tratamente termice si materiale speciale

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;


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 ;


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;


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;


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 ;


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.


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:


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


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)


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


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


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.


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


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:


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,


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


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


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


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:


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


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


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.


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


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


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”.


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


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


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.


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


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


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


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


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:


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


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


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


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.


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.


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


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


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:


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.


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.


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).


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.


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%.


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


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


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.


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.


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


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.


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.


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.


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)


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).


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.


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


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.


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.


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.


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


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;


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%.


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


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


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.


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.


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


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.


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.


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;


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;


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


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


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.


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.


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.


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.


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:


- 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.


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%.


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


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)


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


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


în endogaz + gaz

natural

6-8 - 16-18

0 40-43 0 rest


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.


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.


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.


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


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;


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


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


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


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.


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


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.


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


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.


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:


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


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


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;



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.


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;


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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


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).


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;


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.


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.


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.


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.


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


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


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.


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.


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.


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.


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).


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.


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


133_________________________________________________________________

prelucrabil pentru următoarea operaţie de prelucrare prin aşchiere.

Tratamentul termic final urmăreşte durificarea şi mărirea rezistentei.


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:


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.


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.


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


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


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.


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


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.


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


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.


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.


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.


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 .


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.


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.


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


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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.


161_________________________________________________________________

Capitolul XI

Materiale compozite


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


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


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.


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);


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.


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.


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.


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


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.


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.


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


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


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%.


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


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.


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


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


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;


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.


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.


181_________________________________________________________________

CAPITOLUL XII

Tehnologia de realizare a pieselor din fibră de sticlă


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.


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.


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.


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.


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


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;


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.


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.


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.


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


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.


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


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


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.


195_________________________________________________________________

Fig.12.12

1- impregnare

2- laminare,

3- tagere

4- uscare cu radiatii

5- bobinare


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;


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.


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.


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


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.


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.


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 .


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.


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.


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;


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


207_________________________________________________________________

Fig.13.12 Pseudoaliaje WC-diamant


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.


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


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:


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


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.


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


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


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.


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

tratamente termice si materiale speciale

Documents