MATERIALE METALICE FOLOSITE LA CONSTRUIREA UTILAJELOR DIN INDUSTRIA ALIMENTARA (CONTINUARE)A.Tratamente termice

A.1.Recoacerea otelurilor

A.2. Calirea otelurilor

A.3. Revenirea

B. Tratamente termochimice

C. Cuprul si aliajele saleA. TRATAMENTE TERMICEProprietatile otelurilor si ale fontelor pot fi imbunatatite prin tratamentele termicesi termochimice.

Tratamentele termice presupun operatii de incalzire si racire a aliajelor aflate in stare solida, efectuate cu scopul de a modifica structura. Modificarea structurii determina modificari a proprietatilor:

fizico-chimice

tehnologice

Structurile din diagramele de echilibru se obtin prin racirea foarte inceata a aliajelor. Aceste structuri se numesc structuri normale sau de echilibru.

Diagramele de echilibru sunt construite in coordonatetemperatura-compozitia chimica a aliajului.

Diagramele de echilibru furnizeaz informatii despre: domeniile de existen a fazelor; temperaturile la care se produc transformri; structura aliajelor la diferite temperaturi.Principalele diagrame de echilibru pentru amestecurile metalelor binare sunt:

diagrama de echilibru cu solubilitate totala in stare solida a componentilor (fig.1)

Fig. 1. Diagrama de echilibru cu solubilitate totala in stare solida a componentilorCurba lichidus este curba deasupra careia nu sunt prezente decat lichidele.

Curba solidus este curba dedesuptulcareia nu sunt prezente decat solidele.

diagrama de echilibru cu solubilitate partiala a componentilor (fig.2)

Fig.2 Diagrama cu solubilitate partiala a componentilor

diagrama de echilibru cu insolubilitate totala in stare solida a componentilor (fig.3)

Fig.3. Diagrama cu insolubilitate in stare solida diagrama cu solubilitate limitata si variabila a componentilor

Fig. 4. Diagrama cu solubilitate limitata si variabila

In diagrama de echilibru cu solubilitate limitata si variabila se observa ca:

solubilitatea componenilor variaz cu temperatura la rcire solubilitatea scade avnd loc cristalizri secundare interseciile izotermelor cu liniile Cf i Dg indic pentru fiecare temperatur compoziia fazelor a i b

la formare eutecticul este compus din E = aC + bD datorit variaiei solubilitii n stare solid au loc transformri se produce o separare de b din a, respectiv de a din b. Evidentierea punctului eutectic cu parametrii temperatura 183oC si 61,9 % compozitia amestecului de metale punctul corespunzator unui amestec de substane sau elemente chimice cu punctul detopirecel mai sczut dintre toate compoziiile posibile din acele substane este prezentata in fig. 5.

Figura 5. Evidentierea punctului eutecticIn conditii de racire mai rapida transformarile de structura din diagrama de echilibru nu mai au timp sa se realizeze complet. Aceasta determina modificari de structura, dar si modificari a proprietatilor.

Cand racirea este foarte rapida, transformarile nu mai au loc, rezultand cu totul alte structuri si proprietati. Acestea constituie o stare in afara echilibrului, numita stare instabila (metastabila) a aliajului.

Un aliaj in stare instabila poate reveni la stare stabila prin incalzire.

Transformarile de structura si modificarile proprietatilor corespund urmatoarelor tratamente termice:

Recoacerea presupune obtinerea structurii normale (de echilibru) prin racire lenta

Calire presupune realizarea structurii in afara echilibrului prin racire rapida

Revenire presupune incalzirea aliajelor calite in scopul de a le readuce catre structura de echilibru.Un ciclu de tratament termic este format din trei operatii succesive:

Incalzire pana la o temperatura corespunzatoare tratamentului termic dorit

Mentinere un timp oarecare la aceasta temperatura

Racire pana la temperatura mediului ambiant cu o viteza corespunzatoare tratamentului termic

In diagrama variatiei temperaturii in functie de continutul de carbon din structura aliajelor se evidentiaza urmatoarele notatii:

Linia PS se noteaza cu A1

Linia GS se noteaza cu A3

Linia SE se noteaza cu AcemTipurile de tratamente termice de recoacere sunt prezentate in figura 6.

Figura 6. Diagrama variatiei temperaturii in functie de procentul de C cu evidentierea tipurilor de recoacereDin figura 6, poate fi analizata orice transformare care pot fi simbolizate astfel:

Transformarile de incalzire Ac1, Ac3 si Accem

Transformarile la racire Ar1, Ar3 si Arcem

A.1.RECOACEREA OTELURILOR- are ca scop obtinerea starilor de echilibru realizandu-se operatiile: inmuiere, recristalizare, omogenizare a compozitiei chimice, detensioanare. - etapele specific recoacerii otelurilor sunt:

Incalzire la o temperatura determinanta Mentinere la aceasta temperature

Racire foarte lenta (in cuptor cu un gradient de 50oC/h) sau lenta (in aer linistit cu un gradient de 100oC/h)

TIPURI DE TRATAMENTE DE RECOACERE

A.1.1.) Recoacerea de regenerare are drept scop transformarea structurilor cu graunti mari (cu rezistenta mica la soc) in structuri cu graunti mici.

In functie de temperatura de incalzire, in dragrama anterioara se evidentiaza zonele:

a.1.1.1) recoacerea de regenerare completa care presupune incalzire peste Ac3 cu 30-50oC cu viteza mica (100oC/h) cand structurile ferito-perlitice se transforma in austenite

racire foarte lenta pana la 500-600oC pentru transformarea austenitei in ferita si perlita

racire lenta.

a.1.1.2)Recoacerea de regenerare incompleta care presupune incalzire intre Ac1 si Ac3 si racire lenta.

A.1.2.) recoacerea de normalizare are ca scop obtinerea structurii normale, dar cu perlita mai multa si mai fina, deci materialul obtinut are o duritate mai mare decat cea obtinuta prin recoacerea de regenerare. Prin aceasta metoda de tratament termic, se obtin materiale metalice cu o structura uniforma, materiale ce pot fi destinate fabricarii pieselor sudate.Etapele recoacerii de normalizare sunt:

Incalzire peste Ac3 cu 50-70oC

Mentinere la aceasta temperatura pentru realizarea transformarii feritei si perlitei in austenita

Racire lenta care permite transformarea austenitei in ferits si cementita secundara, rezultand perlita mai fina si in cantitate mai mare.

A.1.3) recoacerea de inmuiere (globulizare) are ca scop imbunatatirea proprietatii de prelucrabilitate prin aschiere a otelurilor dure si extradure prin obtinerea de perlita globulara cu duritatea mica (200HB) care este usor aschiabila. Etapele acestui tratament termic sunt:- incalzire la o temperatura peste Ac1 cu 10-50oC

- mentinere timp de 4 -5 h pentru realizarea procesului de dizolvare a cementitei sub forma de lamele

- racire foarte lenta pana la 600oC cand se formeaza cementita sub forma de globule

- racire lenta pana la structura finala dorita.

A.1.4) recoacerea de omogenizare are ca scop obtinerea omogenitatii chimice a aliajelor. Se realizeaza in urmatoarele etape:

- incalzire aproape de linia solidus pana la 1000-1200oC- mentinere timp indelungat (12-100 h) pentru difuzia elementelor de aliere

- racire foarte lenta pana sub Ar1

- racire lenta pana la definitivarea structurii finale.

A.1.5) recoacere de recristalizare se aplica pieselor din oteluri moi obtinute prin deformare plastica la rece (laminare, ambutisare, indoire etc). Prelucrarea prin deformare plastica la rece determina alungirea grauntilor de ferita, iar materialul se ecruiseaza, devenind mai dur si mai putin plastic. Prin recoacere de recristalizare, otelul ecruisat revine la starea moale. Procesul de recristalizare incepe la 450oC.

Etapele recoacerii de precristalizare sunt:

Incalzire pana sub Ac1, adica cu 150-200oC peste temperatura de cristalizare, atingandu-se temperatura de 650oC. La acesti parametri, grauntii de ferita alungiti sunt inlocuiti cu graunti poliedrici.

Mentinere la temperatura de 650oC, timp de 30 60 min

Racire lenta.

A.1.6) Recoacerea de detensionare Se realizeaza in timpul prelucrarilor cand in metal apar tensiuni interne remanente cauzate de:

Neuniformitatea racirii (mai ales dupa sudura)

Ecruisare (modificarea proprietilor unui metal sau unui aliaj n urma unui proces de deformare plastic la rece sau la o temperatur inferioar celei la care ncepe recristalizarea)Tensiunile interne remanente induc urmatoarele modificari:

Reduc rezistenta mecanica

Favorizeaza ruperea la soc

Micsoreaza rezistenta la coroziune

Tensiunile interne remanente se inlatura prin recoacerea de detensionare. Etapele acestui tratament termic sunt: Incalzire pana la 450-650oC cu viteza mica (( 50oC/h) pentru a nu introduce tensiuni interne suplimentare

Mentinere 2-3 h (dupa ce s-a uniformizate temperatura in masa materialului). Aceasta durata este mai mica atunci cand temperature de incalzire este mare. Racire cu viteza foarte mica (30-100oC/h) pentru a nu introduce noi tensiuni interne.

A.2. Calirea otelurilor - se realizeaza pentru a induce otelurilor duritate si rezistenta mare la uzuraPrincipalele etape sunt:

Incalzire realizata astfel:

pentru otelurile hipoeutectoide Ac3 + 50oC

pentru otelurile hipereutectoide Ac1 + 50oC

Mentinere la temperatura de incalzire atinsa

Racire rapida in apa rece (viteza de racire cca. 300oC/s).

Obs. La incalzire in domeniul austenitic se obtine o solutie solida de carbon in Fe( - austenita. La racire rapida nu se formeaza ferita si perlita sau perlita si cementita secundara, ci se formeaza o solutie de carbon in Fe( numita martensita. Martensita este un constituient foarte dur si fragil. Transformarea austenitei in martensita se realizeaza cu o crestere de volum de 0,5 1,5 % ceea ce face ca la piesele cu forme neregulate sa apara tensiuni interne.

Dupa modul in care se realizeaza racirea, se deosebesc urmatoarele metode de calire:

a.2.1.) Calirea simpla presupune racirea prin introducerea piesei intr-un singur mediu de racire (apa, ulei). Daca se aplica racirea rapida, exista riscul aparitiei de crapaturi in structura piesei. a.2.2.) Calirea intrerupta presupune racirea intrerupta prin introducerea piesei in apa pentru racirea in cateva secunde, apoi in ulei pentru o racire mai putin energica cu scopul de a transforma toata autenita in martensita. In acest fel, se reduce riscul fisurarii pieselor.

a.2.3.) Calirea superficiala se realizeaza calirea unui strat superficial subtire, miezul ramanand necalait. Etapele de realizare presupun incalzire rapida a unui strat cu grosime de cativa milimetri si apoi racire cu jet de apa. Acest tratament se aplica pieselor care trebuie sa aiba suprafata rezistenta la uzura si miezul rezistent la socuri.

A.3. REVENIREA OTELURILORAcest tratament termic se aplica otelurilor care dupa calire au duritati mari, dar sunt fragile si au tensiuni interne. Etapele de realizare sunt: Incalzire la temperatura sub Ac1

Mentinere la aceeasi temperatura

Racire.

Revenirea otelurilor poate fi:

A.3.1.) Revenire joasa (detensionare) se realizeaza la 150-200oC pentru o diminuare a tensiunilor interne. A.3.1.) Revenire medie se aplica la temperatura de incalzire de 350-450oC. In timpul acestei transformari, o parte din martensita se transforma intr-un amestec de ferita si cementita secundara, imprimand materialului metalic o duritate mai mica si o structura elastica. Tratamentul de aplica pieselor din otel care in exploatare trebuie sa fie elastice (de ex. arcuri).

A.3.3.) Revenire inalta presupune utilizarea unei temperaturi de 450-650oC. La acest tratament o cantitate mai mare de martensita se transforma intr-un amestec de ferita si cementita secundara care imprima otelurilor calite tenacitate, cu mentinerea duritatii si deci a rezistentei la uzura.

B. Tratamente termochimice Tratamentele termochimice sunt tratamente termice care se efectueaz n medii active din punct de vedere chimic i care realizeaz modificarea compoziiei chimice, structurii i proprietilor straturilor superficiale ale pieselor metalice. In mod obinuit, prin aplicarea tratamentelor termochimice se obine mbogirea straturilor superficiale ale pieselor tratate n unul sau mai multe elemente chimice (componente), numite elemente (componente) de mbogire, alese convenabil scopului urmrit. Transferul unui element de mbogire, din mediul care l conine (mediul de lucru la efectuarea tratamentului) n stratul superficial al pieselor supuse tratamentului, se realizeaz prin desfurarea a trei procese elementare: disocierea mediului de lucru i obinerea de atomi ai elementului de mbogire; adsorbia elementului de mbogire la suprafaa pieselor supuse tratamentului i difuzia elementului de mbogire de la suprafaa pieselor spre interiorul (miezul) acestora. Principalele tratamente termochimice sunt:

B.1) Cementarea (tratamentul termochimic de carburare) are scopul imbogatirii cu carbon a straturilor superficiale. Obiectivele principale urmrite prin aplicarea acestui tratament se pot defini astfel:

obinerea unui strat superficial dur, care s confere pieselor o bun rezisten la uzare, performane sporite privind rezistena la solicitri mecanice variabile (oboseal) i/sau mbuntirea comportrii n medii active de lucru (corosive);

asigurarea unui miez cu proprieti bune de rezisten mecanic i tenacitate, care s confere pieselor o capacitate ridicat de preluare a solicitrilor mecanice din exploatare.

Se realizeaza in etapele:

- incalzire pana la o temperatur de nclzire ti = 930 ... 950 o C in domeniul austenitic intr-un mediu care cedeaza atomi de carbon

- mentinere pentru difuzia carbonului in stratul superficial.La cementare se poate folosi ca mediu un amestec de carbune de lemn si carbonati. Tratamentul termochimic de carburare se realizeaz:

n mediu solid

in mediu gazos.

In cazul carburrii n mediu gazos, piesele care se trateaz sunt introduse n cuptoare etane, mediul de lucru (atmosfera creat n cuptoare) este bogat n CO (oxid de carbon) sau CH4 (metan), iar reaciile de disociere care se realizeaz pentru generarea de carbon activ sunt de tipul:

2CO Cactiv + CO2 sau CH4 Cactiv + 2H2.n cazul carburrii n mediu solid, piesele sunt introduse n cuptorul n care se face tratamentul mpachetate ntr-un amestec pulverulent, alctuit din 70...75 % crbune de lemn (mangal) i 25...30 % carbonat de bariu; atomii activi de carbon se genereaz tot din faz gazoas, prin desfurarea unor reacii chimice de tipul:

2Ccrbune+ O2 2CO; 2CO Cactiv + CO2,

iar prezena carbonatului de bariu asigur o surs suplimentar de carbon activ (care determin scderea substanial a duratei tratamentului), ca urmare a realizrii unor reacii chimice de tipul:

BaCO3 + Ccrbune BaO + 2CO;

2CO Cactiv + CO2 sau

BaCO3 BaO + CO2;

CO2 + Ccrbune 2CO;

2CO Cactiv + CO2.De ex. atomii de C difuzeaza cu viteze de 0,15 mm / h, iar pentru un strat de 1 mm grosime sunt necesare 7 h de tratament termochimic.

Cementarease aplica pieselor din oteluri moi cu continut scazut de carbon (sub 0,25%) care dupa tratamentul termochimic ajung sa aiba la suprafata 0,8 0,9 % C intr-o structura perlitica.

Dupa cementare piesa se supune calirii cand in suprafata apare martensita dura care imprima materialului rezistenta la uzura, duritate de 500HB, iar miezul pieselor este moale si tenace.

B.2.) Nitrurarea are ca scop imbogatirea straturilor superioare in azot. Azotul formeaza cu elementele de aliere nitruri foarte dure, rezultand straturi superficial foarte dure. Etapele tratamentului termochimic de nitrurare sunt:

- introducerea pieselor in mediu de amoniac gazos la 500-520oC, avand loc descompunerea amoniacului dupa reactia chimica:

2NH3 = 2Nactiv + 3H2 mentinere in aceste conditii de temperatura si mediu chimic timp de 60-80 h.

Compoziia chimic a oelului sau fontei din care se confecioneaz piesele supuse nitrurrii i parametrii de regim la care se conduce acest tratament se stabilesc n funcie de scopul principal urmrit. Astfel, exista:

- Nitrurarea n scopul creterii rezistenei la uzura se aplic pieselor din oeluri cu %Cm = 0,3...0,4 %, aliate cu elemente ca Al, Cr, Mo, care formeaz cu azotul nitruri cu stabilitate termic mare i duritate ridicat.

- Nitrurarea n scopul creterii rezistenei la oboseal se aplic pieselor folosite n construcia de maini, confecionate din oeluri carbon sau din oeluri aliate obinuite (fr Al).

- Nitrurarea n scopul creterii rezistenei la coroziune se poate aplica pieselor confecionate din orice fel de oel i pieselor din fonte cenuii sau cu grafit nodular. Tratamentul se realizeaz la ti = 600...700 o C, cu o durat de meninere m = 1 6 ore

B.3.) Carbonitrurarea are ca scop imbogatirea simultana cu C si N2 a stratului superficial. Etapele realizarii tratamentului termochimic sunt:- incalzire la 820 850oC intr-un mediu care cedeaza carbon si un mediu care cedeaza azot. Se obtine astfel un strat superficial care contine carbonitruri cu duritate foarte mare. C. Cuprul si aliajele saleCuprul este alaturi de Ni, AL, Mg, Zn, Pb inclus in categoria metalelor neferoase (figura 7).

Figura 7. Materiale neferoase

Cu are culoarea rosiatica, este greu (densit =8,95g/cm3 ), este material metalic maleabil, plastic, are rezistenta mecanica mica, duritate mica, rezistent la soc si la coroziune atmodferica si are conductivitate termica si electria mare.

Se foloseste pentru confectionarea de tevi pentru schimbatoare de caldura.

Principalele aliaje ale cuprului sunt

alama este un aliaj a Cu cu Zn. Alamele pot fi:

- deformabile (moi, pentru presare sau dure in functie de cresterea procentului de Zn)

Am+2 cifre. Ex: Am63 are 63% Cu si 37% Zn.

- turnate (simbol AmT cu un continut de 35-40%Zn)

- pentru lipit. (simbol AmT+2cifre+Lp)

bronzul este aliaj Cu cu aluminiu (Al), staniul (Sn), Be (Beriliu) si plumb (Pb).Exista:

- bronzurile laminabile folosite pentru obtinerea de table (contin 6-8% Sn), armaturi , carcase de pompe (au 10-20% Sn)- bronzurile turnate (moi sau dure in functie de cresterea procentului de Sn)- bronzurile cu aluminiu ce au 9% Al si prezinta rezistenta la coroziune mai buna decat bronzurile cu Sn.

MATERIALE

NEFEROASE

Nichelul,

cromul

si aliajele lor

Magneziul

si aliajele sale

Plumbul,

staniul

si aliajele lor

Zincul

si aliajele sale

Aluminiul

si aliajele sale

Cuprul

si

aliajele sale