tratamente termice si materiale speciale
TRANSCRIPT
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
8_________________________________________________________________
TRATAMENTE TERMICE
CAPITOLUL I
NOŢIUNI 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);
- tratamente termice finale (secundare).
1.2.2 După natura aliajelor din care sunt confecţionate
produsele:
- tratamente termice ale otelurilor;
- tratamente termice ale fontelor;
- tratamente termice ale neferoaselor;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
9_________________________________________________________________
- tratamente termice ale metalelor speciale.
1.2.3 După adîncimea de pătrundere a efectului tratamentelor
termice:
- tratamente termofizice pătrunse;
- tratamente termofizice de suprafaţă (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 ;
-într-un singur mediu ;
-în două medii ;
-în trepte ;
-izotermă ;
-criogenică.
-superficială ;
-cu flacără ;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
10_________________________________________________________________
-prin inducţie ;
-în electroliţi ;
-în topituri ;
-prin contact ;
-de punere în soluţie-durificare prin precipitare ;
-reveniri ;
-joasă ;
-medie ;
-înaltă ;
- tratamente termochimice;
-sherardizarea;
-cementarea ;
-nitrurarea ;
-carbonitrurarea ;
-sulfizarea ;
-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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
11_________________________________________________________________
-de temperatură înaltă ;
-de temperatură joasă ;
-cu deformare plastică:
-anterioară tratamentului termic ;
-concomitent cu tratamentul termic ;
-ulterioară tratamentului termic .
-tratamente 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;
- tratamente termice aplicate recipientelor;
- tratamente termice aplicate ghidajelor;
- tratamente termice aplicate organelor de asamblare demontabile
executate prin deformare plastică la rece;
- 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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
12_________________________________________________________________
- 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 plastică şi tăiere ;
- tratamente termice aplicate sculelor pentru prelucrarea la cald a materia-
lelor 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 ;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
13_________________________________________________________________
-concomitente ;
-ulterioare ;
1.3 Ciclurile tratamentelor termice
Ciclul unui tratament termic este prezentat în figura 1.1.
Fig.1.1
Principalii parametrii ai unui tratament termic sunt următorii:
- temperatura de încălzire;
- timpul de încălzire;
- timpul de menţinere;
- timpul de răcire;
- viteza de răcire;
- viteza de încălzire.
Viteza de răcire este data de raportul dintre diferenţa temperaturilor
de încălzire şi a mediului ambiant şi timpul scurs de la începerea răcirii
pana la finalul acesteia.
V=(Tînc-To)/(t1-to) [oC/min]
V=ΔT/Δt=tgα.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
14_________________________________________________________________
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:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
15_________________________________________________________________
Fig.1.5 Fig.1.6
- menţinere controlată la temperatura de încălzire , figura 1.5;
- menţinere pendulară în jurul temperaturii de încălzire figura 1.6.
Graficele curbelor răcirilor sunt prezentate în figurile 1.7, 1.8, 1.9.
Fig.1.7 Fig.1.8
Fig.1.9
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
16_________________________________________________________________
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 observă 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.
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 A1 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.
T[oC]
t(h)
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
17_________________________________________________________________
Fig.1.11
În zona 3 se observă 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 liberă şi
anume Fm şi Fp. Din acest fapt rezultă 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 încălzii în următoarele moduri:
Fig.1.12 Fig1.13
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
18_________________________________________________________________
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 încălzire , diferenţa
dintre Ts 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
19_________________________________________________________________
graficul încălzirii la care temperatura cuptorului este mai mare decât
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 datorită prezenţei
în mediul de încălzire a oxigenului, vaporilor de apă 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 oxidării 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 datorită temperaturilor înalte la care se
face tratamentul termic.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
20_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
21_________________________________________________________________
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 superioară şi un preţ scăzut
necesită perfecţiuni şi diverse utilaje specifice acestei operaţii.
Clasificarea acestor utilaje este următoarea:
- utilaje pentru încălzire;
- utilaje pentru răcire;
- auxiliare.
Dintre acestea ponderea cea mai mare o ocupă utilajele de încălzire
cu 70%. Cele mai importante utilaje de încălzire sunt cuptoarele. Acestea
pot fi proiectate 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:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
22_________________________________________________________________
- pînă la 300oC se poate realiza revenirea joasă, încălzirea aliajelor
neferoase:
-300-550 oC revenire medie, nitrurare, etc.
-500-750 o
C recoaceri subcritice, revenire înaltă, recoacere de
detensionare.
-700-950 o
C călirea oţelurilor şi fontelor, recoaceri de omogenizare
ale aliajelor metalice neferoase;
-900-1150oC încălzirea oţelurilor refractare, recoacere de
omogenizare a aliajelor metalice aliate.
-1100-1350 o
C călirea oţelurilor rapide, sinterizarea carburilor
metalice.
Cuptoarele pot avea atmosfera normală şi controlată 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 rezistenţe 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,
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
23_________________________________________________________________
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 avantaje,
comparativ cu cele cu flacără:
pot uniformiza mai bine temperatura în mediul de încălzire;
pot concentra 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 mai 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
24_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
25_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
26_________________________________________________________________
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:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
27_________________________________________________________________
- 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 50-
500kg/h temperatura de lucru 800 - 1050°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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
28_________________________________________________________________
- 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
29_________________________________________________________________
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 termice 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 (850oC)
a sculelor din oţel rapid, cementarea sau cianizarea înaltă.
Pentru temperaturi peste 1000oC 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
30_________________________________________________________________
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
in vid pina la 800oC cu racire rapida
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
31_________________________________________________________________
Fig.2.12 Cuptoare cu vatra rotativa
2.2 Utilaje de răcire.
Utilajele de răcire sunt plasate de regulă în vecinătatea instalaţiilor
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
32_________________________________________________________________
vatra cuptorului la cuptoarele cu vatră mobilă. Mai rar se recurge 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 tablă 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”.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
33_________________________________________________________________
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 (fig.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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
34_________________________________________________________________
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 recirculație
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
35_________________________________________________________________
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 1800, 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
36_________________________________________________________________
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 ele 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
37_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
38_________________________________________________________________
CAPITOLUL III
TRATAMENTE TERMICE PRELIMINARE
3.1 Noţiuni introductive
Materialele metalice suferă modificări în timpul prelucrărilor
succesive de turnare, matriţare, forjare, sudare, etc. structura şi
proprietăţile tehnologice nu sunt întotdeauna bune. Pentru îmbunătăţirea
acestora se recurge la tratamente termice preliminare ce constau în
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
39_________________________________________________________________
3.2 Transformarea perlitei în austenita.
3.2.1 Condiţii termodinamice.
Aşa cum s-a aratat în capitolul I, deasupra punctului AC1 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=>Fe۷
Fe α – cristalizare în reţea cubica cu volum centrat;
Fe ۷ – 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
40_________________________________________________________________
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 cantitatea de austenită
transformată este mică, iar căldura primita este mult mai mare. După
creşterea cantităţii de austenită căldura devine insuficientă, 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 o
K
austenita s-a transformat după 200’, iar la 1018 o
K austenita s-a
transformat după 100’. Transformarea austenitei începe chiar de la
încălzire.
La un timp infinit de mare transformarea arata astfel:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
41_________________________________________________________________
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 îşi măresc volumul pâna la
dimensiunea de echilibru şi se realizează prin absorbţia grăunţilor vecini.
Mărimea grăuntelui se poate obţine prin diferite metode:
- metoda cementării cu reţea de cementita pentru oţeluri
hipoeotectoide şi pentru oţeluri hipereutctoide cu reţele de oxizi.
Fig.3.5
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
42_________________________________________________________________
Granulaţia este data de numărul de grăunţi, pe unitatea de suprafaţa
sau de volum. Daca n=1…3 granulaţia este grosolana; n=4…5 este
medie, 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 susceptibilă la fisuri în cazul tratamentelor
termochimice de cementare;
- se constată o fragilitate ridicata.
a. b.
Fig.3.6 Punerea în evidență a grăuntelui austenitic:
a. 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 importantă transformare, deoarece din aceasta se
obţin proprietăţile tehnologice şi mecanice. Sub punctul AC1, energia
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
43_________________________________________________________________
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
Intre 721 o
C şi 450 o
C atât atomii de C cât şi cei de Fe îşi păstrează
mobilitatea. Intre 450-200 o
C atomii de Fe fiind mai mari îşi pierd
mobilitatea iar sub 200o şi atomii de C îşi pierd mobilitatea.
Fig.3.8
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
44_________________________________________________________________
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 tetragonală
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 în atomi de carbon formându-se grăunţi
de perlită, care nu au o concentraţie mai mare de 0,2%. La rândul ei
perlita nu dizolvă atomi de C, ca în fig.3.10.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
45_________________________________________________________________
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 ridicată.
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
46_________________________________________________________________
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 transformării ne arată că mai întâi la răcire exista o
perioadă de 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
47_________________________________________________________________
Experimental s-a constatat că la diferite grade de subrăcire
izotermă transformarea diferă şi este optimă pentru o anumită
temperatură, ca în fig.3.15.
Fig.3.15
Se notează cu a1….a6, punctele de start ale transformării, şi cu
b1…b6, punctele de final ale transformării.
Dacă aceste puncte se trec printr-o alta diagramă ca în fig. 3.16 se
obţine diagrama TTT.
Fig.3.16
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
48_________________________________________________________________
Cinetica transformării mai este afectată şi de alţi 2 factori:
- viteza de germinare, N, [1/cm3];
- viteza de creştere a grăunţilor, G, [min/sec].
Temperaturile înalte şi timpul de menţinere îndelungat fac să scadă
N deoarece austenita se omogenizează dizolvând carburile împraştiind
uniform atomii de C.
Daca N>G atunci vom avea o structură fină cu grăunţi fini, iar dacă
N<G, vom avea o structură grosolană.
Manganul duce la scăderea ambelor viteze atât N cât şi G. Cobaltul
duce la creşterea celor 2 viteze.
3.6 Structura constituenţilor obţinuţi la răcirea austenitei.
După răcirea austenitei se pot obţine perlite lamelare, perlita
globulară, sorbitică şi troostitică.
Perlita lamelară se obţine direct la răcirea din austenită iar cea
globulară prin încălzire a puţin deasupra punctului AC1urmând 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 neomogenităţi chimice. Acestea sunt de 2 feluri:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
49_________________________________________________________________
- macroscopice sau zonale;
- microscopice sau dendritice.
Remedierea acestei structuri se face prin difuziune datorită 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 referă la neomogenitatea
elementelor chimice la nivel reticular.
Temperatura de încălzire se situează intre 1050-1350 o
C cu
perioade de menţinere intre 10-12 ore viteza de încălzire fiind de 100
oC/ora, iar cea de răcire de 50-60
oC/ora. Fiind un procedeu
energointensiv se recomandă 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
50_________________________________________________________________
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 o
C peste punctul de transformare AC3 şi răcire
lenta odată cu Cu pana la 600 o
C, iar daca se urmăreşte şi uniformizarea
tensiunilor interne remanente pana la 400 oC.
3.19 Structura Widmannstatten (1000:1)
Piesele turnate cu tensiuni interne se manevrează uşor pentru
evitarea fisurării şi se recoc în cuptor cu vatră mobilă şi cu viteza de
încălzire de 100 oC/ora.
Construcţiile sudate care prezintă în zonele metalului dispus dar şi
în zonele metalului de bază 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
51_________________________________________________________________
Fig.3.20
Recoacerea de normalizare se aplică cu deosebire oţelurilor
hipoeotectoide, pentru finisarea structurii perlitei şi feritei.
Recoacerea de normalizare este preferata recoacerii de regenerare
pentru oţelurile hipoeotectoide şi datorită 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 0,35%C, 1,07%Mn, și 0,12%V:
a. turnat (70:1), b. normalizat o singură dată (70:1), c. Normalizat de două
ori (70:1).
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
52_________________________________________________________________
În cazul pieselor deformate plastic la cald exista trei cazuri:
- temperatura sfârşitului procesului de prelucrare este cu mult mai
mare decât temperatura de transformare a austenitei în perlita, În acest
caz rezultă o structura uniformă.
- temperatura sfârşitului procesului de prelucrare este cu mult mai
mare 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 cald (100:1)
3.9 Recoacerea pentru imbunatătirea 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
53_________________________________________________________________
Daca avem un oţel pana la 0,2%C acesta va prezenta o
prelucrabilitate prin 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 constă într-o
încălzire de pană la 900 o
C cu răcire în aer liber. Acest tratament se
aplică pieselor ce urmează a fi danturate, filetate, etc.
Pentru materialele aliate cu crom, nichel,molibden şi care urmează
a fi prelucrate prin forjare şi matriţare tratamentul termic constă într-o
subrăcire de la temperatura de sfârşit a procedeului de prelucrare până la
500 o
C după care se încalzeşte pana la 600-650oC 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%.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
54_________________________________________________________________
Oţelurile cu un conţinut de C mai mare de 0,65% prezintă o
structură sub forme de lamele care constituie microcutite şi uzează scula
aşchietoare.
In îmbunătăţirea prelucrabilităţii acestor materiale se va realiza o
recoacere de globulizare. Aceasta constă în încălzirea pană deasupra
punctului de transformare AC1 pană la temperatura de 780-810 o
C cu
menţinere de 4-5 ore şi răcire cu cuptorul pana la 600 o
C răcirea făcându-
se 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
55_________________________________________________________________
Recoacerea pendulară este prezentată în fig.3.26 şi constă în
pendularea temperaturii în jurul punctului AC1 cu 30-50 o
C şi menţinere
30-40 minute.
Fig.3.26
Recoacerea oţelurilor pentru arcuri este prezentata în fig.3.27 şi
constă în încălzirea subcritica a materialului sub punctul AC1 datorită
tendinţei de decarburare a acestora şi de formare a perlitei globulare.
Fig.3.27
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
56_________________________________________________________________
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 constă 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
57_________________________________________________________________
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 constată o
creştere a grăunţilor recristalizaţi intr-o perioada de 160-180 min după
care dimensiunea acestora rămane constantă.
3.11 Recoacerea de detensionare.
În interiorul materialului exista 3 tipuri de tensiuni:
- termice apar datorită 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
58_________________________________________________________________
CAPITOLUL IV
TRATAMENTE TERMICE FINALE
4.1 Călirea
Cea mai importanta transformare este transformarea austenitei în
martensită. Prin 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, volumică, pe o anumita adâncime,
zonala, locala.
4.2 Transformarea austenitei în bainită.
Aşa cum s-a arătat în cursul anterior transformarea bainitică are loc
sub temperatura de 4000C, 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
59_________________________________________________________________
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 prin mecanismul cu difuzie este mai mic față 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 diferite, 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 370
oC.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
60_________________________________________________________________
La răcire în austenită are loc o migrare 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 maximă;
- deformarea plastică a reţelei;
- scăderea mobilităţii atomilor de C şi Fe.
La subrăciri mici o pondere mai mare în transformarea bainitei o
are diferenţa dintre energiile libere ale austenitei şi bainitei şi la subrăciri
mari ponderea principala o deţine imobilitatea atomilor.
4.3Transformarea austenitei în martensită.
La răcirea austenitei cu viteze mari sub temperatura de 2000C se
formează martensita. Dintr-o reţea cubica cu fețe centrate a austenitei cu
dimensiunea de 3,64Ao se obţine o reţea cubica cu volum centrat a feritei
cu 2,90Ao.
Datorită acestui fapt coroborat cu imobilitatea atomilor de C şi Fe
reţeaua cubica cu volum centrat este definită 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 T0 (fig.4.4) energiile libere ale celor 2 faze sunt egale,
unde se observa un echilibru.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
61_________________________________________________________________
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 T0 şi Ms exista o diferenţa de 50
cal. Trebuie să se învingă o bariera de potenţial. Aceasta se explică prin
următorul experiment: înaintea transformării se aplica o deformaţie
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
62_________________________________________________________________
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 rezistentă dintre toate
formele pe care le poate lua aliajul de Fe-C.
Transformarea nu este completă deoarece o parte din austenită
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)
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
63_________________________________________________________________
4.5 Particularităţi ale răcirii austenitei cu viteze variabile sau
constante.
La răcirea austenitei oţelurile se comportă 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).
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
64_________________________________________________________________
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 temporară în toată masa materialului.
Viteza de încălzire depinde de mai mulţi factori:
- natura materialului;
- dimensiunea şi complexitatea piesei;
- tipul cuptorului de încălzire.
Pentru călirea oţelurilor hipoeotectoide încălzirea se face peste
linia AC3 cu 30-500C. Încălzirea oţelurilor hipereutectoide se face peste
linia AC1 şi sub linia ACem.
Explicaţie: pentru oţelurile hipoeotectoide se încalzeste peste linia
AC3 şi nu intre liniile AC1 şi AC3 deoarece la răcire Fe۷ 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 ACem
şi nu deasupra liniei ACem, datorita următoarei cauze:
- în masa de metal încins peste 7210C se afla cementita
secundară care constituie carbura de fier cu proprietăţi
superioare (duritate ridicată, 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. În acest caz
structura are un aspect de supraîncălzire.
- datorita temperaturii ridicate şi vitezei de răcire mare
se creează tensiuni interne mari care duc la deformarea pieselor
tratate.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
65_________________________________________________________________
Fig.4.8
Pentru oţelurile aliate la cere este dificilă 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 anumită temperatură T0 se
înregistrează o anomalie, deoarece se observă că temperatura crește în
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
66_________________________________________________________________
continuare, însa materialul se contractă între temperaturile T0 şi T1 (b).
Aceasta anomalie se explică prin faptul ca în punctul de transformare a
feritei în austenită are loc o scădere de volum deoarece volumul reţelei de
ferită este mai mare decât al austenitei.
VspecificFeα=0,1271 cm3/gr;
VspecificFe۷= 0,1212 cm3/gr.
Deci prin aceasta metodă 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 martensită, dar se nu introducă tensiuni interne
mari, ce ar putea duce la deformarea pieselor.
Fig.4.10 Viteza critică - viteza de la care se obţine martensita.
Mediile de răcire sunt diverse, pornind de la apă, apă distilată,
uleiuri minerale, bai de săruri topite, aer comprimat, aer liber.
Viteza cea mai mare de răcire este atunci când se răcește cu apă.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
67_________________________________________________________________
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 că transformarea martensitei are loc la o
temperatura relativ constantă, spre deosebire de răcirea cu apă, unde se
observa ca martensita e transformata cu o viteza de răcire mare.
La introducerea materialului metalic încins în mediul de răcire se
produce, mai întâi o pelicula de vapori care îngreunează răcirea, fig 4.12,
porţiunea a.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
68_________________________________________________________________
Fig.4.12
În perioada imediat următoare pelicula de vapori e distrusă 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
69_________________________________________________________________
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 în lichidul de răcire suprafaţa exterioară a
piesei care intră în contact cu mediul se aceste rapid, contractându-se,
deci exercită asupra miezului un efect de comprimare.
In cea de-a doua a fază a răcirii temperatura miezului e mai mare
decât a suprafeţei. Este rândul miezului să se contracte, însă nu este
posibil deoarece ar trebui să tragă înspre el partea exterioară a piesei care
este deja rigidă. Se realizează un efect invers, din aceasta cauză şi miezul
se va întinde comprimând partea exterioară a piesei.
Fig 4.14
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
70_________________________________________________________________
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;
- discurile se introduc perpendicular pe suprafaţa mediului;
- inelele se introduc cu generatoarea perpendicular pe suprafaţa;
- piesele cu dimensiuni complexe nu trebuie să formeze bule în
cavităţi deoarece acestea sunt concentratoare de tensiuni;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
71_________________________________________________________________
- 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 exprimă
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%.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
72_________________________________________________________________
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 analiză 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 secţiune rotunda pe
diametru, începând de la margine spre centru obţinând curbele
U (fig.4.19).
Fig.4.19
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
73_________________________________________________________________
Cea mai des folosita metoda pentru măsura durabilităţii este
metoda Jominy, care constă 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
74_________________________________________________________________
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 semimartensitică.
Se defineşte ca fiind diametrul ideal, diametrul la care în centrul
epruvetei se obţine 100% martensită.
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 superficială.
Avantaje:
- rapiditate mare;
- automatizare;
- oxidare şi decarburare scăzută a suprafeţelor.
Dezavantaje:
- utilaje costisitoare;
- nu se poate realiza pe toate suprafeţele datorită complexităţii
piesei.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
75_________________________________________________________________
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 temperatură înaltă în
intervale scurte de timp:
- bai topite (10 W/cm2s);
- in călire cu flacăra (150 W/cm2s);
- încălzire prin inducţie (2500W/cm2s).
Cele mai utilizate procedee de încălzire pentru călirea superficialaă
sunt încălzirea cu flacără şi prin inducţie.
4.14 Încălzirea cu flacără.
Se realizează prin arderea unui gaz combustibil în oxigen. Se
folosesc instalaţii speciale, capetele de ardere fiind asemenea cu cele de la
sudarea cu flacără.
Fig.4.23
Temperatura ajunge în jurul valorii de 31250C.
Se clasifică în doua categorii:
- încălzire simultană (statică şi în mişcare);
- succesiva.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
76_________________________________________________________________
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 simultană 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
atac al suflaiului este de 120-180o.
Călirea succesivă se realizează prin încălzirea pieselor urmată,
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
77_________________________________________________________________
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 producere a unei tensiuni electromotoare într-un
circuit care înconjoară un flux magnetic variabil se numeşte inducţie
electromagnetică.
Spre deosebire de procedeul precedent la aceasta încălzire piesei se
face 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
78_________________________________________________________________
Inductoarele sunt sub forma de spirală, 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
neuniformă.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
79_________________________________________________________________
- 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
omogenă dar la răcire se va obţine o cantitate mai mare de
austenita reziduala ducând la micşorarea durităţii;
- dacă viteza de 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 supraîncălzire,
grăunţii vor fi mari, deci va avea o granulaţie grosolană, ceea
ce duce la fragilizarea materialului metalic. Se remediază
printr-o recoacere de normalizare;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
80_________________________________________________________________
- dacă încălzirea se face sub temperatura de încălzire, atunci se
va 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 incorectă de introducere a pieselor în mediul de răcire
poate duce la deformaţii sau chiar la fisurarea piesei.
4.19 Revenirea.
Tratamentul termic de revenire, urmăreşte modificarea structurii
din martensita şi ferita şi carburi fine.
Dacă se 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-200
0C
arată faptul că materialul se comprimă, îşi micşorează dimensiunile;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
81_________________________________________________________________
Zona II – este cuprinsa în intervalul de încălzire pana la 270o-
300oC ne arata o întindere a materialului;
Zona III – este cuprinsa în intervalul de încălzire pana la 300o-
600oC ne arata din nou o comprimare a materialului.
La încălzirea peste 150oC în masa de martensită se separă carbura
cu grade de dispersie mare. Intre 150 عo-300
oC se poate separa în
continuare carbura din soluţia α crescând în dimensiuni carburile,
totodată aceasta mărire realizându-se şi prin coagularea grăunţilor de
dimensiuni mai mici.
Tot în acest interval se transforma martensita. În jurul valorii de
350oC carburile se dizolvă în masa soluţiei α, iar pe măsură ce conţinutul
de carbon crește, soluţia devine suprasaturată, împingând carbonul la
marginea 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 clasifică în 3 mari categorii:
- revenire joasă – până în 150o-200
oC, la care se urmăreşte
îndepărtarea tensiunilor remanente;
- revenire medie – 200o-400
oC, la care se urmăreşte scăderea
durităţii şi îndepărtarea tensiunilor remanente;
- revenire înaltă – 400o-600
oC, se urmăreşte realizarea
structurilor sorbitice.
4.20 Particularităţi ale tratamentelor termice aplicate
oţelurilor aliate.
Elementele de aliere influenţează cementita eutectoidă, precum şi
liniile AC1 şi AC3. Elementele chimice care formează carburi sunt acelea
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
82_________________________________________________________________
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 atomică a carbonului şi a elementelor de
aliere depaseste valoarea de 0,59% atunci opusul chimic rezultat poartă
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 răcire este mare şi
se produc 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, răcirea în domeniul
martensitic trebuie să fie cat mai lenta. Din aceasta cauza s-a apelat la
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
83_________________________________________________________________
răcirea în apa pana deasupra punctului martensită start, şi răcirea în
continuare în ulei pana la temperatura mediului ambiant.
Problema care exista constă în dificila apreciere a momentului de
trecere dintr-un mediu în altul. Dacă se trece mai devreme, adică la o
temperatură mai 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 viteză
de răcire mai mica decât a celor convenţionale. Un astfel de exemplu este
mediul de apă în amestec cu un copolimer, acrilat se sodiu – acrilamida.
Concentraţia acestuia este cuprinsa intre 0,1-1%.
În momentul răcirii copolimerul intră în reacţie şi se consumă, de
aceea după fiecare răcire soluţia trebuie completată.
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
84_________________________________________________________________
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
superficială a suprafeţei, rezistență la coroziune, etc.
Avantajele față de călirea superficială sunt următoarele:
nu există 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
85_________________________________________________________________
- tratamente termochimice după care urmează tratamente de
îmbunătățire: cementarea, carbonitrurare.
- tratamente termochimice pentru piese rezistente la uzură
superficială: cianurarea, sulfoceanurarea.
- tratamente termochimice pentru protecţia împotriva oxidării:
aurerizarea, zincarea.
- tratamente termochimice pentru protecţia împotriva
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:
2NH3
ToC
3H2 + 2Nx
N2
ToC
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
86_________________________________________________________________
Metalul absoarbe numai atomii liberi, activi care se formează la
disocierea moleculelor. Absorbţia 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 caz se formează un compus chimic. În funcţie de 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 factori:
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 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.
- daca d<A – rezultă un mediu sărac în atomi;
- d >A – mediul este bogat în atomi activi şi se depune pe
suprafaţa piesei, ex: carbonul, daca se depune rezulta negru de fum.
- A<D – rezultă o migrare a atomilor în interiorul piesei şi o
concentraţie mai mica în suprafaţa;
- A>D – rezultă o concentraţie maximă a atomilor elementelor
active.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
87_________________________________________________________________
5.4 Cementarea.
Este tratamentul termochimic prin care suprafaţa pieselor este
îmbogăţită în atomi de carbon. Temperatura la care se realizează este de
900-950 o
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 şi difuzia la fel atunci atomii
vor pătrunde spre centrul piesei îmbogăţind austenita pana la saturaţie,
fig.5.1.
Fig.5.1
Dacă se continuă procesul de difuziune şi C este în exces, austenita
va elimina C câtre marginea grăunţilor formând o reţea de cementită fină,
curba 3.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
88_________________________________________________________________
Dacă temperatura de cementare este sub punctul AC1 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 răcire este mare atunci stratul superficial va fi
transformat 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 (Csat) la diferite temperaturi de
carburare
Temperatura, oC 750 800 850 875 900 925 950
%Csat 0,85 1,00 1,15 1,22 1,28 1,35 1,40
5.5 Cementarea în mediul solid
Este cel mai vechi procedeu şi constă în împachetarea pieselor ce
se supun cementărilor într-o cutie cu mediu solid capabil să disocieze
atomi de C. Aceasta cutie se introduce într-un cuptor până 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%.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
89_________________________________________________________________
Prin reacția dintre carbune si oxigenul din aer, la temperaturi înalte
se formează dioxidul de carbon (CO2), care reacționează cu cărbunele,
reducandu-se la oxid de carbon (CO). În contact cu suprafața metalului,
oxidul de carbon se descompune în dioxid de carbon și in carbon atomic;
formand cementita, sau se dizolva în austenită.
Mediile carburante solide sunt alcatuite din cărbuni de lemn sub
forma de granule, mai rar din cărbuni de pămant (turba și cocs) sau
carbune animal. Pentru. accelerarea cementării în mediu solid, se
folosesc și anumite substanțe 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+CO2→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, compoziția 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
90_________________________________________________________________
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)
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
91_________________________________________________________________
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%H2,
40,8%N2, 0,8%CO2 şi 1% hidrocarburi.
Acest mediu reduce oxidarea,decarburile măresc regenerarea C şi
carburarea.
În tabelul 5.2 sunt prezentate compoziţiile unor gaze de
carburare.
Tabelul 5.2. Compoziţiile chimice ale principalelor gaze de carburare şi a gazelor
evacuate
Denumirea gazului de
carburare (a) şi a
gazului evacuat după
carburare(b)
Compoziţie, %
CH4
(CnH2n+2)
CnH2n
CO CO2 H2 O2 N2
a) Gaz natural 92-98 - -
0,4 0,4-0,7 0,2-
0,1
1-8
b) Gaz evacuat din
cuptorul de cementare
în gaz natural
25-40 1 1-1,5
1 45-60 0,5 3-12
a) gaz iluminat 10-25 10-12 10-17
6-8 20-30 0,2-
1,0
20-
30
b) gaz evacuat din
cuptorul de cementare
în gaz de iluminat
5-15 0,2-0,8 20-30
0,2-
1,0
30-50 0,2-
1,0
20-
30
a) gaz de sondă de
petrol
98 0,2 1-1,5
0,2 - 0,2 1,4
b) gaz de piroliză din
petrol lampant produs
direct în cuptorul de
cementare
40-56 1-2 1,2-4,6
0,4-
2,2
37-46 0,4-
0,8
-
a) endogaz cu adaos de
5% gaz natural
1,5 - 20
0,5 40 - 40
b) gaz evacuat din
cuptorul de cementare
în endogaz + gaz
natural
6-8 - 16-18
0 40-43 0 rest
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
92_________________________________________________________________
5.8 Cementarea prin gazificarea hidrocarburilor lichide.
Hidrocarburile lichide sunt picurate în incinta cuptorului încins,
peste 700 o
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 având 300-400
DaN/mm2, iar miezul are o structură grosolană 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
93_________________________________________________________________
Tratamentele termice după 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 reprezintă tratamentul termic de îmbunătăţire ce
consta în călire şi revenire.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
94_________________________________________________________________
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 căliri 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 finisare a granulaţiei miezului; dacă nu se mai execută
operaţiuni ulterioare cementării de prelucrare prin aşchiere, se renunţă şi
la recoacerea intermediară.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
95_________________________________________________________________
Fig.5.7 Strat cementat martensită
5.10 Nitrurarea.
Este un tratament termic de îmbogăţire a stratului superficial în
atomi de N.
Suprafeţele nitrurate sunt foarte rezistente la uzură 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
optime se obţin atunci când stratul nitrurat nu conţine reţea de nitruri sau
strat „alb”; în acest scop trebuie folosite temperaturi de nitrurare
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
96_________________________________________________________________
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
590oC, mai dură 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 500oC, şi ulterioară reîncălzire sub
500oC 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 eroziune,
cavitaţie, presiune de contact redusă; prezintă instabilitate la
temperaturi relativ joase şi în prezenţa vaporilor de apă, când
tinde să se disocieze;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
97_________________________________________________________________
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 NH3 care la temperatura de
500-550 oC 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 NH3.
Un procedeu modern de nitrurare este ionitrurarea. Constă 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
98_________________________________________________________________
Duritatea poate ajunge intre 100-1100 DaN/mm2. 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 încălzire
până la temperatura de 510 oC în interval de 4 ore cu menţinere de 24 ore
şi răcire odată cu cuptorul în 34 ore.
In fig. 5.11 se prezintă nitrurarea, preîncălzire la 480-500 o
C şi în
final la 560-580 o
C. Preîncălzirea are rolul de a facilita difuzia N2 în miez
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
99_________________________________________________________________
deoarece stratul superficial este suprasaturat în N2 şi formata din faza ε
care este dură şi fragilă.
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
a. după răcire lentă de la 700oC b. după răcire în ulei de la 600
oC
5.12 Carbonitrurarea.
Este un tratament termic ce combină 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
550-880oC, în medii gazoase, lichide sau solide, pentru obţinerea unor
straturi superficiale îmbogăţite în carbon şi azot în scopul creşterii
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
Ac3 (750-880oC), caracterizată prin faptul că la răcire au loc transformări
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
100_________________________________________________________________
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 de temperatură 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%.
Temperatura la care se realizează este de 750-900 oC, mai exact intre 830-
860 o
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. Dacădorim ca în stratul superior să avem compuşi
duri se realizează sulfoceanurarea. Piesa se cufundă într-o soluţie formată
din 45% sulfat şi 55% cianură la temperatura de 550 o
C, obţinându-se o
duritate de 1000-1100daN/mm2.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
101_________________________________________________________________
5.15 Cromizarea.
Este un tratament termic de îmbogăţire a stratului superior în Cr.
Se face pe o adâncime de 0,05-0,3 mm, în pulberi de Cr, în vid şi cu
curenți de înaltă frecvență. Duritatea obținută este 1000-1100daN/mm2.
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
formează o peliculă de oxizi care impiedică oxidarea în adâncime. Miezul
pieselor din oțel-carbon obișnuit (cutii pentru cementare, creuzete pentru
cianurare, grătare ,etc.). Suprafața acestora se saturează cu aluminiu până
la 10 -15 % pe o adancime de 0,4 – 0,5mm.
Aluminizarea se poate efectua în mediu solid (în pulberi) sau lichid
(în bai de aluminiu topit la temperatura de 750 o
C). Cel mai frecvent însă
este folosit un amestec din pulberi, compus din :43%Al, 49% Al2O3 ,
2%NH4C. Aluminiul conferă materialului metalic păstrarea proprietăților
la temperaturi înalte, ulterior se realizează o recoacere de normalizare
900-1000 oC.
5.17 Borizarea.
Borul pătrunde în stratul superior formând cu C carbura de bor.
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
102_________________________________________________________________
şi uleiuri totodată îndepărtând elemente care duc la gripaj. Fosfatarea mai
este aplicată şi sculelor de prelucrare prin aşchiere deoarece înlesneşte
evaluarea aşchiilor, evitând încălzirea sculelor. Se face cu ajutorul unei
soluţii de P2O5 la 95-98 o
C. Mai întâi se face o spălare cu soda caustică 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 fosfaţi îmbogăţit în ulei este şi un bun izolator,
deoarece formează un dielectric şi nu lasă să se formeze o pilă galvanică
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,Fe2O3,Fe3O4. Se pretează
sculelor călite şi revenite. Temperatura de încălzire nu trebuie să
depăşească 570oC deoarece sub aceasta temperatura se realizează Fe3O4
care este cel mai dens dintre oxizi şi acoperă suprafaţa protectoare la
medii corozive.
Daca temperatura trece de 570 o
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 carbonitrurării.
Procesul decurge:
- piesele se introduc în cuptor la 350-370 o
C, se menţin 30 de
minute după care se introduce aburul supraîncălzit 20-30 de minute, se
ridică temperatura la 550-670 o
C ( adică se supraîncălzeşte aburul pentru
a putea fi evacuat), are loc o răcire la 350 o
C şi se stopează admisia
aburilor, după care se răceşte în aer sau odată cu cuptorul, fig. 5.14.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
103_________________________________________________________________
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.
Daca temperatura trece de 570 o
C sau timpul de menţinere trece de
o ora atunci se poate 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 voită a imperfecţiunilor şi deformărilor în material
pentru a stopa alunecarea planelor în timpul deformărilor plastice.
Îmbunătățirea proprietăţilor 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
104_________________________________________________________________
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 plastice
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 termo-mecanic cu deformarea a austenitei
(Ausforming): de la temperatura de încălzire se aplică o răcire cu viteze
mai mari decât viteza critica de răcire până la temperatura de 500 ...
700oC 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
105_________________________________________________________________
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)oC 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
temperatura T = 150...300oC.
Deşi reprezintă tehnologii mai complexe tratamente termo-
mecanice 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 proprietăţi 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:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
106_________________________________________________________________
-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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
107_________________________________________________________________
5.21 Tratament termic în câmp magnetic.
Câmpul magnetic iniţiat în echilibru termodinamic al transformării
coboară punctul 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 fără 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
temperatura scade numai cu 4 oC.
Tratamentul are însa eficacitate deoarece creste viteza de germinare
deci implicit creste viteza totala de transformare şi deci scurtează timpul
procesului. Totodată se observă o scădere a procentului de austenită
reziduală, martensita este mai rezistenta şi are o granulaţie mai fina.
La început s-a constatat ca austenita reziduală se descompune mai
uşor. Influenta câmpului magnetic în timpul inducţiei are ca efect
încetinirea vitezei de încălzire pana la 925 o
C. Din aceasta rezultă că prin
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
108_________________________________________________________________
suprapunerea câmpului magnetic peste tratamentul termic de călire
superficiaăl se obţine o adâncime mai mare a stratului călit, fig.5.17.
1- Încălzirea fără câmp magnetic;
2- Încalzirea cu câmp magnetic.
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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
109_________________________________________________________________
- 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 ridică 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 suficientă pentru
acoperirea întregii suprafeţe a piesei.
Metalul prezintă şi avantajul că este selectivă adică se poate căli
precis numai anumite parţi ale suprafeţei.
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
110_________________________________________________________________
-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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
111_________________________________________________________________
f- frecventa radiaţiei.
Datorită formei amprentei laserului unele porţiuni sunt încălzite de
două ori, din aceasta cauză 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
112_________________________________________________________________
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 fig.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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
113_________________________________________________________________
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 solidă
în starea gazoasă. Este posibila datorita temperaturii ridicâte şi presiunii
scăzute.
Căderea de tensiune - este posibilă datorita temperaturii înalte şi
presiunii joase, precum şi a degazării şi se realizează între pereţii
cuptorului 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
114_________________________________________________________________
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 ledeburită.
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 obșine direct, din turnare
adaugand unii modificatori: Si, Al.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
115_________________________________________________________________
Siliciul urcă punctul de transformare de pe digrama Fe-C în stânga
sus. Cementita ce e un constituent metastabil se transformă în ferită şi
grafit la temperatura de 950oC. Exista două etape în procesul de formare a
grafitului:
- formarea din cementita; Fe3C=>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 relaţiilor de mai sus grafitul de recoacere ia naştere la
limita grăunţilor de cementită eutectoidă şi la marginea dendritelor de
austenită, iar sensul de creştere îl are spre cementită. Acesta se întâmpla
la tmperatura de 900-950oC.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
116_________________________________________________________________
Fig.6.4
Acest proces decurge până când va fii un echilibru între austenita
suprasaturată 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 viteză şi
mai mică de 50 o
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 răcire mai rapidă
cu 100 o
C/h pana la 721 o
C şi o menţinere la acesta temperatura de 2,8 h.
În primul caz se observă o structura feritică, iar în cazul al doilea o
structura perlitică.
Dacă mediul de încălzire e decarburant, piesele se împachetează în
minereuri de hematită la temperatura de 950 o
C 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
117_________________________________________________________________
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 realizează tratamentele sunt în funcţie de
procentul de C şi de şi ce se afla în fonte:
2-2,45% şi – recoaceri subcritice;
2,4-2,85% şi – recoaceri intercritice;
2,8-3,5% şi – recoaceri supracritice.
Trec sup=Asup+30 oC
Trec inter=(Asup+Ainf)/2;
Trec sub = Ainf-30 oC.
Asup = 721 oC+28%Si-25%Mn-1,8%S;
Ainf=721 oC+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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
118_________________________________________________________________
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 o
C apoi se răceşte pana la 770 o
C
(pentru ferită) şi până la 550-600 o
C cu subrăcire la 500 o
C (pentru
perlită).
6.4 Recoacerea de globulizare.
Fig.6.7
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
119_________________________________________________________________
Fontele se încălzesc până la temperatura de 800oC dupa care se
răcesc cu o viteza de 40oC/h până la temperatura de 300
oC, după care se
răcește în aer.
Tratamente termice ale fontelor cenuşii.
6.5 Normalizarea
E tratamentul termic prin care se urmăreşte transformarea
structurală ferito-perlitică sau finisarea 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 dacă fonta conţine cementită
carburile trebuie să fie fine;
- să aibă un conţinut de Si<3%;
- grosimea pereţilor piesei de fontă nu trebuie să depăşească 50mm.
Parametrii tehnologici ai tratamentului termic sunt:
- temperatura de încălzire este de 900oC;
- viteza de încălzire trebuie să fie lentă pentru nu a introduce
tensiuni interne şi să nu se producă fisuri;
- durata de menţinere între 1-3 ore.
Răcirea se face în aer, iar dacă piesele au o forma geometrică
complexă, răcirea se face în cuptor până la 500-550 o
C 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).
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
120_________________________________________________________________
Parametrii tehnologici ai călirii sunt următorii:
- cu cat procentul de C este mai mare cu atât duritatea crește;
- procentul de C la temperatura de 725-775 o
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 o
C 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 urmăreşte diminuarea tensiunilor
interne remanente obţinute după călire. Se urmăreşte în unele cazuri şi
reducerea 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 componență
grafit, aceasta are acţiuni diametral opuse, şi anume:
- lubrifiere, între suprafaţa de contact ale săniilor cărucioarelor şi
ghidaje;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
121_________________________________________________________________
- grafitul fiind dur şi fragil el deformează materialul suprafeţei cu
care intra în contact, ducând la gripaj.
Batiurile suportă, în momentul actual, solicitări din ce în ce mai
mari, datorită 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 confecţionarea batiurilor şi
ghidajelor trebuie 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 în mediul înconjurător, iar datorita fluctuaţiilor
de temperatură şi umiditate, materialele se detensionează. în primele 6
luni tensiunea scade cu 8-10 daN/mm2.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
122_________________________________________________________________
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 6500C 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 asează 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 detensionează 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 învecinate lor.
S-a observat ca 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 acelaşi sens, cu tensiunile existente în material duce la
deformarea plastică a materialului şi astfel la relaxarea acestuia după
încetarea tensiunilor suplimentare. Procesul constă în încălzirea repetată
la temperatura de 350oC cu răcire în aer rece furnizat de o aerotermă.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
123_________________________________________________________________
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 execută 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
De obicei se aplică sulfoceanurarea la o temperatura de 570oC,
intr-o baie ce conţine sulf, carbon şi azot.
Se poate aplica un strat subţire de Mo pe suprafaţa ghidajelor. Este
un procedeu costisitor 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 şi rezista foarte
bine la frecare 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 călibilitate mare, ele având chiar după turnare
o structura de martensita şi austenita reziduală, iar pentru cel de-al doilea
caz mai apar şi carburi sau cementită.
Temperatura de călire a acestor fonte este de 950-1000oC cu
revenire la 250oC, respectiv 400
oC, pentru fonta cu 27% Cr.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
124_________________________________________________________________
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 180-230oC, iar a aliajelor de Cu
300-400oC. Pentru aliajele de Cu cu grade mari de deformare plastică
temperatura de recristalizare se regăsesc în intervalul 700-800OC.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
125_________________________________________________________________
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 şi β), la răciri
cu viteza mare 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
300oC, iar pentru grade de deformare mare temperatura de recristalizare
se realizează intre 700-800oC
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
126_________________________________________________________________
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
intre 350-550oC, iar pentru gradul de deformare mare intre 850-1150
oC
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 să
depaseasca temperatura pragului de recristalizare. Durata întregului
proces este de 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 constituenţi rezultând un
material neomogen cu proprietatea diferite în volumul materialului.
Recoacerea de omogenizare vine în sprijinul inlaturarii acestor
defecte. De exemplu, la răcirea aliajelor de Al în interiorul masei metalice
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
127_________________________________________________________________
de baza precipita anumiţi compuşi chimici care au o duritate concentrica
fata de concentraţia materialului de baza, cum ar fi: CuAl2, Al2CuMn,
Al3Mn2Zn2, etc.
Temperatura de omogenizare este de 540oC 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 în
urma 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
128_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
129_________________________________________________________________
7.7 Călirea şi revenirea.
Exista aliaje neferoase la care călirea are acelaşi efect ca la
neferoase, bronzurile cu Al şi aliajele de Ti şi exista aliaje neferoase care
se durifica prin punere în soluţie şi precipitare: AlNi, ZnMn etc.
7.8 Călirea 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% Mg2Si în diferite stadii de precipitare
(15000:1)
a.îmbătrânire naturală; b.îmbătrânire la 345oC, 30 minute; c. îmbătrânire 2h la
345oC; d. îmbătrânit 4h la 344
oC.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
130_________________________________________________________________
El se durifica atunci când are loc revenirea deoarece precipita
produsul chimic dur Mg-Si2. Temperatura la care are loc procesul este de
5110C, 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
131_________________________________________________________________
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 plastică la cald şi tratament termic (DPC+TT)
aplicat ulterior deformărilor 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 solicitări medii); recristalizarea (pentru piesele care
trebuie 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).
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
132_________________________________________________________________
Prelucrarea prin aşchiere se realizează semifabricatelor laminate,
care au o structura corespunzătoare perlitică sau feritoperlitică, garantata
de producător.
Tratamentele termice sunt tratamente finale ce constau în călire şi
revenire, iar 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 şi se aplica cu
scopul de a 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
133_________________________________________________________________
prelucrabil pentru următoarea operaţie de prelucrare prin aşchiere.
Tratamentul termic final urmăreşte durificarea şi mărirea rezistentei.
- deformare plastică la cald şi tratament termic şi prelucrare
prin aşchiere şi tratament termic şi prelucrare prin aşchiere
(DPC+TT+PA+TT+PA).
Se aplica organelor de maşini cu o importanta mai mare şi care se
afla 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 realizaţi arborii sunt oţeluri
de calitate (OLC45) precum şi oţeluri aliate (33MoCr, 41NiCr).
Tratamente termice preliminare ale arborilor
Se înscriu recoacerile. Cele mai importante defecte care apar în
materialul arborilor sunt fulgii. Aceştia sunt cauzaţi de prezenta
hidrogenului în masa metalului, cu toate precauţiile luate la elaborarea
oţelurilor. Numai în cazul în care se foloseşte elaborarea în vid se obţine
sub 2 cm3/100gr.
Pentru evitarea fulgilor se realizează următorul tratament termic:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
134_________________________________________________________________
Fig.8.1
Se observa ca după forjare materialul se răceşte pana la 300oC după
care se incalzeste în domeniul austenitic cu menţinere la 650oC şi răcire
ulterioara pana la 250oC. materialul se incalzeste din nou pana la 650
oC 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
135_________________________________________________________________
In zonele în care arborii iau contact cu lagărele se recoace să se
aplice o călire superficiala, o metalizare pentru ridicarea proprietarilor
mecanice în special rezistenta la uzura. De asemenea se mai practica şi
tratament termochimic de nitrurare cu rezistente foarte mare, 550-570 oC.
Pentru a putea realiza tratamentul de CIF-are trebuie ca pentru
fiecare arbore în funcţie de forma să geometrica şi dimensiune trebuie să
se realizeze 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 rulmenţilor.
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 să aibă o fiabilitate foarte buna. Sunt solicitaţi puternic la
uzura şi trebuie să funcţioneze în parametrii normali şi la temperaturi
ridicate, 120 oC.
Materialele din care sunt confecţionaţi sunt de tip RUL. Au în
componenta 1,1% C, 1,3% Mn, etc. Mn ridica călibilitatea.
Tratamentele inelelor interne şi externe se face diferit fata de cel al
corpurilor de rulare. Se realizează mai întâi o recoacere de globulizare
care 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 o
C cu
2 preîncălzitori, 330-55-, menţinere izoterma, încălzire 150-160 o
C cu o
treapta de preîncălzire la 100 oC, răcirea fiind în aer.
Graficul tratamentului termic este prezentat în fig. 8.3.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
136_________________________________________________________________
Fig.8.3
Pentru corpurile de rulare tratamentul termic se face după
deformarea plastică. Pentru corpurile de rulare se realizează mai întâi o
cementare, 900-950 o
C după care se răceşte pana la 800 o
C, se mantie
constant şi se răceşte în ulei pana la 100 o
C, se realizează şi călirea
concomitent cu tratamentul de cementare. La final se aplica revenirea 150
oC 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
137_________________________________________________________________
retransforme integral sau aproape integral din nou în lucru mecanic. Sunt
solicitate la şocuri, în cicluri repetate şi chiar la uzare, ele trebuie să îşi
păstreze proprietăţile la temperaturi înalte.
Materialele din care sunt confecţionate trebuie să fie tenace şi
elastice. De obicei ele se confecţionează din oţeluri de calitate pentru
arcuri , OLC 45A, sau oţeluri aliate cu Si.
Arcurile se mai pot confecţiona şi din aliaje neferoase. Ex. mai
multe forme constructive ale arcurilor:
- elicoidale;
- foi;
- platane.
Pentru confecţionare arcurile elicoidale trebuie mai întâi să se
realizeze o recoacere de înmiire a sârmelor după care pe dispozitive
speciale sârmele se deformează plastic obţinându-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 o
C, călirea la 850 oC şi
revenirea la 450 oC, fig. 8.5.
Fig.8.5
Def.
plastică
700 oC 700
oC
850 oC
450 oC
T oC
t(h)
Recoacere de
înmuiere
Recoacere de
înmuiere Călire
Revenire
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
138_________________________________________________________________
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 în soluţie şi se răceşte
rapid pentru ca materialul 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. Dinţii sunt solicitaţi la
inconvoiere şi uzura pe flancuri deoarece forma profilului dintelui este
evolventica şi nu arhimedica, aceste aduc la uzura.
Miezul dintelui trebuie să fie tenace pentru a putea prelua efectul
de inconvoiere şi şocurile, marginea trebuie să fie dura pentru a putea
rezista la uzura.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
139_________________________________________________________________
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 realizează din materiale laminate prin aşchiere,
rezistenta lor va fi mai 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
140_________________________________________________________________
normalizarea adică temperatura de sfârşit a procesului de deformare
plastică 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 o
C 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 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, ceea ce duce la tensiuni suplimentare în roata dinţata.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
141_________________________________________________________________
Carbonitrurarea.
Este tratamentul termic de îmbunătăţire a stratului superficial în
atomii de carbon şi azot. Azotul face ca austenita să devină stabilă pană la
590 o
C, cu alte cuvinte linia AC1 se mută de la 721 o
C la 590 o
C. În acest
caz se facilitează carburarea la temperaturi scăzute.
Nitrurarea.
Este tratamentul termic de îmbogăţire a suprafeţei superioare în
atomi de azot pe adâncimea de 0,1-0,8 mm. Se realizează la temperatura
de 550-570 o
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 şi miezul au compoziţii chimice
diferite 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
142_________________________________________________________________
Deplasarea curbele de transformare a suprafeţelor se explica prin
procentul mai mare de C.
Din diagrama se observa ca la răcire miezul si-a terminat
transformarea, pe 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 fisurări de aceea în
locul 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
143_________________________________________________________________
Fig.8.10 Fig.8.11
Pentru rotile 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
144_________________________________________________________________
Călirea cu flacăra este mai avantajoasa datorita:
- combustibil mai ieftin;
- se pot căli piese cu forme complicâte;
- 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
145_________________________________________________________________
CAPITOLUL IX
9.1 Tratamentul termic al oţelurilor pentru scule.
Oţelurile pentru scule sunt folosite în procent de circa 20% ,
datorita proprietarilor sale tehnologice şi de utilizare ridicâte. 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.
Structura acestor oţeluri este omogena cu puţine segregaţii, cu
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 şocuri şi la uzura, cum ar fi :
poansoane, matriţe, scule aşchietoare,etc.
Oțelurile carbon de scule pot fi hipoeotectoide sau hipereutectoide.
Cele hipoeotectoide au o duritate mai mice în stratul exterior şi o
tenacitate mai mare în miez, iar cele hipereutectoide au o duritate mai
mare în exterior 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 .
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
146_________________________________________________________________
In fig.9.1.a este prezentat graficul tratamentului termic de recoaceri
incompleta prin care se urmăreşte transformarea parţiale a feritei în
perlita. Temperatura de încălzire este sub punctul AC1, iar răcirea se face
mai lent pana la 600-650oC, 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
regenerare prin care se urmăreşte finisarea granulaţiei de perlita.
Temperatura de încălzire depăşeşte punctul AC1, 800-820oC, iar la răcire
se menţine izoterm, la 700oC.
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
147_________________________________________________________________
In fig. 9.1.d de reprezintă graficul recoacerile detensionare, prin
care se 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 şi refacerea structurii după deformări plastice,
precum forjare, matriţare, etc.
Tratamentele termice preliminare pentru oţeluri hipereutectoide
sunt prezentate 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
148_________________________________________________________________
Tratamentul termic final de imbunatătire, consta intr-o călire şi
revenire. Călirea pentru OSC 7,8 se face în jurul valorii de 820-840oC, iar
revenirea 150-300oC, ca 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
149_________________________________________________________________
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 oţelurilor de scule aliate.
Oţelurile pentru scule aliate sunt mai rezistente deoarece
elementele de aliere formează carburi care sunt foarte dure. Fata de OSC
acestea au un plus 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
temperatura de 700 o
C, pentru evitarea durificării materialului, datorită
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
150_________________________________________________________________
elementelor de aliere, pulbere de transformare de pe diagrama TTT sunt
mutate mult spre dreapta, şi de aceea la o viteza de răcire mia austenita se
poate transforma în martensită.
O influenta deosebita asupra proprietăţile oţelurilor aliate pentru
scule rezistente la uzura au Cr 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 ridicâte
şi timp de menţinere îndelungat se pot descompune în WC şi Fe3C.
Tratamentele termice preliminare sunt asemănătoare cu cele ale
OSC. 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
la -60 o
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. în acelaşi timp materialul se mai aliază şi cu W,
fata de oţelurile de scule, acestea au o stabilitate dimensionala mult mai
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
151_________________________________________________________________
mare. Daca pentru OSC era de 2μ/mm, la oţelurile din aceasta grupa este
2μ/mm.
Carbura de Cr şi W au o segregaţie puternica după deformare, ele
fiind dispuse în şiruri, ceea ce provoacă o anizotropie puternica ducând la
o 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
inconvenient nu se poate îndepărta nici prin deformare plastică şi nici
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 imbunatătirea formată
din călire, pana la temperatura de 940oC 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 oţeluri pentru arcuri, cum ar fi 50Si17A,
51Si17A, 40MoCr11, 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
152_________________________________________________________________
13% ceea ce ii oferă protecţie împotriva oxidării. Acestea au o călibilitate
buna neexistând diferenţe intre stratul exterior şi cel interior. Sunt folosite
pentru realizarea instrumentelor principale în industria alimentara, etc.
9.3 Oţelurile rapide.
Sunt oţeluri înalt aliate şi se simbolizează cu Rp1-Rp11. cele mai
folosite oţeluri rapide sunt Rp2si Rp3, care conţin aproximativ 18,19%W.
Acesta le conferă o mare stabilitate la cald, ele menţinându-si
proprietăţile pana la peste 650 o
C, 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 obţin 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
600daN/mm2, 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 călire ajunge pana la 1280 o
C,fig.9.5,
iar după răcire rămane o cantitate însemnata de austenita reziduala de
pana la 25%, aceasta putându-se înlătura printr-un tratament criogenic.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
153_________________________________________________________________
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 cuţitele de strung, deoarece uzura
este puternica, iar carbonitrurile se desprind şi devin abrazive.
Pentru cuţitele de strung se pretează tratamentele de brunare în
abur supraîncălzit.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
154_________________________________________________________________
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 să 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, decât 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 condiţie se pune deoarece se ştie
ca adancimea de 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
155_________________________________________________________________
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 în urma operaţiilor de deformare plastică
prin forjare 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
realizează la temperaturi intre 680-750oC. 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
se face intre 1000-1125oC, iar revenirile se fac la temperaturi cuprinse
intre 480-520oC.
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 matriţele cu forma geometrica
complexa sau cu 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
156_________________________________________________________________
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, fig.9.8
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
157_________________________________________________________________
. Astfel duritatea la suprafaţa 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 tratează în 2 moduri diferite şi anume:
- tratamentul termic se aplică după prelucrarea prin aşchiere;
- tratamentul termic se aplică înaintea prelucrării prin aşchiere.
In primul caz piesele se 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
158_________________________________________________________________
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 obţinerea unei structuri necorespunzătoare în zona
influenţată termic, adică în imediata vecinătate a cusăturii.
Aceasta operaţie tehnologica se aseamănă cu un tratament termic,
deoarece 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
159_________________________________________________________________
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 aplică sudarea.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
160_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
161_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
162_________________________________________________________________
Valorificarea 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 componentelor 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 sunt
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
163_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
164_________________________________________________________________
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);
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
165_________________________________________________________________
- coeficientul de dilatare foarte 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
166_________________________________________________________________
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 de 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
dispozitive 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
167_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
168_________________________________________________________________
Există o mare diversitate de materiale 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, formate din produse anorganice
nemetalice: oxizi, nitruri, boruri, silicaţi etc., consolidate la temperaturi
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
169_________________________________________________________________
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 principal legăturilor interatomice:
- rezistentă mecanică mare la 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
170_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
171_________________________________________________________________
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
dimensiune 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 nanocompozit 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 de uz
frecvent. Prin această substituire a răşinilor cu costuri mari de procesare
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
172_________________________________________________________________
cu o răşină nanocompozită ieftină, dar cu aceleaşi performanţe se aşteaptă
mari reduceri la costurile totale de procesare.
Termoplasticele combinate cu materiale nanometrice au 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 pentru oxigen
Protecţia alimentelor
Protejarea mediului
Ignifugare
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
173_________________________________________________________________
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 navetei 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 armarea unor compozite, fibre de sticlă 54%, fibre carbon
31% şi fibre de poliamide aromatice (aramidice) 14%.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
174_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
175_________________________________________________________________
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.
În domeniul 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 foarte
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 ar 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
176_________________________________________________________________
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 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
177_________________________________________________________________
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 calculat ca reducerea greutăţii unui autoturism cu 100kg
echivalează 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 comandă 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
178_________________________________________________________________
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 discurile 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 fi sistemele de compoziţie de grafit
polisulfuric 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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
179_________________________________________________________________
- 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 pieselor,
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
180_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
181_________________________________________________________________
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 tehnologice ale fibrelor de sticlă sunt:
- rezistența la rupere si tracțiune 351 daN/mm2;
- temperature de topire 846 oC;
- densitatea 2.45kg/cm3;
- alungirea A5 – 4.8%;
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 transformată în bile se dozează, se amestecă și se
topeste într-un cuptor cu inductie la 1100oC, formandu-se fibrele de
sticlă datorită gravitației, greutății proprii.
- fibrele pătrund prin orificiile unei matrițe, după care aceastea sunt
preluate de o rolă 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
182_________________________________________________________________
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 sticlă la cald au o mare putere de adeziune la suprafața
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
183_________________________________________________________________
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 matriței.
Gel-coatul are o grosime cuprinsă între 0,3-0,6 mm, iar densitatea
superficiala este de 300-600 de gr/m2.
Este recomandat la fabricarea de:
- obiecte sanitare;
- diverse repere din poliester armat cu fibră de sticlă;
- echipamente 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.
La temperaturi de 220-250 o
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% adaosul de peroxid de metilcetonă.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
184_________________________________________________________________
Suprafața matriței se pregatește conform instructiunilor de lucru și se
aplică demulantul utilizat. Gelcoatul se aplică cu rola sau prin pulverizare
utilizand un pistol adecvat pentru aplicații în strat gros. Se aplică în prima
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
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 protectie 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 și un sistem de stingere a incendiilor,
eficiente in timpul operatiilor de utilizare. Dacă produsul este utilizat in
spații închise este obligatorie asigurarea unei circulații continue, adecvate
de aer proaspat în cursul aplicării și întăririi.
Recipienții goi rețin vapori de solvenți, deci sunt periculoși în ceea
ce privește riscul de incendii, explozii și nocivităti.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
185_________________________________________________________________
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 realizate 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 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
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
186_________________________________________________________________
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 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;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
187_________________________________________________________________
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
pulverizată. 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
188_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
189_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
190_________________________________________________________________
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. Acest 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
191_________________________________________________________________
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 în vid
Procedeul oferă posibilitatea realizării, în condiţiile economice ale
unor serii mari, de piese care să răspundă exigenţelor privind
complexitatea, 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
192_________________________________________________________________
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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
193_________________________________________________________________
Răşina topită e introdusa sub presiune în conducta 2 specificat de
sensul 1. Cilindrul 4 are o miscare de rotație în jurul axei proprii.
Conducta 2 e prevazută cu orificii prin care se insuflă 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 presare 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
194_________________________________________________________________
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, permite 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
195_________________________________________________________________
Fig.12.12
1- impregnare
2- laminare,
3- tagere
4- uscare cu radiatii
5- bobinare
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
196_________________________________________________________________
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- aciculară dacă L≥ l ≈ h,
- plate dacă 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 anumită
cantitate printr-un orificiu calibrat al unei matrițe în unitatea de timp;
- gradul de umplere reprezintă 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 pulberi din materiale metalice dure și
fragile din așchii de fonta si otel;
- prin macinare cu ciocane din materiale metalice tenace;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
197_________________________________________________________________
- 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 CO2 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
198_________________________________________________________________
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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
199_________________________________________________________________
13.4 Formarea piesei se poate realize prin mai multe metode:
- Presarea- constă în umplerea formei matriței 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 datorită 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
200_________________________________________________________________
13.6 Extrudarea
Pulberea metalică e silită să treaca prin orificiul unei matrițe 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 formari prin explozie, piesele
astfel obtinute au o compactitate mai mare.
Se mai folesește și formarea efectiva făra presare a pulberilor în
matrița pe suprafata căreia s-a depus.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
201_________________________________________________________________
Fig.13.5
1-matriță
2-poanson
3-particule pulbere metalice
4-buncăr
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 pulbere 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
202_________________________________________________________________
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.
Continuând 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 .
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
203_________________________________________________________________
Fig.13.8
1.pulbere metalica
2. pori
Parametri tehnologici
Parametri tehnologici ai sinterizări sunt următorii:
- temperatura de încălzire 0.75 – 0.8 din temperatura de topire a
particulelor metalice; pentru oteluri temperatura e cuprinsa intra 1050 –
1200 oC ;
- durata sinterizării este timpul de menținere la temperatură înaltă a
piesei presate ;
- presiunea determină aportul de compactitate al piesei și
dimensiunea porilor.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
204_________________________________________________________________
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 reglabilă;
-în vid unde pot ajunge la 2400 oC;
Cuptoarele pot fi cu încalzire exterioara, interioară sau rezistențele
pot fi constituite chiar din material piselor sinterizate.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
205_________________________________________________________________
- cuptoare cu inducție la care piesa e indusul iar inductorul e o spiră
de cupru;
- cuptoare cu combustibil;
- încălzirea cu fascicul de electroni poate ajunge pana la 3000 oC;
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 datorită duritații
pieselor sinterizate iar calitatea pieselor 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 realizează 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 antifricțiune; se pot realiza lagare care datorită
porozității lor se îmbibă cu ulei astfel că în timpul funcționari se
autolubrefiază;
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
206_________________________________________________________________
- 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-grafit din care se realizează
perii colectoare pentru aspiratoare;
Fig. 13.10 pseudoaliaje pot fi CuW, AgCu;
Fig.13.11 Pseudoaliaj Cu-diamant
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
207_________________________________________________________________
Fig.13.12 Pseudoaliaje WC-diamant
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
208_________________________________________________________________
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 cutremur. 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
209_________________________________________________________________
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 deformări plastice, printr-o simpla încălzire la o anumită
temperatură.
În cazul tuburilor termocontractibile, 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 și
la factorii climatici (radiatiile UV) precum și rezistență ridicată la atacul
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
210_________________________________________________________________
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:
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
211_________________________________________________________________
- 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 acțiunea caldurii;
- în robotica pentru executia manipulatoarelor.
Domeniul aplicațiilor industriale pentru aliajele cu memoria formei
creste continuu, utilizări viitoare (printre altele) fiind așteptate 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 în domeniul
medical, o parte dintre 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
212_________________________________________________________________
domeniul știintei materialelor pentru obtinerea 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
213_________________________________________________________________
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 etape caracteristice în metalurgia clasică (prelucrări
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
214_________________________________________________________________
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 fig.15.2
> Metoda laminării când metalul topit se răceşte rapid datorită
contactului cu suprafeţele 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
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
215_________________________________________________________________
factorilor cinetici (ce depind de parametrii constructivi ai instalaţiei de
solidificare). Toate aceste procedee 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 când proba din tubul de cuartz este topită 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.
Tratamente termice și materiale speciale__________________________
216_________________________________________________________________
Din punct de vedere al compoziţiei o structură amorfă (care este
structura lichidă "îngheţată") poate fi obţinută în cazul în care pentru acea
compoziţie chimică topitura metalică este stabilă la temperatură joasă.
Din punct de vedere termodinamic acestă situaţie corespunde
transformărilor eutectice. Caracteristica mecanică a aliajelor cu structură
amorfă obţinute prin solidificarea ultrarapidă a topiturilor este o bună
ductilitatea însoţită de o rezistenţa mecanică ridicată, fapt ce se explică
prin lipsa graniţelor de cristalite care în cazul deformărilor materialelor
metalice cristaline reprezintă centrii de aglomerare a dislocaţiilor şi în
final de apariţie a microfisurilor.
Aliajele amorfe sunt utilizate în industria electronică,
electrotehnică şi de aviaţie.
Fig.15.6 Aliaje amorfe