Tratamente termice preliminare (recoaceri) aplicate produselor turnate din fonte

-Bazele Teoretice ale Tratamentelor Termice-

Grupa 1031 C2, Avram Marius

1. Definitia tratamentelor termice

Tratamentele termice sunt procedee tehnologice ce constau in incalziri si mentineri la anumite temperaturi urmate de raciri cu viteze determinate in cursul carora au loc transformari structurale ce

produc modificari ale proprietatilor tehnologice si de exploatare ale materialelor metalice.

2. Clasificarea tratamentelor termice

Tratamentele termice, dupa scopul lor, se pot clasifica in:

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

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

2.1 Tratamente termice preliminare

2.1.1 Recoacerea de recristalizare nefazica

Prin recapatarea proprietatilor plastice , materialul ecruisat se supune incalzirii la temperatura superioara temperaturii de recristalizare si sub temperatura punctului critic inferior. La recoacerea de recristalizare se supun semifabricatele sub forma de benzi , table, bare si sarme trase sau trefilate la rece, precum si piesele matritate sau ambutisate la rece . Recoacerea se aplica inainte de deformarea la rece ca operatie intermediara sau ca operatie finala . Temperatura de recristalizare depinde de compozitia chimica ca si de conditiile deformarii anterioare. Temperatura de recoacere se alege in functie de tipul otelului si de natura prelucrarii prin deformare . In cursul recoacerii se recristalizeaza ferita, cementita se globulizeaza iar otelul capata o plasticitate mai mare. Racirea produselor recoapte moi trebuie sa se realizeze rapid .

2.1.2 Recoacerea obisnuita sau completa

Se aplica de cele mai multe ori dupa operatiile de deformare plastica la cald si reprezinta tipul caracteristic pentru otelurile hipoeutectoide. La recoacerea completa are loc transformarea tuturor fazelor din structura, ceea ce duce la finisarea si uniformizarea granulatiei , micsorarea duritatii si inlaturarea tensiunilor interne.

2

Incalzirea se face cu 30-50 °C peste temperatura punctului critic, durata de mentinere depinzand de calitatea otelului , de dimensiunile piesei , de structura initiala si de tipul instalatiei de incalzire. Durata de incalzire la recoacere ese mai mare decat durata la calire deoarece structura initiala grosolana se transforma si se omogenizeaza mai greu. Racirea se face lent .

2.1.3 Recoacerea incompleta

Incalzirea se face cu 30 - 50°C peste temperatura punctului critic, urmata de mentinerea corespunzatoare si racire lenta. Aceasta recoacere se aplica daca structura initiala este corespunzatoare din punct de vedere al granulatiei, dar duritatea este prea mare din cauza unei perlite fin dispersate . La recoacerea incompleta are loc recristalizarea numai a perlitei, micsorarea gradului ei de dispersie si deci micsorarea duritatii .

2.1.4 Recoacerea de normalizare

Incalzirea se face pana in domeniul pur austenitic pentru toate otelurile si anume cu 30 – 50 °C peste punctul critic la otelurile hipoeutectoide si cu 50 – 70 °C peste axa cementitei. Incalzirea otelurilor hipoeutectoide se face peste axa cementitei pentru distrugerea retelei de cementita secundara. Pentru toate otelurile racirea se va face in aer. Normalizarea se aplica numai otelurilor carbon si slab aliate care au calibilitatea redusa si racirea in aer conduce la obtinerea structurilor de echilibru sau usor in afara acestora (sorbita). Se obtine o structura mai fina si cu o cantitate mai mare de perlita (oteluri cu 0,5 – 0,6% C) .

2.1.5 Recoacerea de omogenizare

La cristalizarea otelurilor apar neomogenitati chimice cunoscute sub denumirea de segregatii, care pot fi: – segregatii microscopice care se manifesta in special in lingouri si care nu pot fi inlaturate prin tratament termic (dispar sau se atenuiaza la deformarile plastice cu grade mari de deformare);

– microsegregatii (segregatii dentrice) la care neomogenitatea se manifesta la nivelul cristalelor.

3

Segregatia dentrica in lingouri micsoreaza capacitatea de deformare plastica la cald si faciliteaza ruperea intercristalina. De asemenea accentueaza antizotropia proprietatilor in produsele deformate la cald. Omogenizarea compozitiei chimice in cazul pieselor si lingourilor are loc prin incalziri la temperature inalte (1050- 1250 °C) cu mentineri de 20 – 30 de ore, incalzirea si racirea se efectueaza cu viteze foarte mici. In practica industriala recoacerea de omogenizare se aplica lingourilor si pieselor mari turnate din otel alial, pentru carburare .

2.1.6 Recoacerea de inmuiere sau de globulizare

Reprezinta tipul caracteristic de pentru otelurile dure si extradure 0,6 – 1,4% C. Prin recoacerea de globulizare are loc transformarea cementitei sau carburilor din forma lamelara in forma globulara ceea ce duce la imbunatatirea prelucrabilitatii prin aschiere si a comportarii la alire.

2.1.7 Recoacerea de detensionare

Detensionarea se aplica pieselor obtinute prin turnare, sudare, deformare plastica, dar daca produsele respective se supun unor alte operatii de recoacere care se fac la temperaturi suficient de mari pentru inlaturarea tensiunilor interne iar racirea are loc suficient de lent pentru a nu se introduce alte tensiuni, nu se mai aplica in mod special recoacerea de detensionare. Atunci cand detensionarea este urmarita in mod expres, recoacerea se numeste detensionare si trebue efectuata cat mai repede dupa prelucrarea care a produs tensiuni interne, pentru a evita deformarea sau fisurarea piesei.

2.2 Tratamente termice finale

Dintre tratamentele termice finale (secundare), mentionam:

-Calirea izoterma;-Calirea in trepte;-Calirea clasica sau obisnuita cunoscuta sub denumirea de calire continua sau simpla.

4

Pe scurt, cele mai importante tratamente termice si scopurile lor sunt:

-detensionarea – este un tratament termic de temperatura joasa care reduce sau usureaza tensiunile interne dupa turnare;-recoacerea – imbunatateste ductibilitatea si duritatea, reduce carburile;-normalizarea – imbunatateste duritatea si putin ductibilitatea;-calire si revenire – pentru cresterea duritatii si durabilitatii sau cresterea tensiunii de incercare;-austenitizare – pentru a da structurilor de bainita ductibilitate si rezistenta la uzura;-calire superficiala – cu inductie, flacara sau laser pentru a produce o suprafata dura, rezistenta la uzura.

Pentru a discuta recoarerile aplicate produselor turnate din fonte vom studia indeaproape fontele cu grafit nodular.

3. Tratamente termice pentru fontele cu grafit nodular

Fontele cu grafit nodular (fonte ductile sau fonte cu grafit sferic) sunt tratate termic preliminar pentru a crea microstructuri de baza si a asocia proprietati mecanice ce nu pot fi obitinute prompt in stare brut turnata. Microstructurile de baza in stare brut turnata constau, de obicei, in ferita ori perlita sau in combinatii de amandoua, depinzand de marimea formei si/sau de compozitia aliajului. Recoacerea de normalizare, calirea si austenitizarea, urmata de racire controlata ori reactie izoterma sau o combinatie intre cele doua, poate produce o varietate de microstructuri si sa extinda foarte mult limitele proprietatilor mecanice ale fontelor cu grafit nodular.

Aceste mirostructuri pot fi impartite in doua mari clase:

-acele unde majoritatea structurii fazei feroase este este structura termodinamic stabile cubic cu volum centrat;-acele cu faza meta-stabila cubic cu fete centrate.

Primele sunt de obicei generate de recoacere, normalizare si revenire saude calire si procesele de calire. Cele din urma sunt generate de austenitizare, un proces cu reactie izoterma rezultat intr-un produs numit fonta ductila calita austenitic.

Alte tratmente termice in uzul comun indstrial includ recoacerea de detensionare si tratamente termice superficiale selective. Recoacerea de detensionare nu implica transformari majore

5

de microstructura, pe cand tratamentele termice superficiale selective (cum ar fi durificarea suprafetei la flacara sau cu inductie) implica transformari microstructurale, dar numai in parti selective ale formei.

3.1 Austenitizarea fontelor ductile

Motivul austenitizarii este acela de a produce o baza austenitica cu un continut de carbon pe cat posibil uniform inainte de prelucrarea termica. Pentru o fonta ductila tipic hipereutectica trebuie depasita o temperatura peste punctul critic astfel incat temperatura de austenitizare sa fie intr-un domeniu bifazic (austenita si grafit). Aceasta temperatura variaza in functie de cantitatea de aliaj. Continutului de carbon austenitic in echilibru cu grafitul creste odata cu cresterea temperaturii de austenitizare. Aceasta abilitate de a alege (cu limitari) continutul bazei de carbon austenitic face ca controlarea temperaturii de austenitizare sa fie importanta in procesele depind de carbon ca sa antreneze o reactie. Acest lucru este in general adevarat in structuri ce vor fi calite austenitic, in care calibilitatea (capacitatea de calire) depinde de un grade senificativ de continut de carbon din matrice. In general, continutul de aliaj, microstructura originala si marimea sectiunii determina timpul de austenitizare.

3.2 Recoacerea fontelor ductile

Cand maleabilitatea si prelucrabilitatea maxima este dorita si rezistenta mare nu este necesara fontele ductile sunt in general recoapte feritic. Microstructura este astfel schimbata in ferita si carbonul in exces este depozitat in nodulele existente. Cantitatile de mangan, fosfor si elementele de aliere cum ar fi crom si molibden trebuie sa fie cat mai reduse posibil daca prelucrabilitatea superioara este dorita, pentru ca asceste elemente franeaza procesele de recoacere.

Recoaceri practice recomandate ale fontelor ductile pentru diferite continuturi de aliaje si prentru piese turnate cu sau fara carbura eutectica sunt date mai jos:

-recoacere totala pentru fier pur cu 2-3% siliciu fara carbura eutectica: Incalzire si mentinere de la 870 la 900° C o ora pe tol de sectiune. Racire in cuptor cu 55°C/h pana la 345°C, apoi racire in aer.-recoacere totala cu carburi prezente: Incalzire si mentinere de la 900 la 925°C pentru 2 ore minim, mai mult pentru bucati mai grele. Racire in cuptor cu 110°C/h pana la 700°C. Mentinere 2 h la 700°C. Racire in cuptor cu 55°C/h pana la 345°C, apoi racire in aer.

6

-recoacere subcritica pentru transformarea perlitei in ferita: Incalzire si mentinere de la 705°C la 720°C o ora pe tol de sectiune. Racire in cuptor cu 55°C/h pana la 345°C, apoi racire in aer. Cand sunt prezente aliaje, timpii de racire controlata prin punctele critice variaza la 400°C, trebuind redusi sub 55°C/h.

3.3 Normalizarea fontelor ductile

Normalizarea (racire in aer urmata de austenitizare) are drept rezultat inbunatatirea considerabila a rezistentei la tractiune si poate fi folosita in productia fontei ductile de tip 100-70-03 ASTM (American Society for Testing and Materials). Microstructura obtinuta in urma normalizarii depide de compozitia pieselor turnate si de gradul de racire. Compozitia piesei determina durabilitatea. Gradul de racire depinde de masa piesei, dar poate fi influentata de asemenea de temperatura si miscarea aerului din jur din timpul racirii.

Normalizarea produce in general o structura omogena de perlita fina daca fierul nu este bogat in siliciu si are cel putin o cantitate moderata de mangan (0,3-0,5 sau mai mult). Piese mai grele ce necesita normalizare contin de obicei elemente de aliere cum ar fi nichel, molibden si mangan suplimentar, pentru o duritate mai mare ca sa asigure formarea unei structuri complet perlitice dupa normalizare. Temperatura de normalizare este de obicei intre 870 si 940°C. Timpul standard de temperatura de o ora pe tol de grosime sau o ora minim este de obicei acceptabil. Timpi mai lungi pot fi necesari pentru aliaje ce contin elemente care franeaza difuzia carbonului in austenita.

3.4 Calirea si revenirea fontelor ductile

O temperatura de austenitizare de 845-925°C este de obicei folosita pentru austenitizarea pieselor comerciale anterior calirii si revenirii. Uleiul este preferat ca mediu de calire pentru a minimiza tensiunile si craparea la calire, dar apa sau apa sarata pot fi folosite pentru forme simple. Formele complicate se prefera calite in ulei la 80-100°C pentru a evita formarea crapaturilor. Influenta temperaturii de austenitizare in duritatea cuburilor de fonta ductila calita in apa arata ca cea mai mare variatie de duritate (55-57 HRC) a fost obtinuta cu temperaturile de austenitizare intre 845 si 870°C. La temperaturi peste 870°C, cel mai mare continut de carbon a rezultat intr-un procent mai mare de austenita retinuta si deci duritate mai mica. Piesele turnate trebuie revenite imediat dupa calire pentru a reduce tensiunile de calire. Duritatea de revenire depinde de nivelul de duritate, cantitatea de aliaj si temperatura de revenire cat si de timp.

7

Revenirea intre 425-600°C duce la o micsorare a duritatii, a carei magnitudine depinde de continutul de aliaj, duritatea initiala si timp.

3.5 Revenirea austenitica a fontei ductile

Cand rezistenta si maleabilitatea optime sunt necesare, tratarea termica poate produce o stuctura revenita austenitic de austenita si ferita. Matricea austenitei revenite este responsabila pentru o rezistenta la tractiune in raport rezistenta-maleabilitate semnificativ mai buna decat este posibil cu orice alt grad de fonta ductila. Producerea acestor proprietati dorite necesita atentie sporita la marimea sectiunii si expunerea timp-temperatura in timpul austenitizarii si revenirii austenitice. Timpii variaza de la o ora pana la 4 ore.

Bibliografie:

- Heat Treatment of Spheroidal Graphite Cast Iron and its Effects – Sudhanshu Shekhar si Amit Jaiswal;

- www.thefreelibrary.com;- Cursuri BTTT;- www.Google.com

8