GENERALITĂŢI

Piesa pentru care trebuie întocmit procesul tehnologic al tratamentelor termice este un ax cu role şi după cum se observă din desenul anexat este fabricată din OLC 45. Acesta este un oţel pentru îmbunătăţire şi pentru obţinerea concomitentă a unor rezistenţe şi tenacităţi ridicate, aceste oţeluri sunt supuse unei căliri urmată de o revenire înaltă (îmbunătăţire).

În funcţie de compoziţia lor chimică, oţelurile de îmbunătăţire sunt pot fi de cinci tipuri: - nealiate (OLC 25, OLC 35, OLC 45, OLC 55, OLC 60); - aliate cu Mn; - aliate cu Cr; - aliate cu Cr - Mo; - aliate cu Ni-Cr-Mo. La oţelurile nealiate, rezistenţa după îmbunătăţire creşte odată cu conţinutul de carbon.

Prezenţa manganului îmbunătăţeşte şi mai mult călibilitatea, ridicând şi stabilitatea după revenire. Nichelul măreşte tenacitatea oţelurilor.

Până la C < 0,3 % aceste oţeluri se sudează bine, dar condiţionat, necesitând preîncălzire şi recoacere după sudarea prin topire.

Aşchiabilitatea cea mai favorabilă o au cele nealiate până la 0,45 % C precum şi cele de tipul 35Mn16. Pentru toate celelalte este recomandabilă o recoacere prealabilă de înmuiere.

O grupă aparte a oţelurilor pentru îmbunătăţire o formează cele pentru nitrurare, care conţin elemente de aliere ca Al, Cr, Mo şi V. Ele sunt aşchiabile atât după recoacerea de înmuiere, cât şi în stare îmbunătăţită. Din aceste oţeluri se execută, de exemplu, arborii principali ai maşinilor-unelte.

O altă grupă aparte a oţelurilor pentru îmbunătăţire o constituie cele pentru piese mari (cu dimensiuni peste 100 mm) forjate. Ele sunt elaborate îngrijit (dezoxidate în vid), lipsite de hidrogen şi incluziuni nemetalice.

Tratamentele termice se pot clasifica dupa mai mule criterii. Astfel, după scopul urmărit şi locul pe care î1 ocupa în procesul de fabricaţie, se deosebesc:

tratamente termice preliminare (primare sau intermediare) în care se includ diferite tipuri de recoacere. Aceste tratamente se aplica lingourilor, pieselor turnate, pieselor forjate, ansamblurilor sudate, laminatelor etc.;

tratamente termice finale sau secundare care cuprind operaţiile de călire si de revenire. Se aplica diferitelor piese după prelucrări mecanice.

1

1. ALEGEREA SEMIFABRICATULUI ŞI STABILIREA TRATAMENTULUI TERMIC PRIMAR

Pentru realizarea piesei noastre, axul cu role (cu dimensiuni relativ mari după cum se observă din desen) a fost ales un oţel special de calitate OLC 45 la care tratamentul termic preliminat va fi recoacerea.

Recoacerea este tratamentul termic care consta în încălzirea produselor la temperaturi ridicate (care pot fi inferioare, superioare sau în intervalul de transformări în stare solidă), menţinerea prelungită la această temperatură (sau la temperaturile oscilante într-un interval determinat), urmată de o răcire suficient de lentă pentru realizarea unui anumit echilibru fizico-chimic şi structural. Recoacerea se aplică fie pentru a corecta unele defecte provenite de la prelucrări anterioare (turnare, deformare plastică), fie pentru a pregăti semifabricatele pentru prelucrări ulterioare, fie pentru a îndeplini ambele roluri simultan. În funcţie de scopul urmărit recoacerea poate fi de: omogenizare, regenerare, recristalizare, înmuiere, detensionare, izotermă, de normalizare.

a. Recoacerea de omogenizare a produselor turnate. Structura pieselor turnate din materiale metalice se caracterizează printr-o puternica

neomogenitate chimică (segregaţie), care se datoreşte faptului că răcirea are loc cu viteză mare, iar procesele de difuziune nu au timp să se producă. În produsele turnate din oţel (lingouri şi piese) poate apărea segregaţia dendritică şi zonală.

În cazul lingourilor, segregaţia dendritică se manifestă prin reducerea capacităţii de deformare plastică la cald, printr-o sensibilitate mai mare la ruperea intercristalină şi prin accentuarea anizotropiei proprietăţilor semifabricatelor deformate la cald cum şi a tendinţei de apariţie a fulgilor. În piesele turnate, datorită segregaţiei dendritice, se micsorează alungirea relativă, gâtuirea şi rezilienţa. Atenuarea segregaţiei dendritice la lingouri din oţeluri aliate se poate obţine printr-o încălzire la temperaturi ridicate (1050-1250°C) cu menţinere îndelungată la această temperatură (10-20 h). Atât încălzirea cât şi răcirea se fac lent, ceea ce măreşte substanţial întregul ciclu, dacă se are în vedere că numai încălzirea la temperatura de recoacere durează 30-40 h.

2

b. Recoacerea de regenerare. Acest tratament termic se aplică aliajelor care prezintă transformări în stare solidă

(polimorfe, eutectoide sau peritectoide) în măsură să producă recristalizări de fază parţiale sau totale. Ca urmare a acestor transformări, la prelucrarea prin deformare plastică la cald pot apărea modificări structurale (creşterea granulaţiei secundare, formarea unor constituente structurale în afară de echilibru etc.) care pot fi neconvenabile prelucrărilor ulterioare sau folosirii produselor respective în exploatare.

În piesele turnate, granulaţia grosolană provine direct din solidificare, iar la oţelurile cu conţinut scăzut de carbon se observă grăunţi mari de ferită.

Recoacerea de regenerare sau completă constă în încălzirea oţelurilor la temperaturi cu 30-50°C deasupra punctului Ac3 şi menţinerea de scurtă durată. Răcirea se efectueaza în cuptor astfel încât să se asigure o viteză de răcire de 50-100°C/h în intervalul critic Ar3—Ar1 sau până la temperatura de circa 600°C, răcirea mai departe până la temperature ambiantă se face în aer liber.

Pentru a se evita apariţia tensiunilor termice, răcirea dirijată se continuă cu răcirea liberă în cuptoare până la circa 400°C şi apoi în aer.

c. Recoacerea de normalizare. Normalizarea este tratamentul termic care constă în încălzirea oţelurilor pentru

austenitizare la temperaturi care depăşesc punctul critic Ac3 cu 50-70°C în cazul oţelurilor hipoeutectoide.

La răcirea în aer liniştit, subrăcirea oţelurilor carbon este mică, încât descompunerea austenitei în treapta perlitică decurge complet până la sfârşit. Ca urmare, oţelurile hipoeutectoide prezintă după normalizare o structură ferito-perlitică, iar oţelurile eutectoide şi cele hipereutectoide o structură de perlite sorbitică.

Normalizarea oţelurilor se aplică pe scară largă în industrie atât ca tratament termic intermediar sau în combinaţie cu alte prelucrări sau tratamente termice cât şi tratament termic final.

Prin normalizare se îmbunătăţesc în mod simţitor caracteristicile mecanice ale oţelului cum sunt limita de curgere, rezistenţa de rupere la tracţiune, alungirea relativă, gâtuirea şi rezilienţa. Acest lucru este determinat de faptul că la normalizare, cantitatea de perlită care se separă la răcire este mai mică. Întrucât duritatea perlitei este mai mare decât a feritei, rezultă că oţelul normalizat va avea duritatea mai mare decât cel recopt.

De menţionat şi faptul că tratamentul termic de normalizare este mai ieftin decât cel de recoacere, deoarece are un ciclu mai scurt şi se execută mai uşor.

Controlul calităţii tratamentelor termite de recoacere sau normalizare se face prin verificarea durităţii ce trebuie să corespundă indicaţiilor din standarde. Dacă normalizarea este tratamentul termic final, atunci se mai efectuează şi controlul microstructurii şi al proprietăţilor mecanice prevăzute în normele tehnice.

3

d. Recoacerea de recristalizare. Prin deformare plastică la temperaturi inferioare temperaturii de recristalizare a

materialului metalic considerat, acesta trece într-o stare în afara de echilibrul structural şi fizico-mecanic numită cruisare

Prin recoacerea de recristalizare se urmăreşte eliminarea parţială sau totală a stării ecruisate a materialului, formarea unor grăunţi noi nedeformaţi, şi obţinerea plasticităţii şi tenacităţi iniţiale (figura de mai jos). Concomitent se restabilesc şi unele proprietăţi fizice dependente de gradul de tensionare al reţelei cristaline din interiorul blocurilor (de exemplu, rezistivitatea electrică).

Încălzirea la temperaturi mai ridicate determină o creştere a mobilităţii atomilor, a difuziunii şi permite refacerea structurii. Formarea de noi generaţii de grăunţi poliedri se numeşte recristalizare.

Temperatura la care începe recristalizarea este specifică fiecarui material în parte , putând fi determinata cu relaţia :

Trec= ßTtop [k] unde ß este un coeficent de proporţionalitate cuprins între 0,35 şi 0,60.

Modificarea structurii datorită recristalizării este însoţită şi de modificarea corespunzătoare a caracteristicilor mecanice şi fizice cu evoluţia spre starea de echilibru. Sunt si unele materiale şi aliaje care se abat de la această regula cum ar fi bronzurile cu aluminiu şi aliajele care durifică în cursul relaxării. Temperatura de recristalizare depinde şi de gradul de deformare plastică. Cu cât acest grad este mai mare cu atât fărâmiţarea grăunţilor va fi mai mare, instabilitate sporită a stării de ecruisare şi deci recristalizarea va avea loc la temperaturi mai scăzute.

Recoacerea de recristalizare se aplica produselor din oţel sub forma de table, benzi, ţevi, bare şi sârme trase sau trefilate la rece, precum şi pieselor ambutisate şi matriţate la rece.

4

Modificarea structurii şi a proprietăţilor materialelor metalice ecruisate în funcţie de gradul de deformare

σr – rezistenţa la rupere;σc – limita de curgere;μ – permeabilitatea magnetică;δ – alungirea;HB – duritatea Brinell

Temperatura de recristalizare a oţelurilor este influenţată în mare măsură de conţinutul de carbon şi de elemente de aliere. Astfel, oţelurile carbon şi slab aliate recristalizează la temperaturi de 400-500°C, oţelurile feritice la 550-650°C, iar cele austenitice la 700-500°C. În cazul oţelurilor cu grad de deformare neuniform (sub 20%), recoacerea de recristalizare va fi precum o normalizare la 900-950°C pentru obţinerea unei granulaţii feritice fine.

e. Recoacerea de detensionare . Recoacerea de detensionare constă în încălzirea oţelului cu viteză mică până la

temperaturi de 500-575°C, menţinerea un timp de 0,5-5 h, în funcţie de material şi de prelucrarea anterioară, urmată de răcirea cu viteze mici 20-40°C/h până la 100-150°C, apoi răcirea în aer liniştit.

Acest tip de recoacere se produce fără transformări fazice, obţinându-se numai reducerea tensiunilor şi îmbunătăţirea structurii iniţiale. Se supun detensionării produsele din oţel după turnare, sudare, deformare plastică la rece, călire şi prelucrare prin aşchiere.

Detensionarea înainte şi între operaţiunile de prelucrare prin aşchiere aplicate unor piese ca blocuri de motor, cămăşi de cilindru, arbori cotiţi, roţi dinţate, etc. are ca stop sa evite deformările datorită tensiunilor provocate prin schimbarea formei la îndepartarea materialului sub formă de aşchii.

f. Recoacerea de globulizare . Recoacerea de globulizare este o recoacere incompletă şi se aplică oţelurilor eutectoide şi

hipereutectoide pentru obţinerea unei perlite globulare. Operaţia constă în încălzirea oţelului la temperatura de Ac1, cu cât oţelul are mai puţin carbon, menţinarea la această temperatură câteva ore, funcţie de compoziţia chimică şi de dimensiunile piesei, urmată de o răcire care se face dirijat cu 20-50°C/h la oţelurile nealiate şi cu 10-20°C/h în cazul oţelurilor aliate. Răcirea dirijată se face până la 600-650°C , după care se răceşte liber cu cuptorul.

Recoacerea de globalizare se aplică cu scopul de a micşora duritatea şi se poate efectua şi prin pendulare cu încălzire deasupra punctului Ac1 urmată de o răcire foarte lentă în cuptor. În vederea tratamentelor tehnice ulterioare prin recoacerea incompletă sau de normalizare se

5

Modificarea structurii şi a caracteristicilor mecanice şi fizice ale materialelor metalice

în funcţie de temperatura de încălzire

îmbunătăţesc în mod simţitor caracteristicile de prelucrabilitate prin aşchiere a oţelurilor din aceste grupe.

g. Recoacerea izotermă . Recoacerea izotermă este tratamentul termic care constă dintr-o încălzire de austenitizare

urmată de o răcire.Prin recoacere izotermă se obţin structuri cu un anumit grad de fineţe în oţeluri nealiate şi

slab aliate pentru construcţii precum şi pentru scule cu conţinut mediu şi ridicat de carbon.Recoacerea izotermă se aplică cu avantaje economice şi tehnice în continuarea prelucrării

prin deformare plastică la cald (laminare, forjare) în mod deosebit oţelurilor susceptibile de formare a fulgilor.

Răcirea semifabricatelor imediat după laminare sau forjare până la o temperatură cuprinsă în intervalul matematic determină apariţia fulgilor. Pericolul formării fulgilor nu se înlătură complet nici prin efectuarea răcirii în gropi cu nisip sau cu cenuşă.

Prin aplicarea recoacerii izoterme care constă în răcirea semifabricatelor după anumite cicluri, stabilite experimental funcţie de compoziţia chimică a oţelurilor şi dimensiunilor pieselor, se evită apariţia fulgilor şi totodată se obţine o structură adecvată prelucrării ulterioare.

6

Diagrama recoacerii izoterme

Diagrama recoacerii de globulizare prin pendulare

h. Normalizarea.

Este un tip limită de recoacere, în care piesele de oţel se încălzesc la temperatura + 50 … 700 C, urmată de răcire în aer liniştit, iar în cazul pieselor cu forme complexe în curent forţat de aer până la atingerea temperaturii de circa 6000 C, după care se continuă lent (în cuptor). Normalizarea se aplică ca tratament primar la semifabricatele din oţel carbon pentru scule sau slab aliate obţinute prin turnare, semifabricatelor din oţeluri cu conţinut redus de carbon, care au fost deformate plastic pentru eliminarea structurilor în benzi ş.a. Structura de normalizare depinde de compoziţia oţelului. La oţelurile cu maximum 0,3% C, structura este ferito - perlitică, în timp ce la oţelurile cu conţinut mediu de carbon şi slab aliate, structura este sorbitică, cu o mică cantitate de ferită structural liberă.

Recoacerea obişnuită şi recoacerea izotermă

Domeniile de încălzire pentru diferite tipuri de recoacere, transpuse pe diagrama Fe - C.

7

2. STABILIREA PARAMETRILOR TEHNOLOGICI AI TRATAMENTULUI SECUNDAR

Pentru tratamentul termic secundar sau final s-a optat pentru călire urmată de o operaţie de revenire

Călirea este tratamentul care constă din încălzirea oţelului în domeniul austenitic, menţinerea un timp determinat în acest domeniu, urmată de răcirea cu o viteză suficient de mare (mai mare decât viteza critică de călire vc), pentru a asigura formarea unei structuri în afară de echilibru (martensita). Scopul călirii este îmbunătăţirea caracteristicilor mecanice ale materialelor metalice, în special duritatea şi rezistenţa. Parametrii procesului de călire sunt:

a) Temperatura de încălzire. în vederea austenitizării, pentru oţelurile carbon (nealiate), temperatura de încălzire se alege cu ajutorul diagramei Fe-C, după cum urmează (figura de mai jos):

- oţeluri hipoeutectoide: + (30 … 500 C);

- oţelurile eutectoide şi hipereutectoide: + (20 … 400 C).În cazul oţelurilor hipoeutectoide, se urmăreşte trecerea completă a oţelului în domeniul

austenitic (peste curba GOS), pentru a se evita apariţia în urma răcirii a feritei în structura oţelului călit, ceea ce atrage după sine scăderea durităţii acestuia. în schimb, la încălzirea pentru călire a oţelurilor hipereutectoide păstrarea în structura de călire alături de martensită a carburilor secundare (în special de formă globulară, fine şi uniform dispersate) influenţează favorabil asupra durităţii şi rezistenţei la uzură. în plus, austenitizarea peste Acem, pe lângă faptul că este inutilă, duce la o cantitate mai mare de austenită reziduală, structură mai grosolană, prezintă pericolul de deformare şi fisurare, datorită apariţiei de tensiuni interne şi intensifică oxidarea şi decarburarea suprafeţei piesei.

În cazul oţelurilor aliate, temperaturile de încălzire sunt mai ridicate, deoarece pe de o parte elementele de aliere (Cr, Mo, V, W) urcă poziţia punctelor de transformare, iar pe de altă parte, la oţelurile care prezintă carburi în structură, se cere punerea lor în soluţie.

Se ajunge astfel ca la oţelurile înalt aliate de scule (rapide), austenitizarea să se realizeze la 1200 … 12500 C.

b) Viteza de încălzire şi durata de menţinere. încălzirea pentru călire trebuie efectuată cu viteze adecvate, evitându-se încălziri bruşte, care pot genera tensiuni interne, ce pot duce la fisurarea pieselor. Pe de altă parte, o încălzire prea lentă este neeconomică, datorită reducerii productivităţii agregatului de încălzire şi creşterii consumului de energie, însoţite şi de creşterea pericolului de decarburare şi oxidare superficială a pieselor din oţel. La temperatura finală de încălzire, piesele se ţin un timp suficient, pentru a se asigura o încălzire uniformă a pieselor, care în final să permită o călire pătrunsă.

c) Viteza de răcire. Medii de călire. Viteza de răcire depinde de structura de călire urmărită şi se asigură prin intermediul mediului de călire, în care sunt răcite piesele. Ca medii de călire se folosesc:

o apa şi soluţiile apoase care conţin fie substanţe activante (NaCl şi NaOH), fie inhibitori ce micşorează capacitatea de răcire (silicaţi, gelatină);

o uleiuri minerale;o băi de alcalii sau săruri topite, de exemplu NaOH + KOH;

8

CaCl2 + BaCl2 + NaCl; NaNO3 + KNO3 + NaCN + KCN;o metale sau aliaje topite (Pb, Sb, silumin, aliaje Pb - Sn - Cd sau Bi-Sn-Cd), aduse

la o temperatură prescrisă;o gaze, în particular aer sau hidrogen.

Alegerea temperaturii de încălzire la călire

În ultimul timp, la călirea unor oţeluri şi superaliaje pe bază de nichel sau aliaje de titan, cu susceptibilitate mare la oxidare se practică răcirea cu gaze inerte (argon, heliu), în recipiente vidate în prealabil la 10-3 … 10-4 mbar.

Un mediu bun de călire trebuie să asigure o răcire rapidă în intervalul 650 … 4000 C, când austenita are cea mai mare instabilitate, se transformă uşor în constituenţi de tip perlitic şi o răcire relativ lentă în intervalul 400 - 2000 C de transformare martensitică, pentru ca la tensiunile structurale să nu se adauge tensiunile termice datorate răcirii rapide.

Cel mai utilizat mediu de călire este apa, care determină o răcire rapidă atât în intervalul 650 … 4000 C, cât şi la 400 - 2000 C. Acest din urmă efect constitue un neajuns, din care cauză, în cazul oţelurilor aliate, a căror viteză critică de călire este mai mică, răcirea se face în ulei, procedeu care asigură o viteză de călire de 3 - 4 ori mai mică decât a apei, răcirea în domeniul formării martensitei având loc de zece ori mai lent.

Structurile obţinute prin călire sunt: martensita, bainita, troostita şi austenita. Structura austenitică se obţine la călirea oţelurilor aliate cu elemente care stabilizează austenita (gamagene), de exemplu nichelul sau manganul. Oţelurile austenitice se remarcă prin rezistenţă mare la coroziune (oţeluri anticorozive), sunt nemagnetice şi rezistente la uzură (oţelurile nemagnetice).

Prin călire se măresc duritatea şi rezistenţa la uzură a oţelurilor şi fontelor. Printr-o călire necorespunzătoare, în piesele călite pot să apară unele defecte ca tensiuni interne şi fisuri.

Metode de călire. în practica călirii se aplică frecvent următoarele metode de călire (figura de mai jos):

Călirea obişnuită

9

(a) constă în răcirea oţelului, adus în prealabil în domeniul austenitic, într-un singur mediu de călire (apă sau ulei). Efectul de răcire este intensificat, prin agitarea puternică a pieselor în mediul de călire. Fiind o metodă simplă, se pretează la automatizare avansată. Călirea într-un singur mediu asigură o răcire energică, cu o viteză mult mai mare decât viteza critică de călire. Acest tratament nu se recomandă în cazul oţelurilor cu conţinut mare de carbon (C > 0,77%) şi a pieselor cu configuraţie complicată, deoarece se creează tensiuni interne mari.

Curbele de răcire, caracterizând diferite metode de călire

Călirea întreruptă sau în două medii (b). Metoda constă în răcirea piesei la început într-un mediu cu o viteză de răcire mare (apă), apoi într-un al doilea mediu cu viteză de răcire mică (ulei). Prin aceasta, se asigură parcurgerea relativ lentă al intervalului martensitic, ceea ce favorizează evitarea apariţiei de tensiuni interne. Principalul dezavantaj al metodei rezidă în dificultatea determinării riguroase a menţinerii în primul mediu. Tratamentul se aplică în cazul sculelor din oţel carbon.

Călirea în trepte (c). Se aplică în aceleaşi cazuri ca şi călirea întreruptă, eliminând însă deficienţele acestuia. Piesele de oţel se răcesc într-un mediu cu o temperatură puţin peste punctul Ms. Menţinerea în mediu fierbinte are loc până la uniformizarea temperaturii în secţiunea piesei (5 … 15 min), după care se continuă în băi de ulei sau de săruri topite. Metoda este indicată pentru piesele mici din oţel carbon sau slab aliate, care se călesc de obicei în apă.

Călirea izotermă (d). Se realizează prin răcirea pieselor într-un mediu cu temperatură constantă, deasupra punctului Ms, un timp suficient de mare, pentru a asigura transformarea izotermă a austenitei în bainită sau troosită, urmată de răcirea până la temperatura ambiantă, cu o viteză dictată de dimensiunile piesei.

Temperatura mediului se alege în intervalul transformării bainitice (250 … 4000 C). Ca medii de călire se folosesc săruri sau alcalii topite (NaNO3, KNO3, KOH, NaOH ş.a.).

Călirea izotermă prezintă o serie de avantaje:- se obţin structuri cu durităţi apropiate de ale martensitei, dar caracterizate

prin apariţia unor tensiuni interne mult mai mici;- se poate conduce tratamentul în sensul structurii dorite, prin reglarea

temperaturii mediului;

10

- este mai economică deoarece structurile rezultate (bainita sau troostita) sunt structuri finale care nu necesită tratamente termice ulterioare;

- structurile obţinute se remarcă prin tenacităţi şi durităţi ridicate (50 HRC).Călirea sub 00. Se aplică la călirea oţelurilor la care punctul Mf este situat sub 00 C

(oţeluri carbon cu peste 0,6% C şi oţeluri aliate cu elemente ce stabilizează austenita). Prin călirea obişnuită a oţelurilor rezultă o cantitate mare de austenită netransformată (reziduală), care micşorează duritatea oţelului călit.

Tratamentul constă în imersarea pieselor din oţel, imediat după călirea în medii obişnuite, în medii refrigerente cu temperaturi cuprinse între -700C şi -1900C (zăpadă carbonică + azot lichid; aer lichid; azot lichid). Călirea sub 00 C se recomandă pentru:

- durificarea oţelurilor speciale pentru construcţii, cementate şi călite (duritatea creşte cu 2 … 13 HRC);

- mărirea stabilităţii dimensionale a calibrelor executate din oţeluri speciale (călirea sub 00 C stabilizează atât martensita cât şi austenita);

- durificarea oţelurilor carbon pentru scule şi înalt aliate de scule (rapide), ca urmare a transformării integrale a austenitei.

Pentru oţelurile carbon şi slab aliate, introducerea pieselor în mediu refrigerent se face la cel mult 2 - 3 ore după călirea obişnuită. Pentru reducerea la minimum a cantităţii de austenită reziduală sunt indicate mai multe răciri în mediu refrigerent, separate prin reveniri joase pentru detensionare.

Călirea superficială prin inducţie (metoda CIF). Se practică când se urmăreşte obţinerea unor piese cu suprafeţe dure şi rezistente la uzură dar cu miezul tenace.

Încălzirea prin inducţie are la bază fenomenul de inducţie magnetică şi efectul pelicular, potrivit cărora în piesa de călit introdusă într-un câmp magnetic se induce un curent electric, care este distribuit numai în straturile periferice ale piesei. Efectul Joule, care apare sub acţiunea curentului indus, duce la încălzirea peste punctele critice de transformare într-un timp foarte scurt. Practic, tratamentul constă în introducerea pieselor din oţel în interiorul unui inductor, confecţionat din ţeavă de cupru, răcită în interior cu apă, prin care trece curent alternativ de înaltă frecvenţă (2 … 1000 kHz). Câmpul magnetic alternativ ce se formează generează curenţi induşi la suprafaţa pieselor, foarte intenşi în straturile superficiale şi slabi în profunzime, ceea ce determină încălzirea superficială puternică a pieselor. După încălzire, piesele sunt răcite brusc cu jeturi de apă.

Adâncimea de pătrundere a curenţilor induşi depinde de proprietăţile electrice şi magnetice, precum şi de frecvenţa curentului folosit, potrivit relaţiei:

mm (1.8)în care: este rezistivitatea materialului piesei (mm2/m); - permeabilitatea magnetică (gauss/oersted, G/Oe);f - frecvenţa curentului (Hz). Călirea cu curenţi de înaltă frecvenţă este un procedeu modern de tratament termic

superficial, ce se pretează la automatizare avansată şi are o productivitate înaltă. Revenirea este tratamentul termic final (secundar) al oţelului, prin care se urmăreşte

obţinerea unor structuri stabile, îndepărtarea tensiunilor interne şi micşorarea durităţii şi fragilităţii excesive (rezultate la călire) cu creşterea proprietăţilor de plasticitate (, Z, KCU), cu

11

o oarecare scădere a proprietăţilor de rezistenţă (Rp0,2, Rm). Tratamentul constă în încălzirea

oţelului călit sub , după care urmează o răcire lentă sau rapidă. în timpul încălzirii, martensita şi austenita reziduală se descompun separând particule de carburi, la început foarte fine, care sunt supuse apoi coalescenţei, rezultând o structură globulară de tip perlitic (sorbită sau troostită de revenire).

în funcţie de temperatura de încălzire, revenirea poate fi: joasă, medie şi înaltă.a) Revenire joasă (150 … 2500 C) se aplică pieselor care necesită durităţi ridicate,

rezistenţe mari la uzură şi la oboseală. Temperatura de încălzire fiind sub punctul M f, nu au loc transformări structurale, menţinându-se în structură o martensită de revenire. Scopul tratamentului este îndepărtarea tensiunilor interne. Se supun acestui tratament sculele din oţel carbon şi slab aliate, piese care au fost cementate şi călite sau călite superficial. Tratamentul se efectuează în băi de ulei sau de săruri, acestea asigurând o încălzire uniformă şi rapidă a pieselor. Piesele supuse revenirii se răcesc întotdeauna lent.

b) Revenirea medie (250 … 5500 C) se aplică pieselor la care se impune o tenacitate mai bună, fără a se reduce prea mult duritatea sau elasticitatea, cum este cazul la arcuri. Prin acest tratament, martensita este transformată în troostită de revenire, care este un amestec fin de ferită şi cementită secundară, cu structură globulară fină.

c) Revenirea înaltă (550 … 7000 C) se aplică oţelurilor pentru construcţii în vederea creşterii considerabile a tenacităţii.

Constituentul rezultat este sorbita, alcătuită din globule fine de cementită pe fond feritic. Prin revenirea înaltă se înlătură duritatea şi fragilitatea excesivă a oţelului călit. Tratamentul de călire, urmat de revenire înaltă, poartă denumirea de îmbunătăţire, care se aplică în cazul pieselor care necesită plasticitate şi rezilienţă ridicate, asociate cu rezistenţă mecanică şi durităţi înalte.

La oţelurile slab aliate cu Mo, Cr, Cr - Mo, Mo - Si, Cr - Si, Cr - Mo - Si, Cr - Ni, după revenire se constată, pentru anumite valori ale parametrilor termici şi temporali, o tendinţă de fragilizare - fragilitate de revenire, în special la piesele groase, menţinute timp îndelungat la 500 - 5500 C şi răcite lent în aer.

Pentru a se preveni apariţia fragilizare se aplică temperaturi mai înalte de încălzire (peste 6000 C) şi durate scurte de menţinere, asociate cu răciri relativ rapide în ulei cald sau chiar în apă.

12

3. DESCRIEREA UTILAJELOR FOLOSITE PENTRU ÎNCĂLZIRE ŞI RĂCIRE

Utilajele pentru încălzire reprezintă circa 70% din totalul utilajelor din dotarea atelierelor de tratamente termice. Se pot utiliza atât pentru încălzirea şi menţinerea pieselor la temperatura finală cât şi pentru răcirea cu viteze deosebit de mici (răcire în cuptor).

La alegerea sau proiectarea unui asemenea utilaj trebuie îndeplinite următoarele cerinţe: să admită realizarea temperaturii dorite într-un timp minim; să permită reglarea cu mare precizie a temperaturii; să asigure o temperatură cât mai uniformă în spaţiul de lucru; să lucreze cu un randament maxim; să realizeze o productivitate maximă; să ocupe un spaţiu minim; operaţiile de încărcare-descărcare să poat525x232f 9; fi mecanizate; să fie de construcţie simplă şi uşor de întreţinut; să garanteze protecţia mediului ambiant şi a personalului care-l deserveşte.

Cuptoare cu flacără

La aceste cuptoare, energia termică necesară încălzirii pieselor se obţine prin arderea unor combustibili lichizi sau gazoşi. Gazele calde care rezultă în urma arderii cedează căldură pieselor aflate pe vatra cuptorului, încălzindu-le prin convecţie, cât şi pereţilor refractari care delimitează spaţiul de lucru şi care, la rândul lor, vor încălzi piesele prin conductibilitate (cele două elemente fiind în contact) şi eventual prin radiaţie, dacă temperatura va depăşi 500°C.

Cuptorul cu flacără, constă din mufla 1 confecţionată din oţel sau un material refractar cu o rezistenţă mecanică corespunzătoare, care separă spaţiul util de gazele de ardere, pereţii refractari 2, arzătoarele (la combustibili gazoşi) sau injectoarele (la combustibili lichizi) 3, montate în pereţii laterali şi spaţiul necesar pentru buna circulaţie a gazelor de ardere 4. Piesele 5 se încălzesc prin radiaţia muflei, iar aceasta printr-un schimb de căldură complex de radiaţie - convecţie între pereţii cuptorului, muflă şi gaze. Gazele de ardere, care au cedat o parte din căldura lor sistemului, sunt evacuate printr-un canal de fum.

13

Cuptor cu flacără

Şarjarea se realizează prin manevrarea uşii 6 de către un sistem mecanic 7 acţionat cu un motor electric sau hidraulic. Temperatura din spaţiul de lucru se măsoară şi se reglează automat cu ajutorul unui termocuplu 8 legat la un milivoltmetru termoregulator. Pentru reducerea pierderilor de căldură prin gazele care sunt evacuate la coş, se recomandă folosirea unor recuperatoare 9, care să permită reintroducerea în circuitul termic a unei însemnate cantităţi de căldură, prin încălzirea aerului necesar arderii combustibilului. Cuptorul este montat pe un schelet metalic 10, construit din profile şi tablă de 2-5 mm.

Pentru îmbunătăţirea randamentului termic, în afara preîncălzirii aerului necesar arderii şi chiar a combustibilului gazos, se poate realiza o recirculaţie a gazelor, prin faptul că o parte a gazelor de ardere sunt reintroduse în spaţiul de lucru sau în focar, folosind ventilatoare speciale rezistente la temperaturi ridicate.

Cuptoarele cu flacără indirectă prin faptul că elimină contactul direct dintre piese şi flacără, se folosesc mai des în tratamentele termice decât cuptoarele cu flacără directă , deoarece la acestea există pericolul arderii, supraîncălzirii, decarburării, oxidării sau încălzirii neuniforme a piesei.

Cuptoare cu flacără indirectă

14

Cuptor cu flacără cu recirculaţia gazelor

Cuptoare cu funcţionare discontinuă; încărcare manual (a);

cu vatră mobilă (b).Pentru piese mari, care necesită încărcare cu macarale se construiesc cuptoare cu vatră

mobilă ce este antrenată mecanic cu ajutorul unor lanţuri sau cremaliere. Vetrele mai uşoare sunt montate pe boghiuri şi roţi pentru şine, iar cele mai grele se deplasează pe bile şi căi de rulare. Izolarea termică a spaţiului de lucru se realizează cu ajutorul unor şicane cu nisip.

Cuptor cu funcţionare continuă

Cuptoarele cu funcţionare continuă sunt prevăzute cu sisteme mecanice de deplasare a pieselor (transportoare cu plăci, vetre păşitoare, vetre pulsatorii, etc). Temperatura în spaţiul de lucru al cuptorului este variabilă, piesa parcurgând la o trecere un ciclu de încălzire - menţinere bine determinat. Aceste cuptoare se mai numesc şi cuptoare zonale.

După cum s-a mai amintit, pentru arderea combustibililor gazoşi se folosesc arzătoare, în timp ce pentru arderea combustibililor lichizi - injectoare. La noi în ţară cei mai utililizaţi combustibili sunt gazul metan, păcura şi motorina.

Cuptoare electriceCuptoarele electrice sunt mai simple decât cuptoarele cu flacără, deoarece nu necesită

arzătoare şi conducte aferente de combustibil şi aer, camere de combustie separate şi canale pentru evacuarea gazelor la coş.

Spaţiul de lucru 1 este izolat termic cu cărămizi refractare şi prevăzut cu o uşă 2, ce se deplasează pe ghidajele 3, prin acţionare cu motorul hidraulic 4.             Elementele încălzitoare 5 (rezistenţele) sunt montate pe pereţii laterali pe nişte suporţi speciali 6 şi în vatră, fiind legate la un panou de borne 7. Temperatura din spaţiul de lucru se urmăreşte cu ajutorul termocuplului 8 şi a aparatului termoregulator corespunzător, montate într-un panou de comandă.

15

Datorită faptului că lipsesc gazele de ardere, care prin evacuare la coş produc cea mai mare pierdere de căldură, randamentul cuptoarelor electrice este mult mai mare decât al celor cu flacără     ( h = 49 - 76 % ).

Marele avantaj al cuptoarelor electrice îl constituie posibilitatea lor de reglare şi automatizare, ele permiţând precizii curente de ± 5 - 20°C şi o funcţionare într-un regim

economic.

Cuptoare băiÎn cazul cuptoarelor cu băi mediul de încălzire este lichid, constând din metale sau

amestecuri de săruri topite supraîncălzite la temperatura necesară, ceea ce presupune o serie de avantaje ca:

- transferul căldurii se face mult mai avantajos, duratele de încălzire fiind mai scurte;- temperatura de încălzire se poate realiza mult mai uşor şi precis, temperatura băii şi a

pieselor fiind aceeaşi;- suprafaţa pieselor nu este expusă acţiunii chimice a mediului; dar şi de dezavantaje ce rezultă din măsurile speciale de protecţia muncii (pentru

prevenirea unor accidente) ce trebuiesc luate:- necesitatea existenţei unor instalaţii de exhaustare pentru eliminarea gazelor care se

emană;- necesitatea existenţei unor instalaţii de protecţie împotriva supraîncălzirii şi

autoaprinderii;- luarea unor măsuri împotriva stropirilor, etc.Ca şi cuptoarele, cuptoarele-băi pot fi acţionate cu combustibil sau electric, încălzirea băii

făcându-se din exterior sau din interior.

16

Cuptor electric

Diverse tipuri de cuptoare băia) cu încălzire exterioară cu gaz metan; b) cu încălzire exterioară

electrică; c) cu încălzire interioară cu tuburi radiante; d) cu încălzire interioară cu electrozi imersaţi;

1 - cameră de preîncălzire; 2 - cameră de încălzire; 3 - arzător; 4 - suport; 5 - creuzet; 6 - baie; 7 - piesă; 8 - canale pentru gaze; 9 - capac; 10 - termocuplu;

11 - hotă pentru exhaustare; 12 - muflă; 13 - electrozi; 14 - rezistoare; 15 - panou de borne; 16 - placă de protecţie.

Cuptorul baie cu încălzire exterioară cu gaz metan (a), dispune de două camere: camera 1 (destinată preîncălzirii pieselor (pentru a se evita producerea stropilor la imersionarea lor în baie) şi camera 2 (în care este montat creuzetul metalic care conţine sărurile topite). Arzătorul se dispune astfel încât flacăra lui să bată tangenţial faţă de creuzet, asigurând o mişcare mai intensă a gazelor, care apoi trec în camera de preîncălzire prin cele două canale practicate în peretele despărţitor, unde într-o muflă se găsesc piesele. Piesele sunt introduse în baie cu ajutorul unor dispozitive speciale care permit şi deplasarea lor ulterioară în utilajele de răcire.

Cuptorul baie cu încălzire exterioară electrică (b), permite un reglaj foarte precis şi comod. Sistemul de exhaustare, constând din două guri de absorbţie plasate la nivelul creuzetului, asigură o evacuare mai completă a majorităţii gazelor emanate.

Ambele tipuri de cuptoare-băi se folosesc numai la temperaturi joase         200-550°C, pentru care creuzetele metalice prezintă o rezistenţă mecanică corespunzătoare. Plasarea elementelor încălzitoare direct în baia de săruri este însă mai avantajoasă.

Cuptoarele baie cu încălzire interioară cu tuburi radiante (c), permit o mişcare a topiturii în baie datorită diferenţei de temperatură, ceea ce asigură un schimb corespunzător de căldură şi se utilizează pentru temperaturi medii 650 - 950°C. Pentru temperaturi mai ridicate (de maximum 1300°C), se folosesc cuptoare băi cu încălzire interioară cu electrozi imersaţi în topitură (d).

Randamentul termic al cuptoarelor băi este de 8 - 15 % pentru cele cu flacără, 20 - 30 % pentru cele cu rezistoare şi de 50 - 70 % pentru cele cu electrozi.

17