2 + 2Nx
2NH3 ToC
N2
2Nx
Procesul de disociere este definit prin gradul de disociere, care
arată volumul ocupat de atomii liberi în raport cu întregul volum al gazului. Gradul de disociere poate fi modificat de la 0 la 100% şi pentru procesele de tratament termochimic în gaze (nitrurare, carburare, etc.) el poate fi reglat prin temperatură, viteza de deplasare a gazelor, debit de gaze etc.
Absorbţia este pătrunderea în suprafaţa materialului a atomilor elementului activ datorita
avidităţii materialului în piesa.
85_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Metalul absoarbe
numai atomii liberi, activi care se formează la
disocierea moleculelor. Ab sorbţia
poate fi reprezentată ca o pătrundere a
atomilor activi, care există în număr mare la suprafaţă, în locurile cu imperfecţiuni ale reţelei sau ca o reacţie chimică între atomii gazului şi atomii metalului. În primul caz se formează la suprafaţă o soluţie solidă, iar
în al doilea doilea caz se formează un un compus chimic. chimic. În funcţie funcţie de natura natura
atomilor care participă la tratamentul termochimic, aceste tipuri de adsorbţie pot avea loc singular sau simultan. Capacitatea de absorbţie
a suprafeţei depinde de mai mulţi fac tori:
natura metalului, natura elementului de difuziune, proporţia lui în mediul de tratament, starea suprafeţei. Disocierea este pătrunderea elementului activ
în interiorul piesei
pe o anumita adâncime.
Acest proces este posibil dacă elementul care difuzează difuz ează este solubil în metalul de bază şi dacă temperatura este deajuns de înaltă pentru a asigura atomilor o energie de activare suficient de mare pentru
desfăşurarea perceptibilă a procesului. Difuziunea este condiţionată de tendinţa de uniformizare a concentraţiei soluţiei solide, întrucât aceasta corespunde unei stări cu minimum de energie liberă. Procesele de difuzie se desfăşoară în conformitate cu legile lui Fick. – rezultă un mediu sărac în atomi; - daca d
A
– mediul este bogat în atomi activi şi se depune pe
suprafaţa piesei, ex: carbonul, daca se depune rezulta negru de fum. - A
în interiorul piesei şi o
concentraţie mai mica în suprafaţa; - A>D – rezultă o
concentraţie maximă a atomilor elementelor
active.
86_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 5.4 Cementarea.
Este tratamentul termochimic prin care
suprafaţa pieselor este
îmbogăţită în atomi de carbon. Temperatura la care se realizează este de o
900-950 C
şi se aplică numai atomilor cu un conţinut scăzut de C, sub
0,2%, de obicei
oţelurile de cementare care sunt OLC15-OLC25.
Procesele de cementare se desfăşoară la anumite temperaturi, prin difuziune atomică, şi difuziune reactivă: în primul caz, difuziunea se produce într -o singură fază, iar în al doilea caz, în stratul de difuziune se pot forma
două sau mai multe faze, cu compoziţie chimică şi structură
cristalină diferită de ale masei metalice de bază, rezultând variaţii bruşte de concentraţie ale elementului de cementare. Cementarea este influenţata de următorii factori: - natura materialului; - temperatura de
încălzire;
- mediul de carburare. Daca absorbţia materialului este mare vor pătrunde spre centrul piesei
şi difuzia la fel atunci atomii
îmbogăţind austenita pana la saturaţie,
fig.5.1.
Fig.5.1
Dacă se continuă procesul de difuziune va elimina C
şi C este în exces, austenita
câtre marginea grăunţilor formând o reţea de cementită fină,
curba 3. 87_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Dacă temperatura de cementare este sub punctul A C1 de pe diagrama Fe-C,
atunci ferita va fi îmbogăţita în C şi surplusul de C va fi
poziţionat la limita grăunţilor de Fe formând cementita. Dacă
răcirea este lenta după cementare în stratul superficial se va
obţine o îmbogăţire în C de pana la 0,9%, miezul rămânând în granulaţie mari. Dacă viteza de transformat
răcire este mare atunci stratul superficial va fi
în martensită.
Caracteristicile mediului de carburare sunt: - potenţialul de carburare Cp, consta
în procentul atomilor de C pe
unitatea de volum a mediului; - puterea de carburare, constă în puterea de
absorbţie a materialului
în atomii de C. Pentru temperaturile importante la carburare, concentraţia de
saturaţie are valorile din tabelul 5.1. Tabelul 5.1.
Valorile concentraţiei de saturaţie (C sat) la diferite temperaturi de
carburare
o
Temperatura, C %Csat
750 0,85
800 1,00
850 1,15
875 1,22
900 1,28
925 1,35
950 1,40
5.5 Cementarea în mediul solid
Este cel mai vechi procedeu se supun
şi constă în împachetarea pieselor ce
cementărilor într-o cutie cu mediu solid capabil să disocieze
atomi de C. Aceasta cutie se introduce
într-un cuptor p ână când
temperatura cutiei va ajunge la valoarea de 900-950
o
C. Timpul de
menținere este de 13 ore, datorita faptului ca mediul de carburare are o conductibilitate termica redusă. Raportul trebuie
să fie 80/20, umiditatea să fie sub 5%.
88_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Prin reacția dintre carbune si oxigenul din aer, la temperaturi înalte se formează dioxidul de carbon (CO 2), care reacționează cu cărbunele, reducandu-se la oxid de carbon (CO). În contact cu suprafa ța metalului, oxidul de carbon se descompune în dioxid de carbon și in carbon atomic; formand cementita, sau se dizolva în austenit ă. Mediile carburante solide sunt alcatuite din c ărbuni de lemn sub forma de granule, mai rar din c ărbuni de p ămant (turba și cocs) sau carbune animal.
Pentru. accelerarea cementării în mediu solid, se
folosesc și anumite sub stanțe cu rol de accelerator al procesului, numite carbonati ca: Na2CO3, BaCO3, care la incalzire se descompun usor . Astfel se adauga doua reactii: BaCo3+C→BaO+2CO 2CO→C+CO2
Întrucât carbonatul se reface (BaO+CO 2→BaCO3), se consideră că acceleratorii au rol catalitic. Un mediu carburant se foloseste de mai multe ori, dar de fiecare dată se adauga 15 – 20 % carbune proaspat, iar uneori si 4-5% carbonat de sodiu sau bariu. Rezultatele operatiei de cementare depind de :
compoziția chimică a oțelului de cementat, compozi ția mediului carburant temperatura și durata de cementare.
Pentru protecția zonelor la care nu se dorește cementarea acestea se acoperă cu argilă sau azbest. O alta metodă constă
în lăsarea unui adaos de prelucrare de 3 ori
mai mare în zonele în care nu dorim să avem strat cementat.
Răcirea trebuie făcută lent pentru a nu introduce tensiuni termice care ar putea fisura materialul.
5.6 Cementarea în mediul gazos.
În prezent, procedeul de cementare în gaze este aplicat la producţia 89_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
de serie sau la producţia de masă datorită productivităţii mari şi posibilităţilor de reglare a principalilor parametrii de tratament termochimic; procedeul de cementare în mediu solid se aplică la producţia
de serie mică sau unicat întrucât, aşa cum s-a văzut, nu
necesită instalaţii speciale, putându-se realiza într -un simplu cuptor de tratament termic. Cementarea cu gaze se poate realiza şi ea în cutii simple de cementare, după modelul celor prezentate la cementarea în mediu solid însă, la producţii mari, se utilizează, obişnuit, cuptoare verticale prevăzute cu aparatura necesară controlului şi reglării parametrilor de tratament termochimic.
Prezintă unele avantaje şi anume: - productivitate mare; - se pretează la mecanizare; - condiţii de lucru mai bune. Cementarea în mediu gazos se face
în 3 moduri:
- în mediu de gaze controlat; - în mediul de hidrocarburi gazificate, petrol; - în atmosfera de gaz natural CH4.
Similar cu cementarea în mediu solid, carburarea în mediu gazos constă din cementarea pieselor într -un spaţiu etanş (cutie, retortă, muflă, cameră de lucru), în care se introduce direct un gaz (sau un amestec gazos) sau un lichid care se gazeifică rapid, cu circulaţie continuă, având un debit dependent de cantitatea de piese; pentru asigurarea curentului continuu de gaz, incinta de carburare este prevăzută cu o conductă de evacuare, la capătul căreia produsele descompunerii gazului utilizat precum şi excesul de gaze ard cu flacără (care dă indicaţii calitative asupra mersului carburării)
90_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 5.7 Cementarea în mediu gazos controlat
Mediul controlat este
alcătuit dintr-un suport şi gaz cu acţiune care
este CH4. Gazul suport este endoterm format din: 20%CO, 38%H 2, 40,8%N2, 0,8%CO2 şi 1% hidrocarburi. Acest mediu reduce oxidarea,decarburile m ăresc regenerarea C
şi
carburarea.
În tabelul 5.2 sunt prezentate compoziţiile unor gaze de carburare. Tabelul 5.2. Compoziţiile chimice ale principalelor gaze de evacuate
carburare şi a gazelor
Denumirea gazului de
carburare (a) şi a gazului evacuat după
Compoziţie, %
carburare(b)
CH4 (CnH2n+2)
CnH2n
a) Gaz natural
92-98
-
CO2
H2
O2
N2
0,4
0,4-0,7
0,20,1
1-8
1
45-60
0,5
3-12
6-8
20-30
0,21,0
2030
0,21,0
30-50
0,21,0
2030
0,2
-
0,2
1,4
0,42,2
37-46
0,40,8
-
0,5
40
-
40
0
40-43
0
rest
CO -
b) Gaz evacuat din cuptorul de cementare
25-40
1 1-1,5
în gaz natural a) gaz iluminat
10-25
10-12 10-17
b) gaz evacuat din cuptorul de cementare
în gaz de iluminat a) gaz de sondă de
5-15
0,2-0,8 20-30
98
0,2
petrol
b) gaz de piroliză din
1-1,5
40-56
1-2
petrol lampant produs
1,2-4,6
direct în cuptorul de cementare a) endogaz cu adaos de 5% gaz natural b) gaz evacuat din cuptorul de cementare
1,5
20
6-8
16-18
în endogaz + gaz natural
91_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
5.8 Cementarea prin gazificarea hidrocarburilor lichide.
Hidrocarburile lichide sunt picurate
în incinta cuptorului încins,
o
peste 700 C, aceasta deoarece peste aceasta temperatura oxigenul arde
şi
se elimina pericolul exploziilor. Ca şi avantaje față de cementare în mediu controlabil avem: - eliminarea instalaţiilor costîsitoare; - eliminarea reparaţiilor ; - eliminarea costurilor mari de
obţinere a mediului.
Ca dezavantaj avem faptul că nu se poate avea un control total asupra procesului.
Fig.5.2 Strat cementat- perlită
5.9 Tratamente ulterioare procesului de cementare.
Stratul cementat nu are o duritate prea mare, ea 2
DaN/mm
având 300-400
, iar miezul are o structură grosolan ă şi netenace. Pe de altă
parte stratul cementat trebuie supus prelucrării prin
aşchiere, el trebuie să
îndeplinească proprietăţi bune pentru aceasta operaţie, de aceea tratamentele termice
urmăresc îmbogăţirea proprietarilor într-un sens sau
altul. 92_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Tratamentele termice du pă cementare sunt următoarele: - de călire atât a stratului cat şi a miezului; - de revenire; - de detensionare a piesei; - de finisare a
granulaţiei miezului piesei, pentru creşterea
tenacităţii; - de recoacere pentru
îmbunătăţirea prelucrabilităţii stratului
cementat.
Fig.5.3
În figura 5.3 se reprezintă călirea directă prin răcirea de la temperatura cementării. Este o metodă care nu introduce tensiuni interne deoarece ciclurile de răcire şi încălzire nu se repetă.
Fig.5.4
In figura 5.4 se reprezi ntă tratamentul termic de îmbunătăţire ce
consta în călire şi revenire.
93_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.5.5
In figura 5.5
se reprezintă tratamentul termic al pieselor ce urmează
a fi prelucrate prin aşchiere și constă într-o recoacere şi o îmbunătăţire formată din călire se revenire.
Fig.5.6
In fig. 5.6
se reprezintă îmbunătăţirea pieselor cementate formată
din 2 călir i succesive urmate de revenire pentru detensionare. Atunci când toate tratamentele menţionate sunt necesare, ele se execută în ordinea prezentată, în unele cazuri, însă nu este necesară aplicarea tuturor acestor tratamente. Astfel, dacă oţelurile supuse carburării au granulaţie austenitică ereditară fină sau condiţiile de exploatare ale piesei nu necesită un miez tenace, atunci nu se mai execută tratamentul de fi nisare
a granulaţiei miezului; dacă nu se mai execută
operaţiuni ulterioare cementării de prelucrare prin aşchiere, se renunţă şi la recoacerea intermediară.
94_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.5.7 Strat cementat martensită
5.10 Nitrurarea.
Este un tratament termic de
îmbogăţir e a stratului superficial în
atomi de N.
Suprafeţele nitrurate sunt foarte rezistente la uzur ă şi au o duritate mărita. N-12% formează cu Fe constituenţi şi faze la fel cu ai Fe-C. În cursul nitrurării, ferita din oţelurile aliate se saturează în azot, iar excesul de azot duce la formarea de nitruri fine şi disperse ale elementelor de aliere deoarece acestea nu pot difuza la temperatura de nitrurare (500
– 550oC); în jurul particulelor de nitruri se creează o
puternică distorsionare a reţelei cristaline a feritei şi o puternică finisare a blocurilor structurii de mozaic, ceea ce determină apariţia unor importante tensiuni de ordinul II şi III. Totodată, diferenţa de volum specific şi de coeficient de dilatare dintre nitruri şi masa de bază creează şi tensiuni de ordinul I. Mărimea acestor tensiuni depinde de procentul de fază
: cu cât acesta este mai mare, tensiunile sunt mai reduse şi efectul
nitrurării asupra creşterii rezistenţei la oboseală este mai scăzut. Rezultate o ptime se obţin
atunci când stratul nitrurat nu conţine reţea de nitruri sau
strat „alb”; în acest scop trebuie folosite temperaturi de nitrurare
95_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
coborâte, la care miezul anterior îmbunătăţit să nu se înmoaie, ceea ce ar duce la relaxarea tensiunilor din stratul nitrurat.
Fig.5.8
În domeniul de concentraţii 0 – 12% N, la temperaturi mai mici decât 590oC, se formează următoarele faze de echilibru : -
soluţia solidă (ferita cu azot), conţinând maximum 0,42% N la o
590 C, mai du ră
decât ferita obişnuinţă şi mai rezistentă la
coroziunea atmosferică: are tendinţa de a provoca îmbătrânirea termică prin supradizolvare de azot (şi carbon) la răcirea rapidă, de la temperaturi mai mari de 500
o
C, şi ulterioară reîncălzire sub
o
500 C sau menţinere îndelungată, ca urmare a separării de nitruri
(sau carbonitruri) fragile, la marginea grăunţilor; -
faza
'
(Fe4N), fază de interstiţie (reţea cfc), are cea mai mare
duritate (450 -
500 HV), fiind utilă la solicitările de eroziu ne,
cavitaţie, presiune de contact redusă; prezintă instabilitate la temperaturi relativ joase şi în prezenţa vaporilor de apă, când tinde să se disocieze; 96_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 5.11 Nitrurare în mediu gazos.
N2
pătrunde în piesa îmbogăţind stratul superficial. Acesta se
uneşte cu fierul formând ferita şi mai poate acţiona cu elemente de aliere formând nitrura. Gazul folosit ca mediu este NH 3 care la temperatura de o
500-550 C se descompune: 2NH3=>2N+6H (3H2). Se observa
tendinţa N2 şi H2 de a se grupa în forma moleculară.
Timpul în care se realizează nitrurarea este între 20-80 ore. Utilajul folosit este un cuptor vertical cu
instalaţii auxiliare formate
din tuburi de gaz, de NH 3. Un procedeu modern de nitrurare este ionitrurarea. Const ă
în
introducerea piesei într-un cuptor special, vidat. Piesa este pusa la catod, iar între peretele metalic al cuptorului
şi piesa se realizează o diferență de
potenţial de 1500 volţi. Instalaţia este prezentata în fig.5.9.
Fig.5.9
97_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 2
Duritatea poate ajunge intre 100-1100 DaN/mm . Se aplică pentru piese importante: arbori, pompe, motoare, scule. Graficele tratamentelor termice de nitrurare sunt prezentate
în
fig. 5.10-5.12.
Fig.5.10
Fig.5.11
Fig.5.12
In fig. 5.10 se prezintă procedeul clasic de nitrurare cu o
până la temperatura de 510 C în interval de 4 ore cu
încălzire
menţinere de 24 ore
şi răcire odată cu cuptorul în 34 ore. o
In fig. 5.11 se prezintă nitrurarea, preîncălzire la 480-500 C
şi în
o
final la 560-580 C. Preîncălzirea are rolul de a facilita difuzia N 2 în miez
98_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ deoarece stratul superficial este suprasaturat
în N2 şi formata din faza ε
care este dură şi fragil ă. Dacă se mai aplica
încă o treapta la răcire atunci se elimină
fragilitatea stratului superior, fig.5.12.
Fig.5.13 Microstructura stratului nitrurat al fierului tehnic
după răcire lentă de la 700 oC b. după răcire în ulei de la 600oC
a.
5.12 Carbonitrurarea.
Este un tratament termic ce combin ă cementarea
şi nitrurarea,
îmbogatind stratul superficial simultan în atomi de N2 şi C. Carbonitrurarea este
tratamentul termochimic care constă din
încălzirea pieselor din oţel sau fontă la temperaturi situate în intervalul 550-880
o
C, în medii gazoase, lichide sau solide, pentru obţinerea unor
straturi superficiale îmbogăţite în carbon şi azot în scopul creşter ii durităţii respectiv a rezistenţei la uzare, oboseală, presiune de contact etc. După criteriul temperaturii la care se desfăşoară, carbonitrurarea se clasifică în: -Carbonitrurarea de temperatură înaltă, peste punctul
critic superior
o
Ac3 (750-880 C), caracterizată prin faptul că la răcire au loc transformări
99_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
atât în miez cât şi în strat, fiind necesar să se aplice tratamente termice ulterioare; -Carbonitrurarea
de temperatură medie (700-710oC). Datorită
faptului că azotul coboară temperaturile critice ale oţelului, în zona marginală temperatura de 700oC este superioară Ac1, iar în miez este inferioară acestuia; drept urmare, la răcire rapidă are loc transformare martensitică numai în strat, ceea ce duce la diminuarea deformărilor; -Carbonitrurarea
tem peratură
de
joasă
(550-570oC)
se
caracterizează prin faptul că în timpul răcirii nu au loc transformări structurale nici în strat, nici în miez. Compoziţia chimică a stratului superficial depinde de temperatura la care se desfăşoară procesul.
5.13 Carbonitrurarea în mediu gazos.
Procentul de N2
în strat este de 0,4%, iar de C de 0,8%. o
Temperatura la care se realizează este de 750-900 C, mai exact intre 830o
860 C. Viteza de carbonitrurare este 0,25 mm/h. Stratul cementat ajunge pana la 0,2 mm, iar cel nitrurat 0,1 mm.
Răcirea în urma nitrurării se face până deasupra punctului Ms, unde are loc transformarea austenitei
în perlită sau bainită.
5.14 Sulfizarea şi sulfoceanurarea.
Sulfizarea şi sulfoceanurarea constă în îmbogăţirea stratului superior
în atomi de sulf formează compuşi FeS, FeS2, FeS3, care se
interpun între
suprafeţele de frecare ale pieselor. Sunt poroşi şi se îmbibă
cu ulei sau lubrifiant. Dac ădorim ca duri se
în stratul superior să avem compuşi
realizează sulfoceanurarea. Piesa se cufund ă într-o soluţie formată
din 45% sulfat
şi 55% cianură la temperatura de 550 oC, obţinându-se o 2
duritate de 1000-1100daN/mm . 100_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
5.15 Cromizarea.
Este un tratament termic de Se face pe o
îmbogăţire a stratului superior în Cr.
adâncime de 0,05-0,3 mm, în pulberi de Cr, în vid şi cu
curenți de înaltă frecvență. Duritatea obținută este 1000-1100daN/mm 2. 5.16 Aluminizarea.
Este tratamentul termochimic cu aluminiu, aplicat materialelor metalice feroase, intru-un mediu capabil sa cedeze aluminiu activ. Astfel creste rezistenta la temperaturi înalte a otelului, deoarece prin încalzire se formeaz ă o pelicul ă de oxizi care impiedică oxidarea în adâncime. Miezul pieselor din o țel-carbon obi șnuit (cutii pentru cementare, creuzete pentru cianurare, grătare ,etc.). Suprafa ța acestora se saturează cu aluminiu p ână la 10 -15 % pe o adancime de 0,4 – 0,5mm. Aluminizarea se poate efectua în mediu solid ( în pulberi) sau lichid o
(în bai de aluminiu topit la temperatura de 750 C). Cel mai frecvent însă este folosit un amestec din pulberi, compus din :43%Al, 49% Al 2O3 , 2%NH4C. Aluminiul
conferă materialului metalic păstrarea proprietăților
la temperaturi înalte, ulterior se realizează o recoacere de normalizare o
900-1000 C.
5.17 Borizarea.
Borul pătrunde Carbura de bor
în stratul superior formând cu C carbura de bor.
obţinută artificial în laboratoare și este unul dintre cele
mai dure materiale după diamant.
5.18 Fosfatarea.
Constă în îmbogăţirea stratului superior în atomi de fosfor. Aceştia formează compuşii chimici foarte duri şi poroşi care se îmbibă cu emulsii 101_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
şi uleiuri totodată îndepărtând elemente care duc la gripaj. Fosfatarea mai este aplicată evaluarea
şi sculelor de prelucrare prin aşchiere deoarece înlesneşte
aşchiilor , evitând încălzirea sculelor. Se face cu ajutorul unei o
soluţii de P2O5 la 95-98 C. Mai
întâi se face o spălare cu soda caustic ă şi
apoi se introduce într-o cuva cu ulei
încins la 160 oC pentru îmbunătăţirea
uleiului. Stratul acoperit este de 0,01-0,02mm. Acest strat de deoarece
fosfaţi îmbogăţit în ulei este şi un bun izolator,
formează un dielectric şi nu lasă să se formeze o pil ă galvanic ă
care duce la coroziunea piesei.
5.19 Tratamente termice în abur supraîncălzit.
Aceste tratamente se
realizează pentru obţinerea la suprafaţa
pieselor a unui strat e oxizi de tipul FeO,Fe 2O3,Fe3O4. Se
pretează
călite şi revenite. Temperatura de încălzire nu trebuie să
sculelor
depăşească 570oC deoarece sub aceasta temperatura se realizează Fe3O4 care este cel mai dens dintre oxizi
şi acoperă suprafaţa protectoare la
medii corozive. o
Daca temperatura trece de 570 C se
obţine FeO care este cel mai
puţin dens oxid. Acest tratament termic înlocuieşte carbonitrurarea şi conferă pieselor un aspect special. Nu se aplica pieselor carbonitrurate, sau
înaintea carbonitrur ării.
Procesul decurge: - piesele se introduc minute
în cuptor la 350-370 oC, se menţin 30 de
după care se introduce aburul supraîncălzit 20-30 de minute, se o
adică se supraîncălzeşte aburul pentru
a putea fi evacuat), are loc o
răcire la 350 oC şi se stopează admisia
ridic ă temperatura la 550-670 C (
aburilor,
după care se răceşte în aer sau odată cu cuptorul, fig. 5.14.
102_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.5.14
Ulterior piesele se introduc intr-o baie de ulei de transformare pentru ca stratul de oxizi
să se impregneze în ulei dându-i un aspect
comercial şi protejata împotriva coroziunii. o
Daca temperatura trece de 570 C sau timpul de o ora atunci se poate
menţinere trece de
obţine Fe2O3 care este mai puţin dens şi mai fragil.
5.20 Tratamente termo-mecanice.
Se
ştie ca rezistenta unui material metalic creste prin 2 metode
diametral opuse: - eliminarea imperfecţiunilor sau deformaţiilor din material; - introducerea voit ă a
imperfecţiunilor şi deformărilor în material
pentru a stopa alunecarea planelor
în timpul deformărilor plastice.
Îmbunătățirea pro prietăţilor se poate face prin aliere, deformare plastică şi tratament termic. Tratamentele termo-mecanice sunt o
combinaţie între deformarea
plastică, menţinerea şi răcirea materialului metalic în vederea introducerii imperfecţiunilor în material precum şi uniformizarea acestora pe intreaga 103_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ masa a piesei,
obținndu-se proprietăţi ridicate din punct de vedere al
rezistentei. Tratamentele termomecanice
reprezintă o categorie de tratamente
care permite obţinerea unor proprietăţi mecanice mai bune asociind două modalităţi de durificare ( deformare plastică şi transformări de fază), ce constau în aplicarea peste ciclul de răcire din cadrul tratamentelor termice a unor deformări elasto- plastice având grade diferite de deformare şi temperaturi diferite de aplicare. Tratamentele termo-mecanice
pot fi aplicate atât aliajelor feroase
cât şi celor neferoase dar rezultate mai bune se obţin în cazul oţelurilor carbon sau aliate având 0,4-0,6 %C,o granulaţie fină (N=8,...,10) şi un grad mare de duritate. Laminarea controlată:
constă în aplicarea unor deformări p lastice
cu grade de deformare 60...90% la temperaturi de deformare mai mari
decât Ac3. După deformare răcirea se face cu viteze mai mari decât viteza critica de răcire, obținându-se o granulaţie mai fină și se formează plane de alunecare în austenită care favorizează formarea martensitică. În urma laminării se constată o creştere a rezistenţei şi valori mari ale alungirii şi tenacităţii. Tratamentul (Ausforming): de la
termo-mecanic
cu
deformarea
a
austenitei
temperatura de încălzire se aplică o răcire cu viteze
mai mari decât viteza critica de răcire până la temperatura de 500 ... o
700
C când se aplică deformarea cu grad de deformare 40...80%, după
care se continua răcirea cu viteza mare. Are că rezultat obţinerea unei granulaţii fine, transformare mai completă
a austenitei în martensită o creştere a rezistenţei şi tenacităţii
ridicate.
104_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Se obţin rezultate mai bune la oţelurile care prezintă un interior de stabilitate maximă a austenitei în domeniile de transformare perlitic şi bainitic. Tratamentul termo-mecanic cu deformarea martensita la rece de la
temperatura de încălzire constă în răcirea piesei cu viteza mai mare decât viteza critica de răcire până la temperatura de deformare egală cu temperatura ambiantă. Când se aplică o deformare elasto- plastică cu grad de deformare 0,5...1,2%
se obține o distorsiune şi fărămiţare a pachetelor
de martensită, precipitarea de carburi foarte fine în direcţia acelor de martensita, creşterea tensiunii interne şi a densităţii de dislocaţi. Dezavantajul acestui procedeu constă în faptul că la aceste temperaturi scăzute este greu de controlat procesul de deformare şi există pericolul de apariţie a fisurilor în material. Tratamentul termo-mecanic cu deformarea martensitei la cald -
constă în răcirea piesei cu viteza mai mare decât viteza critica de răcire până la temperatura ambiantă. Se realizează o încălzire la temperatura de T = (150...200)
o
C când se aplică o deformare 1...3% şi în acest caz prin
destabilizarea austenitei reziduale
şi precipitarea de carburi se produce o
crestere a rezistenţei mecanice dar şi o scadere a tenacităţii. După tratamentul termo-mecanic se realizează o revenire la o
temperatura T = 150...300 C.
Deşi reprezintă tehnologii mai complexe tratamente termomecanice permit realizarea unor economii de material şi se recomandă a fi aplicate pieselor pentru fixarea foarte rigidă a tablelor, sârmelor şi cablurilor foarte rezistente,
ale unor piese din construcţiile aeronavale.
Pentru realizarea unor propr ietăţi performante va trebui ales procedeul de deformare plastică care induce cel mai bine
imperfecţiunile
în material precum şi tratamentul termic optim. Tratamentul termo-mecanic se clasifica
după:
105_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -temperatura la care are loc
încălzirea;
- poziţia deformării plastice în funcţie de tratamentul termic;
În figura 5.15 se prezintă graficele tratamentelor termomecanice.
Fig.5.15 106_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 5.21 Tratament termic în câmp magnetic.
Câmpul magnetic coboară punctul
iniţiat în echilibru termodinamic al transformării
de încălzire cu o valoare ΔT:
ΔT=HI/Δф(T0-Ttr) [oC]; HI – intensitatea câmpului magnetic; I-
inducţia câmpului magnetic;
Δф – forţa motrice de transformare; To- temperatura de transformare f ără câmp magnetic; Ttr- temperatura de transformare cu
câmp magnetic.
Fig.5.16
Acest tratament termic se pretează numai aliajelor feromagnetice. Chiar daca sunt realizate
câmpuri magnetice de intensitate mare, totuşi o
temperatura scade numai cu 4 C. Tratamentul are însa eficacitate deoarece creste viteza de germinare deci implicit creste viteza totala de transformare procesului.
şi deci scurtează timpul
Totodată se observă o scădere a procentului de austenit ă
reziduală, martensita este mai rezistenta şi are o granulaţie mai fina. La
început s-a constatat ca austenita rezidual ă se descompune mai
uşor . Influenta câmpului magnetic în timpul inducţiei are ca efect încetinirea vitezei de încălzire pana la 925 oC. Din aceasta rezultă că prin 107_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ suprapunerea
câmpului magnetic peste tratamentul termic de călire
superficia ăl se obţine o adâncime mai mare a stratului
1-
Încălzirea fără câmp magnetic;
2-
Încalzirea cu câmp magnetic.
călit, fig.5.17.
Fig.5.17
5.22 Tratament termic cu încălzire ultra rapida. Tratament cu
încălzire cu laser. Include tratamente termochimice precum
şi de călire superficială
prin inducţie şi cu flacăra oxi-gaz. Parametrii tehnologici sunt: - temperatura de
inducţie;
- viteza de inducţie; - durata de
menţinere.
Acestea se aleg în funcţie de: - puterea laserului; - frecventa fascicolului; - natura materialului; 108_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - absorbtivitatea suprafeţei. Exista o problemă legata de absorbitivitatea suprafeţei materialului metalic deoarece fascicolele sunt reflectate, iar energia emisa de laser nu este absorbita
în stratul superficial cu randament ridicat. De aceea pe
suprafaţa materialului se depune un strat de fosfaţi de Mn şi Zn sau oxizi metalici daca
în acest strat se afla şi C atunci se poate realiza şi o
cementare, randamntul se ridic ă astfel de la 0,1-0,6. Raza fascicolului laser este cuprinsa intre 1-5 mm. Amprenta laserului are diametrul de 5-30 mm, deci nu este suficient ă pentru acoperirea întregii suprafeţe a piesei. Metalul prezintă
şi avantajul că este selectivă adică se poate căli
precis numai anumite parţi ale supraf eţei. Pentru acoperirea întregii suprafeţe se aplica metodele: - pentru suprafaţa plană:
Fig. 5.18 a) fascicolul circular;b)fascicolul drept unghiular;c)fascicolul prin baleaj;d)fascicolul prin vibraţie;e)fascicolul prin oscilaţie.
109_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -pentru o piesa rotunda:
Fig. 5.19 a)in benzi; b)in diagonala;c)in spirala în ambele sensuri; d)in inele; e,f,g) cu oglinzi
în interior şi exterior.
Se numeşte coeficient de umplere Ku ca fiind raportul dintre aria pe care acţionează laserul pe suprafața totala a piesei. KU=A’/A Productivitatea pentru fascicolele rotunde este:
P=(πd2KUf)/4; Productivitatea pentru fascicolele dreptunghiulare este : P=(Lb-0,2b)f. d- diametrul fascicolului; L-lungimea; b- lăţimea;
110_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ f- frecventa
radiaţiei.
Datorită formei amprentei laserului unele porţiuni sunt
încălzite de
două ori, din aceasta cauz ă rămânând în zonele respective porţiuni moi, fiindcă la prima încălzire se realizează călirea, iar la cea de doua revenirea şi deci o scădere în duritate a materialului. Pentru a preveni acest impediment
suprafaţa se ecranează.
5.23 Tratamente termice cu surse ultrascurte de lumină
Tratamente termice cu efecte similare pot fi efectuate şi cu alte surse adiante decât laserii. Aceste surse sunt lămpile cu descărcare în gaz LDG), ce emit
radiaţii din domeniul optic de lungimi de undă şi
funcţionează în regim de impulsuri ultrascurte. Ele se utilizează pentru încălzirea radiantă a diferitelor medii (lichide, solide, gazoase etc.). omeniul de aplicare este foarte vast
începând cu pomparea laserilor cu
element activ solid, instalaţii de simulare a iradierii solare a aparatelor cosmice, cuptoare optice, până la bioreactoare în medicină.
Fig.5.20. Schema de principiu a tratamentului superficial cu LDG 1 – sursă de lumină; 2 – reflector; 3 – bloc de condensatori; 4 – sursă de alimentare; 5 – piesa metalică; 6 - stratul modificat.
111_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Aceste surse reprezintă tuburi din sticlă de cuarţ optic topit de calitate înaltă, închise la ambele capete, unde sunt montaţi electrozi de formă specială din wolfram conectaţi la o sursă de alimentare şi sunt umplute cu un gaz neutru (Xe, Ar, Kr, Ne), cât şi cu unele amestecuri ale acestora ca He, I etc. O schemă de principiu a unei instalaţii de tratament cu LDG este prezentată pe f ig.5.20. Funcţionarea se bazează pe descărcarea electrică între electrozii de wolfram în mediul gazos şi apariţia plasmei, care emană prin pereţii balonului lămpii un flux strălucitor de energie radiantă cu lungimea de undă corespunzătoare gazului de umplere. Spectrul fluxului radiant este continuu în domeniul undelor vizibile (380-780 nm) şi în infraroşu scurt (λ ≤ 1,1 μm) şi este aproape de spectrul radiant al CAN la temperatura de
9000 K, cu diferenţa că la LDG maximul energetic este situat în domeniul λm = 0,5 μm, iar la CAN – λm = 0,322 μm.
Spectrul este asemănător cu
spectrul soarelui, cu maximum de intensitate la lungimea de undă λm = 0,5 μm.
La micşorarea duratei impulsului, temperatura de strălucire a
plasmei creşte şi poate atinge valori de 10000-15000 K, iar maximul intensităţii spectrale se deplasează spre zona undelor de lungimi scurte (λm = 0,35-0,5 μm).
La sursele cu funcţionare în impulsuri descărcarea
are loc de la o baterie de condensatori de tensiune înaltă. Durata impulsului este de ordinul milisecundelor ( τi = 10-3-10-4 s). Intensitatea
radiaţiei este funcţie de tensiunea aplicată la bornele condensatorilor şi este de ordinul 100- 40000 J pe durata unui impuls, iar puterea maximă de ordinul 104- 106
W. Balonul lămpii poate fi executat practic în toate
formele geometrice cunoscute.
5.24 Tratamente termice în vid.
Se
realizează la o presiune mult mai mica decât presiunea
atmosferica, necesita utilaje speciale
şi scumpe. în interiorul incintei
112_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ cuptorului se
realizează sublimarea, oxidarea, reducerea, disocierea,
absorbţia, difuzia. Degazarea - este procedeul de eliminare a gazului din atmosfera incintei din
suprafaţa pieselor şi a elementelor constructive ale cuptorului.
Sublimarea – este un proces fizic de transformare din starea solid ă
în starea gazoasă. Este posibila datorita temperaturii ridi câte şi presiunii scăzute. Căderea de tensiune - este posibil ă datorita temperaturii înalte şi presiunii joase, precum cuptorului
şi a degazării şi se realizează între pereţii
şi suprafaţa piesei.
Oxidarea - s-a observat ca
în incinta cuptorului cu vid materialele
oxidează diferit. Piesele din
oţel şi fonta oxidează mai puţin deoarece oxigenul
reacţionează mai întâi cu carbonul. Toate aceste procedee duc la îmbunătăţirea proprietarilor materialului, la creşterea rezistentei şi a maleabilităţii.
113_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
CAPITOLUL VI
Tratamente termice ale fontelor
6.1
Tratamente
termice
preliminare.
Recoacerea
de
maleabilizare.
Fontele de maleabilizare sunt fonte ce au
în compoziţie perlită,
cementită şi ledeburit ă. In
funcţie de mediul de încălzire, neutru sau decarburat, fontele se
pot obţine albe sau negre. Maleabilizarea
fontelor
se realizează prin descompunerea
cementitei după relaţia : FeC = Fe+C (grafit) (1).
În fig. 6.1 se prezintă o clasificare a fontelor maleabile după modul de obţinere şi după masa de bază astfel:
Fig.6.1
Fonta maleabilă cu grafit se poate ob șine direct, din turnare adaugand unii modificatori: Si, Al. 114_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Siliciul urc ă punctul de transformare de pe digrama Fe- C sus. Cementita ce e un constituent metastabil se transform ă
în stânga
în ferită şi
o
grafit la temperatura de 950 C. Exista două etape în procesul de formare a grafitului: - formarea din cementita; Fe 3C=>3Fe+Cgrafit - formarea din austenita. Austenita maleabila=> austenita stabila + C (grafit)
a
b
c
Fig.6.2 Microstrucrura fontelor maleabile: a.feritice (150:1); b.ferito-perlitie (100:1); c.perlitice (100:1).
Conform limita
relaţiilor de mai sus grafitul de recoacere ia naştere la
grăunţilor de cementită eutectoidă şi la marginea dendritelor de
austenit ă, iar sensul de
creştere îl are spre cementită. Acesta se întâmpla o
la tmperatura de 900-950 C.
115_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.6.4
Acest proces decurge p ână suprasaturat ă
când va fii un echilibru între austenita
în carbon şi carburile de grafit din austenita suprasaturata.
Ca atomii de carbon
să migreze către grafit va trebui să ase realizeze o
răcire lenta cu 30oC/h pana la temperatura de 770 oC, de aici cu o vitez ă şi o
mai mică de 50 C/h până la temperatura de 660-700
o
C după care răcirea
se face în aer ca în fig. 6.3. Se observă că temperatura aferentă acestui tratament e destul de mare. Pentru a scădea acesta temperatură se poate face o o
o
cu 100 C/h pana la 721 C
răcire mai rapidă
şi o menţinere la acesta temperatura de 2,8 h.
În primul caz se observ ă o structura feritic ă, iar în cazul al doilea o structura perlitic ă. Dacă mediul de
încălzire e decarburant, piesele se împachetează în
minereuri de hematită la temperatura de 950 oC dar va arde conform relaţiilor 3, 4, 5. Fe3C+5/2O2 => 3FeO+CO2 (3) CO2+C(grafit) => 2Co (4) Fe2O3+CO =>Fe3O4+CO2 (5). Oxidul de Fe
ajută la regenerarea de CO2, ce iniţial se combină cu
grafitul. 116_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 6.2 Recoacerea de feritizare
Se observa ca pentru ca fontele
să aibă o buna prelucrabilitate prin
aşchiere ele trebuie să aibă în structura ferita. Fontele perlitice cu grafit nodular se poate
obţine prin turnare,
aducându-se modificări, insa procesul trebuie să respecte strict parametrii de lucru, în caz contrar obţinem rezultate mai puţin satisfăcătoare. Temperatura la care se procentul de C
realizează tratamentele sunt în funcţie de
şi de şi ce se afla în fonte:
2-2,45%
şi – recoaceri subcritice;
2,4-2,85% 2,8-3,5%
şi – recoaceri intercritice;
şi – recoaceri supracritice. o
Trec sup=Asup+30 C Trec inter=(Asup+Ainf)/2; o
Trec sub = Ainf-30 C. o
Asup = 721 C+28%Si-25%Mn-1,8%S; o
Ainf=721 C+10%Si.
Fig.6.5
Diagrama acestui tratament termic se prezintă în fig.6.5. Răcirea se face în cuptor pana la 300 oC, apoi se trece în aer. 117_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 6.3 Recoacerea de grafitizare
Are ca scop transformarea cementitei
în grafit. Se realizează pentru
fontele aliate (fig.6.6).
Fig.6.6
Fontele se încălzesc până la 900 oC apoi se răceşte pana la 770 oC (pentru ferit ă)
şi până la 550-600 oC cu subrăcire la 500 oC (pentru
perlit ă). 6.4 Recoacerea de globulizare.
Fig.6.7 118_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fontele se încălzesc până la temperatura de 800oC dupa care se răcesc cu o viteza de 40oC/h până la temperatura de 300oC, după care se răcește în aer. Tratamente termice ale fontelor cenuşii. 6.5 Normalizarea
E tratamentul termic prin care se structural ă ferito-perlitic ă sau finisarea
urmăreşte transformarea
granulaţiei de perlită.
Condiţiile ce trebuie îndeplinite de fonte pentru a li se putea aplica tratamentul termic de normalizare sunt următoarele: - grafitul trebuie
să fie fin, iar dac ă fonta conţine cementită
carburile trebuie să fie fine; - să aibă un conţinut de Si<3%; - grosimea pereţilor piesei de font ă nu trebuie să depăşească 50mm. Parametrii tehnologici ai tratamentului termic sunt: - temperatura de - viteza de tensiuni interne
încălzire este de 900oC;
încălzire trebuie să fie lentă pentru nu a introduce
şi să nu se producă fisuri;
- durata de
menţinere între 1-3 ore.
Răcirea se face în aer, iar dacă piesele au o forma geometric ă complexă,
răcirea se face în cuptor până la 500-550 oC şi apoi în aer. Se
obţine o duritate mai mare şi o rezistență la rupere mai mare. 6.6 Călirea fontelor
Urmăreşte transformarea perlitei în martensită. Condiţia ce trebuie respectate de fonte este
să aibă grafituri fine, în caz contrar tratamentul
este ineficient. Procentul de C trebuie
să fie mai mare de 0,4-0,5%.
Înaitea căliri fontelor trebuie făcută recoacerea de normalizare (perlitizarea). 119_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Parametrii tehnologici ai
călirii sunt următorii:
- cu cat procentul de C este mai mare cu
atât duritatea crește; o
- procentul de C la temperatura de 725-775 C e puţin legat
în
austenita; - durata de
menţinere este intre 0,3-1 ora;
- viteza de
răcire este mai mare în ulei la 30-40 oC sau în băi de
săruri 250-350 oC, călirea făcându-se în trepte. Se mai aplica şi următoarele feluri de călire: - călirea izoterma; - superficiala cu
flacăra sau prin inducţie;
- tratamente termochimice: aluminizarea, cromizarea.
6.6 Revenirea.
Revenirea este un tratament ce interne remanente reducerea
urmăreşte diminuarea tensiunilor
obţinute după călire. Se urmăreşte în unele cazuri şi
durităţii. Creşterea rezistentei la rupere, la tracţiune. Încălzirea
să face la 400-500 oC cu o durata de menţinere scurtă şi o răcire lenta. 6.7 Tratamente termice specifice pieselor din fonta (batiuri).
Batiurile ca
şi ghidajele maşinilor unelte se realizează din fonte.
Ele trebuie să îndeplinească următoarele cerinţe: -
sa aibă stabilitate dimensională;
-
sa suporte solicitări mari ;
-
sa reziste bine la abraziune;
-
sa absoarbă vibraţiile.
Pentru acestea se folosesc fonte cenuşii, care au în componen ță grafit, aceasta are acţiuni diametral opuse, şi anume: -
lubrifiere, între suprafaţa de contact ale săniilor cărucioarelor şi ghidaje;
120_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
grafitul fiind dur
şi fragil el deformează materialul suprafeţei cu
care intra în contact, ducând la gripaj. Batiurile suport ă,
în momentul actual, solicitări din ce în ce mai
mari, datorit ă performantelor
maşinilor unelte actuale. Elementele de
aliere cum ar fi Cr, CrMo, CrNi, CrCu, duc la
mărirea durităţii şi
rezistenței fontelor. Fontele au capacitatea de a amortiza vibraţiile şi anume la pornirea utilajului, precum în sarcina la suprasolicitări. Capacitatea de amortizare e
influenţata de procentul de carbon sau
de carbon echivalent, sau de structurile modificate (martensita). Prin urmare, fontele care se folosesc pentru ghidajelor trebuie
confecţionarea batiurilor şi
să îndeplinească:
-
un procent de C 3%;
-
sa nu aibă nisip sau alte elemente dure
atât pe suprafaţa cat şi în
interiorul piesei; -
sa suporte sarcini mari;
-
sa amortizeze
vibraţiile şi să aibă pierderi minime de material
în timpul uzării. Tratamentele termice specifice acestora (batiurilor
şi ghidajelor)
sun următoarele: Detensionarea poate fi de mai multe feluri:
Naturala;
Artificiala;
Prin vibraţii;
Prin tensiuni termice.
Detensionarea prin vibrare naturala.
Piesele sunt scoase de temperatură
în mediul înconjurător, iar datorita fluctuaţiilor
şi umiditate, materialele se detensionează. în primele 6 2
luni tensiunea scade cu 8-10 daN/mm . 121_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Dacă înainte de scoatere în mediul înconjurător piesele sunt supuse unui proces de
aşchiere, acestea se detensionează cu circa 10-15% mai
mult. Detensionare artificiala.
Este mai rapidă dar se face cu consum de combustibil. Piesele se introduc
în cuptor la o temperatura de 650 0C şi se răcesc odată cu
cuptorul sau mai repede. Detensionarea prin vibraţii .
O metodă nouă ce prinde contur tot mai mult este detensionarea prin vibraţii sau cu ultrasunete. Daca piesa e de lungime mică se asează pe un dispozitiv care
vibrează, daca e de lungime mare, atunci se aseaz ă pe dispozitiv pe porţiuni, succesiv.
Vibraţii cu ultrasunete. Au peste 25000 Hz şi conduc la rezultate mai bune. în prezent nu se
ştie exact de ce materialele se dete nsionează prin vibraţii, însă
cercetătorii admit ca mecanism deformarea plastică în interiorul materialelor
în timpul vibrării, iar după încetarea acesteia materialul este
relaxat, deoarece zonele tensionate au deformat zonele S-a observat ca
învecinate lor.
în primele secunde pana la un minut, efectul de
detensionare e maxim, el
scăzând cu trecerea timpului, iar după trei ore
nu mai are nici un efect. Detensionarea prin tensiuni termice.
S-a constatat faptul ca introducerea unor tensiuni termice suplimentare de deformarea
acelaşi sens, cu tensiunile existente în material duce la
plastică a materialului şi astfel la relaxarea acestuia după
încetarea tensiunilor suplimentare. Procesul const ă în încălzirea repetată o
la temperatura de 350 C cu răcire în aer rece furnizat de o aeroterm ă.
122_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Tratamente termice de durificare a ghidajelor.
Se pot folosi
căliri superficiale cu inducţie şi cu flacăra. Cele cu
flacără au o adâncime de pătrundere intre 1-3 mm, arzătorul stă fix, iar ghidajul execut ă
mişcări de avans, lângă arzător e dispus şi un duș cu apă
rece. La
călirea prin inducţie se observă adâncimi de pătrundere mai
mari decât la răcirea cu flacără.
Tratamente termochimice de durificare a ghidajelor o
De obicei se aplic ă sulfoceanurarea la o temperatura de 570 C, intr-o baie ce
conţine sulf, carbon şi azot.
Se poate aplica un strat un procedeu costisitor
subţire de Mo pe suprafaţa ghidajelor. Este
şi de aceea peste acesta se dispune o pelicula dintr-
un alt material metalic.
6.8 Călirea fontelor albe.
Fontele albe pot fi de
maleabilitate și fonte rezistente la abraziune.
Fontele rezistente la abraziune sunt extrem de dure bine la frecare
şi rezista foarte
întrecând chiar şi oţelurile manganoase, din ele se
realizează cilindrii laminoarelor. Ele se împart funcţie de procentul elementelor de aliere
în fonte cu:Cr şi Ni (25 şi 4%);Cr (24-27%);Cr şi
Mg (17-18%, 3%). Toate aceste fonte au o structura de martensita
călibilitate mare, ele având chiar după turnare
şi austenita reziduală, iar pentru cel de-al doilea
caz mai apar şi carburi sau cementit ă. Temperatura de o
călire a acestor fonte este de 950-1000 oC cu o
revenire la 250 C, respectiv 400 C, pentru fonta cu 27% Cr.
123_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL VII
7.1
Tratamentul termic aplicat
metalelor şi
aliajelor
neferoase
Tratamentele termice care se pot practica aliajelor neferoase se pot
grupa în două categorii: -tratamente
termice de recoacere , care au aceleaşi semnificaţii la
oţeluri şi fonte ; -tratamente de durificare prin efectul de precipitare, ca urmare a
descompunerii soluţiilor solide suprasaturate. 7.2 Recoacerea de recristalizare.
Materialele şi aliajele neferoase se pretează mai mult prin procedee de deformare
plastică. Se ştie ca după aceste deformări structura
materialului, precum
şi proprietăţile nu mai sunt corespunzătoare de
aceea se aplica recoacerea de recristalizare cu scopul de a reface structura
iniţiala. Temperatura de recristalizare a Al este intre 100 şi 300oC, iar la aliajele de Al este intre 300
şi 400oC. Exista o problema, în timpul
încălzirii şi răcirii aceste aliaje, datorita faptului ca precipita anumiţi compuşi chimici care sunt duri şi astfel materialul sau aliajul îşi pierde din maleabilitate sau ductibilitate. Pentru a evita acest neajuns vor trebui
respectaţi parametrii tratamentului termic din standarde. Temperatura de recristalizare a Cu se afla
în intervalul 180-230 oC, iar a aliajelor de Cu
o
300-400 C. Pentru aliajele de Cu cu grade mari de deformare
plastică
O
temperatura de recristalizare se regăses c în intervalul 700-800 C.
124_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
7.1 Microstructura unui bronz cu 5%Sn
a.după turnare (100:1); b.după recoacere (150:1).
7.3 Granulaţia .
Este un factor determinant pentru procesele tehnologice de prelucrare ulterioara, astfel ca pentru bronzurile bifazice (α cu viteza mare
şi β), la răciri
cristalizează numai faza β, care este dura, fragila şi cu o
granulaţie grosolana, deci nu se poate prelucra bine prin deformare plastică deoarece în porţiunile cu duritate mare materialele se vor fisura. De aceea este recomandat ca viteza de
răcire fie lenta pentru a crea
posibilitatea formarii fazei α la limita grăunţilor fazei β care este moale şi plastică fiind de dorit în structura aliajului deoarece acesta este mai uşor prelucrabil
atât prin deformări plastice la cald sau la rece cat şi prin
aşchiere. Se cunoaşte faptul ca aliajele de Ni prezintă o creştere pronunţata a granulaţiei în timpul încălzirii. Pentru evitarea acestui lucru e nevoie ca procesul de tratament termic să fie cuprins intre 1-15 minute, să aibă o durata scurta. Nichelul pur are temperatura de recristalizare mai mica de o
300 C, iar pentru grade de deformare mare temperatura de recristalizare
se realizează intre 700-800oC 125_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
7.2 Microstructura unei alame bifazice:
a.incălzită în domeniul și răcită lent; b.răcită rapid Pentru aliajele de Nichel temperatura de recristalizare e cuprinsa o
o
intre 350-550 C, iar pentru gradul de deformare mare intre 850-1150 C
7.4 Recoacerea de detensionare.
Urmăreşte uniformizarea tensiunilor interne remanente obţinute în urma proceselor tehnologice de turnare precum
şi de deformare plastică la
cald sau la rece. Temperatura acestui tratament preliminar nu trebuie depaseasca temperatura pragului de recristalizare. Durata proces este de
să
întregului
câteva ore.
7.5 Tratamente termice de omogenizare.
După turnare datorita condiţiilor tehnologice de răcire în materialul piesei se
regăsesc neomogenitati precum şi segregaţii intradeutritice şi
intereutritice, datorita faptului ca
în timpul răcirii se obţin pe langa
constituenţi de echilibru termodinamic şi alţi consti tuenţi rezultând un material neomogen cu proprietatea diferite Recoacerea de omogenizare vine defecte. De exemplu, la
în volumul materialului. în sprijinul inlaturarii acestor
răcirea aliajelor de Al în interiorul masei metalice
126_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ de baza precipita fata de
anumiţi compuşi chimici care au o duritate concentrica
concentraţia materialului de baza, cum ar fi: CuAl 2, Al2CuMn,
Al3Mn2Zn2, etc. o
Temperatura de omogenizare este de 540 C iar durata de
menţinere
este intre 10-30 ore.
7.6 Metode de durificare. Tratamente termice finale.
Costau
în punerea în soluţie, adică încălzirea materialului pana
aproape de punctul de topire
şi răcirea cu viteza lenta pentru a putea
precipita compuşii chimici duri. Pentru a putea ridica duritatea aliajelor neferoase trebuie ca urma
în
călirii viteza de răcire să fie lenta. Aceasta se explica prin faptul ca
se da timp
compuşilor chimici să precipite la marginea grăunţilor
constituenţilor de baza ai aliajelor. Exista 3 stadii: -
precipitarea;
-
formarea fazelor metastabile;
-
formarea fazelor stabile.
Procesul de germinare este unul clasic, din faza suprasaturata (temperaturi înalte) germinează faza stabila
şi totodată precipita compuşii
chimici. Precipitarea este de 3 feluri: -
uniforma – se
regăsesc precipitaţii uniform în întreaga masa a
materialului; -
locala – se
realizează preferenţial în masa metalului precum şi
la marginea grăunţilor ; -
intermitenta – se
realizează pe zone distribuite uniform şi la
temperaturi jose. Schema durificării materialelor neferoase e prezentata
în fig.7.3.
127_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig. 7.3
Se
porneşte de la structura aliajului suprasaturat Ia, are loc
precipitarea uniforma Ib, precipitarea locala Ic, iar daca materialul nu
recristalizează se ajunge la Id, daca materialul recristalizează se ajunge la Ie, If şi se ajunge la Ig. Materialul recristalizat format din lamele care prin difuziune
şi coalexicenta se ajunge dintr-o structura poliedrica intr-o
structura globulara Ih.
128_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 7.7 Călirea
şi revenirea.
Exista aliaje neferoase la care neferoase, bronzurile cu Al se durifica prin punere
7.8 Călirea
călirea are acelaşi efect ca la
şi aliajele de Ti şi exista aliaje neferoase care
în soluţie şi precipitare: AlNi, ZnMn etc.
şi revenirea aliajelor deformabile de aluminiu
Cel mai folosit aliaj e duraluminiu, care
conţine 4%Cu, 0,4%Mn,
0,4%Mg, 0,4%Si.
7.4 Microstructurile unui aliaj cu 1,5% Mg 2Si în diferite stadii de precipitare (15000:1)
a.îmbătrânire naturală; b.îmbătrânire la 345oC, 30 minute; c. îmbătrânire 2h la o
345
C; d. îmbătrânit 4h la 344 oC.
129_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ El se
durifica atunci când are loc revenirea deoarece precipita
produsul chimic dur Mg-Si 2. Temperatura la care are loc procesul este de 0
511
C, durata de menţinere fiind de 8-14 min. La aceste aliaje exista neomogenitati, segregaţii, intra şi
interductritice,
granulaţie grosolana etc.
Din aceasta cauza difuzia compuşilor chimici duri în matricea metalului de baza este îngreunata, deci încălzirea va fi lenta.
130_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
CAPITOLUL VIII
Tratamente termice aplicate organelor de maşini .
8.1 Tratamente termice aplicate pieselor forjate şi matriţate .
Ele au ca scop uniformizarea structurii
şi eliminarea defectelor în
benzi, imbunatătirea proprietarilor fizico-mecanice, tehnologice, chimice, precum şi a măririi
durităţii pentru piesa finita. Se împart în 2 mari grupe:
- preliminare (recoacerile); - finale (imbunatatirile). Tratamentele termice
aplicate organelor de maşini se împart în 7
mari grupe:
- deformare aplicat ulterior
plastică
la cald
deformărilor
şi
tratament termic (DPC+TT)
plastice, are ca scop eliminarea
tensiunilor precum şi refacerea structurii. Se aplica foilor de arc.
- deformare plastică la rece şi tratament termic (DPR+TT).
Deformările plastice la rece pot fi: refulare, extrudare, taiere, ambutisare, stanţare, etc. Acestea
prezintă în zonele deformate ecruisaje.
Tratamentele termice aplicate ulterior sunt: normalizarea (pentru piesele care sunt supuse la trebuie
solicitări medii); recristalizarea (pentru piesele care
să aibă structura iniţiala); călire şi revenire (pentru piesele
solicitate la soc
şi care trebuie să aibă rezistenta mare); tratamente
termochimice (pentru piesele cu rezistenta mare la uzura).
- prelucrarea prin aşchiere
şi tratament termic (PA+TT).
131_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Prelucrarea prin care au o structura
aşchiere se realizează semifabricatelor laminate,
corespunzătoare perlitic ă sau feritoperlitic ă, garantata
de producător . Tratamentele termice sunt tratamente finale ce constau revenire, iar
în călire şi
în unele cazuri şi în tratamente termochimice (furci, biele,
etc.).
- deformare plastică la rece tratament termic şi prelucrare prin
aşchiere (DPR+TT+PA). Tratamentele termice sunt preliminare sau finale scopul de a
şi se aplica cu
îmbunătăţii proprietăţile de prelucrare prin aşchiere de a
elimina tensiunile precum
şi de a creste duritatea sau rezistenta.
Ele pot fi de: normalizare,
călire masică , călire superficiala,
tratamente termochimice. Se pretează bilelor
şi rolelor de rulment, roţilor dinţate, coroanelor
dinţate de dimensiuni mici. - deformare
plastică
la cald
şi
tratament termic
şi
prelucrare
prin aşchiere (DPC+TT+PA).
Deformarea plastică la cald poate fi forjarea,
matriţarea, laminarea,
etc. Tratamentul termic urmăreşte refacerea structurii, precum şi globalizarea perlitei
în vederea unei mai bune prelucrabilitatea prin
aşchiere. - deformare
plastică
la cald
şi
tratament termic
şi
prelucrare
prin aşchiere
şi tratament termic (DPC+TT+PA+TT). Se obţin organe de maşini cum ar fi arbori, osii, etc. Primul
tratament termic are
în vedere refacerea structurii şi poate fi de
normalizare, globulizare etc. pentru ca materialul
să fie mai uşor
132_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ prelucrabil pentru
următoarea operaţie de prelucrare prin aşchiere.
Tratamentul termic final urmăreşte durificarea şi mărirea rezistentei.
prin
- deformare
plastică
aşchiere şi
tratament termic
la cald
şi
tratament termic
şi
şi
prelucrare
prelucrare prin
aşchiere
(DPC+TT+PA+TT+PA).
Se aplica organelor de afla
maşini cu o importanta mai mare şi care se
în producţia de serie mare şi de masa, spre deosebire de procedeul
precedent se observa ca la final mai apare
încă o operaţie de prelucrare
prin aşchiere ce constituie o rectificare. Important :
rectificarea se face întotdeauna după tratamentul termic
final.
8.2 Tratamentul termic al arborilor şi al osiilor.
Arborii sunt organe de
maşini solicitate la torsiune şi încovoiere şi
uneori la oboseala. Materialele din care sunt de calitate (OLC45) precum
realizaţi arborii sunt oţeluri
şi oţeluri aliate (33MoCr, 41NiCr).
Tratamente termice preliminare ale arborilor
înscriu recoacerile. Cele mai importante defecte care apar în
Se
materialul arborilor sunt fulgii. hidrogenului
Aceştia sunt cauzaţi de prezenta
în masa metalului, cu toate precauţiile luate la elaborarea
oţelurilor. Numai în cazul în care se foloseşte elaborarea în vid se obţine 3
sub 2 cm /100gr. Pentru evitarea fulgilor se
realizează următorul tratament termic:
133_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.8.1
Se observa ca după forjare materialul se care se incalzeste
răceşte pana la 300oC după
în domeniul austenitic cu menţinere la 650oC şi răcire o
o
ulterioara pana la 250 C. materialul se incalzeste din nou pana la 650 C şi
a apoi se răceşte liber, ducând la dispariţia fulgilor. Tratamentele
de îmbunătăţire ale arborilor sunt formate din călire
şi revenire.
Fig.8.2
Arborii se
călesc în orizontal în dispozitive speciale. Rezultate
bune se obţin la introducerea arborilor perpendicular pe suprafaţa băii de răcire. 134_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ In zonele aplice o
în care arborii iau contact cu lagărele se recoace să se
călire superficiala, o metalizare pentru ridicarea proprietarilor
mecanice
în special rezistenta la uzura. De asemenea se mai practica şi o
tratament termochimic de nitrurare cu rezistente foarte mare, 550-570 C. Pentru a putea realiza tratamentul de CIF-are trebuie ca pentru fiecare arbore se realizeze
în funcţie de forma să geometrica şi dimensiune trebuie să
câte un indicator, de aceea acest tratament se recomanda la
produsele de serie mare
şi masa.
Osiile au un tratament
asemănător cu cel al arborilor ele fiind
realizate din oţel cu procentul de C de 0,33%.
8.3 Tratamentul termic al rulmenţilo r.
Rulmenţii sun organe de maşini formate dintr-un inel exterior, unul interior, corp de rulare precum
şi o cale de rulare care asigura păstrarea
distantei dintre corpul de rulare. De ei depind în mare măsura performanta maşinii şi agregatelor. Trebuie uzura
să aibă o fiabilitate foarte buna. Sunt solicitaţi puternic la
şi trebuie să funcţioneze în parametrii normali şi la temperaturi o
ridicate, 120 C. Materialele din care sunt
confecţionaţi sunt de tip RUL. Au în
componenta 1,1% C, 1,3% Mn, etc. Mn ridica Tratamentele inelelor interne corpurilor de rulare. Se care
călibilitatea.
şi externe se face diferit fata de cel al
realizează mai întâi o recoacere de globulizare
urmăreşte îmbunătăţirea prelucrabilităţii prin aşchiere pentru
operaţiile ulterioare. Se face la 700 oC. După prelucrarea prin aşchiere la final se face o călire la 850 oC cu 2 preîncălzitori, 330-55-,
menţinere izoterma, încălzire 150-160 oC cu o o
treapta de preîncălzire la 100 C, răcirea fiind în aer. Graficul tratamentului termic este prezentat în fig. 8.3. 135_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.8.3
Pentru corpurile de rulare tratamentul termic se face deformarea plastică. Pentru corpurile de rulare se o
cementare, 900-950 C constant
după
realizează mai întâi o
după care se răceşte pana la 800 oC, se mantie
şi se răceşte în ulei pana la 100 oC, se realizează şi călirea
concomitent cu tratamentul de cementare. La final se aplica revenirea 150 o
C ca în fig.8.4.
Fig.8.4
8.4 Tratamentul termic al arcurilor.
Arcurile sunt organe de
maşini care pot transforma lucrul mecanic
în energie potenţiala pentru ca mai apoi energia potenţiala să o 136_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ retransforme integral sau aproape integral din nou solicitate la
în lucru mecanic. Sunt
şocuri, în cicluri repetate şi chiar la uzare, ele trebuie să îşi
păstreze proprietăţile păstreze proprietăţile la temperatur te mperaturii înalte. Materialele din care sunt elastice. De obicei ele se arcuri , OLC 45A, sau
confecţionate trebuie să fie tenace şi
confecţionează din oţeluri de calitate pentru
oţeluri aliate cu Si. confecţiona şi din aliaje neferoase. Ex. mai
Arcurile se mai pot
multe forme constructive ale arcurilor: - elicoidale; - foi; - platane. Pentru
confecţionare arcurile elicoidale trebuie mai întâi să se
realizeze o recoacere de speciale
înmiire a sârmelor după care pe dispozitive
sârmele se deformează plastic o bţinându-se forme elicoidale.
după deformare se aplica o recoacere de înmuiere pentru ca la final să se realizeze îmbinare, adică, călire + revenire.
Recoacerea de înmuiere se realizează la 700 oC, călirea la 850 oC şi o
revenirea la 450 C, fig. 8.5.
o
T C o
850 C o
o
700 C
700 C o
450 C Recoacere de
înmuiere
Def.
Recoacere de
plastică înmuiere
Călire Revenire t(h)
Fig.8.5
137_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Arcurile elicoidale se introduc
în cuptor aşezat pe generatoare ca să
nu se deformeze. Arcurile foi se introduc
în cuptor în pachet şi sunt poziţionate în
dunga prevenindu-se deformarea. Ex. utilaje care
în acest timp deformează plastic materialele din
care arcurile se confecţionează şi se tratează termic. Pentru arcurile elicoidale de dimensiuni mici, din sarma , 3-5 mm, se folosesc
oţeluri de calitate pentru arcuri. Pentru arcurile din sârme cu
dimensiuni mai mari care se
deformează plastic se folosesc oţeluri aliate
cu Si. Arcurile
confecţionate din aliaje neferoase au următoarele
tratamente: - mai întâi se face o încălzire pentru punerea rapid pentru ca materialul
în soluţie şi se răceşte
să devina moale şi plastic în vederea facilitării
deformării plastice ulterioare. în final se aplica tratamente termice de îmbătrânire. 8.5 Tratamentul termic al roților
dinţate .
8.5.1 Generalităţi . Alegerea materialului.
Sunt organe de
maşini sub forma de disc care pe exterior au dispuşi
dinţi la egala distanta. Ele transmit mişcări, forte şi momente de torsiune cu coeficient de transmitere aproape de 1. D inţii sunt inconvoiere
solicitaţi la
şi uzura pe flancuri deoarece forma profilului dintelui este
evolventica şi nu arhimedica, aceste aduc la uzura. Miezul dintelui trebuie de inconvoiere
să fie tenace pentru a putea prelua efectul
şi şocurile, marginea trebuie să fie dura pentru a putea
rezista la uzura.
138_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Pentru
solicitări scăzute rotile dinţate se vor confecţiona din fonta
maleabila modificata. Pentru
solicitări mari rotile dinţate se vor
confecţiona din oţeluri slab aliate de cementare. Semifabricâtele din care se realizează rotile dinţate pot fi: - laminate; - matriţate; - forjate. Daca rotile se rezistenta lor va fi mai
realizează din materiale laminate prin aşchiere, scăzuta deoarece fibrajul va fi întrerupt, fig.8.6.
Fig.8.6
Daca dinţii sunt
obţinuţi prin deformare plastică, matriţare, forjare,
atunci acestea sunt mai rezistente deoarece au fibrajul continuu, fig.8.7.
Fig.8.7
8.5.2 Tratamente termice preliminare.
După deformarea plastică se realizează o normalizare, care îmbina structura materialului. Se poate combate deformarea
plastică cu
139_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ normalizarea
adică temperatura de sfârşit a procesului de deformare
plastică corespunde corespunde cu temperatura de
început a normalizării.
Pentru a putea evita formarea Fe α proeutectoida în benzi va trebui ca materialul
să fie răcit la 600 oC cu menţinere izoterma ca în fig. 6.
Totodată se pot evita
şi tensiunile de răcire.
Fig.8.8
8.5.3 Tratamente termochimice. Carburarea
Suprafaţa exterioara a roţilor dinţate roţilor dinţate se îmbina cu C pe o adâncime intre 0,52-2,05 mm, temperatura de cementare este de 900-950
şi timpul
de menţinere de 1min/2-3mm.
Dinţii trebuie să reziste la uzura, pe margine şi să preia eforturi mari
în miez, daca efortul nu depăşeşte limita de curgere dinţii se
deformează şi pot duce la ruperea lor. Datorita
diferenţelor de dimensiuni, dintre stratul exterior şi miez
în timpul funcţionarii atunci când materialul se încearcă apare o dilatare neuniforma, neuniforma, ceea ce c e duce la tensiuni suplimentare suplimentare
în roata dinţata.
140_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Carbonitrurarea.
îmbunătăţire a stratului superficial în
Este tratamentul termic de atomii de carbon
şi azot. Azotul face ca austenita să devină stabilă pană la
o
o
o
590 C, cu alte cuvinte lini a AC1 se mută de la 721 C la 590 C. În acest caz se facilitează carburarea la temperaturi scăzute. Nitrurarea.
îmbogăţire a suprafeţei superioare în
Este tratamentul termic de atomi de azot pe
adâncimea de 0,1-0,8 mm. Se realizează la temperatura
o
de 550-570 C. Prin nitrurare pe
suprafaţa piesei se obţine o îmbogăţire
semnificativă a rezistenței la uzură. 8.5.4 Călirea
roților dințate
După tratamentele termice finale va trebui ca dintele să îndeplinească doua condiţii: - să fie rezistent pe flancuri; - în centru să fie tenace. Datorita faptului ca marginea diferite
şi miezul au compoziţii chimice
după tratamentele termice de carburare şi carbonitrurare, călirea
nu se face uniform
în sensul ac miezul se căleşte primul, iar stratul
superior ultimul, fig. 7.
Fig.8.9
141_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Deplasarea curbele de transformare a
suprafeţelor se explica prin
procentul mai mare de C. Din diagrama se observa ca la transformarea, pe
răcire miezul si-a terminat
când suprafaţa abia începe.
Exista o zona
haşurata unde curbele se intersectează. Aceasta
suprafaţa este supusa la întindere axiala. Datorita
transformării miezului acesta îşi măreşte volumul,
aplicând pe porţiuni dintre suprafaţa şi miez, în final se obţine aceiaşi acţiune dar din partea suprafeţei. în practica piesa este introdusa în mediul de
răcire şi deci suprafaţa se va raci prima, deoarece intra în contact cu
mediul. In acest caz apar tensiuni mari care pot duce la locul
fisurări de aceea în
călirii directe care este folosita de obicei cu motivaţia ca este un
procedeu ieftin se recurge la
călirea în trepte care reduce tensiunile
interne. Efectul
călirii în trepte se observa şi la ovalitatea mai puţin
accentuata a coroanei dinţata.
Călirea superficiala. Datorită faptului că dinţii unei roţi dinţate sunt supuşi la încovoiere ei
acţionează asupra golului dintre dinţi deformându-l. Acest gol trebuie
să fie şi el călit pentru a putea rezista solicitării. Călirea superficială a roţilor dinţate poate fi: - prin inducţie; - cu flacăra.
Călirea prin inducţie: - numai pe flancuri, fig.810; -
pe flancuri
şi în goluri, fig.8.11.
142_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.8.10
Pentru rotile
Fig.8.11
dinţate cu modulul mai mic sau egal cu 6, se celeste
integral, inductoarea
înconjoară pe toata circumferinţa, iar pentru rotile
dinţate cu modulul mai mare de 6 călirea se va face dinte cu dinte, în utilaje speciale ca
în fig.10.
Fig.8.12
1-dispozitiv de ridicare-coborâre; 2-mecanism pentru indexare, roata
dinţata pentru încercare dinte cu dinte;
3-roata dinţata; 4-articulatie.
143_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Călirea cu flacăra este mai avantajoasa datorita: - combustibil mai ieftin; - se pot
căli piese cu forme compli câte;
- este mai rapida;
Fig.8.13 Inductor calire danturi drepte m > 7
La fel ca
şi în cazul precedent călirea se face pentru rotile dinţate
cu modulul mai mic
decât 6, pe toata circumferinţa, roata se învârte în
jurul axei sale cu viteza periferica 25m/s, iar spre ea sunt orientate 4
arzătoare. Pentru călirea roţilor cu modulul > 6 se poate face încălzirea pe fiecare flanc consecutiv sau pe
aceiaşi parte a dinţilor după care roata se
învârte şi se căleşte cealaltă parte a dinţilor sau se face concomitent pe ambele flancuri.
144_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL IX
9.1 Tratamentul termic al oţel urilor pentru scule.
Oţelurile pentru scule sunt folosite în procent de circa 20% , datorita proprietarilor sale tehnologice
şi de utilizare ridi câte. La acelaşi
conţinut de C cu oţelurile aliate au aproximativ aceeaşi duritate. Fata de oţelurile aliate au o mai mare stabilitate la cald. Oţelurile de scule folosite sunt de tipul OSC 7,8,8M,9-13. oţeluri este omogena cu puţine segregaţii, cu
Structura acestor carburi dispersate
în întreaga masa, de aceea ele au o buna rezistenta şi
stabilitate la temperaturi
înalte.
Oţelurile au o călibilitate mica, adică adancimea de pătrundere este mica, din aceasta cauza stratul exterior romane dur, iar miezul tenace. Deci se pot realiza scule rezistente la poansoane,
şocuri şi la uzura, cum ar fi :
matriţe, scule aşchietoare,etc.
Oțelurile carbon de scule pot fi hipoeotectoide sau hipereutectoide. Cele hipoeotectoide au o duritate mai mice tenacitate mai mare mare în exterior
în stratul exterior şi o
în miez, iar cele hipereutectoide au o duritate mai
şi o tenacitate mai mica în interior.
Fluxurile de
obţinere a pieselor finite din oţelurile de scule sunt
asemănătoare cu cele de la organe de maşini. Tratamentele termice ce se aplica acestor
oţeluri sunt de 2 feluri:
- preliminare; - finale. Cele
preliminare
pot
fi
pentru
oţeluri hipoeotectoide şi
hipereutectoide, ca în fig.9.1.a-e .
145_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
In fig.9.1.a este prezentat graficul tratamentului termic de recoaceri incompleta prin care se perlita. Temperatura de
urmăreşte transformarea parţiale a feritei în
încălzire este sub punctul AC1, iar răcirea se face o
mai lent pana la 600-650 C,
odată cu cuptorul, după care se scoate în aer
rece răcindu-se cu o viteza mai rapida. In fig.9.1.b se
reprezintă graficul tratamentului preliminar de urmăreşte finisarea granulaţiei de perlita.
regenerare prin care se Temperatura de
încălzire depăşeşte punctul AC1, 800-820 oC, iar la răcire o
se menţine izoterm, la 700 C. In fig. 9.1.c se prezintă graficul tratamentului de globulizare, prin care se
urmăreşte transformarea perlitei lamelare în perlita globulara în
vederea imbunatatirii proprietarilor tehnologice de
aşchiere.
146_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ In fig. 9.1.d de care se
reprezintă graficul recoacerile detensionare, prin
urmăreşte îndepărtarea tensiunilor realizate în timpul turnării,
deformării plastice, etc. In fig.9.1.e este prezentata recoacerea de normalizare, care are drept efect omogenizarea precum forjare,
şi refacerea structurii după deformări plastice,
matriţare, etc.
Tratamentele termice preliminare pentru sunt prezentate
oţeluri hipereutectoide
în fig. 9.2a-f.
In fig. 9.2.f se prezintă tratamentul termic prin care se
urmăreşte o
calitate superioara a suprafeţei materialului de prelucrat prin
aşchiere.
Călibilitatea pentru piese cu dimensiuni mici pana la 15 mm, este de pana la 0,9mm, iar pentru piese cu dimensiuni cuprinse intre 150-300 mm, călibilitatea creste pana la 5-6 mm.
147_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Tratamentul termic final de
imbunatătire, consta intr-o călire şi
revenire. Călirea pentru OSC 7,8 se face o
revenirea 150-300 C, ca
în jurul valorii de 820-840oC, iar
în fig.9.3, iar pentru OSC 9-13, temperatura de
călire este de pana la 760-780 oC, iar pentru revenire 150-300 oC.
Fig.9.3
Oțelurile carbon de scule se pretează la încălziri superficiale, prin inducţie, curenţi de înalta frecventa(CIF). Duritatea după călire creste în funcţie de procentul de carbon, astfel ca pana la 0,6-0,7%C, creste direct proporţional, peste acest procent duritatea rîmne relativ constantă, fig.9.4.
Fig.9.4 148_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Oţelurile de scule au tendinţa mare în timpul răcirii după călire la deformare
plastică şi la fisurare. Ele se prelucrează bine, insa prin
aşchiere.
9.2 Tratamentul termic al oţel urilor de scule aliate.
Oţelurile pentru scule aliate sunt mai rezistente deoarece elementele de aliere acestea au un plus
formează carburi care sunt foarte dure. Fata de OSC
călibilitate mai mare, deci se poate folosi un agent de
răcire mai puţin energic, din aceasta cauza rezultâd şi o deformare mai mica.
Oţelurile aliate se împart în 4 clase: - rezistente la uzura (subclasa 2.1) - foarte rezistente la uzura (subclasa 2.2) - rezistente la
şocuri (subclasa 2.3)
- rezistente la coroziune atmosferica (subclasa 2.4)
9.2.1 Oţeluri rezistente la uzura
Sunt
oţeluri hipoeotectoide slab şi mediu aliate. Ele prezintă unele
particularităţi cum ar fi: -
după recoacere, materialul devine moale, cu bune proprietăţi de
prelucrare prin aşchiere; - călibilitate mare; - duritatea obţinuta după călire este cuprinsa intre 58-66HRC; - are stabilitate la cald
şi se pretează la tratamente de călire
superficiala; -
după călire stratul exterior devine dur şi rezistent la uzura, iar
miezul tenace.
După recoacere piesa se introduce intr-un cuptor aflat la o o
temperatura de 700 C, pentru evitarea
durificării materialului, datorit ă
149_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ elementelor de aliere, pulbere de transformare de pe diagrama TTT sunt mutate mult spre dreapta, poate transforma
şi de aceea la o viteza de răcire mia austenita se
în martensită.
O influenta deosebita asupra proprietăţile scule rezistente la uzura au Cr
oţelurilor aliate pentru
şi W, acestea în combinare ci C formează
carburi foarte dure ceea ce duce la o duritate
şi stabilitate termica mare. în
acelaşi timp au şi efecte negative: Cr: -
durifică structura după tratamentele termice preliminare, ceea
ce face ca materialele să fie mai greu prelucrabile; - ridică temperatura de încălzire la călire; - după călire măreşte procentul de austenita reziduala. W:-
formează carburi împreuna cu Fe, care la temperaturi ridi câte
şi timp de menţinere îndelungat se pot descompune în WC şi Fe3C. Tratamentele termice preliminare sunt OSC.
asemănătoare cu cele ale
După călire romane un procent de austenita reziduala, care nu se
poate îndepărta nici prin tratament de revenire, de aceea se recomande ca
răcirea după călire să se facă la temperaturi negative, coborându-se pana o
la -60 C. revenirea
urmăreşte imbunatătirea proprietarilor mecanice şi
tehnologice, cum ar fi rezistenta la inconvoiere, tenacitatea, dar
şi acelaşi
timp, reduce duritatea. Tot prin revenire o parte din austenita reziduala este transformata.
9.2.2 Tratamentele termice ale
oţelurilor
foarte rezistente la
uzura.
In general
oţelurile aliate foarte rezistente la uzura se aliază normal
în proporţie de 12%. Aceasta formează carburi foarte dure ce măreşte duritatea materialului. fata de
în acelaşi timp materialul se mai aliază şi cu W,
oţelurile de scule, acestea au o stabilitate dimensionala mult mai
150_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
mare. Daca pentru OSC era de 2μ/mm, la oţelurile din aceasta grupa este 2μ/mm. Carbura de Cr fiind dispuse o
şi W au o segregaţie puternica după deformare, ele
în şiruri, ceea ce provoacă o anizotropie puternica ducând la
diferenţe mari ale rezistentei materialului pana la 35% mai mare pe
direcţie longitudinala decât transversala. Acest inconvenient nu se poate îndepărta nici prin deformare plastică şi nici prin aliere. Acest îndepărta nici prin deformare pl astică şi nici
inconvenient nu se poate
prin aliere. Cele mai reprezentante materiale din aceasta grupa este 205Cr115. Este un material scump dar
în acelaşi timp foarte rezistent, şi
deci foarte utilizat datorita proprietăţilor sale superioare. Tratamentele termice preliminare sunt identice cu cele de la grupa anterioara. Tratamentul termic final consta intr-o din
imbunatătirea formată
călire, pana la temperatura de 940 oC şi revenire, pana la 300 oC. şi
acest
oţel prezintă după călire, în structura, un procent de 12% austenita
reziduala. Aceasta se poate
îndepărta la fel printr-o călire criogenica.
9.2.3 Tratamente termice ale oţelurilor rezistente la şocuri .
Din acesta grupa fac parte 51Si17A,
40MoCr11,
oţeluri pentru arcuri, cum ar fi 50Si17A,
41MoCr11,
etc.
Din
aceste
oţeluri se
confecţionează scule rezistente la şocuri, cum ar fi: poansoane, dălţi, scule folosite
în industria miniera, scule folosite în industria prelucrării
lemnului, la foarfeci, ace, etc.
Călibilitatea este buna, nefiind diferenţe mari intre stratul exterior şi cel interior. 9.2.4 Tratamente termice ale oţelurilor rezistente la coroziune.
Aceste
oţeluri poarta denumirea de oţeluri inoxidabile şi sunt de
tip 40Cr130, 30WMbCr130. Se observa ca sunt aliate cu Cr
în procent de
151_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 13% ceea ce ii
oferă protecţie împotr iva oxidării. Acestea au o călibilitate
buna neexistând diferenţe intre stratul exterior pentru realizarea instrumentelor principale
şi cel interior. Sunt folosite
în industria alimentara, etc.
9.3 Oţelurile rapide.
Sunt folosite
oţeluri înalt aliate şi se simbolizează cu Rp1-Rp11. cele mai
oţeluri rapide sunt Rp 2si Rp3, care conţin aproximativ 18,19%W.
Acesta le
conferă o mare stabilitate la cald, ele menţinându-si
proprietăţile pana la peste 650 oC, la fel şi cele inoxidabile. Alte elemente de aliere mai sunt: Cr, Mb, Mn, etc. Datorita rezistentei la uzura foarte mare vitezele de
aşchiere cresc de2-4 ori, iar durabilitatea sculei poate
creste pana la 15 ori fata de OSC.
în acelaşi timp W ridica temperatura de
călire la peste 1000 oC. Carburile care se ob ţin sunt următoarele: - carbura de vanadiu; - carburile de W,Mb,Cr; -Me23Cr2; -Me2Cr. Datorita faptului ca curbele de pe diagrama TTT sunt deplasate
către dreapta, oţelurile rapide se pot căli şi în aer. Aceasta face ca după normalizare să se obtina
în structura materialului martensita cu duritate de
2
600daN/mm , ceea ce trebuie evitat.
Încălzirea se face în trepte , prima treaptă până la 350 oC, a doua treaptă la 800-850 oCiar treapta finală, datorita procentului mare de elemente de aliere, temperatura de iar
călire ajunge pana la 1280 oC,fig.9.5,
după răcire rămane o cantitate însemnata de austenita reziduala de
pana la 25%, aceasta putându-se înlătura printr-un tratament criogenic.
152_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.9.5
Duritatea după călire este de 62 -64 HRC. Revenirea se face în funcţie de proprietăţile ce se doresc obţinute în final, cum ar fi duritatea , eliminarea tensiunilor interne remanente.
9.4 Tratamentele termochimice ale
oţelurilor
pentru scule
aşchietoare . Pentru
oţelurile de scule şi aliate de scule se folosesc următoarele
tratamente termochimice: - carbonitrurarea; - fosfatarea; - sulfizarea. Se recomanda carbonitrurarea pentru sculele
următoare; freze, disc
freze melc-modul. Nu se recomanda pentru tarozi, deoarece
după prima
ascuţire stratul este îndepărtat, pentru c uţitele de strung, deoarece uzura este puternica, iar carbonitrurile se desprind Pentru
şi devin abrazive.
cuţitele de strung se pretează tratamentele de brunare în
abur supraîncălzit.
153_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
9.5 Tratamente termice aplicate sculelor pentru prelucrarea la cald din oţeluri aliate.
Materialele din care sunt
confecţionate sculele pentru prelucrare la
cald să îndeplinească următoarele condiţii: -
să aibă stabilitate mare la cald, adică sa-si păstreze proprietăţile
mecanice şi tehnologice la temperaturi
înalte;
-
să aibă durate mare, iar la temperatura de lucru duritatea sculei
trebuie
să fie aceiaşi cu duritatea pe care o are la temperatura mediului
ambiant; -
trebuie să posede rezistenta mare atât la soc termic cat şi la soc
mecanic; - trebuie s ă posede conductibilitate termica,
să poată evacua
căldura din lucruri unde are loc prelucrarea spre exterior; - să aibă sensibilitate redusa la fisurare; - să aibă o buna prelucrabilitate. Daca sculele sunt
răcite cu apa este de preferat ca oţelurile să fie
aliate cu Cr, dec ât cu W deoarece primele au o
tendinţa de fisurare mai
mica decât celelalte.
Matriţele mari şi grele trebuie să aibă după călire o cantitate minima de austenita reziduala. Aceste ca adancimea de
condiţie se pune deoarece se ştie
călire este funcţie de natura materialului, iar daca
diametrul piesei depăşeşte diametrul critic atunci în centrul piesei de răcire este mica, iar martensita se obţine sub un procent scăzut. Pentru a
micşora tensiune este de preferat ca sculele să fie încălzite
în prealabil. Exemple de
oţeluri aliate pentru scule la prelucrarea la cald :
30VnMbCr30, 55CrMbNi15, etc. 154_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Din aceste
oţeluri se realizează scule ca de exemplu: ciocane şi
nicovale pentru forjare, scule pentru taiere la cald, etc.
9.5.1 Tratamente termice preliminare.
Pentru refacerea structurii prin forjare
în urma operaţiilor de deformare plastică
şi matriţare se recurge la recoacerea de regenerare şi
normalizarea structurii. Din punct de vedere economic este de preferat ca tratamentele termice preliminare
să fie combinate cu forjarea adică, la
sfârşitul forjarii piesa să treacă direct în ciclul de tratament termic de recoacere. Un alt tratament termic care se aplica este detensionarea. Acest tratament termic reduce tensiunile
obţinute la forjare şi matriţare şi se o
realizează la temperaturi intre 680-750 C. pentru a reduce tensiunile la piesele mari şi grele este de preferat ca
încălzirile să se facă în trepte.
9.5.2 Tratamente termice finale.
Acestea constau
în imbunatătirea, adică călire şi revenire. Călirea o
se face intre 1000-1125 C, iar revenirile se fac la temperaturi cuprinse o
intre 480-520 C. Pentru scule de taiere ( matriţe de taiere) se recomanda ca revenirile
să fie relativ înalte, 375-420oC, deoarece acestea sunt supuse la soc, deci ele trebuie
să aibă o tenacitate buna, duritatea obţinuta trebuie să fie
cuprinsa intre 55-58 HRC. Pentru complexa sau cu
matriţele cu forma geometrica
variaţii bruşte de dimensiuni se recomanda ca răciri:
răcirea după călire să se facă în apa timp de 5 secunde după care să se aplice imediat o revenire. La final se mai aplica
încă o revenire pentru a
se putea transforma intr-un procent cat mai mare structura
în martensita.
155_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 9.6 Tratamentele termice ale matriţele pentru nituri
Fig.9.6
Fig.9.7
In fig.9.6 se prezintă varianta incorecta
şi se observă că stratul călit
nu este uniform pe lungimea canalului el variind astfel: la capete
adâncimea stratului călit este mai mare, iar la mijlocul piesei este mai mic.
Fig.9.8
Pentru a
obţine un strat de grosime uniforma este necesar ca mai
întâi după ce piesa este scoasa din cuptor să se irige canalul cu apa sub presiune, iar
după aceea piesa să fie introdusa cu totul intr- o cuvă cu apă
unde în continuare se iriga canalul cu apa, f ig.9.8
156_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ . Astfel duritatea la su prafaţa va fi de 48 HRC, iar la interior
în
zona activa va fi de 58 HRC.
9.7 Tratamentele termice ale matriţelor pentru reliefat.
Matriţele pentru reliefat se t ratează în 2 moduri diferite şi anume: - tratamentul termic se aplică după prelucrarea prin aşchiere; - tratamentul termic se aplic ă înaintea prelucrării prin In primul caz piesele se
aşchiere.
acoperă cu bucăţi de cărbune, azbest sau
argila peste canalele executate cu scopul de a evita tensionarea materialului, precum şi decarburarea acestuia. Piesele se pot pune
în cutii
etanşe cu fața în jos. In cel de-al doilea caz prelucrarea se va realiza prin electroeroziune
datorită durităţii mari a materialului.
157_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL X
Tratamentul termic al pieselor sudate.
10.1Considerații generale
Sudarea este
operaţia tehnologica de îmbinare a doua materiale la
nivel intim al atomilor prin topirea locala a marginilor pieselor, poate fi
cu sau fără adaos de material. în timpul sudarii piesele suferă un soc puternic care duce la o bţinerea
unei structuri necorespunzătoare în zona
influenţată termic, adică în imediata vecinătate a cusăturii. Aceasta deoarece
operaţie tehnologica se aseamănă cu un tratament termic,
în timpul procesului au loc încălzirea şi răcirea pieselor. Exista
o problema
şi anume trebuie găsit un ciclu termic care să se suprapună
ciclului termic al sudarii
şi să se obtina în final un ciclu termic
corespunzător care să realizeze o structura corespunzătoare. Tratamentele termice aplicate pieselor sudate se
împart în 3 câtegorii:
- anterioare; - concomitente; - ulterioare. Viteza de răcire este parametrul cel mai important al unui tratament termic, iar
în acest caz el depinde sau nu de parametrii procesului
tehnologic de sudare: -
funcţie de factorii tehnologici ai sudarii: intensitate, tensiune,
viteza de deplasare a electronului, preîncălzirea pieselor. -
funcţie de factorii independenţi fata de regimul de sudare:
grosimea pieselor, forma geometrica, caracteristici fizico-termice ale materialului.
158_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Influenta straturilor suprapuse
în procesul de sudare asupra
structurii materialului piesei.
Fig.10.1
10.2 Tratamente termice anterioare.
- recoacerea de regenerare şi normalizare se aplica pieselor turnate; - recoacerea de detensionare, se aplica pieselor forjate
şi matriţate.
10.3 Tratamente termice concomitente.
Se împart în doua moduri: - cu preîncălzire (fig.10.2 a,b); - cu postîncălzire (fig.10.2 c). In fig. 10.2d este prezentat tratamentul concomitent cu sudarea
pentru piesele grele. În fig. 10.2.e este prezentat tratamentul termic complex care combină călirea cu sudarea. Mai întâi materialul se ridică la temperatura de călire, se menţine şi se răceşte până la o anumită temperatură unde se menţine izoterm. În continuare se aplic ă sudarea.
159_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
a
b
c
d -
e Fig.10.2
In urma acestui tratament semicomplex se
obţine o duritate mare în
cordonul de sudură şi se remarcă lipsa fisurilor din cusătură. 160_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Capitolul XI
Materiale compozite
11.1Considerații generale Materiale compozite sunt materiale cu proprietăţi anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare şi elaborare permite evidenţierea celor mai bune caracteristici ale componentelor, astfel încât acestea să aibă proprietăţi finale superioare componentelor din care sunt alcătuite. Ele sunt sisteme de corpuri solide, deformabile, combinaţii la scară macroscopică a mai multor tipuri de materiale. Din considerente economice, funcţionale sau de limitare a consumurilor
materiale (de obicei deficitare), există tendinţa de înlocuire
a materialelor tradiţionale (metale şi aliaje) cu materiale metalo -ceramice sau nemetalice. În ultimii ani au fost produse şi folosite astfel de materiale în industria constructoare de maşini, utilaje şi aparate, realizând reducerea greutăţii acestora, creşterea rezistentei la acţiunea unor agenţi chimici, proiecţia suprafeţelor, mărirea rezistenţei mecanice etc.
Fig.11.1 Construcție placată pe exterior cu materiale compozite
161_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Valorif icarea
integrală a proprietăţilor de rezistentă potenţială a
materialelor folosite este o cale importantă de reducere a costului produsului proiectat. Din acest punct de vedere proiectarea oricăror straturi de rezistentă, alcătuite din materiale compozite are o componentă suplimentară faţă de proiectarea unor repere din materiale tradiţionale şi anume aceea de proiectare a microstructurii materialului în conformitate cu cerinţele, proiectare care impune constrângeri procesului de fabricaţie. Materialul ales, forma piesei, caracteristicile impuse, intervin direct
în procesul de fabricaţie şi tehnologia potrivită nu poate fi aleasă înaintea alegerii materialului, ca în proiectarea tradiţională. Caracterizarea comportării materialului compozit la solicitări mecanice
în regim static sau dinamic, la solicitări termice şi de durată,
este bazată pe date experimentale. Acestea s-au realizat pe baza cererii mari de materiale înalt performante din domeniul aerospaţial, utilitar şi industrial şi a stimulat evoluţia comp onentelor fabricate din materiale compozite.
Începând din 1979, producţia anuală de materiale plastice din SUA a depăşit producţia de oțel. Această tendinţă generalizată pe plan mondial este urmare a măsurilor de raţionalizare a folosirii metalelor, care s unt mari consumatoare de energie, precum şi datorită resurselor naturale limitate.
Din acest motiv, utilizarea materialelor plastice şi a materialelor compozite în producţia de maşini, de aparate şi utilaje s-a extins foarte mult.
La ora actuală se recunoaşte faptul că, dacă omul ar depinde exclusiv de produsele naturii, nu ar fi capabil să facă faţă unor ameninţări, cum ar fi lipsa hranei sau epidemiile, numai cu ajutorul tehnologiilor
162_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
avansate se pot crea materiale care lipsesc din natură , sau care există numai în mă sură limitată . Materiale compozite sunt materiale noi cu proprietăţi superioare, sau îmbinări de diferite proprietăţi, care iniţial s -au utilizat în tehnologiile de vârf, dar azi domeniile de utilizare s-au extins. Ele sunt materiale compuse ,
alcătuite în general dintr -o matrice
(bază) şi o armă tură constituită din fire, fibre sau pulberi şi dispusă în matrice într -un anumit mod şi în anumite proporţii. Armătura are o rezistentă mare şi formează elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea
este elementul de legă tură şi stabilitate
pentru elementele de armare.
Fig.11.2
Exemplu de structură al unui material compozit
1.folie protectie
2. strat de poliester
3. aluminiu
4. adeziv 5. polietilena
În acest fel materialele compozite îmbină proprietăţile materialelor componente, întrun alt tip de material cu proprietăţi programabile. Materialele fabricate la ora actuală sunt din generaţia a treia, compozite avansate ("advanced composites") şi se utilizează în construcţii aerospaţiale, tehnică militară, precum şi datorită scăderii costurilor, în industria aviatică, a automobilelor şi chiar a bunurilor de consum.
163_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
În funcţie de materialul de bază, aceste materiale s -au diversificat în 3 direcţii principale: - materiale compozite organice (polimerice); - materiale compozite cu matrice metalică; - materiale compozite ceramice.
Elementele de armare sunt de natură diversă şi anume: a) - fire sau fibre lungi sau scurte ("Wiskers"), cele mai folosite fiind: -
firele metalice din oţeluri inoxidabile, wolfram, molibden, titan, bor
etc.; - fibre de sticlă ; - fibre carbon; - fibre polimerice (poliamidice); - fibre de bor, Al, bazalt, şi C, azbest etc. b) - pulberi sau particule diferite: oxizi de Al sau zirconiu, carburi de Si,
Ti, nitruri de Si, Al. În general materialele compozite se clasifică în funcţie de preponderenta materialului folosit ca armă tură sau ca matrice. Principalele proprietăţi ale materialelor compozite utilizate sunt proprietăţile fizice, mecanice chimice, electrice, magnetice, optice, estetice şi de prelucrabilitate. În funcţie de aceste proprietăţi, dar şi în raport de domeniul de utilizare, se stabilesc procedeele de extracţie şi de prelucrare, utilajele, aparatura de mă sură şi control, precum şi categoriile de specialişti care să conceapă, să execute şi să controleze complexul procesul de elaborare şi utilizare a materialelor. Dintre avantajele cerute pentru o gamă de produse, prezentă m următoarele: -
masă volumică mică în raport cu metalele (compozitele din răşini
epoxidice armate cu fibră de Si, B şi C au masă volumică sub 2 g/cm3); -
rezistentă la tracţiune sporită (compozitul numit Kevlar are rezistentă la
tracţiune de două ori mai mare a sticlei); 164_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - coeficientul de dilatare foa rte mic în raport cu metalele; - rezistenta la soc şi -
abrazivi ridicată (Kevlarul);
durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare 1 kg
de Kevlar înlocuiesc 5 kg de otel la o durată egală de funcţionare); -
capacitatea ridicată de amortizare a vibraţiilor (de trei ori mai mare
decât cea a aluminiului); -
siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr -o piesă de
compozit nu constituie amorsa de rupere pentru piesă); -
consum energetic scăzut de instalaţii mai puţin costisitoare în procesul
de obţinere, în raport cu metalele; pentru obţinerea polietilenei se consumă 23 kcal/cm3, în timp ce pentru otel se consumă 158 kcal/cm3) -
rezistentă practic nelimitată la acţiunea proceselor determinate de
agenţii atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai); -
stabilitate chimică şi rezistenta mare la temperaturi ridicate (fibrele de
kevlar, teflon, până la 5000C iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N şi Al2O3 între 14000C şi 20000C). 11.2
Materialele compozite organice (polimeri armaţi
-
MCPA)
Sunt
solide, cu structură eterogenă, obţinute prin asocierea dirijată
a unor componenţi, din care cel de bază este polimeric. Ele sunt primele tipuri de MC realizate şi deţin ponderea cantitativă a utilizărilor actuale (mai mult de 80 %). Acest fapt se explică prin marea lor varietate, prin proprietăţi specifice remarcabile, dirijat diferenţiate. Impunerea materialelor compozite polimerice se datorează şi unor caracteristici de prelucrare: respectiv obţinerea unor piese finite printr -o singură operaţie, mecanizată sau automatizată.
165_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
După modelul de îmbinare a elementelor componente (structură) compozitele avansate se clasifică în următoarele tipuri principale: -
compozite cu armături sub formă de fibre cu aranjament prestabilit,
hibrid
(înfăşurări, reţele, ţesături); - compozite din elemente stratificate (materiale laminate, lipite); - compozite cu umpluturi disperse plasate aleator, continue sau discontinue - (elemente, pulberi, particule); - aliaje de polimeri cu
alcătuire spaţială, etc.
Tehnologiile d e
fabricaţie, foarte diverse ale acestor materiale
implică utilaje şi procese pentru următoarele etape: - obţinerea matricei polimerice; - pregătirea componentelor de armare; - impregnarea sau tratarea fibrelor; - tăierea fibrelor; - realizarea armăturii (reţea, ţesătură
etc.);
- prelucrarea compozitelor prin injecţie, extrudere, presare-matriţare etc.
În principiu pentru fiecare tip de material compozit polimeric şi pentru fiecare reper este necesară o tehnologie distinctă cu operaţii, utilaje sau dispozit ive şi scule specifice.
11.3
Materiale compozite cu matrice metalică(MMC
- "metal
matrix composites")
Sunt materiale compuse, obţinute prin diferite procedee de îmbinare a unor materiale componente metalice cu altele de diferite structuri. 166_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Ele sunt alcătuite dintr -o bază (matrice) metalică şi componente de
inserţie (armare) metalice sau ceramice, aceste din urmă sub formă de fire sau fibre sau uneori benzi, solzi sau pulbere.
În sens mai larg, această noţiune cuprinde mai multe categorii de materiale, unele cunoscute mai de mult timp sau altele mai recente, cum sunt: materiale placate, stratificate (tip sandwich); materiale realizate prin metalurgia pulberilor; materiale de tip fagure; materiale pseudocompozite de tip eutetic solidificat cu orientare dirijată ;
materiale compozite armate cu fire şi fibre .
Materialele compozite metalice se prezintă sub diferite forme: semifabricate - plăci, table, sârme, profile; piese finite;
ansambluri funcţionale (de exemplu: radiatoare).
În calitate de componente ale materiale metalice compozite se utilizează: 1. - matrice metalice din metale sau aliajele lor (Al, Mg, Cu, Ti, Pb sau superaliaje); 2. - componente de armare: - sârme metalice sau benzi din oţeluri inoxidabile, cu Wo, Be, Ti etc.; - fibre de bor depuse pe
filamente de Wo şi acoperite cu carburi (şi
C,BC); - fibre carbon; -
fibre din substanţe anorganice - oxidice sau ceramice - fibre lungi de
Al2O3, şi C, de sticlă etc.; - particule (pulberi sau solzi) din substanţe ceramice.
167_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Există o mare diversitate de ma teriale metalice compozite cunoscute sau care se pot realiza, determinate de numărul de combinaţii posibile matrice -
elemente de armare, cât şi de realizarea şi modul de
distribuţie al constituenţilor. Metodele şi tehnologiile de fabricaţie sunt foarte diverse şi implică condiţii speciale, dificile, la temperaturi ridicate. Pentru realizarea materiale metalice compozite, metodele cele mai
des utilizate, în raport cu starea de agregare a matricei sunt: în fază solidă, în fază lichidă şi de depunere. Fiecare din aceste metode include mai multe tipuri de procedee, cu diferite variante.
Între metodele în fază solidă mai importante sunt: - presarea şi laminarea la cald; - sintetizarea (tehnica metalurgiei pulberilor) şi - tragerea la cald.
Metodele în fază lichidă cuprind: - infiltrarea sub presiune sau în vid; - turnare şi forjare, turnare în
matriţă şi
- omogenizare în stare lichidă.
Diferitele faze tehnologice de fabricare a MMC se realizează prin: - procese fizice: pulverizare cu plasmă, placare cu ioni, depunere din stare de vapori; - procese fizico- chimice: depuneri chimice sau electrolitice sau în stare de vapori; - procese mecanice etc.
11.4 Materiale compozite ceramice
Sunt
materiale
compuse,
nemetalice: oxizi, nitruri, bo ruri,
formate
din
produse
anorganice
silicaţi etc., consolidate la temperaturi
168_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
ridicate ca atare sau într -un ansamblu cu elemente de armare sub formă de fibre de diferite naturi: metalice, ceramice, de carbon etc.
Această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăţi intrinseci deosebite, datorate în - rezistentă mecanică mare la
principal legăturilor interatomice:
temperaturi ridicate,
- rezistentă la rupere mai mare ca a otelului, - rezistentă la oxidare şi agenţi
chimici,
- densitate de 2 ÷3 ori mai mică ca a
oţelului,
- modulul de elasticitate superior otelului, - densitate mare, stabilă la creşterea temperaturii.
Principalele metode de fabricaţie sunt: - formarea plastică: pulberea fină sub formă de suspensie într -un lichid se
toarnă într -un model (matriţă) şi se arde la temperatură ridicată; - presarea la rece
şi sintetizarea: pulberea fină cu un liant se compactează
la rece sub presiune şi se arde la temperaturi ridicate; - sintetizarea în stare virtoasă (fază sticloasă ) şi - presare la cald a pulberii.
11.5 Materiale compozite si nano-compozite
Deşi termenul “nanotehnologie” este relativ nou în limbajul ingineriei, perfecţionarea nanocompozitelor a fost o temă importantă de discuţie de mai mult de un deceniu printre cercetătorii din domeniul materialelor, care analizau
posibilităţile de extindere a proprietăţilor
polimerilor.
Definiţia materialelor nanocompozite s-a extins semnificativ pentru a putea cuprinde o varietate de sisteme, cum ar fi sistemul
unidimensional, bidimensional, tridimensional şi materiale amorfe, alcătuite din componente distincte combinate la
scară nanometrică.
169_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Categoria generală de materiale compozite organice/anorganice este un domeniu de cercetare ce se extinde rapid. Au fost depuse eforturi
semnificative concentrate pentru obţinerea controlului structurilor nano prin abordări sintetice inovative. Proprietăţile nanocompozitelor depind nu numai de proprietăţile componentelor, ci şi de morfologie şi de proprietăţile de interfaţă pe care acestea trebuie sa le aibă. Acest domeniu într -o continuă dezvoltare generează materiale surprinzătoare cu proprietăţi inedite. Aceste proprietăţi rezultă din combinarea proprietăţilor componentelor primare într -un singur material. Există, desigur şi posibilitatea existenţei altor proprietăţi, dar care rămân deocamdată
necunoscute pentru componenetele primare ale materialelor
nanocompozite.
Lucrările experimentale au demonstrat că, teoretic, toate tipurile şi clasele de materiale nanocomposite conduc la proprietăţi îmbunătăţite, prin comparaţie cu replicile lor macrocompozite, iar acestea pot fi sintetizate utilizând tehnici surprinzător de simple şi necostisitoare. Din aceste motive nanocompozitele promit noi aplicaţii în foarte multe sectoare: componente cu masă redusă şi proprietăţi mecanice îmbunatăţite, optica non-lineară, baterii catodice şi ionice, nano-cabluri, senzori şi alte sisteme. 11.6 Nano-compozitele polimerice
Nanotehnologiile reprezintă astăzi una dintre cele mai promiţătoare oportunităţi de dezvoltare tehnologică a secolului 21. Pentru domeniul cercetării
materialelor, dezvoltarea nanocompozitelor polimerice devine
rapid o activitate multidisciplinară ale cărei rezultate pot lărgi aria de aplicare a polimerilor, cu beneficii pentru foarte multe sectoare industriale. 170_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Nanocompozitele polimerice (NCP) sunt polimeri (termoplastice,
termorigide sau elastomeri) consolidaţi/armaţi cu mici cantităţi de nano particule (mai puţin de 5% din greutate). Nanocompozitul este un sistem polimeric care, în mod obişnuit, conţine o particulă anorganică având o dimensi une
în raza nanometrică (o bilionime de metru). Formele
particulelor folosite în nanocompozite pot fi sferice, fibrilare sau plate. Formele plate sau fibrilare conferă materialului maximum de rezistenţă.
Fig.11.3 Nanocompozitele polimerice
Nanocompozitele polimerice au fost dezvoltate spre sfârşitul anilor
`80, atât în organizaţiile private de cercetare cât şi în laboratoarele academice. Prima companie care a comercializat aceste nanocompozite a fost Toyota, care a introdus piese auto din nanocom pozit
într -unul din
modelele sale populare timp de câţiva ani. Mai apoi, urmând iniţiativa Toyota, şi alte companii au început, de asemenea, să cerceteze nanocompozitele. Cele
mai
multe
interese
comerciale
s-au
concentrat
pe
termoplastice. Termoplasticele pot fi împărţite în două categorii: răşini de
uz frecvent, ieftine, şi răşini scumpe, de performanţe ridicate, pentru uzul ingineriei. Unul dintre obiectivele nanocompozitelor a fost înlocuirea răşinilor mai scump de procesat cu răşini polimerice ieftine d e uz frecvent. Prin această substituire a răşinilor cu costuri mari de procesare
171_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
cu o răşină nanocompozită ieftină, dar cu aceleaşi performanţe se aşteaptă mari reduceri la costurile totale de procesare. Termoplasticele combinate cu materiale nanometrice a u proprietăţi
diferite faţă de termoplasticele combinate cu materiale convenţionale. Unele proprietăţi ale nanocompozitelor, cum ar fi rezistenţa crescută la întindere, pot fi obţinute folosind o cantitate mai mare de umplutură convenţională, cu riscul creşterii masei şi diminuarii luciozităţii. Alte proprietăţi ale nanocompozitelor, cum ar fi claritatea sau proprietăţile îmbunătăţite de barieră nu pot fi imitate cu umplutura de răşină, indiferent de cantitate.
În prezent este produsă o cantitate semnificativă de nanocompozite, peste 20 de milioane de tone. Avantajele nanocompozitelor
Proprietăţi mecanice îmbunătăţite, de ex.: rezistenţa, stabilitate dimensională, etc
Permeabiliate scăzută la gaze, apă şi hidrocarburi;
Stabilitate termică şi rezistenţă la distorsionare termincă
Rezistenţă la aprindere şi emisie redusă de fum
Rezistenţă chimică
Conductivitate electrică
Claritate optică prin comparaţie cu polimerii cu umplutură convenţională
Proprietatile nanocompozitelor
Barieră pentru gaze
Bariară pentr u oxigen
Protecţia alimentelor
Protejarea mediului Ignifugare 172_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Domenii de aplicare
Construcţiile de maşini (rezervoare, bare protective, interior şi exterior)
Construcţii
Aerospaţiu (echpamente ignifuge şi componenete de înaltă performanţă)
Electrice şi electronice
Amabalaje alimentare (containere şi folie de împachetat)
Textile cu performanţe înalte (medicale, de protecţie, sportive, îmbrăcăminte obişnuită)
Fizică şi chimia sistemelor nanoscalare au avansat rapid în ultimii ani şi perspectiva de a transforma aceste descoperiri ştiintifice în produse de înaltă tehnologie se îmbunătăţeşte zi de zi. Din moment ce nanotehnologia este un domeniu generic, ea poate avea impact asupra
unui spectru larg de domenii de activitate, de la chimicale până la electronice, de la senzori până la
materiale avansate.
11.7 Utilizarea materialelor compozite
Apărute în 1940, răşinile sintetice armate cu fibre de sticlă au fost introduse treptat în industria auto, aviaţie şi navete spaţiale (70 % din sectorul termic al na vetei spaţiale
Columbia), la realizarea unor recipienţi
pentru industria chimică şi alimentară (rezistente la acizi), îmbrăcăminte de protecţie (veste antiglonţ, căşti) etc. În industria aerospaţială şi de apă rare a Europei de Vest s -au utilizat pentru ar marea
unor compozite, fibre de sticlă 54%, fibre carbon
31% şi fibre de poliamide aromatice (aramidice) 14%.
173_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
11.4 Naveta spațială realizată din materiale compozite
Fibrele carbon
au o rezistentă la rupere superioară oţelului (de
~
14,5 ori mai mare) şi rezistă la temperaturi ridicate (30000C), fapt ce a determinat utilizarea lor în construcţia motoarelor de turboreactoare şi rachete.
11.5 Fibre de carbon
De dată mai recentă sunt fibrele de bor şi bor-aluminiu, care fiind mai scumpe se utilizează în aeronautică şi tehnică aerospaţială. În etapa actuală, întreaga industrie prezintă “sindromul uşurării” care a generat materiale mai uşoare, vehicule mai uşoare, consumuri
174_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
energetice mai mici, confort sporit, poluare redusă, satisfacţii depline. Materialele compozite răspund acestor căutări.
În continuare se dau câteva informaţii privind domeniile de utilizare a compozitelor. compozitelor.
În domeniul d omeniul aerospaţial , în care s-au aplicat prima dată, prezintă o
rată de utilizare foarte mare, fie sub formă de fibre de carbon, de bor şi de siliciu, ca atare, fie ca materiale de ranforsare în matrice din răşini epoxidice, în general pentru structuri de aeronave şi de nave spaţiale, fie sub forma de ceramice şi metale. Compozitele din matrice din aliaje cu baza Ni şi Co ranforsate cu fibre din carburi şi oxizi metalici (CTa, CNi, CZr, Al2O3) sunt utilizate pentru componente vitale, care funcţionează în regim termic ridicat, ale motoarelor turboreactoare şi rachetelor. Compozitele tip spumă denumite “sintactic” au o densitate foart e mică (0,4 g/cm3). Specialiştii au în vedere ca în cercetarea spaţială să se folosească instalaţii şi echipamente compozite tip spumă. Ei apreciază că o centrală solară, satelit al Terrei, ar putea produce mai mult de 12 KW cu un panou de 130 m2 care nu a r cântări mai mult de 250 kg.
Aplicaţii importante au acestea şi în exploatarea mediului marin. Cu ajutorul lor se prevede o exploatare mult mai eficientă a nodulilor submarini în care Ni şi Co sunt de cinci ori, respectiv de 35 ori mai abundente pe fundul
oceanului decât pe continente. Folosind compozite-
spuma forajele la adâncime sunt mai soare (un tub de foraj de 200 m construit din metale este de 100 t). Deci aeronavele, navele spaţiale, subansamblele din compozite- spumă
vor fi mai uşoare, cu consecinţe
pozitive: tracţiuni, viteze, consumuri. Prin calităţile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospaţiale, cu consecinţe favorabile asupra economicităţii şi fiabilităţii aeronavelor în producţie şi în exploatare.
175_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Astfel, dacă piesele mecanismului de direcţie al avionului comercial Airbus 320 ar fi executate din materiale tradiţionale (metale), ar fi necesare 7015 piese fundamentale şi 600 piese secundare. În timp ce dacă ar fi executate din materiale compozite cifrele se reduc la 4800 şi respectiv 425. Similar, pentru cabina pilotului confecţionată din structura
tip fagure din foi de răşină epoxidică întărită cu fibre de carbon numărul componentelor s-ar reduce de de la 2076 la 96.
Aceste avantaje conduc la situaţia ca în viitor foarte putini polimeri să mai fie utilizaţi ca atare, marea majoritate fiind înglobaţi în materiale compozite. La avionul european Airbus 320 este încorporată o mare cantitate de compozite (cca. 40% din greutate) sub formă de compozite cu radom în cărămidă (răşină) sau de compozit hibrid (frâne aerodinamice, aripioare, voleti, trapele trenului de aterizare, ampenajul orizontal şi profundorul, deriva şi direcţia), acesta din urmă placat cu câteva straturi de cărămidă pentru a mări rezistenţa la şocuri. Multe detalii din interior sunt confecţionate din materiale compozite cu fibre de siliciu.
11.6 Ambarcațiune sportivă
În domeniul transportului naval ca materiale compozite se folosesc
cu precădere răşini poliesterice, armate cu fibre de sticlă, cu fibre de carbon şi fibre de cărămidă, în special pentru ambarcaţiuni sportive şi 176_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
nave uşoare, având avantajele că au greutăţi reduse şi rigidităţi mărite, ceea ce a permis creşterea vitezei şi reducerea consumului de combustibil al navelor.
În domeniul transportului rutier materialele compozite se folosesc
în primul rând datorită greutăţii lor reduse, rezistenţei ridicate la oxidare şi coroziune, în procente ce reprezintă creşteri anuale 5 -10%, în locul metalelor. S-a echivalează
calculat ca reducerea greutăţii unui autoturism cu 100kg
cu economisirea greutăţii unui autoturism cu 100kg
echivalează cu economisirea unui litru de benzină la fiecare 100 km. În componenţa unui autoturism compozitele se folosesc pentru: caroserii, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de com andă
etc. În
sistemul de frânare al autovehiculelor compozite din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente, întrucât coeficientul de frecare creste cu temperatura.
11.7 Autoturism sportiv
În domeniul electronicii şi electrotehnicii sunt solicitate materiale
compozite în cantităţi tot mai mari de la un an la an, cu precădere compozite conţinând materiale plastice speciale, răşini poliamidice, policarbonaţi, sulfura de polifenilene, siliconi, polibutilen tereftalat etc. Se apreciază că în prezent acest domeniu absoarbe un sfert din consumul 177_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
total de materiale compozite cu destinaţie industrială, atât pentru componentele electronice active (capsule pentru circuite integrate) cât şi pentru componente pasive (suporturi pentru imprimante, conductoare conectoare etc.)
În domeniul telecomunicaţiilor , în continuă dezvoltare, materiale
compozite se folosesc sa izolaţii de cabluri telefonice din polietilenă de înaltă şi joasă presiune, la transmisiile prin sateliţi, unde pentru structurile de rezistentă şi pentru d iscurile antenelor sunt utilizate compozite armate cu fibre de sticlă. În domeniul medical se utilizează materiale compozite cum sunt:
compuşi cu polimeri pentru transplanturi, proteze şi implanturi cardiace, unele substanţe pentru coagularea sângelui (poliuretani, cauciucul siliconic, dacron, teflon expandat, polietilenă specială, floropolimeri etc.), în ortopedie, unde trebuie să răspundă şi unor mari necesită ti biologice şi unde cele mai adecvate s-au dovedit a polisulfuric
fi sistemele de compoziţie de grafit
şi sticlă - aramid - polipropilene şi sticlă epoxidică cu bune
proprietăţi de adaptabilitate biologică. În domeniul casnic utilizările se referă la probleme de design, de
protecţie împotriva poluării, de consum energetic şi de rafinament gastronomic.
Extinderea în viitor a aplicaţiilor compozitelor metalice, îndeosebi în domeniul construcţiilor de autovehicule, implică anumite cerinţe care necesită rezolvare: - realizarea de investiţii pentru introducerea unor procedee de prelucrare a compozitelor cu materiale de ranforsare dure (SiC, Al2O3); -
schimbarea şi adaptarea principiilor de proiectare a pieselor şi
ansamblurilor, ţinând seama de proprietăţile specifice pe care le reprezintă materiale compozite;
178_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
îmbogăţirea pe cale experimentală a cunoştinţelor privind: comportarea
la frecare, rezistenta la uzare, prelucrativitatea, tenacitatea şi rezistenta la oboseală; -
dezvoltarea procedeelor de control, care să asigure verificarea
conţinutului şi distribuţiei materialelor de ranforsare în interiorul pi eselor, metodele de control al calităţii fiind considerate în mare parte inadecvate; -
analiza posibilităţilor de reciclare a deşeurilor rezultate în urma
prelucrării; de exemplu, tratarea specială a topiturilor pentru îndepărtarea materialului complementar; -
rezolvarea unor probleme care ţin de producerea prin turnare a
compozitelor:
fluiditatea materialului în stare semisolidă, porozitatea reziduală , deformarea preformei, fenomenele de segregare gravitaţională...; - găsirea unor materiale metalice noi mai ieftine pentru realizarea matricei
şi a unor aliaje la care microstructura sau microsegregarea sunt mai puţin afectate la solidificare de prezenta componentei de ranforsare; -
dezvoltarea compozitelor la care materialul de refonsare se creează în
timpul unei solidificări dirijate; -
studierea mai profundă a proceselor chimice de la interfaţa matrice-
material complementar, care influenţează într -o măsură importantă calitatea compozitelor; - stabilirea unor metode specifice de testare a prototipurilor; - restructurarea strategiei de promovare a folosirii materialelor compozite
în diferite aplicaţii industriale; Pe lângă aliajele metal-metal, cunoscute de multă vreme şi aliajele mai noi de tip ceramică - ceramică şi ceramică metal, se conturează utilizarea aliajelor din materiale plastice, polimer-polimer, polimer-metal
şi polimer -ceramică. Ele au proprietăţi mecanice superioare şi în multe procese de frecare, elimină ungerea. 179_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ S-a
creat o revoluţie în domeniul biomaterialelor, în care aliajele
plastice şi polimerii grefaţi sunt folosiţi în tehnica medicală pentru realizarea ţesuturilor artificiale, utilizate în cazul unor arsuri grave sau pot înlocui organele corpului omenesc: valve cardiace, artere artificiale plămâni artificiali, implantări de natură osoasă etc. Se poate considera că cercetarea în acest domeniu, cu obţinerea unor materiale noi, cu caracteristici prestabile a devenit o ştiinţă a materialelor.
Materiale compozite şi aliajele polimerice sunt indispensabile tehnicilor de vârf aerospaţiale, microelectronică şi optoelectronică , microbiologie, biomedicină şi utilizărilor cosmice. Se consideră că ştiinţa şi tehnologia materialelor va cunoaşte dezvoltări şi descoperiri de perspectivă în viitorul secol.
180_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL XII
Tehnologia de realizare a pieselor din fibră de sticlă
12.1Considerații generale Dintre toate fibrele cunoscute de C,
de sticlă, de bor, etc., fibrele de sticlă
au ponderea cea mai mare. Caracteristicile tehnice si te hnologice ale fibrelor de sticlă sunt: -
rezistența la ru pere si tracțiune 351 daN/mm2;
-
temperature de topire 846 C;
-
densitatea 2.45kg/cm3;
-
alungirea A5 – 4.8%;
o
Fibrele sunt formate din borosilicatul de aluminiu.
Fibrele de sticla
rezista la umezeala, agenți chimici, radiații, sunt inodore și rezistă la acțiunea microorganismelor. Etapele realizării fibrelor de sticlă -
sunt următoarele:
materia prima transformat ă
în bile se dozează, se amestecă ș i se o
topeste într-un cuptor cu inductie la 1100 C, formandu-se fibrele de
sticlă datorită gravitației, greutății proprii. -
f ibrele
pătrund pr in orificiile unei matriț e, după care aceastea sunt
preluate de o rol ă și înfașurate pe un tambur. -
la
iesirea din matriță fibrele sunt racite cu ajutorul unui jet și
impregnate cu rășină cu ajutorul unui al doilea jet ca in fig.12.1.
181_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.12.1
Din fibrele realizate se produc
țesături, paturi sau se toacă marunt.
Fig.12.2 Tesaturi fibrele de sticla
Se
știe că fibrele de sticl ă la cald au o mare putere de adeziune la s uprafața
matriței de formare, de aceea pe matrița interpusa între suprafața acesteia și piesă se aplică un strat de agent de decofrare. Acesta poate fi ulei siliconic, alcool etc. Agentul de decofrare nu trebuie
să adere nici la suprafața matriței și nici la suprafața piesei. Matrițele se execută din lemn, ipsos, rășini.
182_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 12.2 Gel-coatul
Gel-coatul este primul
strat al piesei care intra în contact cu mediul
exterior. El trebuie să fie rezistent la umezeală, abraziune. Este
un strat lucios și rezistent la radiații , la acțiunea
microorganismelor, etc.
Materia primă trebuie să fie dozată corect și uniform răspandită pe întreaga suprafață a matriț ei. Gel-coatul
are o grosime cuprinsă între 0,3-0,6 mm, iar densitatea 2
superficiala este de 300-600 de gr/m . Este recomandat la fabricarea de: -
obiecte sanitare;
-
diverse repere din poliester armat cu fibr ă de sticlă;
-
echipamente industriale; industriale; Caracteristici principale:
-
vâscozitate medie;
-
rezistență mecanică bună;
-
indice de tixotropie ridicat (permite aplicarea de straturi de pana la 700 de microni fara aparitia de perdele sau scurgeri);
-
rezistență la apa, agenti chimici, lumina
-
retentie a luciului Gel-coatul se aplica prin pulverizare cu pistol airless, la o grosime
de strat umed de 400 pană la 700 microni. o
La temperaturi de 220-250 C
gelcoatul începe să se întarească în
aproximativ 10 minute și după aproximativ o oră se pot aplica rașina și fibra de sticlă care formeaza piesa propriu -zisă. La temperaturi mai scazute întarirea decurge mai lent iar la temperaturi mai mari decurge mai rapid. Pentru a compensa temperaturile extreme se poate modifica cu pană la 1...1.5% a daosul de peroxid de metilcetonă. 183_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Suprafața matriței se pregatește conform instructiunilor de lucru și se aplică demulant ul utilizat. Gelcoatul se aplică cu rola sau prin pulverizare utilizand
un pistol adecvat pentru aplicații în strat gros. Se aplică în prima p rima
fază un strat subțire pe toată suprafața urmat imediat de un strat plin care să asigure realizarea grosimii dorite. Straturile urmatoare necesare pentru formarea pieselor pot fi aplicate a plicate dupa un interval de minim 40-60 minute, cand suprafata gelcoatului este
înca lipicioasă dar nu se poate observa un transfer de material atunci cand gelcoatul este atins usor cu mana. Manipularea, transportul, depozitarea si utilizarea se vor efectua respectand cu strictete normele de protecti e a muncii si de igiena sanitară in vigoare. Se interzice: - utilizarea echipamentelor electrice sau uneltelor din metal
neconforme cu normele în vigoare, referitoare la medii cu risc de incendii sau explozie ; - prezența surselor de foc deschis, scântei, flăcari, fumat ; - contact prelungit sau frecvent cu pielea sau mucoasele ; - inhalarea vaporilor ; - ingerarea produsului ;
Se va asigura o ventilatie ș i un sistem de stingere a incendiilor, eficiente in timpu l
operatiilor de utilizare. Dacă produsul este utilizat in
spații închise este obli gatorie asigurarea unei circulații continue, adecvate de aer proaspat în cursul aplicării și întă ririi.
Recipienții goi rețin vapori de solvenți, deci sunt peric uloși în ceea ce privește riscul de incendii, explozii e xplozii și nocivităti.
184_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
12.3 Execuţia matriţelor din poliesteri armaţi cu fibre de sticlă
Pentru fiecare reper în parte se vor proiecta matriţele corespunzător geometriei piesei ce trebuie reali zate şi tehnologiei de execuţie.
Matriţele sunt prevăzute din proiect cu o margine de 10-15 cm. Pentru semimatriţele exterioară şi de inchidere, folosite la formarea sub presiune sau prin injecţia răşinii, marginile se prevăd într -un -un plan de închidere şi etanşare a celor două matriţe în timpul formării. Execuţia matriţei se face plecând la modelul realizat în prealabil din lemn, aluminiu, ipsos, etc.
Se va realiza mai întâi matriţa exterioară după care cea de închidere. Etapele realizării matriţei: 1. Pregătirea suprafeţelor active ale modelului.
2. Demularea suprafeţei pentru a asigura extragerea modelului din matriţă. 3. Aplicarea gel-coatului gel-coatului
4. Formarea matriţei 5. Polimerizarea totală 6. Consolidarea matriţei 7. Extragerea modelului şi finisarea matriţei 8. Realizarea matriţei de închidere; 9. Realizarea canalelor pentru garnituri şi a orificiilor pentru injecţie şi vidare.
10. Pregătirea suprafeţei active 11. Tratarea matriţei
185_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 12.4 Formarea manuală
Aceasta este cea mai veche metodă de punere în formă a compozitelor. Permite prelucrarea
în general a compuşilor epoxidici şi poliesterici,
folosind folosind ca materiale de armare
maturile şi ţesăturile de fibre de sticlă.
Procedeul de formare (figura 1) constă în aplicarea pe o formă (matriţă) concavă sau convexă a unui material de armare decupat la dimensiunile necesare, apoi impregnarea manuală cu răşină lichidă adiţionată în prealabil cu catalizator şi accelerator de întărire. La formarea manuala este necesara utilizarea urmatoarelor accesorii ( pensula sau perie, rola, matrita de lemn) ca in figura 12.3.
Fig.12.3
Aerul inclus în material este îndepărtat prin trecerea unei role canelate care în plus face ca răşina să pătrundă printre ochirile materialului de armare şi să asigure o bună omogenitate a compozitului.
Ca avantaje ale acestui procedeu pot fi amintite următoarele: simplitatea operaţiilor pretinde mână de lucru mai puţin calificată şi un minim de scule; dispozitivele utilizate sunt din materiale ieftine; se pot realiza piese de mari dimensiuni.
Prezintă însă şi dezavantaje:
manoperă relativ mare ca volum şi viteză de lucru mică;
186_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
calitatea produsului depinde aproape integral de pregătirea şi conştinciozitatea lucrătorului;
produsele obţinute comportă o singură suprafaţă netedă, aceea aflată în contact cu matriţa, apar variaţii nedorite ale grosimii şi proprietăţilor produselor, apariţia unor defecte ascunse (incluziuni de aer) imprevizibile şi imposibil de controlat.
Procedeul formării manuale este lent şi se pretează în cea mai mare măsură la obţinerea pieselor de dimensiuni mari, în serii mici sau prototipuri, pentru executarea
matriţelor, şi în general când investiţiile
mari nu sunt justificate.
Se realizează în mod curent, în serii restrânse, caroseriile automobilelor. 12.5 Formarea pieselor prin stropire
Procedeul e semiautomat deoarece cu ajutorul a 2 conducte se transmit
sub presiune spre matriță fibrele tocate de sticlă si rașină
pulverizat ă. Acționarea jetului e facută de operator. Procedeul e foarte poluant, condițiile de munca fiind grele. Acest procedeu este unul derivat din formarea prin contact.
Depunerea pe formă a matricei şi armăturii se realizează practic prin proiecţia cu ajutorul unui pistol a răşinii aditivate şi a fibrei de sticlă tăiate la o lungime determinată, fig.12.4. Ca şi la formarea prin contact, trecerea unei role canelate permite evacuarea aerului inclus. Se poate deasemenea folosii gelcoat pentru finisarea suprafeţei.
Este posibil ca între două operaţii de proiecţie să se incorporeze o altă ţesătură obţinânduse o îmbunătăţire a proprietăţilor mecanice.
187_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.12.4 1-
conducta răşină
2- conducta fibra sticla 3- dispozitiv 4- robinet 5- matrita 6- rezervor
În figura 12.5 se prezintă dispozitivul de tocare a fibrelor.
Fig.12.5 1- fibra de sticla 2- rola cauciuc 3- rola presare 4- resort 5- rola cu cutite taietoare
6- bucati fibra sticla taiata.
188_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Avantajele acestui procedeu sunt: creşterea cadenţei de lucru faţă de formarea prin
contact, chiar dacă timpii de întărire la rece sunt identici;
raportul sticlă/răşină este constant; se pot realiza piese complexe, cu variaţii importante ale grosimii; matriţele utilizate sunt de acelaşi tip, foarte puţin costisitoare. Inconvenientele acestui procedeu sunt:
grosimea obţinută este neuniformă, dacă muncitorul nu este abil;
viteza de proiecţie implică, pentru un consum rezonabil de material;
muncitori experimentaţi;
caracteristicile mecanice ale materialelor sunt mai slabe ca la formarea prin contact, deoarece lungimea fibrelor de armare este
mică. Formarea prin proiecţie simultană are aceleaşi aplicaţii ca formarea prin contact cu posibilitatea realizării de piese şi mai mari.
12.6 Formarea prin presare cu membrane
În acest procedeu prin crearea vidului sub membrana elastică se elimină aerul înglobat în materialul de formare şi se realizează compactarea piesei sub acţiunea presiunii atmosferice. Întărirea: se realizează la rece sau la cald printr -un tratament termic într -un cuptor sau autoclavă.
189_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.12.6 1- matriță superioară 2-
orificiu de pătrundere a gazului sub presiune
3- membrane 4- piesa 5-
matriță inferioara
Materialul din fibra de sticlă se încalzește și se pune în matrita luând forma acestuia datorita membranei 3. Ac est
procedeu poate fi folosit și
într -o alta variantă în care matrita e introdusă cu totul într -o incintă ca în fig. 12.7.
Fig. 12.7 1- membrane 2- matriță 3- piesa 4- compressor 190_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Presiunea necesară
pentru ca stratificatul să îmbrace în mod
corespunzător forma şi ca răşina să impregneze materialul de armare este realizată cu ajutorul aerului comprimat (0,4-3,4 daN/cm2). 12.7 Formarea prin turnare
- fibrele de
sticlă se toacă, se topesc și se amestecă cu acceleratorul
catalizatorului, rașina și alte componente şi se toarnă in matriță ca în fig. 12.8.
Fig.12.8
12.8 Formarea prin injectare î n vid
Procedeul oferă posibilitatea realizării, în condiţiile economice ale unor serii mari, de complexitatea,
piese care să răspundă exigenţelor privind
precizia dimensională şi calitatea suprafeţelor. Materialul
utilizat pentru armare ţesătura din fibre de sticlă perfect uscate. Întărirea pieselor se face la temperatura camerei sau la temperaturi mai mari.
191_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ Materialul topit din fibre de sticla se introduce printr-un orificiu al
semimatriței superioare în cavitatea vidată formată din cele 2 semimatrițe ca în fig.12.9.
Fig.12.9
Procedeul cunoaşte o diversitate de tehnici care utilizează vidul, presiunea sau ambele fig.12.9. Principalul dezavantaj al procedeului de
formare prin injecţie îl constitue timpul necesar unui ciclu de fabricaţie (2-3) ore.
12.9 Fomarea prin centrifugare
Fig.12.10 1- fibra de sticla sub presiune 2- conducta 3- jet 4- cilindru 5- piesa 192_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Răşina topită e introdusa sub presiune în conducta 2 specificat de sensul 1. Cilindrul 4 are o miscare de rot ație în jurul axei proprii.
Conducta 2 e prevazută cu orificii prin care se insufl ă răşina precum și aer cald.
Acesta se depune uniform pe întreaga suprafață interioară a
cilindrului compusă dintr -o ţesătură de fibre formand piese tubulare. 12.10 Formarea prin presare la rece
Formarea prin pres are
în matriţă este un procedeu tehnologic care
utilizează o matriţă şi o contramatriţă fixată pe platourile unei prese hidraulice cu două viteze, apropriere rapidă (6-8m/min), închidere lentă 5-30 cm/min).
Armătura, în general din fibre continue uşor deformabilă este aşezată pe matriţă, apoi se toarnă peste armătură răşina lichidă aditivată şi în cantităţi suficiente. Prin închiderea lentă a presei, răşina se deplasează şi impregnează țesătura.
Fig.12.11 1.semimatrita; 2.piesa
193_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Matriţele utilizate pot fi metalice sau din materiale nemetalice (stratificat sticlă/epoxid). Atunci când se lucrează cu matriţe nemetalice se utilizează prese hidraulice la presiuni de formare de 1- 4
bari. Întărirea materialului se
realizează la rece, astfel că ciclul de producţie este deasemenea lent. Piesele obţinute pot avea ambele suprafeţe finisate cu aspect lucios. Investiţiile necesare sunt reduse dar matriţele se deteriorează repede. Utilizarea matriţelor metalice, deşi mai costisitoare, permi te reducerea timpului de
întărire, prin încălzirea matriţelor la 120-140C, obţinându-se
cadenţe ridicate de lucru. Procedeul permite fabricarea unor componente din materiale
compozite având complexitate ridicată şi toleranţe dimensionale strânse. Se utilizează
pentru producţia de serie mică a pieselor de dimensiuni
medii: elemente decaroserii auto, table de tractoare. Materialul in stare solida se depune in cavitatea semimatritei inferioare dupa care se preseaza cu ajutorul semimatritei superioare.
12.11 Formarea prin impregnare laminare, tragere
Utilizările în domeniul automobilelor sunt numeroase (cca 17% din producţia de SMC):para-şocuri, capote motor, bandouri laterale şi alte piese de caroserie, spoilere faţă, suporturi de ventilator, baia de ulei, capac-culbutori, table de tractor.
Această metodă este prin excelenţă procedeul industrial care asigură producţia pieselor de dimensiuni mari în serie mare de fabricaţie.
194_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.12.12 1- impregnare 2- laminare, 3- tagere 4- uscare cu radiatii 5- bobinare
195_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL XIII
Carburi metalice sinterizate
13.1 Considerații generale
Pulberile sunt particule realizate din metale, aliaje metalice, oxizi etc.
Proprietațile pulberilor metalice sunt: -forma pulberilor poate fi- aci culară dacă
L≥ l ≈ h,
- plate dac ă L ≥ h, l ≥ h; - spațiale - sferoidale; - poliedrice ; - pot avea suprafața
netedă sau rugoasă;
- porozitatea este dată de porii închiși sau deschisi; - fluiditatea e proprietatea pulberilor metalice de a curge o anumit ă cantitate printr-un orificiu calibrat al unei matrițe în
unitatea de timp;
- gradul de umplere reprezint ă diferența dintre înalțimea pieselor
inainte și dupa presare; - presabilitatea este proprietatea materialelor organice de a se comprima, de a deveni dense; - rezistența muchiilor -după presarea pulberilor în matrița piesele se
scot usor fară a fi deteriorate muchiile; 13.2 Obținerea pulberilor
Pulberile se pot obtine prin mai multe metode : -
prin macinare cu bile se obtin pulbe ri din materiale metalice dure ș i
fragile din așchii de fonta si otel; -
prin macinare cu ciocane din materiale metalice tenace;
196_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - prin macinare cu vibrații; - prin macinare în vârtej;
Fig 13.1 1-gaz sub presiune 2-aliaj metallic 3-toba 4-palete 5-arbori 6-buncar colectare pulberi
- metoda
carbonil constă în combinarea aliajelor cu CO 2 formând
carbonilul ce se descompune în particule la temperaturi scazute. -
metoda electrolitică din care se obțin pulberi de înalta puritate.
- metoda pulverizării constă în topirea aliajelor metalice în
interiorul
creuzetului care intră în cavitatea duzei 2 datorită atracției gravitaționale și sub acțiunea gazului sub presiune 4 topitura este pulverizată solidificându-se sub formă de pulberi.
Sita 7 are rolul de a clasa pulberile pe dimensiuni, iar buncărul 8 de a le colecta. 197_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig 13.2 1. creuzet 2.metal lichid
3.duză 4. gaz sub presiune 5 jet de metal sub presiune 6. pulberi metalice
7. sită 8. buncar colectare
13.3 Pregatirea pulberilor in vederea obtineri formarii pieselor
-
Selectarea constă în trecerea pulberilor pe dimensiune cu ajutorul sitelor;
-
Tratamentul termic constă în realizarea unei recoaceri de recristalizare sau înmuiere pentru părțile care au un grad de ecruisare ridicat.
-
Dozarea se realizeaza
cu balante analitice găsindu-se cantitatea
necesara de pulberi pentru realizarea piesei; -
Omogenizarea constă în impregnarea suprafeței pulberilor în materialele auxiliare;
-
Conservarea și împachetarea lor în bidoane sau saci de plastic.
198_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
13.4 Formarea piesei se poate realize prin mai multe metode:
- Presarea- constă în umplerea formei matri ței cu pulberi și presarea
lor cu viteză mică pentru a evita formarea pungilor de aer; - Presarea la cald – se realizeaza simultan doua opreratii: presarea și sinterizarea. În acest mod crește compactitatea piesei datorit ă maririi
plasticității pulberilor la temperature ridicate. -
Presarea izostatică.
13.5 Presarea izostatica
Pulberea se introduce în tubul 3 acesta fiind preset cu ajutorul lichidului 2 ce se află sub presiune introdus prin orificiul 4 al matritei 5.
Fig.13.3
1.pulberi 2.lichid sub presiune 3.tub 4.orifici 5. matriță
199_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ 13.6 Extrudarea
Pulberea metalică e silită să treaca prin orificiul unei matriț e sub presiune exercitata de pistonul 2.
Fig.13.4 1. matriță 2 .piston 3. pulberi metalice
13.7 Laminarea.
Materialul e obligat să treacă printre cilindrii laminoarelor care pot fi reglați astfel încaât să poată avea o porozitate mai mare sau mai mică. 13.8 Formarea prin presare continuă
În ultima perioadă se foloseste metoda for mari prin explozie, piesele astfel obtinute au o compactitate mai mare. Se mai f olesește și formarea efectiva făra presare a
pulberilor în
matrița pe suprafata căreia s-a depus.
200_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.13.5 1-matriță 2-poanson 3-particule pulbere metalice 4-bunc ăr
În prealabil, se depune stratul de oxizi pentru a împiedica aderarea particulelor la suprafața matriței. Turnarea
unei suspensi formate din apă și particule de metal într -o
matriță de ipsos iar prin vibrare se realizeaza compactizarea lor. După uscare matrița se sparge iar piesa este asemanatoare uneia obținute prin turnare. 13.9 Sinterizarea
Sinterizarea este operația tehnologica de formare a unor corpuri solide din pulbe re metalică.
Piesa astfel formată se comportă ca un tot unitar, între parți existand o forță de legătură asemanatoare atomilor din piesele metalice turnate Sinterizarea e asemanatoare unui tratament termic prin care
proprietățile materialelor cresc.
201_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.13.6
Incălizarea unei piese sinterizate
Acestea pot fi : -
rezistența la uzura ;
-
rezistenta la rupere ;
-
duritatea;
-
rezistența anticorozivă;
Datorită presiunii particulele iau contact între ele punctiform. Continu ând presarea, contactul devine
de suprafață prin deformația
plastică a particulelor metalice.
Fig.13.7
Contact de suprafață între particule
La temperatura de recristalizare în zona contactelor iau naștere noi grauntț care cresc în volumul particulelor existente .
202_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.13.8 1.pulbere metalica 2. pori
Parametri tehnologici
Parametri tehnologici ai sinterizări sunt - temperatura
următorii:
de încălzire 0.75 – 0.8 din temperatura de topire a
particulelor metalice; pentru oteluri temperatura e cuprinsa intra 1050
–
o
1200 C ; - durata
sinterizării este timpul de menț inere la temperatură înaltă a
piesei presate ; - presiunea
determină aportul de compactitate al piesei și
dimensiunea porilor.
203_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig. 13.9 Metamorfismul pulberilor în procesul de sinterizare
Caracteristicile pieselor sinterizate sunt: -
rezistența la rupere e destul de mare comparabilă cu cea a pieselor turnate;
-
duritatea e punctul forte al acestor piese, ele fiind realizate din carburi, oxizi cu duritate foarte mare;
-
porozitatea e dată de mărimea porilor deschiși sau închiși ai piesei; Instalațiile de incalzire folosite la sinterizare sunt de tipul :
-
cuptoare cu rezistență electrică care pot fi: -tubulare cu cupola reglabil ă; o
-în vid unde pot ajunge la 2400 C; Cuptoarele pot fi cu încalzire exterioara, interioară sau rezistenț ele pot fi constituite chiar din material piselor sinterizate. 204_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - cuptoare cu inducție la care piesa e indusul iar inductorul e o spiră de cupru; - cuptoare cu combustibil; o
- încălzirea cu fascicul de electroni poate ajunge pana la 3000 C; Operatiile tehnologice dupa sinterizare pot fii: - calibrarea se realizează pentru o precizie dimensionala mai mare a pieselor; - compactarea se face pentru mărirea densitatii; - prelucrarea
prin așchiere se realizează greoi datorit ă duritații
pieselor sinterizate iar calitatea p ieselor
e scazută deoarece particulele
sunt deformate plastic și acoperă porii; Tratamentele
termice ce se pot face după sinterizare sunt
următoarele: - recoaceri de recristalizare; - căliri; - reveniri; - cementari (carburari); Controlul pieselor sinterizate se r ealizează prin analize specifice de
laborator dar și prin urmarirea lor in exploatare. Defectele pieselor sinterizate pot fi : - rugozitatea suprafeței; - ciupituri; - muchii discontinue, etc.
Domeniul de utilizare a pieselor sinterizate.
- produse pentru antifri cțiune;
se pot realiza
lagare care datorită
porozității lor se îmbibă cu ulei astfel că în timpul func ționari se autolubrefiază;
205_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ - produsele
folosite în tehnologia constructoare de mașini; se
realizează roți dințate, elementele componente ale motoarelor, ceasurilor; - produse pentru filtre; se folosesc piese cu cooziune mare ce
filtrează gaze sau lichide (ex: uscarea aerului cu silica-gel); - produse pentru fricțiune; se realizează piese gen ambreiaj; - produse magnetice; - produse pentru contacte electrice: fiere-g rafit din care se realizează perii colectoare pentru aspiratoare;
Fig. 13.10 pseudoaliaje pot fi CuW, AgCu;
Fig.13.11 Pseudoaliaj Cu-diamant 206_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Fig.13.12 Pseudoaliaje WC-diamant
207_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL XIV Materiale inteligente - materialele viitorului
De ceva vreme, oamenii de ştiinţă fac cercetări asupra unor materiale care -
echipate cu senzori şi dispozitive de control - să se
"comporte" similar cu sistemele biologice. Deja au fost obţinute anumite succese cu aceste tipuri de "materiale inteligente". Ca urmare, este posibil
să avem în curând materiale care să se repare singure sau să se adapteze la anumite condiţii din mediul înconjurător. De exemplu, un pod s- ar
putea consolida singur, reparându-şi
fisurile produse de un cutremu r.
Sau o maşină cu "zone inteligente de
şifonare" ar putea reveni la forma iniţială după un accident. Ca şi fiinţele, aceste sisteme s-ar adapta la cerinţe şi ar repara orice posibile stricăciuni,
compensând deci erorile elementelor individuale. Oamenii de
ştiinţă au demonstrat deja că asemenea materiale şi
structuri sunt, în principiu, realizabile. Ele necesită însă o multitudine de elemente speciale de "ajutor", printre care aşa-numitele "motoare" - care să se comporte ca nişte muşchi - senzori - care să joace rolul nervilor - şi memorie şi reţele computaţionale, care să reprezinte creierul şi coloana vertebrală. Materialele multi-funcţionale
compuse, care absorb vibraţiile în
mod autonom, reducând astfel poluarea fonică, sunt un exemplu de materiale inteligente care deja sunt folosite. Acestea sunt echipate cu
senzori care înregistrează momentul când materialul începe să vibreze. Senzorii lansează un semnal care este apoi procesat de un regulator, care controlează motoarele integrate, iar acestea acţionează pentru a absorbi vibraţiile. Fibre ceramice extrem de fine sunt utilizate pentru a converti tensiunea mecanică sau termică în semnale electrice.
208_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
Şi medicina poate beneficia de pe urma materialelor inteligente. În prezent, tuburi mici, alcătuite dintr -o reţea metalică, numite stent-uri sunt deja implantate în artere, pentru a le consolida şi a evita blocarea acestora. Stent-urile viitorului vor fi mai mici. Ele
vor fi injectate direct în
venă, implicând deci cea mai simplă procedură medicală, apoi vor lua în mod autonom forma dorită în artera afectată, lărgind-o şi îmbunătăţind circulaţia. Avantajul pentru pacient este că o operaţie complicată va putea fi înlocuită de o procedură medicală foarte simplă, dar la fel de eficientă. Se lucrează deja la obţinerea unor materiale sintetice "cu memorie". Fire care să se înnoade singure, spirale care să îşi amintească forma iniţială, dreaptă. Materialele "cu memorie" îşi "amintesc" de forma lor iniţială şi, după ce sunt deformate, revin la aceasta. Acţiunea căldurii sau luminii este suficientă pentru a le face să revină la
acea formă iniţială.
Materialele cu memoria formei reprezinta o grupa de materiale noi, cu o complexitate a
fenomenelor ce le însotesc înca neelucidată. Efectul
de memorie constă în capacitatea unui material de a-și relua forma avută înaintea unei deform ări plastice, printr-o simpla încălzire la o anumită temperatură. În cazul tuburilor termoc ontractibile, materialul de bază utilizat este polimerul în structura reticulară și cu memorie elastică a formei, în combinație cu elastomerul (asigura izolatia ininterior).
Reticularea
modifică structura moleculară a materialelor termoplastice și astfel aceste materiale capată noi caracteristici, ca de exemplu rezistența la topire și la temperatură înaltă. Prin
încalzirea tubului, cristalele se topesc, rețeaua reticulară
permițând materialului să se întoarcă la forma inițială. Dupa răcire, cristalele reapar, iar tubul este în forma lui contractată permițând un nivel excelent al izolației și etanșării, rezistență sporită la solicitari mecanice ș i la factorii climatici
(radiatiile UV) precum și rezistență ridicată la atacul
209_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
substanțelor chimice (soluri alcaline). Se folosesc cel mai des pentru realizarea manșoanelor datorită raportului calitate/preț avantajos. Fenomenul
de „memorie a formei” este prezent la anumite aliaje
cu transformare martensitică reversibilă în care martensita are un caracter termoelastic. Un produs finit confectionat din astfel de materiale poate fi deformat de la o forma initiala, cu o configuratie stabila termic, pana la o alta forma, cu o configuratie instabila termic. Acest produs se spune ca are memoria formei pentru faptul ca, la aplicarea unei incalziri, poate reveni de la configuratia instabila termic la configuratia initiala, stabila termic, adica se poate spune ca
,,isi aminteste” forma initiala.
Fiind un domeniu relativ nou al tehnicii de varf, datele referitoare
la obtinerea acestor materiale si aplicaţiile lor sunt departe de a fi suficient cunoscute. Desi pe plan international se desfasoara numeroase cercetari in acest domeniu, rezultatele sunt in general publicate dupa aparitia pe piata a noilor produse sau nici atunci, intrucat exista si se conserva monopolul de firma al catorva producatori specializati din tari puternic dezvoltate, cum sunt SUA si Japonia.
Aplicaţiile industriale ale materialelor cu memoria formei cuprind cuplaje şi asamblări, antene spaţiale, dispozitive termomecanice
şi
termoelectrice, servomecanisme programate, ş. a. De exemplu, niturile din aliaje cu memorie
asigură o asamblare
fără deformare mecanică, în domenii cum sunt construcţia aeronavelor şi submarinelor, construcţia reactoarelor nucleare, echipamentul pentru exploatarea petrolului submarin (în special montarea şi repararea conductelor subacvatice, de
adâncime), iar bucşele din asemenea aliaje se
aplică pentru racordarea conductelor fără sudare în condiţii de îmbinare perfect etanşă. Alte aplicații industriale ale aliajelor cu memoria formei sunt:
210_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ -
în construcții, pentru izolatii seismice și dispozitive de disipare a
energiei; -
pentru rame de ochelari și antene pentru telefoane mobile; la fabricația sprinklerelor pentru instalatiile de stins incendii; au
avantajul scaderii timpului de răspuns la acț iunea caldurii; -
în robotica pentru executia manipulatoarelor. Domeniul aplicațiilor industriale pentru aliajele cu memoria formei
creste continuu, utilizări viitoare (printre altele) fiind aș teptate la: -
execuția motoarelor pentru mașini și avioane, pentru a se folosi
energia mecanică rezultată la transformarile de formă; -
carcase și bare de protecție pentru autovehicule;
-
răcirea motorului la autovehicule, controlul alimentării cu combustibil
a motorului, controlul unei diafragme a radiatorului (pentru a reduce debitul de
aer prin radiator la pornire, când motorul este rece și pentru a
reduce consumul de combustibil); -
construirea unor maşini termice care să producă lucru mecanic utilizând
un gradient de temperatură mic, la temperaturi apropiate de temperatura camerei. Aliajele cu memoria formei au intrebuințări multiple și î n domeniul medical, o parte d intre acestea fiind prezentate în continuare: -
copci de prindere, pentru imobilizarea fracturilor
și realizarea
osteosintezei; -
proteze vasculare (stenturi) auto- expandabile
pentru lărgirea vaselor
sanguine; -
pentru tratamentul prostatei; Utilizarea
în tehnica medicală a acestor materiale inteligente,
capabile să-și reia forma la ușoara încalzire locală a zonei în care sunt implantate, a determinat creșterea preocuparilor cercetatorilor din
211_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
domeniul știintei materialelor pentru ob tinerea unor aliaje cu proprietăți performante. Clasificarea materialelor cu memoria formei. -
aliaje exotice pe bază de uraniu, iridiu, niobiu, zirconiu;
-
aliaje costisitoare pe bază de aur şi platină;
-
aliaje obişnuite pe bază de cupru, fier, zinc, cadmiu,titan. Dintre metale, titanul prezintă cea mai bună biocompatibilitate: are
potentialul cel mai ridicat pe scara ABE (Anodic Back Electromotive
Force) determinat în ser sanguin la 37 oC si este foarte bine tolerat de celulele vii, fară a avea loc modificari ale funcțiilor acestora, așa cum s -a
demonstrat în cercetari citologice. De aceea, utilizarea sa în materialele metalice pentru aplicații medicale cu cerințe de biocompatibilitate este în creștere.
212_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________ CAPITOLUL XV Materiale amorfe
In anul 1952 Sir Charles Frank lanseză ideea că, deşi obţinerea cristalelor icosaedrice este imposibilă, în lichidele răcite pînă la temperaturi aflate sub punctul lor de îngheţare apar regiuni de simetrie icosaedrică; cercetările ulterioare vor demonstra că fenomenul are loc atunci când metalele sunt răcite atât de rapid încât capătă structura sticlei; aceste materii se numesc sticle metalice.Solidificarea rapidă precum şi fenomenele
colaterale ca de exemplu subrăcirea nu sunt procedee de dată
recentă. Încă din 1700, Fahrenheit a descoperit că apa poate fi răcită în stare lichidă cu mult sub temperatura de tranziţie la gheaţă. Solidificarea rapidă şi ultrarapidă a topiturilor a fost utilizată pe scara mare încă din anii 1940 când o serie de cercetatori au utilizat -o în vederea investigării reacţiilor structurale ce au loc la solidificarea aliajelor precum şi la determinarea factorilor ce guverneaza difuzia în stare lichidă şi solidă. Unul dintre aceşti crecetători a fost si P. Duwez care a reuşit în 1960 obţinerea primului aliaj în stare amorfa prin solidificarea ultrarapidă a topiturii aliajului AuSi .
Procedeele de solidificare ultrarapidă ce sunt astăzi utilizate la scară industrială au o serie de precedente remarcabile. Astfel, în 1871 E.M. Lang a patentat un dispozitiv de obţinere prin turnare a sârmelor metalice destinate brazăriiSolidificarea rapidă şi ultrarapidă a aliajelor metalice este una dintre cele mai ² curate² tehnologii metalurgice, în sensul că aceasta implică doar elaborarea topiturii metalice, prin solidificare obţinându-se direct produsul final sau semifabricate a căror procesare ulterioară nu implică un grad ridicat de poluare. Întrucât sunt eliminate o serie de eta pe
caracteristice în metalurgia clasică (prelucrări
213_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
termoplastice, prelucrări mecanice la rece), tehnologia de obţinere a materialelor metalice prin solidificare ultrarapidă din topitură permite de asemenea reducerea substanţială a consumului de energie. În figurile urmatoare sînt prezentate două metode de obţinere a materialelor amorfe: laminarea şi turnarea.
fig.15.1 >
Metoda laminării
fig.15.2
când metalul topit se răceşte rapid datorită
contactului cu supra feţele reci ale cilindrilor fig.15.1. >
Metoda turnării cu jet forţat fig.15.2.
Fig.15.3. Instalaţie folosită in vederea obţinerii materialelor amorfe
Factorii care guvernează acest proces sunt atât de natură structurală (efecte
de aranjare, cuplare şi mărime atomică) cât şi cinetici. Factorii
structurali au implicaţii relativ reduse astfel că rolul dominant este cel al 214_________________________________________________________________
Tratamente termice și materiale speciale __________________________
factorilor cinetici (ce depind de parametrii constructivi ai instalaţiei de solidificare). Toate aceste procede e
asigură o viteză de solidificare
ultrarapidă a topiturilor metalice, dependenţa direct de natura (gaz, lichid sau suprafaţa unui corp masiv) şi de viteza suportului de răcire.
Fig.15.4 Lingou din aliaj Ti-Ni-Nb
Fig 15.5 Obtinerea benzilor metalice prin solidificare ultrarapida
Retopirea aliajului Ti-Ni-Nb si obtinerea benzilor din acest aliaj s-a facut prin procedeul solidificarii ultrarapide - metoda "melt spinning"- in atmosfera protectoare de argon. Schema de principiu a metodei de obtinere de benzi metalice prin solidificare ultrarapida a topiturilor metalice este prezentata in figura 1.
Procedeul consta in urmatoarele:
- proba masiva este introdusa intr-un tub de cuartz terminat cu un capilar, tub ce constituie miezul unei bobine de inductie; - capilarul se afla pozitionat la 2 mm de un disc masiv de cupru, cu diametrul de 400 mm, racit cu apa, care se poate roti cu 1500-3000 rotatii/min; - intregul dispozitiv se afla intr-o incinta de otel inoxidabil, montat la o pompa de vid cu difuzie; - în momentul c ând proba din tubul de cuartz este topit ă
prin inducție și
apare meniscul la gura capilarului, deasupra topiturii se introduce gaz inert
sub presiune care o evacuează direct pe discul rece rotitor și astfel
topitura se solidifica ultrarapid. 215_________________________________________________________________